白照廣（航天東方紅衛(wèi)星有限公司）

2013年4月26日，高分-1（GF-1）衛(wèi)星由長(zhǎng)征-2D（CZ-2D）運(yùn)載火箭送入軌道。2013年12月30日，高分-1正式投入使用，這標(biāo)志著我國(guó)高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)國(guó)產(chǎn)化邁出了決定意義的一步，將為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展需要提供有力支撐。據(jù)國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局統(tǒng)計(jì)，截至2013年12月底，高分-1衛(wèi)星共向用戶部門提供了分辨率2m/8m影像247731景，分辨率16m影像75766景。以華北華東地區(qū)霧霾問題為例，高分-1獲取了近500景觀測(cè)數(shù)據(jù)，為有效開展霧霾污染形成、發(fā)展、消散等基礎(chǔ)研究提供了一定的信息保障。

1 前言

高分-1衛(wèi)星是國(guó)家高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)天基系統(tǒng)中的首發(fā)星，其主要目的是突破高空間分辨率、多光譜與高時(shí)間分辨率結(jié)合的光學(xué)遙感技術(shù)，多載荷圖像拼接融合技術(shù)，高精度高穩(wěn)定度姿態(tài)控制技術(shù)，5～8年壽命高可靠衛(wèi)星技術(shù)，高分辨率數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)我國(guó)衛(wèi)星工程水平的提升，提高我國(guó)高分辨率數(shù)據(jù)自給率。

2 衛(wèi)星設(shè)計(jì)方案

主要技術(shù)性能

高分-1衛(wèi)星采用CAST-2000小衛(wèi)星平臺(tái)，裝載的遙感器包括2臺(tái)全色分辨率2m、多光譜分辨率8m的高分相機(jī)，4臺(tái)分辨率16m多光譜的寬幅相機(jī)組成。其數(shù)據(jù)傳輸采用X頻段點(diǎn)波束高速數(shù)傳系統(tǒng)。

高分-1衛(wèi)星主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

軌道設(shè)計(jì)

高分-1衛(wèi)星采用太陽同步軌道，即41天的太陽同步回歸軌道，軌道傾角97.96°，相鄰圈軌道間距2720km左右，回歸周期內(nèi)相鄰軌跡間距66.34km，這樣可在高分相機(jī)實(shí)際幅寬69km情況下，滾動(dòng)方向不側(cè)擺就可41天實(shí)現(xiàn)全球覆蓋觀測(cè)。寬幅相機(jī)（實(shí)際幅寬825km）4天就可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋觀測(cè)，在側(cè)擺25°左右，高分相機(jī)可任意地區(qū)實(shí)現(xiàn)4天重訪。

星下點(diǎn)軌道間距及4天成像覆蓋情況

有效載荷設(shè)計(jì)

高分辨率相機(jī)采用非球面同軸三反偏視場(chǎng)式光學(xué)系統(tǒng)，焦距3.3m、視場(chǎng)角3.155°，5色集成時(shí)間延遲積分-電荷耦合器件（TDI-CCD），探測(cè)器通過反射鏡實(shí)現(xiàn)線性拼接。

寬幅相機(jī)采用多鏡頭模塊、視場(chǎng)拼接來實(shí)現(xiàn)800km幅寬的方案，用折射式光學(xué)系統(tǒng)+分光棱鏡將入射光分為4個(gè)譜段，每個(gè)譜段對(duì)應(yīng)一片CCD器件。

高分辨率相機(jī)外形

高分辨率相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)示意圖

寬幅相機(jī)外形

寬幅相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)示意圖

數(shù)傳分系統(tǒng)組成框圖

高分-1上的相機(jī)成像后最大碼速率達(dá)2.64Gb it/s。在設(shè)計(jì)上將其6臺(tái)相機(jī)均分兩路，先壓縮后再進(jìn)行組合編碼，最終寫入固態(tài)存儲(chǔ)器中，或通過2個(gè)通道下傳到地面。數(shù)據(jù)傳輸使用單個(gè)高增益點(diǎn)波束天線、同頻極化復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)傳天線設(shè)有2個(gè)信號(hào)輸入口，分別是左旋極化信號(hào)入口和右旋極化信號(hào)入口，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)左旋極化和右旋極化相互保持正交隔離，由地面接收天線將一副天線的同頻雙極化信號(hào)進(jìn)行隔離接收，可保證使用相同載波的雙通道數(shù)據(jù)正常接收。為保證通道暢通，采用雙冗余的傳輸信道，包括2副數(shù)傳天線，但在固態(tài)放大器設(shè)計(jì)上采用三取二策略實(shí)現(xiàn)冗余。

平臺(tái)設(shè)計(jì)

高分-1的衛(wèi)星平臺(tái)包括結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、姿態(tài)與軌道控制、星務(wù)管理、測(cè)控、電源、總體電路、熱控等分系統(tǒng)組成。

其衛(wèi)星結(jié)構(gòu)用于承載全星設(shè)備，承受發(fā)射段動(dòng)力學(xué)載荷，保持整星飛行形態(tài)。主要采用鋁蒙皮、鋁蜂窩復(fù)合材料板，星箭對(duì)接環(huán)采用鋁合金材料。機(jī)構(gòu)主要用于實(shí)現(xiàn)太陽電池陣收攏、展開，由兩副太陽電池翼組成，每副太陽電池翼由三塊基板基板搖臂架及鉸鏈、聯(lián)動(dòng)裝置、壓緊釋放裝置等組成，基板采用碳纖維加鋁蜂窩材料制成。壓緊釋放采用四點(diǎn)帶式壓緊、單火工品解鎖的最小配置，具有簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)。

其姿態(tài)與軌道控制用于衛(wèi)星飛行姿態(tài)調(diào)整與穩(wěn)定控制，以及衛(wèi)星軌道控制。衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量采用地球紅外敏感器、星敏感器、陀螺、數(shù)字太陽敏感器、模擬太陽敏感器等。其中星敏采用三取二冗余策略，陀螺采用6個(gè)冗余的二浮陀螺以滿足長(zhǎng)壽命運(yùn)行要求。姿態(tài)控制通過“3正裝＋1斜裝”的4個(gè)飛輪實(shí)現(xiàn)整星零動(dòng)量控制方案達(dá)到衛(wèi)星姿態(tài)對(duì)地定向、三軸穩(wěn)定的目的，初始姿態(tài)調(diào)整、應(yīng)急姿態(tài)調(diào)整及軌道控制采用肼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，另外配置3個(gè)磁力矩器實(shí)現(xiàn)動(dòng)量輪卸載，采用單軸驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)太陽電池翼對(duì)日定向。

其衛(wèi)星測(cè)控用于衛(wèi)星與地面通信及地面對(duì)衛(wèi)星的操控。其采用統(tǒng)一S頻段測(cè)控體制（USB），具備上、下通信能力，可實(shí)現(xiàn)指令、數(shù)據(jù)上注、遙測(cè)信息下傳及定軌所需的載波信息等。衛(wèi)星實(shí)時(shí)定軌還可以通過GPS實(shí)現(xiàn)。衛(wèi)星設(shè)計(jì)中繼測(cè)控功能可實(shí)現(xiàn)境外衛(wèi)星測(cè)控功能實(shí)現(xiàn)。

其衛(wèi)星電源用于星上電能生成。衛(wèi)星采用了高效率的三結(jié)砷化鎵太陽電池陣與80A ·h鋰離子蓄電池組聯(lián)合供電方案，日照區(qū)電池陣發(fā)電，并給星上負(fù)載供電，電能多余情況下給蓄電池組充電，地影區(qū)星上負(fù)載直接由蓄電池組供電。

其總體電路用于對(duì)整星負(fù)載配電及星地測(cè)試電接口等。整星采用分散供配電體制，既由整星統(tǒng)一供給相同電壓的電源，各個(gè)負(fù)載依據(jù)自身的電壓需求進(jìn)行電壓變換。

其衛(wèi)星星務(wù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)整星事務(wù)管理，包括時(shí)間管理、網(wǎng)絡(luò)通信、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、遙測(cè)信息處理及整星健康管理等。該系統(tǒng)由三大部分組成：①智能設(shè)備，②兩級(jí)控制器局域網(wǎng)絡(luò)，③星務(wù)系統(tǒng)軟件。智能設(shè)備包含星務(wù)中心計(jì)算機(jī)和各智能下位機(jī)，星務(wù)中心計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)衛(wèi)星的任務(wù)調(diào)度和綜合信息處理工作。各智能下位機(jī)具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議和數(shù)據(jù)通信格式的網(wǎng)絡(luò)接口，接受星務(wù)中心計(jì)算機(jī)的調(diào)度和控制。其中星務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、姿控ALTU、一次電源下位機(jī)不作為獨(dú)立設(shè)備，而是嵌入星上其他分系統(tǒng)單機(jī)之中，實(shí)現(xiàn)了整星的自動(dòng)化管理?？刂瓶偩€網(wǎng)絡(luò)是星上遙控、遙測(cè)等信息的通道。星務(wù)系統(tǒng)軟件包括：實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)、智能設(shè)備運(yùn)行軟件、星上網(wǎng)管理軟件、整星運(yùn)行軟件等，分別嵌入在相應(yīng)智能單機(jī)設(shè)備中。

其衛(wèi)星熱控用于衛(wèi)星溫度環(huán)境控制，采用以被動(dòng)熱控為主、以主動(dòng)熱控為輔的方案，采用隔熱、散熱、等溫化、加熱設(shè)計(jì)，相機(jī)采用獨(dú)立熱控來滿足特殊的溫差和溫度穩(wěn)定性要求。

飛行程序

衛(wèi)星與運(yùn)載分離后，星上時(shí)間啟動(dòng)，首先進(jìn)行初始姿態(tài)角速度偏差消除，主要由陀螺敏感器姿態(tài)角速度信息，采用噴氣方式消除三個(gè)方向的姿態(tài)角速度。65s左右展開太陽電池翼，85s消除太陽電池翼展開帶來的姿態(tài)擾動(dòng)，95s高分辨率相機(jī)焦面解鎖，105s使用紅外地球敏感器搜尋地球，利用噴氣使衛(wèi)星對(duì)地初定向，同時(shí)利用太陽電池翼上的模擬太陽敏感器敏感太陽信息，并驅(qū)動(dòng)太陽電池翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使太陽電池翼對(duì)準(zhǔn)和跟蹤太陽。2000s左右飛輪啟動(dòng)，飛行1圈左右，衛(wèi)星在飛輪作用下建立對(duì)地正常姿態(tài)控制。飛行第7、8圈展開兩副數(shù)傳天線，其后引入數(shù)字太陽敏感器、星敏感器，將衛(wèi)星時(shí)間設(shè)置為世界調(diào)整時(shí)間（UTC），打開有效載荷長(zhǎng)期工作負(fù)載等，衛(wèi)星具備了成像能力。

為了克服入軌初始偏差和長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的大氣阻力等對(duì)軌道的影響，保證衛(wèi)星運(yùn)行于任務(wù)軌道，高分-1衛(wèi)星還具有軌道調(diào)整能力。軌道調(diào)整包括星下點(diǎn)軌跡調(diào)整、降交點(diǎn)地方時(shí)保持、軌道傾角調(diào)整等，一般可通過軌道高度調(diào)整和傾角調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。星上安裝了一套軌控推力器，但不同狀態(tài)的變軌需要對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計(jì)的軌控工作模式包括：升軌模式，可直接啟動(dòng)安裝在星體飛行方向反向的軌控發(fā)動(dòng)機(jī)，通過加速達(dá)到調(diào)高軌道的目的。降軌模式，需要將衛(wèi)星偏航180°，然后啟動(dòng)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)，通過減速實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星降軌。傾角調(diào)整模式：衛(wèi)星沿偏航方向轉(zhuǎn)動(dòng)90°，然后啟動(dòng)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)，該種模式可在衛(wèi)星飛行方向法向施加一個(gè)速度增量，可用于改變軌道傾角。

高分-1衛(wèi)星有五類18種任務(wù)工作模式，五類模式包括：實(shí)時(shí)成像傳輸模式，可將成像圖像直接傳到地面站，由于所有相機(jī)成像數(shù)據(jù)壓縮后碼速率仍高于數(shù)傳通道能力，這種模式主要用于部分相機(jī)成像時(shí)的傳輸；實(shí)傳記錄模式，部分相機(jī)直接傳輸，剩余相機(jī)圖像存儲(chǔ)于固存中，等待回放時(shí)下傳；邊記邊回放模式，成像數(shù)據(jù)高于通道傳輸能力時(shí)，可快速寫入固存，同時(shí)慢速向地面站傳輸數(shù)據(jù)，一般傳輸時(shí)間要長(zhǎng)于成像時(shí)間；記錄模式，將成像數(shù)據(jù)直接記錄在固存，主要應(yīng)用于衛(wèi)星處于地面接收站接收區(qū)之外時(shí)的成像；回放模式，將固存數(shù)據(jù)傳輸至地面站。

整星具備側(cè)擺35°成像能力，每軌最長(zhǎng)成像時(shí)間12m in，成像面積高分相機(jī)可達(dá)3×105km2，寬幅相機(jī)可達(dá)4×106km2。衛(wèi)星還具備一軌四次成像能力，可用于多目標(biāo)區(qū)成像。

高分-1衛(wèi)星飛行程序

它有兩種測(cè)試模式，一種是數(shù)傳單載波試驗(yàn)，主要用于數(shù)傳信道測(cè)試。一種是偏航定標(biāo)模式，用于相機(jī)相對(duì)輻射定標(biāo)測(cè)試。其原理是將正常成像時(shí)與飛行垂直的推掃式線陣探測(cè)器偏航90°，這些線陣探測(cè)遙感的信息都是同一地物的信息，對(duì)不同探元輻亮度進(jìn)行歸一化修正，即可達(dá)到相對(duì)定標(biāo)目的。

該衛(wèi)星有多種應(yīng)急安全模式，包括姿態(tài)異常模式、能源安全模式、荷安全模式、星務(wù)主機(jī)安全模式等，用于星上不同故障狀態(tài)時(shí)，衛(wèi)星可自主控制到安全運(yùn)行狀態(tài)下。

衛(wèi)星側(cè)擺成像能力

偏航90°定標(biāo)圖像

3 衛(wèi)星主要特點(diǎn)

（1）空間分辨率高

我國(guó)資源一1的02C星具有2.6m分辨率，資源-3具有2.1m分辨率，由于高分-1衛(wèi)星具有2m的分辨率，無疑是國(guó)內(nèi)目前分辨率最高的民用衛(wèi)星。

（2）中分辨率遙感視場(chǎng)大

國(guó)際上高于20m分辨率的遙感衛(wèi)星觀測(cè)幅寬一般不到200km，如美國(guó)陸地衛(wèi)星-8，其分辨率15m，幅寬185km，高分-1多光譜分辨率16m，擁有800km幅寬，無疑是目前世界上同等分辨率下幅寬最大的衛(wèi)星。

（3）下行碼速率高

國(guó)外衛(wèi)星傳輸碼速率最高為世界觀測(cè)-1，達(dá)800M b it/s，但其質(zhì)量在2500k g左右。國(guó)內(nèi)衛(wèi)星最高碼速率的衛(wèi)星是資源-3，達(dá)900M bit/s，其質(zhì)量也在2000kg以上。在1000千克量級(jí)的衛(wèi)星上，高分-1衛(wèi)星數(shù)傳碼速率無疑是最高，達(dá)2.64Gbit/s。

（4）具備中繼測(cè)控能力

高分-1衛(wèi)星是我國(guó)民用遙感衛(wèi)星第一個(gè)具備中繼測(cè)控能力的小衛(wèi)星。

（5）具備偏航定標(biāo)能力

高分-1采用了偏航90°定標(biāo)模式，這不僅可降低地面輻射場(chǎng)要求，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)全視場(chǎng)、多相機(jī)同時(shí)定標(biāo)，大大提高了定標(biāo)效率。高分-1是國(guó)內(nèi)首顆可在軌實(shí)現(xiàn)該模式的衛(wèi)星。

（6）設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)

圍繞國(guó)內(nèi)低軌衛(wèi)星壽命5～8年最高要求開展了相關(guān)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了整星安全性控制策略，設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)初始軌道傾角偏置優(yōu)化，可保證在燃料不增加的情況下，兼顧長(zhǎng)壽命運(yùn)行。

（7）高分-1的有效載荷占重比大

有效載荷占整星質(zhì)量比達(dá)47.2%，為國(guó)內(nèi)同類衛(wèi)星規(guī)模最高之一。

高分-1的高分辨率相機(jī)在軌成像

高分-1的寬幅相機(jī)首軌成像—日本及周邊海域

4 在軌測(cè)試與應(yīng)用前景

高分-1衛(wèi)星入軌后，先進(jìn)行了1周的工程測(cè)試，2013年4月28日開始首次成像，其后交付資源衛(wèi)星應(yīng)用中心進(jìn)行業(yè)務(wù)測(cè)試。

在工程測(cè)試期間，對(duì)高分-1衛(wèi)星狀態(tài)進(jìn)行了設(shè)置，對(duì)相機(jī)成像參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，并開展了各類任務(wù)工作模式測(cè)試，開展了一次偏航定標(biāo)和多次側(cè)擺成像，特別開展了一軌四次的成像測(cè)試。

2013年9月29日，高分-1衛(wèi)星完成了在軌測(cè)試，并在國(guó)土資源、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)等方面開展了試應(yīng)用。在12月30日舉行的高分-1衛(wèi)星投入使用儀式上，專家們?cè)u(píng)價(jià)該衛(wèi)星成像質(zhì)量?jī)?yōu)良，這預(yù)示著高分-1將有很好的應(yīng)用前景。

2m/8m分辨率土地資源應(yīng)用圖像產(chǎn)品

16m分辨率水環(huán)境應(yīng)用

16m分辨率農(nóng)業(yè)應(yīng)用—草原植被產(chǎn)草量分布

5 結(jié)束語

高分-1衛(wèi)星兼顧高分辨率與大視場(chǎng)遙感，是我國(guó)目前在軌民用遙感分辨率最高的衛(wèi)星，也是國(guó)際上16m分辨率觀測(cè)視場(chǎng)最大的衛(wèi)星，經(jīng)過業(yè)務(wù)部門的試運(yùn)行，衛(wèi)星圖像質(zhì)量高，應(yīng)用前景廣泛。期望高分-1遙感數(shù)據(jù)能在我國(guó)高分辨率數(shù)據(jù)自給率方面作出應(yīng)有貢獻(xiàn)。