微景星座首發(fā)星京師一號技術特點分析

袁勤 張帝 何志鵬 李春 黃維達（深圳航天東方紅海特衛(wèi)星有限公司）

2019年9月12日11時26分，京師一號衛(wèi)星（BNU－1）由長征四號乙火箭發(fā)射成功并進入預定軌道，衛(wèi)星是全球變化科學試驗衛(wèi)星系統(tǒng)首發(fā)星，同時也是中國首顆極地觀測遙感小衛(wèi)星。衛(wèi)星由北京師范大學全球變化與地球系統(tǒng)科學研究院提出，深圳航天東方紅海特衛(wèi)星有限公司研制。

1 引言

京師一號衛(wèi)星是微景星座的首發(fā)星，同時也是我國第一顆專用于極地氣候與環(huán)境監(jiān)測的遙感衛(wèi)星。衛(wèi)星采用高集成度設計，總質量約16kg，配備一臺分辨率73.69m、幅寬744km的寬幅相機，一臺分辨率8m、幅寬25km的光學相機，以及一臺船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）接收機。

京師一號衛(wèi)星是“三極遙感星座觀測系統(tǒng)”建設的開拓性探索和嘗試，對解決我國自主極地觀測數據不足、長期依賴歐美的問題具有重要意義。其次，衛(wèi)星通過每天對極地的觀測，可實現(xiàn)冰架崩塌等重點監(jiān)測事件的24h內自動發(fā)現(xiàn)和預警，從而建立全球變化熱點事件監(jiān)測與相應能力。衛(wèi)星對極地航道重點區(qū)域一天內2～3次重復觀測，可及時報告航道海冰變化，結合AIS接收機收到的船只信息，自動為船只規(guī)劃航行線路，做出航道風險評估，支撐國家北極航道開發(fā)。

2 平臺與載荷設計

京師一號衛(wèi)星運行在739km的太陽同步軌道，降交點地方時10:30AM。衛(wèi)星可對北極重點觀測區(qū)域（南北緯60°～80°環(huán)帶區(qū)域）實現(xiàn)5天一次全覆蓋成像，重點觀測區(qū)域影像數據地面接收時間小于1.6h。

衛(wèi)星平臺

京師一號采用新研微納衛(wèi)星平臺CAST－5，該平臺具有高集成度、高性價比、研制周期短、批生產能力強、配置靈活、可擴展性強等特點，適用于姿態(tài)控制精度高、機動能力強、數據傳輸量大的微納遙感衛(wèi)星任務。

衛(wèi)星平臺由綜合電子組件、控制組件、S頻段統(tǒng)一測控系統(tǒng)（USB）測控組件、數傳組件、電源組件、結構機構組件和熱控組件組成。星務、控制運算、GNSS導航和電源控制功能集成于綜合電子，以板卡形式組裝，建立以一體化綜合電子為中心、控制器局域網絡（CAN）總線架構的信息體系結構。衛(wèi)星采用零動量三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制方式，平時運行對日定向模式，寬幅相機成像時對地定向或姿態(tài)側擺，8m分辨率光學相機成像時對目標凝視，可提供優(yōu)于0.2°的指向精度和0.01°/s的穩(wěn)定度。電源采用集中式供配電體制及限壓調節(jié)一次電源母線，利用最大功率點跟蹤控制（MPPT）軟件進行功率調節(jié)。數傳組件同時具備圖像數據壓縮存儲和數據下傳功能，碼速率不低于24Mbit/s。衛(wèi)星還攜帶有離軌帆，任務結束后離軌帆展開可實現(xiàn)自主離軌。

京師一號衛(wèi)星具有智能自主管理能力，星載機軟件可對星上所有部件實現(xiàn)自主健康檢查、故障自主診斷、隔離和恢復，同時軟件可上注更新或修改，大大提高了軟件可維護性。此外衛(wèi)星還具備自主任務規(guī)劃、自主成像、過境自主數傳等能力，實現(xiàn)“好用易用”。

有效載荷

京師一號同時配置了3個有效載荷，分別為寬幅相機、中等分辨率相機和AIS接收機。

寬幅相機使用傳感器鍍膜技術、互補金屬氧化物半導體（CMOS）高幀頻數字時間延時積分（TDI）技術實現(xiàn)1個全色和4個多光譜譜段（藍、綠、紅、紅邊）的推掃成像。針對高動態(tài)場景，寬幅相機具備高動態(tài)范圍圖像（HDR）模式，傳感器對同一地物自動進行兩次長、短時間曝光，輸出融合后的圖像可有效改善冰雪、陸地水體同時存在的高動態(tài)場景成像效果。相機焦平面由2片CMOS傳感器拼接而成，以實現(xiàn)大幅寬性能，同時具備雙向推掃能力。相機以焦面電箱的主框架的基板作為相機的主承力結構，提高了焦面電箱的整體剛度，并節(jié)省了整機的質量和體積，實現(xiàn)小型化。

京師一號衛(wèi)星示意圖

中等分辨率相機具備面陣拍照和滑動拍照能力，星下點地面分辨率優(yōu)于8m，幅寬優(yōu)于25km。相機使用電荷耦合器件（CCD）實現(xiàn)面陣成像和視頻工作模式切換，具有電子快門、自動曝光/增益控制、自動光學檢測（AOI）區(qū)域成像開窗、支持Binning模式、抗光暈和靈敏度高的特點。光學系統(tǒng)光學筒長和焦距比約為24%，反射式主次鏡易于高度輕量化、實現(xiàn)緊湊的高比剛度結構，總質量優(yōu)于1.6kg。

AIS接收機采用四頻點（161.975MHz/162.025MHz/156.775MHz/156.825MHz）接收，可接收全球海域船只AIS信號。

微景星座三維構型示意圖

3 主要技術特點

1）通用化、模塊化、性價比高。京師一號基于商業(yè)現(xiàn)貨服務（COTS）產品體系研制，除寬幅相機、中等分辨率相機外，其他所有電子產品均集成在衛(wèi)星平臺艙內，衛(wèi)星整體構型設計靈活緊湊。衛(wèi)星平臺和載荷模塊化組合，平臺內部模塊化，系統(tǒng)包含控制、星務、電源、熱控、測控、數傳、載荷和結構組件，整星高度集成設計，測控模塊、GNSS模塊、電源控制模塊和星載機模塊一體化設計。

2）載荷協(xié)同工作，實現(xiàn)最大效能。星上相機和AIS接收機協(xié)同工作，可發(fā)現(xiàn)、定位、監(jiān)測大型船只。衛(wèi)星在軌完成遙感圖像的采集、存儲，同時接收船舶的位置速度信息，并在測控站和數傳站的配合下，通過星地鏈路將各類數據及時下傳到地面。

3）星上自主任務規(guī)劃、自主成像設計。為了減少運控壓力，避免為成像任務編排時需要地面人員預編指令、仿真計算等，以提高衛(wèi)星自主能力為目標，衛(wèi)星具備在軌自主任務規(guī)劃和自主成像功能，地面人員只需要將成像目標點信息發(fā)送到衛(wèi)星，星載計算機進行高精度軌道預報，根據觀測角度、時間等信息，自主安排成像指令、姿態(tài)控制角度，衛(wèi)星到達目標區(qū)域上空，星上自主執(zhí)行指令完成對地成像任務。

4 微景星座規(guī)劃

京師一號衛(wèi)星同時也是深圳航天東方紅海特衛(wèi)星有限公司正在規(guī)劃建設的微景星座首發(fā)星，衛(wèi)星的研制和發(fā)射為星座建設與部署奠定基礎。微景星座是主要面向商業(yè)用戶的微納遙感衛(wèi)星星座，由80顆微小衛(wèi)星構成，具備光照區(qū)任意目標小時級重訪、高質量的數據采集能力，可通過遙感數據共享平臺向全球用戶提供數據服務。

星座部署于太陽同步軌道，以農林業(yè)、資源、環(huán)保等遙感應用為主，采用面陣凝視成像和主動推掃成像，成像種類涵蓋全色、多光譜和高光譜，圖像分辨率涵蓋1～5m。星座建設期為8年：第一階段部署3顆首發(fā)星；第二階段部署20顆衛(wèi)星；第三階段部署60顆衛(wèi)星；2025年年底實現(xiàn)業(yè)務化運營。

星座依托現(xiàn)有成熟的微小衛(wèi)星工業(yè)貨架產品體系進行建設，產品體系包括綜合電子、控制部組件、電源分系統(tǒng)、測控分系統(tǒng)等。主載荷為高分辨率相機，可根據用戶需求衛(wèi)星增設次載荷，如：增設GNSS掩星探測接收機載荷，用于大氣探測；增設AIS和廣播式自動相關監(jiān)視（ADS-B）載荷，用于船舶和客機跟蹤；增設數據收集系統(tǒng)（DCS）載荷，收集地面數據，提供短數據服務。

同時，通過搭建遙感數據共享平臺，為廣泛的第三方開發(fā)者提供數據內容及開發(fā)、交易環(huán)境，培養(yǎng)一個遙感應用產業(yè)生態(tài)圈。數據平臺依托公有云服務，將為用戶提供更為安全、可靠、更全面的數據服務。開發(fā)者不僅可以在云上使用平臺提供的免費遙感數據資源，更可使用云服務供應商提供的強大的數據計算能力以及多種數據處理分析工具。

遙感生態(tài)圈示意圖

5 結束語

京師一號衛(wèi)星具備對冰川、陸地水體的高動態(tài)推掃能力，對于我國開展極地與全球氣候變化研究具有重要意義。作為一顆16kg的微納衛(wèi)星，京師一號衛(wèi)星通過高集成度設計實現(xiàn)了3個載荷的承載，充分證明了微納衛(wèi)星的強靈活性、高擴展性和高載荷比能力。后續(xù)規(guī)劃建設的商業(yè)微景星座具有高時空分辨率和區(qū)域觀測能力，星座部署結合互聯(lián)網技術、大數據和云計算等新技術可為遙感衛(wèi)星市場注入新活力，能夠發(fā)揮大效能，對于資源勘查、城市規(guī)劃、農林業(yè)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)控、氣象探測、船舶和民航飛機跟蹤、天基物聯(lián)網等應用領域將能發(fā)揮重要作用。