孟令杰郭丁,2唐夢輝王琦,2

（1國家國防科技工業(yè)局重大專項工程中心，北京 100048）

（2中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

地球靜止軌道高分辨率成像衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

孟令杰1郭丁1,2唐夢輝1王琦1,2

（1國家國防科技工業(yè)局重大專項工程中心，北京 100048）

（2中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

文章首先簡要介紹了“高分四號”衛(wèi)星的主要性能指標(biāo)和在軌運行情況，然后梳理了美國、歐洲等國家地球靜止軌道高分辨率成像技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。文章重點從衛(wèi)星的軌道特性、多任務(wù)適應(yīng)的工作模式、靈活的任務(wù)編排、實時動態(tài)監(jiān)測、在軌長壽命幾個方面總結(jié)提煉出“高分四號”衛(wèi)星創(chuàng)新點；從譜段特性、成像體制、多功能一體化設(shè)計、高精度熱控設(shè)計、高穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計等多個方面分析了成像載荷的特點。最后，分析了地球靜止軌道高分辨率成像衛(wèi)星的發(fā)展趨勢，展望了未來空間基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃中計劃實施項目的應(yīng)用特點和應(yīng)用領(lǐng)域。

地球靜止軌道 對地觀測 “高分四號”衛(wèi)星 展望

0 引言

“高分四號”（GF-4）衛(wèi)星是當(dāng)今世界上地球靜止軌道分辨率最高的對地觀測衛(wèi)星，于 2015年 12 月29日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空。經(jīng)過6個月在軌運行，圓滿完成衛(wèi)星平臺系統(tǒng)測試、衛(wèi)星載荷系統(tǒng)功能測試、星地一體化和地面系統(tǒng)測試、業(yè)務(wù)應(yīng)用測試等工作，衛(wèi)星狀態(tài)良好，達到研制設(shè)計要求，于2016年6月13日正式投入使用。

GF-4衛(wèi)星具有凝視、區(qū)域、機動巡查三種工作模式，可見光紅外通道分辨率優(yōu)于50m，單景成像幅寬優(yōu)于500km×500km；中波紅外通道分辨率優(yōu)于400m，單景成像幅寬優(yōu)于400km×400km。衛(wèi)星數(shù)據(jù)可滿足災(zāi)害監(jiān)測與評估、氣象天氣監(jiān)測、林業(yè)調(diào)查與監(jiān)測、地震監(jiān)測與應(yīng)急等領(lǐng)域?qū)Ω邥r間分辨率遙感數(shù)據(jù)的需求，為民政部、中國氣象局、國家林業(yè)局、中國地震局等行業(yè)部門和其他用戶單位開展業(yè)務(wù)工作提供有力支撐。

GF-4衛(wèi)星作為高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項工程的重要組成部分，有多項技術(shù)創(chuàng)新與突破，已成為我國時間分辨率最高、設(shè)計使用壽命最長的遙感衛(wèi)星，更是目前世界上空間分辨率最高的地球靜止軌道遙感衛(wèi)星。

1 國外地球靜止軌道高分辨率成像衛(wèi)星發(fā)展情況

靜止軌道（Geostationary Orbit, GEO）高分辨率成像衛(wèi)星監(jiān)視范圍廣、時間分辨率高，具備極高的響應(yīng)能力。在日間無云的理想情況下，可對拍攝區(qū)域內(nèi)目標(biāo)進行持續(xù)觀測，甚至視頻觀測，還具備動態(tài)目標(biāo)探測能力和動態(tài)目標(biāo)指示的潛力，衛(wèi)星響應(yīng)能力某種程度上甚至超過低軌快響衛(wèi)星。

目前，美國和歐洲等主要航天機構(gòu)在靜止軌道對地觀測領(lǐng)域均開展了相關(guān)研究[1-4]。

1.1 美國

自 21世紀(jì)初期，美軍開始積極謀劃升級成像偵察衛(wèi)星裝備，美國國家偵察局（NRO）通過開展分塊反射鏡空間望遠鏡（SMT）技術(shù)研究，為未來成像體系光學(xué)衛(wèi)星（FIA-O）替代KH-12光學(xué)成像衛(wèi)星開展關(guān)鍵技術(shù)研究。目前，美國已完成該技術(shù)空間應(yīng)用實驗室演示驗證，2020年前可具備立項條件和初始在軌應(yīng)用能力，預(yù)計2030年具備成熟應(yīng)用能力，實現(xiàn)GEO成像監(jiān)視。

與此同時，美國還通過空間科學(xué)計劃發(fā)展相應(yīng)的高軌成像偵查能力。預(yù)計將于 2018年發(fā)射的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST）就得到軍方的大力支持，被用于開展高軌高分辨率成像技術(shù)研究[5-9]。

美國國防部先進研究項目局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）于2010年啟動了旨在突破大口徑薄膜衍射光學(xué)成像技術(shù)的“莫爾紋”（MOIRE）項目。其目標(biāo)是突破衍射薄膜、大型可展開支撐結(jié)構(gòu)、星上處理和壓縮等關(guān)鍵技術(shù)，為未來開發(fā)靜止軌道高分辨率衍射成像衛(wèi)星提供技術(shù)準(zhǔn)備。第一階段目標(biāo)是開發(fā)滿足空間飛行要求的薄膜材料，研制一個m級口徑的衍射薄膜主鏡，并開展光學(xué)薄膜成像系統(tǒng)的方案設(shè)計。第二階段計劃研制5m口徑光學(xué)薄膜成像系統(tǒng)的地面原理樣機。

DARPA計劃在“莫爾紋”項目取得成功后，研制一顆10m口徑的靜止軌道衍射成像技術(shù)演示驗證衛(wèi)星，對大系統(tǒng)進行全面的演示驗證。業(yè)務(wù)型實用系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)口徑將達到20m，在發(fā)射時處于折疊狀態(tài)，入軌后展開。系統(tǒng)能夠在GEO實現(xiàn)1m的高分辨率，視場為10km×10km，成像幀頻可高達1幅/s，實現(xiàn)對敵方軍事目標(biāo)的連續(xù)監(jiān)視[10]。

1.2 歐洲

歐洲的靜止軌道高分衛(wèi)星以2009年發(fā)射的赫歇爾空間天文望遠鏡（Herschel）為基礎(chǔ)，技術(shù)難度較低，便于工程實現(xiàn)。

阿斯特里姆（Astrium）公司開展了名為 GEO-Oculus的地球靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星研制[11-12]，該項目旨在預(yù)研如何在GEO實現(xiàn)對全球環(huán)境與安全進行高空間分辨率和高時間分辨率的監(jiān)視。GEO-Oculus相機主鏡口徑 1.5m，由碳化硅制造，其工作譜段覆蓋紫外、可見、近紅外、短波紅外和遠紅外區(qū)域，最高空間分辨率可以達到10.5m，預(yù)計在2018年發(fā)射[13]。

GO-3S衛(wèi)星是GEO-Oculus的后續(xù)型號，2013年4月完成需求論證，目前已完成方案設(shè)計，其單體主反射鏡口徑為4m，整個光學(xué)系統(tǒng)的體積已經(jīng)達到現(xiàn)有運載器的極限，星下點空間分辨率達到3m，幅寬100km，預(yù)計2020年發(fā)射。

“GEO軌道 1m分辨率”是泰雷茲-阿萊尼亞宇航公司開展的研究項目，其主要目標(biāo)是分析和確定GEO衛(wèi)星在提升空間分辨率方面所存在的技術(shù)短板。總體考慮體積、質(zhì)量等方面的限制，該項目計劃放棄傳統(tǒng)的單體反射鏡成像系統(tǒng)，轉(zhuǎn)而采用可展開的稀疏孔徑成像系統(tǒng)。

2 GF-4衛(wèi)星特點

GF-4衛(wèi)星采用新研制的高軌遙感衛(wèi)星平臺，衛(wèi)星總質(zhì)量5 040kg，設(shè)計壽命8年，定點在東經(jīng)105.6°地球同步靜止軌道上。衛(wèi)星裝載1臺可見光和中波紅外共口徑的光學(xué)相機。作為國際首顆高軌高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星，具有以下特點[14-15]：

（1）高軌高分辨率觀測

衛(wèi)星星下點像元分辨率為可見光譜段50m/中波紅外譜段400m，幅寬大于400km×400km，為當(dāng)前地球靜止軌道遙感衛(wèi)星最高水平，國外目前尚無此類同等水平衛(wèi)星。

（2）高時間分辨率觀測

衛(wèi)星利用相對地面靜止的優(yōu)勢，采用駐留固定區(qū)域上空凝視、快速指向調(diào)整能力、靈活任務(wù)編排等優(yōu)勢，獲取目標(biāo)區(qū)域的動態(tài)變化過程數(shù)據(jù)，為各類應(yīng)急任務(wù)提供及時的圖像數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)同時對多個熱點地區(qū)進行高頻次觀測，是目前世界上時間分辨率最高的遙感衛(wèi)星。

（3）遙感衛(wèi)星工作模式新

由于衛(wèi)星相對地面靜止，采用大面陣CMOS器件相機，不同于低軌遙感衛(wèi)星有限的成像時間，GF-4衛(wèi)星的工作任務(wù)將不受測控弧段及數(shù)傳弧段的影響，實現(xiàn)近實時的應(yīng)急任務(wù)響應(yīng)，大幅提高衛(wèi)星的使用效能。

（4）開辟高軌高分辨率遙感技術(shù)新領(lǐng)域

在衛(wèi)星研制過程中，突破了高軌光學(xué)遙感衛(wèi)星總體設(shè)計技術(shù)、高軌衛(wèi)星姿態(tài)快速機動與高穩(wěn)定控制技術(shù)、高穩(wěn)定一體化結(jié)構(gòu)技術(shù)研究，突破了復(fù)雜成像條件下高軌遙感衛(wèi)星成像品質(zhì)保障技術(shù)、中波紅外面陣成像技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，牽引高軌高分辨率遙感技術(shù)快速發(fā)展。

（5）在軌設(shè)計壽命8年

充分發(fā)揮重大專項的科技創(chuàng)新引領(lǐng)作用，組織衛(wèi)星總體及各相關(guān)系統(tǒng)，對能源、控制、元器件和原材料等影響衛(wèi)星壽命的關(guān)鍵因素進行系統(tǒng)改進，確保第一顆遙感類8年長壽命衛(wèi)星高可靠在軌運行。

3 GF-4衛(wèi)星載荷特點

GF-4衛(wèi)星所搭載的相機是國際首臺地球靜止軌道高分辨率遙感相機，也是我國高分辨率對地觀測重大專項中唯一一臺地球靜止軌道面陣凝視相機。作為我國首臺高軌高分辨率相機，具有以下特點：

（1）具備全天時觀測能力的高分辨率可見光、紅外雙通道成像系統(tǒng)

GF-4衛(wèi)星相機是一臺同時具備可見光和中波紅外成像能力的雙通道高清相機。白天時段，可見光通道和中波紅外通道均可觀測，夜間可使用中波紅外通道進行觀測，實現(xiàn)了全天時對地觀測。在GF-4衛(wèi)星之前，地球靜止軌道光學(xué)相機可見光分辨率最高為500m，GF-4衛(wèi)星相機的這一指標(biāo)躍升了10倍。

（2）采用面陣凝視成像體制，最大程度發(fā)揮地球靜止軌道對地遙感優(yōu)勢

GF-4衛(wèi)星相機是國內(nèi)首臺采用面陣凝視體制的靜止軌道對地觀測相機，可見光通道和中波紅外通道均采用全局曝光模式的大面陣圖像傳感器，一幅圖像中的全部像素同時曝光，使圖像具有極高的相對幾何精度。

GF-4衛(wèi)星定點于東經(jīng) 105.6°赤道上空的地球靜止軌道，相機單景觀測幅寬為 400km×400km，可見光通道重復(fù)觀測周期為5s，中波紅外通道重復(fù)觀測周期為1s，是目前國內(nèi)時間分辨率最高的對地觀測相機，可實現(xiàn)對目標(biāo)的長期連續(xù)監(jiān)視和跟蹤觀測。同時具備快速響應(yīng)能力，可以在數(shù)分鐘內(nèi)對用戶下達的任務(wù)做出響應(yīng)，最大程度地發(fā)揮地球靜止軌道的對地遙感優(yōu)勢。

（3）高效靈活的載荷工作模式適應(yīng)多用戶多任務(wù)需求

根據(jù)面陣凝視相機體制特點，結(jié)合雙通道、多任務(wù)、可見光近紅外通道分時多光譜成像的總體技術(shù)路線，充分考慮用戶的應(yīng)用體驗和高軌空間環(huán)境及長壽命高可靠要求，采用智能化、集約化技術(shù)路線實現(xiàn)了集供配電、遙控遙測、工作模式控制、視頻信號處理、機構(gòu)控制、溫度控制等功能于一體的電子學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可支持多任務(wù)工作模式，可見光近紅外通道和中波紅外通道能夠獨立控制，具有參數(shù)快速設(shè)置、模式可編程、可重組的技術(shù)特點，能夠通過單次成像任務(wù)實現(xiàn)多用戶對圖像數(shù)據(jù)的不同要求，極大提高了系統(tǒng)應(yīng)用效率，極大提升了多用戶多任務(wù)條件限制下的需求滿足度。

（4）高軌高精度熱控設(shè)計與驗證技術(shù)

地球靜止軌道空間熱環(huán)境極為惡劣，冷熱交變頻繁且持續(xù)時間長，“日凌”時刻太陽光直接照射相機內(nèi)部，熱擾動極大，而高分辨率對相機溫度穩(wěn)定性和均勻性要求極高，熱控設(shè)計難度大。結(jié)合空間熱流特點，項目承擔(dān)單位創(chuàng)新性采用了結(jié)構(gòu)/熱控一體化設(shè)計技術(shù)、間接輻射熱控技術(shù)、調(diào)姿規(guī)避技術(shù)、南北散熱面耦合技術(shù)等多項有別于低軌遙感器的熱控技術(shù)，成功抑制了高軌空間環(huán)境惡劣的熱擾動。同時提出了一種新型吸收式熱流模擬方法，將大口徑光學(xué)遙感器高精度空間熱流模擬變成現(xiàn)實，為開展地面熱試驗驗證奠定基礎(chǔ)。熱控子系統(tǒng)實現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)在軌高精度溫度控制要求，確保了遙感器成像品質(zhì)，填補了國內(nèi)高軌大口徑光學(xué)遙感器精密熱控的技術(shù)空白。

（5）高軌高剛度高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計技術(shù)

相機主體結(jié)構(gòu)采用分體構(gòu)型，將主光學(xué)系統(tǒng)（主次鏡系統(tǒng)）與可見光通道集成，采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，設(shè)計空心盒式鑄造鈦合金主承力結(jié)構(gòu)，在同等質(zhì)量前提下，得到最優(yōu)剛度結(jié)構(gòu)構(gòu)型。

同時綜合考慮整星接口形式與傳力路徑，采用相機結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)一體化構(gòu)型設(shè)計方案，利用柔性隔振單元連接相機主體與整星支撐結(jié)構(gòu)，用碳纖維適配器將遮光罩與整星支撐結(jié)構(gòu)相連，使遮光罩與相機主體結(jié)構(gòu)隔離，大幅降低相機主結(jié)構(gòu)和遮光罩結(jié)構(gòu)設(shè)計及安裝難度，確保相機結(jié)構(gòu)在軌高穩(wěn)定性。

（6）大口徑相機隔振柔性支撐技術(shù)

根據(jù)高軌高分辨率相機整體剛度要求及減振、隔振要求，采用一種新型輕質(zhì)柔性結(jié)構(gòu)支撐相機主體，該柔性結(jié)構(gòu)采用鈦合金、阻尼膠及光學(xué)膠材料，可支撐重達500kg的大口徑空間載荷，裝配簡單，安裝方便，并且能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)支撐剛度，以滿足實際剛度需要。

發(fā)射段，在滿足相機主體基頻要求的同時，發(fā)揮良好的減振、隔振性能，有效衰減相機整體的振動響應(yīng)幅值，隔離高頻振動；入軌后，有效吸收、隔離衛(wèi)星平臺微振動及熱變形，減小衛(wèi)星平臺對相機主體的耦合影響，保證了相機的成像品質(zhì)。

4 地球靜止軌道高分辨率成像衛(wèi)星發(fā)展趨勢

以JWST望遠鏡為代表的空間分塊可展開成像技術(shù)將在2018年實現(xiàn)在軌應(yīng)用，在2020~2040年，該技術(shù)將逐漸發(fā)展成熟，光學(xué)系統(tǒng)口徑將越來越大，預(yù)計在2030年將達到16m水平。可以預(yù)見，在2030年前后，美國采用空間分塊可展開成像技術(shù)的監(jiān)視衛(wèi)星將具備業(yè)務(wù)化應(yīng)用能力，靜止軌道對地觀測分辨率將優(yōu)于1m。

而以“莫爾紋”（MOIRE）項目為代表的天基衍射成像系統(tǒng)的部署應(yīng)晚于空間分塊可展開成像系統(tǒng)。這是因為，雖然薄膜衍射成像系統(tǒng)可以實現(xiàn)超大口徑，但其視場小和難以多光譜成像是限制其軍事應(yīng)用的兩大核心問題。在技術(shù)方面，超大口徑固然可以實現(xiàn)高分辨率，但分辨率已經(jīng)不是衡量系統(tǒng)能力的唯一指標(biāo)。同時，美國已經(jīng)將 JWST望遠鏡作為工程化研制項目，相關(guān)部件已經(jīng)相繼交付，從經(jīng)濟性角度來看，是否立項業(yè)務(wù)型薄膜衍射成像衛(wèi)星仍是美國軍方與工業(yè)界正在深入論證的一個問題。

與此同時，在可預(yù)見的20年內(nèi)，歐洲將重點發(fā)展技術(shù)成熟度最高的大口徑單體反射鏡成像技術(shù)，甚至先于美國發(fā)射靜止軌道高分辨率成像衛(wèi)星。但是，盡管歐洲可能占有先發(fā)優(yōu)勢，但技術(shù)上遜于美國，后勁稍顯不足。

綜合上述分析，反射成像技術(shù)仍然是國外近期發(fā)展重點，其中，大口徑單體反射鏡成像技術(shù)和空間分塊可展開成像技術(shù)將先于其他技術(shù)得到在軌應(yīng)用。

5 結(jié)束語

我國所處的地理位置和區(qū)域決定了研制發(fā)射 GF-4衛(wèi)星在大范圍、高動態(tài)的監(jiān)測國內(nèi)突發(fā)性大型災(zāi)害、小尺度氣象天氣監(jiān)測、林業(yè)調(diào)查與監(jiān)測、地震監(jiān)測與應(yīng)急等領(lǐng)域是大有裨益的。GF-4衛(wèi)星首次探索了靜止軌道高分辨率光學(xué)凝視成像模式，積累了大量的高軌對地遙感技術(shù)和應(yīng)用經(jīng)驗，后續(xù)必將為我國發(fā)展此類更高分辨率的衛(wèi)星設(shè)計、制造、在軌應(yīng)用技術(shù)奠定堅實基礎(chǔ)。我國在《空間基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃》中擬實施建設(shè)多顆高軌近實時監(jiān)測衛(wèi)星，應(yīng)用領(lǐng)域從陸地、大氣、海洋兼顧聯(lián)合觀測，探測譜段涵蓋光學(xué)/微波等多個頻段，這些項目的實施必將為我國國民經(jīng)濟發(fā)展和國家安全貢獻自己的力量。

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MENG Lingjie1GUO Ding1,2TANG Menghui1WANG Qi1,2

（1 Major and Special Engineering Center, State Administration of Science, Technology and Industry for National Defense, Beijing 100048, China)
（2 China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China）

Firstly, the main performance and operation in orbit of GF-4 satellite are briefly described. Secondly, the development of the geostationary orbit and high resolution imaging technology programs of the United States and Europe are investigated. Thirdly, the GF-4 satellite innovations are summarized in regard to the satellite orbital characteristics, multitasking operating mode, flexible task scheduling, real-time dynamic monitoring, and long life in-orbit. And the characteristics of the imaging payload is analyzed in terms of spectral characteristics, imaging system, integrated multi-function design, high precision thermal control design, and integrated high stability structure design. Finally, the development trend of high resolution imaging satellite in geostationary orbit is given, and the application features and application fields of the implementation projects planned in the future space infrastructure planning are introduced.

geostationary orbit; earth observation; GF-4 satellite; prospect

TP7

: A

: 1009-8518(2016)04-0001-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.001

孟令杰，男，1976年生，2006年獲北京航空航天大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位，高級工程師。研究方向為衛(wèi)星工程總體、遙感衛(wèi)星總體設(shè)計、高分專項型號及地面系統(tǒng)建設(shè)管理、相關(guān)規(guī)劃及戰(zhàn)略研究。E-mail: ljmeng@126.com。

（編輯：毛建杰）

2016-06-05

國家重大科技專項工程