姜洋 范立佳 于龍江 張國斌 楊文濤

(中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

衛(wèi)星圖像的精確定位是保證遙感衛(wèi)星實現(xiàn)高精度對地觀測任務(wù)的關(guān)鍵，是代表衛(wèi)星性能和服務(wù)應(yīng)用的重要技術(shù)指標(biāo)之一。國外遙感衛(wèi)星無控制點圖像的平面定位精度達(dá)到10米量級，而美國在此方面的優(yōu)勢更為明顯，已發(fā)射衛(wèi)星無控制點平面定位精度達(dá)到5 m。我國的光學(xué)遙感衛(wèi)星圖像定位精度指標(biāo)不斷提升，2000年左右發(fā)射的遙感衛(wèi)星，其定位精度在200米量級，2010年以后發(fā)射的高分二號等遙感衛(wèi)星，定位精度達(dá)到50 m以內(nèi)[1]，其中測繪類衛(wèi)星定位精度更高一些，但與國外同期發(fā)射衛(wèi)星相比仍有很大差距。綜合考慮技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和精度差距，新一代中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺項目確立了將圖像定位精度指標(biāo)提升至10 m(1σ)以內(nèi)的研制目標(biāo)，通過平臺研制階段實現(xiàn)各項技術(shù)攻關(guān)，并最終通過首發(fā)星高分多模衛(wèi)星完成相關(guān)技術(shù)在軌全面驗證，實現(xiàn)圖像定位精度達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，支持未來衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)。

定位精度的實現(xiàn)涉及機(jī)電熱多個方面，覆蓋平臺和有效載荷多項技術(shù)，且需要天地一體配合的系統(tǒng)來支撐，而敏捷遙感衛(wèi)星除常規(guī)的長條帶推掃成像模式外，具備同軌多點目標(biāo)、條帶拼幅、多角度、立體等復(fù)雜敏捷成像模式，給圖像定位精度指標(biāo)的實現(xiàn)帶來了更多困難。在姿態(tài)頻繁機(jī)動過程中，會出現(xiàn)星敏感器不可用或是頻繁切換，以及導(dǎo)航天線遮擋的現(xiàn)象，引起定姿和定軌精度下降；引起外熱流、內(nèi)熱流變化，使溫度場變化，為衛(wèi)星內(nèi)外方位元素穩(wěn)定性設(shè)計增加了復(fù)雜度，同時也給地面處理提出了更高的要求。

本文從新一代中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺和高分多模衛(wèi)星的研制出發(fā)，針對圖像定位精度的影響因素進(jìn)行分析，結(jié)合衛(wèi)星工程實踐給出指標(biāo)分配，提出各項具體設(shè)計方案和開展的工作事項，并對各項指標(biāo)的設(shè)計和驗證情況進(jìn)行說明，最后給出了影響定位精度的關(guān)鍵指標(biāo)實現(xiàn)結(jié)果和圖像定位精度的在軌驗證情況。

1 定位精度影響因素分析

高分多模衛(wèi)星承載的有效載荷為0.5 m/2.0 m的線陣推掃式相機(jī)，根據(jù)衛(wèi)星攝影測量原理構(gòu)建嚴(yán)密成像幾何模型。嚴(yán)密成像幾何模型實際上是圖像坐標(biāo)系和地球固定參考坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[2]。以飛行方向為X方向，其圖像定位的基本模型可表示為

(1)

在地面處理過程中，由于內(nèi)外方位元素高度相關(guān)，為了避免過度參數(shù)化，內(nèi)方位元素通常采用幾何檢校模型為綜合指向角模型。依據(jù)相機(jī)安裝誤差、軌道測量誤差、姿態(tài)誤差等對幾何定位精度的影響特性進(jìn)行分析，線元素誤差與角元素誤差對幾何定位精度的影響具有等效性，可將線元素誤差等效成姿態(tài)角誤差，從而采用偏置矩陣對影響無控制點定位精度的眾多誤差進(jìn)行統(tǒng)一補償[3]，則幾何定位模型轉(zhuǎn)換成如下形式。

(2)

衛(wèi)星圖像無控定位涉及衛(wèi)星平臺、姿態(tài)軌道測量、相機(jī)幾何參數(shù)標(biāo)定及圖像地面攝影測量處理等多個環(huán)節(jié)。結(jié)合以往遙感衛(wèi)星研制經(jīng)驗和高分多模衛(wèi)星的設(shè)計方案分析，影響遙感衛(wèi)星圖像定位精度的主要因素可以分解為時間精度、定軌精度、定姿精度、相機(jī)內(nèi)方位元素穩(wěn)定性和相機(jī)-星敏感器結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性等因素，同時定位精度作為星地一體化指標(biāo)與地面處理精度密不可分[4],具體影響因素分解如圖1所示。

圖1 定位精度主要影響因素Fig.1 Main factors influencing positioning accuracy

2 定位精度指標(biāo)體系

根據(jù)定位原理分析得出影響定位精度的主要因素，包括軌道確定、姿態(tài)測量、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、內(nèi)方位元素穩(wěn)定性、時間同步和地面標(biāo)定6個方面，構(gòu)成天地一體的定位精度保證體系，采用文獻(xiàn)[4-5]中的分析方法，量化分析每個方面因素對定位精度的影響。綜合分析結(jié)果表明：時間同步精度影響相對較小，而其他因素對定位精度均有很大影響，尤其是姿態(tài)測量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，按照當(dāng)前水平引起的定位精度合計達(dá)到幾十米量級，因此，為保證高圖像定位精度指標(biāo)的實現(xiàn)，應(yīng)重點開展定姿與定軌關(guān)鍵單機(jī)研制、相機(jī)與星敏感器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計，實現(xiàn)在敏捷狀態(tài)下保持當(dāng)前定軌精度，達(dá)到角秒級的定姿精度，保證相機(jī)和星敏感器之間的角秒級的穩(wěn)定性。同時進(jìn)一步提升時間同步精度、內(nèi)方位元素穩(wěn)定性等其他指標(biāo)。此外，從星地一體的定位精度指標(biāo)體系考慮，在衛(wèi)星星上設(shè)計保證的同時，充分論證地面標(biāo)定處理的方案，尤其是針對高分辨率、敏捷特性及熱穩(wěn)定誤差規(guī)律等開展標(biāo)定和處理技術(shù)研究，進(jìn)一步提升定位精度?？紤]衛(wèi)星圖像平面定位精度10 m的指標(biāo)要求，并結(jié)合可行性論證分析的結(jié)果，將定位精度總體指標(biāo)逐一分解到軌道確定、姿態(tài)測量、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、內(nèi)方位元素穩(wěn)定性、時間同步和地面標(biāo)定各影響因素，提出衛(wèi)星分系統(tǒng)級、單機(jī)級及地面的各項指標(biāo)，形成天地一體的定位精度指標(biāo)體系。

3 定位精度保證設(shè)計與地面驗證

從定位精度指標(biāo)體系出發(fā)，對衛(wèi)星研制過程中的軌道確定、姿態(tài)測量、時間同步和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等設(shè)計開展技術(shù)攻關(guān)，對相機(jī)設(shè)計和地面處理技術(shù)完成可行性分析論證，制定了6個方面的設(shè)計和驗證工作項目。其中包括：單機(jī)級的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真分析、專項試驗；分系統(tǒng)級的算法設(shè)計、仿真分析、熱試驗、測試、物理試驗；系統(tǒng)級的整星測試、綜合仿真等項目。

3.1 軌道確定

高分多模衛(wèi)星相對于以往穩(wěn)態(tài)對地成像衛(wèi)星，姿態(tài)頻繁機(jī)動會使導(dǎo)航天線接收星數(shù)減少，針對這一敏捷特性采用雙天線的配置方案，設(shè)計了無遮擋雙天線冷備份和遮擋情況下雙天線組合的2種工作模式，改進(jìn)了實時、事后定軌算法，新研制了小型化、模塊化可配置的導(dǎo)航接收機(jī)。進(jìn)行實時、事后定軌仿真分析，開展緊縮場、球面近場和外場試驗驗證，結(jié)果滿足指標(biāo)要求。緊縮場試驗狀態(tài)如圖2所示，事后定軌仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 緊縮場試驗狀態(tài)Fig.2 Test condition of compact field

圖3 精密定軌仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of precise orbit determination

3.2 姿態(tài)測量

針對高分多模衛(wèi)星敏捷特性，新研制高動態(tài)甚高精度的星敏感器和大量程陀螺，采用兩者聯(lián)合濾波的高精度姿態(tài)確定方案和各敏捷模式的定姿切換策略，改進(jìn)事后定姿的算法，對星敏感器低頻誤差和陀螺刻度因子等誤差進(jìn)行標(biāo)定，從硬件和軟件入手共同提高姿態(tài)確定精度。開展定姿算法數(shù)學(xué)仿真、星敏感器專項試驗、事后定姿轉(zhuǎn)臺物理試驗進(jìn)行驗證，結(jié)果表明：研制光軸測量精度1″的星敏感器并采用雙星敏感器定姿結(jié)合改進(jìn)算法，可以實現(xiàn)事后慣性空間姿態(tài)測量精度達(dá)到角秒量級，地面仿真驗證結(jié)果如圖4所示。

3.3 時間同步

采用整星、分系統(tǒng)、單機(jī)的多級時間同步機(jī)制，在硬件秒脈沖授時的基礎(chǔ)上，在軌實時對單機(jī)內(nèi)部時鐘鐘漂產(chǎn)生的時間偏移進(jìn)行補償，即采用高精度秒脈沖授時結(jié)合在軌實時補償校時的高精度時統(tǒng)方案，重點提高秒脈沖輸出精度及本地時鐘計數(shù)精度。根據(jù)導(dǎo)航接收機(jī)、系統(tǒng)管理單元、控制分系統(tǒng)和相機(jī)的時統(tǒng)實測和分析結(jié)果，以及整星秒脈沖傳輸延時實測結(jié)果，綜合分析整星時間同步精度優(yōu)于20 μs。

3.4 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

針對結(jié)構(gòu)高穩(wěn)定性要求，從傳遞路徑入手開展包含材料、結(jié)構(gòu)、熱控、相機(jī)等多方面綜合設(shè)計和分析，采用星敏感器-相機(jī)一體化的安裝方案，研制高穩(wěn)定性的載荷適配結(jié)構(gòu)并在相機(jī)和平臺之間增加柔性適配結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步消除平臺變形對相機(jī)的影響，采用精密熱控措施，減小在軌熱變形。

基于在軌典型工況開展全路徑的熱穩(wěn)定性仿真分析(仿真狀態(tài)如圖5所示)，完成了載荷適配結(jié)構(gòu)、星敏感器支架重點部件的高穩(wěn)定設(shè)計及試驗驗證，以及相機(jī)-星敏感器組合體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性試驗驗證。結(jié)果表明：熱穩(wěn)定性設(shè)計采取的技術(shù)手段合理可行，在一個標(biāo)定周期內(nèi)能夠保證星敏感器與相機(jī)間連接支撐結(jié)構(gòu)在軌穩(wěn)定性優(yōu)于2″，滿足定位精度分配的星敏感器-相機(jī)結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性指標(biāo)要求。

圖5 結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性仿真分析Fig.5 Simulation analysis of structural thermal stability

3.5 相機(jī)內(nèi)方位元素穩(wěn)定性

從相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)和熱控多方面進(jìn)行設(shè)計，論證實現(xiàn)內(nèi)方位元素穩(wěn)定性的措施和方案。針對重力場和溫度環(huán)境兩大主要因素對內(nèi)方位元素影響進(jìn)行分析，采用光機(jī)熱集成分析方法對相機(jī)進(jìn)行性能仿真。經(jīng)分析，在溫度水平附近波動±0.3 ℃的情況下，相機(jī)內(nèi)方位元素的變化情況小于2個像元。進(jìn)一步結(jié)合仿真分析結(jié)果，完成了相機(jī)高低溫多種工況的熱平衡試驗，驗證了熱控設(shè)計正確且控溫精度可以實現(xiàn)，預(yù)期內(nèi)方位元素穩(wěn)定性可以有效保證。相機(jī)熱試驗狀態(tài)如圖6所示。

圖6 相機(jī)熱試驗狀態(tài)Fig.6 Thermal test of camera

3.6 地面標(biāo)定與處理

針對高分多模衛(wèi)星的工作模式和對圖像定位誤差的影響因素特性，研究高精度的在軌內(nèi)、外方位元素定標(biāo)方法，探索外方位元素變化規(guī)律，對星敏感器-相機(jī)視軸夾角進(jìn)行建模，提出了在軌時序化外方位元素定標(biāo)方法求解外方位元素補償參數(shù)；綜合分析提出采用單次、周期性外定標(biāo)、時序化定標(biāo)的外方位定標(biāo)相結(jié)合的定標(biāo)方案；針對高分多模衛(wèi)星的定標(biāo)需求，開展不依賴檢校場的內(nèi)、外方位元素定標(biāo)方案研究。聯(lián)合多家單位開展論證工作，完成仿真分析和在軌數(shù)據(jù)試驗驗證，結(jié)果表明可以滿足指標(biāo)要求。

4 圖像定位精度系統(tǒng)指標(biāo)仿真及估算

采用姿態(tài)規(guī)劃軟件對被動成像工況進(jìn)行仿真，輸出姿態(tài)和軌道數(shù)據(jù)作為理論參考數(shù)據(jù)。將姿態(tài)軌道數(shù)據(jù)輸入到GPS仿真器，再到接收機(jī)輸出含偽距和載波的原始觀測量，經(jīng)過事后處理輸出事后軌道測量數(shù)據(jù)；將姿態(tài)和軌道數(shù)據(jù)作為輸入進(jìn)行溫度場仿真，輸出典型時刻點的溫度場分布情況并賦給星體結(jié)構(gòu)的有限元模型，利用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性仿真模塊進(jìn)行變形分析，輸出星敏感器、相機(jī)的安裝面變化；將姿態(tài)、軌道信息、星敏感器安裝面變化信息輸入給定姿精度仿真模塊，進(jìn)行姿態(tài)確定輸出3軸姿態(tài)；最后將姿態(tài)、軌道、相機(jī)安裝面變化信息，結(jié)合相機(jī)參數(shù)、標(biāo)定殘差等代入到定位計算模型中，得到圖像平面定位精度。仿真過程如圖7所示。

圖7 定位精度集成仿真過程Fig.7 Process for integrated simulation of positioning accuracy

綜上，考慮軌道確定、姿態(tài)測量、時間同步、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、內(nèi)方位元素穩(wěn)定性和在軌標(biāo)定6種主要影響因素，計算其引起的姿態(tài)測量誤差、軌道測量誤差、光學(xué)系統(tǒng)誤差、地面處理誤差，估算各項誤差對圖像定位精度的影響，按照上述指標(biāo)體系初步估算定位精度優(yōu)于9 m。

5 在軌驗證情況

2020年7月3日，高分多模衛(wèi)星由長征-4B運載火箭發(fā)射入軌，衛(wèi)星平臺各分系統(tǒng)工作穩(wěn)定并分階段開展了有效載荷在軌測試?；谛l(wèi)星下傳的平臺服務(wù)數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對在軌可直接或間接測量的影響定位精度關(guān)鍵因素的在軌狀態(tài)實施評估。其中，軌道測量和姿態(tài)測量精度可以通過數(shù)據(jù)分析獲得，其他影響因素在軌無法直接測量，可以間接定性分析或是通過圖像質(zhì)量整體進(jìn)行評估。

5.1 軌道確定

利用下傳的導(dǎo)航接收機(jī)原始觀測量進(jìn)行地面解算，獲得事后精密定軌數(shù)據(jù)，對多個時段的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到GPS模式下雙天線事后定軌精度優(yōu)于5 cm，分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 GPS事后精密定軌精度Fig.8 Post precise orbit determination accuracy with GPS

5.2 姿態(tài)測量

采用7階多項式擬合的方法對下傳的星敏感器數(shù)據(jù)進(jìn)行評估，經(jīng)過不同時期多段數(shù)據(jù)采樣統(tǒng)計分析可知，星敏感器光軸測量精度優(yōu)于0.6″(3σ),通過多星敏感器星圖融合方式，實現(xiàn)整星亞角秒慣性空間姿態(tài)測量精度，分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 融合星敏感器在軌精度分析Fig.9 Analysis of fused star sensor on-orbit accuracy

5.3 內(nèi)、外方位元素穩(wěn)定性

衛(wèi)星入軌后，受當(dāng)前地面圖像數(shù)據(jù)處理方法的限制，難以對各誤差因素進(jìn)行獨立識別和標(biāo)定，主要通過圖像定位精度隨時間的變化情況對系統(tǒng)整體穩(wěn)定性進(jìn)行評估[6]。在軌的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性無法直接測量，可以通過分析星敏感器夾角變化，間接反映星敏感器結(jié)構(gòu)和星敏感器的長周期穩(wěn)定狀態(tài)。采用連續(xù)多圈的星敏感器數(shù)據(jù)分析星敏感器的光軸夾角穩(wěn)定性，統(tǒng)計得到夾角的波動量優(yōu)于2.5″，且周期性和重復(fù)性規(guī)律一致，表明結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好，具體如圖10所示。

圖10 在軌2個星敏感器之間夾角變化情況Fig.10 Angle changes between two star sensors on orbit

此外，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、相機(jī)內(nèi)方位元素穩(wěn)定性和熱控密切相關(guān)，對相機(jī)、星敏感器支架等部件的溫度進(jìn)行分析，可以間接評估穩(wěn)定性的狀態(tài)。對入軌飛行初期的22～90圈星敏感器和相機(jī)關(guān)鍵部位的溫度進(jìn)行分析，在星敏感器和相機(jī)結(jié)構(gòu)路徑上的關(guān)鍵部位，如前鏡筒溫度為19.2～19.4 ℃，3個星敏感器支架溫度為20.1～20.3 ℃，主鏡框周向、中心光欄溫度在19.6～19.9 ℃，溫度波動均在0.6 ℃以內(nèi)，滿足熱穩(wěn)定性的熱控保證要求。

5.4 圖像定位精度分析

高分多模衛(wèi)星入軌狀態(tài)建立以后，開展了點目標(biāo)、拼幅、立體、多角度、主動推掃等多種模式成像測試，由中國衛(wèi)星資源應(yīng)用中心對圖像進(jìn)行定標(biāo)和處理，對幾何精度進(jìn)行全面評估。利用高精度的數(shù)字化幾何定標(biāo)場，對內(nèi)、外方位元素的系統(tǒng)誤差進(jìn)行標(biāo)定，通過多次定標(biāo)數(shù)據(jù)處理，消除周期性緩慢漂移誤差，確保定位精度的穩(wěn)定性；利用下傳的星敏感器和陀螺的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行事后濾波處理獲得精密姿態(tài)，利用下傳的GPS原始觀測量進(jìn)行事后處理獲得精密軌道，最后利用定位模型計算圖像的定位精度。

中國衛(wèi)星資源應(yīng)用中心隨機(jī)抽取高分多模衛(wèi)星2021年1月內(nèi)不同時相、多種敏捷成像模式下的91景圖像數(shù)據(jù)，利用數(shù)字定標(biāo)場數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像幾何定位精度評價，具體數(shù)據(jù)如圖11所示。由圖11可知：圖像定位精度隨姿態(tài)角變化較小，且在時間維度上沒有出現(xiàn)規(guī)律性漂移，說明內(nèi)、外方位元素穩(wěn)定性較好，圖像定位精度一致性較好。在星下點30°角范圍內(nèi)，圖像無控定位精度優(yōu)于5 m(1σ)，優(yōu)于10 m(1σ)設(shè)計指標(biāo)要求。

圖11 高分多模衛(wèi)星圖像定位精度評估Fig.11 Positioning accuracy evaluation of GFDM-1 satellite

6 結(jié)束語

高分多模衛(wèi)星采用天地一體的圖像定位精度保證系統(tǒng)方案，從系統(tǒng)設(shè)計、軟件、硬件等多方面開展工作，完成了分析、仿真、試驗等設(shè)計與地面驗證工作。在定位精度的關(guān)鍵影響因素中，姿態(tài)測量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面較以往衛(wèi)星有較大提升。在姿態(tài)測量方面，采用甚高精度的星敏感器，制定敏捷成像模式下的定姿切換策略，針對星敏感器-陀螺測量系統(tǒng)中的低頻誤差，采用引入誤差標(biāo)定的事后姿態(tài)確定方案，姿態(tài)確定精度提高到1″以內(nèi)；對于星敏感器-相機(jī)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題，重點從材料、結(jié)構(gòu)和溫控多方面開展星上設(shè)計，使穩(wěn)定性達(dá)到角秒量級，同時針對外方位元素變化的趨勢規(guī)律開展研究，提出了地面廣域時序化定標(biāo)方案，進(jìn)一步減小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性引起的定位誤差，確保圖像幾何定位精度穩(wěn)定性。在高分多模衛(wèi)星上實現(xiàn)了高定位精度保證技術(shù)的攻關(guān)和在軌驗證，其圖像定位精度達(dá)到國內(nèi)敏捷遙感衛(wèi)星最高水平，達(dá)到國外同類衛(wèi)星水平，可以有效支撐后續(xù)高分多模衛(wèi)星高水平的定量化應(yīng)用。高分多模衛(wèi)星在軌運行穩(wěn)定，圖像定位精度結(jié)果滿足設(shè)計指標(biāo)，表明其定位精度體系設(shè)計合理可行，可以為后續(xù)衛(wèi)星研制提供參考。