资源一号02D卫星总体设计与技术特点

张宏宇 韩波 王啸虎 安萌 雷勇

(1 中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京 100094)(2 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

资源一号02D卫星(又称为5米光学业务卫星)是依据《国家民用空间基础设施中长期发展规划》[1]和《陆海观测卫星业务发展规划》，开展自然资源调查监测业务卫星建设的重要内容。卫星主用户为自然资源部，是资源一号02C卫星的升级接续星。卫星于2019年9月12日11时26分，由长征四号乙运载火箭在太原卫星发射中心成功发射入轨。

资源一号02D卫星是首颗民用高光谱业务卫星，定位于中等分辨率、大幅宽观测和定量化遥感任务，提供丰富的地物光谱信息，可单轨覆盖大中型城市，满足城市高精度监测业务的新需求。卫星在传统的4个多光谱谱段基础上，增加了海岸波段、黄色波段、红色边缘波段和近红外2波段，在水体监测、地表类型识别、植被参数计算、作物养分含量、植被病害和环境监测等方面可显著提升定量反演水平。卫星光谱获取能力突出，高光谱载荷可实现166个谱段的数据同时获取和下传，可应用于地矿勘探、土地监管过程中地物信息定量化提取和识别，满足自然资源遥感对山、水、林、田、湖、草等综合要素监测及更多应用领域需求[2]。本文介绍了资源一号02D卫星的系统级技术指标确定过程，通过业务卫星的总体设计实现了用户要求、卫星继承、技术先进性三者的权衡兼顾，可以作为后续业务卫星和其他卫星系统论证的参考。

1 资源一号02D卫星系统指标

资源一号02D卫星(图1)主用户为自然资源部国土卫星遥感应用中心，卫星由中国空间技术研究院抓总研制。在资源一号02C卫星的应用基础上，结合自然资源部用户提出的大量宝贵意见，卫星在成像质量和系统指标及使用便利性等方面进行了全面提升(表1)。

资源一号02D卫星搭载可见近红外相机和高光谱相机2台载荷，采用中国空间技术研究院遥感卫星总体部的中低轨中型平台基本型(ZY1000)及相应的型谱化产品研制。通过双太阳翼和锂离子蓄电池系统，可满足2800 W以上的供电需求。采用三轴稳定对地定向的控制模式，三轴指向精度优于0.01°。卫星具备±26°侧摆和±90°偏航定标的机动能力，星上提供900 Mbit/s数据传输和2.4 Tbit的数据存储能力。卫星工作在轨道高度778 km的太阳同步回归轨道上，回归周期55天，可实现南北纬80°以内地区3～5天重访。卫星发射质量1837 kg，设计寿命5年。

可见近红外相机分系统由中国空间技术研究院北京空间机电研究所承担研制，包含1个全色谱段和包括红边在内的8个多光谱谱段，空间分辨率为2.5 m/10 m，幅宽达到115 km。高光谱相机分系统由中国科学院上海技术物理研究所承担研制，在400～2500 nm光谱范围内，细分为166个光谱通道，可见近红外光谱分辨率10 nm，短波红外光谱分辨率20 nm，幅宽达到60 km，空间分辨率30 m，兼顾了高空间分辨率、高光谱分辨率和高信噪比，其综合性能在国际上处于领先水平。

图1 资源一号02D卫星在轨示意图Fig.1 Sketch map of ZY-1-02D satellite

表1 资源一号02C 与02D卫星技术指标比对Table 1 Performance parameters comparison of ZY-1-02C and ZY-1-02D satellite

2 用户需求分析与系统指标确定

2.1 中等分辨率大幅宽观测

我国幅员辽阔，自然资源多样性特征明显，需要不同尺度的观测手段对国土资源进行调查与监管。中等分辨率遥感观测系统肩负着大观测范围、短覆盖周期的特点，可在短时间内覆盖大片区域[3]。

成像幅宽取决于卫星轨道高度和相机有效视场角及探测器像元数设计。较大的成像幅宽设计意味着在相同轨道高度上，相机要具有更大的视场角，更多的探测器像元，由此带来相机规模增大，数据率增大，卫星和相机设计难度增大。因此，成像幅宽的设计往往是多方相互制约因素优化设计的结果。亚米级分辨能力的高分辨率卫星受限于像元尺寸和探测器规模等因素影响，难于实现快速的大幅宽观测。例如我国高分一号卫星(2 m)幅宽69 km、高分二号卫星(1 m)幅宽45 km[4]、高分七号卫星(0.8 m)幅宽21 km，对大范围区域的覆盖周期较长。区域覆盖需要多颗星或者多次侧摆拼幅使用。中等分辨率的遥感影像容易实现大幅宽观测、具有多个谱段等特性。在可快速覆盖大范围区域的时间分辨率基础上，可获取丰富的光谱信息，有利于地物识别和应用推广，另外可与数年前的历史数据进行比对，在国内外自然资源调查领域有着广泛使用，有长期稳定的数据基础。

以北京市为例，北京市总面积为16 427.2 km2，属于国内特大城市。东西相差径度2°05′，东西宽约160 km。当幅宽为60 km，需三轨可覆盖整个北京市辖区。按5天的重访周期，每月有6次过境机会，按每三轨可获取一轨有效影像(云、雾、雪覆盖量小于10%)计算，覆盖一次北京全市域至少需要1.5个月。当幅宽为120 km，需二轨可覆盖整个北京市，覆盖一次北京全市域可缩短至1个月以内，同时对五环以内地区完成2次以上覆盖。资源一号02D卫星作为资源一号02C卫星的接续星，在维持02C星分辨率(全色2.4 m/多光谱10 m)基础上，对幅宽进行进一步拓展，满足快速覆盖需求。

结合多谱合一探测器全色和多光谱像元1∶4的像元尺寸和探测器器件像元数量和器件拼接规模，确定了资源一号02D卫星的分辨率为全色2.47 m/多光谱9.98 m，幅宽为116.8 km。通过调研，中国大型城市中除北京、重庆、武汉和伊春等东西宽度大于116 km的少数城市外，其他城市辖区均可一次覆盖。

2.2 细分多光谱观测

中分遥感卫星的多谱段遥感是又一个优势，资源一号02D卫星在02C卫星的谱段基础上进行补充和细化，可以进一步的满足地矿勘探、植被研究、地质自然灾害预警以及探测的观测要素，拓展卫星的观测要素与观测领域。

可见近红外相机谱段设置继承了已有业务卫星的谱段设置情况，综合考虑用户需求、继承已有的预研卫星谱段设置的技术状态和借鉴国外世界观测2号卫星(WorldView-2)谱段设置情况，设置了9个谱段。其中P谱段和B1～B4谱段是目前国内外最广泛应用的5个谱段配置。该谱段配置与一般遥感卫星的谱段设置相同，便于今后数据融合和图像比对。B5～B8谱段采用与WordView-2的新增谱段配置相同[5]。该谱段在资源分布、土壤水色监测、大气成分分析、农作物估产等方面都有重要应用，各谱段的应用如表2所示。

表2 各谱段应用领域Table 2 Application fields of each band

续 表

2.3 高光谱遥感

随着遥感数据的广泛应用，用户对高光谱数据产品的需求也日趋成熟和迫切，以高分五号(GF-5)卫星为代表高光谱科研星发射成功并在轨应用，引领我国民用对地遥感进入了高光谱时代。通过高光谱遥感定量分析植冠的化学成分、测定土壤的有机质含量、开展精细农业发展研究、地质填图和岩石鉴别等，均需要遥感图像高光谱分辨能力[6]。

高光谱相机在光谱细分后，每一个谱段获取的能量弱，信噪比较多光谱卫星低数倍，通常需要采取卫星机动或者增加相移补偿镜的方式，提升信噪比满足使用要求。但此模式下相机不能严格推扫成像，每轨图像不能呈连续条带，一定程度上影响了图像的获取效率。

一般矿物质的光谱吸收峰宽度为30 nm左右，只有利用光谱分辨率小于30 nm的传感器才能够识别。为了保证图像的批量获取，资源一号02D卫星在配置可见近红外多光谱相机的基础上，进一步增加了高光谱相机，进一步提升地物识别和分类的能力。同时，结合用户需求对光谱分辨率进行了取舍，通过谱段合并使每个谱段的信噪比提升为1.5倍。在此模式下，相机典型工况下最低信噪比超过了120，可以进行不间断的长条带成像。在保证用户使用的条件下，极大提升了高光谱图像获取效率。高光谱相机分辨率维持30 m分辨率[7]便于和GF-5卫星数据进行传递定标和数据融合，同时可利用星上同时获得的2.5 m/10 m分辨率的全色多光谱影像开展光谱解混，进一步提升图像应用效果。

2.4 中分星座连续性

中等分辨率数据作为陆地资源领域观测信息的重要组成部分，一直是国外卫星稳定持续发展的重要方向之一。例如，美国的陆地卫星(Landsat)系列至今已经发展到第八代，时间跨度达30多年之久，其业务一直围绕获取中等分辨率数据开展。再如欧洲的哨兵2号卫星(Sentinel-2)已经建立起中等分辨率组网的观测网络[8]，有效的提高了卫星的观测效能，后续还会根据卫星在轨运行情况，对卫星星座进行补充。因此，稳定运行中分辨率星座，对卫星系统持续进行建设，具有十分重要的应用价值。

因此在卫星设计和轨道选择上，选择与2011年发射的资源一号02C卫星相同的轨道参数，可实现2颗卫星的数据复用。卫星运行轨道高度为778.099 km，赤道处相邻轨迹的地面覆盖间距为50.79 km，因此多光谱相机幅宽115 km星下点一次可以覆盖两轨间距，29天完成全球无缝覆盖观测；高光谱相机地面覆盖带宽为60 km，可在一个回归周期55天完成全球无缝覆盖观测。通过整星±32°侧摆，可实现3天任意地区重复观测。

通过资源一号02C、02D和未来发射的02E卫星(同时搭载全色多光谱相机和高光谱相机)，组网形成普查观测系统运行，可以有效的缩短重访周期、实现数据稳定接续。

3 卫星技术特点

3.1 图像质量提升

资源一号02D卫星补充谱段信息的同时，图像辐射质量、几何质量等均进行了提升。

3.1.1 采用多谱合一的探测器并增加谱段

可见/近红外相机选用定制的多谱段集成时间延时积分电荷耦合器件(TDICCD)探测器，通过滤光片配置可实现1个全色谱段和8个多光谱谱段的采集。选用了中电44所生产的高性能多谱合一TDICCD器件，采用微型热管将探测器温度控制在-10～+5 ℃，降低了器件暗电流和噪声，提高了系统信噪比。分光棱镜和微型热管如图2所示。

图2 分光棱镜和微型热管Fig.2 Beam splitting prism and micro heat pipes

3.1.2 采用光学拼接的方式

资源一号02C等卫星采用双相机视场拼接的方式、片与片间搭接的部分会出现漏缝、电荷耦合器件(CCD)的安装精度受星体结构影响、片间响应时间不一致等现象造成图像拼接难度较大。资源一号02D卫星相机使用CCD器件光学拼接(共线拼接)的技术，拼接精度优于0.1像元，其拼接方式如图3所示。

图3 拼接方式示意Fig.3 Sketch map of multi-detector mosaic

3.1.3 无控定位精度提升

资源一号02D卫星的无控定位精度提升至50 m(Circle Error 90%/CE90)，较02C星的260 m(1σ)大幅提升。因此整星在姿态测量星敏感器、导航接收机、时间系统、星敏感器安装基准等均需进行适应性更改或升级。

采用国产高精度星敏感器、高精度星敏感器与陀螺联合定姿方法，通过最优滤波技术实现两测姿系统的优势互补，达到满足成像要求的测姿精度。使用双频GPS轨道定位精度优于10 m，事后的定位精度优于50 cm。引入了秒脉冲校时和高精度时间系统设计，星务计算机、控制计算机和载荷成像均以秒脉冲为时间参考，实现了整星时统精度优于50 μs。相机星敏感器通过支架进行一体化安装，使得整星的测量与相机成像的光轴共基准，提高了测量的稳定性和精度，保障了整星的定位精度。

3.1.4 采用无畸变的光学系统

相机的在轨畸变会给图像的拼接与配准带来了一定困难。资源一号02D卫星相机采用无畸变的光学设计。经过地面测量，畸变大小优于万分之四，大大提高了卫星成像的内部几何精度。提高了图像的相对定位精度和卫星内检校的效率。

3.1.5 采用12 bit量化方式与自动箝位的功能

卫星采用12 bit量化的方式提升了图像的动态范围及信噪比。还针对大气干扰的问题增加了动态箝位的功能，提高图像的信噪比。相机信噪比在高端(地面反射率0.65，太阳高度角70°)信噪比大于48 dB。

3.2 偏航定标技术提升相对定标精度

星上配置了2台宽幅载荷，在发射入轨中、受到主动段力学和在轨空间环境影响后，性能可能发生变化，导致地面定标实验计算得到的相对定标模型与探元的真实响应曲线存在差异。因此需要开展在轨定标，获得各个辐射度级别非常均匀的在轨图像及底电平数据。为了使推扫式相机在轨期间对地获得非常均匀的图像，星上采用了姿态偏航90°的定标成像方式，使探测器阵旋转90°，使得横向所有探测器通过一个地物，使用该方式对所有像元进行标定，获得非常均匀的图像[9]，如图4、5所示。

图4 普通扫描方式的字母表图像Fig.4 Alphabetic image of push-sweep imaging

图5 线阵旋转90°扫描方式的字母表图像Fig.5 Alphabetic image of side-slither imaging

3.3 整星机动灵活性提升

资源一号02D卫星主要目标为大面积的图像获取，对于大区域拼接成像、目标成像行政区或其它工业经济区、自然区域目标成像、考虑到天气等因素等，需要进行大量局部区域补图、补缝成像。为满足该使用需求，卫星需具备一定的姿态机动能力。提升整星机动能力可采取两种方向，其一是增加整星机动的执行力矩、通过选取相应的执行机构(控制力矩陀螺和/或大力矩动量轮)实现，但使用控制力矩陀螺后其扰振特性较动量轮大，需采取隔振装置并进行专项分析试验[10]，会引入附加成本。另外一种是尽可能减少整星惯量，满足侧摆要求。

卫星选择了先进的S4R供电体制和上海空间电源研究所生产的高能效长寿命锂离子蓄电池、高能量转换效率的三结砷化镓太阳电池，提升了整星能量密度。相对于资源一号02C卫星的供配电系统，太阳翼的基板数量由6块减少为4块，能量输入功率由2400 W提升至2800 W，供配电分系统质量减轻180 kg，整星侧摆机动的转动惯量减少了46%，在维持使用动量轮机动的基础上，可以满足侧摆成像要求。在使用动量轮作为侧摆执行机构的基础上，资源一号02D卫星的机动能力提升到了32°/260 s，较02C星的32°/600 s机动能力提升了230%。

按轨道高度约778 km计算，地速约为6.64 km/s，则侧摆稳定时间260 s可以实现卫星在一轨内对沿轨迹距离约1700 km以上的2个区域进行成像。根据我国国土形状，东部地区沿轨迹方向南北距离约3600 km左右，中部和西部地区则在2100 km左右。因此在国境内可以进行2个到3个侧摆成像任务，成像效能进一步提升，如图6所示。

图6 境内星下点轨迹长度Fig.6 Ground track length in China

3.4 提升数据获取能力

资源一号02D卫星在成像性能提升后，载荷数据传输相比资源一号02C卫星也发生变化。02C卫星星载荷总数据率513.38 Mbit/s，固存容量270 Gbit，02D卫星为3 455.1 Mbit/s。在保证业务图像质量的前提下，图像不能进行大压缩比，特别是高光谱图像仅能进行无损压缩或不压缩。

资源一号02D卫星选择了星上、地面均有成熟研制技术基础的数传产品，对地码速率为2×450 Mbit/s，采用双圆极化、点波束天线方案。同时为了尽可能利用数传弧段资源，设置了单天线双地面站接力、双天线双地面站接力功能，将成像、记录和传输功能解耦设计，最大限度的实现有限弧段的数据传输获取。

以密云、三亚、喀什3个国内地面接收站作为主要接收站点。单天线对应单一地面站传输，天平均下行弧段时长约10.4 min。采用单天线双站接力时，考虑到天线预置会对整星产生扰动影响成像质量，因此需要限制预置速度，站点切换间隔为180 s。在此方式下，可视弧段平均长度约为11.69 min。若采用双天线双站接力形式，双天线都提前预置到位避免成像中预置扰动，仅需考虑天线切换时间约12 s左右的数传空档期。在此方式下可视弧段平均长度约为13.26 min。相比单天线不接力情形，其每轨增加时长约2.86 min，每天可增加约24 min回放时间，相当于增加了2轨传输弧段。提升了数据下行能力约25%。

3.5 业务卫星快速集成设计

作为业务卫星，其研制成本、研制周期等，均有严格约束。为控制研制成本和研制周期，卫星采用了“直接正样”研制模式，不经历初样阶段，直由方案阶段转入正样研制。整星仅投产一套正样件。对整星设计、系统集成、整星测试和项目管理均提出了较高要求。

在卫星产品选型上，通过选取新型成熟平台产品，与其他卫星组批投产，可节约研制周期和设计成本。同时在整星方案阶段开展了风险分析，对系统级设计开展了多轮复核把关，针对性的开展专项联试试验，提前对关键环节进行了验证，确保了卫星研制的一次成功。

4 卫星应用情况及后续发展建议

4.1 卫星在轨情况

资源一号02D卫星于2019年9月12日发射，当前已经在轨运行1年。卫星入轨以来，卫星平台运行稳定，成像纹理清晰、层析分明、光谱信息丰富。卫星获取了大量多光谱和高光谱影像数据(见图7、8)。当前卫星已经完成了在轨测试和参数调整。初步评价多光谱相机产品外部几何精度为19.13 m(CE90)，辐射质量满足使用要求。

图7 韩国务安机场全色多光谱融合影像Fig.7 Muan international airport fusion image of panchromatic and multi-spectral images

图8 山东东营莱州湾高光谱融合影像Fig.8 Shandong Laizhou bay fusion image of hyperspectral images

4.2 后续业务卫星发展建议

资源一号02D卫星细分多光谱和高光谱影像，获取了丰富地物的光谱维信息，地物分类的准确程度进一步提高。例如基于农业用户对于卫星数据的初步应用评估结果，对于农田作物，4谱段影像的地物识别精度为91.30%，8个多光谱谱段的地物识别率为97.71%，高光谱影像的地物识别率可达99.90%。

但受限于目前载荷规模和研制成本，多光谱和高光谱遥感器的几何分辨率往往较全色图像低，混合像元作用明显，对复杂地物的精细化定量化遥感的进一步应用产生了一定的影响。因此后续定量化卫星可参考如下的技术发展方向：

(1)发展宽幅细分多光谱卫星，结合具体行业用户需求，对地物敏感的波段进行光谱定制细分，在谱段数量和谱段范围上均进行定制。此种方式可在充分利用多光谱相机高信噪比、高分辨率、容易实现大幅宽观测的优势，实现定制化观测。

(2)发展中高分辨率高光谱卫星，实现较高几何分辨率的高光谱观测。受限于高光谱卫星的光学系统复杂，难于同时实现高分辨率和大幅宽观测和大角度侧摆成像，因此需要建设高光谱卫星星座，通过同种或者不同种类的卫星搭载高光谱相机标准产品，实现高分高光谱相机的数据批量化采集。

(3)建立地物光谱库并开展图像解混研究。利用星上的高分相机和高光谱相机影像联合进行图像解混算法研究。通过建立不同种类的地物光谱库和应用场景，开展光谱解混算法研究，满足不同业务用户的地物识别需求，也是未来定量化遥感应用的重要发展方向。

5 结束语

资源一号02D卫星研制和发射，是对业务卫星及其改进型卫星的又一次大胆尝试。卫星在轨应用对自然资源调查与监管、地质、矿产资源开采监测和地质灾害调查等业务需求具有重大意义。后续卫星研制团队将密切配合应用部门，进一步做好图像定标和应用推广，为我国自然资源业务卫星和定量化遥感应用做出更大贡献。