静止轨道高分辨率光学成像卫星发展概况

李果 孔祥皓

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

0 引言

地球静止轨道对地观测技术非常适合于对地球进行长期的连续监视。但由于轨道高度高，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，难以获得高空间分辨率探测图像，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。

21世纪初，随着大口径主镜成像技术、可展开式光学成像技术、光学合成孔径成像技术以及衍射望远镜技术等新型成像技术的发展，静止轨道高分辨率光学成像技术开始蓬勃发展，各国纷纷提出了各自的静止轨道高分辨率光学成像卫星计划[1-3]。

本文从典型国家的发展计划和专项技术的发展趋势两个维度对静止轨道高分辨率光学成像卫星发展情况和发展方向进行调研和分析，并基于调研和分析的结果，提出我国静止轨道光学成像卫星发展的建议和启示。

1 发展概况

1.1 美国

美国在“锁眼”侦察卫星（KH-12）、“哈勃望远镜”（Hubble）等卫星上早已实现主镜口径2.4～3m，据推测，目前具备在地球静止轨道实现 5m左右分辨率的技术能力。但由于美国各类可以用于军事侦察的低轨光学卫星数量非常多，天基之外的侦察手段也很完备，对地球静止轨道低于 5m分辨率的需求并不强烈。因此美国并未在基于整体式主镜的静止轨道光学遥感卫星方面开展实质性工作。

美国从上世纪80年代末便制定了对于整体式主镜之外的新型光学系统的研究发展规划，从研究进程来看，美国正力图通过大型空间望远镜James Webb项目（JWST）的发展。逐步解决可展开式成像技术，提高技术成熟度，随后应用到静止轨道对地观测领域[4-5]。

JWST望远镜如图1所示，采用三反同轴消像散光学系统，焦距131.4m，主镜口径约6.5m，主镜面积为25m2。系统中加入快速像稳定镜提高光轴稳定度。

图1 James Webb望远镜设计Fig.1 Design of “James Webb”

此外，在光学合成孔径光学系统方面，美国的其它研究包括：美国麻省理工学院空间系统实验室（MIT）基于Golay-3布局的自适应侦察光学卫星项目（ARGOS）、波音公司基于Golay-6布局的静止轨道对地光学遥感器项目等等。

目前，光学合成孔径成像的理论研究已经较为成熟，并针对需要解决的关键技术进行了一些地面试验。总体来说，距离工程应用还有非常大的差距。

1.2 欧洲发展

相比于美国，欧洲的静止轨道光学遥感卫星发展起步略晚，开始于21世纪初。欧洲的新型光学成像技术大多参考美国，在技术攻坚的过程中，欧洲同样难以攻克稀疏孔径成像技术和基于编队飞行的光学干涉合成孔径成像技术，相关例子如达尔文（DARWIN）计划被取消。

但另一方面，欧洲单体大口径反射成像系统发展较为顺利，曾在2009年发射了口径达3.5m的赫歇尔空间天文望远镜（Herschel），欧洲以此为技术基础积极发展静止轨道光学遥感卫星成像载荷，同时发展具有高姿态控制精度和高敏捷性能的静止轨道光学遥感卫星平台。

欧空局在2005年4月召开的第一届欧洲AAAI军事空间国际会议上，初步确定了实现静止轨道高分辨率对地观测的技术路线和技术途径，如图2所示[6-7]：

图2 欧空局静止轨道高分辨率对地观测技术路线Fig.2 Technical route of high-resolution observation at GEO orbit by ESA

在静止轨道高分辨率光学成像技术领域，欧洲阿斯特留姆（Astrium）公司实力最强，开展了一系列卫星的研制，表1所示为欧洲Astrium公司面向地球静止轨道（GEO）高分卫星工程化的发展计划。

表1 欧洲Astrium公司面向GEO高分卫星工程化的发展计划Tab.1 The development plans of Astrium company on high-resolution observation project at GEO orbit

1.3 韩国发展

韩国航空航天研究所（KARI）和阿斯特留姆公司（Astrium）合作研制了首颗静止轨道海洋观测卫星COMS，COMS卫星通过Ariane5 V195火箭发射成功。

其上搭载了地球静止轨道海洋水色成像仪（GOCI），可用来监测朝鲜半岛周边海域水色情况。GOCI载荷地面像元分辨率500m，幅宽500km，共8个谱段，光谱分辨率10～40nm，平均信噪比优于1 000。GOCI载荷质量83.3kg，峰值功耗106W，是COMS卫星的3个载荷之一[8]。

在GOCI载荷取得成功的同时，韩国宇航局提出了GOCI-2载荷的研制计划，其地面像元分辨率提高到250m，谱段数增加到13个[9-10]。

2 成像技术发展趋势分析

通过目前的技术跟踪情况来看，静止轨道高分辨率光学成像技术对于新型成像技术、载荷与平台一体化设计技术的要求越来越高，图3为静止轨道高分辨率光学成像技术发展趋势。

图3 静止轨道高分辨率光学成像技术发展趋势Fig.3 Development trends of high-resolution optical imaging satellite at geostationary orbit

2.1 新型成像技术

由于受发射平台载荷舱体积和质量、光学材料、制造工艺、机械结构、成本等诸多因素的限制，光学系统口径大于3～4m后已经无法进一步增大。因此，为在地球静止轨道发展分辨率高于5m的对地观测系统，必须寻求传统的整体式主镜之外的技术途径。为此，欧、美从20世纪90年代开始，开始开展各种新型成像系统的研究，以满足静止轨道高分辨率成像的需要。先后提出的研究方案种类繁多，主要包括空间可展开光学系统、光学合成孔径成像系统、衍射成像光学系统等。

美、欧等国采用的静止轨道光学成像技术的发展概况如表2所示。

（1）空间可展开光学技术

在众多的新技术中，可展开光学系统是实现大口径空间光学系统的主要技术途径之一。

可展开光学系统是指在发射时折叠为一个可接受的尺寸，到达预定轨道后再展开的光学系统；光学系统的主镜由一些较小尺寸的超轻、主动控制的分块镜组成，发射后在轨道上按要求的方式展开、锁定，在自适应光学系统的控制下“拼接”成一个共相位主镜。可展开光学系统有效地解决了整体式大口径光学系统研制和发射中难以克服的种种问题，使轻量化、大口径遥感器的实现成为可能[11]。

美国和欧洲都十分重视可展开光学系统的研制。美国国家侦察局于2004年夏天探讨可展开式望远镜概念，计划在今后20年内造出这样的侦察卫星：它在发射时可容身于直径5m的整流罩内，进入太空后可展开其口径约30m的望远镜，欧空局在2005年的防务会议上明确提出要研发可展开光学系统应用于对地观测。

（2）光学合成孔径成像技术

光学合成孔径成像技术是一种采用中、小口径光学镜片或子望远镜系统利用光学方法实现等效大口径光学系统的新型成像技术，其系统成理想像必须满足等光程条件，也就是物理光学上的共相位，也称稀疏孔径望远镜系统。与传统的光学系统相比，光学合成孔径成像技术的特征和优点在于：降低了光学元件的加工难度，光学元件体积小，质量轻，系统可以设计成为折叠式，有利于降低发射体积和质量，节约发射费用，系统设计和组装灵活多变，特别适用于各种空间光学系统。

光学合成孔径成像系统包括分块成像系统和稀疏孔径成像系统。目前光学合成孔径技术受到世界各国的重视，美国、欧洲和俄罗斯均投入了大量的人力物力进行研发，特别是以美国为首的发达国家，投入巨资进行研究与开发，并且在该领域已经取得一定的研究成果。截至目前，美国在此领域的研究处于世界领先水平，但也停留在技术研究和演示验证阶段，还不具备工程化应用能力。在方案设想上，稀疏孔径的实现方案既有基于单星多孔径的方案，也有基于多星编队，进而形成多孔径的方案。但总体来说，稀疏孔径的技术实现难度还很大，还停留在理论研究和地面试验阶段。

表2 静止轨道光学成像技术发展对比Tab.2 Antitheses and development of geostationary orbit imaging technology

（3）光学衍射成像技术

衍射成像系统一般由物镜和目镜系统组成，是具有微结构的新一代光学系统。系统中的物镜为超大口径衍射透镜，目镜系统一般包括一个中继光学系统和色差校正系统。其工作原理是首先通过衍射透镜汇聚光线，再由位于其焦点处的中继光学系统进行色差校正以增大带宽，最后成像到焦平面上。衍射光学元件是利用厚度为波长量级的表面浮雕结构对光波进行控制，元件本身具有轻而薄的特点。把衍射光学元件制作在几十微米的薄膜基底上，由于是透射元件，只要基底材料做到等厚，对其面形精度要求一般为毫米量级，与反射镜相比，其面形精度可以降低4个数量级[12]。

与传统的反射式光学系统相比，衍射成像技术具有独特的技术特点。首先，衍射成像器件若使用薄膜材料，将使光学系统质量小很多，在实现相同分辨率的前提下，衍射光学成像系统质量仅为反射系统的1/7，大幅降低了对火箭承载能力的要求；其次，可采取发射时折叠、入轨后展开的方式，易于实现天基超大光学口径成像系统；再次，衍射薄膜镜面形精度要求比反射镜降低2～3倍，降低了制造难度，且薄膜镜易于复制和批量化生产，有望大幅降低系统开发成本。综上所述，衍射光学成像系统有望成为未来大口径、高分辨率光学系统的一个重要发展方向。

（4）新型成像技术总结

大口径单镜面成像系统由于自身质量极大，无法在发射时折叠装载，因此在现有运载火箭能力的限制下，这种方案不适于口径大于 4m的空间望远镜，但随着具有大口径整流罩的重型运载火箭的发展，这种类型的望远镜具有潜力成为大口径空间望远镜的解决方案，单镜面望远镜的技术难度也比空间分块可展开望远镜的低。

目前的研发热点，即空间分块可展开望远镜系统的优点是可以利用比较成熟的小口径反射镜拼接成一个大口径望远镜，但其面形控制要求、共相位要求是极其严格的，相应的成本也极高。

光学干涉合成孔径技术由于各子孔径的同相位要求，使得空间机械结构调整、系统稳定性和大气扰动等因素引起的波动的总效应需控制在光波长的数量级内。具体地说，光学干涉合成孔径技术一般是利用若干个卫星编队飞行，以实现长基线干涉从而达到高分辨率的要求，但其卫星编队飞行的控制精度要求极高，工程实现难度巨大。同时，稀疏孔径使用分离的光学系统，是以牺牲通光量为代价实现高分辨率，在技术上还存在一系列尚待解决的问题。另一方面，分块可展开和稀疏孔径成像系统自身的质量仍然会限制口径的扩大。

衍射成像技术为解决静止轨道高分辨率对地观测问题提供了一种新思路，它具有可实现大口径、所用材料面密度极轻、面形控制要求低和生产工艺相对较容易等特点，但衍射成像系统的效率比较低，目前其主镜最高只能达到约40%的衍射效率，而整体系统的效率更低。并且衍射成像系统的带宽普遍较窄，支撑衍射薄膜的平台结构的稳定性也是很复杂的问题。

总之，这些技术各有利弊，要综合实际的使用情况进行取舍。

2.2 载荷与平台一体化设计技术

随着静止轨道高分辨率光学成像卫星的发展和应用，传统的卫星平台搭载一台合适的载荷理念进行开发研制的卫星很难满足用户的多种高标准要求，因而为提升系统使用效能、实现高性能、高稳定性在轨成像能力而进行的一体化设计是现代高性能卫星研制所必需的。

对于静止轨道高分辨率光学成像卫星的一体化需求分析主要有： 有效载荷尺寸和规模的增大需求；更高的图像质量需求；更高的智能化需求。

因此，载荷与平台的一体化设计不但要解决载荷与卫星平台在整星结构、热控以及电接口上采用一体化设计需求，更多要需要关注高精度指向与高稳定度姿态控制技术、微振动抑制技术和整星像质提升和处理技术。

（1）高精度指向与高稳定度姿态控制技术

由于静止轨道高分辨率光学成像的轨道很高，若要比较准确地定位地球表面的目标以及获取高品质的遥感影像，要求卫星必须具有良好的姿态指向精度、准确的姿态确定精度和高稳定的姿态。姿态确定与控制系统是其中的一个关键组成部分，它决定了姿态的指向精度和稳定度。由于姿态确定中需要利用轨道信息，故轨道的确定与控制对姿态控制系统也很重要。

目前国外的星敏感器技术日趋成熟，并已在多种卫星上应用。美国的GOES-N气象卫星即采用用陀螺/星敏感器组合定姿方法。GOES-N的控制系统包含三个星敏感器，其中两个用于精确姿态确定，另外一个作为冗余备份，但同时使用三个可以提高系统性能。星敏感器的光轴在卫星本体坐标系与-Y轴的夹角为 35°，视场为 8°×8°，能同时跟踪 5颗六等星，观测误差为 8μrad。每个星敏感器的质量小于 9kg，功耗小于 15W。星敏感器的性能主要取决于标定误差而不是噪声，目前的标定误差的精度低于 1″（3σ）[13-14]。

（2）微振动抑制技术

对于静止轨道高分辨率光学成像卫星，采用面阵凝视成像体制，其积分时间可调是优势，通常静止轨道高分辨率光学成像卫星的积分时间是低轨观测卫星的数十倍至数百倍，如此长时间的积分，对平台提供的力学环境要求也越来越高。从欧美发展的状况来看，为实现高分辨率遥感，减振隔振技术成为具有决定性的关键技术之一。

1990年美国发射的Hubble望远镜用于对太空进行科学观测，其光学相机对航天器指向精度与稳定度的要求非常高。在采取仔细调整匹配轴承滚珠、降低电机驱动电路电子噪声等措施的基础上，研制人员为每个姿态控制飞轮设计安装了被动隔振装置，以减小飞轮产生的振动对图像品质的影响[15-16]。隔振装置的设计主要考虑对飞轮轴向振动进行隔离，频率为18～20Hz，阻尼比约4%[17]。

1999年美国发射的Chandra X射线空间望远镜用于观测宇宙空间的X射线以研究超新星与类星体，其焦距为10m。在Chandra X射线空间望远镜研制阶段进行的仿真分析表明，姿态控制飞轮产生的振动经中央承力筒传递至望远镜的高分辨率镜头组，将导致图像品质无法满足设计要求。为此，研制人员为航天器上的六个姿态控制飞轮设计安装了固有频率9Hz左右、阻尼比约5%的飞轮隔振装置，使镜头组件的振动量级满足了设计要求并且具有了一定的裕度，如图4所示。

图4 Chandra X射线空间望远镜飞轮隔振装置Fig.4 Flywheel isolation device of“Chandra”X Ray space telescope

在轨飞行数据表明，安装了飞轮隔振装置的Chandra X射线空间望远镜指向性能显著优于设计要求。

（3）整星像质提高与处理技术

地球静止轨道成像任务中，图像品质是系统设计研制所关注的重要问题。空间相机多采用大F数设计，焦距长、MTF低，加上受卫星姿态振动、大气消光、探测器采样等因素的影响造成的图像退化严重影响了图像品质。利用卫星在成像过程中的测量信息来进行图像品质提升处理、补偿MTF，可以大大提高卫星的成像效果，也可以为合理安排载荷的设计指标，降低设计难度和制造成本等提供定量化依据。

1）图像品质退化复原。国外研究表明，分辨率相同的优化设计的光学遥感器经过MTFC 后的像质要优于大相对孔径的遥感器，如：IKONOS-2卫星于2000年和2001年进行的在轨测试获得全色谱段成像系统MTF为0.02～0.07，经地面MTFC精处理后，系统MTF达0.14～0.15。Orbview-3卫星在轨测试获得全色谱段成像系统MTF为0.10，经地面MTFC处理后，系统MTF达0.15，KOMPSAT-2卫星复原后的MTF从0.08提升到0.12，Pleiades卫星相机MTF的设计值仅为0.07，经仿真试验表明地面MTFC处理后的系统MTF预计可达0.3，如图5所示。

图5 KOMPSAT-2卫星MTFC校正效果Fig.5 MTFC Correction effect of KOMPSAT-2 satellite

2）超分辨率成像技术。目前法国的 SPOT、美国 EarthSAT等公司已采用超分辨图像重建技术，利用多个卫星同时成像来重建高分辨率图像。美国Dayton大学和Wright实验室在美国空军的支持下，对红外CCD相机进行了机载试验，利用20幅低分辨率的红外图像，取得了分辨率提高近5倍的实验结果。此外，国际著名的光学仪器制造公司Leica/Hellawa和法国国家航天研究中心已经把该领域的理论研究成果转化到硬件产品——亚像元 CCD传感器阵列的设计中，并已将其分别应用于他们的遥感设备“ADS-40”和“SPOT-5”卫星，取得了相当理想的效果。SPOT-5采用亚像元技术，从 SPOT-4卫星的地元分辨率5m提高到了2.5m，而综合分辨率提高为原来的1.7倍。

3 发展启示与建议

本文在分析国外静止轨道高分辨率光学成像卫星发展现状的前提下，梳理了静止轨道高分辨率光学成像卫星技术的发展趋势，并在此基础提出了我国发展静止轨道高分辨率光学成像卫星的启示和建议：

1）借鉴欧、美、韩的发展趋势与途径，合理规划我国静止轨道高分辨率光学成像卫星发展方向；

2）突破传统超大单镜成像系统关键技术，同时积极发展储备新型成像技术；

3）拓展高轨光学探测领域，对高轨高光谱探测、偏振探测等方面开展相关研究；

4）提高卫星指向精度、姿态稳定度、姿态测量精度及提高微振动抑制能力；

5）开展综合像质提升技术的研究与应用，不断提高静止轨道遥感卫星成像能力；

6）强调高低轨卫星配合使用规划与研究，充分发挥静止轨道遥感卫星枢纽作用。

通过对目前静止轨道高分辨率光学成像卫星的发展趋势来看，我们认为可将静止轨道光学遥感卫星技术的发展分阶段来考虑和安排：在地球静止轨道实现空间分辨率15m可以作为第一阶段的目标，在地球静止轨道实现空间分辨率3～5m可以作为第二阶段的目标，在地球静止轨道实现空间分辨率1～2m左右可作为第三阶段的目标。每个阶段的技术途径可能完全不同。从技术角度来看，第一、二阶段的目标，通过已开展的相关研究已解决技术难点，实现只是工程周期问题；而第三阶段的目标能否在未来通过技术发展实现，目前正在进行关键技术梳理，有待开展关键技术攻关工作。