高分六號衛星技術特點與新模式應用

陸春玲 白照廣 李永昌 武斌 邸國棟 竇毅芳

(航天東方紅衛星有限公司，北京 100094)

高分六號衛星是我國第一顆設置紅邊譜段的多光譜遙感衛星，配置了一臺高分相機和一臺寬幅相機，高分相機實現了全色2 m/多光譜8 m分辨率、95 km幅寬的高分辨率成像，寬幅相機實現了多光譜16 m分辨率、860 km幅寬的超大視場寬覆蓋成像，在一顆衛星上同時具備了高分辨率成像和寬覆蓋成像能力。

隨著遙感技術的發展，越來越多的衛星通過增加多光譜譜段來提高衛星應用能力，紅邊譜段是介于在紅和近紅外波長之間的譜段，綠色植被反射率在紅邊譜段快速增加，是綠色植被光譜最明顯的特征之一。紅邊譜段不但對植被生長極為敏感，而且在遙感器不增加短波成像器件的情況下，可以獲得短波紅外譜段的光譜識別效果[1]，降低了遙感器研制難度。國際上具有紅邊譜段的衛星主要有：德國的“快眼”(RapidEye)衛星，美國的世界觀測2號(Worldview-2)衛星，歐洲航天局(ESA)的哨兵-2(Sentinel-2)衛星。Worldview-2衛星具有8個多光譜譜段和2 m空間分辨率、16.4 km幅寬，幅寬小，適用于小范圍的城市研究。而高分六號衛星與Worldview-2衛星具有相近的8個譜段和860 km超大幅寬，能進行更大尺度范圍的信息提取，并具有更為豐富的譜段信息。

高分六號衛星主要研制目標是突破超大視場離軸相機成像技術、小衛星8年長壽命高可靠技術、星地一體化協同高效、高精度數據處理等關鍵技術，實現遙感衛星組網運行應用，大幅提高我國高分辨率數據獲取的時間分辨率。區別于高分一號衛星多相機、多角度、視場拼接形成大幅寬觀測，本文系統梳理了高分六號衛星與高分一號衛星的異同點，闡述了高分六號衛星載荷以單相機體制實現超寬成像的創新，總結了精致為用、組網觀測的高質量、高精度、高效能衛星技術創新，以及圍繞長壽命、高可靠所采取的措施。闡述了高分六號衛星在對月成像、對月相對輻射定標成像、可視化成像及自主健康管理等方面的新模式應用，為后續業務應用型對地觀測小衛星奠定了基礎。

1 衛星系統簡介

高分六號衛星是一顆三軸穩定的對地觀測衛星，于2018年6月2日成功發射，衛星設計壽命8年。衛星運行在軌道高度約645 km的太陽同步回歸軌道上，降交點地方時10：30AM。為適應長壽命設計要求，采用升級的CAST2000B小衛星公用平臺。飛行狀態如圖1所示。

姿軌控分系統采用“星敏感器+陀螺”聯合定姿、以動量輪為執行部件的整星零動量控制方案，對地定向、三軸穩定的指向穩定度可實現5×10-4(°/s)。推進系統可實現姿態調整、初軌捕獲、變軌星座組網、軌道維持等任務。

衛星采用太陽電池陣與蓄電池組聯合供電及分散配電方案。集成化的星務系統進行整星指令與數據的統一管理，測控采用統一S頻段測控體制(USB)，輔以GPS定軌。整星全部遙測數據既可從測控通道下傳，也可經星務存儲模塊與載荷數據一起從數傳通道下傳，具有信息多路徑下傳能力。

高分六號衛星配置了一臺高分相機和一臺寬幅相機。高分相機采用離軸全反射式、無畸變光學系統，焦面由8片全色與多光譜五譜合一TDICCD器件,通過光學“一字”拼接而成，片與片間視場對齊。

寬幅相機在國際上首次采用了先進的自由曲面、四反離軸全反射式光學系統設計，用單相機超大視場成像替代了傳統多相機拼幅成像體制，同時在傳統4波段基礎上，增加了2個能有效反映作物特有光譜特性的紅邊譜段，以及黃和海岸藍譜段，成為我國首顆設置紅邊譜段、首顆采用國產CMOS成像器件的多光譜遙感衛星，相機焦面由8片國產CMOS器件通過光學“一字”拼接而成，具備星下點地面像元分辨率16 m、8譜段、860 km超大幅寬成像能力。

遙感數據通過數傳分系統下傳至地面站，數據傳輸采用X頻段、點波束、左右旋圓極化復用、二維轉動天線傳輸方案，同頻雙極化實現了頻率資源復用且對地數傳碼速率2×450 Mbit/s的高速傳輸。星上提供容量為2 Tbit的固態存儲器，并可主備聯合使用，相當于4 Tbit的固存容量可用。

圖1 高分六號衛星飛行狀態示意圖Fig.1 Flight status of GF-6 satellite

2 技術特點

2.1 高分六號衛星與高分一號衛星的異同點

高分六號衛星可以獲取從海岸藍到近紅外譜段的多光譜遙感數據，具有多傳感器在光譜-空間-時間等多維綜合觀測信息方面的優勢，與高分一號衛星相比[2]，高分六號衛星有以下相同與不同的特點。

1)相同點

(1)運行軌道相同。為便于高分六號衛星與高分一號衛星在軌組網，兩者的標稱軌道相同，均為軌道高度645 km的太陽同步、41天回歸軌道。

(2)載荷分辨率相同。為便于雙星組網后觀測圖像數據的匹配性、延續性，載荷的地面像元分辨率仍然維持全色2 m、多光譜8 m和16 m。

2)不同點

(1)遙感體制不同。高分一號衛星采用多相機體制，通過多相機拼視場實現大幅寬觀測，這樣每臺相機的研制難度降低，但需要控制相機間的一致性；而高分六號衛星采用單相機體制實現超大視場成像，其65.6°視場是常規十幾度視場相機的5～6倍。

(2)遙感器光學系統不同。首次采用國際先進的自由曲面四反離軸、超大視場光學系統。最大限度地保證了超大成像幅寬的光學畸變小、像差小、像質最優。

(3)遙感器輻射分辨率、光譜特性不同。高分六號衛星的16 m多光譜圖像在原有高分一號藍、綠、紅、近紅外的四譜段基礎上，增加了2個紅邊譜段、一個海岸藍譜段和一個黃譜段，共8個譜段，將0.4～0.9 μm的可見光譜段范圍全部充分利用起來。紅邊波段能反映不同作物的特有光譜特性，例如玉米、大豆、棉花、馬鈴薯屬于同期生長的大宗作物，加入紅邊波段后，區分不同作物的識別精度得到不同程度的提高，此外圖像量化位數也由10 bit提高到12 bit，輻射分辨能力提高了4倍，圖像灰度分層更加細膩。為實現高精度、定量化和大范圍的農業生產過程和農業資源環境要素監測提供了有效的支撐手段。

總之，高分六號衛星在幅寬、輻射分辨率、譜段數量方面優于高分一號衛星。

2.2 高分六號衛星的創新點

1)單相機大視場、雙紅邊譜段技術

高分六號改變高分一號多相機、拼視場實現超大幅寬成像的方式，在一顆衛星上裝載高分相機和寬幅相機兩臺載荷，均采用單相機體制實現大視場成像，相機的設計、加工、裝調等技術難度顯著增大。為保證光學系統像質，兩臺相機先后突破了大視場成像、大體積輕型化高體份鋁基碳化硅框架結構、高精度裝校和測試等關鍵技術。首次采用世界先進的自由曲面四反離軸光學系統設計，自由曲面是離軸非球面成像技術的進一步發展，是從像差理論、面型表征、設計、加工、檢測到裝調方法的全鏈路技術革新。寬幅相機還首次采用國產8譜段CMOS圖像傳感器，國產自主可控的高集成度CMOS器件具有靈敏度高、抗輻照能力強的特點，片上集成多種功能，更重要的是使譜段間配準精度提高，重量、功耗降低，減輕了整星資源占用壓力。

2)高質量成像技術

成像質量是衡量遙感衛星性能的關鍵，相機通過優化光學系統、雜光抑制、增加像元非均勻性校正等手段提高成像質量；衛星平臺通過與相機之間隔熱、隔振等措施消除衛星平臺對相機成像質量的影響。此外，姿態測量與相機成像之間的穩定性直接影響圖像定位精度，為此將星敏感器與高分相機采用一體化安裝設計，提高了相機成像期間姿態測量的穩定性。兩臺相機均具有調焦及成像參數調整功能，為成像清晰和灰度動態范圍調整提供了有力手段。衛星圖像的幾何與輻射質量有力支撐了“高精度”定量化遙感應用。

3)高效能技術

應用效能提升已成為遙感衛星設計的關注點[3]。高分六號星上固存容量從1 Tbit擴充到2 Tbit，并將主備固存開放使用。增加了固存順序擦除功能，回放過的多個或部分文件可以順序擦除，及時釋放固存空間，使容量、數據下傳能力及記錄需求完美解耦，實現了固存永遠“記不滿”地滾動存取。

結合我國地面站接收范圍在北、國土區在南的特點，創新提出了先回放后記錄模式，設計了回放與記錄時刻可雙區間動態調整的模式，該模式可充分利用地面站接收弧段回放數據，并可高分相機與寬幅相機同時對國土區成像記錄，一軌獲得國土南北完整覆蓋圖像，有效解決了國土區需要南北分兩次成像的問題。這種成像區域與接收弧段解耦的設計，可有效提升衛星成像效能，在軌使用率很高，受到用戶高度好評。

此外衛星增強了姿態機動能力，最大化圖像數據“記放比”，使衛星在軌任務工作時間與多目標成像數量大幅增加；并通過增加對月定標能力，提高衛星在軌無場定標工作效能。

4)8年長壽命技術

高分六號衛星是第一顆設計壽命為8年的小衛星，整星優化系統配置，加強同構、異構冗余設計，對影響小衛星壽命的短板、關鍵單機增加了地面加速壽命驗證環節，新增可視化遙測、自主健康監測等功能單機，實現了小衛星設計壽命由5年到8年的跨越。此外高分六號采用初始軌道傾角正向偏置小角度的方法，使得由太陽引力等影響引起的降交點地方時漂移，在8年末控制在10：30±30 min內，不必因為調整降交點地方時而消耗燃料，這是使燃料等消耗性資源滿足長壽命衛星需求的有效方法。

5)組網運行

高分六號衛星比高分一號衛星晚5年發射，兩顆衛星的設計標稱軌道參數一致，但兩次發射的入軌偏差使軌道高度和傾角略有差異，綜合考慮后，兩顆衛星選擇星下點軌跡均分方案進行星座組網控制。經過多次變軌，雙星已完成星座組網，成為民用高分重大專項系統中唯一的組網運行星座。組網運行后，對我國陸地區域的重訪時間由4天縮短為2天，時間分辨率提高一倍，極大提高了遙感數據的獲取時效。

3 新模式應用

高分六號衛星除具有對地遙感成像能力外，還具有對天基目標成像等功能，以下任務模式是以往衛星所沒有的新模式。

3.1 對月成像模式

月球作為地球的天然衛星，憑借三點特性使其被認為是理想的在軌輻射定標源：①雖然月球表面亮度不均，但在太陽、月球、觀測點間的幾何位置確定的條件下，月球表面具有非常高的光度穩定性，年變化量僅為1×10-8；②月球光譜和地物光譜非常相似，其動態范圍也涵蓋了陸地和海洋，且具有不依賴地面定標場、不受天氣影響、定標效率高等優勢[4]；③月球可被任何地球軌道衛星觀測到，提供了一種交叉定標途徑，保證了定標的一致性與穩定性。因此利用月球進行在軌定標是提高在軌輻射定標效率、監測遙感衛星探測器成像穩定性的重要手段[5]。

高分六號衛星對月成像是試驗模式，衛星采用主動推掃方式成像，即衛星姿控系統調姿使相機視軸指向月球[6]，輔以與相機參數匹配的推掃角速度，主動進行姿態機動觀測，完成對月成像，具體過程見參考文獻[7-8](圖2)。高分六號衛星實現了無依托的自主對月成像模式，為我國低軌高分辨率衛星開展對月成像、定標工作進行了開拓性探索，可降低對地面定標場依賴，保障圖像數據質量，提升定量化業務應用水平。

圖2 高分六號衛星對月成像示意及獲取的對月成像復原圖像Fig.2 GF-6 satellite lunar imaging program and retreat moon image

3.2 對月相對輻射定標模式

相對輻射定標是獲取并修正探測器不同像元響應不均勻性的過程(也稱均勻性校正)[9]，對月相對定標相當于對月側滑(Side-Slither)模式[10-11]，即衛星姿態偏航90°[12]，使TDICCD線陣方向平行于飛行方向成像。在滿月時，沿月球南北極方向推掃，復原后的對月相對輻射定標圖像如圖3所示。從圖3中可以看出，單次獲取的相對輻射定標圖像上，可獲得部分像元“斜的定標線”圖像，這是由于38萬千米外的月球只占高分相機8.2°視場中的0.5°視場，其他像元對冷空間成像，月球未充滿全部視場的像元。要獲得全部像元的相對輻射定標圖像可多次分片實施對月相對輻射定標模式成像。基于月球的相對輻射定標成果在國內尚未見報道，高分六號衛星是首次成功獲取。

圖3 高分六號衛星對月相對輻射定標成像示意及獲得的復原圖像Fig.3 GF-6 satellite relative calibration mode and captured moon relative calibration image

3.3 對艙外運動部件可視化成像模式

以往衛星艙外轉動部件的狀態是通過遙測數據進行判讀，高分六號衛星安裝了3臺可視化遙測單元，通過測控信道實現了入軌初期星箭分離、太陽翼展開、數傳天線展開過程的實時動態圖像播報。在軌后，可對星外狀態進行長期在軌監測，實現無盲區遙測判讀。圖4是可視化遙測單元拍攝并傳回的-Y太陽翼轉動圖片，可視化遙測的數據與圖像雙路實時下傳取得了很好的效果。

圖4 可視化遙測單元拍攝的-Y太陽翼在軌圖像Fig.4 -Y solar array outside spacecraft taken by visualization unit

3.4 自主健康管理及任務量統計

在軌自主健康管理單元除了進行健康狀態監視外，還設計了載荷成像時間、次數及數據累計下傳時間、次數等統計功能。以往需要地面統計成像時間的操作，可從整星遙測中直接提取。圖5是2018年7月至2020年6月的兩年間，基于健康管理單元數據獲得的相機每月成像時間、次數曲線，可以看出寬幅相機的成像時間和次數高于高分相機，在2019年第4季度達到高峰，每天成像時間超過100 min，說明高分六號衛星的大幅寬成像需求更迫切，數據獲取量更大。基于衛星自主健康管理的載荷任務統計的效果非常理想，使得衛星在軌情況一目了然。

圖5 基于健康管理數據獲得的相機每月成像時間、次數Fig.5 Monthly imaging time and times of cameras based on health management unit data

4 應用前景

高分六號衛星是具有業務應用特點的科研星，高分辨率與寬覆蓋成像能力的結合[13]，可滿足多種空間分辨率、多種光譜分辨率、多源遙感數據需求。其中，高分相機一次成像覆蓋95 km，在2 m分辨率尺度衛星中幅寬最寬；寬幅相機860 km超大地面覆蓋，成為國內外同等分辨率成像幅寬最寬的光學載荷(幅寬達國際上同等分辨率衛星載荷的3倍以上)，大幅提升了對農業、林業、草原等資源以及環保減災領域的監測能力。圖6是寬幅相機及高分相機的圖像示例，其色彩層次豐富，細節清晰銳利，圖像幾何與輻射質量優異。在軌運行兩年來，16 m多光譜數據已對全球陸地區域覆蓋多次，2 m/8 m多光譜數據也已對全國多次覆蓋。16 m圖像產品跨度為860 km×400 km，幅寬幾乎是兩個省的跨距，非常適合省級尺度的大范圍觀測應用。高分六號衛星已成為“國土資源一張圖”[14]、“全國水利一張圖”[15]、“農業一張圖”等“一張圖”工程的重要數據源，在農業、林業、防災減災、國土、環保、水利等領域，取得了可觀的效益[16]。

圖6 高分六號衛星16 m圖像及2 m/8 m彩色融合圖像Fig.6 GF-6 satellite 16m image and 2m/8m pansharpen image

高分六號衛星的寬幅相機新增4個波段后，比起傳統藍、綠、紅、近紅外4個波段，數據在影像預處理、地表覆蓋類型識別、植被健康診斷等方面有了質的飛躍。新增譜段對植被含水量、葉綠素含量等變化較為敏感，實現了提高植被分類精度的設計目標[17]。其中，海岸藍波段的增加，使影像能夠采用深藍算法反演氣溶膠光學厚度，適用于廣泛的地表類型，實現高精度的大氣校正；黃波段的增加，提高了沙化土地等識別能力；紅邊波段的增加，使土地覆蓋監測和作物識別的總體精度顯著提高[18-19]。

根據地物光譜反射特性[20]，高分六號衛星可以計算的常用波段指數如表1所示，衛星的光譜波段組合、波段指數及應用場景如表2所示，可以看出對于地物識別應用較廣的是B4、B5、B6、B7及B8譜段，后4個均是新增譜段。多光譜不同的波段指數和波段組合聯合應用，更有利于地物的分類與識別。

表1 高分六號衛星多光譜的波段指數Table 1 Band ratio index of satellite multispectral bands

表2 高分六號圖像產品的光譜范圍及不同波段指數和波段組合的應用場景Table 2 Multispectral range and use cases with different band ratio index and band combinations of satellite

5 結束語

高分六號衛星具有高空間分辨率、寬覆蓋、高質量成像、高效能成像、高國產化率等特點，已成為我國農業生產監測、自然資源調查、農村人居環境改善、防災減災和公共安全等遙感業務領域的主要數據源之一。衛星數據激發了行業業務應用的定量化水平，為農業農村發展、生態文明建設、自然資源和防災減災救災等重大需求提供遙感數據保障，成果大量應用于智慧農業、智慧交通、智慧城市等新模式和新業態，成為國家治理體系和治理能力現代化的重要信息技術支撐。

作為我國高分辨率對地觀測系統重大專項的組網星座，高分六號與高分一號雙星協同觀測，在時間分辨率、光譜分辨率、空間分辨率的優勢明顯，特別是衛星針對地面應用而開展的好用易用設計及新模式應用，進一步增強了衛星的效能，提升了衛星平臺適應高分辨率遙感的能力。通過工程研制，衛星長壽命、高可靠技術得到提升。開展了對月成像及對月相對輻射定標等有益嘗試，為高精度光學遙感衛星在軌輻射定標開創了一種新的可行技術途徑，為遙感產品定量化奠定了基礎。與在軌的高分系列衛星及其他國產衛星相互配合，將不斷提升行業業務應用的定量化水平，開啟我國國產衛星在農業農村、生態環境和自然資源可持續利用等領域深入應用的新篇章。