高分-1卫星设计与特点

白照广（航天东方红卫星有限公司）

2013年4月26日，高分-1（GF-1）卫星由长征-2D（CZ-2D）运载火箭送入轨道。2013年12月30日，高分-1正式投入使用，这标志着我国高分辨率遥感卫星数据国产化迈出了决定意义的一步，将为国民经济建设、社会发展需要提供有力支撑。据国家国防科技工业局统计，截至2013年12月底，高分-1卫星共向用户部门提供了分辨率2m/8m影像247731景，分辨率16m影像75766景。以华北华东地区雾霾问题为例，高分-1获取了近500景观测数据，为有效开展雾霾污染形成、发展、消散等基础研究提供了一定的信息保障。

1 前言

高分-1卫星是国家高分辨率对地观测系统重大专项天基系统中的首发星，其主要目的是突破高空间分辨率、多光谱与高时间分辨率结合的光学遥感技术，多载荷图像拼接融合技术，高精度高稳定度姿态控制技术，5～8年寿命高可靠卫星技术，高分辨率数据处理与应用等关键技术，推动我国卫星工程水平的提升，提高我国高分辨率数据自给率。

2 卫星设计方案

主要技术性能

高分-1卫星采用CAST-2000小卫星平台，装载的遥感器包括2台全色分辨率2m、多光谱分辨率8m的高分相机，4台分辨率16m多光谱的宽幅相机组成。其数据传输采用X频段点波束高速数传系统。

高分-1卫星主要设计指标

轨道设计

高分-1卫星采用太阳同步轨道，即41天的太阳同步回归轨道，轨道倾角97.96°，相邻圈轨道间距2720km左右，回归周期内相邻轨迹间距66.34km，这样可在高分相机实际幅宽69km情况下，滚动方向不侧摆就可41天实现全球覆盖观测。宽幅相机（实际幅宽825km）4天就可实现全球覆盖观测，在侧摆25°左右，高分相机可任意地区实现4天重访。

星下点轨道间距及4天成像覆盖情况

有效载荷设计

高分辨率相机采用非球面同轴三反偏视场式光学系统，焦距3.3m、视场角3.155°，5色集成时间延迟积分-电荷耦合器件（TDI-CCD），探测器通过反射镜实现线性拼接。

宽幅相机采用多镜头模块、视场拼接来实现800km幅宽的方案，用折射式光学系统+分光棱镜将入射光分为4个谱段，每个谱段对应一片CCD器件。

高分辨率相机外形

高分辨率相机光学系统示意图

宽幅相机外形

宽幅相机光学系统示意图

数传分系统组成框图

高分-1上的相机成像后最大码速率达2.64Gb it/s。在设计上将其6台相机均分两路，先压缩后再进行组合编码，最终写入固态存储器中，或通过2个通道下传到地面。数据传输使用单个高增益点波束天线、同频极化复用技术实现高速数据传输。数传天线设有2个信号输入口，分别是左旋极化信号入口和右旋极化信号入口，数据传输时左旋极化和右旋极化相互保持正交隔离，由地面接收天线将一副天线的同频双极化信号进行隔离接收，可保证使用相同载波的双通道数据正常接收。为保证通道畅通，采用双冗余的传输信道，包括2副数传天线，但在固态放大器设计上采用三取二策略实现冗余。

平台设计

高分-1的卫星平台包括结构与机构、姿态与轨道控制、星务管理、测控、电源、总体电路、热控等分系统组成。

其卫星结构用于承载全星设备，承受发射段动力学载荷，保持整星飞行形态。主要采用铝蒙皮、铝蜂窝复合材料板，星箭对接环采用铝合金材料。机构主要用于实现太阳电池阵收拢、展开，由两副太阳电池翼组成，每副太阳电池翼由三块基板基板摇臂架及铰链、联动装置、压紧释放装置等组成，基板采用碳纤维加铝蜂窝材料制成。压紧释放采用四点带式压紧、单火工品解锁的最小配置，具有简单、可靠性高等特点。

其姿态与轨道控制用于卫星飞行姿态调整与稳定控制，以及卫星轨道控制。卫星姿态测量采用地球红外敏感器、星敏感器、陀螺、数字太阳敏感器、模拟太阳敏感器等。其中星敏采用三取二冗余策略，陀螺采用6个冗余的二浮陀螺以满足长寿命运行要求。姿态控制通过“3正装＋1斜装”的4个飞轮实现整星零动量控制方案达到卫星姿态对地定向、三轴稳定的目的，初始姿态调整、应急姿态调整及轨道控制采用肼系统实现，另外配置3个磁力矩器实现动量轮卸载，采用单轴驱动的驱动机构实现太阳电池翼对日定向。

其卫星测控用于卫星与地面通信及地面对卫星的操控。其采用统一S频段测控体制（USB），具备上、下通信能力，可实现指令、数据上注、遥测信息下传及定轨所需的载波信息等。卫星实时定轨还可以通过GPS实现。卫星设计中继测控功能可实现境外卫星测控功能实现。

其卫星电源用于星上电能生成。卫星采用了高效率的三结砷化镓太阳电池阵与80A ·h锂离子蓄电池组联合供电方案，日照区电池阵发电，并给星上负载供电，电能多余情况下给蓄电池组充电，地影区星上负载直接由蓄电池组供电。

其总体电路用于对整星负载配电及星地测试电接口等。整星采用分散供配电体制，既由整星统一供给相同电压的电源，各个负载依据自身的电压需求进行电压变换。

其卫星星务系统负责整星事务管理，包括时间管理、网络通信、任务驱动、遥测信息处理及整星健康管理等。该系统由三大部分组成：①智能设备，②两级控制器局域网络，③星务系统软件。智能设备包含星务中心计算机和各智能下位机，星务中心计算机是系统核心，负责卫星的任务调度和综合信息处理工作。各智能下位机具有统一的标准通信协议和数据通信格式的网络接口，接受星务中心计算机的调度和控制。其中星务数据存储模块、姿控ALTU、一次电源下位机不作为独立设备，而是嵌入星上其他分系统单机之中，实现了整星的自动化管理。控制总线网络是星上遥控、遥测等信息的通道。星务系统软件包括：实时多任务操作系统、智能设备运行软件、星上网管理软件、整星运行软件等，分别嵌入在相应智能单机设备中。

其卫星热控用于卫星温度环境控制，采用以被动热控为主、以主动热控为辅的方案，采用隔热、散热、等温化、加热设计，相机采用独立热控来满足特殊的温差和温度稳定性要求。

飞行程序

卫星与运载分离后，星上时间启动，首先进行初始姿态角速度偏差消除，主要由陀螺敏感器姿态角速度信息，采用喷气方式消除三个方向的姿态角速度。65s左右展开太阳电池翼，85s消除太阳电池翼展开带来的姿态扰动，95s高分辨率相机焦面解锁，105s使用红外地球敏感器搜寻地球，利用喷气使卫星对地初定向，同时利用太阳电池翼上的模拟太阳敏感器敏感太阳信息，并驱动太阳电池翼驱动机构使太阳电池翼对准和跟踪太阳。2000s左右飞轮启动，飞行1圈左右，卫星在飞轮作用下建立对地正常姿态控制。飞行第7、8圈展开两副数传天线，其后引入数字太阳敏感器、星敏感器，将卫星时间设置为世界调整时间（UTC），打开有效载荷长期工作负载等，卫星具备了成像能力。

为了克服入轨初始偏差和长期运行时的大气阻力等对轨道的影响，保证卫星运行于任务轨道，高分-1卫星还具有轨道调整能力。轨道调整包括星下点轨迹调整、降交点地方时保持、轨道倾角调整等，一般可通过轨道高度调整和倾角调整来实现。星上安装了一套轨控推力器，但不同状态的变轨需要对卫星姿态进行调整。设计的轨控工作模式包括：升轨模式，可直接启动安装在星体飞行方向反向的轨控发动机，通过加速达到调高轨道的目的。降轨模式，需要将卫星偏航180°，然后启动轨控发动机，通过减速实现卫星降轨。倾角调整模式：卫星沿偏航方向转动90°，然后启动轨控发动机，该种模式可在卫星飞行方向法向施加一个速度增量，可用于改变轨道倾角。

高分-1卫星有五类18种任务工作模式，五类模式包括：实时成像传输模式，可将成像图像直接传到地面站，由于所有相机成像数据压缩后码速率仍高于数传通道能力，这种模式主要用于部分相机成像时的传输；实传记录模式，部分相机直接传输，剩余相机图像存储于固存中，等待回放时下传；边记边回放模式，成像数据高于通道传输能力时，可快速写入固存，同时慢速向地面站传输数据，一般传输时间要长于成像时间；记录模式，将成像数据直接记录在固存，主要应用于卫星处于地面接收站接收区之外时的成像；回放模式，将固存数据传输至地面站。

整星具备侧摆35°成像能力，每轨最长成像时间12m in，成像面积高分相机可达3×105km2，宽幅相机可达4×106km2。卫星还具备一轨四次成像能力，可用于多目标区成像。

高分-1卫星飞行程序

它有两种测试模式，一种是数传单载波试验，主要用于数传信道测试。一种是偏航定标模式，用于相机相对辐射定标测试。其原理是将正常成像时与飞行垂直的推扫式线阵探测器偏航90°，这些线阵探测遥感的信息都是同一地物的信息，对不同探元辐亮度进行归一化修正，即可达到相对定标目的。

该卫星有多种应急安全模式，包括姿态异常模式、能源安全模式、荷安全模式、星务主机安全模式等，用于星上不同故障状态时，卫星可自主控制到安全运行状态下。

卫星侧摆成像能力

偏航90°定标图像

3 卫星主要特点

（1）空间分辨率高

我国资源一1的02C星具有2.6m分辨率，资源-3具有2.1m分辨率，由于高分-1卫星具有2m的分辨率，无疑是国内目前分辨率最高的民用卫星。

（2）中分辨率遥感视场大

国际上高于20m分辨率的遥感卫星观测幅宽一般不到200km，如美国陆地卫星-8，其分辨率15m，幅宽185km，高分-1多光谱分辨率16m，拥有800km幅宽，无疑是目前世界上同等分辨率下幅宽最大的卫星。

（3）下行码速率高

国外卫星传输码速率最高为世界观测-1，达800M b it/s，但其质量在2500k g左右。国内卫星最高码速率的卫星是资源-3，达900M bit/s，其质量也在2000kg以上。在1000千克量级的卫星上，高分-1卫星数传码速率无疑是最高，达2.64Gbit/s。

（4）具备中继测控能力

高分-1卫星是我国民用遥感卫星第一个具备中继测控能力的小卫星。

（5）具备偏航定标能力

高分-1采用了偏航90°定标模式，这不仅可降低地面辐射场要求，同时能实现全视场、多相机同时定标，大大提高了定标效率。高分-1是国内首颗可在轨实现该模式的卫星。

（6）设计寿命长

围绕国内低轨卫星寿命5～8年最高要求开展了相关设计，增强了整星安全性控制策略，设计和实时初始轨道倾角偏置优化，可保证在燃料不增加的情况下，兼顾长寿命运行。

（7）高分-1的有效载荷占重比大

有效载荷占整星质量比达47.2%，为国内同类卫星规模最高之一。

高分-1的高分辨率相机在轨成像

高分-1的宽幅相机首轨成像—日本及周边海域

4 在轨测试与应用前景

高分-1卫星入轨后，先进行了1周的工程测试，2013年4月28日开始首次成像，其后交付资源卫星应用中心进行业务测试。

在工程测试期间，对高分-1卫星状态进行了设置，对相机成像参数进行了调整，并开展了各类任务工作模式测试，开展了一次偏航定标和多次侧摆成像，特别开展了一轨四次的成像测试。

2013年9月29日，高分-1卫星完成了在轨测试，并在国土资源、环境保护、农业等方面开展了试应用。在12月30日举行的高分-1卫星投入使用仪式上，专家们评价该卫星成像质量优良，这预示着高分-1将有很好的应用前景。

2m/8m分辨率土地资源应用图像产品

16m分辨率水环境应用

16m分辨率农业应用—草原植被产草量分布

5 结束语

高分-1卫星兼顾高分辨率与大视场遥感，是我国目前在轨民用遥感分辨率最高的卫星，也是国际上16m分辨率观测视场最大的卫星，经过业务部门的试运行，卫星图像质量高，应用前景广泛。期望高分-1遥感数据能在我国高分辨率数据自给率方面作出应有贡献。