GEO中高分辨率民用光学对地观测卫星发展研究

于龙江 刘云鹤

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

1 引言

地球静止轨道（GEO）光学对地观测卫星非常适合于对地球进行长期的连续监视和快速的访问成像；但由于其轨道高度高，成像物距是近地轨道的数十倍。早期，在光学成像载荷技术能力的限制下，卫星难以获得高空间分辨率，因此，其发展多在对空间分辨率要求不高的气象卫星和导弹预警卫星领域。近年来，随着光学成像载荷技术和卫星姿态控制技术的发展，出现了在GEO 实现几百至几十米分辨率的光学对地成像卫星的相关研究，目的是充分发挥高轨道驻留时间长的优势，满足多类军民应用需求。

目前，许多国家和卫星制造公司已经开始GEO中高分辨率民用光学对地观测卫星的设计和研制工作。韩国已发射并应用一颗装有地球静止轨道海洋成像仪（GOCI，500m 分辨率）的“通信-海洋-气象卫星”（COMS），后来又提出了研制250 m 分辨率的GOCI-2载荷计划；印度制定了“地球静止轨道高分辨率”（GEO-HR）卫星计划，并开展了针对GEO 中高分辨率光学成像卫星的方案论证工作；欧洲阿斯特留姆（Astrium）公司也在积极推动GEO-Africa（25m 分辨率）和GEO-Oculus（10．5 m 分辨率）卫星方案，并为其寻找用户。

多个国家和卫星研制公司都在大力发展GEO中高分辨率光学对地观测卫星，主要是因为此类卫星具有低轨光学对地观测卫星所不具备的以下优势。①可以利用长期驻留固定区域上空的优势和快速的指向调整能力，实现对各类紧急观测任务的快速响应，快速获取不同谱段的探测图像；在短时间内由地面完成探测数据的接收、处理和分发，为各类应急任务提供及时的图像数据支持。②可以利用相对地表观测区域静止的优势，在一段时间内对目标区域进行高频重复凝视观测，获取目标区域的动态变化过程数据，这一能力对于光学遥感应用而言是全新的。③可以通过灵活的任务编排和卫星快速的指向调整，同时对多个热点地区进行监测。④可以利用面阵长积分时间成像的优势，获取高质量的探测图像；实现极小的图像内部几何畸变，生成高几何精度的图像产品；实现良好的遥感图像定量化应用效果。可以预见，GEO 卫星用于对地观测有多方面的优势，将是未来光学对地观测卫星技术发展的一个重要领域。

2 发展情况

2．1 韩国COMS卫星

COMS卫星是韩国用于通信、海洋、气象等任务的GEO 多用途对地观测卫星，由欧洲Astrium公司设计制造，于2010年发射，并已投入应用。

COMS卫星装载的GOCI（见图1），分辨率达到了500m，是世界上首个在GEO 实现百米量级分辨率的民用光学对地观测载荷。GOCI可在短期内完成对自然现象的探测、监控和预报，藻类污染的监控和预报，海洋生态系统健康状态监控，沿海区域调查和资源管理，海洋水产业信息搜集等任务。其质量为83．3kg，峰值功耗为106 W，是COMS卫星的3个载荷之一。它采用了200 万像素的面阵CMOS探测器技术。分辨率为500 m，幅宽为500km；共8 个谱段，光谱分辨率为10～40nm，平均信噪比为1000。表1为GOCI的谱段及其主要用途［1］。

图1 GOCI结构方案图Fig．1 Main structure of GOCI

表1 GOCI的谱段及其主要用途Table 1 Spectral channels and their applications of GOCI

在GOCI获得成功的同时，韩国提出了GOCI-2的研制计划，其分辨率提高到250m，谱段数增加到13个，各个谱段的主要指标见表2。它的成像模式（见图2）既包括原有的韩国附近海域的高分辨率成像模式（分辨率250m），又包括整个地球圆盘的低分辨率成像模式（分辨率1km），可用于监测地球气候的长期变化。

表2 GOCI-2的谱段及其主要用途Table 2 Spectral channels and their applications of GOCI-2

图2 GOCI-2成像模式Fig．2 GOCI-2imaging modes

2．2 印度GEO-HR卫星计划

印度于2007 年提出了发展GEO 高分辨率光学成像卫星的计划。其计划发展的卫星（或载荷）暂定名称为GEO-HR，配置以下几个探测通道：①可见光-近红外高分辨率多光谱（HRMX-VNIR）成像通道，分辨率50m；②可见光-近红外高光谱（HySVNIR）成像通道，分辨率320m；③短波红外高光谱（HyS-SWIR）成像通道，分辨率192m；④热红外高分辨率多光谱（HRMX-TIR）成像通道，分辨率1．5km。

2．3 Astrium 公司卫星方案

2．3．1 GEO-Africa卫星

近年来，Astrium 公司在积极推动25m 分辨率的GEO-Africa卫星（见图3［2］）方案。该卫星计划在2015年发射，是针对中低纬度的非洲提出的，主要满足农业、土地、海岸、减灾、自然资源等方面应用需求。

GEO-Africa卫星装载1台大口径（0．9m）光学相机：在可见光、近红外（VNIR）范围内有10 个成像谱段，星下点分辨率为25m；在短波红外（SWIR）范围内有1个成像谱段，星下点分辨率为75 m；全谱段调制传递函数（MTF）平均值优于0．1。卫星采用直接入轨方式发射，整星发射质量约为1300kg，其中相机质量为550kg。GEO-Africa卫星谱段配置和分辨率如表3所示。

图3 GEO-Africa卫星外形设计图Fig．3 GEO-Africa configuration layout

表3 GEO-Africa卫星谱段及其分辨率Table 3 Spectral channels and their resolutions of GEO-Africa

GEO-Africa卫星采用面阵成像体制，可见光探测器采用面阵CMOS，单景幅宽为300km×300km。卫星采用“步进-凝视”工作模式，每天可工作13h，对地成像90景，平均4～5d可获取一幅完整的非洲大陆图像，夜晚阶段不工作。

Astrium 公司目前正在积极寻找GEO-Africa卫星的用户。按照其方案和研制流程，能够在项目启动后5年内完成卫星研制并发射使用［3-5］。

2．3．2 GEO-Oculus卫星

Astrium 公司提出的GEO-Oculus卫星方案，是从概念上对实现高空间、高时间、高光谱分辨率的高轨光学对地观测技术进行的探索和研究［6-7］，主要面向欧洲及周边海域的灾害、资源、海洋等应用。GEO-Oculus卫星任务如表4所示。

表4 GEO-Oculus卫星任务Table 4 Missions of GEO-Oculus

GEO-Oculus卫星（见图4）计划在2018 年发射，整星发射质量为3652kg。它的光学相机口径为1．5m，各个探测通道共用前光学系统。可见光、近红外范围内的3个焦面采用大面阵CMOS探测器，短波-中波红外焦面采用碲镉汞（HgCdTe）探测器，长波红外焦面采用量子阱（QWIP）或HgCdTe探测器。相机最长积分时间为100ms，质量预计为606kg，功耗预计为508W（均考虑了20%的设计余量）。卫星每天可获取65景以上的多谱段图像，在午夜前后±2h内不工作。

GEO-Oculus卫星的面阵相机，采用分光＋滤光片轮的方式设计了5个成像通道，包含从紫外到长波红外共27个探测谱段。其谱段配置、分辨率、幅宽如表5所示。值得注意的是，成像通道数量多，以及滤光轮等活动部件的引入，使相机光学系统设计非常复杂，降低了系统的可靠性。该设计目前并未得到工程验证。

图4 GEO-Oculus卫星及其相机Fig．4 GEO-Oculus and its camera

表5 GEO-Oculus卫星谱段及其分辨率Table 5 Spectral channels and their resolutions of GEO-Oculus

2．3．3 卫星方案比较

表6为GEO-Africa和GEO-Oculus卫星方案的主要技术特点比较。

表6 GEO-Africa和GEO-Oculus卫星方案的主要技术特点比较Table 6 Comparison of main technical characteristics between GEO-Africa and GEO-Oculus satellites

3 关键技术分析

根据国外发展情况，GEO 中高分辨率光学对地观测卫星一般采用面阵凝视成像体制，选用全反射光学系统，并采用近年来发展迅速的面阵CMOS探测器，通过整星姿态机动进行相机指向的调整，实现灵活的任务响应能力。CMOS 探测器一般具有抗弥散设计，可以避免局部图像的饱和（云、水体等）对于其他区域的影响，适合于高轨对地成像时幅宽大、云出现概率大的特点。CMOS 探测器采用电子快门，积分时间可以在一定范围内自由设置，有利于在整星快速切换指向区域时，通过调整积分时间获取灰度值（DN）分布合理、图像亮度效果好的图像。但CMOS探测器在技术上尚不如CCD 探测器成熟，像元尺寸一般较大，在探测灵敏度、探测器噪声等方面略逊色于CCD，在探测器规模上尚达不到大面阵CCD 探测器的规模。这些缺点也都影响了CMOS探测器在短期内的广泛应用。

国外GEO 中高分辨率光学对地观测卫星一般具有VNIR、SWIR、MWIR 直至LWIR 范围内的多谱段探测能力，空间分辨率10～50m 不等，卫星可根据应急救灾、火灾监视、水质污染监视、海洋观测等领域的任务需求，确定其探测谱段和分辨率。

在平台方案上，国外GEO 中高分辨率光学对地观测卫星多采用成熟的GEO 通信卫星平台进行改造，并继承低轨高分辨率光学对地观测卫星平台技术，采用先进的姿态测量和控制设备，以满足成像性能要求的姿态稳定度、姿态测量精度和指向控制精度；通过多层次的隔振措施，保证载荷成像期间光轴的振动幅值控制在允许的范围内。

积分时间长是GEO 中高分辨率光学对地观测卫星的一大技术特点。长积分时间有利于实现高的信噪比，尤其对于低照度、低反射率目标区域，有利于获取更多的图像细节，提高图像定量化应用价值。但长积分时间需要几个方面的技术作为支撑：①大动态范围的探测器器件，尤其是满阱电子数要高，才能在获取低端图像细节的同时避免高端饱和；②整星高稳定度姿态控制，按照一般的设计要求，星体稳定度在0．000 1（°）／s～0．000 5（°）／s；③星体微振动抑制技术，由于积分时间长，相机成像所敏感的“高频振动”的频率范围向低频移动，对隔振系统设计带来了很大的挑战，相比低轨光学对地观测卫星的隔振系统具有更大的技术难度，国外高轨高分辨率光学对地观测卫星对控制执行机构的微振动特性有严密的分析和严格的要求，并采用多种隔振手段（执行机构隔振器、相机隔振器等）完成隔振任务。

夜晚阶段阳光照射是GEO 中高分辨率光学对地观测卫星面临的重要问题。由于星地距离远，在夜晚阶段地球的阴影一般不能遮挡卫星（地影期除外）；高分辨率相机口径大，且遮阳罩内壁一般进行发黑处理，以减小杂散光，内壁长时间受照会引起遮阳罩温度的上升；在午夜附近时段，阳光照射相机内部很深，如果不加控制，就会对光学反射镜表面的镀膜等造成损坏。因此，GEO 中高分辨率光学对地观测卫星要解决夜晚阶段的遮光罩热控问题，并通过姿态规避或热门等手段解决午夜附近的阳光照射问题。

4 启示

GEO 中高分辨率光学对地观测卫星的突出优点，使其具有广阔的应用前景。在减灾应用方面，可以获取灾害演变过程中典型孕灾环境、致灾因子和承灾目标的持续动态监测数据，为水灾、雪灾、林火、地震、泥石流等各类灾害的发展趋势分析、救灾方案部署等活动提供重要的数据支持；在气象应用方面，可以在一段时间内提供热点地区的高频率连续探测图像，为重大气象保障和强天气条件（局部地区强对流、龙卷风、台风等）短期预警服务提供数据支持；在农业应用方面，可以为区域性作物长势监测、作物面积早期识别、区域性耕地土壤墒情监测、农业灾害监测等活动提供支持；在环保应用方面，可用于大气、水体、森林、草地、湿地等动态变化监测和保护活动；在海洋应用方面，可用于海岛海岸带动态监测、海洋渔场环境监测、海洋灾害监测等活动。

当前，许多国家和卫星研制公司都在大力发展GEO 中高分辨率光学对地观测卫星技术，主要包括韩国的COMS卫星、印度的GEO-HR 卫星、欧洲的GEO-Africa和GEO-Oculus卫星。根据对这些卫星的分析可知，在发展GEO 中高分辨率民用光学对地观测卫星时，要解决以下关键技术：①可见-红外共口径相机方案优化设计技术；②大口径光学相机加工、装调、检测技术；③大规模、高性能面阵探测器技术；④大口径光学相机支撑与减隔振技术；⑤GEO光学对地观测卫星精密热控技术；⑥GEO 光学对地观测卫星平台减隔振技术。

（References）

［1］Yu H A．Present status of GOCI and preliminary GOCI-2 mission ＆ user requirements［R／OL］．［2010-10-03］．http：／／0-geo-cape．larc．nasa．gov．iii-server．ualr．edu／docs／2009swgm／4wednesdayafternoon／cho＿goci＿coci2＿rev．pdf

［2］Kufoniyi O．GEO-Africa technical specification white paper［R／OL］．［2010-02-17］．http：／／www．earthobservations．org／documents／geo＿africa／geo-africa-whitepaper-draft1-17feb2010＿1．pdf

［3］Ramos F．GEO-Africa workshop session 1：technical performances［R／OL］．［2010-02-22］．http：／／www．earthobse vations．org／documents／geo＿africa／geo-africafirst-core-team-meeting＿garba＿sambo＿hassan．pdf

［4］Ramos F．GEO-Africa workshop session 2：appropriateness of applications［R／OL］．［2010-02-22］．http：／／www．earthobsevations．org／documents／geo＿africa／geo-africa-first-core-team-meeting＿garba＿sambo＿hassan．pdf

［5］Ramos F．GEO-Africa workshop session 3：regionalisation-deployment ＆ capacity building approaches［R／OL］．［2010-02-22］．http：／／www．earthobsevations．org／documents／geo＿africa／geo-africa-first-core-team-meeting＿garba＿sambo＿hassan．pdf

［6］Knigge T．GEO-Oculus mission overview：a mission for real-time monitoring through high-resolution imaging from geostationary orbit［R／OL］． ［2009-05-13］．http：／／esamultimedia．esa．int／docs／gsp／completed／c21096exs．pdf

［7］Vaillon L，Schull U，Knigge T，et al．GEO-Oculus：high resolution multi-spectral earth imaging mission from geostationary orbit［C］／／ICSO 2010Proceedings．Toulouse，France：ICSO，2010：31-36