范立佳 于龍江 姜洋 汪精華 余婧

(中國空間技術研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

高分多模衛(wèi)星是民用空間基礎設施“十三五”首批啟動并首顆發(fā)射的科研衛(wèi)星，采用全新一代中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺，配置良好研制基礎的大口徑、長焦距高分辨率相機、分孔徑多元探測的大氣同步校正儀等有效載荷，實現(xiàn)敏捷成像模式下高分辨率、高質量圖像數(shù)據(jù)的獲取能力。作為科研衛(wèi)星，根據(jù)遙感衛(wèi)星技術發(fā)展情況，開展星上圖像實時處理、星間激光通信等新技術的在軌試驗及應用；首次實現(xiàn)中繼數(shù)傳在民用遙感衛(wèi)星的應用，提高衛(wèi)星任務響應能力，促進軍民融合。高分多模衛(wèi)星在兼顧高分辨率與敏捷成像的遙感衛(wèi)星技術及應用的同時，發(fā)揮著技術引領和推動作用。

高分多模衛(wèi)星有效載荷類型多、數(shù)據(jù)量大、工作模式復雜，衛(wèi)星工作模式設計的好壞直接決定了衛(wèi)星研制要求的滿足度及在軌使用效能的發(fā)揮。因此，在滿足研制任務要求的前提下，為更好地發(fā)揮衛(wèi)星的在軌使用效能，充分調研了國內外設計[1-6]，并結合任務特點，完成了高分多模衛(wèi)星工作模式設計工作。本文闡述了其工作模式的設計要求及約束，給出了工作模式設計思考及結果。衛(wèi)星發(fā)射及在軌飛行驗證了工作模式設計的正確性和合理性。

1 工作模式設計需求及約束

1.1 敏捷成像模式需求分析

高分多模衛(wèi)星是目前我國民用對地觀測衛(wèi)星中分辨率最高的衛(wèi)星，要實現(xiàn)優(yōu)于0.5 m的高分辨率成像，實現(xiàn)精細化觀測。高分多模衛(wèi)星用戶多、各行業(yè)應用廣泛，成像目標區(qū)域呈現(xiàn)散布、點多的特性；傳統(tǒng)推掃成像由于幅寬限制，一次過境數(shù)據(jù)獲取能力有限。為滿足各行業(yè)對高分辨率圖像獲取的迫切需求，通過敏捷成像，利用衛(wèi)星快速指向成像區(qū)域，可一次過境實現(xiàn)對大量散布目標的圖像數(shù)據(jù)高效獲取，大幅度提升衛(wèi)星的任務執(zhí)行能力，充分發(fā)揮衛(wèi)星的使用效能。

從國際光學遙感衛(wèi)星發(fā)展趨勢來看[7-9]，以高成像分辨率、快速的姿態(tài)機動能力為主要特征。以“昴宿星”(Pleiades)、“世界觀測”(WorldView)系列衛(wèi)星[1-2]為代表的高分辨率敏捷衛(wèi)星，已經(jīng)成為高分辨率光學遙感衛(wèi)星的主要發(fā)展方向，并在商用領域取得了極大成功。圖1給出主流敏捷光學成像衛(wèi)星敏捷成像模式設計。

圖1 敏捷成像模式設計Fig.1 Agile imaging modes design

1.2 有效載荷數(shù)據(jù)源下傳需求分析

高分多模衛(wèi)星配置高分辨率相機、大氣同步校正儀等有效載荷；兩者要求同時觀測、數(shù)據(jù)同步存儲及下傳。高分辨率相機具有優(yōu)于全色0.5 m/多光譜2 m、1個全色譜段+8個多光譜譜段的成像能力，原始數(shù)據(jù)率最大可達15 Gbit/s，其中全色約10 Gbit/s、多光譜5 Gbit/s；大氣同步校正儀采用分孔徑+多元探測器分視場設計方案，配置8個譜段20個通道，采樣頻率10 Hz，原始觀測數(shù)據(jù)不超過8 kbit/s。2種有效載荷觀測數(shù)據(jù)大小差異非常大，如何實現(xiàn)2種數(shù)據(jù)的高效處理及存儲至關重要。

高分辨率相機數(shù)據(jù)可根據(jù)要求進行壓縮處理，大氣同步校正儀觀測數(shù)據(jù)不做壓縮處理，且兩者的數(shù)據(jù)同時存儲到固態(tài)存儲器中；為提高衛(wèi)星好用易用性，便于地面數(shù)傳任務規(guī)劃及地面圖像處理，要求兩者數(shù)據(jù)同步下傳。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸能力約束

根據(jù)高分多模衛(wèi)星每天觀測任務時間要求及有效載荷原始數(shù)據(jù)量，要求衛(wèi)星具備每天成像數(shù)據(jù)當天下傳的能力；衛(wèi)星卓越的成像能力要求其必須具有可靠高效的數(shù)據(jù)傳輸能力。經(jīng)調研分析[10]，X頻段數(shù)傳是迄今為止遙感衛(wèi)星普遍采用的對地數(shù)傳技術，國內及國際大部分地面接收站均可兼容。綜合考慮傳輸效率、地面接收等各種因素，高分多模衛(wèi)星采用X頻段對地數(shù)傳技術。根據(jù)衛(wèi)星對數(shù)據(jù)傳輸需求，兼顧境內及境外站的接收能力，采用8PSK/SQPSK調制技術，雙通道正交極化頻率復用，實現(xiàn)2×800 Mbit/s和2×450 Mbit/s的雙通道傳輸能力。

高分多模衛(wèi)星作為一顆敏捷成像衛(wèi)星，任務快速響應能力至關重要；為突破我國地面接收站布局限制，充分利用中繼資源，配置了中繼數(shù)傳，進一步提高衛(wèi)星全球圖像數(shù)據(jù)的快速獲取能力。

2 工作模式設計

高分多模衛(wèi)星工作模式涵蓋從衛(wèi)星發(fā)射入軌、入軌狀態(tài)建立、正常在軌飛行、衛(wèi)星故障處置等各個飛行階段所涉及的所有工作項目和動作，具體包括以下幾個方面。①發(fā)射入軌模式：從衛(wèi)星進入發(fā)射狀態(tài)到星箭分離；②入軌狀態(tài)建立模式：從星箭分離到衛(wèi)星正常姿態(tài)的建立；③軌道控制模式：在軌工作期間需要定期或根據(jù)需求進行姿態(tài)和軌道控制，以完成軌道誤差修正工作，此時衛(wèi)星有效載荷不工作；④正常運行模式：衛(wèi)星在工作軌道正常運行，有效載荷關機不工作，平臺正常自主運行；⑤任務執(zhí)行模式：衛(wèi)星在軌執(zhí)行各類任務，具體又可分為敏捷成像模式、特定區(qū)域快速獲取模式、數(shù)據(jù)回放模式及激光通信試驗模式；⑥應急模式：衛(wèi)星進行整星級故障應對時采取的安全保護模式。根據(jù)工作模式設計，①和②在軌僅執(zhí)行1次；衛(wèi)星在軌飛行期間，主要在③，④，⑤，⑥之間進行切換，詳細的邏輯關系見圖2。從圖2中可見：為有效保證衛(wèi)星安全，衛(wèi)星處于任意模式下，一旦出現(xiàn)異常或故障時，均可直接進入應急模式，且應急模式的退出路徑只能進入正常運行模式，確認衛(wèi)星運行正常后方可執(zhí)行任務執(zhí)行模式或軌道控制模式。在6種模式中，①～④為遙感衛(wèi)星通用工作模式，模式狀態(tài)簡單，設計較為成熟，不再贅述。本文重點針對模式⑤和模式⑥進行設計。

圖2 整星各工作模式間的切換關系Fig.2 Switching logic of satellite operating modes

2.1 任務執(zhí)行模式

高分多模衛(wèi)星根據(jù)任務要求，任務執(zhí)行模式可分為業(yè)務任務和試驗任務。業(yè)務任務包括敏捷成像模式、數(shù)據(jù)存儲與傳輸模式、特定區(qū)域快速獲取模式。敏捷成像模式和數(shù)據(jù)回放模式完全獨立，可分時或同時執(zhí)行。試驗任務包括星間激光通信試驗模式。

2.1.1 敏捷成像模式

高分多模衛(wèi)星采用中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺，配置具有良好研制基礎的高分辨率相機、大氣同步校正儀等有效載荷。充分利用平臺的敏捷機動能力，結合大口徑可見光相機敏捷成像能力，參考國外先進的WorldView系列衛(wèi)星、Pleiades系列衛(wèi)星的敏捷成像工作模式設計[1-2]，高分多模衛(wèi)星設計有同軌多點目標成像模式、同軌多條帶拼幅成像模式、同軌多角度/立體成像模式、沿跡/非沿跡主動推掃成像模式等多種敏捷成像模式。為滿足用戶對高分辨率、高圖像質量數(shù)據(jù)產品的應用需求，減小大氣對圖像的質量影響，配置了大氣同步校正儀，同步獲取高分辨率相機觀測區(qū)域的大氣參數(shù)信息，并與相機數(shù)據(jù)同步下傳，用于地面圖像數(shù)據(jù)的大氣校正處理，實現(xiàn)光譜復原度和調制傳遞函數(shù)(MTF)的提升。

1)同軌多點目標成像模式

衛(wèi)星通過快速姿態(tài)機動調整相機指向，實現(xiàn)對一軌可視范圍內散布的多個點目標(條帶長度可根據(jù)任務需求進行設置)的訪問成像，如圖3所示。該模式旨在快速、高效獲取多個關注區(qū)域的圖像，滿足對用戶關注的散布小塊目標的探測需求；一軌可獲取目標數(shù)量不少于20個。

圖3 同軌多點目標成像模式Fig.3 Single-pass targets imaging mode

2)同軌多條帶拼幅成像模式

衛(wèi)星通過快速姿態(tài)機動調整相機指向，實現(xiàn)對區(qū)域目標連續(xù)進行多次條帶成像，以達到完全覆蓋的目的，如圖4所示。該模式旨在實現(xiàn)對某一較大面積區(qū)域的快速成像。實際應用時，各個條帶的長度可以是不相等的。一次拼幅可以完成典型成像區(qū)域包括60 km×60 km，60 km×120 km，90 km×90 km，滿足用戶對一次過境成像幅寬15～90 km的需求，基本能夠覆蓋大部分城市核心區(qū)域。

圖4 同軌多條帶拼幅成像模式Fig.4 Single-pass strip imaging mode

3)同軌多角度成像模式

衛(wèi)星通過快速姿態(tài)機動調整相機指向，實現(xiàn)對同一條帶目標連續(xù)進行多個角度的成像，如圖5所示，多角度成像次數(shù)可以在2～12次間任意指定。該模式旨在實現(xiàn)某一特定目標區(qū)域的多個不同角度的觀測圖像的獲取，可為用戶提供更為豐富的觀測信息，提高定量化應用水平。

圖5 同軌多角度成像模式Fig.5 Single-pass multi-view imaging mode

4)同軌立體成像模式

衛(wèi)星通過快速姿態(tài)機動調整相機指向，實現(xiàn)單線陣立體成像，支持2視(前視、后視)或3視(前視、正視、后視)立體成像，基高比可設置，如圖6所示。該模式旨在實現(xiàn)單線陣2視或3視立體圖像，用戶可以指定立體交匯角，或指定對于每幅圖像的觀測角度。其觀測角度靈活，可根據(jù)用戶需求靈活設置。

圖6 同軌立體成像模式(2視)Fig.6 Single-pass stereo imaging mode

5)任意向主動推掃成像模式

利用衛(wèi)星強大的敏捷機動能力，結合相機敏捷成像技術，是我國遙感衛(wèi)星首次在軌實現(xiàn)“動中成像”，如圖7所示。該模式旨在快速獲取任意方向的條帶區(qū)域圖像，可以對河岸、海岸、邊境、公路、管道等不規(guī)則長條帶目標進行成像，大幅提高衛(wèi)星圖像采集效率；在不考慮天氣影響觀測機會的前提下，較傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星沿跡推掃成像獲取效率可提升數(shù)十倍。

圖7 非沿跡主動推掃成像模式Fig.7 Non-along-track active pushbroom imaging mode

2.1.2 數(shù)據(jù)存儲與傳輸模式

高分多模衛(wèi)星的高分辨率相機原始數(shù)據(jù)達到了15 Gbit/s，受限于數(shù)據(jù)下傳通道碼速率及地面站分布的限制，無法實現(xiàn)成像數(shù)據(jù)直接下傳。為解決上述問題，衛(wèi)星配置大容量數(shù)據(jù)存儲器，將相機成像數(shù)據(jù)進行適度壓縮并存儲，衛(wèi)星過地面站或中繼衛(wèi)星時再進行數(shù)據(jù)下傳，為此設計了數(shù)據(jù)存儲模式和傳輸模式。

1)數(shù)據(jù)存儲模式

根據(jù)衛(wèi)星每天成像任務時間要求，考慮數(shù)據(jù)傳輸能力及地面站分布情況，經(jīng)分析論證，配置了5 Tbit大容量固態(tài)存儲器；采用基于差分預測編碼技術的JPEG-LS算法，該算法簡單、易于硬件實現(xiàn)，在低倍壓縮下帶來圖像質量損失??；設計了多檔壓縮比靈活配置，可滿足用戶不同任務需求。

2)數(shù)據(jù)傳輸模式

針對高分多模衛(wèi)星成像能力強、數(shù)據(jù)量大等特點，在數(shù)傳模式設計時統(tǒng)籌資源、充分利用，設計了對地數(shù)傳模式及中繼數(shù)傳模式。

(1)對地數(shù)傳模式：作為商業(yè)化運營的科研衛(wèi)星，設計時充分考慮商業(yè)用戶需求，提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取時效性，為支持全球數(shù)據(jù)落地，對地數(shù)傳設計時兼顧我國地面接收站、境外可租用地面接收站狀態(tài)；基于同一套硬件系統(tǒng)，設計了高速、中速對地數(shù)傳模式，用戶可根據(jù)任務需求靈活使用。

(2)對中繼數(shù)傳模式：充分利用中繼數(shù)傳的優(yōu)勢，提高數(shù)據(jù)獲取能力及響應能力，設計了兼容一代、二代中繼系統(tǒng)的中繼數(shù)傳，用戶可根據(jù)任務需求靈活選擇應用。

2.1.3 特定區(qū)域快速獲取模式

傳統(tǒng)圖像產品服務流程主要是衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)過固定地面接收站進行接收，接收后推送至地面處理中心進行地面處理，處理后再推送至用戶部門，整個服務鏈條涉及多個環(huán)節(jié)全鏈路保障；但針對于重大災害、事故或事件應用場景，受限于受災區(qū)地理環(huán)境、設備設施等限制，當前的信息獲取和傳輸手段無法滿足快速應急信息分發(fā)的需求，亟需解決如何“第一時間”將受災區(qū)域的遙感衛(wèi)星圖像產品傳送到前沿應急指揮部，以便及時掌握災害發(fā)生地點、涉及范圍、發(fā)展趨勢等信息[11-12]。為此，高分多模衛(wèi)星設計特定區(qū)域快速獲取模式，如圖8所示。配置特定區(qū)域提取與處理單元，結合敏捷成像模式，完成用戶關注的特定區(qū)域圖像的提取、輻射校正及幾何校正，生成用戶可直接應用的2級圖像產品，并利用數(shù)傳的低速傳輸模式，在前沿應急指揮部配置更為靈活的機動站或微型便攜接收站，即可完成圖像數(shù)據(jù)的快速實時接收與顯示，可有效解決如何“第一時間”將受災區(qū)域的遙感衛(wèi)星圖像產品傳送到前沿應急指揮部的問題，使獲取時效由數(shù)小時提高至分鐘級，為應急響應需求提供及時、有效的信息，能夠有效解決災區(qū)通信設施損毀所導致的數(shù)據(jù)傳輸難題，大幅提高重大災害現(xiàn)場災情信息傳遞的保障能力。

圖8 特定區(qū)域快速獲取典型應用場景Fig.8 Practical scenes of fast acquisition of specific area

2.1.4 激光通信試驗模式

高分多模衛(wèi)星搭載了一套小型化激光通信終端，開展高-低軌星間激光鏈路傳輸試驗，突破高軌、低軌星間激光高速通信技術，為今后逐步建立天地一體化激光通信網(wǎng)絡奠定技術基礎。高分多模衛(wèi)星采用激光通信試驗模式，激光通信終端通過方位/俯仰2軸轉動的方式實現(xiàn)高軌、低軌激光通信終端的捕獲及跟蹤；充分利用整星敏捷機動能力，通過姿態(tài)預置增加試驗弧段，可大幅提升試驗效率。利用高分多模衛(wèi)星與高軌衛(wèi)星激光通信終端完成捕獲、跟蹤、鏈路建立、鏈路保持及通信，高軌衛(wèi)星終端接收數(shù)據(jù)存儲，待通信結束后，高軌衛(wèi)星激光通信終端將存儲數(shù)據(jù)發(fā)至地面接收站。

2.2 應急模式

為保證衛(wèi)星在軌安全，衛(wèi)星上持續(xù)進行健康狀態(tài)監(jiān)控，無論衛(wèi)星工作在哪種工作模式，在出現(xiàn)異?；蚬收蠒r能自主判斷且及時處理，防止故障擴散，并進入應急模式；當衛(wèi)星電源出現(xiàn)異常時，整星立即停止任務執(zhí)行，并進入最小電能模式；當衛(wèi)星姿態(tài)異常時，整星立即停止任務執(zhí)行，并轉入全姿態(tài)捕獲；若無法完成對日定向，衛(wèi)星進入姿態(tài)?？貭顟B(tài)，整星進入最小電能模式，停止噴氣控制，防止推力器頻繁噴氣造成衛(wèi)星姿態(tài)快旋，從而導致失控或者消耗過多燃料。

3 在軌驗證情況

高分多模衛(wèi)星于2020年7月3日發(fā)射，衛(wèi)星順利進入預定軌道，并按照預定程序順利完成了初始速率阻尼，太陽翼展開及鎖定，初始姿態(tài)建立，太陽翼捕獲跟蹤太陽等動作，建立了衛(wèi)星的正常工作狀態(tài)，充分驗證了衛(wèi)星發(fā)射入軌模式、入軌狀態(tài)建立模式設計的正確性及合理性。衛(wèi)星飛控期間，對正常運行模式、軌道控制模式進行了測試驗證，結果表明：各模式設計正確，滿足設計要求。其中：應急模式是在衛(wèi)星異?；蚬收锨闆r下自主進入的保護模式，衛(wèi)星入軌后運行穩(wěn)定，未進入此模式。不過，發(fā)射前通過地面初樣/正樣的電性能測試進行了充分驗證。

在軌測試期間，完成了敏捷成像模式、數(shù)據(jù)存儲與傳輸模式、特定區(qū)域快速獲取模式及激光通信試驗模式等全部任務執(zhí)行模式測試驗證，各類模式執(zhí)行正常，功能性能滿足要求，能夠高效正確執(zhí)行用戶各類任務。

3.1 敏捷成像模式

高分多模衛(wèi)星飛控及在軌測試期間，結合成像任務編排完成了同軌多點目標成像模式、同軌多條帶拼幅成像模式、同軌多角度/立體成像模式、沿跡/非沿跡主動推掃成像模式等全部敏捷成像模式測試驗證。其中：同軌多點目標成像模式可以實現(xiàn)單軌成像條帶數(shù)量不少于20個；同軌多條帶拼幅成像模式可以實現(xiàn)同軌6(拼幅條帶數(shù)量)×102 km(條帶長度)；同軌多角度成像模式可以同軌對同一目標實現(xiàn)12次以上的成像；同軌立體成像模式可以實現(xiàn)2視立體和3視立體成像，2視立體成像條帶長度可達233 km，3視立體成像條帶長度可達68 km，基高比可以靈活設置；任意向主動推掃成像模式是在國內首次實現(xiàn)，在軌測試期間進行了多次主動成像測試，均正確執(zhí)行，圖像效果良好，其中對美國西部海岸成像條帶長度達到了383 km。

結合各類敏捷成像模式測試，完成了各類壓縮比存儲模式測試驗證，星上圖像數(shù)據(jù)存儲正確、地面解壓正常，圖像質量良好，覆蓋了全部壓縮模式，滿足研制要求。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸模式

高分多模衛(wèi)星飛控期間完成了對地數(shù)傳和對中繼數(shù)傳通道打通，聯(lián)合地面接收站及中繼系統(tǒng)進行了調制方式、碼速率及誤碼率測試，星地接口匹配，誤碼率滿足優(yōu)于1×10-7的指標要求。對地數(shù)傳模式完成了2×800 Mbit/s，2×450 Mbit/s，2×100 Mbit/s對地數(shù)傳模式測試，對地數(shù)傳天線跟蹤正常，地面接收數(shù)據(jù)并解調正確。對中繼數(shù)傳模式完成了2×300 Mbit/s，2×450 Mbit/s，2×600 Mbit/s對中繼數(shù)傳模式測試，中繼數(shù)傳天線跟蹤正常，地面接收數(shù)據(jù)并解調正確。

高分多模衛(wèi)星采用元任務設計，為簡化星地接口，提高衛(wèi)星好用性易用性，定義了可涵蓋全部回放模式的“回放元任務”，僅需配置“回放元任務”中回放模式及碼速率相關參數(shù)即可。在軌測試結果表明：設計合理正確，使用簡易、靈活，操控性好。

3.3 特定區(qū)域快速獲取模式

高分多模衛(wèi)星在軌測試期間完成了特定區(qū)域快速獲取模式測試驗證，星上區(qū)域提取與處理單元均能根據(jù)任務正確執(zhí)行特定區(qū)域圖像的提取、輻射校正及幾何校正，并生成用戶可直接應用的2級圖像產品。

2020年12月，在北京首次完成了面向應急響應需求的特定區(qū)域快速獲取模式應用演示驗證，模擬應急搶險救災前沿應急指揮部“實時”接收受災區(qū)域2級遙感圖像產品，并進行判讀應用的場景，試驗現(xiàn)場見圖9。10：54：24開始成像，成像后立即進行星上實時處理，生成15 km×15 km的2級圖像產品；10：56：30通過應急指揮部配置的地面移動接收站完成了圖像數(shù)據(jù)的接收、解調及圖像產品顯示應用。衛(wèi)星成像至用戶接收到可直接應用圖像的獲取全鏈路時間縮短至2 min左右，特定區(qū)域快速獲取模式得到了全面在軌測試驗證。測試結果表明：區(qū)域提取與處理單元功能性能滿足要求，模式設計正確合理。此模式能夠為應急響應需求提供及時、有效的信息，以便及時掌握災害發(fā)生地點、涉及范圍、發(fā)展趨勢等，可大幅提升重大災害現(xiàn)場災情信息傳遞的保障能力。

圖9 演示驗證試驗現(xiàn)場Fig.9 Site of demonstration test

4 結論

高分多模衛(wèi)星工作模式設計時以充分發(fā)揮衛(wèi)星在軌應用效能為宗旨，兼顧高分辨率成像與敏捷機動的有機結合，綜合考慮各有效載荷配置需求，優(yōu)化工作模式設計，實現(xiàn)了衛(wèi)星效能最佳。

(1)設計敏捷成像模式，通過衛(wèi)星敏捷機動能力和高分辨率相機成像的有機融合，實現(xiàn)了各種敏捷成像模式下高分辨率、高質量圖像的高效獲取能力，國內首次實現(xiàn)“動中成像”、多角度成像等，大幅提升衛(wèi)星獲取效率及應用價值。

(2)設計數(shù)據(jù)存儲與傳輸模式，兼顧多有效載荷大數(shù)據(jù)量處理、存儲及傳輸需求，充分利用現(xiàn)有資源，合理設計對地數(shù)傳和中繼數(shù)傳，有效解決了制約成像能力的數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，提高了衛(wèi)星響應能力。

(3)設計了區(qū)域快速獲取、激光通信試驗等創(chuàng)新模式，開展星上實時處理、星間激光通信試驗等新技術在軌驗證及應用探索。