趙鍵 楊芳

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

敏捷衛(wèi)星是近年來國際上發(fā)展十分迅速的一類高性能衛(wèi)星，敏捷衛(wèi)星借助大力矩姿態(tài)執(zhí)行部件，使衛(wèi)星平臺具備繞任意歐拉軸(含滾動、俯仰、偏航)大范圍頻繁快速姿態(tài)機動并且快速穩(wěn)定的能力，與高分辨率光學載荷結合，借助整星敏捷姿態(tài)機動的性能，實現(xiàn)高空間分辨率成像和快速的系統(tǒng)響應性能，并且還可實現(xiàn)包括同軌多條帶拼接成像、同軌立體成像和任意航跡成像等多種主動及被動成像模式，將圖像遙感和測繪制圖融為一體，具有多功能、高效率的特點。高空間分辨率一直是遙感衛(wèi)星追求的重要指標之一，但由于光學系統(tǒng)設計限制，高分辨率相機幅寬都不可能太大，將敏捷衛(wèi)星平臺與高分辨率相機相結合可以很好的解決高分辨率相機成像幅寬窄的問題，因此，亞米級高分辨率光學衛(wèi)星從問世開始就是敏捷衛(wèi)星特質。

自從1999年美國成功發(fā)射商業(yè)高分辨率敏捷衛(wèi)星伊克諾斯-2(IKONOS-2)以來，具有高敏捷姿態(tài)機動特性的衛(wèi)星得到了蓬勃發(fā)展，如美國的快鳥-2(QuickBird-2)、軌道觀測-3(OrbView-3)、地球眼-1(GeoEye-1)、世界觀測-3/4(WorldView-3/4)、法國的昴宿星(Pleiades)等遙感衛(wèi)星全部具備敏捷機動，且敏捷機動能力、穩(wěn)定度也在逐步提升，工作模式也隨著機動能力提升逐步多樣化[1]。

我國敏捷衛(wèi)星雖然研發(fā)起步較晚，但在短時間內獲得了大量技術突破，能力水平迅速提升，“十二五”期間，以CAST3000平臺為代表的第一代敏捷衛(wèi)星平臺獲得突破，CAST3000平臺實現(xiàn)星下點45°半錐角范圍內的姿態(tài)快速指向和穩(wěn)定，具備任意方向25°/30 s的機動能力，支持優(yōu)于0.5 m的高分辨率[2]，其技術水平跟法國Pleiades衛(wèi)星相當[3]。2021年6月11日基于CAST3000E平臺(增強型敏捷衛(wèi)星平臺)的北京三號衛(wèi)星的成功發(fā)射，使我國光學遙感衛(wèi)星首次具有沿任意航跡成像能力，標志著遙感衛(wèi)星技術水平實現(xiàn)了重大技術跨越。第二代敏捷衛(wèi)星CAST3000E平臺具有“超高敏捷、超高穩(wěn)定、超高精度”的標志性技術特點，擁有自主任務規(guī)劃和自主圖像處理的功能，實現(xiàn)了我國遙感衛(wèi)星領域的控制新體制、操控新體制、應用新體制等方面的技術跨越，技術水平達到國際領先，同時對遙感衛(wèi)星技術的發(fā)展具有極強的技術引領和推動作用。

1 第一代敏捷衛(wèi)星技術創(chuàng)新

1.1 CAST3000平臺技術特征

隨著航天遙感應用的不斷深入，用戶對圖像信息提取的要求越來越高，需要遙感衛(wèi)星提供更高空間分辨率、時間分辨率、光譜分辨率、輻射分辨率以及高定位精度的圖像以適應遙感信息提取的需要。CAST3000衛(wèi)星平臺是根據(jù)國內外未來高分辨率小衛(wèi)星應用需求和技術發(fā)展趨勢而提出的新一代小衛(wèi)星平臺。CAST3000平臺基本型以高分辨光學成像對地觀測應用為主要目標，重點突破以高精度、高敏捷、長壽命、高可靠為特征的小衛(wèi)星平臺相關技術，為今后在高分辨率對地觀測領域發(fā)展奠定平臺技術基礎。

CAST3000平臺開創(chuàng)性地提出了我國敏捷衛(wèi)星全功能全要素總體設計方法和敏捷衛(wèi)星技術指標體系，采用了敏捷衛(wèi)星運行模式、六棱柱構型的平臺載荷一體化設計。CAST3000平臺除了支持同軌多目標、連續(xù)條帶等傳統(tǒng)成像模式外，還第一次實現(xiàn)同軌多條帶拼接、同軌多角度立體、同軌多角度等典型敏捷成像模式，成像模式如圖1所示。

圖1 CAST3000平臺敏捷衛(wèi)星成像模式

CAST3000平臺典態(tài)機動指標典型值為25°/30 s和90°/70 s，實現(xiàn)了一軌26個點目標成像、同軌4條帶拼接成像、同軌8視立體成像、單條帶或者雙條帶兩視及三視立體等豐富的成像模式。其被動推掃的成像模式效率是非敏捷衛(wèi)星的3倍以上，與此同時，CAST3000平臺的圖像絕對定位精度(無控制點)優(yōu)于10 m(r.m.s)。

1.2 CAST3000平臺技術創(chuàng)新

(1)提出了敏捷衛(wèi)星總體設計方法、技術指標體系和成像測繪一體的光學遙感衛(wèi)星系統(tǒng)解決方案。特別是定義了適應敏捷機動的整星高剛度特定慣量比和新型的敏捷衛(wèi)星運行模式。為此攻克了國際首創(chuàng)基于三壓緊點單臂支撐式高剛度輕量化太陽翼、基于全空間任意指向和分類式散熱面設計的整星高度熱穩(wěn)定、適應敏捷機動的小相對口徑長焦距輕量化高分辨率載荷、小慣量單臂二維轉動橫向槽波紋喇叭高增益數(shù)傳天線等關鍵技術。突破了空間任意姿態(tài)快速機動及快速穩(wěn)定技術難題。

(2)提出了一種小相對孔徑長焦距輕量化相機星地一體全鏈路系統(tǒng)設計方法，攻克了兼顧主動段及在軌成像條件下的自適應變頻阻尼桁架和去耦合技術、相機鏡頭組件消應力和基于毛細泵兩相流體體制的柔性環(huán)路熱管等關鍵技術，實現(xiàn)平臺和載荷全力/熱解耦，解決了快速機動高剛度與相機高精度成像力熱穩(wěn)定性矛盾的難題，實現(xiàn)了高質量成像。

(3)提出了敏捷衛(wèi)星空間任意姿態(tài)快速機動快速穩(wěn)定的全控制力矩陀螺(Control Moment Gyro，CMG)群高帶寬實時控制方法，突破了任意方向大角度姿態(tài)機動控制和最優(yōu)構型的CMG群高精度控制、實時快速路徑規(guī)劃和全CMG力矩動態(tài)分配耦合補償?shù)汝P鍵技術，解決了大慣量半剛性敏捷衛(wèi)星的大角度快速姿態(tài)機動與高精度快速穩(wěn)定成像等難題。同時，引入零運動規(guī)律和魯棒奇異規(guī)避操縱規(guī)律，解決了大角度快速姿態(tài)機動與CMG群奇異點實時規(guī)避相互約束問題。從而第一次實現(xiàn)了中國航天器空間任意姿態(tài)25°/30 s的快速機動和快速穩(wěn)定(0.0005°/s)的敏捷衛(wèi)星核心能力。

(4)提出了一種無地面控制點的敏捷衛(wèi)星高精度定位技術方案，突破了具有選星預報的導航星跟蹤和高精度多通道聯(lián)合快速定軌、與導航星定位解耦的高精度時間系統(tǒng)、相機和星敏感器雙光軸力熱解耦和柔性對稱卸載等關鍵技術；解決了導航星快速捕獲算法、相機和星敏感器幾何穩(wěn)定等難題，實現(xiàn)無地面控制點定位精度優(yōu)于10 m[4]。

(5)提出了一種基于元任務概念的衛(wèi)星在軌任務管理方法，建立了非時間索引的任務模型，突破了在軌數(shù)據(jù)塊生成機制和實時解譯、敏捷模式下數(shù)據(jù)源積分時間動態(tài)可調等關鍵技術，解決了敏捷衛(wèi)星復雜模式無窮觀測窗口任務級管理難題，實現(xiàn)了敏捷成像動作序列和成像模式隨意組合等自主操控的技術跨越[5-6]。

2 第二代敏捷衛(wèi)星技術創(chuàng)新

2.1 CAST3000E平臺技術特征

增強型敏捷衛(wèi)星平臺CAST3000E是在CAST3000基礎上，瞄準國際最先進的敏捷衛(wèi)星平臺技術指標和成像新模式而研制開發(fā)，平臺具有“超高敏捷、超高穩(wěn)定、超高精度、自主任務規(guī)劃、自主圖像處理”的技術特點。CAST3000E平臺成像模式除了覆蓋同軌多點目標、兩視立體、三視立體、同軌多角度、多條帶拼接等被動推掃的典型敏捷成像模式外，還具有任意航跡成像即動中成像和反向推掃成像能力，在軌實際完成了任意航跡單斜條帶、任意航跡斜條帶拼接、東西方向斜條帶拼幅(正反向)、正南正北(正反向)成像等主動推掃的敏捷成像新模式，如圖2～圖4所示，這些基于“三超”平臺的成像新模式極大豐富了用戶的應用和使用效率，其主要技術指標超過WorldView-4衛(wèi)星[7]，標志著我國敏捷衛(wèi)星技術水平達到國際領先。

圖2 斜條帶拼接成像模式

圖3 斜條帶拼幅成像模式

圖4 反向推掃成像模式

CAST3000E在軌實現(xiàn)的敏捷姿態(tài)機動典型值已達到25°/10 s和90°/20 s，是第一代敏捷衛(wèi)星的3倍以上；整星姿態(tài)角速度穩(wěn)定度優(yōu)于2×10-5(°)/s，提高了一個數(shù)量級以上；主動指向成像期間短期穩(wěn)定度優(yōu)于0.003″。在500 km軌道高度，同軌多點目標成像一軌可獲取多達70個以上目標，多條帶拼接數(shù)目達12條，CAST3000E平臺在軌實測的圖像絕對定位精度(無控制點)達到3 m(r.m.s)，進入國際一流水平。

2.2 CAST3000E平臺技術創(chuàng)新

1)“三超”控制技術

CAST3000E的核心技術就是“超精超穩(wěn)超敏捷”的三超控制技術，通過采用振動隔離精確指向和主動調節(jié)機構(Vibration Isolation Precise Pointing and Steering，VIPPS)支撐主載荷高分辨率相機，VIPPS與相機、衛(wèi)星結構一體化安裝。攻克了聚合分離“三超”控制系統(tǒng)架構、基于主動指向超靜平臺的多級協(xié)同控制方法、主被一體撓性作動器和“三超”控制技術的全物理仿真驗證方法等關鍵技術，解決了復雜系統(tǒng)“快、穩(wěn)、準”相互制約和“寬頻、多點、多源”擾動消除與航天器精穩(wěn)敏捷指標跨代提升的難題，滿足了CAST3000E平臺對高性能控制的需求。CAST3000E平臺在軌實現(xiàn)了復雜敏捷動中成像、姿態(tài)角速度最高達10(°)/s，顯著提升了衛(wèi)星的機動成像效率與動中成像穩(wěn)定度，跨代提升我國高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)供給能力。

2)任意航跡成像(動中成像)技術

CAST3000E平臺的一個重要技術目標是要實現(xiàn)沿任意航跡成像，即動中成像?！叭笨刂萍夹g只是支持動中成像的必要條件，為了真正實現(xiàn)動中成像，攻克了沿任意航跡指向的姿態(tài)運動規(guī)劃技術、適應動中成像的自主任務規(guī)劃技術、適應動中成像的穩(wěn)像控制技術、適應動中成像的積分時間調整技術等關鍵技術[8-12]。為了保證沿任意航跡成像時的圖像質量，CAST3000E平臺設計了三級減震系統(tǒng)，北京三號衛(wèi)星在任意航跡成像時角速度達到2(°)/s姿態(tài)機動時，動中成像期間短期穩(wěn)定度依然保持在0.003″，就是說“三超”平臺進入主動指向模式時，主動推掃成像跟被動推掃成像圖像質量沒有區(qū)別。

3)星上自主任務規(guī)劃技術

將傳統(tǒng)地面任務規(guī)劃的任務預處理、任務優(yōu)化編排、指令序列生成等全部功能由星上自主實現(xiàn)，大幅提升衛(wèi)星的好用易用性。用戶只要給出需要拍攝任務的經緯度、數(shù)據(jù)傳輸窗口、地面接收站位置，星上可以自主生成供各分系統(tǒng)執(zhí)行的指令序列，并由星務主機將指令及指令執(zhí)行時間發(fā)送到相關分系統(tǒng)下位機執(zhí)行。可支持被動推掃成像和主動推掃成像的所有13種成像模式；支持不小于24 h的規(guī)劃窗口，任務數(shù)量500個；最大規(guī)劃耗時小于3 min。

4)星上實時圖像處理技術

星上實現(xiàn)了圖像實時幾何校正、輻射校正和云判，開發(fā)了基于地理位置的感興趣區(qū)域(ROI)提取和基于目標檢測的ROI提取并可切片下傳，并可根據(jù)地面機器學習和訓練狀態(tài)擴展實時處理功能。同時CAST3000E平臺在圖像處理相關的硬件設計、軟件架構設計以及上行通信鏈路設計上支持大數(shù)據(jù)量軟件的在軌上注更新，即不僅支持對當前在軌圖像處理算法的修改，還支持后續(xù)上注新的在軌圖像處理算法，并開展在軌試驗驗證。

5)全新優(yōu)化的衛(wèi)星系統(tǒng)

采用全星綜合電子設計理念，將傳統(tǒng)的多個單機進行了功能集成、性能提升和設計優(yōu)化，6臺綜合電子單機完成原來19臺電子單機的功能；采用承力筒+箱板式結構、以及載荷平臺一體化設計，高分辨率相機光機主體(500 kg質量)通過指向隔振機構和相機解鎖裝置安裝為國內首次實現(xiàn)；與第一代敏捷平臺CAST3000衛(wèi)星相比，在敏捷能力、穩(wěn)定度、指向精度等性能指標大幅提升的前提下，衛(wèi)星載重比由35.4%提升至44.7%，整星電子學質量占比從16%降至8%，衛(wèi)星結構質量占比從14.8%降至11.3%，把更多的星上資源提供給了有效載荷、控制執(zhí)行部件，衛(wèi)星系統(tǒng)設計得到極大提升優(yōu)化。

3 敏捷衛(wèi)星應用實踐

第一代敏捷衛(wèi)星首發(fā)星高分九號衛(wèi)星自2015年9月14日發(fā)射以來，已穩(wěn)定運行超過6年。CAST3000平臺已成功發(fā)射9顆衛(wèi)星，創(chuàng)造了重大社會和經濟效益。

第二代敏捷衛(wèi)星首發(fā)星北京三號衛(wèi)星于2021年6月11日成功發(fā)射升空，經過在軌初期測試和驗證，三超平臺復合控制、沿任意航跡成像、自主任務規(guī)劃等技術均已實現(xiàn)，CAST3000E平臺的技術水平已經處于國際領先。

3.1 任意航跡成像應用情況

2021年6月15日，首次完成了任意航跡4斜條帶拼接成像，92 s內獲得對長江流域360 km長度的影像數(shù)據(jù)，是中國首次沿任意航跡的推掃成像衛(wèi)星圖片，如圖5所示。

圖5 北京三號對長江4斜條帶覆蓋圖(藍色細線條是長江)

3.2 正南正北正反掃成像應用情況

2021年6月15日，首次完成了正南正北正反向推掃成像，56 s內獲得溫哥華地區(qū)影像數(shù)據(jù)，其中第二個反掃條帶俯仰角速度達到1.5(°)/s，成像面積達到6300 km2。圖6為北京三號衛(wèi)星對溫哥華地區(qū)三條帶正南正北覆蓋圖。圖7為三條帶正南正北其中反掃(中間)條帶局部。

圖6 北京三號對溫哥華地區(qū)三條帶正南正北覆蓋圖

圖7 北京三號對溫哥華地區(qū)三條帶正南正北其中反掃(中間)條帶局部圖

3.3 垂直軌道方向正反掃成像應用情況

2021年6月16日，首次完成了垂直軌道方向的東西方向正反掃成像測試，42 s內獲得舊金山地區(qū)影像數(shù)據(jù)，成像時，滾動和俯仰角速度同時達到0.8(°)/s，偏航角速度達到0.3(°)/s，成像面積達到3800 km2。圖8為北京三號對舊金山地區(qū)三條帶東西方向正反向推掃縮略圖。圖9為北京三號對舊金山地區(qū)正掃圖，即從西向東正向推掃，推掃速度達1.5(°)/s，與被動推掃穩(wěn)定成像沒有區(qū)別。圖10為北京三號對舊金山地區(qū)反掃圖，即從東向西反向推掃，推掃速度達1.5(°)/s，正反掃沒有任何區(qū)別。

圖8 北京三號對舊金山地區(qū)三條帶東西方向正反向推掃縮略圖

圖9 北京三號對舊金山地區(qū)正掃圖的局部

圖10 北京三號對舊金山地區(qū)反掃圖的局部

3.4 多條帶拼幅成像應用情況

2021年6月22日，哈薩克斯坦7條帶拼幅推掃成像(4條正掃+3條反掃)，一次成像幅寬達170 km，面積達15 300 km2，創(chuàng)造了國內商業(yè)高分辨率遙感衛(wèi)星單次成像幅寬最高紀錄，如圖11所示。

圖11 北京三號7條帶拼幅推掃成像的哈薩克斯坦覆蓋縮略圖

3.5 星上自主任務規(guī)劃技術應用情況

在飛控期間完成相機調焦和姿控調參之后，2021年6月15-18日全部使用星上自主任務規(guī)劃，完成所有傳統(tǒng)敏捷成像模式和沿任意航跡成像新模式的成像任務規(guī)劃，且13種成像工作模式任意組合，全部成功。圖12為北京三號衛(wèi)星利用星上任務規(guī)劃實現(xiàn)一軌40點目標觀測成像任務。

圖12 北京三號基于星上任務規(guī)劃的一軌40點目標成像

4 達到的技術水平

4.1 技術指標國際對標情況

CAST3000平臺突破了以高精度、高敏捷、高自主、長壽命、高可靠為特征的敏捷小衛(wèi)星相關技術，該平臺對標法國Pleiades衛(wèi)星平臺，在國際上具有競爭力，如表1所示。

表1 CAST3000平臺衛(wèi)星國際對標

2019年前后，國際宇航市場光學遙感衛(wèi)星平臺開始升級，美國升級為WorldView-4平臺(2019年)，法國Pleiades衛(wèi)星平臺升級為Pleiades NEO衛(wèi)星平臺(2021年4月)。同樣，CAST3000平臺升級為CAST3000E平臺，2021年6月11日平臺首飛成功。通過持續(xù)的技術創(chuàng)新，CAST3000E衛(wèi)星平臺的敏捷機動能力和穩(wěn)像水平達到國際領先，如表2所示。

表2 CAST3000E平臺衛(wèi)星國際對標

4.2 實際能力國際對標情況

除了平臺指標外，實際應用能力代表了衛(wèi)星綜合能力，在衛(wèi)星遙感應用市場上實際意義更大。CAST3000E平臺首發(fā)星北京三號在傳統(tǒng)敏捷成像即被動推掃成像能力和任意航跡成像即主動推掃成像能力兩方面都獨占鰲頭。

1)傳統(tǒng)敏捷成像能力

由于CAST3000E平臺的應用，使北京三號衛(wèi)星傳統(tǒng)敏捷成像能力跨代提升。傳統(tǒng)敏捷成像模式包括同軌多點目標、兩視立體、三視立體、同軌多角度成像、多條帶拼接等被動推掃模式。

北京三號衛(wèi)星傳統(tǒng)敏捷成像圖像獲取能力全面超過WorldView-4衛(wèi)星，WorldView-4姿態(tài)機動能力為3.5(°)/s，北京三號為6(°)/s(最高角速度測試達到10(°)/s，接近其2倍，推測同軌多點目標、同軌多角度成像、多條帶拼接成像能力是WorldView-4的近2倍。公開資料顯示，WorldView-4一軌獲得圖像面積為50 000 km2左右。2021年6月16日，北京三號衛(wèi)星在軌完成4個5條帶傳統(tǒng)敏捷成像測試，成像區(qū)域分別是俄羅斯、沙特、津巴布韋和坦桑尼亞，每次約112 s影像面積約8900 km2。以此推算，北京三號衛(wèi)星實際一軌15 min內可完成8個5條帶成像，成像面積8900 km2×8=71 200 km2。

2)任意航跡動中成像新模式

CAST3000E平臺是國際上第二款具備任意航跡成像的遙感衛(wèi)星平臺，北京三號衛(wèi)星首次全面完成了任意航跡單斜條帶、任意航跡斜條帶拼接、東西方向斜條帶拼幅(正反向)、正南正北(正反向)成像等主動推掃成像新模式，這些基于CAST3000E平臺的成像新模式極大豐富了用戶的應用和使用效率。由于“三超”平臺的使用，真正實現(xiàn)了運動中超穩(wěn)定超精度，所有主動推掃成像跟被動推掃成像圖像質量沒有區(qū)別。由于具備正反推掃能力，動中成像新模式圖像獲取能力極大增加。

任意航跡斜條帶拼接可達7條帶以上，長度700 km以上(如沿長江流域、G7京新高速等成像)。正南正北(正反向)成像一軌15 min可進行6次7條帶成像，每個條帶長100 km，寬22 km，成像面積達100 km×22 km×7×6=92 400 km2的圖像。

5 結束語

敏捷衛(wèi)星的技術水平是高分辨率光學遙感衛(wèi)星技術水平重要體現(xiàn)。經歷10年發(fā)展，以CAST3000平臺和CAST3000E平臺為代表的兩代敏捷衛(wèi)星技術水平實現(xiàn)了從跟跑到趕超，跨代提升中國高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)供給能力，對中國航天遙感技術的發(fā)展具有極強的技術引領和推動作用。