高景一號衛星系統設計創新和在軌性能

李黎（航天東方紅衛星有限公司）

1 簡介

高景一號星座是我國第一批面向商業用途的多手段高分辨率光學遙感衛星星座，由高分辨率光學遙感衛星，高分辨率合成孔徑雷達（SAR）遙感衛星和視頻/超光譜衛星組成。高景一號 的01/02 星是該星座中首批研制的2顆0.5m分辨率光學衛星，于2016年12月發射，02組兩顆衛星（03/04星）于2018年1月發射至同一軌道。高景一號的4顆衛星的設計技術指標和配置狀態基本一致，采用高集成、小型化設計，每顆衛星約500kg，承載1臺高分辨率全色多光譜相機，可提供分辨率優于全色0.5m/多光譜2m、拼接幅寬大于60km的高分辨率圖像。衛星配置有5臺變速控制力矩陀螺（VSCMG）實現敏捷機動能力，從而實現連續條帶、5條帶拼接、多目標成像、3視立體成像等多種成像模式。

衛星平臺測試和載荷測試已經全部完成，性能和功能均滿足指標要求。在軌圖像質量良好，具有較高的信噪比（SNR）、相機傳遞函數（MTF）、平面定位精度和高程精度，圖像產品已被世界范圍內的廣大用戶廣泛應用。

2 星座和衛星設計方案及創新

設計方案

星座在軌運行示意圖

高景一號01/02星示意圖

高景一號由技術狀態基本一致的4顆衛星組成，相位差均為90°，均運行在約500km高度的太陽同步軌道（SSO），降交點地方時為10∶30AM。01組2顆衛星組網可對80%全球地區實現1天重訪，4顆衛星可實現對全球可觀測地區每天重訪1～2次。

高景一號衛星分為平臺艙和載荷艙兩個部分，兩側安裝固定太陽翼。

設計創新

（1）平臺設計創新

高景一號采用新研輕型敏捷商用衛星平臺CAST 3000B，該平臺具有高精度、高穩定性以及敏捷機動能力的特點，可適用于各種高性能的成像載荷。衛星姿控整星零動量控制采用“整星平時對日，任務時對目標”模式，可提供優于0.02°的指向精度和優于0.001°/s的指向穩定度；姿態敏感器配置有光纖陀螺、太陽敏感器和高精度星敏感器，VSCMG和磁力矩器可以完成姿態維持和敏捷機動，具備30°/20s、120°/47s并穩定到位的敏捷機動能力。采用單母線分散供電體制，配置三結砷化鎵太陽電池陣及60Ah鋰離子電池。

衛星平臺大量采用先進的高集成智能芯片實現傳統的電子設備功能，大幅度提高了產品的標準化和輕量化。新型平臺利用高度集成的智能芯片集成AD、處理器、串口、CAN總線、OC驅動等各類接口，18g的芯片可實現原來5～8kg下位機的功能，因此僅用1臺星務管理單元即可完成星務主機、熱控下位機、載荷下位機等數臺單機的功能，大幅降低了設備和電纜的數量和質量。電源、測控、姿態控制等分系統均大量應用高集成芯片，使得衛星的平臺載重比得到顯著提高，衛星平臺干質量只占整星質量的50%左右。

作為商業衛星，高景一號具有智能自主管理的能力，以方便用戶在軌運行管理。星上重要分系統如姿態控制、星務、測控和電源等分系統均具有自主健康檢查、故障自主診斷、隔離和恢復的功能。衛星平臺的所有CPU軟件均可在軌上注更新或修改，極大提高了系統的靈活性和可維修性。4顆衛星在軌運行表現表明，高景一號衛星管理運營靈活方便，運行魯棒性良好。

相機光學主體模型示意圖

（2）載荷設計創新

高景一號衛星承載1臺高性能全色多光譜相機，可提供全色0.5m/多光譜2m的高分辨率圖像。

相機采用大F數緊湊型同軸三反光學系統，在實現超長焦距的情況下，使得相機的體積質量僅為傳統設計的1/3。大F數相機設計不僅有助于光學系統裝調、結構布局，同時有助于實現相機的輕小型化和整星敏捷能力。主鏡采用熱穩定性較好的SiC材料，可降低相機系統本身對溫度波動的敏感性。采用高精度熱控設計保證在軌溫度穩定性，降低溫度場變化對于光學系統的影響，提高光機主體的幾何穩定性。同時，采用隔振阻尼桁架設計，可在軌對微振動進行抑制，保證相機良好的成像環境。在軌圖像實現了良好的MTF，充分表明衛星采用顫振抑制措施的有效性。

成像幾何關系示意圖

焦平面采用由4片全色和多光譜線陣集成TDICCD拼接組成，以擴大相機成像幅寬，同時多譜段的集成設計有助于實現焦平面低功耗和小型化。衛星飛行中相機對地成像時，4片器件同譜段同時對地面目標推掃成像，衛星姿態誤差、偏流角校正誤差同時同等程度地作用在4片器件上，有利于地面圖像處理。

衛星采用X頻段對地數據傳輸技術，配置容量為2Tbits的固態存儲器，對地數傳碼速率為雙通道450Mbit/s，共900Mbit/s。數傳設備采用的小型化設計使得分系統減重至30%左右。

技術特點

（1）敏捷能力

高景一號為保證整星慣量較小以實現快速機動能力，衛星大量應用高集成設計的單機設備，構型布局緊湊，并采用固定太陽翼設計進一步提高剛度。

為了實現高敏捷能力，衛星采用VSCMG作為執行機構。VSCMG結合了CSCMG（定速CMG）和動量輪的優點，既可以像CSCMG一樣通過改變角動量的方向來輸出力矩，也可以像動量輪一樣通過改變角動量的大小來輸出力矩式。在同樣構型下，VSCMG的操縱自由度比CSCMG多了一倍，可以避免CSCMG具有的奇異點問題。因此，VSCMG可工作在CMG模式來提供期望姿態控制要求的指令力矩，而在接近框架構型奇異點時，轉換為動量輪模式，由高速轉子的變速來提供力矩并脫離奇異點。

5Nms VSCMG 執行機構

（2）多種成像模式

高景一號衛星根據其大范圍、快速姿態機動能力，設計了多條帶拼接成像、多目標成像、立體成像、連續條帶成像等成像模式，可根據用戶需求選擇相應的成像模式。

典型成像模式

多目標成像模式：在衛星姿態機動可覆蓋范圍內對所需要的目標進行成像，成像條帶長度可根據需要進行設置。多目標成像模式單個目標范圍12～24km×500km，同軌內實現任意地區8個目標的成像。

多條帶拼接成像模式：衛星根據成像指令，利用俯仰和滾動方向姿態機動進行若干次準平行且圖像間有一定搭接的成像。利用衛星敏捷能力，可實現最多5條帶拼接成像，成像區域60km×70km。

立體成像模式：衛星對可成像范圍內，指定長度的區域，利用俯仰和滾動方向姿態機動從不同的角度進行3次或者2次重復地面軌跡成像，形成立體圖像滿足立體成像和測繪制圖用戶需求。衛星能夠提供基高比不小于0.7、單條帶120km的2次立體成像。

連續條帶成像模式：該成像模式主要對同一地區的突發事件進行高動態觀測，可對星下點和側擺范圍內的目標實現連續10次以上拍攝，每次時間5s以上。

3 在軌性能

至今，高景一號已在全球范圍內采集了超過300000幅高分辨圖像。圖像數據的輻射質量和幾何質量十分突出，圖像清晰，細節豐富、信噪比高、對比度好。

在香港跑馬道游樂場圖像中，從放大的細節圖中可以看出，足球場上各種形狀的標志線辨識分明。

在冰島雷克雅未克海港圖像中，道路中央車道標線、直行左拐箭頭標志、停車位標線甚至是停車場汽車的車窗玻璃均清晰可見。

香港跑馬道游樂場影像圖

冰島雷克雅未克海港影像圖

美國五角大樓影像圖

在美國五角大樓俯視圖中，可以看出建筑物邊緣筆直，圖像無變形、無抖動，幾何穩定性高。這直接證明了星上轉動機構有效減小了成像的微振動影響。

相機的全色圖像的動態MTF測試結果優于0.12 。結合較高的輻射分辨率，能夠輕易區分相鄰的反射率差別較小的物體和紋理，并能在建筑物的投影中清晰地分辨出不同物體。

全色和多光譜圖像配準精度高、融合效果好。無控制點的平面定位精度最高可達6～7m，高程精度為1m，達到了專業測繪類衛星的水準。

影像圖建筑物陰影下的物體細節

4 結論

高景一號通過高集成、小型化技術和設備的應用，作為質量500kg的小衛星，在軌拍攝了0.5m高性能圖像，實現了突出的敏捷機動能力。目前4顆衛星在軌運行穩定，性能測試結果表明平臺和載荷均達到并部分優于設計指標，為用戶提供了大量高質量圖像數據。基于豐富的成像模式和出色的成像質量，高景一號將在水資源管理、災害監測、農業和林業應用、科學研究，以及新興的工業、商業領域發揮更廣泛作用。