高分七號(hào)衛(wèi)星雙線陣相機(jī)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

楊居奎 王長(zhǎng)杰 孫立 朱永紅 黃穎

(北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

雙線陣相機(jī)分系統(tǒng)是“高分七號(hào)”衛(wèi)星的重要有效載荷，其中前視相機(jī)可以獲取0.8 m地面像元分辨率的全色影像，后視相機(jī)可以獲取0.65 m/2.6 m地面像元分辨率的全色/多光譜影像；2臺(tái)相機(jī)的全色影像可生成立體影像，后視相機(jī)的全色影像和多光譜影像融合生成彩色正射影像產(chǎn)品。

國(guó)內(nèi)外采取雙線陣方式進(jìn)行傳輸型測(cè)繪的衛(wèi)星主要有[1-3]：①法國(guó)地球資源衛(wèi)星斯波特-5(SPOT-5)的高分辨光譜儀(HRS)雙線陣相機(jī)可沿軌實(shí)時(shí)獲取立體影像，地面像元分辨率5 m，地面立體覆蓋寬度120 km；②日本的先進(jìn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星(ALOS)，衛(wèi)星裝載高分辨率三線陣全色相機(jī)(PRISM)，前/后視相機(jī)與正視相機(jī)夾角為24°，基高比為1，地面像元分辨率為2.5 m，前視和后視相機(jī)立體幅寬為35 km；③印度2005年5月發(fā)射的第1顆立體測(cè)繪衛(wèi)星IRS-P5(Cartosat-1)，軌道高度為618 km，裝載2臺(tái)線陣相機(jī)(AWIFS)，其地面像元分辨率為2.5 m，覆蓋寬度為30 km。

測(cè)繪相機(jī)相對(duì)于一般資源探測(cè)或者軍事偵察的相機(jī)有著較為特殊的要求，不同于其它遙感載荷更關(guān)注輻射精度方面，高精度測(cè)繪相機(jī)對(duì)幾何精度要求嚴(yán)苛，本文采取雙線陣相機(jī)獲取立體影像，從而完成衛(wèi)星高精度測(cè)繪制圖。

1 關(guān)鍵技術(shù)需求分析

衛(wèi)星設(shè)計(jì)之初，關(guān)鍵技術(shù)的分析均以滿足實(shí)現(xiàn)1∶1萬(wàn)比例尺測(cè)繪地圖的制圖為出發(fā)點(diǎn)，為了完成對(duì)未知地區(qū)進(jìn)行定位和測(cè)圖的要求，在暫不考慮激光測(cè)距儀進(jìn)行補(bǔ)充校準(zhǔn)的情況下，高分七號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)必須提供下述條件：①利用雙線陣相機(jī)完成對(duì)地面的推掃成像，形成2幅具有一定視角且相互重疊的雙線陣航帶影像；②利用星敏感器和其他姿態(tài)測(cè)量部件完成對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的測(cè)量，獲取衛(wèi)星在慣性坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置，為雙線陣影像提供3個(gè)外方位角元素；③利用軌道測(cè)量部件完成軌道定位測(cè)量，為雙線陣影像提供3個(gè)外方位位置元素[4-7]。

雙線陣相機(jī)在軌工作原理如圖1所示，前視相機(jī)和后視相機(jī)線陣陣列安裝時(shí)兩者基本處于平行排列，在軌運(yùn)行時(shí)垂直于飛行方向，在不同時(shí)刻分別針對(duì)地面條帶M成像，t1時(shí)刻前視相機(jī)成像，t2時(shí)刻后視相機(jī)成像[8]。

圖1 雙線陣相機(jī)立體測(cè)繪原理圖Fig.1 Working principle of two-line array mapping camera

據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，立體測(cè)繪系統(tǒng)的測(cè)繪精度主要受以下方面的影響：①外方位元素(角元素、位置元素)；②姿態(tài)角誤差(星敏感器光軸指向精度、星地相機(jī)光軸夾角測(cè)定精度、前后視相機(jī)間夾角穩(wěn)定性精度)；③影像點(diǎn)坐標(biāo)及焦距誤差。

根據(jù)誤差源的分解，雙線陣相機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵相關(guān)分解如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)關(guān)鍵分析Fig.2 Analysis of design key

綜上所述，為滿足高精度測(cè)繪的需求，雙線陣相機(jī)在設(shè)計(jì)上需要關(guān)注的直接相關(guān)重點(diǎn)有4項(xiàng)：①相機(jī)與星之間安裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；②光機(jī)支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；③焦面探測(cè)器及拼接穩(wěn)定性；④光學(xué)系統(tǒng)敏感性。這4項(xiàng)，具有一定的獨(dú)立性，又有一定的耦合性。另外，由于在軌變化的主要因素是溫度，因此高精度的熱控是保障光機(jī)穩(wěn)定的必要條件。

2 相機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

2.1 光學(xué)系統(tǒng)敏感性設(shè)計(jì)

內(nèi)方位元素的穩(wěn)定性，首先取決于光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光學(xué)元件位置公差的敏感性，在光學(xué)系統(tǒng)敏感性低的情況下，結(jié)合高穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和高精度的熱控技術(shù)才能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)指標(biāo)的要求[10]。

雙線陣相機(jī)分系統(tǒng)通過(guò)采用低敏感三反離軸遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，構(gòu)型如圖3所示。主鏡為八次非球面，次鏡和三鏡為二次非球面。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)傳遞函數(shù)P譜段平均為0.401 2，B譜段最小平均為0.796，沿線陣方向絕對(duì)畸變小于0.3 μm，相對(duì)畸變誤差小于2.410-6。溫度變化±0.5 ℃時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)焦面變化約為±0.01 mm，光學(xué)系統(tǒng)焦深為±2 F2≈±0.099 mm(=0.45 μm)，光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)變化很小，滿足相機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖3 光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Optical system of camera

光學(xué)系統(tǒng)加公差后，畸變敏感度分析結(jié)果見(jiàn)表1，校準(zhǔn)畸變變化小于0.23 μm，光學(xué)系統(tǒng)畸變對(duì)公差不敏感，畸變穩(wěn)定性好。

表1 光學(xué)系統(tǒng)畸變公差敏感度分析Table 1 Distortion sensitivity analyze of optical system

如表2所示，主次鏡鏡間距變化對(duì)光學(xué)系統(tǒng)后截距和焦距的影響約為1∶2.18和1∶1.51，次三鏡鏡間距變化對(duì)光學(xué)系統(tǒng)后截距和焦距的影響約為1∶0.16和1∶0.94，鏡間距變化對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的后截距和焦距影響不敏感，而且光學(xué)系統(tǒng)為準(zhǔn)遠(yuǎn)心光路，因此，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)相機(jī)主點(diǎn)、主距穩(wěn)定性有利。

表2 鏡間距敏感度分析結(jié)果Table 2 Sensitivity analyze of thickness between mirrors

2.2 相機(jī)與星之間安裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

為減少衛(wèi)星平臺(tái)的影響，相機(jī)與衛(wèi)星進(jìn)行解耦安裝，在軌工作時(shí)相機(jī)與衛(wèi)星之間為3點(diǎn)撓性靜定支撐，避免衛(wèi)星平臺(tái)的變形傳遞到相機(jī)上，影響光機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[11-12]。發(fā)射時(shí)提供3個(gè)額外的解鎖支撐點(diǎn)，用以承受發(fā)射段力學(xué)環(huán)境，入軌后解鎖支撐點(diǎn)通過(guò)火工裝置解鎖脫開(kāi)，相機(jī)恢復(fù)靜定狀態(tài)。圖4給出了底部支撐的分布圖，圖5給出了解鎖支撐的實(shí)物圖。

圖4 相機(jī)底部撓性支撐和解鎖支撐分布圖Fig.4 Distribution of static support and lock-unlock support mechanism at camera bottom

圖5 解鎖支撐Fig.5 Lock-unlock support mechanism

2.3 光機(jī)支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)技術(shù)

衛(wèi)星在軌工作期間處于復(fù)雜、交變的熱環(huán)境下，要保證良好的幾何穩(wěn)定性，一方面需通過(guò)立體測(cè)繪相機(jī)分系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)，保證反射鏡面形、鏡間距和焦面幾何結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，獲得較高的相機(jī)內(nèi)方位元素穩(wěn)定性；另一方面，通過(guò)高穩(wěn)定性的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證相機(jī)之間的相對(duì)幾何穩(wěn)定性[13]。

1)反射鏡微應(yīng)力支撐技術(shù)

反射鏡組件由反射鏡、中心嵌套、中心筒、背板構(gòu)成。示意圖如圖6所示。中心嵌套與反射鏡注膠粘結(jié)，中心嵌套材料選用與反射鏡材料(SiC)線膨脹系數(shù)一致殷鋼。中心嵌套與中心筒通過(guò)螺釘擰緊固定，為確保熱匹配性，中心筒材料與中心嵌套材料一致。反射鏡、中心嵌套、中心筒形成反射鏡部件，實(shí)現(xiàn)對(duì)反射鏡的微應(yīng)力定位支撐，這種支撐形式的優(yōu)點(diǎn)在于延長(zhǎng)了反射鏡背板至反射鏡膠結(jié)區(qū)的傳力路徑，避免因強(qiáng)迫位移導(dǎo)致反射鏡面形精度下降。

圖6 反射鏡微應(yīng)力支撐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Configuration of mirror assembly

2)高穩(wěn)定性箱式主框架設(shè)計(jì)技術(shù)

雙線陣相機(jī)的光學(xué)元件在位置分布上趨于前后兩組的形式，根據(jù)光學(xué)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在機(jī)身設(shè)計(jì)上將次鏡組件、調(diào)焦組件(含平面鏡組件)固定在前框上。將主鏡組件、第三鏡組件和焦面組件固定在后框上。前框、后框和中間采用碳化硅一體化成型，使得主體各部分材料一致性好，熱穩(wěn)定性好，有利于保證內(nèi)方位元素的穩(wěn)定性。主框架示意圖如圖7所示。

圖7 高穩(wěn)定性箱式主框架示意圖Fig.7 Highly stable main frame

2.4 焦面探測(cè)器拼接穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

前視焦面采用7 μm像元的全色TDICCD器件4片進(jìn)行拼接，后視相機(jī)采用全色7 μm多光譜28 μm的TDICCD器件3片進(jìn)行拼接。拼接方式采用反射鏡光學(xué)拼接，形式如圖8所示。

圖8 前視焦面組件Fig.8 Focal assembly of front camera

相機(jī)在每組CCD器件背面并列安裝2根CDRG-NH3-O1-10×Φ5(J)的小型熱管，熱管翅片寬度6 mm，引出端銑掉翅片通過(guò)轉(zhuǎn)接鋁塊與散熱板直接相連，如圖9所示。

圖9 前視相機(jī)CCD熱管安裝方式示意圖Fig.9 Thermotube of front camera CCDs

對(duì)于拼接基框而言，重點(diǎn)考慮材料的導(dǎo)熱率和線膨脹系數(shù)。目前拼接基框常用的材料主要為鈦合金材料，鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)很低，僅為5.44 W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)很高，為9.1×10-6K-1。從材料熱膨脹系數(shù)及熱導(dǎo)率考慮，如果使用TC4加工結(jié)構(gòu)，難以滿足其拼接基框的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。殷鋼材料的線膨脹系數(shù)能滿足要求，雖然此材料密度大，可能導(dǎo)致焦面質(zhì)量很大，由于其良好的熱穩(wěn)定性和較好的剛度，故選用殷鋼作為拼接基框的材料。

2.5 高精度熱控技術(shù)

溫度梯度及溫度波動(dòng)導(dǎo)致空間相機(jī)光機(jī)結(jié)構(gòu)變形，從而影響相機(jī)的成像品質(zhì)、內(nèi)方位元素的穩(wěn)定性和夾角的穩(wěn)定性。為此，必須通過(guò)高精度熱控設(shè)計(jì)為光機(jī)結(jié)構(gòu)提供合適的工作溫度環(huán)境，保證整個(gè)相機(jī)的穩(wěn)定性，在使用可獲取的、可使用的最低膨脹系數(shù)材料情況下，為滿足內(nèi)方位元素穩(wěn)定性要求，溫度梯度及溫度水平變化不大于0.2 ℃。

雙線陣相機(jī)結(jié)合熱管理思想進(jìn)行光、機(jī)、熱一體化設(shè)計(jì)，優(yōu)化整體熱控方案。具體采用的方法有：①采用高精度熱控算法進(jìn)行區(qū)域溫度場(chǎng)多回路耦合熱控分析，優(yōu)化控溫回路布局、控溫功率，以有限資源實(shí)現(xiàn)高效控溫，通過(guò)間接控溫方案設(shè)計(jì)保證光學(xué)組件高溫度穩(wěn)定性；②采用可展開(kāi)遮光罩，避免陽(yáng)光會(huì)照進(jìn)主框架內(nèi)部，導(dǎo)致相機(jī)局部溫度波動(dòng)較大；③外面首次采用雙多層，減弱外熱流的影響，采用雙層銷釘固定，內(nèi)外多層間有一定間隙，不允許搭接；④部件間采取嚴(yán)格的隔熱措施，降低區(qū)域間影響。

受火箭整流罩限制，前視相機(jī)固定遮光罩結(jié)構(gòu)尺寸受限，無(wú)法保證在軌運(yùn)行時(shí)衛(wèi)星側(cè)擺7°情況下太陽(yáng)光始終不能直接通過(guò)入光口照射到主框架內(nèi)部，因此采用了可展開(kāi)遮光罩設(shè)計(jì)技術(shù)，為國(guó)內(nèi)航天相機(jī)首次應(yīng)用[14-18]。

可展開(kāi)遮光罩支撐結(jié)構(gòu)折疊與展開(kāi)利用了豆莢桿原理，即豆莢桿在自由折疊狀態(tài)下僅發(fā)生彈性變形，不發(fā)生塑性變形，自由折疊彈性變形在解除約束后豆莢桿能夠自動(dòng)釋放能量恢復(fù)平直狀態(tài)，因此可展開(kāi)遮光罩的展開(kāi)無(wú)需外界能量驅(qū)動(dòng)。蒙皮利用了薄膜結(jié)構(gòu)的柔性特性，厚度足夠小時(shí)蒙皮自由折疊后不會(huì)發(fā)生塑性變形，并且在無(wú)重力環(huán)境下極小的外力作用即可展開(kāi)。收攏鎖定利用了繩系結(jié)構(gòu)原理，即繩系沒(méi)有剛度，只能受拉不能受壓，一旦拉伸載荷消失后繩系結(jié)構(gòu)可以任意自由移動(dòng)，因此鎖緊繩在拉緊時(shí)能夠抵抗支撐結(jié)構(gòu)的展開(kāi)力以保持收攏狀態(tài)，一旦被兩個(gè)火工切割器中任意一個(gè)切斷后，鎖緊繩上的拉伸載荷立即消失，鎖緊繩在展開(kāi)結(jié)構(gòu)展開(kāi)力的作用下隨蒙皮自由移動(dòng)，鎖定狀態(tài)即被解除。圖10給出了可展開(kāi)遮光罩的示意圖。

圖10 可展開(kāi)遮光罩方案示意圖Fig.10 Fold-unfold hood

3 相機(jī)穩(wěn)定性仿真分析

設(shè)計(jì)完成后，對(duì)相機(jī)在軌的穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真分析。衛(wèi)星運(yùn)行于太陽(yáng)同步軌道，軌道高度506 km，每軌時(shí)間95 min。分析共設(shè)置3個(gè)工況，見(jiàn)表3。低溫工況對(duì)應(yīng)壽命初期夏至日，外熱流最小，多層隔熱組件未發(fā)生退化，此時(shí)為全壽命周期內(nèi)相機(jī)工作溫度最低狀態(tài)。高溫工況對(duì)應(yīng)壽命末期冬至日，外熱流最大，同時(shí)考慮了壽命末期主動(dòng)熱控措施的退化，此時(shí)為全壽命周期內(nèi)相機(jī)工作溫度最高狀態(tài)。另外計(jì)算了春分工況，對(duì)應(yīng)在軌一般成像條件。每種工況下，相機(jī)工作15 min，每1 min輸出1次溫度場(chǎng)，計(jì)算該時(shí)刻內(nèi)外方位元素，最后給出成像期間內(nèi)外方位元素連續(xù)變化情況。以上工況，覆蓋了相機(jī)在軌全壽命周期內(nèi)的低溫、常溫、高溫工作狀態(tài)，通過(guò)這3種狀態(tài)的分析，能夠代表在軌成像期間，和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。圖11給出了相機(jī)分析的有限元模型[19-21]。

表3 分析工況匯總表Table 3 Analysis conditions

圖11 相機(jī)分析模型Fig.11 Analysis model of camera

限于篇幅，本文只給出了前、后視兩臺(tái)相機(jī)中的前視相機(jī)部分工況的計(jì)算結(jié)果。圖12給出了相機(jī)的溫度場(chǎng)分布圖，圖13給出了相機(jī)的變形云圖，表4給出了內(nèi)方位元素的變化量，表5給出了外方位元素的變化量。

圖12 工況1成像過(guò)程中前視相機(jī)溫度場(chǎng)分布Fig.12 Temperature field of front camera during imaging at condition 1

圖13 工況1成像過(guò)程中前視相機(jī)變形云圖分布Fig.13 Deformation field of front camera during imaging at condition 1

表4 各工況相機(jī)內(nèi)方位元素變化量Table 4 Interior orientation elements of camera at each conditions

表5 各工況相機(jī)外方位元素變化量Table 5 Outer orientation elements of camera at each conditions (″)

由分析可知，內(nèi)方位元素各項(xiàng)參數(shù)變化量均較小，其中，視主點(diǎn)受溫度變形影響最大，主距和畸變對(duì)溫度不敏感，幾乎沒(méi)有變化。滿足在軌單次工作期間，單臺(tái)相機(jī)畸變的穩(wěn)定性優(yōu)于0.3像元，主點(diǎn)飛行方向上穩(wěn)定性優(yōu)于0.3像元，線陣方向優(yōu)于1像元的要求。相對(duì)于均勻溫升，溫度不均勻?qū)е碌奶荻葘?duì)于相機(jī)內(nèi)方位元素影響較大，主要原因是溫度梯度使反射鏡發(fā)生了微小偏轉(zhuǎn)。

利用工況1和工況2的數(shù)據(jù)進(jìn)行相減，即比較低溫工況與高溫工況的夾角數(shù)據(jù)，可以得到相機(jī)外方位元素在軌長(zhǎng)期穩(wěn)定性結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，在軌長(zhǎng)期工作過(guò)程中，轉(zhuǎn)角變化量不超過(guò)1″，滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定性2″的指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

綜合本文的論證，結(jié)合相機(jī)研制過(guò)程中試驗(yàn)前后的測(cè)試及衛(wèi)星在軌測(cè)試結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

(1)精度要求越高的測(cè)繪相機(jī)，需要從設(shè)計(jì)階段就結(jié)合衛(wèi)星實(shí)際狀況進(jìn)行分析和制定方案，并在詳細(xì)設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)處體現(xiàn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的把控，綜合考慮光、機(jī)、熱、材料等因素，從而滿足產(chǎn)品的要求。

(2)高分七號(hào)雙線陣相機(jī)設(shè)計(jì)之初誤差分析的方法正確，推導(dǎo)過(guò)程合理，設(shè)計(jì)采取的措施有效。

(3)高分七號(hào)相機(jī)在軌圖像質(zhì)量良好，各項(xiàng)指標(biāo)滿足或者優(yōu)于技術(shù)指標(biāo)要求，相機(jī)設(shè)計(jì)中對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的把控準(zhǔn)確，是取得好成績(jī)的前提。