李黎（航天東方紅衛(wèi)星有限公司）

1 簡介

高景一號星座是我國第一批面向商業(yè)用途的多手段高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星星座，由高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星，高分辨率合成孔徑雷達(dá)（SAR）遙感衛(wèi)星和視頻/超光譜衛(wèi)星組成。高景一號 的01/02 星是該星座中首批研制的2顆0.5m分辨率光學(xué)衛(wèi)星，于2016年12月發(fā)射，02組兩顆衛(wèi)星（03/04星）于2018年1月發(fā)射至同一軌道。高景一號的4顆衛(wèi)星的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)和配置狀態(tài)基本一致，采用高集成、小型化設(shè)計(jì)，每顆衛(wèi)星約500kg，承載1臺高分辨率全色多光譜相機(jī)，可提供分辨率優(yōu)于全色0.5m/多光譜2m、拼接幅寬大于60km的高分辨率圖像。衛(wèi)星配置有5臺變速控制力矩陀螺（VSCMG）實(shí)現(xiàn)敏捷機(jī)動能力，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)條帶、5條帶拼接、多目標(biāo)成像、3視立體成像等多種成像模式。

衛(wèi)星平臺測試和載荷測試已經(jīng)全部完成，性能和功能均滿足指標(biāo)要求。在軌圖像質(zhì)量良好，具有較高的信噪比（SNR）、相機(jī)傳遞函數(shù)（MTF）、平面定位精度和高程精度，圖像產(chǎn)品已被世界范圍內(nèi)的廣大用戶廣泛應(yīng)用。

2 星座和衛(wèi)星設(shè)計(jì)方案及創(chuàng)新

設(shè)計(jì)方案

星座在軌運(yùn)行示意圖

高景一號01/02星示意圖

高景一號由技術(shù)狀態(tài)基本一致的4顆衛(wèi)星組成，相位差均為90°，均運(yùn)行在約500km高度的太陽同步軌道（SSO），降交點(diǎn)地方時為10∶30AM。01組2顆衛(wèi)星組網(wǎng)可對80%全球地區(qū)實(shí)現(xiàn)1天重訪，4顆衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)對全球可觀測地區(qū)每天重訪1～2次。

高景一號衛(wèi)星分為平臺艙和載荷艙兩個部分，兩側(cè)安裝固定太陽翼。

設(shè)計(jì)創(chuàng)新

（1）平臺設(shè)計(jì)創(chuàng)新

高景一號采用新研輕型敏捷商用衛(wèi)星平臺CAST 3000B，該平臺具有高精度、高穩(wěn)定性以及敏捷機(jī)動能力的特點(diǎn)，可適用于各種高性能的成像載荷。衛(wèi)星姿控整星零動量控制采用“整星平時對日，任務(wù)時對目標(biāo)”模式，可提供優(yōu)于0.02°的指向精度和優(yōu)于0.001°/s的指向穩(wěn)定度；姿態(tài)敏感器配置有光纖陀螺、太陽敏感器和高精度星敏感器，VSCMG和磁力矩器可以完成姿態(tài)維持和敏捷機(jī)動，具備30°/20s、120°/47s并穩(wěn)定到位的敏捷機(jī)動能力。采用單母線分散供電體制，配置三結(jié)砷化鎵太陽電池陣及60Ah鋰離子電池。

衛(wèi)星平臺大量采用先進(jìn)的高集成智能芯片實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的電子設(shè)備功能，大幅度提高了產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和輕量化。新型平臺利用高度集成的智能芯片集成AD、處理器、串口、CAN總線、OC驅(qū)動等各類接口，18g的芯片可實(shí)現(xiàn)原來5～8kg下位機(jī)的功能，因此僅用1臺星務(wù)管理單元即可完成星務(wù)主機(jī)、熱控下位機(jī)、載荷下位機(jī)等數(shù)臺單機(jī)的功能，大幅降低了設(shè)備和電纜的數(shù)量和質(zhì)量。電源、測控、姿態(tài)控制等分系統(tǒng)均大量應(yīng)用高集成芯片，使得衛(wèi)星的平臺載重比得到顯著提高，衛(wèi)星平臺干質(zhì)量只占整星質(zhì)量的50%左右。

作為商業(yè)衛(wèi)星，高景一號具有智能自主管理的能力，以方便用戶在軌運(yùn)行管理。星上重要分系統(tǒng)如姿態(tài)控制、星務(wù)、測控和電源等分系統(tǒng)均具有自主健康檢查、故障自主診斷、隔離和恢復(fù)的功能。衛(wèi)星平臺的所有CPU軟件均可在軌上注更新或修改，極大提高了系統(tǒng)的靈活性和可維修性。4顆衛(wèi)星在軌運(yùn)行表現(xiàn)表明，高景一號衛(wèi)星管理運(yùn)營靈活方便，運(yùn)行魯棒性良好。

相機(jī)光學(xué)主體模型示意圖

（2）載荷設(shè)計(jì)創(chuàng)新

高景一號衛(wèi)星承載1臺高性能全色多光譜相機(jī)，可提供全色0.5m/多光譜2m的高分辨率圖像。

相機(jī)采用大F數(shù)緊湊型同軸三反光學(xué)系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)超長焦距的情況下，使得相機(jī)的體積質(zhì)量僅為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的1/3。大F數(shù)相機(jī)設(shè)計(jì)不僅有助于光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)、結(jié)構(gòu)布局，同時有助于實(shí)現(xiàn)相機(jī)的輕小型化和整星敏捷能力。主鏡采用熱穩(wěn)定性較好的SiC材料，可降低相機(jī)系統(tǒng)本身對溫度波動的敏感性。采用高精度熱控設(shè)計(jì)保證在軌溫度穩(wěn)定性，降低溫度場變化對于光學(xué)系統(tǒng)的影響，提高光機(jī)主體的幾何穩(wěn)定性。同時，采用隔振阻尼桁架設(shè)計(jì)，可在軌對微振動進(jìn)行抑制，保證相機(jī)良好的成像環(huán)境。在軌圖像實(shí)現(xiàn)了良好的MTF，充分表明衛(wèi)星采用顫振抑制措施的有效性。

成像幾何關(guān)系示意圖

焦平面采用由4片全色和多光譜線陣集成TDICCD拼接組成，以擴(kuò)大相機(jī)成像幅寬，同時多譜段的集成設(shè)計(jì)有助于實(shí)現(xiàn)焦平面低功耗和小型化。衛(wèi)星飛行中相機(jī)對地成像時，4片器件同譜段同時對地面目標(biāo)推掃成像，衛(wèi)星姿態(tài)誤差、偏流角校正誤差同時同等程度地作用在4片器件上，有利于地面圖像處理。

衛(wèi)星采用X頻段對地?cái)?shù)據(jù)傳輸技術(shù)，配置容量為2Tbits的固態(tài)存儲器，對地?cái)?shù)傳碼速率為雙通道450Mbit/s，共900Mbit/s。數(shù)傳設(shè)備采用的小型化設(shè)計(jì)使得分系統(tǒng)減重至30%左右。

技術(shù)特點(diǎn)

（1）敏捷能力

高景一號為保證整星慣量較小以實(shí)現(xiàn)快速機(jī)動能力，衛(wèi)星大量應(yīng)用高集成設(shè)計(jì)的單機(jī)設(shè)備，構(gòu)型布局緊湊，并采用固定太陽翼設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高剛度。

為了實(shí)現(xiàn)高敏捷能力，衛(wèi)星采用VSCMG作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。VSCMG結(jié)合了CSCMG（定速CMG）和動量輪的優(yōu)點(diǎn)，既可以像CSCMG一樣通過改變角動量的方向來輸出力矩，也可以像動量輪一樣通過改變角動量的大小來輸出力矩式。在同樣構(gòu)型下，VSCMG的操縱自由度比CSCMG多了一倍，可以避免CSCMG具有的奇異點(diǎn)問題。因此，VSCMG可工作在CMG模式來提供期望姿態(tài)控制要求的指令力矩，而在接近框架構(gòu)型奇異點(diǎn)時，轉(zhuǎn)換為動量輪模式，由高速轉(zhuǎn)子的變速來提供力矩并脫離奇異點(diǎn)。

5Nms VSCMG 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

（2）多種成像模式

高景一號衛(wèi)星根據(jù)其大范圍、快速姿態(tài)機(jī)動能力，設(shè)計(jì)了多條帶拼接成像、多目標(biāo)成像、立體成像、連續(xù)條帶成像等成像模式，可根據(jù)用戶需求選擇相應(yīng)的成像模式。

典型成像模式

多目標(biāo)成像模式：在衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動可覆蓋范圍內(nèi)對所需要的目標(biāo)進(jìn)行成像，成像條帶長度可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。多目標(biāo)成像模式單個目標(biāo)范圍12～24km×500km，同軌內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意地區(qū)8個目標(biāo)的成像。

多條帶拼接成像模式：衛(wèi)星根據(jù)成像指令，利用俯仰和滾動方向姿態(tài)機(jī)動進(jìn)行若干次準(zhǔn)平行且圖像間有一定搭接的成像。利用衛(wèi)星敏捷能力，可實(shí)現(xiàn)最多5條帶拼接成像，成像區(qū)域60km×70km。

立體成像模式：衛(wèi)星對可成像范圍內(nèi)，指定長度的區(qū)域，利用俯仰和滾動方向姿態(tài)機(jī)動從不同的角度進(jìn)行3次或者2次重復(fù)地面軌跡成像，形成立體圖像滿足立體成像和測繪制圖用戶需求。衛(wèi)星能夠提供基高比不小于0.7、單條帶120km的2次立體成像。

連續(xù)條帶成像模式：該成像模式主要對同一地區(qū)的突發(fā)事件進(jìn)行高動態(tài)觀測，可對星下點(diǎn)和側(cè)擺范圍內(nèi)的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)連續(xù)10次以上拍攝，每次時間5s以上。

3 在軌性能

至今，高景一號已在全球范圍內(nèi)采集了超過300000幅高分辨圖像。圖像數(shù)據(jù)的輻射質(zhì)量和幾何質(zhì)量十分突出，圖像清晰，細(xì)節(jié)豐富、信噪比高、對比度好。

在香港跑馬道游樂場圖像中，從放大的細(xì)節(jié)圖中可以看出，足球場上各種形狀的標(biāo)志線辨識分明。

在冰島雷克雅未克海港圖像中，道路中央車道標(biāo)線、直行左拐箭頭標(biāo)志、停車位標(biāo)線甚至是停車場汽車的車窗玻璃均清晰可見。

香港跑馬道游樂場影像圖

冰島雷克雅未克海港影像圖

美國五角大樓影像圖

在美國五角大樓俯視圖中，可以看出建筑物邊緣筆直，圖像無變形、無抖動，幾何穩(wěn)定性高。這直接證明了星上轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)有效減小了成像的微振動影響。

相機(jī)的全色圖像的動態(tài)MTF測試結(jié)果優(yōu)于0.12 。結(jié)合較高的輻射分辨率，能夠輕易區(qū)分相鄰的反射率差別較小的物體和紋理，并能在建筑物的投影中清晰地分辨出不同物體。

全色和多光譜圖像配準(zhǔn)精度高、融合效果好。無控制點(diǎn)的平面定位精度最高可達(dá)6～7m，高程精度為1m，達(dá)到了專業(yè)測繪類衛(wèi)星的水準(zhǔn)。

影像圖建筑物陰影下的物體細(xì)節(jié)

4 結(jié)論

高景一號通過高集成、小型化技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用，作為質(zhì)量500kg的小衛(wèi)星，在軌拍攝了0.5m高性能圖像，實(shí)現(xiàn)了突出的敏捷機(jī)動能力。目前4顆衛(wèi)星在軌運(yùn)行穩(wěn)定，性能測試結(jié)果表明平臺和載荷均達(dá)到并部分優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，為用戶提供了大量高質(zhì)量圖像數(shù)據(jù)。基于豐富的成像模式和出色的成像質(zhì)量，高景一號將在水資源管理、災(zāi)害監(jiān)測、農(nóng)業(yè)和林業(yè)應(yīng)用、科學(xué)研究，以及新興的工業(yè)、商業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮更廣泛作用。