范 寧，祖家國，楊文濤，周 輝

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

0 引言

進入21世紀，隨著信息獲取領域需求的日益增加，國外光學成像衛(wèi)星發(fā)展非常迅速，其技術水平取得了大幅度提升，目前美國和歐洲都已經(jīng)擁有了分辨率優(yōu)于0.5 m的光學衛(wèi)星對地觀測能力。

WorldView系列衛(wèi)星是美國“NextView計劃”的重要組成部分[1]，該計劃是由美國國家地理空間情報局（NGA）發(fā)起的一項軍民兩用對地觀測計劃，除了為 Google、Microsoft等公司提供高品質商業(yè)圖像外，更重要的是為美國情報部門提供高分辨率軍用圖像信息。WorldView系列衛(wèi)星（包含WorldView-1和WorldView-2兩顆衛(wèi)星）的設計具有很鮮明的技術特點，在追求高精度成像性能的同時，大幅度提高了衛(wèi)星的快速姿態(tài)機動能力，其高敏捷性可使衛(wèi)星觀測范圍增大、重訪周期縮短，豐富了衛(wèi)星工作模式，提高了衛(wèi)星應用效能。

本文從分析WorldView系列衛(wèi)星的設計狀態(tài)與技術特點入手，展望了國外光學遙感衛(wèi)星的發(fā)展趨勢，提出了對我國新一代光學遙感衛(wèi)星的設計啟示。

1 WorldView衛(wèi)星技術指標和技術特點分析

1.1 技術指標

WorldView-1和 WorldView-2衛(wèi)星分別于2006年和2009年發(fā)射，均采用Ball Aerospace &Technologies公司開發(fā)的BCP-5000衛(wèi)星平臺[2]。衛(wèi)星的主要技術指標見表1。WorldView-1衛(wèi)星僅能全色成像，最高分辨率為0.45 m（軌道高度496 km），配備控制力矩陀螺以及星敏感器、高精度陀螺和GPS等姿態(tài)軌道控制設備，具有較強的側擺能力，可以單軌立體成像，衛(wèi)星重訪周期為 1.7 d。WorldView-2衛(wèi)星地面像元分辨率最高達 0.46 m（軌道高度770 km），除全色成像外增加了8個多光譜成像譜段，衛(wèi)星重訪周期較WorldView-1衛(wèi)星縮短。

表1 WorldView系列衛(wèi)星主要技術指標Table 1 The main technical properties of WorldView satellites

WorldView系列衛(wèi)星在軌飛行狀態(tài)如圖1所示。

圖1 WorldView系列衛(wèi)星在軌飛行狀態(tài)示意Fig. 1 The on-orbit flight state of WorldView satellites

1.2 技術特點分析

1）相機通光孔徑增大，衛(wèi)星分辨率水平大幅提高

表2給出了WorldView系列衛(wèi)星光學相機的主要技術指標[3]。從表中數(shù)據(jù)可以看到，相機通過采用大口徑、長焦距光學系統(tǒng)，大幅度地提高了分辨率；通過采用全色+多光譜成像器件，可以獲得更豐富、可靠的圖像信息。

表2 WorldView衛(wèi)星光學相機主要技術指標Table 2 The main technical properties of WorldView optical cameras

2）衛(wèi)星具備快速機動能力，可實現(xiàn)多種工作模式

WorldView衛(wèi)星設計體現(xiàn)了鮮明的快速姿態(tài)機動能力設計特點：衛(wèi)星控制執(zhí)行機構采用4個大力矩輸出的控制力矩陀螺（CMG），衛(wèi)星構形設計具有高剛度、小慣量特點，使衛(wèi)星具有快速姿態(tài)機動能力（參見表 1）。除了遙感衛(wèi)星常規(guī)的星下點成像模式，還可實現(xiàn)同軌多點目標成像、拼幅成像、同軌多角度立體成像等多種工作模式。

同軌多點目標成像模式見圖2：衛(wèi)星通過快速姿態(tài)機動調(diào)整相機指向，實現(xiàn)對一軌可視范圍內(nèi)散布的多個點目標的訪問成像。通過該模式，衛(wèi)星可以快速、高效地獲取多個關注區(qū)域的圖像。多次條帶的拼幅成像模式見圖3：衛(wèi)星通過快速姿態(tài)機動調(diào)整相機指向，實現(xiàn)對區(qū)域目標連續(xù)進行多次條帶的成像，以達到完全覆蓋的目的。通過該模式，衛(wèi)星可以對某一較大面積區(qū)域完成快速成像。同軌多角度的立體成像模式見圖4：衛(wèi)星通過快速姿態(tài)機動調(diào)整相機指向，實現(xiàn)對點目標或條帶目標連續(xù)進行多次不同角度的成像。通過該模式，衛(wèi)星可以獲取某一特定目標區(qū)域的多個不同角度的觀測圖像。

圖2 多點目標成像工作模式 Fig. 2 Work mode of imaging multi-areas

圖3 拼幅成像模式 Fig. 3 Work mode of piecing images together

圖4 同軌多角度立體成像模式Fig. 4 Work mode of piecing stereo images together

2 WorldView衛(wèi)星主要設計狀態(tài)分析

2.1 衛(wèi)星組成

WorldView-1衛(wèi)星采用BCP-5000平臺裝載1臺大口徑三反離軸相機，WorldView-2衛(wèi)星采用同樣的平臺裝載1臺大口徑三反同軸相機。

BCP-5000平臺自上而下分為設備艙模塊、推進模塊和CMG模塊3部分（參見圖5）。

圖5 WorldView衛(wèi)星系統(tǒng)組成Fig. 5 The system composition of WorldView satellites

平臺主要由結構機構分系統(tǒng)、供配電分系統(tǒng)（EPDS）、指令與數(shù)據(jù)處理（C&DH）分系統(tǒng)、無線電通信（COM）分系統(tǒng)、姿態(tài)測量與控制分系統(tǒng)（ADCS）、推進分系統(tǒng)（RCS）、熱控分系統(tǒng)（TCS）和數(shù)據(jù)存儲/發(fā)送分系統(tǒng)等 8部分組成。光學相機通過載荷適配結構安裝于設備艙上方。

2.2 構形布局設計特點

在 WorldView衛(wèi)星構形設計中充分體現(xiàn)了高剛度、小慣量的設計思想，這是實現(xiàn)衛(wèi)星快速姿態(tài)機動能力的技術途徑之一。衛(wèi)星主結構截面形狀為八邊形，采用4根框梁+板式結構形成整星連續(xù)簡捷的傳力路徑，保證整星的高剛度。另外WorldView-2衛(wèi)星根據(jù)其相機外形特點采用了獨立遮陽罩設計，遮陽罩通過4個安裝腳安裝在載荷適配結構上，集多種功能于一身：為相機消除雜散光，提供相機散熱面，并為對地數(shù)傳天線、高頻電纜和測控天線等提供安裝基礎。

WorldView衛(wèi)星設備布局設計特點如下：

1）采用獨立的推進模塊。推進模塊中的主要設備是大容積貯箱，根據(jù)估算，WorldView衛(wèi)星的燃料攜帶量約為400 kg。

2）采用獨立的CMG模塊。CMG模塊主要包含4個轉速約6000 r/min的CMG，大幅提高了衛(wèi)星姿態(tài)機動能力。CMG集中布局安裝在一個艙段內(nèi)部，此艙段在整星中的位置遠離相機焦平面陣列，降低了CMG振動對衛(wèi)星成像質量的影響。

3）衛(wèi)星其他電子設備布局采用星上設備外掛安裝在平臺結構板上的布局方式。通過合理利用星上空間，控制整星規(guī)模，可盡量減小整星轉動慣量，提高衛(wèi)星的姿態(tài)機動能力。

4）衛(wèi)星的2個太陽電池板采用對稱布局，每一側的太陽電池板為3塊板并聯(lián)式構形。這種構形可有效提高剛度，減小太陽電池板撓性對衛(wèi)星姿態(tài)機動能力的影響。

2.3 相機和平臺一體化設計

WorldView衛(wèi)星設計采用了平臺和載荷一體化設計方法，一方面可以有效控制整星規(guī)模、減小整星慣量，提高衛(wèi)星快速姿態(tài)機動能力；另一方面也可以提高衛(wèi)星的定位精度。

WorldView-1衛(wèi)星的星敏感器安裝在相機鏡筒上，使二者具有統(tǒng)一的基準（參見圖6）。衛(wèi)星的相機鏡筒是相機的主承力結構，具有很高的剛度和強度。WorldView-2衛(wèi)星的星敏感器支撐結構安裝在相機主鏡承力框上，使相機和星敏感器具有統(tǒng)一的安裝基準，減少了星敏感器和相機的連接環(huán)節(jié)，大大縮短了星上高精度測量部件與相機光軸之間的安裝距離（參見圖7）。同時，選用膨脹系數(shù)小的材料和采用高剛度的安裝基礎，可最大程度地減小在軌相機光軸和星敏感器光軸間的相對位置變化。

圖6 WorldView-1衛(wèi)星一體化設計Fig. 6 The integrative design of WorldView-1 satellite

圖7 WorldView-2衛(wèi)星一體化設計Fig. 7 The integrative design of WorldView-2 satellite

2.4 高精度、高集成化的先進電子技術

WorldView衛(wèi)星采用了基于綜合電子的先進數(shù)據(jù)系統(tǒng)技術，星上電子系統(tǒng)采用內(nèi)總線技術、構件化的軟件開發(fā)技術以及自主管理技術等，使衛(wèi)星具備任務管理、自主執(zhí)行以及自主故障處理的能力，提升了衛(wèi)星全生命周期的在軌自主運行能力，使得星上信息系統(tǒng)高度集成，提高了衛(wèi)星功能密度，支持了設備的輕小型化以及系統(tǒng)的快速構建和高效集成[4]。

經(jīng)統(tǒng)計分析，WorldView-2衛(wèi)星共有84臺（套）設備，其中33臺（套）設備外掛在衛(wèi)星主結構外表面。WorldView衛(wèi)星電子產(chǎn)品的高密度集成設計可以壓縮設備安裝對空間的要求，有利于控制整星規(guī)模、減小衛(wèi)星轉動慣量和提高衛(wèi)星快速姿態(tài)機動能力。

另外，WorldView系列衛(wèi)星采用了大量高性能的新型電子設備，例如大力矩輸出的CMG，大動態(tài)范圍、高測量精度的星敏感器，大量程高精度陀螺和高精度GPS接收機等（見圖8～圖10），為實現(xiàn)衛(wèi)星的快速姿態(tài)機動及穩(wěn)定成像能力、滿足高定位精度指標要求等提供了有力支撐。

圖8 大動態(tài)范圍、高精度星敏感器Fig. 8 The large dynamic range and high-accuracy star tracker

圖9 大量程高精度陀螺Fig. 9 The large range and high-accuracy gyroscope

圖10 1m精度GPS接收機Fig. 10 The GPS receiver of 1m accuracy

2.5 星上活動部件的微振動抑制技術

衛(wèi)星在軌工作期間，成像質量會受到星上微振動環(huán)境影響，主要是對圖像的幾何質量（以圖像畸變?yōu)橹鳎┖蛨D像傳遞函數(shù)產(chǎn)生影響。對于多級積分時間為毫秒量級的有效載荷，對衛(wèi)星成像質量產(chǎn)生影響的主要是星上高頻活動部件。

對于0.4 Hz以下的微振動，主要通過姿態(tài)控制系統(tǒng)來保證成像質量符合指標要求；對于0.4～15 Hz之間的微振動，通過圖像后處理以及窗函數(shù)來保證圖像質量符合指標要求；對于15 Hz以上的微振動，則主要通過隔振器來降低其對成像質量的影響。WorldView衛(wèi)星控制執(zhí)行機構采用轉速6000 r/min的CMG，為減少其高速轉動對衛(wèi)星成像質量的影響，采用了八桿式并聯(lián)隔振系統(tǒng)（見圖11）。

圖11 WorldView衛(wèi)星隔振系統(tǒng)Fig.11 The vibration isolation system of WorldView satellites

2.6 WorldView-2衛(wèi)星質量特性分析

WorldView-2衛(wèi)星的整星質量為2800 kg，燃料攜帶量約為400 kg（根據(jù)貯箱規(guī)模估算），相機質量約為680 kg。衛(wèi)星的主要尺寸為：星本體包絡尺寸φ2.5 m×5.7 m；展開狀態(tài)下太陽電池板的總面積約17 m2，單側尺寸2.4 m×3.5 m；相機包絡尺寸φ1250 mm×3200 mm。

根據(jù)上述狀態(tài)，對WorldView-2衛(wèi)星飛行狀態(tài)下的質量特性分析如表3所示。

表3 WorldView-2衛(wèi)星質量特性Table 3 The mass properties of WorldView-2 satellite

從表3的數(shù)據(jù)可見，整星飛行狀態(tài)最大轉動慣量約為5160 kg·m2，比常規(guī)承載700 kg相機的光學衛(wèi)星的慣量小很多，為實現(xiàn)整星的快速姿態(tài)機動能力提供了有力支撐。

3 國外先進光學遙感衛(wèi)星的發(fā)展趨勢分析

1）高精度成像能力不斷提高

遙感衛(wèi)星的成像能力是指對衛(wèi)星的圖像質量、分辨率水平、成像光譜范圍、目標定位精度和衛(wèi)星重訪周期等技術指標的綜合評價。

WorldView-1衛(wèi)星與WorldView-2衛(wèi)星的發(fā)射間隔3年。和WorldView-1衛(wèi)星相比，WorldView-2衛(wèi)星增加了多光譜成像能力，即8個多光譜成像譜段；衛(wèi)星分辨率大幅提高，可在500 km軌道實現(xiàn)約0.3 m分辨率水平；衛(wèi)星的定位精度和重訪周期指標都有所提高。可見，衛(wèi)星的功能更加完備、成像性能指標和衛(wèi)星快速姿態(tài)機動能力不斷提升是目前國外光學遙感衛(wèi)星發(fā)展的主要趨勢[5]。

2）通過平臺開發(fā)帶動衛(wèi)星性能提升

WorldView系列2顆衛(wèi)星均采用BCP-5000衛(wèi)星平臺。國外先進光學衛(wèi)星明確的發(fā)展思路是通過平臺開發(fā)帶動衛(wèi)星能力提升，主要包括衛(wèi)星平臺的機、電和控制等能力的提升，平臺開發(fā)有助于開展標準化和模塊化設計，在平臺和載荷之間形成比較清晰的物理和功能界面，支持廣泛的衛(wèi)星平臺產(chǎn)品，以適應多任務要求。

平臺構形和總體布局采用模塊化設計，將星上功能相對獨立的系統(tǒng)作模塊化集成設計，使模塊具有擴展性和多任務適應性，有利于平臺靈活快速地進行模塊化配置；同時平臺各模塊并行研制，快速進行衛(wèi)星總裝操作和測試，能夠縮短衛(wèi)星研制周期。

平臺采用高度集成化的綜合電子技術，可有效提高衛(wèi)星功能密度和部件的集成化程度，實現(xiàn)平臺產(chǎn)品的輕小型化和高效集成，從而減少星上產(chǎn)品數(shù)量、減小星上產(chǎn)品對安裝空間要求，有效控制整星規(guī)模，實現(xiàn)整星的小慣量設計。

3）對平臺和載荷開展一體化設計

WorldView系列2顆衛(wèi)星均采用了平臺和載荷的機電熱一體化設計，可以避免星上資源浪費，實現(xiàn)整星的最優(yōu)化設計，同時也可以有效控制整星規(guī)模、減小整星慣量，提高衛(wèi)星姿態(tài)機動能力。

通過相機與平臺一體化構形設計，可縮短測量部件與相機光軸之間的傳遞路徑，最大程度地保持高精度測量基準和相機光軸之間穩(wěn)定指向關系，抑制或消除由于空間環(huán)境、姿軌控等引起的平臺對相機的熱、力傳遞及影響，保證衛(wèi)星的高精度成像。

4）注重提高微振動抑制能力

為保證高分辨率光學衛(wèi)星的高精度成像能力，需要隔離或抑制星上微振動環(huán)境對衛(wèi)星成像性能的影響。國外在高分辨率光學衛(wèi)星研制中，在振動源安裝環(huán)節(jié)或者相機安裝界面加入減隔振系統(tǒng)，可以對光學衛(wèi)星獲得高精度圖像提供技術支持。

4 對我國新一代光學遙感衛(wèi)星設計的啟示

通過對國外高分辨率光學遙感衛(wèi)星設計狀態(tài)的分析研究，結合我國的衛(wèi)星技術發(fā)展水平，對我國新一代光學遙感衛(wèi)星的設計啟示如下：

1）統(tǒng)籌規(guī)劃，研制開發(fā)大承載（1 m 口徑、1000 kg質量量級的光學相機載荷）能力的敏捷衛(wèi)星平臺。此承載能力的衛(wèi)星平臺具有廣泛的任務適應性，既可滿足大部分光學遙感載荷的承載及安裝要求，又具備較強的快速姿態(tài)機動能力，可支持實現(xiàn)各種高效、復雜的敏捷成像模式，提高衛(wèi)星使用效能。

2）突破高精度、高穩(wěn)定姿態(tài)控制技術，有效保證高分辨率光學遙感衛(wèi)星的高精度成像性能要求，并通過準確的姿態(tài)控制實現(xiàn)高分辨率敏捷衛(wèi)星的多種成像模式。

3）提高衛(wèi)星使用壽命。國外遙感衛(wèi)星壽命一般為5～8 年，目前國內(nèi)只能達到3～5 年。航天器的壽命受到多方面的影響和制約；需要從衛(wèi)星總體、分系統(tǒng)到單機各個層面統(tǒng)籌考慮，提高衛(wèi)星在軌壽命。

4）大力開發(fā)基于綜合電子體制的星上數(shù)據(jù)系統(tǒng)，實現(xiàn)星上設備的高集成、輕小型化研制，以滿足遙感衛(wèi)星對于高效靈活任務規(guī)劃、自主管理的要求。

5）圍繞大型遙感器開展平臺和載荷的一體化設計成為必然。使星上高精度姿態(tài)測量部件和相機具有統(tǒng)一的安裝基準，減小在軌熱變形對兩者指向相對變化的影響，保證高分辨率相機的高定位精度。

6）大力發(fā)展微振動抑制技術，以解決星上微振動對衛(wèi)星成像質量的影響，目前國外高分辨率衛(wèi)星均采用隔振器進行微振動抑制，國內(nèi)目前尚處于起步階段，還沒在軌應用。

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[1]曲宏松, 金光, 張葉. “NextView計劃”與光學遙感衛(wèi)星的發(fā)展趨勢[J]. 中國光學與應用光學, 2009, 2(6):467-476

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