“高分二号”卫星遥感技术

潘腾 关晖 贺玮

（中国空间技术研究院总体部，北京 100094）

0 引言

“高分二号”（GF-2）卫星采用资源卫星CS-L3000A平台[1]，装载2台1m全色/4m多光谱相机，整星质量为2 100kg。卫星运行在631.569km的太阳同步轨道上，为用户提供最高全色分辨率为0.8m、多光谱分辨率为3.2m、幅宽为45km的图像数据[1]。GF-2卫星可以为用户提供高精度的对地观测数据，能够满足用户多行业的应用需求，对引领中国民用高分辨率卫星应用具有重要的示范作用。

1 卫星简介

1.1 观测任务分析

GF-2卫星工程是高分专项中实现“与其他中、低分辨率地面覆盖观测手段结合，形成时空协调、全天候、全天时的对地观测系统”这一目标的基础和主要组成部分。主要用于实现土地、地质、住建、交通、林业等领域精细化的业务应用，同时推进卫星数据服务于防灾救灾、国家安全、电子政务、水利工程安全监测、地震、统计、测绘、海洋等业务及首都圈、新疆等区域的应用[2]。

上述要求的实现，需要卫星的地面分辨率达到米级，同时具有足够的幅宽以满足中型城市监测及资源调查业务的需要；根据项目需求，将相机的谱段设置为4个多光谱谱段和1个全色谱段，谱段范围为0.45～0.90μm，根据空间分辨率和刈幅的要求，确定选择2台推扫成像的TDICCD相机可同时满足分辨率和刈幅的要求。

为了实现对地质灾害的监测并满足快速应急的需求，需要卫星姿态控制方面具有快速机动能力。对于特定目标的监测任务，需要卫星的运行轨迹具有在一定时间内可以重复覆盖并且重访周期较小；卫星运行期间，主要观测国内目标，为国家的经济建设服务，同时为了满足国家安全的使用需求，应兼顾观测境外地区，因此需要卫星能够覆盖全球大部分地区。对此，将轨道设计成星下点成像可以实现无缝覆盖的回归轨道。

1.2 任务特点

GF-2卫星作为高分辨率遥感卫星，具有如下任务特点：1）高分辨率+大幅宽，GF-2卫星作为高分专项中实现与其他中、低分辨率观测手段结合的主要组成部分，需要完成高分辨率数据的获取，同时提供较大幅宽；2）高定位精度，卫星实现米级分辨率满足业务需求，需要高定位精度完成图像应用；3）高整星机动能力，为了能够更加灵活地使用和选择观测区域，卫星需要设计高机动能力以满足多角度侧摆观测；4）卫星寿命长，相比以往3～5年的寿命设计，GF-2卫星采用5～8年的长寿命设计方案，以满足长期在轨的业务需求。

1.3 方案概述

GF-2卫星是一颗三轴稳定的对地观测卫星，卫星由有效载荷和服务系统两部分组成。有效载荷包括2台相同的全色多光谱高分辨率相机、数传、数传天线和数据记录分系统；服务系统为有效载荷提供供电、温控、安装、测控和姿态轨道控制等支持，主要由结构、控制、推进、电源、总体电路、热控、数管、测控、力学环境测量等分系统组成。

GF-2相机分系统由2台相同的1m全色/4m多光谱相机组成，采用2台相机拼接实现45km幅宽要求，相机光学系统中采用了同轴三反式光学形式，配置了1个全色谱段和4个多光谱谱段。主要技术指标见表1。

表1 GF-2相机主要技术指标Tab.1 Main technical parameters of GF-2 camera

数传分系统包括数据处理部分、数传通道部分和数传控制部分。配置2个X波段数传通道。数传天线分系统由2台高增益点波束天线及伺服控制器组成，实现将星上数据下传至地面接收站的功能。数据记录分系统配置了2台大容量的固态存储器，用于记录图像数据和服务数据。

卫星采用CS-L3000A公用平台，整星质量为2 100kg，服务系统采用高精度姿态和轨道测量、高精度时统等技术实现无控制点50m定位精度；采用25Nms控制力矩陀螺及动量轮实现整星快速姿态机动，能够在 180s内实现整星 35°侧摆并稳定。采用高精度三轴稳定对地定向控制模式，指向稳定度优于5×10–4(°)/s。采用USB测控+中继测控，完成卫星测控任务，并使用双频GPS系统完成精密定轨任务。采用平台集中+载荷分散的供电体制，配置三结砷化镓太阳电池阵及2组70AH镉镍蓄电池，寿命末期输出功率不小于3.2kW。数据管理分系统对整星指令与数据进行统一管理，具备可重构和自主诊断、隔离、修复能力。主要技术指标见表2。

表2 GF-2平台主要技术指标Tab.2 Main technical parameters of GF-2 platform

1.4 工作模式

卫星在轨常规工作模式包括：准实传成像模式、图像记录模式及图像数据回放模式。

准实传成像模式：在数传可与地面数据接收站进行数据传输作业时，相机对地成像；卫星在实时记录图像数据的同时，按数传通道码速率将固态存储器中存储的数据传输至地面数据接收站。在此模式下，全色图像压缩比固定为3︰1，多光谱图像固定为无损压缩，数传通道码速率为2×450Mbyte/s。

图像记录模式：在数传无法与地面站进行数据传输作业时，相机对地成像；卫星将图像数据等实时记录在固态存储器中。在记录模式下，卫星不与地面数据接收站进行数据传输作业。此模式下全色图像压缩比为3︰1，多光谱图像无损压缩。

图像数据回放模式：在数传可与地面数据接收站进行数据传输作业时，卫星不成像；存储在固态存储器中的图像等数据通过数传通道回放至地面数据接收站。在此模式下，数传通道码速率为2×450Mbyte/s。

2 卫星技术创新点

2.1 高精度定姿与高稳定度设计

为了保证相机的成像指向精度，要求星上实时姿态确定精度优于0.01°（3σ）。GF-2卫星配置3个国产APS星敏感器、2台三浮陀螺（共6个陀螺单体）及1台光纤陀螺（3个陀螺单体），根据星敏感器、陀螺的性能特点，在获取卫星姿态时，利用最优估计方法实现星敏感器与陀螺数据的信息融合，以满足0.01°（3σ）的定姿要求。

针对姿态稳定度，对卫星正常飞行时的状态开展仿真实验，结果表明，当去除偏流角影响后，三轴姿态稳定度分别为滚动轴 2.34×10–4(°)/s、俯仰轴 2.82×10–4(°)/s、偏航轴 2.84×10–4(°)/s，满足三轴姿态稳定度 5×10–4(°)/s的要求。

2.2 高分辨率相机设计

GF-2卫星平台装载了2台相同的高分辨率相机来实现0.8m/3.2m、幅宽为45km的成像能力，侧摆状态下也能够保证1m的分辨率。

相机使用同轴三反式光学形式，采用长焦距、大F数、轻量化、小型化的设计理念，突破了多项关键技术，使得相机在体积和质量远小于传统设计的情况下，实现了中国当前在轨遥感相机的最高分辨率[3]。相机产品的研制采用了多项创新设计，如国内首次采用高稳定轻型陶瓷基复合材料的光学结构，高品质完成了相机光学望远系统；首次采用的柔性隔振、间接辐射热控等技术，以及零重力装调工艺、镜头稳定性处理工艺[3]，确保了相机在轨工作成像品质的稳定性。

2.3 高稳定相机及星敏感器的支撑结构设计

为实现GF-2卫星无控制点50m定位精度，卫星在轨工作期间应保证2台相机之间夹角的稳定性，以及星敏感器与相机之间相对指向的稳定性。因此，卫星采用高稳定相机主承力板将2台相机与3个星敏感器实现一体化安装，最大限度减小2台相机间、相机与星敏感器间相对指向的变化。为防止相机在整星装配过程中发生主承力板变形，采用3点支撑阻尼桁架将主承力板与整星进行连接。阻尼桁架具有足够的刚度和阻尼，保证桁架主承力板组合后具有良好的频率特性及在频率点具有较小的响应放大倍数。通过对桁架角度、方向、支撑点位置及直径的不同组合，在几十赫兹到几百赫兹内调整整机固有频率，使2台相机的整体振型都出现在桁架上。

星敏感器支架直接安装在相机主承力板上，为保证高品质成像，星敏感器支架需要有高精度热控设计和力学设计。GF-2卫星对星敏感器支架分别进行了过载分析、模态分析、加速度频率响应分析及热变形分析，结果表明，星敏感器支架具有良好的力学性能，满足刚度要求；星敏感器安装面热变形指向变化量满足要求。

2.4 微振动设计

为保证相机的成像品质，根据相机CCD成像积分期间内对微振动造成晃动最大值的要求，GF-2卫星为降低控制力矩陀螺（control moment gyro, CMG）微振动对成像品质的影响，每个CMG都通过1个隔振器与动量轮支架连接。CMG微振动隔振器主要技术指标为：

1）各方向扰振力（力矩）均方根下降10dB以上；

2）时程响应峰值下降10dB以上；

3）主共振峰频率不低于20Hz，峰值传递率不大于3。

当 CMG运动时，带动转接板挤压阻尼垫，将受力传递给衬套，进而传递至动量轮支架。选取适当刚度和阻尼的阻尼垫，可以将传力路径的动态特性调整至更有利于降低动态扰动的状态，实现微振动抑制。

微振动对相机影响的MTF仿真计算结果见表3，表中同时给出了无CMG隔振器情况下的结果以便对比。由表3可见，采用隔振措施后，可以保证大积分级数下，图像MTF不降低。

2.5 长寿命设计与分析

GF-2卫星是中国首颗设计寿命为5～8年的低轨遥感卫星。为了满足整星在轨工作寿命的要求，GF-2卫星开展了长寿命设计，完成了满足寿命要求的整星分系统可靠性指标分析和失效率状态分析，系统级和单机级寿命保证措施分析与验证。

对星上关键分系统，如控制、电源等分系统，除加强冗余设计外，同时加强了卫星控制分系统的在轨故障诊断和修复能力的设计；电池电路所采用的衰降系数在轨辐照总剂量的基础上增加一定余量进行设计，并采用电源充放电自主控制等可靠性设计。卫星对电子、机电、电源功率、光电、管阀等产品及退化性材料的寿命设计保证措施进行了复核确认，对于影响整星寿命关键的单机进行了识别，采取相关的寿命保证措施，措施均经过了单机试验、分系统试验和整星各项试验的验证。

表3 微振动对相机影响的MTF仿真计算结果Tab.3 Simulation calculation results of the micro-vibration impact on the camera MTF

开展了电池电路、控制部件、活动机构、光学部件、热控材料等关键单机的可靠性设计及寿命验证试验，对元器件进行了辐照数据确认、抗辐照设计措施复查及抗辐照摸底试验。试验结果表明，这些单机能够满足5～8年寿命的要求。

3 在轨数据评价及应用情况

3.1 在轨数据评价

卫星入轨后进行的在轨测试表明，GF-2卫星不仅系统功能和性能全部满足指标的要求，而且星地一体化与图像品质指标也满足要求，定位精度等关键指标优于技术要求。

通过对GF-2卫星相机20景不同时间、不同地形、不同经纬度分布、侧摆角度小于10°的样本图像进行外部几何精度测试。GF-2卫星相机2A级图像的几何定位精度约为39.8m。相机图像和参考影像控制点示意如图1所示，20景2A级产品的测试结果分布如图2所示。

图1 相机图像和参考影像控制点示意Fig.1 Schematic diagram of camera image and reference image control points

图2 GF-2卫星相机2A级图像产品几何定位精度Fig.2 GF-2 camera 2A positioning accuracy

地面处理系统在山东半岛地区选取了4景影像数据，采集高精度的密集外业控制点（GCP）对GF-2卫星单景影像的内部几何精度进行评测，如图 3～4所示。GCP平面几何精度优于 0.2m，高程精度优于0.5m。

图3 待检测数据与外业控制点分布情况Fig.3 The distribution of the data to be detected and the field control points

图4 影像内部几何精度检查点分布情况Fig.4 The distribution of the internal geometric accuracy checkpoint

经测试，GF-2卫星2台相机全色影像在沿轨和垂轨方向内部几何精度分别控制在1.6与0.9个像元左右；GF-2卫星2台相机多光谱影像在沿轨和垂轨方向内部几何精度分别控制在0.65与0.5个像元左右，如表4所示。

表4 相机内部几何精度Tab.4 Internal geometric accuracy of camera

对每台相机不同的时相、轨道、侧摆角（0～1º、7～10º、10～20º）以及不同地形，如山地（高程：500～3 000m）、丘陵（高程：200～500m）、平原（高程：0～200m）进行了多光谱图像配准精度测试。谱段间匹配点示意如图5所示；相机配准精度如表5所示，其中，X方向为沿轨方向，Y方向为垂轨方向。

图5 谱段1与谱段4匹配点示意图Fig.5 Schematic diagram of matching points of band 1 and band 4

表5 相机配准精度Tab.5 Registration accuracy of camera

由表5可见，各谱段垂轨与沿轨2个方向的配准均优于0.3个像元。

3.2 在轨应用情况

GF-2卫星已成功应用于以下几个方面：矿产资源开发现状调查与监测、地质灾害调查与监测、区域遥感地质矿产调查、区域生态地质环境调查；土地利用现状解译、土地利用变化新增建设用地监测、土地数据获取；风景名胜区用地分类、城市建筑物识别、小城镇水源地水系和农村居住建筑物识别；路网规划、路网监控与应急、航道监测、公众出行服务；森林资源、湿地、区域荒漠化、林业生态工程、森林灾害监测等业务领域。

经部分领域试用测试，并与行业内广泛应用的国外高分辨率遥感卫星，如 WorldView、IKONOS、Quickbird、Pleiades等进行了同应用类型数据对比，发现GF-2卫星能够充分发挥高分辨率图像应用优势，其图像清晰度高、几何精度高、谱段信息丰富，达到或超过了国内外同等或相近分辨率的遥感数据水平。同一地物GF-2卫星图像与国外WorldView-2卫星图像如图6～7所示。

图7 WorldView-2北京西山公园彩色图像Fig.7 Beijing Xishan park color image from WorldView -2 satellite

4 结束语

GF-2卫星是中国首颗分辨率达到1m的民用遥感卫星，经在轨测试显示，卫星影像清晰，经地面检校后，定位精度达到国际先进水平，标志着中国在高分辨率遥感卫星平台和载荷领域已达到国际先进水平；其高分辨率遥感数据应用达到或超过了国际同类或相近数据水平，这将改变中国高分辨率遥感数据主要依赖进口的状态，并将在中国科研及现代化建设中发挥重要作用。

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