葛玉君 趙鍵 楊芳（航天東方紅衛(wèi)星有限公司）

隨著遙感應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域的不斷深入，以及我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展和航天技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星遙感圖像數(shù)據(jù)已經(jīng)在各行各業(yè)取得了廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮著越來越重要的作用。而隨著遙感應(yīng)用的逐漸深入，用戶對(duì)圖像數(shù)據(jù)信息提取的要求越來越高，需要分辨率更高的圖像質(zhì)量和更快、更靈活的圖像生成模式。高分辨率衛(wèi)星圖像的需求不斷增大，有力地推動(dòng)了高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星的發(fā)展。近20年來，國(guó)際上各主要航天公司陸續(xù)研制并發(fā)射了多種類型的高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星。與20世紀(jì)八九十年代的中等分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星相比，高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星對(duì)平臺(tái)技術(shù)的需求發(fā)生了本質(zhì)的改變。

1 對(duì)地光學(xué)成像空間分辨率的發(fā)展趨勢(shì)

在軍事領(lǐng)域，以美國(guó)“鎖眼”（KH）系列衛(wèi)星為代表，其空間分辨率已經(jīng)優(yōu)于0.1m。在民用和商用領(lǐng)域，近年來也出現(xiàn)了如艾科諾斯－2（Ikonos－2）、快鳥－2（QuickBird－2）等優(yōu)于1m分辨率的衛(wèi)星，2008年9月發(fā)射的地球之眼－1（GeoEye－1）衛(wèi)星的分辨率已達(dá)到0.41m。由此可見，軍民領(lǐng)域光學(xué)遙感衛(wèi)星在需求的驅(qū)動(dòng)下，都在朝著高分辨率方向發(fā)展。

2 典型的高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星及其衛(wèi)星平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)

典型的高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星

國(guó)際上光學(xué)遙感衛(wèi)星已經(jīng)形成了有代表性的幾個(gè)系列。從同一系列衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)可以看出，高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星的主流是向空間分辨率越來越高的方向發(fā)展，1m甚至更高分辨率的衛(wèi)星已經(jīng)逐漸占據(jù)國(guó)際市場(chǎng)，并且優(yōu)于1m的可見光遙感衛(wèi)星基本上都已經(jīng)通過1000千克量級(jí)的衛(wèi)星得以實(shí)現(xiàn)。

部分光學(xué)遙感衛(wèi)星性能指標(biāo)

以1999年9月發(fā)射的Ikonos－2衛(wèi)星為例，它是美國(guó)空間成像公司的一顆商用高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星，運(yùn)行于高度為680km的太陽同步圓軌道上。星下點(diǎn)地面像元分辨率達(dá)到0.82m（全色）/3.28m（多光譜），星下點(diǎn)成像幅寬約11km。該相機(jī)能沿俯仰和滾動(dòng)軸方向30°范圍內(nèi)快速機(jī)動(dòng)，最大回轉(zhuǎn)速度可達(dá)4°/s，回轉(zhuǎn)加速度可達(dá)0.2°/s2。借助這種快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力，衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)同軌多種模式的平面成像和立體成像，一軌成像能力最大可達(dá)20000km2。

GeoEye－1衛(wèi)星于2008年9月6日發(fā)射成功。它是美國(guó)軌道圖像公司的高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星，運(yùn)行在684km高的太陽同步軌道，分辨率達(dá)0.41m（全色）/1.64m（多光譜），是目前分辨率最高的商用衛(wèi)星，衛(wèi)星每天成像面積：全色為7×105km2，全色+多光譜為3.5×105km2。

Pleiades－1A衛(wèi)星是法國(guó)于2011年11月17日發(fā)射的首顆新一代高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星，衛(wèi)星質(zhì)量約940kg，其目的是通過技術(shù)創(chuàng)新提供系統(tǒng)效費(fèi)比，替代現(xiàn)有的“斯波特”（SPOT）系列衛(wèi)星。衛(wèi)星運(yùn)行在695km高的太陽同步近圓軌道，在星下點(diǎn)的分辨率為0.7m（全色）/2.8m（多光譜），成像幅寬大于20km。與其相同的Pleiades－1B衛(wèi)星也于2012年12月1日升空。

國(guó)外高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星平臺(tái)發(fā)展?fàn)顩r

目前，在國(guó)際上，類似洛馬、鮑爾、泰雷茲-阿萊尼亞、阿斯特留姆等大中型宇航公司都發(fā)展了各自的高性能光學(xué)遙感衛(wèi)星平臺(tái)。

3 高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星技術(shù)需求

高分辨率星載光學(xué)載荷由于焦距長(zhǎng)、口徑大、探測(cè)器數(shù)量多，所以導(dǎo)致衛(wèi)星質(zhì)量、功耗以及對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定性要求大幅提高，即使衛(wèi)星平臺(tái)能夠提供類似星上資源，但如果采用傳統(tǒng)的三軸穩(wěn)定對(duì)地定向的姿態(tài)控制模式，成像效能并不理想，因?yàn)閹资坠潭ǚ鶎挼母叻直媛视^測(cè)相比于地球而言，無異于“管中窺豹”。因此，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高空間分辨率、高時(shí)間分辨率（大幅寬）已成為高分辨率衛(wèi)星的技術(shù)難題。為了滿足高分辨率衛(wèi)星的技術(shù)需求，目前正著眼于同時(shí)解決高空間分辨率和高時(shí)間分辨率，并且要求既要提高成像效能，又要降低衛(wèi)星成本。綜合來看，從1999年美國(guó)發(fā)射Ikonos－2衛(wèi)星以來，分辨率在1m及優(yōu)于1m的高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星都采用更加靈活的在軌飛行模式，即為通常所說的敏捷衛(wèi)星。

典型的高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星平臺(tái)性能對(duì)照表

美國(guó)Tacsat－3衛(wèi)星戰(zhàn)術(shù)進(jìn)行區(qū)域偵察示意圖

所謂高分辨率敏捷衛(wèi)星主要是指：在傳統(tǒng)光學(xué)遙感衛(wèi)星零動(dòng)量三軸穩(wěn)定姿態(tài)的基礎(chǔ)上，借助大力矩姿態(tài)執(zhí)行部件，使衛(wèi)星平臺(tái)具備繞任意歐拉軸（含滾動(dòng)、俯仰、偏航）大范圍快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)并且快速穩(wěn)定的能力，利用裝載的單臺(tái)高分辨率遙感器，通過快速重定向，實(shí)現(xiàn)包括同軌多個(gè)熱點(diǎn)目標(biāo)定制成像、同軌大區(qū)域目標(biāo)多條帶拼接成像和同軌同一目標(biāo)多視角立體成像等多種成像模式，解決同時(shí)實(shí)現(xiàn)高空間分辨率和高時(shí)間分辨率的技術(shù)難題，提高成像效能。

大角度快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)及穩(wěn)定能力

采用敏捷成像模式，高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星平臺(tái)需要具備大角度快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力。任務(wù)要求的機(jī)動(dòng)能力實(shí)際是指：在機(jī)動(dòng)時(shí)間內(nèi)，衛(wèi)星保證遙感器重新指向并且能夠進(jìn)行成像的能力。表述高分辨率衛(wèi)星的敏捷機(jī)動(dòng)能力的指標(biāo)，通常是指機(jī)動(dòng)范圍、機(jī)動(dòng)角度、機(jī)動(dòng)時(shí)間和成像時(shí)的姿態(tài)穩(wěn)定度，有時(shí)也用所支持的成像模式（如能否進(jìn)行立體成像、多條帶拼接），以及單圈軌道或者1天時(shí)間內(nèi)的成像面積來描述，當(dāng)然成像面積是跟衛(wèi)星所配置的相機(jī)幅寬等指標(biāo)相關(guān)聯(lián)的。

美國(guó)Ikonos－2衛(wèi)星立體成像模式

法國(guó)Pleiades－1A衛(wèi)星進(jìn)行電磁兼容性測(cè)試

目前的高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星所采用的基本上還都是推掃成像的時(shí)間延遲積分-電荷耦合器件（TDI-CCD）相機(jī)，姿態(tài)的不穩(wěn)定將會(huì)造成在一個(gè)時(shí)間延時(shí)積分成像時(shí)間內(nèi)CCD像面產(chǎn)生位移，導(dǎo)致圖像調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）下降。

為了保證成像效能，在考慮成像畸變的影響之后，高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星的機(jī)動(dòng)范圍都在星下點(diǎn)45°～50°的圓錐以內(nèi)。

在上述姿態(tài)穩(wěn)定度、機(jī)動(dòng)范圍的約束條件下，高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星的機(jī)動(dòng)能力通常用典型的機(jī)動(dòng)角度/機(jī)動(dòng)時(shí)間來表述，如QuickBird－2達(dá)到10°/20s、50°/45s。而表征衛(wèi)星平臺(tái)機(jī)動(dòng)能力實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)典型指標(biāo)分解為3個(gè)：最大機(jī)動(dòng)角速度、最大機(jī)動(dòng)角加速度和姿態(tài)穩(wěn)定收斂時(shí)間。敏捷衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)范圍是星下點(diǎn)偏離45°，由于對(duì)姿態(tài)機(jī)動(dòng)方向有任意性的要求，而且機(jī)動(dòng)的速度要求明顯提高，因此對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)測(cè)量和控制部件均提出了很高的要求。為了實(shí)現(xiàn)支持高分辨率成像的機(jī)動(dòng)能力，衛(wèi)星不僅需要大的力矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)，還需要大的角動(dòng)量吸收能力，主要包括動(dòng)量輪和控制力矩陀螺（CMG）。姿態(tài)測(cè)量部件應(yīng)具有更高的精度、更高的動(dòng)態(tài)范圍以及更高的數(shù)據(jù)更新頻率。

適應(yīng)于高分辨率成像的衛(wèi)星構(gòu)型和運(yùn)行模式

高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星在實(shí)現(xiàn)技術(shù)上強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面與中等分辨率的光學(xué)遙感衛(wèi)星不同，它不再采用在太陽同步軌道上保持整個(gè)軌道圈相機(jī)對(duì)地指向、太陽電池翼一維轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)日定向的運(yùn)行模式，而是通過衛(wèi)星平臺(tái)和相機(jī)的一體化設(shè)計(jì)，使整星轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、撓性擾動(dòng)干擾少，整星具有很好的姿態(tài)機(jī)動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性，便于實(shí)現(xiàn)快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)和快速穩(wěn)定，適合高分辨率成像要求。通過運(yùn)行模式的合理設(shè)計(jì)，合理調(diào)配星上各種資源，提高成像效能。相關(guān)高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星的構(gòu)型既決定了其“自由指向”能力，又需要在保持能源供應(yīng)、姿態(tài)確定、數(shù)據(jù)傳輸?shù)臈l件下，有選擇、有設(shè)計(jì)地“在一定條件下自由指向”。從構(gòu)型設(shè)計(jì)上，高分辨率衛(wèi)星主要分為兩類，一類是以Ikonos、Pleiades衛(wèi)星為代表的構(gòu)型，即太陽電池翼法線與相機(jī)光軸平行或近于平行；另一類是以O(shè)rbview－3或GeoEye－1衛(wèi)星為代表的構(gòu)型，即太陽電池翼法線與相機(jī)光軸垂直或近于垂直。二者均有成功的圖像數(shù)據(jù)。

高精度時(shí)空信息測(cè)量能力

由于采用了20km幅寬的高分辨率相機(jī)定制成像，所以高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星除了要求相機(jī)圖像的輻射質(zhì)量、獲得清晰的圖像外，還需要圖像具有好的幾何質(zhì)量，滿足用戶無地面控制點(diǎn)對(duì)地目標(biāo)定位的應(yīng)用要求。無地面控制點(diǎn)對(duì)地目標(biāo)定位是指由衛(wèi)星軌道星歷、姿態(tài)以及傳感器參數(shù)等建立直接對(duì)地定位模型，該模型幾何定位結(jié)果與真實(shí)坐標(biāo)之間的誤差即為無地面控制的幾何精度。無地面控制的幾何精度主要取決于：衛(wèi)星影像獲取時(shí)的星歷數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)的精度、星時(shí)精度、衛(wèi)星平臺(tái)穩(wěn)定性、傳感器幾何參數(shù)等，這些高精度時(shí)空信息測(cè)量數(shù)據(jù)由衛(wèi)星平臺(tái)給圖像數(shù)據(jù)提供，實(shí)際上該定位精度數(shù)據(jù)也反映了高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星平臺(tái)及成像系統(tǒng)的整體可靠性和穩(wěn)定度。

支持高精度時(shí)空信息測(cè)量，包括應(yīng)用高精度全球?qū)Ш蕉ㄎ恍l(wèi)星系統(tǒng)等進(jìn)行軌道位置確定，應(yīng)用高精度星敏和陀螺實(shí)現(xiàn)姿態(tài)測(cè)量，并綜合分析考慮信息數(shù)據(jù)的有效性，所打入時(shí)標(biāo)與有效信息真實(shí)時(shí)刻的一致性，提出針對(duì)敏捷衛(wèi)星的合理輔助數(shù)據(jù)流程及時(shí)間管理方案。在衛(wèi)星平臺(tái)、相機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮在軌溫度場(chǎng)變化引起的部件幾何形變影響?？紤]系統(tǒng)誤差項(xiàng)可以通過定期的在軌檢校去除的情況，衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)主要控制以下各項(xiàng)隨機(jī)誤差項(xiàng)：定軌精度、姿態(tài)測(cè)量精度、星上時(shí)間同步精度、相機(jī)像主點(diǎn)的標(biāo)定誤差、相機(jī)畸變標(biāo)定誤差、相機(jī)與星敏感器間安裝夾角的標(biāo)定誤差、空間熱環(huán)境引起相機(jī)視軸與星敏感器視軸指向的變化誤差。

總裝完畢的法國(guó)Pleiades－1B衛(wèi)星

面向星上資源的任務(wù)規(guī)劃能力

對(duì)于傳統(tǒng)的光學(xué)遙感衛(wèi)星，由于工作模式較為簡(jiǎn)單，所以成像模式主要采用星下點(diǎn)或者簡(jiǎn)單的側(cè)擺成像，較為單一，其任務(wù)運(yùn)行管理中任務(wù)規(guī)劃和調(diào)度實(shí)際實(shí)施較為簡(jiǎn)化。

而對(duì)于高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星，由于實(shí)現(xiàn)用戶定制的成像模式將面臨數(shù)量多、操作復(fù)雜的控制指令序列，星上動(dòng)作存在前后相互關(guān)聯(lián)，所以一條指令出現(xiàn)問題就會(huì)影響后續(xù)動(dòng)作；另外，其動(dòng)作執(zhí)行的實(shí)時(shí)性要求高，尤其是姿態(tài)控制動(dòng)作和數(shù)傳天線控制動(dòng)作，必須實(shí)時(shí)控制。這些動(dòng)作指令若依賴地面上注程控指令方式實(shí)現(xiàn)，指令繁多，容易出錯(cuò)，特別是對(duì)于任務(wù)交錯(cuò)執(zhí)行的情況。因此，需要采取面向星上資源的任務(wù)規(guī)劃技術(shù)，以星地一體任務(wù)規(guī)劃技術(shù)為依托，優(yōu)化衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用效益，并驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星地面任務(wù)仿真系統(tǒng)的運(yùn)行，評(píng)估衛(wèi)星系統(tǒng)的整體應(yīng)用能力。在衛(wèi)星受限資源條件[遙感器能力、可觀測(cè)時(shí)間、觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度、姿態(tài)角要求、圖像類型需求、任務(wù)間轉(zhuǎn)換時(shí)間、圖像地面分辨率、太陽光照條件、電源消耗、數(shù)據(jù)記錄空間、數(shù)據(jù)下傳碼速率、成像特殊要求（如立體圖像要求）、其他要求（如云層覆蓋情況等）]下，通過對(duì)任務(wù)規(guī)劃問題求解，找到最佳的任務(wù)控制指令序列，取得最優(yōu)成像效果和最低的工程代價(jià)，優(yōu)化星上能源利用和提高在軌故障的處理能力。

5 結(jié)論和啟示

綜觀近20年來國(guó)際上高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，面向國(guó)內(nèi)、國(guó)際未來衛(wèi)星應(yīng)用的需求，尤其是針對(duì)高分辨率應(yīng)用需求，在系統(tǒng)功能、性能、壽命和載荷服務(wù)能力等方面，迫切需要開發(fā)新一代面向高分辨率、高性能的衛(wèi)星公用平臺(tái)。高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星平臺(tái)的核心技術(shù)特征是：采用剛性的構(gòu)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、大角度快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)、高精度時(shí)空信息測(cè)量、面向星上資源的任務(wù)規(guī)劃能力，實(shí)現(xiàn)靈活多樣的高分辨率成像模式。

在這樣的技術(shù)需求牽引之下，航天東方紅衛(wèi)星公司于2011年成功研制開發(fā)了CAST－3000平臺(tái)，這是國(guó)內(nèi)首個(gè)單載荷高分辨率敏捷光學(xué)遙感衛(wèi)星平臺(tái)。該衛(wèi)星平臺(tái)具備自由指向和敏捷姿態(tài)機(jī)動(dòng)的能力，來配合高分辨率多模式定制成像的應(yīng)用，既顯示了小衛(wèi)星“快、靈、省”的優(yōu)勢(shì)，又與高分辨率遙感器結(jié)合，借助整星敏捷姿態(tài)機(jī)動(dòng)的性能，實(shí)現(xiàn)高空間分辨率成像和快速的系統(tǒng)響應(yīng)性能，具有多功能、高效率的特點(diǎn)，有力地促進(jìn)了對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的更新?lián)Q代。

法國(guó)Pleiades－1A衛(wèi)星在軌飛行示意圖