“高分四号”卫星遥感技术创新

李果孔祥皓刘凤晶练敏隆

（1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

（2 北京空间机电研究所，北京 100094）

“高分四号”卫星遥感技术创新

李果1孔祥皓1刘凤晶1练敏隆2

（1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

（2 北京空间机电研究所，北京 100094）

“高分四号”卫星是中国首颗地球静止轨道高分辨率光学遥感卫星，是国家高分辨率对地观测系统重大专项工程的重要组成部分。“高分四号”卫星将高时间分辨率和较高空间分辨率相结合，为减灾、气象、地震和林业等多个行业的应用提供遥感数据服务，并为海洋、国土和水利等行业以及国防建设提供遥感数据支持，实现中国民用高分卫星研制和卫星遥感应用领域的新突破。文章分析了“高分四号”卫星在运行轨道、探测手段、控制体制等多方面的任务特点，总结了卫星总体设计技术、高精度控制技术、复杂条件下像质保障技术、高精度热控技术、高可靠长寿命技术等创新点，为中国静止轨道高分辨率光学遥感领域后续发展提出重要建议。

技术特点 应用 “高分四号”卫星 航天遥感

0 引言

高轨高分辨率对地观测技术是未来对地观测技术发展的重要方向[1]，“高分四号”卫星是我国此类遥感卫星的首发星，也是世界上第一颗地球静止轨道较高空间分辨率遥感卫星，填补了我国乃至世界高轨道高分辨率遥感卫星的空白。“高分四号”卫星是国家高分辨率对地观测系统民用系列卫星的重要组成部分，能够提供高时间分辨率、大幅宽和50m像元分辨率的遥感数据。

1 卫星简介

1.1 观测任务分析

静止轨道光学遥感领域分辨率优于百米，在世界范围内尚属首例。近年来，美国已经开展了高轨道米级高分辨率遥感卫星的技术预先研究，欧洲也在进行高轨道高分辨率遥感卫星的技术论证，但欧洲由于国土面积较小，研制高轨道遥感卫星的需求并不迫切。而我国由于国土面积幅员辽阔，气象观测、抢险救灾、环境保护、森林保护等对高轨道遥感卫星的需求非常强烈，因此，催生了地球静止轨道遥感卫星研制工程的实施。由于卫星可通过快速指向控制，能进行大范围实时、连续机动成像和高时间分辨率成像相结合的综合观测，进而可以获取较高空间分辨率和多谱段地面图像信息；同时卫星还可以对用户感兴趣的地方进行连续观测、凝视观测、区域成像及机动成像等，在满足减灾、气象、地震、林业等多个业务系统的应用需求上，发挥重要的作用。例如在对台风的实际观测中，由于中低轨道卫星回归时间比较长，对感兴趣的地区持续观测困难，信息不连续；当卫星运行一圈过来再进行观测，台风的发展态势早就发生了变化[2]，而“高分四号”卫星由于运行在地球静止轨道，不仅可以连续提供台风发展变化信息，而且对台风的纹理等细节一目了然，可以为有关部门预测台风的发展趋势，对及时采取应对举措提供帮助。

1.2 任务特点分析

与我国已发射应用的低轨遥感卫星相比[3-4]，“高分四号”卫星任务有以下不同的特点：

1）运行轨道不同。以往发射应用的遥感卫星都是运行在距地球400km～1 000km左右的低轨道，而“高分四号”卫星则运行在距地球36 000km的高轨道。

2）遥感手段不同。以往我国发射应用的遥感卫星采取的是线阵推扫方式成像，而“高分四号”卫星采用了面阵凝视成像。

3）控制体制不同。“高分四号”卫星是在我国低轨遥感卫星、高轨道通信卫星和导航卫星基础上研制，采用先进控制体制配合高精度测量敏感器和执行机构，具有整星小角度快速机动和高稳定度控制的特点。

4）遥感器尺寸不同。“高分四号”卫星搭载的是我国目前口径最大的面阵凝视光学遥感相机，最大限度地保证了地面分辨率和成像幅宽。

5）设计寿命不同。以往遥感卫星一般要求设计寿命3～5年，而“高分四号”卫星则要求整星设计寿命达到8年，是我国目前设计寿命最长的遥感卫星。

6）热环境和辐射环境比中低轨更恶劣。

1.3 卫星概述

卫星采用新研制的高轨遥感卫星平台，承载可见光和中波红外共口径的光学相机，配置0.5Nm大力矩动量轮实现卫星姿态快速机动，能够在30s内实现整星机动0.64°并稳定，具备对突发事件的快速响应能力。“高分四号”卫星星下点像元分辨率达到可见光谱段50m、中波红外谱段400m，有效幅宽均优于400km；共设置6个谱段，谱段设置分别为B1:0.45μm～0.90μm、B2:0.45μm～0.52μm、B3:0.52μm～0.60μm、B4:0.63μm～0.69μm、B5:0.76μm～90.90μm、B6:3.5μm～4.1μm，无控制点目标定位精度达到4km（3σ）；采用高速信号调制技术和高增益点波束天线，实现 300Mbit/s数据传输速率。卫星研制突破了静止轨道光学遥感卫星总体设计技术、卫星姿态快速机动与高稳定控制技术、复杂成像条件下高轨遥感卫星成像品质保障技术、长寿命高可靠技术等关键技术。图1为“高分四号”卫星飞行状态示意图。

图1 “高分四号”卫星飞行状态示意图Fig.1 GF-4 satellite flight status

1.4工作模式

根据卫星观测任务的不同，卫星可分为凝视成像模式、区域成像模式和机动巡查模式。凝视成像模式是对特定地点进行成像；区域成像模式是对用户指定区域进行拼接成像；机动巡查模式可根据任务要求，利用姿态机动快速完成用户指定的2～3个关注区域的成像。

2 卫星技术创新点

“高分四号”卫星的研制是在借鉴中国空间技术研究院中低轨道遥感卫星、高轨道通信卫星和“北斗”导航卫星研制经验的基础上，针对高轨道遥感卫星特点，集成而成的。在卫星研制过程中，开展了多项技术创新工作，以确保卫星性能和功能的实现。

2.1高轨高分辨率光学遥感卫星总体设计技术

在地球静止轨道上实现50m分辨率光学成像，国际上没有在轨飞行的先例，没有成熟的技术体制可供借鉴，因此总体设计是“高分四号”卫星工程研制的关键之一。通过识别与低轨遥感卫星设计的差异，确定攻关工作的重点为任务分析、指标体系论证、成像模式、工作环境、一体化设计、微振动测量等方面。

通过任务分析，提取出对卫星成像品质、工作模式、数据传输、寿命、可靠性等要求，充分反映成像模式对分系统指标的影响；建立一套地球静止轨道光学遥感卫星指标体系，完成卫星轨道设计，通过指标体系论证，分解各个影响环节，解析出对卫星有效载荷、平台的指标要求；地球静止轨道卫星星下点相对固定，易采用面阵凝视方式进行成像，并通过卫星姿态偏置进行区域拼接成像（见图 2），通过大角度机动对热点地区进行机动巡查，因此凝视成像、区域成像和机动巡查成像为有效载荷在轨三种主要成像模式；在总体设计技术方面综合考虑相机焦面和信号处理等设备散热对成像品质的影响，以及热变形对光轴指向测量精度的影响，完成卫星机、电、热一体化设计；对成像期间的卫星活动部件的微振动进行测量，包括太阳翼驱动机构、动量轮、制冷机等组件，提出单机微振设计指标、降低对卫星成像影响。

图2 区域成像工作模式Fig.2 Area imaging mode

2.2 快速机动与高稳定控制技术

“高分四号”卫星为任务主导型卫星，因此卫星的最大特点为对用户的成像任务可以近实时响应。在有成像需求时，卫星可以通过姿态侧摆对目标区域进行凝视成像或者拼接成像，对多个成像任务通过巡查成像模式完成。因此要求卫星具有快速机动并稳定的能力，为此星上配置了4个0.5Nm的大力矩动量轮作为执行机构进行卫星姿态侧摆控制，同时采用 3"高精度星敏+陀螺方式定姿，即基于陀螺的测量数据，对姿态四元数进行积分计算得到卫星姿态的预估值；再利用星敏感器的测量数据，对卫星姿态估计的误差进行 Kalman滤波校正，并估计陀螺的漂移。这样可以得到的卫星姿态是相对于惯性坐标系的姿态，再结合高精度轨道外推算法，进一步得到卫星相对于轨道坐标系的姿态参数。

在方案研制阶段，利用大型单轴气浮台开展了整星快速机动快速稳定技术的全物理仿真试验（如图3所示），并进行控制算法的优化，以实现姿态确定和稳定度的指标。通过在轨测试，卫星可以在26s内完成姿态机动0.64°并稳定，姿态稳定度为2×10-4（°）/s，优于指标要求的5×10-4（°）/s。

图3 “高分四号”卫星进行大型单轴气浮台试验Fig.3 GF-4 satellite single axis air bearing test

2.3卫星长寿命设计与验证技术

“高分四号”卫星是我国首颗高轨长寿命光学成像卫星，设计寿命要求8年，技术研究工作从三方面展开：使用模式对卫星寿命和可靠性的影响、地球静止轨道遥感卫星空间环境防护措施、地球静止轨道遥感卫星长寿命高可靠设计与验证方法。通过对寿命薄弱环节分析，机电类的活动部件以及未在高轨道应用过的器件和部组件是影响卫星寿命的主要因素。

通过识别，机电类的活动部件包括0.5Nm的大力矩动量轮、三浮陀螺、太阳翼驱动机构、相机旋转滤光片组件、定标机构、脉冲管制冷机组件、数传天线转动机构；未在高轨道应用过的器件和部组件为可见光近红外通道的CMOS探测器、中波红外通道探测器、阻尼桁架组件用的聚氨酯等。

针对上述薄弱环节，在设计上采取了相应措施，并开展了地面试验验证，确保卫星可以在轨工作 8年。图4为“高分四号”卫星相机中波红外谱段脉冲管制冷机1:1寿命试验现场。

2.4复杂成像条件下高轨道遥感卫星成像品质保障技术

高轨成像条件复杂、影响因素多，因此高轨遥感卫星成像品质保障技术研究主要从三方面开展工作：

1） 对成像品质影响因素进行分析。复杂成像条件包括成像链路中各环节对卫星成像品质产生影响，影响环节包括地面目标、大气、卫星平台、相机载荷和地面处理等。通过研究获取主要影响因素的分析模型，然后通过对图像品质产生影响的因素进行建模分析，来支持卫星方案设计。

图4 “高分四号”卫星相机中波红外谱段脉冲管制冷机1∶1寿命试验现场Fig.4 1:1 life test of infrared pulse tube refrigerator of GF-4 satellite camera

2）对在轨成像品质进行预估，对卫星成像品质进行定量分析。成像品质预估是将用户提出的在轨成像品质，与卫星及载荷设计各项指标联系起来，一方面验证确定技术状态下对在轨成像质量指标的满足度，另一方面对卫星及载荷设计指标提出要求。通过预估表明，卫星及载荷设计状态能够满足用户对成像品质的需求。

3）进行全链路成像品质仿真。根据卫星成像过程的特殊性，基于成像链路的物理模型，对大气、卫星平台运动、相机光学系统及传感器的传输、采样特性进行仿真。产生的图像不仅可以形象的展示卫星成像的效果，进行图像品质的预估，还可以用于图像品质的定量评价、遥感图像地面处理及应用研究等方面。

另外，通过研究，还陆续产生了在轨成像参数优化、图像辅助数据编排、光学系统畸变检校等方法，保障了“高分四号”卫星图像品质满足用户需求。

2.5高精度热控设计技术

地球静止轨道卫星的热环境复杂，热环境的变化对于相机的光学成像部件和主体结构影响较为严重。为配合相机区域成像，要求卫星具有快速机动并稳定的能力，与其相对应的是相机和星敏的高温度稳定性、高控温能力，因此对相机、星敏、一体化结构构成的组合体的高精度热控设计是“高分四号”卫星研制工作中的难点和重点。

相机的热控方案设计中采用了隔热设计、热量收集及热排散设计、主动控温设计和等温化设计等。为解决遮阳罩组件的温度波动剧烈难题，采用了分段热控设计技术；对安装在相机主承力框上的星敏和星敏辐射器进行集成设计，可以满足星敏的热控要求；为降低在轨一体化结构的热变形，一体化结构采用了复合材料，具有很高热稳定性，其热设计以被动热控为主，减少外热源对一体化结构温度的影响。通过设计，相机主承力结构温度在（20±3）℃范围内、星敏测温点的温差小于 2℃，可以保证在轨姿态测量精度以及卫星的成像品质。

3 在轨数据评价与应用情况

3.1辐射质量在轨验证情况

“高分四号”卫星积分时间可调，在保障图像信噪比方面具有独到优势。信噪比是图像中的有用信息与噪声的比值。图像的信噪比越高，说明图像中有效信号相对于噪声越强，即遥感图像反映的地物信息更好。卫星在轨测试采用方差法：选择图像中的一块较均匀区域，计算该区域响应值的均值和方差，并将均值和方差之比作为信噪比。利用该方法测量图像信噪比，所选“较均匀区域”的非均匀性会影响信噪比测试结果。“高分四号”卫星相机信噪比在轨测试见表1。

表1 “高分四号”卫星相机信噪比在轨测试记录表Tab.1 GF-4 satellite camera SNR test on orbit

3.2几何质量（quality）在轨验证情况

定位精度即几何校正后图像上的地理位置和真实位置之间的差异，“高分四号”卫星在 2级产品基础上进行平面几何定位精度评价。图5为定位精度评价中，图像和参考图像控制点示意图。表2为“高分四号”卫星2A级产品平面定位精度测试结果一览表。

图5 图像和参考图像控制点示意图Fig.5 Image and control point

表2 “高分四号”卫星2A级产品平面定位精度测试结果一览表Tab.2 GF-4 satellite’s level 2A image positioning accuracy evaluation results m

通过对20景不同时相、不同地形起伏的“高分四号”卫星图像的平面定位精度检测，结果满足定位精度优于4km的研制要求。

多谱段配准精度测试即对可见光近红外图像的不同波段之间的定位、对齐或重合情况进行评价，并通过对波段配准精度测试数据的评价分析，给出相应的配准结果及波段配准偏差规律，使其更好地满足用户需求。景号为116852的可见光图像，经过波段分离处理后，以第4波段为参考，计算第3波段与第4波段的配准精度，匹配的控制点如图6所示。

图6 多通道图像波段3与波段4匹配控制点图Fig.6 Band 3 and band 4 image and control point

通过对8景不同时相、不同地形起伏的可见光图像进行波段配准精度测试，测试结果均满足波段配准精度优于0.3个像元的研制要求，见表3。

表3 多谱段配准精度测试结果一览表Tab.3 Bands image positioning accuracy evaluation results 像元

3.3 在轨应用情况

“高分四号”卫星可见光通道像元分辨率为50m，对于面积、宽度相近的面状地物能够明显识别，对于宽度小于分辨率的长线性目标也能够很容易的进行识别及进行边缘提取[5]，这充分说明“高分四号”卫星数据可以满足大范围、中等比例尺遥感调查和监测的要求。“高分四号”卫星中波红外波段地面像元分辨率为400m，结合可见光通道较高分辨率数据进行综合处理和使用，可实现对地表红外辐射特性的研究，如对于过火面积的估算和城市街区精细化气象预报研究等。

此外，利用“高分四号”卫星准视频成像功能，可以记录拍摄目标的运动轨迹，获取目标运动的方向和速度，为灾害发展预测和气象预报提供更为有效直观的数据，对于发展变化速度较快的自然灾害和现象，“高分四号”卫星能够全面记录其演变过程，为防灾减灾、环境治理和保护生态提供决策依据。图7为“高分四号”卫星拍摄某运载发射过程影像。

“高分四号”卫星相机配置大规模面阵CMOS探测器、大规模面阵红外探测器及视频电路，相比于以往几十千米幅宽的观测范围，实现了飞跃式进步。结合其静止凝视成像特点，“高分四号”卫星大大提高了数据获取效率，大幅宽的凝视成像方式可以更快速准确的反映出大区域变化的地物发展特征。

图7 “高分四号”卫星拍摄某运载发射过程影像Fig.7 GF-4 satellite shooting a rocket launching process

“高分四号”卫星已经于2016年6月交付用户开展应用示范研究，并提供行业主体进行业务应用。卫星将以其高时效的光学观测为用户提供新的观测手段，可以实现灾害风险预警预报、灾害应急监测、林火灾害监测、对流云识别以及台风精确定位等多方面的应用。

对于减灾用户，“高分四号”卫星可以完成基于长时间序列的孕灾环境和致灾因子监测，支持洪涝、旱灾、雪灾、地质灾害等灾害风险监测。通过高频次重复探测，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，为洪涝、火灾、滑坡、泥石流、堰塞湖等灾害发展趋势分析、救灾方案部署等活动提供支持。对于气象用户，“高分四号”卫星可在一段时间内提供热点地区的高频率连续图像，支持重大气象保障和强对流天气条件（局地强对流、龙卷风、台风等）短期预警服务；对于林业用户，“高分四号”卫星可以用于我国东北、西南和南方等重点林区的森林灾害监测。当重特大森林火灾发生后，可以通过高频次重复探测，获取火灾的动态发展数据，分析其发展趋势，可为前线救灾提供重要保障。

4 发展建议

“高分四号”卫星密切围绕国家民用空间基础设施规划与建设目标和需求，后续业务星将着重在以下几方面开展工作：

1）将星下点可见光像元分辨率提高到15～20m，实现灾害风险普查和灾情详查的结合、风险评估与灾情评估的结合、区域与全国监测能力的结合、灾害凝视与机动观测能力的结合，进一步提升天基灾害监测能力。

2）遥感数据应用的基础层面均需要研究地物目标的辐射特性及变化规律。静止轨道光学遥感卫星在轨成像的辐射条件呈连续变化，对开展不同辐射条件下的地物反射特性分类研究极为有利，其结果可做为静止轨道乃至其它对地光学遥感器的设计和参考，提高遥感系统设计的针对性，提高源头图像产品品质。

3）地球静止轨道卫星具有长期驻空的特点[6]，2～3颗高轨卫星的组网运行，可覆盖更大区域，对更大区域的信息获取、实时监视和立体数据网络建设都有着重要意义。未来多星组网，高轨—高轨配合、高轨—低轨配合，可提升系统综合能力和协作程度，充分发挥静止轨道一专多能的优势，实现空间资源应用效能最大化。

4）随着有效载荷技术的不断发展，世界上静止轨道高分辨率光学观测与监视卫星呈现快速发展的迹象，我国在该方面的需求增长也非常旺盛。为了进一步提高时效性，未来对于海量数据的高速传输、处理与应用效能的提升至关重要，将逐渐从目视识别的使用方式衍变为数据提取与分析的应用方式，由此对于星上数据结构设计、星上实时数据简析以及数据分发方式等均带来新的思考。

5 结束语

“高分四号”卫星攻克多个研制难点，取得多项创新成果，为后续静止轨道对地观测卫星奠定了技术基础。其成功研制不仅使我国卫星“家族”又增加了一个新的遥感应用卫星品种，也开辟了我国地球静止轨道较高分辨率对地观测新途径，填补了我国乃至世界静止轨道高分辨率遥感卫星的空白。“高分四号”卫星是我国民用航天突破“同时具有较高空间分辨率和高时间分辨率光学遥感”关键共性技术的一项战略部署，对地球静止轨道遥感卫星技术发展具有开创性的意义，并为我国研制高时间分辨率、高空间分辨率遥感卫星奠定了基础。

References)

[1] A Geostationary Imaging Space System Dedicated to Africa for the Monitoring of Its Sustainable Development[M]// GEO-Africa Technical Specification White Paper, 2010.

[2] VAILLON L, SCHULL U, KNIGGE T, et al. GEO oculus: High Resolution Multi-spectral Earth Imaging Mission from Geostationary Orbit[C]//ICSO 2010 Proceedings, International Conference of Space Optics, Rhodes, Greece, 2010: 31-36.

[3] 中国资源卫星应用中心. 高分二号[EB/OL]. [2016-07-18]. http://www.cresda.com/CN/Satellite/3128.shtml. China Centre for Resources Satellite Data and Application. GF-2 Satellite[EB/OL]. [2016-07-18]. http://www.cresda.com/ CN/Satellite/3128.shtml. (in Chinese)

[4] 陆春玲, 王瑞, 尹欢.“高分一号”卫星遥感成像特性[J]. 航天返回与遥感, 2014, 35(4): 71-77.

LU Chunling, WANG Rui, YIN Huan. GF-1 Satellite Remote Sensing Imaging Characters[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2014, 35(4): 71-77. (in Chinese)

[5] WERTZ J R. 航天任务分析与设计[M]. 王长龙, 张照炎, 译. 北京: 航空工业出版社, 1992: 80.

WERTZ J R. Space Mission Analysis and Design[M]. WANG Changlong, ZHANG Zhaoyan, Translated. Beijing: Aviation Industry Press, 1992: 80. (in Chinese)

[6] TECHNISCHES H. How GEO-HR Could Improve THWs Crisis Response Christian Wenzel[EB/OL]. [2013-04-25]. http://due.esrin.esa.int/files/m300/10.pdf.

GF-4 Satellite Remote Sensing Technology Innovation

LI Guo1KONG Xianghao1LIU Fengjing1LIAN Minlong2

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

（2 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

GF-4 satellite is the first GEO optical remote sensing satellite with medium resolution of China, it is also an important part of the national high resolution earth observation system. The satellite combines the characteristics of high temporal resolution and medium spatial resolution. Therefore, GF-4 satellite focuses on providing remote sensing data services to many fields of application including disaster alleviation, meteorology, earthquake, forestry survey. It further offers remote sensing data support to the marine, land and water resources survey, and national defense construction. The development processes of the GF-4 project has been briefly introduced in this paper in the aspect of orbital motion, instruments and control system, and the technical achievements have also been summarized such as overall design technology, high precision control technology, image security technology under complex conditions, high precision thermal control and high reliability and long life technology. Finally, some suggestions for further development are proposed.

technical characteristics; application; GF-4 satellite; space remote sensing

V474.2

: A

: 1009-8518(2016)04-0007-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.002

李果，男，1961年生，1986年获北京控制工程研究所硕士学位，研究员。研究方向为卫星总体技术。中国宇航学会空间及运动体控制专业委员会副主任委员，国家高技术航空航天领域863-707重大专项专家组成员和卫星技术专业组成员。E-mail: Liguo1961@126.com。

（编辑：陈艳霞）

2016-07-15

国家重大科技专项工程