靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星發(fā)展概況

李果 孔祥皓

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引言

地球靜止軌道對(duì)地觀測(cè)技術(shù)非常適合于對(duì)地球進(jìn)行長(zhǎng)期的連續(xù)監(jiān)視。但由于軌道高度高，成像物距是近地軌道的數(shù)十倍，早期在光學(xué)成像載荷技術(shù)能力的限制下，難以獲得高空間分辨率探測(cè)圖像，因此其發(fā)展多在對(duì)空間分辨率要求不高的氣象衛(wèi)星和導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星領(lǐng)域。

21世紀(jì)初，隨著大口徑主鏡成像技術(shù)、可展開式光學(xué)成像技術(shù)、光學(xué)合成孔徑成像技術(shù)以及衍射望遠(yuǎn)鏡技術(shù)等新型成像技術(shù)的發(fā)展，靜止軌道高分辨率光學(xué)成像技術(shù)開始蓬勃發(fā)展，各國(guó)紛紛提出了各自的靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星計(jì)劃[1-3]。

本文從典型國(guó)家的發(fā)展計(jì)劃和專項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)兩個(gè)維度對(duì)靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星發(fā)展情況和發(fā)展方向進(jìn)行調(diào)研和分析，并基于調(diào)研和分析的結(jié)果，提出我國(guó)靜止軌道光學(xué)成像衛(wèi)星發(fā)展的建議和啟示。

1 發(fā)展概況

1.1 美國(guó)

美國(guó)在“鎖眼”偵察衛(wèi)星（KH-12）、“哈勃望遠(yuǎn)鏡”（Hubble）等衛(wèi)星上早已實(shí)現(xiàn)主鏡口徑2.4～3m，據(jù)推測(cè)，目前具備在地球靜止軌道實(shí)現(xiàn) 5m左右分辨率的技術(shù)能力。但由于美國(guó)各類可以用于軍事偵察的低軌光學(xué)衛(wèi)星數(shù)量非常多，天基之外的偵察手段也很完備，對(duì)地球靜止軌道低于 5m分辨率的需求并不強(qiáng)烈。因此美國(guó)并未在基于整體式主鏡的靜止軌道光學(xué)遙感衛(wèi)星方面開展實(shí)質(zhì)性工作。

美國(guó)從上世紀(jì)80年代末便制定了對(duì)于整體式主鏡之外的新型光學(xué)系統(tǒng)的研究發(fā)展規(guī)劃，從研究進(jìn)程來看，美國(guó)正力圖通過大型空間望遠(yuǎn)鏡James Webb項(xiàng)目（JWST）的發(fā)展。逐步解決可展開式成像技術(shù)，提高技術(shù)成熟度，隨后應(yīng)用到靜止軌道對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域[4-5]。

JWST望遠(yuǎn)鏡如圖1所示，采用三反同軸消像散光學(xué)系統(tǒng)，焦距131.4m，主鏡口徑約6.5m，主鏡面積為25m2。系統(tǒng)中加入快速像穩(wěn)定鏡提高光軸穩(wěn)定度。

圖1 James Webb望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)Fig.1 Design of “James Webb”

此外，在光學(xué)合成孔徑光學(xué)系統(tǒng)方面，美國(guó)的其它研究包括：美國(guó)麻省理工學(xué)院空間系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（MIT）基于Golay-3布局的自適應(yīng)偵察光學(xué)衛(wèi)星項(xiàng)目（ARGOS）、波音公司基于Golay-6布局的靜止軌道對(duì)地光學(xué)遙感器項(xiàng)目等等。

目前，光學(xué)合成孔徑成像的理論研究已經(jīng)較為成熟，并針對(duì)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了一些地面試驗(yàn)。總體來說，距離工程應(yīng)用還有非常大的差距。

1.2 歐洲發(fā)展

相比于美國(guó)，歐洲的靜止軌道光學(xué)遙感衛(wèi)星發(fā)展起步略晚，開始于21世紀(jì)初。歐洲的新型光學(xué)成像技術(shù)大多參考美國(guó)，在技術(shù)攻堅(jiān)的過程中，歐洲同樣難以攻克稀疏孔徑成像技術(shù)和基于編隊(duì)飛行的光學(xué)干涉合成孔徑成像技術(shù)，相關(guān)例子如達(dá)爾文（DARWIN）計(jì)劃被取消。

但另一方面，歐洲單體大口徑反射成像系統(tǒng)發(fā)展較為順利，曾在2009年發(fā)射了口徑達(dá)3.5m的赫歇爾空間天文望遠(yuǎn)鏡（Herschel），歐洲以此為技術(shù)基礎(chǔ)積極發(fā)展靜止軌道光學(xué)遙感衛(wèi)星成像載荷，同時(shí)發(fā)展具有高姿態(tài)控制精度和高敏捷性能的靜止軌道光學(xué)遙感衛(wèi)星平臺(tái)。

歐空局在2005年4月召開的第一屆歐洲AAAI軍事空間國(guó)際會(huì)議上，初步確定了實(shí)現(xiàn)靜止軌道高分辨率對(duì)地觀測(cè)的技術(shù)路線和技術(shù)途徑，如圖2所示[6-7]：

圖2 歐空局靜止軌道高分辨率對(duì)地觀測(cè)技術(shù)路線Fig.2 Technical route of high-resolution observation at GEO orbit by ESA

在靜止軌道高分辨率光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，歐洲阿斯特留姆（Astrium）公司實(shí)力最強(qiáng)，開展了一系列衛(wèi)星的研制，表1所示為歐洲Astrium公司面向地球靜止軌道（GEO）高分衛(wèi)星工程化的發(fā)展計(jì)劃。

表1 歐洲Astrium公司面向GEO高分衛(wèi)星工程化的發(fā)展計(jì)劃Tab.1 The development plans of Astrium company on high-resolution observation project at GEO orbit

1.3 韓國(guó)發(fā)展

韓國(guó)航空航天研究所（KARI）和阿斯特留姆公司（Astrium）合作研制了首顆靜止軌道海洋觀測(cè)衛(wèi)星COMS，COMS衛(wèi)星通過Ariane5 V195火箭發(fā)射成功。

其上搭載了地球靜止軌道海洋水色成像儀（GOCI），可用來監(jiān)測(cè)朝鮮半島周邊海域水色情況。GOCI載荷地面像元分辨率500m，幅寬500km，共8個(gè)譜段，光譜分辨率10～40nm，平均信噪比優(yōu)于1 000。GOCI載荷質(zhì)量83.3kg，峰值功耗106W，是COMS衛(wèi)星的3個(gè)載荷之一[8]。

在GOCI載荷取得成功的同時(shí)，韓國(guó)宇航局提出了GOCI-2載荷的研制計(jì)劃，其地面像元分辨率提高到250m，譜段數(shù)增加到13個(gè)[9-10]。

2 成像技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

通過目前的技術(shù)跟蹤情況來看，靜止軌道高分辨率光學(xué)成像技術(shù)對(duì)于新型成像技術(shù)、載荷與平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)的要求越來越高，圖3為靜止軌道高分辨率光學(xué)成像技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

圖3 靜止軌道高分辨率光學(xué)成像技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)Fig.3 Development trends of high-resolution optical imaging satellite at geostationary orbit

2.1 新型成像技術(shù)

由于受發(fā)射平臺(tái)載荷艙體積和質(zhì)量、光學(xué)材料、制造工藝、機(jī)械結(jié)構(gòu)、成本等諸多因素的限制，光學(xué)系統(tǒng)口徑大于3～4m后已經(jīng)無法進(jìn)一步增大。因此，為在地球靜止軌道發(fā)展分辨率高于5m的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，必須尋求傳統(tǒng)的整體式主鏡之外的技術(shù)途徑。為此，歐、美從20世紀(jì)90年代開始，開始開展各種新型成像系統(tǒng)的研究，以滿足靜止軌道高分辨率成像的需要。先后提出的研究方案種類繁多，主要包括空間可展開光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)合成孔徑成像系統(tǒng)、衍射成像光學(xué)系統(tǒng)等。

美、歐等國(guó)采用的靜止軌道光學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展概況如表2所示。

（1）空間可展開光學(xué)技術(shù)

在眾多的新技術(shù)中，可展開光學(xué)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)大口徑空間光學(xué)系統(tǒng)的主要技術(shù)途徑之一。

可展開光學(xué)系統(tǒng)是指在發(fā)射時(shí)折疊為一個(gè)可接受的尺寸，到達(dá)預(yù)定軌道后再展開的光學(xué)系統(tǒng)；光學(xué)系統(tǒng)的主鏡由一些較小尺寸的超輕、主動(dòng)控制的分塊鏡組成，發(fā)射后在軌道上按要求的方式展開、鎖定，在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的控制下“拼接”成一個(gè)共相位主鏡。可展開光學(xué)系統(tǒng)有效地解決了整體式大口徑光學(xué)系統(tǒng)研制和發(fā)射中難以克服的種種問題，使輕量化、大口徑遙感器的實(shí)現(xiàn)成為可能[11]。

美國(guó)和歐洲都十分重視可展開光學(xué)系統(tǒng)的研制。美國(guó)國(guó)家偵察局于2004年夏天探討可展開式望遠(yuǎn)鏡概念，計(jì)劃在今后20年內(nèi)造出這樣的偵察衛(wèi)星：它在發(fā)射時(shí)可容身于直徑5m的整流罩內(nèi)，進(jìn)入太空后可展開其口徑約30m的望遠(yuǎn)鏡，歐空局在2005年的防務(wù)會(huì)議上明確提出要研發(fā)可展開光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于對(duì)地觀測(cè)。

（2）光學(xué)合成孔徑成像技術(shù)

光學(xué)合成孔徑成像技術(shù)是一種采用中、小口徑光學(xué)鏡片或子望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)利用光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)等效大口徑光學(xué)系統(tǒng)的新型成像技術(shù)，其系統(tǒng)成理想像必須滿足等光程條件，也就是物理光學(xué)上的共相位，也稱稀疏孔徑望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)相比，光學(xué)合成孔徑成像技術(shù)的特征和優(yōu)點(diǎn)在于：降低了光學(xué)元件的加工難度，光學(xué)元件體積小，質(zhì)量輕，系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成為折疊式，有利于降低發(fā)射體積和質(zhì)量，節(jié)約發(fā)射費(fèi)用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和組裝靈活多變，特別適用于各種空間光學(xué)系統(tǒng)。

光學(xué)合成孔徑成像系統(tǒng)包括分塊成像系統(tǒng)和稀疏孔徑成像系統(tǒng)。目前光學(xué)合成孔徑技術(shù)受到世界各國(guó)的重視，美國(guó)、歐洲和俄羅斯均投入了大量的人力物力進(jìn)行研發(fā)，特別是以美國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家，投入巨資進(jìn)行研究與開發(fā)，并且在該領(lǐng)域已經(jīng)取得一定的研究成果。截至目前，美國(guó)在此領(lǐng)域的研究處于世界領(lǐng)先水平，但也停留在技術(shù)研究和演示驗(yàn)證階段，還不具備工程化應(yīng)用能力。在方案設(shè)想上，稀疏孔徑的實(shí)現(xiàn)方案既有基于單星多孔徑的方案，也有基于多星編隊(duì)，進(jìn)而形成多孔徑的方案。但總體來說，稀疏孔徑的技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度還很大，還停留在理論研究和地面試驗(yàn)階段。

表2 靜止軌道光學(xué)成像技術(shù)發(fā)展對(duì)比Tab.2 Antitheses and development of geostationary orbit imaging technology

（3）光學(xué)衍射成像技術(shù)

衍射成像系統(tǒng)一般由物鏡和目鏡系統(tǒng)組成，是具有微結(jié)構(gòu)的新一代光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)中的物鏡為超大口徑衍射透鏡，目鏡系統(tǒng)一般包括一個(gè)中繼光學(xué)系統(tǒng)和色差校正系統(tǒng)。其工作原理是首先通過衍射透鏡匯聚光線，再由位于其焦點(diǎn)處的中繼光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行色差校正以增大帶寬，最后成像到焦平面上。衍射光學(xué)元件是利用厚度為波長(zhǎng)量級(jí)的表面浮雕結(jié)構(gòu)對(duì)光波進(jìn)行控制，元件本身具有輕而薄的特點(diǎn)。把衍射光學(xué)元件制作在幾十微米的薄膜基底上，由于是透射元件，只要基底材料做到等厚，對(duì)其面形精度要求一般為毫米量級(jí)，與反射鏡相比，其面形精度可以降低4個(gè)數(shù)量級(jí)[12]。

與傳統(tǒng)的反射式光學(xué)系統(tǒng)相比，衍射成像技術(shù)具有獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)。首先，衍射成像器件若使用薄膜材料，將使光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量小很多，在實(shí)現(xiàn)相同分辨率的前提下，衍射光學(xué)成像系統(tǒng)質(zhì)量?jī)H為反射系統(tǒng)的1/7，大幅降低了對(duì)火箭承載能力的要求；其次，可采取發(fā)射時(shí)折疊、入軌后展開的方式，易于實(shí)現(xiàn)天基超大光學(xué)口徑成像系統(tǒng)；再次，衍射薄膜鏡面形精度要求比反射鏡降低2～3倍，降低了制造難度，且薄膜鏡易于復(fù)制和批量化生產(chǎn)，有望大幅降低系統(tǒng)開發(fā)成本。綜上所述，衍射光學(xué)成像系統(tǒng)有望成為未來大口徑、高分辨率光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

（4）新型成像技術(shù)總結(jié)

大口徑單鏡面成像系統(tǒng)由于自身質(zhì)量極大，無法在發(fā)射時(shí)折疊裝載，因此在現(xiàn)有運(yùn)載火箭能力的限制下，這種方案不適于口徑大于 4m的空間望遠(yuǎn)鏡，但隨著具有大口徑整流罩的重型運(yùn)載火箭的發(fā)展，這種類型的望遠(yuǎn)鏡具有潛力成為大口徑空間望遠(yuǎn)鏡的解決方案，單鏡面望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)難度也比空間分塊可展開望遠(yuǎn)鏡的低。

目前的研發(fā)熱點(diǎn)，即空間分塊可展開望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以利用比較成熟的小口徑反射鏡拼接成一個(gè)大口徑望遠(yuǎn)鏡，但其面形控制要求、共相位要求是極其嚴(yán)格的，相應(yīng)的成本也極高。

光學(xué)干涉合成孔徑技術(shù)由于各子孔徑的同相位要求，使得空間機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整、系統(tǒng)穩(wěn)定性和大氣擾動(dòng)等因素引起的波動(dòng)的總效應(yīng)需控制在光波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)內(nèi)。具體地說，光學(xué)干涉合成孔徑技術(shù)一般是利用若干個(gè)衛(wèi)星編隊(duì)飛行，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)基線干涉從而達(dá)到高分辨率的要求，但其衛(wèi)星編隊(duì)飛行的控制精度要求極高，工程實(shí)現(xiàn)難度巨大。同時(shí)，稀疏孔徑使用分離的光學(xué)系統(tǒng)，是以犧牲通光量為代價(jià)實(shí)現(xiàn)高分辨率，在技術(shù)上還存在一系列尚待解決的問題。另一方面，分塊可展開和稀疏孔徑成像系統(tǒng)自身的質(zhì)量仍然會(huì)限制口徑的擴(kuò)大。

衍射成像技術(shù)為解決靜止軌道高分辨率對(duì)地觀測(cè)問題提供了一種新思路，它具有可實(shí)現(xiàn)大口徑、所用材料面密度極輕、面形控制要求低和生產(chǎn)工藝相對(duì)較容易等特點(diǎn)，但衍射成像系統(tǒng)的效率比較低，目前其主鏡最高只能達(dá)到約40%的衍射效率，而整體系統(tǒng)的效率更低。并且衍射成像系統(tǒng)的帶寬普遍較窄，支撐衍射薄膜的平臺(tái)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也是很復(fù)雜的問題。

總之，這些技術(shù)各有利弊，要綜合實(shí)際的使用情況進(jìn)行取舍。

2.2 載荷與平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)

隨著靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星的發(fā)展和應(yīng)用，傳統(tǒng)的衛(wèi)星平臺(tái)搭載一臺(tái)合適的載荷理念進(jìn)行開發(fā)研制的衛(wèi)星很難滿足用戶的多種高標(biāo)準(zhǔn)要求，因而為提升系統(tǒng)使用效能、實(shí)現(xiàn)高性能、高穩(wěn)定性在軌成像能力而進(jìn)行的一體化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代高性能衛(wèi)星研制所必需的。

對(duì)于靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星的一體化需求分析主要有： 有效載荷尺寸和規(guī)模的增大需求；更高的圖像質(zhì)量需求；更高的智能化需求。

因此，載荷與平臺(tái)的一體化設(shè)計(jì)不但要解決載荷與衛(wèi)星平臺(tái)在整星結(jié)構(gòu)、熱控以及電接口上采用一體化設(shè)計(jì)需求，更多要需要關(guān)注高精度指向與高穩(wěn)定度姿態(tài)控制技術(shù)、微振動(dòng)抑制技術(shù)和整星像質(zhì)提升和處理技術(shù)。

（1）高精度指向與高穩(wěn)定度姿態(tài)控制技術(shù)

由于靜止軌道高分辨率光學(xué)成像的軌道很高，若要比較準(zhǔn)確地定位地球表面的目標(biāo)以及獲取高品質(zhì)的遙感影像，要求衛(wèi)星必須具有良好的姿態(tài)指向精度、準(zhǔn)確的姿態(tài)確定精度和高穩(wěn)定的姿態(tài)。姿態(tài)確定與控制系統(tǒng)是其中的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，它決定了姿態(tài)的指向精度和穩(wěn)定度。由于姿態(tài)確定中需要利用軌道信息，故軌道的確定與控制對(duì)姿態(tài)控制系統(tǒng)也很重要。

目前國(guó)外的星敏感器技術(shù)日趨成熟，并已在多種衛(wèi)星上應(yīng)用。美國(guó)的GOES-N氣象衛(wèi)星即采用用陀螺/星敏感器組合定姿方法。GOES-N的控制系統(tǒng)包含三個(gè)星敏感器，其中兩個(gè)用于精確姿態(tài)確定，另外一個(gè)作為冗余備份，但同時(shí)使用三個(gè)可以提高系統(tǒng)性能。星敏感器的光軸在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系與-Y軸的夾角為 35°，視場(chǎng)為 8°×8°，能同時(shí)跟蹤 5顆六等星，觀測(cè)誤差為 8μrad。每個(gè)星敏感器的質(zhì)量小于 9kg，功耗小于 15W。星敏感器的性能主要取決于標(biāo)定誤差而不是噪聲，目前的標(biāo)定誤差的精度低于 1″（3σ）[13-14]。

（2）微振動(dòng)抑制技術(shù)

對(duì)于靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星，采用面陣凝視成像體制，其積分時(shí)間可調(diào)是優(yōu)勢(shì)，通常靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星的積分時(shí)間是低軌觀測(cè)衛(wèi)星的數(shù)十倍至數(shù)百倍，如此長(zhǎng)時(shí)間的積分，對(duì)平臺(tái)提供的力學(xué)環(huán)境要求也越來越高。從歐美發(fā)展的狀況來看，為實(shí)現(xiàn)高分辨率遙感，減振隔振技術(shù)成為具有決定性的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1990年美國(guó)發(fā)射的Hubble望遠(yuǎn)鏡用于對(duì)太空進(jìn)行科學(xué)觀測(cè)，其光學(xué)相機(jī)對(duì)航天器指向精度與穩(wěn)定度的要求非常高。在采取仔細(xì)調(diào)整匹配軸承滾珠、降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電子噪聲等措施的基礎(chǔ)上，研制人員為每個(gè)姿態(tài)控制飛輪設(shè)計(jì)安裝了被動(dòng)隔振裝置，以減小飛輪產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)圖像品質(zhì)的影響[15-16]。隔振裝置的設(shè)計(jì)主要考慮對(duì)飛輪軸向振動(dòng)進(jìn)行隔離，頻率為18～20Hz，阻尼比約4%[17]。

1999年美國(guó)發(fā)射的Chandra X射線空間望遠(yuǎn)鏡用于觀測(cè)宇宙空間的X射線以研究超新星與類星體，其焦距為10m。在Chandra X射線空間望遠(yuǎn)鏡研制階段進(jìn)行的仿真分析表明，姿態(tài)控制飛輪產(chǎn)生的振動(dòng)經(jīng)中央承力筒傳遞至望遠(yuǎn)鏡的高分辨率鏡頭組，將導(dǎo)致圖像品質(zhì)無法滿足設(shè)計(jì)要求。為此，研制人員為航天器上的六個(gè)姿態(tài)控制飛輪設(shè)計(jì)安裝了固有頻率9Hz左右、阻尼比約5%的飛輪隔振裝置，使鏡頭組件的振動(dòng)量級(jí)滿足了設(shè)計(jì)要求并且具有了一定的裕度，如圖4所示。

圖4 Chandra X射線空間望遠(yuǎn)鏡飛輪隔振裝置Fig.4 Flywheel isolation device of“Chandra”X Ray space telescope

在軌飛行數(shù)據(jù)表明，安裝了飛輪隔振裝置的Chandra X射線空間望遠(yuǎn)鏡指向性能顯著優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

（3）整星像質(zhì)提高與處理技術(shù)

地球靜止軌道成像任務(wù)中，圖像品質(zhì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制所關(guān)注的重要問題。空間相機(jī)多采用大F數(shù)設(shè)計(jì)，焦距長(zhǎng)、MTF低，加上受衛(wèi)星姿態(tài)振動(dòng)、大氣消光、探測(cè)器采樣等因素的影響造成的圖像退化嚴(yán)重影響了圖像品質(zhì)。利用衛(wèi)星在成像過程中的測(cè)量信息來進(jìn)行圖像品質(zhì)提升處理、補(bǔ)償MTF，可以大大提高衛(wèi)星的成像效果，也可以為合理安排載荷的設(shè)計(jì)指標(biāo)，降低設(shè)計(jì)難度和制造成本等提供定量化依據(jù)。

1）圖像品質(zhì)退化復(fù)原。國(guó)外研究表明，分辨率相同的優(yōu)化設(shè)計(jì)的光學(xué)遙感器經(jīng)過MTFC 后的像質(zhì)要優(yōu)于大相對(duì)孔徑的遙感器，如：IKONOS-2衛(wèi)星于2000年和2001年進(jìn)行的在軌測(cè)試獲得全色譜段成像系統(tǒng)MTF為0.02～0.07，經(jīng)地面MTFC精處理后，系統(tǒng)MTF達(dá)0.14～0.15。Orbview-3衛(wèi)星在軌測(cè)試獲得全色譜段成像系統(tǒng)MTF為0.10，經(jīng)地面MTFC處理后，系統(tǒng)MTF達(dá)0.15，KOMPSAT-2衛(wèi)星復(fù)原后的MTF從0.08提升到0.12，Pleiades衛(wèi)星相機(jī)MTF的設(shè)計(jì)值僅為0.07，經(jīng)仿真試驗(yàn)表明地面MTFC處理后的系統(tǒng)MTF預(yù)計(jì)可達(dá)0.3，如圖5所示。

圖5 KOMPSAT-2衛(wèi)星MTFC校正效果Fig.5 MTFC Correction effect of KOMPSAT-2 satellite

2）超分辨率成像技術(shù)。目前法國(guó)的 SPOT、美國(guó) EarthSAT等公司已采用超分辨圖像重建技術(shù)，利用多個(gè)衛(wèi)星同時(shí)成像來重建高分辨率圖像。美國(guó)Dayton大學(xué)和Wright實(shí)驗(yàn)室在美國(guó)空軍的支持下，對(duì)紅外CCD相機(jī)進(jìn)行了機(jī)載試驗(yàn)，利用20幅低分辨率的紅外圖像，取得了分辨率提高近5倍的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此外，國(guó)際著名的光學(xué)儀器制造公司Leica/Hellawa和法國(guó)國(guó)家航天研究中心已經(jīng)把該領(lǐng)域的理論研究成果轉(zhuǎn)化到硬件產(chǎn)品——亞像元 CCD傳感器陣列的設(shè)計(jì)中，并已將其分別應(yīng)用于他們的遙感設(shè)備“ADS-40”和“SPOT-5”衛(wèi)星，取得了相當(dāng)理想的效果。SPOT-5采用亞像元技術(shù)，從 SPOT-4衛(wèi)星的地元分辨率5m提高到了2.5m，而綜合分辨率提高為原來的1.7倍。

3 發(fā)展啟示與建議

本文在分析國(guó)外靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀的前提下，梳理了靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，并在此基礎(chǔ)提出了我國(guó)發(fā)展靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星的啟示和建議：

1）借鑒歐、美、韓的發(fā)展趨勢(shì)與途徑，合理規(guī)劃我國(guó)靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星發(fā)展方向；

2）突破傳統(tǒng)超大單鏡成像系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)積極發(fā)展儲(chǔ)備新型成像技術(shù)；

3）拓展高軌光學(xué)探測(cè)領(lǐng)域，對(duì)高軌高光譜探測(cè)、偏振探測(cè)等方面開展相關(guān)研究；

4）提高衛(wèi)星指向精度、姿態(tài)穩(wěn)定度、姿態(tài)測(cè)量精度及提高微振動(dòng)抑制能力；

5）開展綜合像質(zhì)提升技術(shù)的研究與應(yīng)用，不斷提高靜止軌道遙感衛(wèi)星成像能力；

6）強(qiáng)調(diào)高低軌衛(wèi)星配合使用規(guī)劃與研究，充分發(fā)揮靜止軌道遙感衛(wèi)星樞紐作用。

通過對(duì)目前靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)來看，我們認(rèn)為可將靜止軌道光學(xué)遙感衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展分階段來考慮和安排：在地球靜止軌道實(shí)現(xiàn)空間分辨率15m可以作為第一階段的目標(biāo)，在地球靜止軌道實(shí)現(xiàn)空間分辨率3～5m可以作為第二階段的目標(biāo)，在地球靜止軌道實(shí)現(xiàn)空間分辨率1～2m左右可作為第三階段的目標(biāo)。每個(gè)階段的技術(shù)途徑可能完全不同。從技術(shù)角度來看，第一、二階段的目標(biāo)，通過已開展的相關(guān)研究已解決技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)只是工程周期問題；而第三階段的目標(biāo)能否在未來通過技術(shù)發(fā)展實(shí)現(xiàn)，目前正在進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)梳理，有待開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)工作。