高分多模衛星技術創新與發展建議

楊文濤 莊國京 孟令杰 范立佳 張國斌 王躍

(1 中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094) (2 中國航天科技集團有限公司，北京 100048)(3 國家國防科技工業局重大專項工程中心，北京 100101)

隨著用戶需求和光學遙感技術的不斷提升，以高成像分辨率、多成像譜段、高圖像定位精度、快速姿態機動能力為主要特征的敏捷光學成像衛星得到了迅速發展，從“艾科諾斯”(IKONOS)衛星到“世界觀測”(WorldView)衛星系列的發展也是代表了當前國際上光學遙感衛星的發展趨勢[1-4]。敏捷衛星成像模式靈活多樣、成像效能非常高，相對于傳統常規的被動推掃成像衛星，其圖像獲取效率大幅提升。支持多用戶所提出的不同應用目標、不同時效性的觀測需求，并在最短的時間內將圖像數據發送到用戶手中。敏捷光學遙感衛星的出現，使得世界遙感衛星技術實現了一次技術的飛躍，并在商用領域取得了極大成功。

高分多模衛星是我國民用空間基礎設施工程的重要組成部分，是對地觀測系統高分辨率光學觀測星座中分辨率最高的衛星。綜合考慮技術先進性和技術成熟度，它采用全新一代中型敏捷遙感衛星公用平臺；配置具有良好研制基礎的大口徑高分辨率光學相機、大氣同步校正儀等有效載荷，實現同軌多點目標成像、同軌多條帶拼幅成像、立體/多角度成像、任意向主動推掃成像等多種敏捷成像模式下高分辨率、高質量圖像數據的獲取能力，實現1個全色譜段+8個多光譜譜段、0.5 m高空間分辨率、10 m無地面控制點高定位精度、高質量圖像數據的獲取能力，單日圖像獲取能力可達36萬平方千米以上。該衛星是我國迄今為止研制的空間分辨率最高、敏捷成像能力最強的遙感衛星，達到國際先進水平，它的成功發射可大幅提高陸地觀測系統的定量化應用水平[1]。

高分多模衛星作為空間基礎設施“十三五”首批啟動并首顆發射的科研星，在滿足各用戶對高分辨率、高質量圖像數據迫切需求的同時，還要發揮技術引領和推動作用。首次民用衛星配置中繼數傳，提高衛星快速響應能力；為充分利用平臺的應用潛力，實現星上數據實時處理、星間激光通信等新技術的在軌驗證和應用。高分多模衛星充分繼承中型敏捷遙感衛星公用平臺研制基礎，平臺突破了制約遙感衛星發展的敏捷姿態機動控制技術、高定位精度平臺支撐技術、先進空間數據系統技術、微振動抑制4項核心技術；完成了基于新一代平臺通用產品體系的33臺單機研制和鑒定；完成了基于典型應用的結構、熱控、電性能的鑒定試驗驗證；完成了8年長壽命平臺設計和驗證。

高分多模衛星于2020年7月3日成功發射入軌。2020年7月10日，圓滿完成了衛星飛控全部工作，衛星狀態正常，轉入在軌測試。2021年3月，完成了衛星在軌測試工作，結果表明：衛星各項功能性能滿足研制總要求，各大系統工作正常，滿足任務要求；圖像質量高，細節紋理清晰、層次分明、信息豐富，可服務于多行業定量化應用；敏捷成像能力強，成像模式豐富、成像效能高、任務管理智能、用戶操控簡易高效。

1 技術創新

高分多模衛星的研制和成功發射，突破了多項關鍵技術，實現了中型敏捷遙感衛星公用平臺首飛驗證，首次實現了優于0.5 m高分辨率成像，首次實現任意方向目標“動中成像”。具有靈活豐富的敏捷成像模式、高效智能的任務管理能力，具有極高的圖像采集效率，技術指標先進，成功實現兼顧高分辨率與敏捷成像的遙感衛星技術的應用，可服務于大比例尺國土調查與測繪、重點區域自然資源遙感監測、災害風險與應急監測、農業資源調查、生態環境精細化監測、生態保護紅線監管、城市精細化管理、森林和草原動態監測與評估等領域，打破了國外同類商業遙感衛星圖像壟斷，能提高我國高分辨率圖像數據自給率。衛星技術進步創新主要體現在下述的幾個方面。

1.1 敏捷成像能力強

針對多行業用戶對高分辨率圖像數據迫切需求，參考國外先進敏捷衛星設計[3-5]，基于中型敏捷遙感衛星公用平臺的敏捷機動控制核心技術攻關成果，高分多模衛星采用豐富的敏捷成像模式，在敏捷成像方面取得了突破性的成就，首次實現了任意向主動推掃成像、多角度成像等敏捷成像技術，突破了多項關鍵技術，達到了國際先進水平，主要包括以下幾個方面。

1.1.1 敏捷成像模式豐富

對標國外先進敏捷衛星設計，突破了傳統被動沿跡推掃高分辨率成像幅寬限制，通過快速姿態機動與高分辨率相機敏捷成像有機結合，實現了同軌多點目標成像、同軌多條帶拼幅成像、同軌立體/多角度成像、沿跡/非沿跡主動推掃成像等多種敏捷成像模式，大幅提高圖像獲取效率。同軌多點目標可以實現一次過境對重點關注大量散布目標的高效獲取；拼幅成像可以擴大一次過境成像區域，能夠覆蓋城鎮、港口、機場等區域；立體成像可以用于2視/3視立體測繪，基高比可調，提高衛星綜合應用能力；首次實現了多角度成像，可提供更為豐富的觀測信息，實現精細化觀測；首次實現“動中成像”，可以實現任意向條帶目標的一次過境高效快速獲取，獲取效率可提升數十倍。

高分辨率與敏捷成像的結合，實現豐富的敏捷成像模式，滿足多行業用戶不同觀測需求，達到了“一星多用、綜合利用”目標，單星使用效能得到了充分發揮；采用理論分析、數字建模、仿真分析及測試驗證的手段，將衛星姿態機動能力指標與各類敏捷成像模式圖像獲取能力指標進行了關聯，分析了衛星在軌滿足各類使用約束條件下各類敏捷成像模式的能力范圍，以及在軌靈活應用各類敏捷成像模式的能力。在軌測試結果表明：各類敏捷成像模式執行正常，成像能力達到了預期目標，成像效果良好。

2020年9月3日，一次過境通過4次拼幅成像實現對北京六環內高分辨率成像,如圖1所示。這種方式可以有效解決多次過境覆蓋獲取方式帶來的天氣影響觀測時機問題和多次重訪時效性問題等。

圖1 一次過境4個條帶拼幅高分辨率成像Fig.1 High resolution imaging by single-pass 4 strips mapping mode

2020年9月17日，一次過境實現對迪拜哈利法塔11個角度成像(如圖2所示)，可以獲取更多的高層建筑的側面信息，提供更為豐富的觀測信息。

圖2 一次過境對迪拜哈利法塔11個角度成像Fig.2 11 views of Burj Khalifa tower collected by single-pass

1.1.2 敏捷機動能力強

敏捷機動能力是實現各類敏捷成像模式的保障，通過敏捷成像過程仿真分析和敏捷成像圖像質量預估，確定了敏捷成像能力，并分解提出了敏捷機動指標體系，提出了繞任意軸機動并穩定25°/20 s指標要求。

敏捷機動能力提出了小慣量、高剛度要求，構型和總體布局設計是實現敏捷機動能力的保障。平臺采用“四立柱+板”結構形式，通過模塊化設計，緊湊化布局，實現小慣量要求；同時，為實現高剛度要求，提高整星大型柔性部件剛度，采用二維二次展開并聯高剛度太陽翼，并采用高穩高剛度太陽翼驅動機構驅動控制，滿足在軌高剛度需求。

控制是實現敏捷機動能力的核心，配置5臺大力矩控制陀螺實現快速姿態機動，采用新一代甚高精度星敏感器和適應大角度機動能力的新型大量程三浮陀螺實現高精度測姿，配合轉速相對波動小的高穩太陽翼驅動機構，實現高指向精度、測量精度及高穩定度；敏捷機動控制方案設計實現了先進的姿態測量與控制算法，針對大力矩控制力矩陀螺的力矩精度偏低、力矩噪聲偏大的情況，適當提高系統帶寬，采取平滑的軌跡規劃方式、機動過程中采用前饋補償等技術，提升敏捷機動到位及穩定的能力。根據敏捷成像模式需求，提出了偏置飛行、點對點機動、姿態/角速度預置、非沿跡跟蹤等多種控制子模式。

在高分多模衛星研制過程中，通過單軸氣浮臺原理驗證試驗、3軸氣浮臺物理仿真試驗，對機動控制模式、典型機動能力和敏捷機動控制方案進行物理仿真驗證。圖3為敏捷機動能力遙測曲線。在軌測試結果表明：敏捷機動能力達到了25°/15 s，優于25°/20 s的設計指標。

圖3 敏捷機動能力遙測曲線Fig.3 Telemetering curve of agility

1.1.3 任務管理智能

高分多模衛星具有多種敏捷成像模式，較傳統遙感衛星成像模式復雜、多樣、靈活，成像能力大幅提升，單軌/每天成像任務數量提升數倍以上[6]。為實現高分多模衛星靈活的工作模式與用戶多源需求的有效對接，在調研國外先進WorldView和“昴宿星”(Pleiades)系列衛星商業規劃、在軌運行控制方式的基礎上，提出了星地任務體系組成和運行方案，完成了敏捷衛星任務規劃體系構架設計，星地界面采用“元任務”概念，向用戶屏蔽了衛星的底層指令操作，降低了用戶使用復雜度；地面將成像條帶進行綜合優化，形成“元任務”序列，并通過地面測控網上注至衛星。

高分多模衛星上采用以系統管理單元為核心的智能任務管理技術，對“元任務”進行解析、檢查，將元任務轉化為各個分系統/子系統的動作序列，進而生成指令序列。衛星按照規劃好的指令序列控制各分系統執行各項操作任務，實現各類豐富的敏捷成像。在研制過程中，開發了地面任務規劃仿真軟件，解決了任務圈次分配綜合優化、一軌內任務序列規劃等技術難點，并通過了在軌測試驗證，應用效果良好。向用戶提供非常簡易、靈活、高效的操作使用模式，應急響應能力強，最大程度發揮高分多模衛星的應用效能。

1.2 圖像質量高

1.2.1 大口徑長焦距敏捷相機的設計和研制

高分辨率相機(見圖4)采用大口徑長焦距的三反同軸光學系統，光圈數為10.3，焦距為10.8 m。根據目前高分辨率相機探測器的可獲得性，創新性地采用7 μm/28 μm的5譜段+28 μm的4譜段TDICCD傳感器共同實現9譜段成像，采用多片光學拼接方法實現0.5 m全色/2 m多光譜分辨率、15 km幅寬及9譜段成像要求。為達到高成像質量，采用12 bit高數據量化，最大信噪比提高到48 dB；綜合考慮光學系統、TDICCD器件飽和電壓等因素，電子學采用集成化設計、電源濾波及CCD模擬信號濾波技術等措施改進電子學噪聲。為實現高內方位元素穩定性，采用主動+被動結合的高精度熱控設計，實現了±0.3 ℃高精度溫控要求；相機主體采用以主承力框為核心支撐前鏡身和后鏡身的緊湊設計，材料選取剛度高、質量小、穩定性好、工藝成熟的鈦合金、復合材料等。為適應敏捷成像對大動態積分時間快速調整、相機頻繁開關機及低功耗的要求，設計了高速大動態CCD驅動電路方案及積分時間快速插值功能，設計了低功耗、快速轉換的待機模式。

圖4 高分辨率相機實驗室測試Fig.4 Laboratory test of high resolution camera

通過地面試驗及在軌飛行測試，高分辨率相機能夠實現高分辨率、9譜段、高質量的成像要求。彩色融合圖像色彩均勻、細節豐富、層次清晰。圖5給出了2020年8月20日上海陸家嘴高層建筑群圖像，建筑群細節清晰，道路規劃識別精度高，地面汽車數量及類型清晰可辨識。衛星圖像多光譜譜段信息豐富。圖6給出了2020年7月21日埃及亞歷山大港農田不同譜段融合對比圖，采用近紅外/紅邊/紅假彩色融合圖，較常規紅/綠/藍真彩色融合圖分類識別精度更高，針對不同地物特征采用不同譜段融合，可有效提升分類識別精度。

圖5 上海陸家嘴彩色融合圖像Fig.5 Color fusion image of Lujiazui in Shanghai

圖6 埃及亞歷山大港多光譜融合圖像Fig.6 Multispectral fusion image of Alexandria

1.2.2 10 m(1σ)高定位精度保證技術

高定位精度的衛星平臺支持能力是中型敏捷遙感衛星公用平臺研制中的一項核心技術；通過開展攻關突破制約定位精度提升的高精密定軌、高精度定姿、高穩定性結構、高精度時統等多項關鍵技術，新研甚高精度星敏感器、大量程三浮陀螺及高穩定復合材料星敏感器支架等核心單機，顯著提升定位精度水平。高分多模衛星在中型敏捷遙感衛星公用平臺的研制基礎上，繼承和應用相關技術，結合有效載荷技術狀態，完成了定位精度分析及指標分配；圍繞高分辨率相機開展設計與驗證工作(如圖7所示)，完善了相機-星敏感器一體化安裝的設計，完成了高分辨率相機柔性適配安裝設計，進一步減少平臺變形影響；完成了高分辨率相機高精度校時設計及內方位元素穩定性設計，并開展相關仿真分析與試驗驗證。綜合各個環節設計和驗證情況，完成了無控制點圖像平面定位精度優于10 m(1σ)的仿真分析驗證。無控制點圖像平面定位精度在軌測試結果表明：在偏離星下點30°錐角范圍內，無控制點圖像平面定位精度可優于5 m。

圖7 高分辨率相機柔性適配設計驗證試驗Fig.7 Verification test of flexible adaptation design for high resolution camera

1.2.3 多級隔振的微振動抑制技術

基于圖像質量對整星微振動要求，完成了基于微振動對成像質量的影響鏈路分析與分解，采取多級減隔振技術途徑，從擾動源、減振裝置、結構傳遞、有效載荷4個方面開展工作。基于中型敏捷遙感衛星公用平臺的微振動抑制核心技術攻關成果，設計了面向控制力矩陀螺(CMG)群整體隔振的微振動抑制方案，完成了大力矩CMG擾振測量和分析，以及CMG支架設計、生產和使用，進行了以高剛度微振動隔振裝置為核心的并聯隔振裝置設計、生產、測試及試驗驗證，能夠有效抑制CMG引起的有效載荷安裝面的微振動響應，振動幅值衰減80%以上。

針對高分多模衛星狀態，圍繞高分辨率相機成像特點，在其與平臺安裝界面設計了集平臺變形釋放和隔振一體的柔性適配裝置，進一步消除振動對相機的影響。優化設計柔性和隔振參數，取得最優效果，完成了單機鑒定及整星微振動試驗驗證(見圖8)；正樣研制階段通過整星模態測試進一步確認了柔性適配狀態，并完成了在軌微振動響應仿真預示。

圖8 整星微振動試驗Fig.8 Test of satellite micro vibration

在軌微振動測量表明：CMG到各關鍵位置傳遞函數在特征頻點處出現了明顯的衰減，經過并聯隔振裝置、結構傳遞衰減、柔性適配裝置，響應衰減達到90%以上。通過在軌測試，圖像質量良好，在軌動態傳遞函數達到了預期設計狀態。在軌微振動測量及在軌圖像動態傳遞函數測試結果表明：微振動抑制措施有效。

1.3 時空同步大氣校正

高分多模衛星具有0.5 m高分辨率、敏捷成像模式豐富多樣的特點，特別是敏捷成像過程中衛星姿態角變化較大，大氣對圖像質量影響更為突出，不可避免地受到大氣分子、氣溶膠和云等大氣成份的吸收與散射的影響。采取時空同步大氣校正技術，可有效提高圖像輻射精度和圖像質量[7-8]，滿足定量化應用需求。高分多模衛星配置1臺大氣同步校正儀，與高分辨率相機同步同視場觀測，同步獲取高分辨率相機觀測區域的大氣參數信息，用于地面圖像處理中的大氣校正。大氣同步校正儀采用分孔徑多元探測方案，光機電一體化設計，如圖9所示。通過3個非偏/5個偏振輻射通道獲取目標區域大氣的光輻射信息和偏振輻射信息，以反演有關大氣物理特性并進行校正。

圖9 大氣同步校正儀Fig.9 Synchronized atmospheric corrector

圖10給出了2020年8月5日美國加州大火煙霧彌漫后的校正前后圖像，同時具有城市區、植被區的復雜地表上空大氣的校正，大氣校正可以有效去除大氣程輻射影響，改善地物定量化水平。

圖10 大氣校正前后圖像對比(美國加州)Fig.10 Comparison of images (California, U.S.) before and after atmospheric correction

圖11為2020年7月26日科威特真彩色影響校正前后對比，高亮區域細節、屋頂紋理在校正后更為清晰，大氣校正能夠去除大氣程輻射和交叉輻射效應，進而改善地物細節特征的可識別性。

圖11 大氣校正前后圖像對比(科威特國際機場)Fig.11 Comparison of images (Kuwait international airport) before and after atmospheric correction

在軌測試評價結果可知：大氣參數反演精度較高，大氣同步校正效果明顯，特別是大氣氣溶膠達到0.4以上，大氣同步校正效果更為突出，可有效降低大氣程輻射、交叉輻射及鄰近效應的影響，校正后更為清晰，地物細節特征可辨識性更高，能提升光譜特性，提高圖像產品定量化應用水平。

1.4 快速響應能力強

1.4.1 民用遙感衛星首次配置中繼數傳

高分多模衛星具有高的成像能力和快速響應能力，根據我國當前可用地面接收站的布局及配置情況，為保證衛星在軌應用效能的充分發揮，能夠有效支撐我國國民經濟建設及重大戰略布局的實施，參考美國、法國等同類先進商業遙感衛星全球地面接收布局及使用策略，充分利用我國中繼衛星資源，配置中繼數傳，通過合理規劃地面接收站及中繼衛星使用資源，保證每天不少于36萬平方千米的圖像獲取能力，通過中繼衛星實現境外成像當圈回傳獲取能力，有效解決受地面接收站布置限制帶來快速響應不足的問題。同時，在設計上突破了多項關鍵技術，為保證敏捷機動小慣量、高剛度要求，充分利用衛星敏捷機動能力，創新性地采用星體姿態機動結合天線小角度轉動實現對中繼衛星指向與跟蹤；采用星體姿態及太陽翼跟蹤控制策略，有效解決了中繼數傳過程中電能、熱控、星敏感器見光等問題，并通過地面仿真及在軌測試驗證，可以保障中繼數傳弧段需求及穩定跟蹤要求。

1.4.2 快速獲取模式創新

面向應急響應需求[9-11]，深入挖掘衛星應用潛能，利用快速敏捷成像及靈活智能自主任務管理能力，通過配置特定區域提取與處理單元，結合衛星的敏捷成像，完成特定區域圖像的提取、輻射校正及幾何校正，生成用戶可直接應用的二級圖像產品，并利用數傳的低速傳輸模式，支持配置更為靈活的機動站或微型便攜接收站。衛星上設置有多檔數傳碼速率，用戶可根據需求靈活選擇使用，支持1.2 m，4.5 m及更大口徑天線接收使用。

2020年12月，高分多模衛星在北京首次完成了面向應急響應需求的特定區域快速獲取模式應用演示驗證，模擬應急搶險救災前沿指揮部“實時”接收受災區域2級遙感圖像產品，并進行判讀應用的場景。衛星在10：54：24開始成像，成像后立即進行星上實時處理，生成15 km×15 km的2級圖像產品；10：56：30，通過指揮部配置的地面移動接收站完成圖像數據的接收、解調，并進行圖像產品的顯示和判讀，地面接收并顯示的圖像如圖12所示，圖像分辨率高、紋理細膩、細節清晰。衛星成像至用戶接收到可直接應用圖像的獲取全鏈路時間縮短至2 min左右，可“第一時間”將受災區域的遙感衛星圖像產品傳送到前沿應急指揮部。用戶對此給予了充分肯定和高度評價，此模式能夠為應急響應需求提供及時、有效的信息，以便及時掌握災害發生地點、涉及范圍、發展趨勢等，可大幅提升重大災害現場災情信息傳遞的保障能力。

圖12 快速獲取試驗獲取的圖像Fig.12 Acquired images during fast-acquisition test

1.5 實現中型敏捷遙感衛星公用平臺全面在軌驗證

中型敏捷遙感衛星公用平臺在功能性能和設計指標上，均瞄準當前國際先進水平鮑爾可重構-5000(BCP-5000)平臺，提升我國遙感衛星平臺能力，滿足我國未來遙感衛星技術發展的需求，使我國遙感衛星平臺性能達到或接近國際先進水平，促進和帶動遙感衛星研制管理模式轉變。高分多模衛星作為中型敏捷遙感衛星公用平臺首發星，通過研制、發射及在軌運行實現了平臺各項技術及產品的全面驗證，首次完成了基于遙感衛星公用平臺的衛星研制模式全面實踐驗證，大幅提升了研制質量與效率，有效降低了研制成本；敏捷機動控制技術、高定位精度平臺支撐技術及微振動抑制技術等平臺核心技術，得到了全面在軌驗證，各項功能性能技術指標均達到或優于設計指標，支持實現了各類復雜敏捷成像能力及高質量圖像數據；通過在軌測試及目視效果比對，圖像質量好，輻射質量高，圖像紋理細節豐富、清晰，邊緣銳利、層次感好，達到或優于WorldView-2圖像產品質量，處于國際先進水平。基于綜合電子理念的星載數據系統技術，有效提高了自主任務規劃與管理能力、自主故障診斷與管理能力，為高分多模衛星好用性、易用性及健壯性實現提供了有力支撐保障。

2 發展建議

高分多模衛星自2020年7月3日發射至今，在軌穩定運行。為保證用戶對高分辨率、高質量衛星圖像數據連續性、穩定性及覆蓋能力的要求，結合我國民用航天規劃，后續將以業務衛星為主體，結合科研衛星在軌應用，合理優化性能指標，提升衛星智能化水平，保持衛星的先進性；加快與高分多模衛星組網運行，進一步提升服務能力。

根據國際先進商業遙感衛星發展趨勢，基于我國遙感衛星研制技術能力，結合用戶實際行業應用使用情況，后續業務衛星建議在以下幾方面開展工作。

(1)加快組網建設，保證覆蓋能力和響應能力。盡管高分多模衛星強的敏捷機動能力可實現較高的獲取效率，但受軌道及觀測幅寬的限制，單星覆蓋能力和重訪能力較用戶需求還存在較大差距。因此，需要加快組網建設，分步實現雙星、四星甚至多星組網運行，保證高的覆蓋能力和關注區域小時級高重訪需求。

(2)性能指標提升，保持國際先進性。隨著用戶定量化應用水平的不斷提升，對標Worldview和Pleiades系列衛星建設及發展規劃，業務衛星在分辨率、譜段及敏捷機動能力等方面仍需要進一步提升，提供更高分辨率、更豐富譜段及更高效成像能力，進一步推動我國遙感衛星定量化應用水平，有效保障“一帶一路”、京津冀協同發展、長江經濟帶建設、重大災害監測預警和響應等國家重大戰略實施。

(3)提高智能化水平，提升好用性、易用性。隨著遙感衛星技術的發展，星上綜合電子能力得到了快速提升，關注用戶使用體驗，基于科研衛星研制經驗和基礎，重點圍繞星上實時處理、自主任務管理及自主健康管理等方面提升設計，努力為用戶打造精品衛星、好用易用衛星。

3 結束語

高分多模衛星作為民用高分辨率光學觀測星座中分辨率最高的衛星，其成功發射及在軌應用，將大幅提高陸地觀測系統的定量化應用水平；衛星突破了多項關鍵技術，發揮了技術引領和推動作用，實現了我國遙感衛星技術水平的跨越式發展；實現了優于0.5 m高分辨率光學遙感數據國產化，是我國陸地觀測系統建設的重要標志，將使我國高分辨率觀測能力達到國際先進水平，滿足高精度觀測業務需求，實現全球范圍內精細化觀測，能夠有效支撐我國國民經濟建設和國家資源安全戰略布局的實施。