楊文濤 莊國(guó)京 孟令杰 范立佳 張國(guó)斌 王躍

(1 中國(guó)空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094) (2 中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司，北京 100048)(3 國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局重大專項(xiàng)工程中心，北京 100101)

隨著用戶需求和光學(xué)遙感技術(shù)的不斷提升，以高成像分辨率、多成像譜段、高圖像定位精度、快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力為主要特征的敏捷光學(xué)成像衛(wèi)星得到了迅速發(fā)展，從“艾科諾斯”(IKONOS)衛(wèi)星到“世界觀測(cè)”(WorldView)衛(wèi)星系列的發(fā)展也是代表了當(dāng)前國(guó)際上光學(xué)遙感衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)[1-4]。敏捷衛(wèi)星成像模式靈活多樣、成像效能非常高，相對(duì)于傳統(tǒng)常規(guī)的被動(dòng)推掃成像衛(wèi)星，其圖像獲取效率大幅提升。支持多用戶所提出的不同應(yīng)用目標(biāo)、不同時(shí)效性的觀測(cè)需求，并在最短的時(shí)間內(nèi)將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶手中。敏捷光學(xué)遙感衛(wèi)星的出現(xiàn)，使得世界遙感衛(wèi)星技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一次技術(shù)的飛躍，并在商用領(lǐng)域取得了極大成功。

高分多模衛(wèi)星是我國(guó)民用空間基礎(chǔ)設(shè)施工程的重要組成部分，是對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)高分辨率光學(xué)觀測(cè)星座中分辨率最高的衛(wèi)星。綜合考慮技術(shù)先進(jìn)性和技術(shù)成熟度，它采用全新一代中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)；配置具有良好研制基礎(chǔ)的大口徑高分辨率光學(xué)相機(jī)、大氣同步校正儀等有效載荷，實(shí)現(xiàn)同軌多點(diǎn)目標(biāo)成像、同軌多條帶拼幅成像、立體/多角度成像、任意向主動(dòng)推掃成像等多種敏捷成像模式下高分辨率、高質(zhì)量圖像數(shù)據(jù)的獲取能力，實(shí)現(xiàn)1個(gè)全色譜段+8個(gè)多光譜譜段、0.5 m高空間分辨率、10 m無(wú)地面控制點(diǎn)高定位精度、高質(zhì)量圖像數(shù)據(jù)的獲取能力，單日?qǐng)D像獲取能力可達(dá)36萬(wàn)平方千米以上。該衛(wèi)星是我國(guó)迄今為止研制的空間分辨率最高、敏捷成像能力最強(qiáng)的遙感衛(wèi)星，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，它的成功發(fā)射可大幅提高陸地觀測(cè)系統(tǒng)的定量化應(yīng)用水平[1]。

高分多模衛(wèi)星作為空間基礎(chǔ)設(shè)施“十三五”首批啟動(dòng)并首顆發(fā)射的科研星，在滿足各用戶對(duì)高分辨率、高質(zhì)量圖像數(shù)據(jù)迫切需求的同時(shí)，還要發(fā)揮技術(shù)引領(lǐng)和推動(dòng)作用。首次民用衛(wèi)星配置中繼數(shù)傳，提高衛(wèi)星快速響應(yīng)能力；為充分利用平臺(tái)的應(yīng)用潛力，實(shí)現(xiàn)星上數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、星間激光通信等新技術(shù)的在軌驗(yàn)證和應(yīng)用。高分多模衛(wèi)星充分繼承中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)研制基礎(chǔ)，平臺(tái)突破了制約遙感衛(wèi)星發(fā)展的敏捷姿態(tài)機(jī)動(dòng)控制技術(shù)、高定位精度平臺(tái)支撐技術(shù)、先進(jìn)空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)技術(shù)、微振動(dòng)抑制4項(xiàng)核心技術(shù)；完成了基于新一代平臺(tái)通用產(chǎn)品體系的33臺(tái)單機(jī)研制和鑒定；完成了基于典型應(yīng)用的結(jié)構(gòu)、熱控、電性能的鑒定試驗(yàn)驗(yàn)證；完成了8年長(zhǎng)壽命平臺(tái)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

高分多模衛(wèi)星于2020年7月3日成功發(fā)射入軌。2020年7月10日，圓滿完成了衛(wèi)星飛控全部工作，衛(wèi)星狀態(tài)正常，轉(zhuǎn)入在軌測(cè)試。2021年3月，完成了衛(wèi)星在軌測(cè)試工作，結(jié)果表明：衛(wèi)星各項(xiàng)功能性能滿足研制總要求，各大系統(tǒng)工作正常，滿足任務(wù)要求；圖像質(zhì)量高，細(xì)節(jié)紋理清晰、層次分明、信息豐富，可服務(wù)于多行業(yè)定量化應(yīng)用；敏捷成像能力強(qiáng)，成像模式豐富、成像效能高、任務(wù)管理智能、用戶操控簡(jiǎn)易高效。

1 技術(shù)創(chuàng)新

高分多模衛(wèi)星的研制和成功發(fā)射，突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)首飛驗(yàn)證，首次實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于0.5 m高分辨率成像，首次實(shí)現(xiàn)任意方向目標(biāo)“動(dòng)中成像”。具有靈活豐富的敏捷成像模式、高效智能的任務(wù)管理能力，具有極高的圖像采集效率，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，成功實(shí)現(xiàn)兼顧高分辨率與敏捷成像的遙感衛(wèi)星技術(shù)的應(yīng)用，可服務(wù)于大比例尺國(guó)土調(diào)查與測(cè)繪、重點(diǎn)區(qū)域自然資源遙感監(jiān)測(cè)、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)與應(yīng)急監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境精細(xì)化監(jiān)測(cè)、生態(tài)保護(hù)紅線監(jiān)管、城市精細(xì)化管理、森林和草原動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估等領(lǐng)域，打破了國(guó)外同類商業(yè)遙感衛(wèi)星圖像壟斷，能提高我國(guó)高分辨率圖像數(shù)據(jù)自給率。衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)步創(chuàng)新主要體現(xiàn)在下述的幾個(gè)方面。

1.1 敏捷成像能力強(qiáng)

針對(duì)多行業(yè)用戶對(duì)高分辨率圖像數(shù)據(jù)迫切需求，參考國(guó)外先進(jìn)敏捷衛(wèi)星設(shè)計(jì)[3-5]，基于中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)的敏捷機(jī)動(dòng)控制核心技術(shù)攻關(guān)成果，高分多模衛(wèi)星采用豐富的敏捷成像模式，在敏捷成像方面取得了突破性的成就，首次實(shí)現(xiàn)了任意向主動(dòng)推掃成像、多角度成像等敏捷成像技術(shù)，突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，主要包括以下幾個(gè)方面。

1.1.1 敏捷成像模式豐富

對(duì)標(biāo)國(guó)外先進(jìn)敏捷衛(wèi)星設(shè)計(jì)，突破了傳統(tǒng)被動(dòng)沿跡推掃高分辨率成像幅寬限制，通過(guò)快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)與高分辨率相機(jī)敏捷成像有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了同軌多點(diǎn)目標(biāo)成像、同軌多條帶拼幅成像、同軌立體/多角度成像、沿跡/非沿跡主動(dòng)推掃成像等多種敏捷成像模式，大幅提高圖像獲取效率。同軌多點(diǎn)目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)一次過(guò)境對(duì)重點(diǎn)關(guān)注大量散布目標(biāo)的高效獲?。黄捶上窨梢詳U(kuò)大一次過(guò)境成像區(qū)域，能夠覆蓋城鎮(zhèn)、港口、機(jī)場(chǎng)等區(qū)域；立體成像可以用于2視/3視立體測(cè)繪，基高比可調(diào)，提高衛(wèi)星綜合應(yīng)用能力；首次實(shí)現(xiàn)了多角度成像，可提供更為豐富的觀測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化觀測(cè)；首次實(shí)現(xiàn)“動(dòng)中成像”，可以實(shí)現(xiàn)任意向條帶目標(biāo)的一次過(guò)境高效快速獲取，獲取效率可提升數(shù)十倍。

高分辨率與敏捷成像的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)豐富的敏捷成像模式，滿足多行業(yè)用戶不同觀測(cè)需求，達(dá)到了“一星多用、綜合利用”目標(biāo)，單星使用效能得到了充分發(fā)揮；采用理論分析、數(shù)字建模、仿真分析及測(cè)試驗(yàn)證的手段，將衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力指標(biāo)與各類敏捷成像模式圖像獲取能力指標(biāo)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，分析了衛(wèi)星在軌滿足各類使用約束條件下各類敏捷成像模式的能力范圍，以及在軌靈活應(yīng)用各類敏捷成像模式的能力。在軌測(cè)試結(jié)果表明：各類敏捷成像模式執(zhí)行正常，成像能力達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，成像效果良好。

2020年9月3日，一次過(guò)境通過(guò)4次拼幅成像實(shí)現(xiàn)對(duì)北京六環(huán)內(nèi)高分辨率成像,如圖1所示。這種方式可以有效解決多次過(guò)境覆蓋獲取方式帶來(lái)的天氣影響觀測(cè)時(shí)機(jī)問(wèn)題和多次重訪時(shí)效性問(wèn)題等。

圖1 一次過(guò)境4個(gè)條帶拼幅高分辨率成像Fig.1 High resolution imaging by single-pass 4 strips mapping mode

2020年9月17日，一次過(guò)境實(shí)現(xiàn)對(duì)迪拜哈利法塔11個(gè)角度成像(如圖2所示)，可以獲取更多的高層建筑的側(cè)面信息，提供更為豐富的觀測(cè)信息。

圖2 一次過(guò)境對(duì)迪拜哈利法塔11個(gè)角度成像Fig.2 11 views of Burj Khalifa tower collected by single-pass

1.1.2 敏捷機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)

敏捷機(jī)動(dòng)能力是實(shí)現(xiàn)各類敏捷成像模式的保障，通過(guò)敏捷成像過(guò)程仿真分析和敏捷成像圖像質(zhì)量預(yù)估，確定了敏捷成像能力，并分解提出了敏捷機(jī)動(dòng)指標(biāo)體系，提出了繞任意軸機(jī)動(dòng)并穩(wěn)定25°/20 s指標(biāo)要求。

敏捷機(jī)動(dòng)能力提出了小慣量、高剛度要求，構(gòu)型和總體布局設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)敏捷機(jī)動(dòng)能力的保障。平臺(tái)采用“四立柱+板”結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，緊湊化布局，實(shí)現(xiàn)小慣量要求；同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)高剛度要求，提高整星大型柔性部件剛度，采用二維二次展開(kāi)并聯(lián)高剛度太陽(yáng)翼，并采用高穩(wěn)高剛度太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)控制，滿足在軌高剛度需求。

控制是實(shí)現(xiàn)敏捷機(jī)動(dòng)能力的核心，配置5臺(tái)大力矩控制陀螺實(shí)現(xiàn)快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)，采用新一代甚高精度星敏感器和適應(yīng)大角度機(jī)動(dòng)能力的新型大量程三浮陀螺實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)姿，配合轉(zhuǎn)速相對(duì)波動(dòng)小的高穩(wěn)太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高指向精度、測(cè)量精度及高穩(wěn)定度；敏捷機(jī)動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的姿態(tài)測(cè)量與控制算法，針對(duì)大力矩控制力矩陀螺的力矩精度偏低、力矩噪聲偏大的情況，適當(dāng)提高系統(tǒng)帶寬，采取平滑的軌跡規(guī)劃方式、機(jī)動(dòng)過(guò)程中采用前饋補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，提升敏捷機(jī)動(dòng)到位及穩(wěn)定的能力。根據(jù)敏捷成像模式需求，提出了偏置飛行、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)機(jī)動(dòng)、姿態(tài)/角速度預(yù)置、非沿跡跟蹤等多種控制子模式。

在高分多模衛(wèi)星研制過(guò)程中，通過(guò)單軸氣浮臺(tái)原理驗(yàn)證試驗(yàn)、3軸氣浮臺(tái)物理仿真試驗(yàn)，對(duì)機(jī)動(dòng)控制模式、典型機(jī)動(dòng)能力和敏捷機(jī)動(dòng)控制方案進(jìn)行物理仿真驗(yàn)證。圖3為敏捷機(jī)動(dòng)能力遙測(cè)曲線。在軌測(cè)試結(jié)果表明：敏捷機(jī)動(dòng)能力達(dá)到了25°/15 s，優(yōu)于25°/20 s的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖3 敏捷機(jī)動(dòng)能力遙測(cè)曲線Fig.3 Telemetering curve of agility

1.1.3 任務(wù)管理智能

高分多模衛(wèi)星具有多種敏捷成像模式，較傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星成像模式復(fù)雜、多樣、靈活，成像能力大幅提升，單軌/每天成像任務(wù)數(shù)量提升數(shù)倍以上[6]。為實(shí)現(xiàn)高分多模衛(wèi)星靈活的工作模式與用戶多源需求的有效對(duì)接，在調(diào)研國(guó)外先進(jìn)WorldView和“昴宿星”(Pleiades)系列衛(wèi)星商業(yè)規(guī)劃、在軌運(yùn)行控制方式的基礎(chǔ)上，提出了星地任務(wù)體系組成和運(yùn)行方案，完成了敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃體系構(gòu)架設(shè)計(jì)，星地界面采用“元任務(wù)”概念，向用戶屏蔽了衛(wèi)星的底層指令操作，降低了用戶使用復(fù)雜度；地面將成像條帶進(jìn)行綜合優(yōu)化，形成“元任務(wù)”序列，并通過(guò)地面測(cè)控網(wǎng)上注至衛(wèi)星。

高分多模衛(wèi)星上采用以系統(tǒng)管理單元為核心的智能任務(wù)管理技術(shù)，對(duì)“元任務(wù)”進(jìn)行解析、檢查，將元任務(wù)轉(zhuǎn)化為各個(gè)分系統(tǒng)/子系統(tǒng)的動(dòng)作序列，進(jìn)而生成指令序列。衛(wèi)星按照規(guī)劃好的指令序列控制各分系統(tǒng)執(zhí)行各項(xiàng)操作任務(wù)，實(shí)現(xiàn)各類豐富的敏捷成像。在研制過(guò)程中，開(kāi)發(fā)了地面任務(wù)規(guī)劃仿真軟件，解決了任務(wù)圈次分配綜合優(yōu)化、一軌內(nèi)任務(wù)序列規(guī)劃等技術(shù)難點(diǎn)，并通過(guò)了在軌測(cè)試驗(yàn)證，應(yīng)用效果良好。向用戶提供非常簡(jiǎn)易、靈活、高效的操作使用模式，應(yīng)急響應(yīng)能力強(qiáng)，最大程度發(fā)揮高分多模衛(wèi)星的應(yīng)用效能。

1.2 圖像質(zhì)量高

1.2.1 大口徑長(zhǎng)焦距敏捷相機(jī)的設(shè)計(jì)和研制

高分辨率相機(jī)(見(jiàn)圖4)采用大口徑長(zhǎng)焦距的三反同軸光學(xué)系統(tǒng)，光圈數(shù)為10.3，焦距為10.8 m。根據(jù)目前高分辨率相機(jī)探測(cè)器的可獲得性，創(chuàng)新性地采用7 μm/28 μm的5譜段+28 μm的4譜段TDICCD傳感器共同實(shí)現(xiàn)9譜段成像，采用多片光學(xué)拼接方法實(shí)現(xiàn)0.5 m全色/2 m多光譜分辨率、15 km幅寬及9譜段成像要求。為達(dá)到高成像質(zhì)量，采用12 bit高數(shù)據(jù)量化，最大信噪比提高到48 dB；綜合考慮光學(xué)系統(tǒng)、TDICCD器件飽和電壓等因素，電子學(xué)采用集成化設(shè)計(jì)、電源濾波及CCD模擬信號(hào)濾波技術(shù)等措施改進(jìn)電子學(xué)噪聲。為實(shí)現(xiàn)高內(nèi)方位元素穩(wěn)定性，采用主動(dòng)+被動(dòng)結(jié)合的高精度熱控設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了±0.3 ℃高精度溫控要求；相機(jī)主體采用以主承力框?yàn)楹诵闹吻扮R身和后鏡身的緊湊設(shè)計(jì)，材料選取剛度高、質(zhì)量小、穩(wěn)定性好、工藝成熟的鈦合金、復(fù)合材料等。為適應(yīng)敏捷成像對(duì)大動(dòng)態(tài)積分時(shí)間快速調(diào)整、相機(jī)頻繁開(kāi)關(guān)機(jī)及低功耗的要求，設(shè)計(jì)了高速大動(dòng)態(tài)CCD驅(qū)動(dòng)電路方案及積分時(shí)間快速插值功能，設(shè)計(jì)了低功耗、快速轉(zhuǎn)換的待機(jī)模式。

圖4 高分辨率相機(jī)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試Fig.4 Laboratory test of high resolution camera

通過(guò)地面試驗(yàn)及在軌飛行測(cè)試，高分辨率相機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率、9譜段、高質(zhì)量的成像要求。彩色融合圖像色彩均勻、細(xì)節(jié)豐富、層次清晰。圖5給出了2020年8月20日上海陸家嘴高層建筑群圖像，建筑群細(xì)節(jié)清晰，道路規(guī)劃識(shí)別精度高，地面汽車數(shù)量及類型清晰可辨識(shí)。衛(wèi)星圖像多光譜譜段信息豐富。圖6給出了2020年7月21日埃及亞歷山大港農(nóng)田不同譜段融合對(duì)比圖，采用近紅外/紅邊/紅假彩色融合圖，較常規(guī)紅/綠/藍(lán)真彩色融合圖分類識(shí)別精度更高，針對(duì)不同地物特征采用不同譜段融合，可有效提升分類識(shí)別精度。

圖5 上海陸家嘴彩色融合圖像Fig.5 Color fusion image of Lujiazui in Shanghai

圖6 埃及亞歷山大港多光譜融合圖像Fig.6 Multispectral fusion image of Alexandria

1.2.2 10 m(1σ)高定位精度保證技術(shù)

高定位精度的衛(wèi)星平臺(tái)支持能力是中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)研制中的一項(xiàng)核心技術(shù)；通過(guò)開(kāi)展攻關(guān)突破制約定位精度提升的高精密定軌、高精度定姿、高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)、高精度時(shí)統(tǒng)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，新研甚高精度星敏感器、大量程三浮陀螺及高穩(wěn)定復(fù)合材料星敏感器支架等核心單機(jī)，顯著提升定位精度水平。高分多模衛(wèi)星在中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)的研制基礎(chǔ)上，繼承和應(yīng)用相關(guān)技術(shù)，結(jié)合有效載荷技術(shù)狀態(tài)，完成了定位精度分析及指標(biāo)分配；圍繞高分辨率相機(jī)開(kāi)展設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作(如圖7所示)，完善了相機(jī)-星敏感器一體化安裝的設(shè)計(jì)，完成了高分辨率相機(jī)柔性適配安裝設(shè)計(jì)，進(jìn)一步減少平臺(tái)變形影響；完成了高分辨率相機(jī)高精度校時(shí)設(shè)計(jì)及內(nèi)方位元素穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，并開(kāi)展相關(guān)仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證。綜合各個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證情況，完成了無(wú)控制點(diǎn)圖像平面定位精度優(yōu)于10 m(1σ)的仿真分析驗(yàn)證。無(wú)控制點(diǎn)圖像平面定位精度在軌測(cè)試結(jié)果表明：在偏離星下點(diǎn)30°錐角范圍內(nèi)，無(wú)控制點(diǎn)圖像平面定位精度可優(yōu)于5 m。

圖7 高分辨率相機(jī)柔性適配設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.7 Verification test of flexible adaptation design for high resolution camera

1.2.3 多級(jí)隔振的微振動(dòng)抑制技術(shù)

基于圖像質(zhì)量對(duì)整星微振動(dòng)要求，完成了基于微振動(dòng)對(duì)成像質(zhì)量的影響鏈路分析與分解，采取多級(jí)減隔振技術(shù)途徑，從擾動(dòng)源、減振裝置、結(jié)構(gòu)傳遞、有效載荷4個(gè)方面開(kāi)展工作。基于中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)的微振動(dòng)抑制核心技術(shù)攻關(guān)成果，設(shè)計(jì)了面向控制力矩陀螺(CMG)群整體隔振的微振動(dòng)抑制方案，完成了大力矩CMG擾振測(cè)量和分析，以及CMG支架設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用，進(jìn)行了以高剛度微振動(dòng)隔振裝置為核心的并聯(lián)隔振裝置設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測(cè)試及試驗(yàn)驗(yàn)證，能夠有效抑制CMG引起的有效載荷安裝面的微振動(dòng)響應(yīng)，振動(dòng)幅值衰減80%以上。

針對(duì)高分多模衛(wèi)星狀態(tài)，圍繞高分辨率相機(jī)成像特點(diǎn)，在其與平臺(tái)安裝界面設(shè)計(jì)了集平臺(tái)變形釋放和隔振一體的柔性適配裝置，進(jìn)一步消除振動(dòng)對(duì)相機(jī)的影響。優(yōu)化設(shè)計(jì)柔性和隔振參數(shù)，取得最優(yōu)效果，完成了單機(jī)鑒定及整星微振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證(見(jiàn)圖8)；正樣研制階段通過(guò)整星模態(tài)測(cè)試進(jìn)一步確認(rèn)了柔性適配狀態(tài)，并完成了在軌微振動(dòng)響應(yīng)仿真預(yù)示。

圖8 整星微振動(dòng)試驗(yàn)Fig.8 Test of satellite micro vibration

在軌微振動(dòng)測(cè)量表明：CMG到各關(guān)鍵位置傳遞函數(shù)在特征頻點(diǎn)處出現(xiàn)了明顯的衰減，經(jīng)過(guò)并聯(lián)隔振裝置、結(jié)構(gòu)傳遞衰減、柔性適配裝置，響應(yīng)衰減達(dá)到90%以上。通過(guò)在軌測(cè)試，圖像質(zhì)量良好，在軌動(dòng)態(tài)傳遞函數(shù)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)狀態(tài)。在軌微振動(dòng)測(cè)量及在軌圖像動(dòng)態(tài)傳遞函數(shù)測(cè)試結(jié)果表明：微振動(dòng)抑制措施有效。

1.3 時(shí)空同步大氣校正

高分多模衛(wèi)星具有0.5 m高分辨率、敏捷成像模式豐富多樣的特點(diǎn)，特別是敏捷成像過(guò)程中衛(wèi)星姿態(tài)角變化較大，大氣對(duì)圖像質(zhì)量影響更為突出，不可避免地受到大氣分子、氣溶膠和云等大氣成份的吸收與散射的影響。采取時(shí)空同步大氣校正技術(shù)，可有效提高圖像輻射精度和圖像質(zhì)量[7-8]，滿足定量化應(yīng)用需求。高分多模衛(wèi)星配置1臺(tái)大氣同步校正儀，與高分辨率相機(jī)同步同視場(chǎng)觀測(cè)，同步獲取高分辨率相機(jī)觀測(cè)區(qū)域的大氣參數(shù)信息，用于地面圖像處理中的大氣校正。大氣同步校正儀采用分孔徑多元探測(cè)方案，光機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，如圖9所示。通過(guò)3個(gè)非偏/5個(gè)偏振輻射通道獲取目標(biāo)區(qū)域大氣的光輻射信息和偏振輻射信息，以反演有關(guān)大氣物理特性并進(jìn)行校正。

圖9 大氣同步校正儀Fig.9 Synchronized atmospheric corrector

圖10給出了2020年8月5日美國(guó)加州大火煙霧彌漫后的校正前后圖像，同時(shí)具有城市區(qū)、植被區(qū)的復(fù)雜地表上空大氣的校正，大氣校正可以有效去除大氣程輻射影響，改善地物定量化水平。

圖10 大氣校正前后圖像對(duì)比(美國(guó)加州)Fig.10 Comparison of images (California, U.S.) before and after atmospheric correction

圖11為2020年7月26日科威特真彩色影響校正前后對(duì)比，高亮區(qū)域細(xì)節(jié)、屋頂紋理在校正后更為清晰，大氣校正能夠去除大氣程輻射和交叉輻射效應(yīng)，進(jìn)而改善地物細(xì)節(jié)特征的可識(shí)別性。

圖11 大氣校正前后圖像對(duì)比(科威特國(guó)際機(jī)場(chǎng))Fig.11 Comparison of images (Kuwait international airport) before and after atmospheric correction

在軌測(cè)試評(píng)價(jià)結(jié)果可知：大氣參數(shù)反演精度較高，大氣同步校正效果明顯，特別是大氣氣溶膠達(dá)到0.4以上，大氣同步校正效果更為突出，可有效降低大氣程輻射、交叉輻射及鄰近效應(yīng)的影響，校正后更為清晰，地物細(xì)節(jié)特征可辨識(shí)性更高，能提升光譜特性，提高圖像產(chǎn)品定量化應(yīng)用水平。

1.4 快速響應(yīng)能力強(qiáng)

1.4.1 民用遙感衛(wèi)星首次配置中繼數(shù)傳

高分多模衛(wèi)星具有高的成像能力和快速響應(yīng)能力，根據(jù)我國(guó)當(dāng)前可用地面接收站的布局及配置情況，為保證衛(wèi)星在軌應(yīng)用效能的充分發(fā)揮，能夠有效支撐我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)及重大戰(zhàn)略布局的實(shí)施，參考美國(guó)、法國(guó)等同類先進(jìn)商業(yè)遙感衛(wèi)星全球地面接收布局及使用策略，充分利用我國(guó)中繼衛(wèi)星資源，配置中繼數(shù)傳，通過(guò)合理規(guī)劃地面接收站及中繼衛(wèi)星使用資源，保證每天不少于36萬(wàn)平方千米的圖像獲取能力，通過(guò)中繼衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)境外成像當(dāng)圈回傳獲取能力，有效解決受地面接收站布置限制帶來(lái)快速響應(yīng)不足的問(wèn)題。同時(shí)，在設(shè)計(jì)上突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，為保證敏捷機(jī)動(dòng)小慣量、高剛度要求，充分利用衛(wèi)星敏捷機(jī)動(dòng)能力，創(chuàng)新性地采用星體姿態(tài)機(jī)動(dòng)結(jié)合天線小角度轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)中繼衛(wèi)星指向與跟蹤；采用星體姿態(tài)及太陽(yáng)翼跟蹤控制策略，有效解決了中繼數(shù)傳過(guò)程中電能、熱控、星敏感器見(jiàn)光等問(wèn)題，并通過(guò)地面仿真及在軌測(cè)試驗(yàn)證，可以保障中繼數(shù)傳弧段需求及穩(wěn)定跟蹤要求。

1.4.2 快速獲取模式創(chuàng)新

面向應(yīng)急響應(yīng)需求[9-11]，深入挖掘衛(wèi)星應(yīng)用潛能，利用快速敏捷成像及靈活智能自主任務(wù)管理能力，通過(guò)配置特定區(qū)域提取與處理單元，結(jié)合衛(wèi)星的敏捷成像，完成特定區(qū)域圖像的提取、輻射校正及幾何校正，生成用戶可直接應(yīng)用的二級(jí)圖像產(chǎn)品，并利用數(shù)傳的低速傳輸模式，支持配置更為靈活的機(jī)動(dòng)站或微型便攜接收站。衛(wèi)星上設(shè)置有多檔數(shù)傳碼速率，用戶可根據(jù)需求靈活選擇使用，支持1.2 m，4.5 m及更大口徑天線接收使用。

2020年12月，高分多模衛(wèi)星在北京首次完成了面向應(yīng)急響應(yīng)需求的特定區(qū)域快速獲取模式應(yīng)用演示驗(yàn)證，模擬應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)前沿指揮部“實(shí)時(shí)”接收受災(zāi)區(qū)域2級(jí)遙感圖像產(chǎn)品，并進(jìn)行判讀應(yīng)用的場(chǎng)景。衛(wèi)星在10：54：24開(kāi)始成像，成像后立即進(jìn)行星上實(shí)時(shí)處理，生成15 km×15 km的2級(jí)圖像產(chǎn)品；10：56：30，通過(guò)指揮部配置的地面移動(dòng)接收站完成圖像數(shù)據(jù)的接收、解調(diào)，并進(jìn)行圖像產(chǎn)品的顯示和判讀，地面接收并顯示的圖像如圖12所示，圖像分辨率高、紋理細(xì)膩、細(xì)節(jié)清晰。衛(wèi)星成像至用戶接收到可直接應(yīng)用圖像的獲取全鏈路時(shí)間縮短至2 min左右，可“第一時(shí)間”將受災(zāi)區(qū)域的遙感衛(wèi)星圖像產(chǎn)品傳送到前沿應(yīng)急指揮部。用戶對(duì)此給予了充分肯定和高度評(píng)價(jià)，此模式能夠?yàn)閼?yīng)急響應(yīng)需求提供及時(shí)、有效的信息，以便及時(shí)掌握災(zāi)害發(fā)生地點(diǎn)、涉及范圍、發(fā)展趨勢(shì)等，可大幅提升重大災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情信息傳遞的保障能力。

圖12 快速獲取試驗(yàn)獲取的圖像Fig.12 Acquired images during fast-acquisition test

1.5 實(shí)現(xiàn)中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)全面在軌驗(yàn)證

中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)在功能性能和設(shè)計(jì)指標(biāo)上，均瞄準(zhǔn)當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)水平鮑爾可重構(gòu)-5000(BCP-5000)平臺(tái)，提升我國(guó)遙感衛(wèi)星平臺(tái)能力，滿足我國(guó)未來(lái)遙感衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的需求，使我國(guó)遙感衛(wèi)星平臺(tái)性能達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平，促進(jìn)和帶動(dòng)遙感衛(wèi)星研制管理模式轉(zhuǎn)變。高分多模衛(wèi)星作為中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)首發(fā)星，通過(guò)研制、發(fā)射及在軌運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)各項(xiàng)技術(shù)及產(chǎn)品的全面驗(yàn)證，首次完成了基于遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)的衛(wèi)星研制模式全面實(shí)踐驗(yàn)證，大幅提升了研制質(zhì)量與效率，有效降低了研制成本；敏捷機(jī)動(dòng)控制技術(shù)、高定位精度平臺(tái)支撐技術(shù)及微振動(dòng)抑制技術(shù)等平臺(tái)核心技術(shù)，得到了全面在軌驗(yàn)證，各項(xiàng)功能性能技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，支持實(shí)現(xiàn)了各類復(fù)雜敏捷成像能力及高質(zhì)量圖像數(shù)據(jù)；通過(guò)在軌測(cè)試及目視效果比對(duì)，圖像質(zhì)量好，輻射質(zhì)量高，圖像紋理細(xì)節(jié)豐富、清晰，邊緣銳利、層次感好，達(dá)到或優(yōu)于WorldView-2圖像產(chǎn)品質(zhì)量，處于國(guó)際先進(jìn)水平?；诰C合電子理念的星載數(shù)據(jù)系統(tǒng)技術(shù)，有效提高了自主任務(wù)規(guī)劃與管理能力、自主故障診斷與管理能力，為高分多模衛(wèi)星好用性、易用性及健壯性實(shí)現(xiàn)提供了有力支撐保障。

2 發(fā)展建議

高分多模衛(wèi)星自2020年7月3日發(fā)射至今，在軌穩(wěn)定運(yùn)行。為保證用戶對(duì)高分辨率、高質(zhì)量衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)連續(xù)性、穩(wěn)定性及覆蓋能力的要求，結(jié)合我國(guó)民用航天規(guī)劃，后續(xù)將以業(yè)務(wù)衛(wèi)星為主體，結(jié)合科研衛(wèi)星在軌應(yīng)用，合理優(yōu)化性能指標(biāo)，提升衛(wèi)星智能化水平，保持衛(wèi)星的先進(jìn)性；加快與高分多模衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行，進(jìn)一步提升服務(wù)能力。

根據(jù)國(guó)際先進(jìn)商業(yè)遙感衛(wèi)星發(fā)展趨勢(shì)，基于我國(guó)遙感衛(wèi)星研制技術(shù)能力，結(jié)合用戶實(shí)際行業(yè)應(yīng)用使用情況，后續(xù)業(yè)務(wù)衛(wèi)星建議在以下幾方面開(kāi)展工作。

(1)加快組網(wǎng)建設(shè)，保證覆蓋能力和響應(yīng)能力。盡管高分多模衛(wèi)星強(qiáng)的敏捷機(jī)動(dòng)能力可實(shí)現(xiàn)較高的獲取效率，但受軌道及觀測(cè)幅寬的限制，單星覆蓋能力和重訪能力較用戶需求還存在較大差距。因此，需要加快組網(wǎng)建設(shè)，分步實(shí)現(xiàn)雙星、四星甚至多星組網(wǎng)運(yùn)行，保證高的覆蓋能力和關(guān)注區(qū)域小時(shí)級(jí)高重訪需求。

(2)性能指標(biāo)提升，保持國(guó)際先進(jìn)性。隨著用戶定量化應(yīng)用水平的不斷提升，對(duì)標(biāo)Worldview和Pleiades系列衛(wèi)星建設(shè)及發(fā)展規(guī)劃，業(yè)務(wù)衛(wèi)星在分辨率、譜段及敏捷機(jī)動(dòng)能力等方面仍需要進(jìn)一步提升，提供更高分辨率、更豐富譜段及更高效成像能力，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)遙感衛(wèi)星定量化應(yīng)用水平，有效保障“一帶一路”、京津冀協(xié)同發(fā)展、長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)、重大災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警和響應(yīng)等國(guó)家重大戰(zhàn)略實(shí)施。

(3)提高智能化水平，提升好用性、易用性。隨著遙感衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，星上綜合電子能力得到了快速提升，關(guān)注用戶使用體驗(yàn)，基于科研衛(wèi)星研制經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)，重點(diǎn)圍繞星上實(shí)時(shí)處理、自主任務(wù)管理及自主健康管理等方面提升設(shè)計(jì)，努力為用戶打造精品衛(wèi)星、好用易用衛(wèi)星。

3 結(jié)束語(yǔ)

高分多模衛(wèi)星作為民用高分辨率光學(xué)觀測(cè)星座中分辨率最高的衛(wèi)星，其成功發(fā)射及在軌應(yīng)用，將大幅提高陸地觀測(cè)系統(tǒng)的定量化應(yīng)用水平；衛(wèi)星突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)揮了技術(shù)引領(lǐng)和推動(dòng)作用，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)遙感衛(wèi)星技術(shù)水平的跨越式發(fā)展；實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于0.5 m高分辨率光學(xué)遙感數(shù)據(jù)國(guó)產(chǎn)化，是我國(guó)陸地觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)的重要標(biāo)志，將使我國(guó)高分辨率觀測(cè)能力達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，滿足高精度觀測(cè)業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)精細(xì)化觀測(cè)，能夠有效支撐我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)家資源安全戰(zhàn)略布局的實(shí)施。