“資源一號”系列衛星推動衛星光學遙感技術進步

張慶君

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

0 引言

從1988年至今，“資源一號”系列衛星走過了30的歷程，取得了輝煌的成就，先后成功發射了 5顆衛星，在軌運行時間均超過設計壽命。資源衛星的發展可以分為三個階段：第一階段是1988年～2003年，為起步階段；第二階段是2004年～2014年，為技術跨越階段；第三階段是2015年至今，為科研向應用轉變階段。本文簡單回顧這幾個階段的歷程，并對資源衛星今后的發展進行了展望。

圖1 “資源一號”系列衛星發展歷程Fig.1 The development history of ZY-1 series satellites

1 發展歷程

1.1 起步階段：“資源一號”01/02星

“資源一號”衛星的起步也是中國傳輸型遙感衛星的起步。作為國內首顆傳輸型遙感衛星，最初的研制思路是立足于與法國合作。“資源一號”衛星的前身是中國空間技術研究院與法國空間技術研究中心（CNES）合作的“實踐三號”衛星，由于法方在合作方面的積極性不足，“實踐三號”最終下馬。1985年4月，國務院、中央軍委通過《七五空間發展計劃》，批準“資源一號”衛星立項，自此原“實踐三號”對地資源觀測衛星改名為“資源一號”衛星，并計劃依靠我國自己的能力于1990年完成衛星研制。然而，因經費問題所限，關鍵技術攻關進展緩慢，衛星方案和分系統研制單位也長期無法落實，整個項目進展極度緩慢。

1988年3月，中國和巴西兩國的專家就資源衛星的合作進行了討論，確定了“中巴聯合研制資源衛星的工作報告”，并就合作事宜明確了以下主要原則：雙方同意以平等、互利和互惠的原則聯合研制中巴地球資源衛星（China-Brazil Earth Resource Satellite，CBERS）；雙方同意以中國“資源一號”衛星總體方案為基礎，中方承擔總經費的70%，巴方承擔總經費的30%，總經費包括衛星的研制費用（包括兩顆飛行星）、兩枚運載火箭的購置費和發射服務費；同時明確了CBERS工程的任務目標是：利用先進的空間遙感技術為中國和巴西兩國的農業、林業、地質、水文、測繪和環境等資源的調查、開發、管理和監測服務，促進中巴兩國遙感和空間技術的發展和應用。1988年7月6日，兩國政府代表正式簽署了“中華人民共和國政府和巴西聯邦共和國政府關于核準研制地球資源衛星的議定書”[1]，從此雙方正式開始了衛星的研制工作。這也是我國首次開展傳輸型對地遙感衛星的研制。

作為中國和巴西聯合研制的地球資源衛星，“資源一號”衛星對外名稱為“中巴地球資源衛星——CBERS”。衛星以當時國際上先進的地球資源衛星的設計為目標，瞄準法國SPOT4衛星的主要技術指標，并在此基礎上增加了紅外譜段成像能力[2]。第一代“資源一號”衛星計劃研制2顆飛行星（01星、02星），中方經費占70%，巴方為30%，衛星設計壽命2年。衛星有效載荷包括1臺5譜段的CCD相機，1臺4譜段的紅外多光譜掃描儀（IRMSS），1臺2譜段的寬視場成像儀（WFI），X波段行波管放大器數據傳輸系統（DTS），X波段固態放大器紅外數據傳輸系統（IRDT），大容量、高碼速率磁帶機，數據收集系統（DCS）和空間環境監視器（SEM）等。

“資源一號”01星于1999年10月14日發射，2003年8月13日壽命結束，02星于2003年10月21日發射，2009年1月15日壽命結束。衛星達到了20世紀90年代初國際先進水平。

1.2 技術跨越階段：“資源一號”02B星、02C星和03/04星

“資源一號”01/02星遙感數據的應用，為資源衛星的系列化戰略發展奠定了堅實基礎。也對中巴雙方進一步深化合作增添了更大的信心和決心。巴方提出“資源一號”（CBERS）03/04星的中巴合作計劃，雙方各承擔50%的投資。

03/04星的技術性能比01/02星有大幅改進，分辨率從全色20m/多光譜20m一躍提升到全色5m/多光譜 10m，紅外譜段分辨率從短波80m/長波 160m提高到短波40m/長波 80m，觀測幅寬保持不變。03星原預計將在2008年發射，由于巴方負責的20m分辨率CCD相機的研制單位和經費長期不能確定，中方負責的兩臺相機的研制也遭遇到一些技術困難，導致研制進度一再推遲。同時，“資源一號”02星的星上電源故障，導致衛星可能達不到期望的5年超期壽命。在此背景下，為保證資源衛星遙感數據的連續性，2004年7月，國防科工委提出再投產1顆“資源一號”衛星（02B），在兩年的時間內發射上天，以接替“資源一號”02星在軌遙感應用服務的建議，得到了中巴資源衛星項委會的贊同和中巴兩國政府的批準。

2004年8月，中國空間技術研究院完成02B星總體方案的論證，同年9月，在北京召開了中巴第三次02B星技術協調會，中方向巴方介紹了02B星總體方案及有效載荷的構成。2004年10月，完成02B星項目建議書和經費評估，10月14日至15日，中巴兩國政府召開了中巴資源02B衛星第一次協調委員會會議，草簽了聯合研制“資源一號”02B星和“資源一號”衛星數據政策議定書，11月15日，中巴兩國政府首腦在巴西簽署了聯合研制“資源一號”02B星的政府協議。

02B星使用了剛剛完成鑒定的全色高分辨率相機，分辨率 2.36m，從而成為當時國內分辨率最高的民用遙感衛星，具備了全色多光譜同時成像的能力。

“資源一號”02B星發射后，由于星上使用了68臺（套）存儲時間將近10年的老設備，超期服役存在一定風險。同時“資源一號”03星巴方產品面臨元器件禁運的困難，產品需要重新進行設計。為了確保“資源一號”衛星數據產品的連續，同時滿足民用高分辨率數據需求，在“資源一號”02B星發射后即啟動論證02C星的方案。

“資源一號”02C星集中體現了“快、好、省”的研制思路。22個月的研制周期使其迅速填補了02B星失效產生的應用真空，2.36m的HR相機和全色5m/多光譜10m的PMS相機具備滿足主用戶國土資源部業務應用需求的能力[3]，衛星研制以分析仿真代替初樣驗證，極大節省了研制經費。作為遙感領域第一顆民用業務衛星，02C星主要滿足國土資源部土地資源監管、礦山開發監測、地質災害監測、地質隱患調查等主體業務，并在02B星的基礎上，推動上述業務向微觀調查與監管方向發展。

通過“資源一號”02B星、02C星和03/04星的研制與服役，衛星技術實現了跨越式發展，圖像品質，特別是輻射品質得到了長足的進步，“資源一號”衛星平臺得到了全面升級，并探索出了一條業務化發展的新路。

1.3 科研向應用轉變階段：“資源一號”02D星、02E星和04A星

經歷了前期的跨越式發展和圖像數據的規模化應用，積累了大量的使用經驗，明確了后續的改進方向。資源衛星的設計從過去的重技術指標向重用戶體驗轉變，從重技術跨越向重優質服務轉變。對定位精度等關鍵技術指標的分解越來越細化，新一代資源衛星的改進重點落在了提升圖像的幾何精度方面，歸根結底是提升圖像的定量化應用程度，使科學研究的成果直接服務于用戶。

這一階段，“資源一號”衛星形成了兩個分支，一個仍是中巴合作的CBERS系列，即“資源一號”04A星，另一個是國內獨立研制的國土部5m業務衛星系列，“資源一號”02D星和 02E星（又被稱為5m光學星01星和02星）。其中兩顆5m業務衛星將組網運行，能夠提供高品質的全色/多光譜/高光譜圖像信息，與04A星一起為用戶提供業務化的應用數據。

2 技術進步

2.1 首顆傳輸型遙感衛星（01/02星）

“資源一號”系列衛星見證了我國民用實時傳輸型對地遙感衛星的發展，在我國遙感衛星的發展歷程中具有里程碑式的作用。“資源一號”01星是我國第一顆實時傳輸型對地遙感衛星，其首發成功被兩院院士評為1999年中國十大科技進展之一[4]，國家領導人曾高度評價中巴地球資源衛星的合作是“南南合作”的典范。“資源一號”02星是我國第一顆在軌運行超過5年的遙感衛星。

“資源一號”01星研制遵循了研制技術起點高、涉及新技術面廣、發展潛力大的趕超設計思想，獲得了首發成功、首發投入應用、首發超壽命運行的成果。“資源一號”01星的成功運行，開啟了我國長壽命、三軸姿態控制、中低軌道太陽同步對地觀測衛星發展應用的新紀元，為后續該系列衛星研制奠定了重要基礎。“資源一號”衛星在新型高精度對地觀測衛星平臺設計、制造和總裝試驗領域，高分辨率可見光/近紅外、中高分辨率短波紅外和熱紅外光電成像技術領域打破了國外的技術壟斷，大大縮小了我國同國外先進衛星遙感技術水平的差距，也為我國后續同類衛星的發展奠定了堅實的基礎。

“資源一號”01、02星的數傳采用X波段，具有2×53Mbit/s的碼速率，QPSK調制，衛星數傳天線采用賦形背射雙線螺旋天線，與國際上同時間SPOT-5/LANDSAT衛星采用賦形反射面天線不同，該天線具有尺寸小、質量輕、好安裝的特點，同時與賦形反射面天線的性能和功能相當[5]。數傳系統達到了當時國際上數據傳輸系統的先進水平。

2.2 首顆同步獲取全色多光譜圖像的光學遙感衛星（02B星）

“資源一號”01星與02星相比，“資源一號”02B星配置了高分辨率HR相機，其分辨率達到了2.36m，是當時國內分辨率最高民用遙感衛星，也高于同時期的Landsat-7和SPOT-5系列衛星，提升了資源衛星高低分辨率搭配、幅寬大的綜合觀測能力。圖2～圖4分別為20m CCD相機和HR相機全國影像圖、北京鳥巢全色圖像及全色和多光譜融合后的天津市區圖像。

圖2 20m CCD相機全國影像圖Fig.2 National image by 20m CCD camera

圖3 HR相機北京鳥巢全色圖像Fig.3 Beijing bird's nest panchromatic image by HR camera

圖4 HR全色和CCD相機多光譜融合后的天津市區圖像Fig.4 Tianjin urban image after multispectral fusion by HR panchromatic and CCD camera

“資源一號”02B星是當時國內分辨率最高的民用遙感衛星，同時也是首顆同步獲取全色多光譜數據的光學遙感衛星。02B星技術方案大膽創新，整星新老產品相結合，大膽采用10多年前生產的大量產品．進一步加快了研制進度和節省了經費。整星產品中有 68臺（套）（包括 CCD相機及數傳、寬視場成像儀（WFI）、控制計算機和數管計算機、承力筒主結構等）均為地面儲存10年左右的產品，占整星的三分之一。盡管技術狀態復雜，與“資源一號”01/02星相比，布局和電氣接口等變化也較大，但在全面系統分析、周密的方案設計和嚴格的技術狀態控制的基礎上，02B的研制堅持采用“一步正樣”的研制策略，整星直接生產正樣，是對衛星產品化的一次重要嘗試，提供了寶貴的經驗。02B星的研制及應用，在技術水平提升和科研管理改進方面均為后續發展積累了寶貴經驗。

2.3 推動了光學遙感載荷的發展

（1）突破了光學載荷設計、分析和制造及驗證技術

1）設計手段及方法。在光學載荷設計手段和方法上實現了從手工繪圖到計算機輔助制圖的飛躍。“資源一號”01/02星光學載荷設計方法簡單，沒有現代化的設計手段，基本依靠設計人員的經驗進行設計，直到“資源一號”02B才開始借助計算機繪圖軟件進行設計，大大提高了光學載荷設計效率和設計的可靠性。

2）分析手段。在光學載荷設計分析手段上實現了從無到有的突破。“資源一號”01/02星光學載荷研制期間還沒有現代仿真分析軟件，對于設計結果只能通過試驗進行驗證，根據試驗結果進行修正設計，直到“資源一號”03/04星開始嘗試借助計算機仿真分析軟件對設計結果進行分析，縮短了光學載荷設計周期，降低了試驗驗證成本。

3）驗證手段。在光學載荷性能測試方面，測試方法越來越多，測試精度越來越高。隨著技術的發展，光學載荷的光譜響應測試、雜散光測試、內方位元素測試等測試方法實現了由無到有的突破，相機系統MTF、實驗室輻射定標等測試方法的測試精度逐步提高，這些驗證手段為確保光學載荷的在軌成像性能提供了技術支持和保障。

4）加工制造技術。從“資源一號”01/02星到“資源一號”03/04星，光學載荷的反射鏡尺寸由一百多毫米增加到三百多毫米，03/04星光學載荷的擺鏡尺寸長達660mm；光學零件的制造也實現了全數控機床的加工，其檢測設備的精度也提高很多；反射鏡的面形精度由最初的λ/30提高到了λ/60，加工制造技術的提高為光學載荷性能的提升提供了有力保障。

“資源一號”01/02星的載荷配置從方案設計起即瞄準國際技術發展的前沿，并充分考慮我國自身技術發展的水平和應用的需求。參考了法國SPOT衛星和美國Landsat衛星的技術特點，確定了有效載荷的配置方案。配置了空間分辨率為19.5m的五譜段CCD多光譜推掃式相機，覆蓋了0.45μm～0.89μm的可見光譜段，掃描幅寬為113km[6]；配置了四譜段紅外多光譜掃描儀，覆蓋了0.50μm～2.35μm的可見光和短波紅外以及10.4μm～12.5μm的熱紅外譜段，掃描幅寬為119.5km；此外還配置了掃描幅寬890km、空間分辨率258m的寬視場成像儀，具備0.63μm～0.69μm和0.77μm～0.89μm兩個譜段。遙感譜段設置與Landsat-5相近，但空間分辨率比其高；空間分辨率與SPOT-3相近，但譜段比其多[7-8]。

“資源一號”01/02星的有效載荷在設計上兼容并蓄，瞄準了國際先進指標，從無到有，是我國長壽命光學有效載荷的突破。

（2）突破了高分辨率5m全色/10m多光譜CCD相機關鍵技術

“資源一號”03/04星的CCD相機由多光譜20m分辨率提升到全色5m/多光譜10m，技術指標上有質的突破。在 01/02星載荷的基礎上，突破了高分辨率相機的光學系統優化設計及大口徑反射鏡研制、高精度焦平面組件、CCD成像電路及信號處理以及光學裝調、配準、檢測等關鍵技術。

“資源一號”03/04星的5m全色/10m多光譜CCD相機在01星CCD相機的基礎上，第一次實現了全色、多光譜觀測在同一臺相機上實現，這也是當時國內第一臺全色多光譜相機，補充了HR相機沒有多光譜譜段的不足。

（3）帶動了紅外相機探測器技術的突破

在“資源一號”03/04星紅外相機電性、鑒定產品研制過程中，短波紅外譜段（即B10、B11譜段）采用光導碲鎘汞探測器，前放輸出信號存在比較嚴重的拖尾，影響相機的圖像品質及用戶對相機圖像的使用。探測器研制單位先后通過對生產工藝、探測器芯片材料、篩選方法等進行改進，累積投片達到3 000多片，在探測器拖尾問題上取得了較大的改進，但該探測器組件性能距離滿足相機的使用需求仍存在差距。表明光導碲鎘汞探測器用在短波紅外譜段，特別是在較高溫度下用在短波紅外譜段在技術上存在問題。

同時，紅外相機研制人員采取了改變探測器輸出負載電阻、縮短輸出引線、增加前放帶寬、提升高端頻譜響應等措施，但對探測器拖尾情況無大的改進。資源衛星應用中心對帶有拖尾的實驗室圖像進行處理，也沒有得到理想效果。所以，紅外相機B10、B11譜段采用的光導探測器方案必須要進行更改。

為了使 B10、B11譜段探測器的輸出信號能夠滿足紅外相機成像品質的要求，北京空間機電研究所與國內紅外探測器研制單位進行了積極的協調，對替代光導探測器的方案進行了深入的探討，并提出了采用第二代短波紅外光伏探測器的解決方案，并將此方案提交資源衛星項目辦，經過充分研究論證和專家審查，決定采用華北光電技術研究所研制的帶讀出電路的光伏探測器組件。

更改后的光伏探測器組件鑒定產品通過了鑒定級力學試驗、老煉試驗、高溫存儲試驗及輻照試驗。并且針對金絲焊接工藝進行了專項驗證。經過分系統成像測試和整星測試，光伏探測器組件輸出信號正常，工作穩定，無圖像拖尾現象，滿足型號技術要求。

由于紅外遙感技術比較敏感，國外對紅外探測器的限制比可見光探測器更嚴格，“資源一號”衛星立足國產，堅持把紅外相機作為衛星的主載荷之一，帶動了國內相關行業的技術攻關和產業發展。在“資源一號”03/04星紅外探測器的基礎上，華北光電技術研究所持續為后續星提供更高品質的探測器，滿足更高精度的遙感需求。

（4）研究并實現了紅外相機隔振器技術的工程應用

“資源一號”03/04星紅外相機采用掃描鏡擺掃方式成像。成像時，掃描鏡需要以5.25Hz的頻率周期性擺動，其產生的微振動干擾使相鄰的全色相機圖像產生像移。為此，研制了隔振裝置，減小紅外相機掃描鏡工作產生的擾振對星上其它載荷的影響。

在掃描儀主體4個安裝耳片上增加隔振裝置（含隔振器、壓緊釋放裝置、壓緊釋放裝置控制電路盒），隔振器具有隔離和衰減紅外相機傳遞到星體的擾振的功能；壓緊釋放裝置用于保證紅外相機主體與衛星結構的剛性連接，壓緊釋放裝置在發射段處于壓緊狀態，入軌后擇機釋放，壓緊釋放裝置釋放后，解除紅外相機主體與星體的剛性連接；壓緊釋放裝置控制盒用于控制壓緊釋放裝置的釋放，并提供壓緊釋放裝置的狀態遙測。

基于記憶合金的壓緊釋放裝置在“資源一號”03/04星上實現了首次工程化的設計與應用，為同類裝置的使用奠定了基礎，為相機減隔振提供了實用的解決方案。

2.4 推動了遙感衛星平臺的技術進步

研制“資源一號”衛星的一個重要指導思想是衛星平臺化設計，同時實現衛星重要部件的國產化，推進中巴在衛星平臺和關鍵部件研制水平等方面的提升，增強衛星對不同載荷的適應性，從而帶動其他空間遙感項目。

1）在國內首次突破了太陽同步回歸凍結軌道控制技術，達到了國際先進水平。特別是成功的解決了中低軌道長弧段、大機動和短脈沖以及在一個軌道周期進行2次脈沖控制的高精度軌道控制技術。

2）姿態與軌道控制系統首次采用整星零動量三軸穩定的輪控技術。太陽翼驅動機構、敞開式長壽命紅外地球敏感器、全視場太陽敏感器、1N小推力發動機、全管理表面張力貯箱、液浮速率積分陀螺、動量輪等均為自主研制產品。

3）國內首次突破了千瓦級太陽電池陣制造和試驗技術。太陽電池基板及太陽翼展開、鎖定機構等均為自主研制產品。

4）突破了短期大功率負載的熱控制和地面試驗驗證技術。充分利用仿真分析確定重要載荷的熱設計方案，地面試驗和飛行數據有力的證明了整星熱設計、熱分析和驗證技術的正確性。

5）首次在國內采用S波段測控體制和星上數據管理系統（OBDH），提升了星地數據交互與星上數據管理的自主能力。“資源一號”衛星測控和星上數據管理總體設計方案先進，其信道部分采用國際通用的S波段測控體制，其視頻部分采用了分布式數據總線管理體制的星載數據管理系統。上述兩個系統在國內均是“資源一號”衛星首次使用后推廣到其它型號衛星上。

2.5 推動了遙感應用技術發展

（1）推動了遙感數據的惠民普及

經過“資源一號”01/02星的應用示范和市場培育，“資源一號”衛星的遙感數據應用從02B星開始進入大發展時期。在國防科工局的組織下，原國土資源部成為02B星的主用戶，共同推動衛星遙感數據的有效利用。作為當時分辨率最高的民用遙感衛星，02B星2.36m的全色數據進入了國民經濟的多個部門，年數據分發量達到了26萬景。不僅為國土資源部，同時也為農業、林業、水利、地質礦產、能源、土地、環保、海洋、測繪、城鄉規劃、災害監測等眾多國民經濟的領域服務。其用戶涉及國務院、中央軍委及20多個部委、40多個省和計劃單列市[9-13]。

“資源一號”02B星發射成功后，美國、澳大利亞、北歐、南美、非洲以及亞洲的國家都積極申請使用CBERS-02B的數據。中國和巴西政府還同意向非洲大陸免費分發02B星20m遙感數據。同時中國政府也以中巴資源衛星加入《空間及重大災害國際憲章》機制，體現了中國航天對世界的貢獻。

（2）開創了遙感衛星的業務運行

為了進一步深化“資源一號”衛星圖像的應用，從“資源一號”02C星論證階段起，在國防科工局和國土資源部的共同努力下，將用戶的牽頭體制由牽頭主用戶模式改進為業主模式，國土資源部成為02C星的“業主”，從而確立了用戶對衛星及其數據產品的所有權，也明確了用戶對數據產品的使用和推廣責任。遙感衛星第一次有了明晰的責權劃分，衛星數據也向業務化應用邁出了堅實的一步。

02C星發射后當年即進入國土資源部主業務流程，與國內外其他衛星數據共同構成國土資源部業務數據源，極大提升了國土資源部業務數據源的國產化水平。僅在尚處于業務推廣期的2012年，02C星在軌共成像1 267次，成圖20余萬景。其后每年均為國土資源部提供一百萬平方千米以上的有效數據，需求滿足度超過95%，有效支持了國土部的“全國一張圖”工程。“資源一號”02C衛星的圖像品質達到了法國SPOT-5的水平，使國產衛星數據在二類地區的觀測任務中首次占據了主份額，對SPOT-5的數據形成了有效替代。可以說，穩定、高品質的02C星數據有力保障了我國國土資源數據的安全[14-18]。

圖5 “資源一號”02C星全球有效覆蓋示意圖（截止2016年）Fig.5 Map of global effective coverage of ZY-1 02C（By the end of 2016）

（3）引領了業務衛星的后續發展

以“資源一號”02C星的發射和業務應用為契機，探索出了一條業務衛星發展、使用和管理的道路。在02C星發射后，國土資源部陸續提出了滿足國土資源調查業務的國土衛星規劃、整合陸地海洋觀測業務需求的陸海衛星規劃，并最終合并到空間基礎設施規劃中，成為天基系統中業務衛星規劃的主體部分。應該說，“資源一號”02C星和原國土資源部為空間基礎設施業務衛星規劃做出了重要貢獻。

3 未來發展

“資源一號”衛星立足于陸地資源領域，主要觀測要素包括：土地、水體、礦產、林業以及應急災害監測等。根據國內外對地觀測衛星的發展趨勢，“資源一號”衛星未來的發展原則為：

1）以中高分辨率光學遙感為主，繼續推動光學遙感的深入發展；

2）細化多光譜譜段，發展高光譜、超光譜遙感技術，持續豐富觀測手段，提高定量化應用水平；

3）提高單星觀測幅寬，發展對地觀測衛星星座，不斷提高衛星的觀測效能；

4）推動業務衛星和科研衛星的同步發展，滿足用戶對遙感數據的需求，同時完成航天技術拉動職能。