吉林-1与高分-4：中国高分光学卫星技术的重大进展

朱仁璋王鸿芳丛云天，3白照广

（1 北京航空航天大学　2 航天东方红卫星有限公司　3 中国空间技术研究院）

吉林-1与高分-4：中国高分光学卫星技术的重大进展

朱仁璋1王鸿芳2丛云天1，3白照广2

（1 北京航空航天大学2 航天东方红卫星有限公司3 中国空间技术研究院）

中国吉林-1光学A星拍摄的高清图片

吉林-1（2015年10月发射）与高分-4（2015年12月发射）是继高分-2（2014年8月发射）之后，中国光学遥感卫星取得的重大进展。吉林-1为亚米级分辨率小卫星，其性能已接近世界先进水平，该卫星于2016年5月拍摄到美国费城海军造船厂的高清图片；高分-4是目前地球静止轨道分辨率最高（50m）的光学卫星，并于2016月6月在轨交付使用。未来高分光学卫星性能提高的关键是实现传统相机向新型相机的跨越，进一步增大相机孔径。

1　引言

2015年10月7日，中国在酒泉卫星发射中心成功发射了吉林-1卫星，其主星光学A星是中国第一颗亚米级分辨率小卫星，吉林-1也是中国第一批商业遥感卫星，其性能已接近世界先进水平。12月29日，高分-4在西昌卫星发射中心成功发射，它是目前世界上分辨率最高的地球静止轨道光学成像卫星。这2颗卫星标志着中国高分辨率光学卫星技术取得的重大进展。

吉林-1首发4颗卫星后，2016年还将发射12颗卫星，完成16颗卫星组网；到2020年，在轨卫星数量将达到60颗；2030年实现138颗卫星在轨运行。2015年10月30日，中国航天科技集团公司副总经理杨保华在中国商业航天高峰论坛上透露，中国航天科技集团公司将于2016年年底前发射2颗0.5m分辨率光学卫星，初步规划将于2022年前后建成0.5米级高分辨率商业遥感卫星系统。

吉林-1的成功发射，不仅显示了中国小型光学卫星技术与应用的实质性进展，而且标志着中国小型光学卫星的研制已步入有序、务实、注重效益、可持续发展的轨迹。高分-4使中国率先登上地球静止轨道高分辨率卫星平台，必将在地球资源探测与国家防务中发挥重要作用。

日前，吉林-1光学A星拍摄到的美国费城海军造船厂中的美国航母和数艘驱逐舰，一经互联网放大，引发外界对于中国对地观测卫星能力的持续关注与猜测。开发应用亚米级分辨率小卫星星座正在成为全球热潮，甚至有美国公司计划打造上千颗卫星组成的天基互联网星座。

2　光学卫星评价准则

基本驱动因素

对地观测光学卫星设计的基本驱动因素，也是评价光学卫星的基本准则，即卫星成像性能和卫星研制、发射和在轨运行成本。评估成像性能的指标主要有：图像品质；光谱分辨率；定位精度；立体成像能力；时间分辨率；成像速度。图像品质就是通常所说的图像清晰度，影响图像品质的因素有：地面分辨率；调制传递函数（MTF）；信噪比（SNR）；辐射分辨率等。影响卫星成本的重要因素是卫星质量。卫星高度越低，地面分辨率越高，但轨道保持所需的燃料也相应增加。一般而言，对于分辨率相同的卫星，其质量越小性能越好。在满足地面分辨率需求的情况下，应力求减轻卫星质量。因此，可以把卫星质量与地面分辨率作为评估光学卫星性价比的基本参数。

地面分辨率

与光学卫星地面分辨率有关的因素包括：相机孔径；焦距；探测器像元尺寸；光谱波长；成像模式；卫星高度；地面目标相对星下点的偏离等。通常，孔径越大、焦距越长、像元尺寸越小、高度越低，则地面分辨率越高。全色谱段分辨率高于多光谱与高光谱分辨率，静态成像分辨率高于视频成像分辨率。通过全色与多光谱融合技术，自然色（彩图）分辨率可接近全色（黑白）分辨率。

低轨光学卫星可按全色分辨率分为5个等级：低分（30m以上）；中分（5～30m）；高分（1～5m）；甚高分（0.1～1m）；超高分（0.1m以下）。地球静止轨道卫星高36000km，若低轨卫星高度平均取为720km，则相应的地面分辨率相差50倍。因此，地球静止轨道卫星分辨率等级可按以下标准划分：低分（1500m以上）；中分（250～1500m）；高分（50～250m）；甚高分（5～50m）；超高分（5m以下）。其中，高分、甚高分、超高分也可统称为高分。

地球观测光学卫星的使命可分为三大类：大气探测；海洋探测；地表景物与人类活动观测。探测目标不同，所需的分辨率也不同。大气与海洋探测所需的分辨率较低，地表景物与人类活动观测则要求较高的分辨率。50m分辨率可识别航母；1m分辨率可识别小汽车，0.5m分辨率可识别汽车挡风玻璃，0.3m分辨率可识别汽车侧视镜；而厘米级分辨率可识别行人甚至面孔。

卫星质量

光学卫星质量主要由平台质量、相机质量和推进剂质量三部分组成。影响平台与相机质量的主要因素是平台与相机的致密性、结构材质和主镜尺寸；而影响推进剂质量的因素则是变轨与轨道/姿态控制的需求、卫星高度和工作寿命。

按质量大小，光学卫星大致可分为6个级别：大卫星（1000kg以上）；中卫星（500～1000kg）；小卫星（100～500kg）；微小卫星（10～100kg）；纳卫星/立方体卫星（1～10kg）；皮卫星（1kg以下）。其中，小卫星、微小卫星、纳卫星/立方体卫星、皮卫星也可统称为小卫星。低轨光学卫星覆盖以上6个级别，而地球静止轨道光学卫星基本为大卫星。

相机孔径

相机孔径大小基本由主镜直径确定。信噪比随孔径增大而提升；因光学衍射效应，地面分辨率与调制传递函数也受孔径大小影响，地面分辨率一般都伴随着相机孔径的增大而提高。大型高分辨率光学卫星相机孔径直径的增加主要受制于运载火箭，而小型卫星相机孔径直径主要受卫星本身尺寸的限制。卫星质量随地面分辨率提高而增加，与相机孔径增大有关。因此，相机孔径是高分光学卫星最重要的基本参数之一。

3　吉林-1评估

质量-分辨率曲线

低轨高分辨率卫星质量/地面分辨率曲线是按以下5颗卫星做出的：①锁眼-11（KH-11，大卫星）；②世界观测-3（WorldView-3，大卫星）；③具备新系统结构的先进观测卫星-1（ASNARO-1，简称先进地球观测卫星-1，小卫星）；④天空卫星-1（SkySat-1，微小卫星）；⑤鸽群-1（Flock-1，纳卫星/立方体卫星）。目前，这5颗卫星在轨运行，且性能处于世界领先地位。一般高分辨率光学卫星在此曲线上方，离曲线越近的卫星性能越好。因此，该曲线可用于估测与比较低轨光学卫星的性能，吉林-1主卫星与视频卫星比高分-2更靠近质量-分辨率曲线。

低轨光学卫星质量-分辨率曲线

低轨运行的部分国外对地观测光学卫星

（1）吉林-1

吉林-1由长光卫星技术有限公司研制，由4颗卫星组成：①主星（光学A星），质量420kg，地面分辨率全色0.72m、多光谱2.88m；②2颗灵巧成像视频星，每颗卫星质量95kg，地面分辨率1.13m；③灵巧成像验证星，质量54kg，分辨率优于5m，主要验证非沿轨时间延迟积分（TDI）推扫成像技术。

（2）“天空卫星”

“天空卫星”是天空盒子成像公司（Skybox Imaging）研制的微小卫星，主要用于农业、林业及其他自然资源探测。卫星设计要点：①质量83kg，卫星在轨展开尺寸60cm×60cm×95cm；②地面分辨率为静态成像0.9m、视频1.1m；③里奇-克列基昂（Ritchey-Chretien）型望远镜，孔径直径0.35m，焦距3.6m；④采用3个二维（帧型）CMOS敏感器阵列，每个阵列像元数2560×2160，像元尺寸6.5μm。敏感器长处：①高性能商业产品，无需定制；②可对同一观测目标高帧率多次成像，生成视频产品；③曝光时间短，减低卫星平台的指向稳定性要求（700rad/s）；④应用地基“数字”延时积分技术。

（3）V1C小卫星

2014年4月15日，萨瑞卫星技术公司美国分公司（SSTL-US）发布了最新研制的亚米级彩色视频成像小卫星V1C方案，它用于地面目标的监视、探测和识别等使命。V1C小卫星设计要点：①基于萨瑞卫星技术公司-X50（SSTL-X50）平台研制，致密性高，质量50kg；②自然色视频星下点地面分辨率优于1m，幅宽10km，帧率达100帧/秒；③具备大型星上数据存储及实时下传能力。

（4）比较

相比吉林-1，天空卫星-1的性能优势在于：①单颗卫星具备静态成像和视频成像2种模式；②卫星质量远小于吉林-1主卫星。相比吉林-1视频卫星与天空卫星-1，V1C小卫星的性能优势在于：①视频分辨率较高，达到亚米级；②视频覆盖宽度较大，达到10km；③质量比吉林-1视频星小45kg，比“天空卫星”小33kg。

天空卫星-1、吉林-1和V1C小卫星性能参数对比

美国天空卫星-1（左）、中国吉林-1光学A星（中）和美国世界观测-3（右）拍摄的法拉利世界

吉林-1与天空卫星-1的图像清晰度相近，但不及世界观测-3，这主要是由于世界观测-3的分辨率更高。

4　高分-4评估

卫星质量-分辨率曲线

地球静止轨道高分辨率卫星质量-分辨率曲线是按以下3颗在研卫星/概念卫星做出的：印度“地球静止轨道成像卫星”（GISAT），欧洲“地球静止轨道-眼睛”（Geo-Oculus）和欧洲“光学合成孔径”概念卫星。美国正在研发的“实时探测薄膜光学成像仪”（MOIRE）可以较轻的质量（6000kg）达到更高的地面分辨率（0.6m），性能显著提高，可谓创新奇迹。

高分-4与“通信、海洋与气象卫星”及“地球静止轨道成像卫星”的比较

（1）高分-4

地球静止轨道高分辨率光学卫星质量-分辨率曲线

高分-4卫星平台配备高精度姿态敏感器和4台大力矩动量轮，减轻飞轮和太阳帆板驱动机构的振动，实现整星快速机动和高稳定性控制，可在数分钟之内对3个不同区域连续成像。地面分辨率为可见光/近红外50m、中波红外400m。卫星可覆盖以南海为中心的广大区域。

（2）“通信、海洋与气象卫星”搭载的“地球静止海洋彩色成像仪”

韩国“通信、海洋与气象卫星”结构图

韩国“通信、海洋与气象卫星”（COMS）于2010年6月26日发射。卫星搭载的“地球静止海洋彩色成像仪”（GOCI）是世界上第一台运行在地球静止轨道上的海洋彩色成像仪，可用于台风、海冰与森林火灾等自然现象监测。该成像仪设计要点：①相机孔径直径0.14m，焦距1.17m，质量小于78kg；②多光谱（8谱段）地面分辨率为星下点360m、目标区域500m；③“凝视-步进”成像技术，16次成像可覆盖2500km×2500km的区域。

（3）“地球静止轨道成像卫星”

印度“地球静止轨道成像卫星”预计于2017年初发射，用于国土边境监视，以及洪水和火灾等自然灾害监测，地面分辨率较高（印度陆地目标区域50m）。卫星设计要点：①采用改进型国际通信卫星-1000（Intelsat-1000）平台，平台质量约为1000kg；②卫星载有地球静止轨道成像仪（GEO Imager），为印度制图卫星-2（CartoSat-2）所载相机的改进版本，相机孔径直径均为0.7m；③可见光/近红外谱段地面分辨率为多光谱（4谱段）50m、高光谱（谱段数大于60）320m；④短波红外（谱段数大于150）地面分辨率192m；⑤长波红外（3谱段）分辨率1500m。

（4）比较

韩国“通信、海洋与气象卫星”搭载的“地球静止海洋彩色成像仪”主要用于海洋及自然灾害监测，所需分辨率较低。中国高分-4与印度“地球静止轨道成像卫星”则偏重地表景物与活动目标的监视，所需分辨率较高。高分-4与“地球静止轨道成像卫星”比较：①可见光/近红外多光谱地面分辨率相同（50m）；②“地球静止轨道成像卫星”以单台相机实现多谱段（可见光/近红外/短波红外/长波红外）多光谱和高光谱成像；③“地球静止轨道成像卫星”干质量（～1000kg）小于高分-4（1600kg），“地球静止轨道成像卫星”推进剂质量（～1100kg）小于高分-4（3000kg），2颗卫星推进剂质量的差异，主要因为由大椭圆轨道进入地球静止轨道的方式不同，高分-4应用星上远地点发动机变轨，而“地球静止轨道成像卫星”是由运载火箭的上面级进行变轨。

5　高分辨率卫星发展趋势

无论是低轨小卫星，还是高轨（地球静止轨道）大卫星，增大相机主镜直径是新一代光学卫星的关键技术，美国与欧洲已开展有别于传统相机的新型相机的研制工作。

低轨高分辨率卫星

（1）全球高分辨率小卫星主要参数

低轨高分辨率卫星大多采用太阳同步循环轨道，轨道高度一般介于500～800km之间。小卫星分辨率最高0.5m（先进地球观测卫星-1），微小卫星分辨率最高0.9m（天空卫星-1），纳卫星/立方体卫星分辨率最高3m（鸽群-1）。低轨小型光学卫星相机孔径直径-地面分辨率曲线是按以下4颗卫星做出：①地球遥感观测卫星-A（EROS-A）；②地球遥感观测卫星-B；③天空卫星-1；④鸽群-1。随着地面分辨率提高，孔径直径相应增大。为满足地面观测任务需求，一般低轨卫星孔径直径大于300mm。

部分低轨光学小卫星/微小卫星主要参数

低轨光学纳卫星/立方体卫星主要参数

低轨小型光学卫星孔径-分辨率曲线

（2）低轨高分辨率卫星发展趋势

低轨高分辨率卫星的一个重要发展趋势是，研发低成本、高空间/时间分辨率的小型卫星星座，采用的新技术包括：①地基“数字”延时积分技术；②可伸展的相机光学系统，如美国犹他州立大学空间动力学实验室研制的“可伸展花瓣形望远镜”概念样机。由低轨纳卫星/立方体卫星主要参数可知：①传统相机受立方体卫星尺寸的限制，相机孔径直径为90mm，相应的地面分辨率约为3～5m；②可伸展光学系统是增大相机孔径、提高地面分辨率的有效途径。

美国“可伸展花瓣形望远镜”折叠与伸展构型

地球静止轨道高分辨率卫星

（1）全球地球静止轨道高分辨率卫星主要参数

地球静止轨道高分辨率光学卫星相机孔径直径-地面分辨率曲线是按以下4颗卫星做出：“通信、海洋与气象卫星”，“地球静止轨道-眼睛”，GO3S（欧洲航天局的在研概念卫星），“实时探测薄膜光学成像仪”。随着地面分辨率提高，孔径直径增大的趋势增强。

目前在轨及在研的部分地球静止轨道高分光学卫星主要参数

地球静止轨道高分辨率光学卫星相机孔径-分辨率曲线

美国“詹姆斯-韦伯空间望远镜”概念图

（2）地球静止轨道高分辨率卫星发展趋势

为获取高分辨率，地球静止轨道卫星需要采用非常大的光学器件，但传统相机整块刚性主镜的最大直径受限于运载火箭可容纳的尺寸。如欧洲运载火箭阿里安-5（Ariane-5）所能容纳的主镜最大尺寸为4m，相应可实现的最高分辨率为3m（星下点）。为突破这一限制，须研发新概念光学相机：①轻质柔性薄膜镜面，如美国的“实时探测薄膜光学成像仪”概念，采用在轨轻质薄膜展开技术；②折叠式反射镜（可折叠刚性光学系统），如美国航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）合作研制的“詹姆斯-韦伯空间望远镜”（JWST）概念，主镜由18个六边形镜片拼接而成；③“光学合成孔径”相机，如ESA提出的“向1m逼近的地球静止轨道光学卫星”（Towards 1-m from GEO）计划，主镜由6个子镜合成。

6　结束语

吉林-1与高分-4的成功发射，标志着中国在低轨光学小卫星与地球静止高分辨率光学卫星技术方面取得了重大进展，中国高分辨率光学卫星正加速向世界先进水平迈进。纳卫星/立方体卫星与地球静止高分辨率卫星技术发展的关键是增大相机孔径，实现传统相机向新型相机的跨越。展望未来，中国地球观测卫星网将和通信卫星网与导航卫星网一起，为人类福祉做出更大的贡献。

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