張新偉 賀濤 趙晨光 莫凡 國愛燕 羅文波 楊居奎

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)(2 北京空間機電研究所，北京 100094)

衛(wèi)星攝影測量由于不受地形和國界的限制，可快速開展對地多角度觀測，實現(xiàn)全球絕大部分區(qū)域的影像覆蓋，再通過對數(shù)據(jù)的建模與處理，可得到地面上任意一點的三維坐標，因此航天攝影測量已經(jīng)成為地理空間信息的主要來源。

高分七號衛(wèi)星是我國自主研發(fā)的首顆亞米級光學立體測繪衛(wèi)星，設(shè)計壽命8年，衛(wèi)星于2019年11月3日由長征四號乙運載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。其主要任務(wù)是獲取地面高分辨率立體影像和激光測距數(shù)據(jù)，經(jīng)地面處理后生成我國國土1∶1萬比例尺數(shù)字地形圖，并兼顧“一帶一路”沿線國家和地區(qū)。衛(wèi)星裝載國內(nèi)首套長焦距無畸變雙線陣測繪相機，觀測傾角前視相機+26°、后視相機-5°，地面像元分辨率前視相機優(yōu)于0.8 m、后視相機優(yōu)于0.65 m。同時，裝載首臺星載全波形測量體制的激光測高儀，利用高精度測時和高速采樣技術(shù)實現(xiàn)優(yōu)于0.3 m測距精度。作為光學測繪衛(wèi)星平臺核心技術(shù)，姿態(tài)穩(wěn)定度突破1×10-4(°)/s，達到6×10-5(°)/s，并采用國產(chǎn)星圖融合星敏感器組件，實現(xiàn)星敏感器在軌測量精度達到亞角秒量級。

高分七號衛(wèi)星是我國繼天繪一號和資源三號等衛(wèi)星之后，發(fā)展的第四代光學立體測繪衛(wèi)星，前兩代是返回型膠片式，后兩代是傳輸型數(shù)字式。2019年11月5日，衛(wèi)星正式下傳有效載荷數(shù)據(jù)，可滿足我國基礎(chǔ)測繪、地理國情監(jiān)測、全球地理信息保障、城鄉(xiāng)建設(shè)、統(tǒng)計調(diào)查等應(yīng)用需求。衛(wèi)星數(shù)據(jù)的成功應(yīng)用，也標志著我國航天攝影測量技術(shù)實現(xiàn)了從1∶5萬比例尺到1∶1萬比例尺的技術(shù)跨越。按照星座設(shè)計理念，將高分七號、資源三號01、02、03衛(wèi)星等衛(wèi)星組網(wǎng)運行，可實現(xiàn)全球大部分地區(qū)，每天1次立體圖像獲取和激光測高數(shù)據(jù)獲取能力。根據(jù)國家空間基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃，未來這個陸地光學測繪衛(wèi)星星座，將發(fā)展到6～8顆在軌運行，具備高分辨率遙感、1∶5萬～1∶1萬測繪、激光高程測量、植被光譜、大氣氣溶膠探測等多種主被動探測手段，實現(xiàn)自然資源、林業(yè)碳匯、生態(tài)環(huán)境的綜合觀測。

本文從高分七號衛(wèi)星設(shè)計和性能評價出發(fā)，提出了激光測高輔助立體測繪的論證和精度評價方法，建立了激光高程控制點仿真和處理全鏈路系統(tǒng)?；谏鲜瞿Ｐ?，根據(jù)在軌測量數(shù)據(jù)，對高分七號衛(wèi)星性能進行了初步評價。通過對高分七號衛(wèi)星方案、測繪體制論證及性能評估，本文形成了高分辨率立體測繪衛(wèi)星的設(shè)計論證及性能評價方法，對于后續(xù)立體測繪衛(wèi)星的設(shè)計有參考意義。

1 衛(wèi)星總體方案

衛(wèi)星構(gòu)形繼承資源三號衛(wèi)星平臺狀態(tài)，衛(wèi)星由服務(wù)艙、載荷艙和太陽翼三部分組成，如圖1所示?？紤]測繪衛(wèi)星對穩(wěn)定性的要求，對載荷艙頂部進行了技術(shù)改造，設(shè)計了一體化支撐結(jié)構(gòu)，裝載雙線陣相機、激光測高儀、陀螺儀和星敏感器頭部，實現(xiàn)了多個光學儀器的共基準安裝。利用材料低膨脹特性，整星大量采用碳纖維、碳-碳化硅和碳纖維蒙皮材料，保證了多臺儀器內(nèi)部關(guān)系和光軸夾角關(guān)系的穩(wěn)定性。飛行狀態(tài)下衛(wèi)星尺寸為：5377 mm(X向)×11 018 mm(Y向)×3136 mm(Z向)。

圖1 高分七號衛(wèi)星示意圖Fig.1 Sketch map of GF-7 satellite

衛(wèi)星可以實現(xiàn)3種典型工作模式，主要包括同軌多目標成像模式、立體成像+激光觀測模式、激光雷達單獨晝夜觀測模式等，如圖2所示。衛(wèi)星設(shè)計上需采用高性能、模塊化、集成化的衛(wèi)星設(shè)備，進一步減小設(shè)備質(zhì)量和結(jié)構(gòu)質(zhì)量。此外通過每翼配置2塊基板，尺寸為2581 mm×1755 mm，減小太陽翼的展開尺寸，降低整星滾動軸的轉(zhuǎn)動慣量。在15 N·m·s小型控制力矩陀螺參與控制條件下，可以實現(xiàn)滾動軸方向0.5(°)/s姿態(tài)角速度，可以實現(xiàn)過境范圍內(nèi)，達到3～4個目標觀測。

衛(wèi)星有效載荷工作模式示意圖如圖2和圖3所示。

圖2 立體測繪+激光足印模式示意圖Fig.2 Scheme diagram of stereo mapping and laser footprint

圖3 高分七號衛(wèi)星典型觀測模式示意圖Fig.3 Typical work moding of GF-7 satellite

衛(wèi)星主要配置和技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 衛(wèi)星主要配置和技術(shù)參數(shù)表Table 1 Main configuration and technical parametersof GF-7 satellite

2 航天攝影測量技術(shù)體制選擇

高分七號衛(wèi)星采用了雙線陣立體測繪+雙波束激光測高的立體測繪新體制?？紤]到載荷規(guī)模和平臺承載限制，衛(wèi)星設(shè)計選擇與法國地球資源衛(wèi)星斯波特-5(SPOT-5)和印度制圖衛(wèi)星-1(Cartosat-1)相類似的雙線陣立體測繪方式，而沒有采用資源三號衛(wèi)星的三線陣立體相機方式。衛(wèi)星可實現(xiàn)對地面景物的前后兩視立體觀測，其中前視觀測角度為26°，后視觀測角度為-5°，立體成像幅寬大于20 km。為了彌補雙線陣方式相對三線陣方式在高程精度方面的損失，增加了一臺雙波束激光測高儀，可以在0.7°和-0.7°兩個角度上，實現(xiàn)對地面點的3 Hz/6 Hz激光全波形測量，通過處理后可以獲得高精度控制點，用于攝影測量平差以提高高程精度。

2.1 光學立體測繪體制選擇

航天測繪是通過衛(wèi)星不同角度的攝影來獲取全球地理信息，通過地面精確處理，測得地面不同比例尺數(shù)字高程圖和正射影像圖等測繪產(chǎn)品。目前傳輸型攝影測量體制主要有單線陣、雙線陣和三線陣3種。

(1)單線陣測繪體制。通過調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)轉(zhuǎn)動改變相機的光軸指向，以獲得同一地物，不同觀測方向重疊影像，可構(gòu)成立體影像，可采用同軌方式也可采用異軌方式。此種方式衛(wèi)星平臺承載規(guī)模相對較小，敏捷靈活，單星成本相對較低，是商業(yè)遙感衛(wèi)星廣泛采用的一種模式。以美國艾科諾斯-2(IKONOS-2)、地球觀測(WorldView)系列和法國昂宿星(Pleaides)商業(yè)衛(wèi)星為代表，其圖像在世界范圍內(nèi)廣泛銷售，兼容高分辨率點目標成像和立體成像2種方式。但此方式也存在不足：①由于衛(wèi)星要分時獲取同一地區(qū)兩個以上觀測角度的影像，數(shù)據(jù)獲取區(qū)域較小，單線陣測繪和多線陣測繪單軌成圖效率之比在1∶6左右[1]，在衛(wèi)星數(shù)量有限條件下不適合于大區(qū)域測圖。②采用控制力矩陀螺等高轉(zhuǎn)速執(zhí)行部件，實現(xiàn)姿態(tài)敏捷控制，實現(xiàn)高速機動后，仍然需要較長姿態(tài)穩(wěn)定時間，以滿足高精度姿態(tài)確定精度要求[2]。③控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子引起的高頻振動，會導致衛(wèi)星影像上產(chǎn)生扭曲，扭曲頻率和振幅均與控制力矩陀螺的振動相關(guān)，數(shù)據(jù)處理時無法自動化處理，影響測圖精度。盡管部分衛(wèi)星采用了減隔振的手段進行了振動影響的抑制，但要想降低到亞像元以下，存在一定的差距。

(2)三線陣測繪體制。在衛(wèi)星上安裝3臺互成一定夾角的線陣相機，在1個軌道周期內(nèi)從3個不同觀測方向獲得同一地物的重疊影像，以構(gòu)成立體影像。王任享在1981年開始提出三線陣CCD像點坐標構(gòu)成“等效框幅式像片”進行光束法空中三角的思想并引入中國。經(jīng)過近20年的努力，中國第一代傳輸型光學測繪衛(wèi)星天繪一號和資源三號衛(wèi)星成功發(fā)射。盡管兩顆衛(wèi)星設(shè)計上存在很多異同點，但應(yīng)用三線陣CCD測繪體制[3]的核心是相同的。三線陣體制的主要優(yōu)勢在于[4]：①空間攝影測量航線高度遠大于地面起伏的高差，姿態(tài)穩(wěn)定且變化率小，利用前視、正視、后視3條影像和高精度外方元素測量數(shù)據(jù)，便可建立起航線立體模型，同時由于三線陣相對兩線陣存在多余觀測量，因而進一步提升模型精度。②通過3臺相機之間高穩(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)固連，可實現(xiàn)在軌連續(xù)穩(wěn)定觀測，易于實現(xiàn)全球的快速覆蓋，成圖效率高。③對姿態(tài)機動能力需求不大，整星沒有高頻振動部件，有利于集中星上資源實現(xiàn)高精度姿態(tài)測量和高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)。三線陣立體成像體制同樣存在缺點，即3臺相機安裝在衛(wèi)星上，需要衛(wèi)星平臺具有較高有效載荷承載能力。

(3)雙線陣測繪體制。在衛(wèi)星上安裝2臺具有一定夾角的線陣相機，在1個軌道周期內(nèi)從2個不同觀測方向獲得同一地物的重疊影像，以構(gòu)成立體影像。為解決高分辨率相機質(zhì)量體積規(guī)模不斷增大問題，三線陣測繪技術(shù)體制又逐步過渡到雙線陣體制，進一步降低了對平臺承載的壓力。2002年法國發(fā)射了SPOT-5衛(wèi)星，隨后2005年印度發(fā)射了制圖衛(wèi)星-1(Cartosat-1)衛(wèi)星率先采用了雙線陣體制，用于1∶2.5萬立體測繪，數(shù)據(jù)產(chǎn)品在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是SPOT-5衛(wèi)星數(shù)據(jù)一度占據(jù)中國測繪市場。隨著應(yīng)用的深入，國內(nèi)亦開始航天雙線陣技術(shù)體制研究。世界主要光學測繪衛(wèi)星對比情況如表2所示[5-10]。

表2 世界主要測繪衛(wèi)星對照表Table 2 Main Specifications of mapping satellites in the world

由于我國國民經(jīng)濟建設(shè)速度較快，城鎮(zhèn)化進程明顯，測繪要素更新周期快，因此需要一種高效的測繪衛(wèi)星服務(wù)國民經(jīng)濟建設(shè)，特別是滿足城市測繪需求。同時衛(wèi)星設(shè)計上還需要考慮衛(wèi)星規(guī)模和成本等因素的限制，不能無限增大，因此高分七號衛(wèi)星最終采用雙線陣立體測圖方式。中國的兩代傳輸型光學測繪衛(wèi)星均采用多線陣體制，而沒有采用國外商業(yè)衛(wèi)星所采用的單線陣敏捷機動獲取立體影像的方式，符合中國的基本國情。

2.2 基高比的選擇

基高比定義為攝影基線與攝影航高之比，反映了立體觀測交會角的大小，基高比是衛(wèi)星攝影測量中影響高程測量精度的關(guān)鍵因素之一。在立體測圖處理中，理想情況下，高程精度σh取決于成圖比例尺M、基高比及影像坐標量測精度σm。

(1)

式中：B為攝影基線，H為航高，B/H即為基高比。可以看出，當基高比等于1時，不損失處理精度，因此通常將1作為理論基高比值。但基高比過大，也會增大投影差，造成影像變形而影響匹配(量測)精度。三線陣CCD相機首先在德國的模塊式光電多光譜掃描儀(MOMS)相機上應(yīng)用，并在航天飛機和俄國空間站上得到成功應(yīng)用。已經(jīng)入軌的空間載荷中三線陣CCD體制的基高比一般選用0.9～1，在500 km軌道高度，相機與星下點的夾角在22°～24°。

高分七號衛(wèi)星選用了雙線陣測繪體制，由于輸出數(shù)據(jù)產(chǎn)品要考慮正射影像產(chǎn)品，因此需要對地相機接近星下點觀測，這樣就導致雙線陣測繪的基高比不能實現(xiàn)接近1。高分七號衛(wèi)星和印度Cartosat-1衛(wèi)星均選擇約0.6基高比，這不是一個精度最優(yōu)的結(jié)果，而是一個綜合權(quán)衡的結(jié)果。

2.3 激光測高數(shù)據(jù)的引入提高高程精度

1∶1萬測圖需要達到高程精度1.5 m和平面精度5 m，受雙線陣基高比下降的影響，僅依靠高精度外方位元素測量，難以完成任務(wù)。同時考慮各用戶地面控制點的可獲得性，衛(wèi)星方提出了增加激光測高儀用于廣義高程控制點的測量。

激光測高數(shù)據(jù)參與攝影測量，重點在于利用激光測距精度高的優(yōu)勢，提高光學立體測繪的高程精度。對于同一個地物，前后視影像相對于激光先后成像。對于同一個地物，利用光學立體測繪定位的高程和利用激光測量出來的高程存在一定差異。由于激光高程精度相對比較高，利用此差異性可以建立對光學立體測繪的高程約束進行聯(lián)合數(shù)據(jù)平差，達到提高測繪精度的目的。美國GLAS系統(tǒng)，采用了全波形測距技術(shù)用于全球冰蓋監(jiān)測和高程測量，文獻[10]等利用NASA的公開數(shù)據(jù)，做了大量激光高程數(shù)據(jù)處理和前期研究，驗證了高程控制點獲取的可行性。高分七號衛(wèi)星選用了兩波束測距激光雷達方案，在一幅影像中可獲得18～36個激光采樣點，經(jīng)過處理和篩選后，用于立體模型的高程修正。

3 圖像定位精度仿真評估

3.1 圖像定位精度影響因素分析

圖像定位精度指從圖像中估算出地面點的位置與實際位置的偏差。圖像定位精度主要受外方位元素確定精度、內(nèi)方位元素確定精度、地面處理精度等因素影響。在不考慮大氣折射影響的條件下，可以構(gòu)建高分辨率光學遙感影像的嚴密成像公式

(2)

通過模型分析，可以識別出引起測繪衛(wèi)星影像幾何定位誤差的各項影響因素，如圖4所示。

圖4 定位精度主要誤差影響因素Fig.4 Mian factors influencing positioning accuracy

外方位主要包含線元素精度、角元素精度以及時間同步精度。線元素精度主要是軌道確定精度，角元素精度主要由星上姿態(tài)測量精度和光學載荷安裝角度穩(wěn)定性。內(nèi)方位元素確定精度主要由內(nèi)方位元素標定精度和在軌穩(wěn)定性等方面予以保證，特別是內(nèi)方位元素在軌短期穩(wěn)定性由于修正困難，需要設(shè)計重點保證。定位精度作為星地一體化指標與地面處理精度密不可分，地面處理可通過幾何定標，修正衛(wèi)星在軌系統(tǒng)誤差，同時采用地面控制點方式，經(jīng)過對圖像的平差處理，再進一步提高圖像定位精度。實際產(chǎn)品生產(chǎn)過程中地面控制點的數(shù)量和精度對處理精度有較大影響。

3.2 各影響因素的精度驗證

針對由1∶1萬測繪任務(wù)要求，高分七號衛(wèi)星進行了專項分析設(shè)計，結(jié)果如下所示。

1)軌道確定精度

選用雙頻GPS進行衛(wèi)星精密定軌，根據(jù)衛(wèi)星GPS接收機下傳原始數(shù)據(jù)，進行處理和精度分析后，在XYZ三個方向位置精度均優(yōu)于10 cm。在HY-2、ZY-3等衛(wèi)星上的飛行經(jīng)歷，也已經(jīng)驗證精密定軌能力。

2)星上時間同步精度

繼承ZY-3衛(wèi)星GPS秒脈沖硬件授時系統(tǒng)設(shè)計，經(jīng)地面測試驗證能夠滿足20 μs的時間同步要求。

3)成像指向確定精度

本屆園博會以“生態(tài)宜居 園林圓夢”為主題，國內(nèi)44個城市、東盟及“一帶一路”沿線國家19個城市參展，是第一次在少數(shù)民族地區(qū)舉辦的園博會。本屆園博會會期半年，閉幕后園博園將作為城市公園永久保留，成為廣大市民群眾日常休閑、游憩、健身的活動場所。

主要包括星敏感器和陀螺聯(lián)合定姿精度以及姿態(tài)穩(wěn)定度的影響。

星敏感器和陀螺組成的姿態(tài)測量系統(tǒng)是目前三軸穩(wěn)定衛(wèi)星高精度姿態(tài)確定的典型模式。選用隨機漂移優(yōu)于0.006 (°)/h的高精度三浮陀螺，且一定相對時間范圍內(nèi)可實現(xiàn)衛(wèi)星相對姿態(tài)確定偏差優(yōu)于0.2″，選用高精度陀螺后，其隨機漂移和測量分辨率對聯(lián)合定姿精度的影響相對較小，而影響精度主要還是星敏感器隨機誤差和數(shù)據(jù)輸出頻率。目前星敏感器在軌數(shù)據(jù)輸出頻率設(shè)定為8 Hz，相對于資源三號衛(wèi)星提高了1倍。

(1)星敏感器測量隨機誤差。高分七號衛(wèi)星全新開發(fā)了新一代甚高精度星敏感器，雙星敏感器采用星圖融合方式，在統(tǒng)一基準坐標下輸出高精度姿態(tài)四元素。利用在軌數(shù)據(jù)，并進行高階多項式擬合得到理論輸出，分離出星敏感器的隨機誤差，實現(xiàn)對星敏感器精度進行直接評估。具體如表3和圖5所示。

表3 星敏感器在軌精度Table 3 On-orbit precision of star sensor

圖5 融合星敏感器在軌誤差分析情況Fig.5 Analysis of fused star sensor on-orbit errors

(2)姿態(tài)穩(wěn)定度的影響。雙線陣TDICCD影像每一個曝光時刻;有獨立6個外方位元素，獨立解算每一時刻的外方位元素是不可能的?，F(xiàn)在地面的處理方法都是僅求解等間隔定向時刻的外方位元素，這種方法可以利用其周圍的像點觀測值參與光束法平差。此種方法在數(shù)學上解決了問題，但引入兩項誤差：①定向時刻光束法平差的誤差方程式系數(shù)要從其近周圍的像點觀測值數(shù)據(jù)，按一定的變換方法得到，在外方位元素為未知值情況下，變換都帶有近似性；②定向時刻以外的任意時刻外方位元素是由已平差得到的定向時刻的外方位元素內(nèi)插而得，內(nèi)插過程會存在誤差。因此姿態(tài)的平穩(wěn)性對于降低角元素計算和內(nèi)插誤差起到了關(guān)鍵作用。

GF-7衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定度的提高主要是提高星上運動部件對姿態(tài)平穩(wěn)性的擾動。對于太陽電池陣驅(qū)動裝置(SADA)的驅(qū)動不平穩(wěn)性影響，通過提升SADA電機驅(qū)動平穩(wěn)性，該指標通過地面驗證可達5%，同時進一步提高太陽翼剛度，減小太陽翼撓性運動對衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定度的影響。衛(wèi)星從第32圈開始建立高精度姿態(tài)控制方式，由衛(wèi)星下傳遙測數(shù)據(jù)可知，衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定度達到6×10-5(°)/s，如圖6所示。

圖6 星敏陀螺姿態(tài)角和角速度Fig.6 Attitude angle and angular velocity of gyro and star sensor

數(shù)傳天線運動通過引入路徑規(guī)劃使天線的運動過程保持平滑，同時采用對擾動力矩的前饋補償，從而抑制天線運動對整星姿態(tài)的擾動影響，如圖7所示。當天線啟動目標捕獲，由于存在很大的轉(zhuǎn)速變化，必然引起整星姿態(tài)的擾動，但當天線完成捕獲轉(zhuǎn)入跟蹤后，整星姿態(tài)快速恢復到正常穩(wěn)定度水平，實現(xiàn)了良好的擾動抑制。

高分七號配置兩臺相同的光學鏡頭，焦距5520 mm比資源三號衛(wèi)星的1700 mm增長達3倍，同等的1/3個像元內(nèi)方位元素穩(wěn)定性轉(zhuǎn)換成角度穩(wěn)定性，高分七號要比資源三號提高3倍，設(shè)計難度加大。相機光學系統(tǒng)設(shè)計采用遠心光路，反射鏡組件采用微應(yīng)力支撐結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)材料采用熱膨脹系數(shù)低的碳/碳化硅(C/SiC)材料以及高精度控溫設(shè)計等，結(jié)構(gòu)外形如圖8所示。

圖7 天線跟蹤過程中姿態(tài)角和角速度Fig.7 Attitude angle and angular velocity during antenna tracking

圖8 雙線陣相機主體Fig.8 Main architecture of double line array camera

相機光學系統(tǒng)各視場線陣方向絕對畸變小于0.3 μm，相對畸變小于2.210-6；垂直線陣方向絕對畸變小于1.1 μm，相對畸變小于2.3×10-6。采用精密測角法，旋轉(zhuǎn)相機的方式實現(xiàn)高精度內(nèi)方位元素的多次測試，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可得相機畸變，測試結(jié)果如圖9所示?；儨y量精度為2.3 μm，測試結(jié)果與測試精度接近，光學相機基本無畸變。相機畸變的在軌驗證，目前用戶部門還未公布測試結(jié)果，之后將持續(xù)跟蹤。

圖9 后視相機畸變測試結(jié)果Fig.9 Test result of measurement distortion in back-view camera

雙線陣相機選用C/SiC作為主框架的材料，為各反射鏡組件、焦面組件提供安裝基準，并通過合理鋪層，使得光軸方向的熱膨脹系數(shù)盡可能小。C/SiC材料本身具有各向異性，熱膨脹系數(shù)與纖維編織方向相關(guān)，同時大尺度結(jié)構(gòu)在基體沉積和反應(yīng)燒結(jié)時存在一定程度的不均勻現(xiàn)象，兩種情況都可能影響材料的熱膨脹系數(shù)均勻性，進而引起熱變形。因此在衛(wèi)星研制階段，北京空間機電研究所的科研人員在試驗室進行了主框架熱穩(wěn)定性試驗。主框架各面熱膨脹系數(shù)均滿足≤1.5×10-6℃-1的指標要求，平均值為0.73×10-6℃-1。

為了減少星體對相機成像和指向穩(wěn)定性的影響，設(shè)計了柔性解鎖結(jié)構(gòu)進行載荷與衛(wèi)星機械解耦。采用均勻溫升10 ℃工況，開展轉(zhuǎn)角偏移量比較。如表4所示，撓性安裝相對固定安裝方式轉(zhuǎn)角明顯變小，變形量得到了有效釋放，提高了相機指向穩(wěn)定性，這說明撓性支撐對于卸載熱變形起到了良好效果。

表4 兩種支撐結(jié)構(gòu)引起轉(zhuǎn)角變化對比Table 4 Comparison of anglular variations caused by two structural support types (″/℃)

CCD組件、鏡體組件、主框架以及相機支撐采用在軌溫度量遙測可以看出，兩臺相機的鏡體組件、主框架、相機各支撐組件在軌溫度穩(wěn)定，波動不超過0.2 ℃。根據(jù)相機熱控設(shè)計兩種工況，對相機熱穩(wěn)定性進行了仿真，如表5所示。相機在各工況主距和畸變變化在nm量級，保持了高的穩(wěn)定性。

表5 熱仿真溫度場工況內(nèi)方位元素變化情況匯總表Table 5 Interior orientation elements variations during thermal simulation μm

5)光學設(shè)備間夾角的穩(wěn)定性

以一體化支撐結(jié)構(gòu)為整星成像測繪任務(wù)基準，雙線陣相機、激光測高儀、星敏感器、陀螺均實現(xiàn)一體化共基準安裝。同時應(yīng)用M55J高模量碳纖維復合材料和高精度溫控，減少熱變形導致的各光學設(shè)備夾角變化。工程設(shè)計上對成像期間前后視相機視軸夾角穩(wěn)定性設(shè)計要求優(yōu)于0.6″，在軌長期前后視相機視軸夾角穩(wěn)定性優(yōu)于1″。

參與計算的數(shù)據(jù)取自2019年11月13日—2019年12月15的溫度遙測數(shù)據(jù)。因為在軌溫度測點是有限的，通過每塊艙版僅有的幾個溫度測點，借助熱分析溫度計算結(jié)果作為實際溫度場的近似，可以得到在軌溫度場的一個比較好的分布結(jié)果。在用熱傳導映射方法，將修正后的熱分析溫度場映射到結(jié)構(gòu)模型。整星結(jié)構(gòu)在軌尺寸穩(wěn)定性指標定義為前視相機、后視相機和激光測高儀安裝面在整星坐標系XOZ平面內(nèi)相對夾角變化。

(3)

一個月期間，每軌成像期間夾角長期穩(wěn)定性定義為

(4)

在總共474軌跨度31天的數(shù)據(jù)中，選擇三個成像起始時刻，對前后視相機夾角短期和長期穩(wěn)定性進行了估算，結(jié)果如表6和表7所示。

表6 一個月內(nèi)10 min成像期間的夾角短期穩(wěn)定性Table 6 Short-term stability of included angle in 10 minutes imaging within a month (″)

表7 一個月內(nèi)10 min成像期間的夾角長期穩(wěn)定性Table 7 Long-term stability of included angle in 10 minutes imaging within a month (″)

6)激光測高精度

GF-7衛(wèi)星在ZY-3衛(wèi)星三線陣測繪體制的基礎(chǔ)上改為兩線陣測繪體制，同時星上增配了2波束激光測高儀，在攝影測量期間同時獲取激光測距信息，通過足印相機圖像與相機圖像進行匹配，將經(jīng)地面校正大氣影響等處理后作為高程控制點參與到立體像對的平差處理，可提高少控制點或無控制點情況下的高程定位精度，對平面精度的提高沒有太大作用。

激光測高儀兩個波束同時工作，夾角為1.4°。激光測高儀工作過程中激光器溫度穩(wěn)定性高，溫度波動控制在19.7～20.3 ℃之間，經(jīng)測試激光光斑質(zhì)心抖動≤0.5像素，輸出能量變化≤2 mJ，保證了激光器指向穩(wěn)定性。這為用戶開展激光指向在軌標定工作提供的技術(shù)保障。圖10所示為威海附近海域激光打點，利用主波和回波進行波形分析，如表8所示。

圖10 激光足印位置分布Fig.10 Spatial distribution of laser footprints

表8 激光測高精度分析表Table 8 Analysis of laser altimeter accuracy

3.3 定位精度指標仿真評估

利用高分七號衛(wèi)星設(shè)計參數(shù)與在軌實測參數(shù)分別仿真計算衛(wèi)星立體定位精度。仿真計算過程如圖11所示，以衛(wèi)星參數(shù)、載荷參數(shù)和誤差特性為輸入，利用光學幾何嚴密成像模型和激光幾何成像模型仿真得到雙線陣相機影像和激光測高儀回波數(shù)據(jù)和足印相機影像及相關(guān)的輔助數(shù)據(jù)。通過高精度圖像匹配模型實現(xiàn)地面控制點或足印相機影像與雙線陣影像的圖像匹配，通過立體平差算法得到有無控制點及激光數(shù)據(jù)參與聯(lián)合平差的目標定位精度。主要仿真輸入條件如表8所示。其中，姿態(tài)系統(tǒng)差與測距系統(tǒng)均為估計值，由衛(wèi)星姿態(tài)與激光測距在軌定標精度決定。

圖11 定位精度分析模型示意圖Fig.11 Scheme of positioning accuracy analysis model

由于仿真分析過程僅涉及單景影像，采用高程控制點進行平差將造成平面精度的損失。為此，在平差過程中，將前后視影像的連接點作為平面控制點使用，分析結(jié)果如表9，表10所示。

表9 各影響定位精度因素的在軌結(jié)果Table 9 On-orbit testing results of all influencing factors of positioning accuracy

表10 利用各影響因素在軌實測結(jié)果對立體測圖仿真結(jié)果Table 10 Simulated stereo mapping performance based on on-orbit test results of all influencing factors of pointing accuracy

由各影響因素的在軌測試指標，開展立體測繪精度仿真，精度隨激光高程控制點個數(shù)增加的變化趨勢如圖12和表11所示。根據(jù)衛(wèi)星在軌運行情況的仿真，衛(wèi)星立體定位精度可以滿足平面5 m，高程精度1.5 m的測圖要求。一幅影像中激光高程控制點個數(shù)達到6個，可實現(xiàn)衛(wèi)星高程定位精度在1 m左右。衛(wèi)星高程控制點的應(yīng)用過程中，應(yīng)關(guān)注平面位置在數(shù)據(jù)平差中合理控制。

圖12 定位精度分析結(jié)果圖Fig.12 Positioning accuracy analysis result

表11 定位精度分析結(jié)果表Table 11 Statistical results of positioning accuracy

3.4 在軌定位精度初步結(jié)果

2019年12月10日，國家航天局發(fā)布了高分七號衛(wèi)星首批22幅亞米級立體影像產(chǎn)品，包括北京首都機場、大興機場、雁西湖、安徽涇縣、廣東陽春市、山東菏澤等多個地區(qū)正射影像圖、立體核線影像、數(shù)字表面模型產(chǎn)品等。首批影像成果紋理清晰、層次分明、信息豐富、立體感強、體現(xiàn)了高分七號的立體測繪特點。中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心對高分七號衛(wèi)星數(shù)據(jù)和美國Worldview-3/4衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量進行了對比，認為2顆衛(wèi)星的無控制定位精度相當，平面精度達到優(yōu)于5 m。高程精度評估使用雙線陣影像進行前方交會，無控制高程精度達到約3 m。激光高程控制點數(shù)據(jù)還未引入進行控制，因此使用激光高程控制點修正后的高程精度有待進一步評估確認。

4 衛(wèi)星使用效能分析

衛(wèi)星在軌使用效能主要體現(xiàn)為能夠為用戶提供高質(zhì)高效的測繪遙感圖像數(shù)據(jù)的能力。數(shù)據(jù)獲取能力主要受陸地可觀測弧段、數(shù)據(jù)處理設(shè)計和地面接收站影響。

陸地可觀測弧段分析。地球上陸地面積約占29%，海洋面積約占71%，GF-7衛(wèi)星觀測區(qū)域為地球上的陸地區(qū)域。根據(jù)GF-7衛(wèi)星505 km高度太陽同步軌道的軌道特性，其每天可繞地球飛行15圈。對衛(wèi)星在陽照區(qū)飛經(jīng)南北緯80°陸地區(qū)域的可觀測弧段進行仿真分析，仿真時長為5天(一個重訪周期)，滿足觀測條件的弧段見圖13所示。對飛經(jīng)陸地衛(wèi)星可觀測弧段進行分析和計算，得到平均每天15圈中白天飛經(jīng)陸地區(qū)域的弧段?？捎^測弧段時長總計約150 min，平均每圈可觀測弧段時長為150 min/15圈=10 min；大于5 min可觀測弧段時長總計約105 min，平均每圈可觀測弧段時長為105 min/15圈=7 min。

圖13 衛(wèi)星白天飛經(jīng)大陸地區(qū)的可觀測弧段 示意圖(分析時長5天)Fig.13 Scheme of observation arcs of satellite flying through continental areas during daytime (analysis period 5 days)

星地數(shù)傳能力分析如圖14所示。衛(wèi)星原始總數(shù)據(jù)率約為10.71 Gbit/s，經(jīng)4∶1壓縮編碼后數(shù)據(jù)率約為3.62 Gbit/s，星上配置了X頻段2×800 Mbit/s數(shù)傳能力，記放比約為2.26∶1，即獲取1 min數(shù)據(jù)需要2.26 min下傳。

圖14 衛(wèi)星地面站可接收弧段示意圖Fig.14 Scheme of ground station accessible arcs to satellite

地面站分布特性對數(shù)據(jù)獲取的影響分析?？紤]GF-7衛(wèi)星使用密云、三亞、喀什、牡丹江4個國內(nèi)地面接收站作為主要接收站點。衛(wèi)星每天過境的可傳輸圈數(shù)約為8個，其中有2圈可實現(xiàn)南、北分布的雙站接力傳輸，平均有效接力傳輸時長約為11 min，其余6圈為單站傳輸，平均單站傳輸時長約為7 min。綜上，每天境內(nèi)4個地面站可提供的對地傳輸總時長約為64 min，可支持GF-7衛(wèi)星立體成像28 min。南北極站平均每天有約10圈的傳輸能力，目前極地站每天為GF-7衛(wèi)星提供5圈(共約35 min)的極地傳輸弧段，則GF-7衛(wèi)星每天增加約15 min的成像時間，如表12所示。

表12 高分七號衛(wèi)星在軌成像能力分析表Table 12 On orbit analysis of GF-7 satellite imaging ability

高分七號衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取能力與目前國際主要高分辨率遙感衛(wèi)星對比如表13，分析可知：衛(wèi)星設(shè)計成像能力達到世界主流高分辨率遙感衛(wèi)星能力，增加極地站后數(shù)據(jù)獲取能力獲得較大提升。

表13 主流高分辨率遙感衛(wèi)星與高分七號衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取能力對比表Table 13 Data collection ability of GF-7 and other remote sensing satellites worldwide

5 結(jié)束語

高分七號衛(wèi)星入軌以來，衛(wèi)星平臺運行穩(wěn)定，成像紋理清晰、層次分明，激光波形數(shù)據(jù)完整，完成了載荷狀態(tài)調(diào)優(yōu)，完成了多個地區(qū)正射影像圖、數(shù)字高程模型、數(shù)字表面模型等，初步精度評估結(jié)果表明高分七號達到了1∶1萬比例尺地形圖的繪制能力。通過在軌初步驗證和仿真分析，雙線陣測繪體制可以很好地完成1∶1萬比例尺測繪任務(wù)，同時增加激光雷達獲取高程控制點，可以有效提高無控制高程精度。在軌驗證還需要通過在軌光斑定標后，進一步評估。高分七號衛(wèi)星投入運行，為我國城市測繪、國土資源調(diào)查、珠峰測量、災害觀測、城鄉(xiāng)規(guī)劃、統(tǒng)計調(diào)查等領(lǐng)域，正在發(fā)揮越來越重要的作用。衛(wèi)星正處于在軌測試期間，受新冠病毒疫情影響，衛(wèi)星在軌測試工作正在逐漸恢復和有序開展，特別是外業(yè)定標工作。后續(xù)將進一步跟蹤衛(wèi)星在軌定標和外業(yè)測量結(jié)果，對衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量開展更加深入和客觀的評價。