資源三號(hào)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高洪濤 羅文波 史海濤 莫凡 李少輝 張新偉 劉希剛 曹海翊

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

資源三號(hào)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高洪濤 羅文波 史海濤 莫凡 李少輝 張新偉 劉希剛 曹海翊

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是影響衛(wèi)星圖像定位精度的重要環(huán)節(jié)。文章介紹了資源三號(hào)衛(wèi)星在系統(tǒng)、相機(jī)、結(jié)構(gòu)等方面為提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性所采取的技術(shù)措施。資源三號(hào)衛(wèi)星采用3臺(tái)星敏感器與3臺(tái)測(cè)繪相機(jī)一體化設(shè)計(jì)，并對(duì)星敏感器支架和相機(jī)支架等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行高穩(wěn)定設(shè)計(jì)，提高星上姿態(tài)測(cè)量基準(zhǔn)與成像基準(zhǔn)的匹配精度；測(cè)繪相機(jī)采用低畸變光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以提高相機(jī)內(nèi)部穩(wěn)定性；基于整星有限元模型對(duì)相機(jī)光軸在軌指向進(jìn)行了仿真分析，并開展地面試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)和分析進(jìn)行驗(yàn)證。衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)表明：相機(jī)支架、星敏感器支架等結(jié)構(gòu)在軌穩(wěn)定性良好，衛(wèi)星圖像定位精度超過任務(wù)指標(biāo)要求，相關(guān)設(shè)計(jì)、分析與試驗(yàn)技術(shù)可為后續(xù)高精度遙感衛(wèi)星提供參考。

資源三號(hào)衛(wèi)星；定位精度；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；一體化設(shè)計(jì)

1 引言

資源三號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)自主研制的一顆高分辨率傳輸型立體測(cè)繪衛(wèi)星，衛(wèi)星采用三線陣立體測(cè)繪體制，用于長(zhǎng)期、連續(xù)、穩(wěn)定、快速地獲取覆蓋全國(guó)的高分辨率立體影像和多光譜影像，生產(chǎn)全國(guó)1:5萬(wàn)基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品。01星和02星分別于2012年1月和2016年5月發(fā)射，獲取的圖像數(shù)據(jù)在基礎(chǔ)測(cè)繪、防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)林水利、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市規(guī)劃與建設(shè)等方面得到了較為廣泛的應(yīng)用[1]。

與國(guó)內(nèi)其它光學(xué)遙感衛(wèi)星相比，資源三號(hào)衛(wèi)星在圖像定位精度方面有了顯著提升[2]。影響衛(wèi)星圖像定位精度的因素，除星敏感器陀螺測(cè)量精度和地面圖像數(shù)據(jù)處理精度外，還包括衛(wèi)星系統(tǒng)在軌的穩(wěn)定性，尤其相機(jī)載荷內(nèi)方位元素穩(wěn)定性以及相機(jī)與星敏感器成像基準(zhǔn)相對(duì)指向的穩(wěn)定性。國(guó)外測(cè)繪衛(wèi)星均進(jìn)行了穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，包括印度2005年發(fā)射的制圖衛(wèi)星-1(CartoSat-1)[3]，日本2006年發(fā)射的先進(jìn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星-1(ALOS-1)和正在研制的ALOS-3[4]，俄羅斯2015年發(fā)射的“獵豹”(M1)測(cè)繪衛(wèi)星，以及美國(guó)近幾年發(fā)射的具有立體測(cè)繪能力的世界觀測(cè)(WorldView)系列遙感衛(wèi)星[5]等，主要采用星敏感器與相機(jī)一體化布局、應(yīng)用低膨脹結(jié)構(gòu)材料等措施提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[6]，但未見系統(tǒng)反映其穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、分析及驗(yàn)證方法的技術(shù)文獻(xiàn)。本文基于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)能力與工業(yè)基礎(chǔ)，提出了用于提升光學(xué)遙感衛(wèi)星圖像定位精度的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法，從系統(tǒng)、平臺(tái)和載荷等方面開展穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，綜合利用力熱仿真分析與地面試驗(yàn)等手段進(jìn)行穩(wěn)定性分析與測(cè)量，并基于在軌圖像數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性能進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。

2 衛(wèi)星特點(diǎn)與組成

資源三號(hào)衛(wèi)星配置1臺(tái)三線陣測(cè)繪相機(jī)和1臺(tái)多光譜相機(jī)。三線陣相機(jī)由前視、正視和后視3臺(tái)CCD測(cè)繪相機(jī)組成，正視相機(jī)指向星下點(diǎn)，前后視相機(jī)在飛行方向與正視相機(jī)分別成±22°。前后視相機(jī)分辨率3.5 m(02星提升到2.5 m)，正視相機(jī)分辨率2 m，成像幅寬近52 km。多光譜相機(jī)采用三反離軸光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有視場(chǎng)大、遮攔小、無(wú)色差、高傳函等優(yōu)點(diǎn)，配置了藍(lán)、綠、紅和近紅外四個(gè)譜段，地面像元分辨率5.8 m，成像幅寬51 km。

衛(wèi)星采用資源二號(hào)平臺(tái)。針對(duì)資源三號(hào)衛(wèi)星測(cè)繪精度高的特點(diǎn)，星上配置了高精度星敏感器(測(cè)量精度優(yōu)于5″)和高精度三浮陀螺，在軌獲取高精度姿態(tài)測(cè)量信息，地面處理時(shí)通過星敏感器陀螺聯(lián)合定姿可進(jìn)一步提高姿態(tài)測(cè)量精度。采用GPS和激光角反射器提高衛(wèi)星軌道確定精度，事后軌道定位精度為0.2 m。

衛(wèi)星采用縱軸向前的飛行指向，由服務(wù)艙、載荷艙和太陽(yáng)翼組成。服務(wù)艙采用承力筒加箱板的主承力結(jié)構(gòu)形式，載荷艙采用蜂窩板組成的箱板式結(jié)構(gòu)，頂部安裝三線陣相機(jī)和多光譜相機(jī)，內(nèi)部布局相機(jī)、數(shù)傳等分系統(tǒng)電子設(shè)備，外側(cè)安裝數(shù)傳天線。衛(wèi)星±Y側(cè)各安裝1個(gè)太陽(yáng)翼，每翼3塊太陽(yáng)電池板。衛(wèi)星構(gòu)形如圖1所示。

圖1 資源三號(hào)衛(wèi)星組成圖
Fig.1 Components of ZY-3 satellite

3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)與分析

按照星地一體化測(cè)繪圖像數(shù)據(jù)處理過程，星上利用星敏感器實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)和三線陣相機(jī)與星敏感器間幾何標(biāo)定數(shù)據(jù)精確確定三線陣相機(jī)光軸指向，并利用相機(jī)內(nèi)部標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)一步確定3臺(tái)相機(jī)每個(gè)CCD像元對(duì)應(yīng)的光線指向；地面采用直接交會(huì)或平差處理等方法，最終確定各圖像點(diǎn)的地面三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)圖像的幾何定位。為實(shí)現(xiàn)測(cè)繪任務(wù)所需的高定位精度，星上除配置高精度星敏感器外，還必須保證星敏感器與三線陣相機(jī)間的連接結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)測(cè)量基準(zhǔn)與成像基準(zhǔn)的統(tǒng)一，同時(shí)保證三線陣相機(jī)內(nèi)部光機(jī)結(jié)構(gòu)與焦面成像器件穩(wěn)定，以提高圖像內(nèi)精度。圍繞上述要求，資源三號(hào)衛(wèi)星開展了系統(tǒng)級(jí)高穩(wěn)定設(shè)計(jì)，包括衛(wèi)星平臺(tái)與載荷一體化設(shè)計(jì)、測(cè)繪相機(jī)高穩(wěn)定設(shè)計(jì)以及星敏感器支架等關(guān)鍵支撐結(jié)構(gòu)的高穩(wěn)定設(shè)計(jì)。

3.1 姿態(tài)測(cè)量部件與成像載荷一體化布局

為最大限度降低星敏感器與三線陣相機(jī)間的相對(duì)指向變化，提高兩者幾何標(biāo)定數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，衛(wèi)星采用星敏感器與三線陣相機(jī)一體化設(shè)計(jì)，如圖2所示，星敏感器直接安裝到三線陣相機(jī)支架上，使星敏感器測(cè)量基準(zhǔn)與三線陣相機(jī)基準(zhǔn)最大限度保持一致，通過緊湊式布局縮短星敏感器與三線陣相機(jī)間的結(jié)構(gòu)連接路徑，減小在軌空間環(huán)境變化對(duì)兩者相對(duì)幾何位置的影響。

針對(duì)星敏感器產(chǎn)品光軸方向測(cè)量精度高，橫軸方向測(cè)量精度相對(duì)較低的特點(diǎn)，需同時(shí)利用2臺(tái)以上星敏感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行三線陣相機(jī)三軸高精度指向確定，為此要求所有星敏感器具備共同的安裝基準(zhǔn)及穩(wěn)定的幾何位置關(guān)系。3臺(tái)星敏感器安裝到同一個(gè)星敏感器支架上實(shí)現(xiàn)一體化布局，同時(shí)嚴(yán)格控制星敏感器支架的外形尺寸，縮短星敏感器間結(jié)構(gòu)連接路徑，降低星敏感器相對(duì)位置對(duì)外部環(huán)境變化的敏感。

將前視、正視和后視相機(jī)進(jìn)行一體化布局，通過同一相機(jī)支架安裝到衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)上。由于前后視相機(jī)形成的攝影測(cè)量基線大，利用前后視相機(jī)圖像構(gòu)成立體像對(duì)易于實(shí)現(xiàn)更高的定位精度，布局設(shè)計(jì)時(shí)將前視相機(jī)和后視相機(jī)鄰近布局，優(yōu)先保證前后視相機(jī)光軸相對(duì)指向的穩(wěn)定性。

圖2 星敏感器與三線陣相機(jī)一體化設(shè)計(jì)
Fig.2 Integrated design of star trackers and three-line-array cameras

3.2 多個(gè)星敏感器支架

3.2.1 星敏感器支架高穩(wěn)定設(shè)計(jì)

星敏感器支架維持著3個(gè)星敏感器在星上的空間指向，設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮了3個(gè)星敏感器不同布局指向、星敏感器安裝與精測(cè)、星敏感器組合體包絡(luò)約束、組合體整體剛度以及星敏感器支架在軌熱穩(wěn)定性等要求。支架采用緊湊式樹枝形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以適應(yīng)星敏感器腰部安裝要求；支架由4個(gè)柱形結(jié)構(gòu)組合而成，如圖3所示，在柱形結(jié)構(gòu)末端設(shè)置法蘭，分別與3臺(tái)星敏感器和相機(jī)支架進(jìn)行連接。在保證星敏感器總裝操作空間的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格控制柱形結(jié)構(gòu)大小以及4個(gè)柱形結(jié)構(gòu)間距，力求布局緊湊。星敏感器支架整體采用M55J環(huán)氧碳纖維復(fù)合材料，材料線膨脹系數(shù)1×10-6(℃)-1，具有良好的結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性能。支架整體由模具鋪敷成型后再經(jīng)樹脂傳遞模成形(RTM)工藝固化而成。

圖3 星敏感器組件示意圖
Fig.3 Components of star trackers

對(duì)星敏感器支架熱穩(wěn)定性進(jìn)行有限元分析，在MSC/NASTRAN軟件中建立星敏感器支架有限元模型(圖4)，采用四邊形殼單元模擬支架結(jié)構(gòu)，分析了支架溫度變化對(duì)星敏感器指向的影響，分析數(shù)據(jù)顯示支架溫度均勻變化1 ℃引起星敏感器指向變化約0.2″，滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求。

圖4 星敏感器支架溫度變化1 ℃各點(diǎn)熱變形
Fig.4 Thermal distortion of star tracker bracket with 1℃ fluctuation

3.2.2 星敏感器支架地面穩(wěn)定性試驗(yàn)

星敏感器支架在軌熱變形為微米量級(jí)，相應(yīng)引起星敏感器指向變化在角秒量級(jí)，常規(guī)地面變形檢測(cè)或指向測(cè)量方法無(wú)法滿足上述精度要求。采用一種高精度非接觸式表面全場(chǎng)三維變形測(cè)量方法，通過2臺(tái)相機(jī)(呈一定夾角)同時(shí)對(duì)被測(cè)星敏感器安裝法蘭表面進(jìn)行成像，利用三角測(cè)量原理精確計(jì)算法蘭表面三維幾何坐標(biāo)，擬合并對(duì)比溫度變化前后安裝法蘭法向變化，分析溫度變化產(chǎn)生的星敏感器支架變形引起的星敏感器指向變化。

熱變形測(cè)量試驗(yàn)裝置如圖5所示，為減小周圍環(huán)境對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，測(cè)量系統(tǒng)及被測(cè)星敏感器組合體整體放置在隔振平臺(tái)上。試驗(yàn)過程中將星敏感器支架溫度從室溫25 ℃依次加熱到40 ℃和55 ℃，待支架各點(diǎn)溫度穩(wěn)定后對(duì)星敏感器支架法蘭表面進(jìn)行測(cè)量，擬合出法蘭平面法向并計(jì)算與初始指向的夾角，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。排除系統(tǒng)測(cè)量誤差影響后，25 ℃附近支架溫度變化1 ℃引起星敏感器指向變化約1″，較仿真結(jié)果略大但量級(jí)相當(dāng)，初步分析與實(shí)際產(chǎn)品材料參數(shù)離散性有關(guān)。

圖5 星敏感器支架熱變形測(cè)量試驗(yàn)Fig.5 Thermal distortion measurement of star tracker bracket

圖6 星敏感器支架熱變形測(cè)量數(shù)據(jù)Fig.6 Thermal distortion data of star tracker bracket

3.2.3 星敏感器支架在軌穩(wěn)定性分析

對(duì)星敏感器支架入軌后一年的在軌溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，星敏感器支架底座溫度變化范圍17.7～18.3 ℃，星敏感器支架主體溫度變化范圍11.7～12.3 ℃，在軌溫度穩(wěn)定。分別對(duì)入軌第1年1月、5月、11月及次年9月4個(gè)階段的星敏感器在軌光軸指向測(cè)量數(shù)據(jù)(過境時(shí)段)進(jìn)行了分析，如圖7所示。星敏感器2/3光軸夾角變化在15"以內(nèi)，與星敏感器2/3在軌光軸測(cè)量誤差相匹配。由于期間星敏感器支架在軌溫度較為穩(wěn)定(溫度變化≤0.3 ℃)，分析認(rèn)為星敏感器光軸夾角變化主要由星敏感器測(cè)量誤差引起，該時(shí)段內(nèi)星敏感器支架穩(wěn)定性良好。

圖7 不同時(shí)段星敏感器2和星敏感器3光軸夾角變化曲線Fig.7 Variation curve of angle between optical axes of star tracker 2 and 3 in different periods

進(jìn)一步分析上述4個(gè)時(shí)段內(nèi)的星敏感器光軸夾角均值，5月相對(duì)1月(入軌初期)光軸夾角均值變化約10″，初步分析由于入軌初期星敏感器支架復(fù)合材料在軌析氣所致；11月和次年9月相對(duì)上一時(shí)段變化相對(duì)較小，依次為3″和4″，表明支架材料經(jīng)過入軌初期析氣等過程后保持穩(wěn)定。

3.3 高穩(wěn)定測(cè)繪相機(jī)系統(tǒng)

3.3.1 低畸變高穩(wěn)定測(cè)繪相機(jī)設(shè)計(jì)

測(cè)繪相機(jī)主點(diǎn)位置、主距以及畸變等內(nèi)方位元素均影響相機(jī)成像光線的指向確定，衛(wèi)星發(fā)射前均對(duì)上述成像參數(shù)進(jìn)行高精度標(biāo)定，衛(wèi)星入軌后將通過在軌標(biāo)定進(jìn)一步消除發(fā)射段及在軌環(huán)境變化引起的偏差，之后則要求相機(jī)內(nèi)方位元素保持穩(wěn)定。

相機(jī)采用透射式像方準(zhǔn)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)像面因溫度波動(dòng)等原因而發(fā)生前后漂移時(shí)，由于軸外主光線近乎與光軸平行，像高不會(huì)因像面位置變化而變化，從而有利于保持像高和畸變穩(wěn)定，減少系統(tǒng)離焦帶來(lái)的測(cè)量誤差，如圖8所示[7]。相機(jī)光機(jī)結(jié)構(gòu)采用低膨脹鈦合金材料，在保證良好力學(xué)性能的同時(shí)，可以降低相機(jī)結(jié)構(gòu)熱變形，減小溫度變化導(dǎo)致的鏡片面形及鏡片間距變化，提高像質(zhì)和主距、畸變等內(nèi)方位元素穩(wěn)定性。

圖8 相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.8 Schematic of camera optical system

利用ZMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件分析了溫度變化對(duì)主距和像高等內(nèi)方位元素的影響，顯示相機(jī)焦距和像高受均勻溫度變化及軸向梯度變化影響較小，但受徑向梯度變化影響較大，為保證相機(jī)內(nèi)方位元素穩(wěn)定性，對(duì)相機(jī)主體進(jìn)行精密控溫，根據(jù)各部位外熱流大小在相機(jī)鏡筒外表面粘貼相應(yīng)功率的薄膜電加熱器，相機(jī)各部件間進(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)，鏡筒外圍包覆多層隔熱材料，熱分析表明相機(jī)主體溫度范圍、溫度梯度均能滿足要求。

3.3.2 高穩(wěn)定相機(jī)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三線陣相機(jī)支架用于前視、正視和后視3臺(tái)測(cè)

繪相機(jī)的安裝指向維持，并為星敏感器組合體提供支撐。三線陣相機(jī)支架由相機(jī)支撐部件和底板組成，如圖9所示，支撐部件采用M55J高模量碳纖維復(fù)合材料，利用其高模量、高導(dǎo)熱率和低膨脹的特點(diǎn)，減少熱變形對(duì)星敏感器和相機(jī)指向確定的影響，同時(shí)與星敏感器支架材料保持一致，有利于兩種支架變形匹配；樹脂基體材料選用氰酸酯，氰酸酯具有優(yōu)良的電絕緣特性、極低的吸濕率、較高的耐熱性和良好的力學(xué)性能及尺寸穩(wěn)定性。相機(jī)底板采用鈦合金材料，在為3臺(tái)相機(jī)提供較強(qiáng)支撐的同時(shí)，其膨脹系數(shù)較小，可有效降低溫度對(duì)相機(jī)指向的影響。

考慮到相機(jī)鏡筒鈦合金材料與支架復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)不同，為避免溫度變化時(shí)兩者變形不匹配引起相機(jī)指向變化，相機(jī)與支架之間采用柔性連接，如圖9所示，利用金屬薄片陣列結(jié)構(gòu)減小連接環(huán)節(jié)沿相機(jī)光軸方向的支撐剛度，釋放相機(jī)鏡筒因溫度變化產(chǎn)生的熱變形，提高相機(jī)光軸指向穩(wěn)定性。

采用主被動(dòng)結(jié)合方式對(duì)三線陣相機(jī)支架進(jìn)行精密控溫，經(jīng)分析，三線陣相機(jī)支架上各點(diǎn)溫度波動(dòng)范圍不超過1 ℃，前視、正視和后視相

機(jī)主體上各點(diǎn)溫度波動(dòng)不超過1 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 三線陣相機(jī)支架示意圖
Fig.9 Mock-up of bracket of three-line-array cameras

利用MSC/NASTRAN軟件建立了整星有限元模型，將高低溫等不同極端工況條件下的整星溫度場(chǎng)映射到有限元模型上，分析結(jié)構(gòu)熱變形對(duì)各測(cè)繪相機(jī)光軸的指向變化，如圖10所示。分析顯示測(cè)繪相機(jī)成像期間各相機(jī)光軸夾角變化不超過0.5″，穩(wěn)定性良好，滿足使用要求。

圖10 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)熱變形分析Fig.10 Thermal distortion analysis of ZY-3 satellite

3.3.3 相機(jī)地面穩(wěn)定性試驗(yàn)

基于三線陣相機(jī)鑒定產(chǎn)品，開展了相機(jī)內(nèi)方位元素穩(wěn)定性試驗(yàn)和相機(jī)光軸指向穩(wěn)定性試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中將三線陣相機(jī)組合體整體放置在減振平臺(tái)上，相機(jī)表面粘貼薄膜加熱器控制相機(jī)溫度水平和溫度梯度，采用內(nèi)方位元素測(cè)試儀對(duì)相機(jī)主點(diǎn)、主距和畸變進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量(圖11)。試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了均勻溫升和溫度梯度等不同溫度變化工況，根據(jù)相機(jī)在軌溫度預(yù)示結(jié)果確定相機(jī)溫度變化范圍，按照不同溫度變化模式產(chǎn)生的熱變形對(duì)相機(jī)內(nèi)方位元素及相機(jī)光軸指向變化進(jìn)行了測(cè)量。

相機(jī)內(nèi)方位元素穩(wěn)定性試驗(yàn)分別選取了相機(jī)主體均勻溫升1 ℃和溫度梯度1 ℃等工況，內(nèi)方位元素測(cè)試儀測(cè)量結(jié)果顯示各工況下相機(jī)畸變最大變化量不超過儀器測(cè)量誤差，可以滿足指標(biāo)要求。

圖11 三線陣相機(jī)熱變形測(cè)量試驗(yàn)Fig.11 Thermal distortion measurement of three-line-array camera

相機(jī)指向穩(wěn)定性試驗(yàn)選取了相機(jī)均勻溫升2 ℃和溫度梯度2 ℃等溫度變化工況，發(fā)現(xiàn)Y向溫度梯度對(duì)3臺(tái)相機(jī)間夾角影響最大，結(jié)合三線陣相機(jī)在軌溫度預(yù)示數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)三線陣相機(jī)光軸夾角變化在0.8″以內(nèi)，與分析值相當(dāng)，滿足使用要求。

4 衛(wèi)星在軌穩(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(duì)各誤差因素進(jìn)行獨(dú)立識(shí)別和標(biāo)定，主要通過圖像定位精度隨時(shí)間的變化情況對(duì)系統(tǒng)整體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。入軌初期首先進(jìn)行在軌標(biāo)定，對(duì)星敏感器、相機(jī)安裝標(biāo)定數(shù)據(jù)等系統(tǒng)偏差進(jìn)行修正，修正后圖像定位精度在10 m左右，后續(xù)隨時(shí)間有逐漸變大的趨勢(shì)，5月以后基本保持在30 m左右，重新進(jìn)行在軌標(biāo)定后，圖像定位精度可恢復(fù)到10 m。入軌后前8個(gè)月的圖像定位精度變化情況如圖12所示[8]。結(jié)合星敏感器光軸夾角在軌變化情況，初步推斷5月前圖像定位精度變差與星敏感器支架及相機(jī)支架復(fù)合材料在軌析氣有關(guān)，待支架材料穩(wěn)定后衛(wèi)星圖像定位精度可保持較好的穩(wěn)定性。

圖12 資源三號(hào)衛(wèi)星圖像定位精度變化曲線
Fig.12 Variation curve of geolocation accuracy of ZY-3 satellite

文獻(xiàn)[9]給出了資源三號(hào)衛(wèi)星從2012年11月至2015年3月期間內(nèi)5個(gè)時(shí)間點(diǎn)上嵩山地區(qū)圖像定位精度的變化情況，采用2012年11月的檢校模型，分別計(jì)算各時(shí)間點(diǎn)衛(wèi)星圖像的平面定位精度(中誤差)，變化范圍為2.1～14.4 m，滿足無(wú)地面控制點(diǎn)條件下平面定位精度優(yōu)于100 m的任務(wù)要求；對(duì)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的衛(wèi)星圖像單獨(dú)進(jìn)行檢校后，平面定位殘差(中誤差)不超過3.1 m，表明資源三號(hào)衛(wèi)星相機(jī)內(nèi)部及星敏感器與相機(jī)連接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性均保持良好。

5 結(jié)束語(yǔ)

高圖像定位精度是測(cè)繪及高性能遙感衛(wèi)星的基本特征，而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性又是影響在軌圖像定位精度的關(guān)鍵因素。本文給出了資源三號(hào)衛(wèi)星在系統(tǒng)、平臺(tái)和相機(jī)載荷等層面采取的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的仿真分析與地面試驗(yàn)，并通過在軌圖像數(shù)據(jù)對(duì)衛(wèi)星穩(wěn)定性進(jìn)行了初步評(píng)估和驗(yàn)證，結(jié)果表明資源三號(hào)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)滿足任務(wù)要求[10]。本文所采用的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、分析及試驗(yàn)方法可為其它光學(xué)遙感衛(wèi)星研制提供參考和借鑒。

References)

[1]唐新明，王鴻燕. 資源三號(hào)衛(wèi)星應(yīng)用分析與展望[J].航天器工程，2016,25(5): 1-10

Tang Xinming,Wang Hongyan. Analysis and prospect of application of ZY-3 satellite[J]. Spacecraft Engineering,2016,25(5): 1-10 (in Chinese)

[2]曹海翊，劉希剛，李少輝. 資源三號(hào)衛(wèi)星遙感技術(shù)[J]. 航天返回與遙感,2012,33(3):7-16

Cao Haiyi,Liu Xigang,Li Shaohui. ZY-3 satellite remote sensing technology[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing,2012,33(3): 7-16 (in Chinese)

[3]高洪濤，陳虎，劉暉,等. 國(guó)外對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展[J]. 航天器工程，2009,18(3): 84-92

Gao Hongtao,Chen Hu,Liu Hui,et al. Development of overseas earth-observing satellite techonology[J]. Spacecraft Engineering,2009,18(3): 84-92 (in Chinese)

[4]Eoportal. ALOS-3(Advanced Land Observing Satellite-3): optical mission[EB/OL]. [2016-11-20]. https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/a/alos-3

[5]Eoportal. WorldView-3(WV-3)[EB/OL]. [2016-11-20]. https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/v-w-x-y-z/worldview-3

[6]Takanori Iwata. Precision attitude and position determination for the Advanced Land Observing Satellite(ALOS)[C]// Proceedings of SPIE. Bellingham: SPIE,2005:34-50

[7]高衛(wèi)軍，孫立，王長(zhǎng)杰,等. “資源三號(hào)”高分辨率立體測(cè)繪衛(wèi)星三線陣相機(jī)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J]. 航天返回與遙感，2012,33(3): 25-35

Gao Weijun,Sun Li,Wang Changjie,et al. Design and verification of three-line array camera for ZY-3 high resolution stereo mapping satellite[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing,2012,33(3): 25-35 (in Chinese)

[8]潘紅播，張過，唐新明,等. 資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星傳感器校正產(chǎn)品的幾何模型[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào),2013,42(4): 516-522

Pan Hongbo,Zhang Guo,Tang Xinming,et al. The geometrical model of sensor corrected products for ZY-3 satellite[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2013,42(4): 516-522 (in Chinese)

[9]王愷，陳世平，曾勇. 應(yīng)用偏最小二乘法的衛(wèi)星圖像在軌幾何檢校方法[J]. 航天器工程,2016,25(5): 32-38

Wang Kai,Chen Shiping,Zeng Yong. On-orbit geometric calibration method of satellite imagery based on partial least squares method[J]. Spacecraft Engeering,2016,25(5): 32-38 (in Chinese)

[10]李德仁，王密. “資源三號(hào)”衛(wèi)星在軌幾何定標(biāo)及精度評(píng)估[J]. 航天返回與遙感,2013,33(3): 1-6

Li Deren,Wang Mi. On-orbit geometric calibration and accuracy assessment of ZY-3[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing,2012,33(3): 1-6 (in Chinese)

(編輯：張小琳)

Structural Stability Design and Implementation of ZY-3 Satellite

GAO Hongtao LUO Wenbo SHI Haitao MO Fan LI Shaohui ZHANG Xinwei LIU Xigang CAO Haiyi

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

Structural stability is a key influencing factor for geolocation accuracy of satellite. Structural stability improvement techniques in system design,camera design and structure design of ZY-3 satellite are presented in this paper. Three star trackers and three CCD cameras are integrated as a whole,and brackets of star trackers and cameras are designed especially for high stability. All these measures are used to improve matching accuracy between attitude measuring reference and imaging reference. A low distortion optical system is used to improve the internal stability of cameras. On-orbit pointing direction of camera is analyzed based on satellite FEM model,and ground tests are carried out to verify the design and analysis. ZY-3 images and telemetry data show that the brackets of camera and the star tracker are stable,and geolocation accuracy of image precedes the mission requirement. The techniques employed in ZY-3 can be used in follow-up large-scale mapping satellites and remote sensing satellites with high accuracy.

ZY-3 satellite; geolocation accuracy; structural stability; integrated design

2016-09-20；

2016-11-22

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程

高洪濤，男，高級(jí)工程師，博士，從事遙感衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)工作。Email：gaohongtao@tsinghua.org.cn。

V414

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.004