高分多模卫星技术创新与发展建议

杨文涛 庄国京 孟令杰 范立佳 张国斌 王跃

(1 中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京 100094) (2 中国航天科技集团有限公司，北京 100048)(3 国家国防科技工业局重大专项工程中心，北京 100101)

随着用户需求和光学遥感技术的不断提升，以高成像分辨率、多成像谱段、高图像定位精度、快速姿态机动能力为主要特征的敏捷光学成像卫星得到了迅速发展，从“艾科诺斯”(IKONOS)卫星到“世界观测”(WorldView)卫星系列的发展也是代表了当前国际上光学遥感卫星的发展趋势[1-4]。敏捷卫星成像模式灵活多样、成像效能非常高，相对于传统常规的被动推扫成像卫星，其图像获取效率大幅提升。支持多用户所提出的不同应用目标、不同时效性的观测需求，并在最短的时间内将图像数据发送到用户手中。敏捷光学遥感卫星的出现，使得世界遥感卫星技术实现了一次技术的飞跃，并在商用领域取得了极大成功。

高分多模卫星是我国民用空间基础设施工程的重要组成部分，是对地观测系统高分辨率光学观测星座中分辨率最高的卫星。综合考虑技术先进性和技术成熟度，它采用全新一代中型敏捷遥感卫星公用平台；配置具有良好研制基础的大口径高分辨率光学相机、大气同步校正仪等有效载荷，实现同轨多点目标成像、同轨多条带拼幅成像、立体/多角度成像、任意向主动推扫成像等多种敏捷成像模式下高分辨率、高质量图像数据的获取能力，实现1个全色谱段+8个多光谱谱段、0.5 m高空间分辨率、10 m无地面控制点高定位精度、高质量图像数据的获取能力，单日图像获取能力可达36万平方千米以上。该卫星是我国迄今为止研制的空间分辨率最高、敏捷成像能力最强的遥感卫星，达到国际先进水平，它的成功发射可大幅提高陆地观测系统的定量化应用水平[1]。

高分多模卫星作为空间基础设施“十三五”首批启动并首颗发射的科研星，在满足各用户对高分辨率、高质量图像数据迫切需求的同时，还要发挥技术引领和推动作用。首次民用卫星配置中继数传，提高卫星快速响应能力；为充分利用平台的应用潜力，实现星上数据实时处理、星间激光通信等新技术的在轨验证和应用。高分多模卫星充分继承中型敏捷遥感卫星公用平台研制基础，平台突破了制约遥感卫星发展的敏捷姿态机动控制技术、高定位精度平台支撑技术、先进空间数据系统技术、微振动抑制4项核心技术；完成了基于新一代平台通用产品体系的33台单机研制和鉴定；完成了基于典型应用的结构、热控、电性能的鉴定试验验证；完成了8年长寿命平台设计和验证。

高分多模卫星于2020年7月3日成功发射入轨。2020年7月10日，圆满完成了卫星飞控全部工作，卫星状态正常，转入在轨测试。2021年3月，完成了卫星在轨测试工作，结果表明：卫星各项功能性能满足研制总要求，各大系统工作正常，满足任务要求；图像质量高，细节纹理清晰、层次分明、信息丰富，可服务于多行业定量化应用；敏捷成像能力强，成像模式丰富、成像效能高、任务管理智能、用户操控简易高效。

1 技术创新

高分多模卫星的研制和成功发射，突破了多项关键技术，实现了中型敏捷遥感卫星公用平台首飞验证，首次实现了优于0.5 m高分辨率成像，首次实现任意方向目标“动中成像”。具有灵活丰富的敏捷成像模式、高效智能的任务管理能力，具有极高的图像采集效率，技术指标先进，成功实现兼顾高分辨率与敏捷成像的遥感卫星技术的应用，可服务于大比例尺国土调查与测绘、重点区域自然资源遥感监测、灾害风险与应急监测、农业资源调查、生态环境精细化监测、生态保护红线监管、城市精细化管理、森林和草原动态监测与评估等领域，打破了国外同类商业遥感卫星图像垄断，能提高我国高分辨率图像数据自给率。卫星技术进步创新主要体现在下述的几个方面。

1.1 敏捷成像能力强

针对多行业用户对高分辨率图像数据迫切需求，参考国外先进敏捷卫星设计[3-5]，基于中型敏捷遥感卫星公用平台的敏捷机动控制核心技术攻关成果，高分多模卫星采用丰富的敏捷成像模式，在敏捷成像方面取得了突破性的成就，首次实现了任意向主动推扫成像、多角度成像等敏捷成像技术，突破了多项关键技术，达到了国际先进水平，主要包括以下几个方面。

1.1.1 敏捷成像模式丰富

对标国外先进敏捷卫星设计，突破了传统被动沿迹推扫高分辨率成像幅宽限制，通过快速姿态机动与高分辨率相机敏捷成像有机结合，实现了同轨多点目标成像、同轨多条带拼幅成像、同轨立体/多角度成像、沿迹/非沿迹主动推扫成像等多种敏捷成像模式，大幅提高图像获取效率。同轨多点目标可以实现一次过境对重点关注大量散布目标的高效获取；拼幅成像可以扩大一次过境成像区域，能够覆盖城镇、港口、机场等区域；立体成像可以用于2视/3视立体测绘，基高比可调，提高卫星综合应用能力；首次实现了多角度成像，可提供更为丰富的观测信息，实现精细化观测；首次实现“动中成像”，可以实现任意向条带目标的一次过境高效快速获取，获取效率可提升数十倍。

高分辨率与敏捷成像的结合，实现丰富的敏捷成像模式，满足多行业用户不同观测需求，达到了“一星多用、综合利用”目标，单星使用效能得到了充分发挥；采用理论分析、数字建模、仿真分析及测试验证的手段，将卫星姿态机动能力指标与各类敏捷成像模式图像获取能力指标进行了关联，分析了卫星在轨满足各类使用约束条件下各类敏捷成像模式的能力范围，以及在轨灵活应用各类敏捷成像模式的能力。在轨测试结果表明：各类敏捷成像模式执行正常，成像能力达到了预期目标，成像效果良好。

2020年9月3日，一次过境通过4次拼幅成像实现对北京六环内高分辨率成像,如图1所示。这种方式可以有效解决多次过境覆盖获取方式带来的天气影响观测时机问题和多次重访时效性问题等。

图1 一次过境4个条带拼幅高分辨率成像Fig.1 High resolution imaging by single-pass 4 strips mapping mode

2020年9月17日，一次过境实现对迪拜哈利法塔11个角度成像(如图2所示)，可以获取更多的高层建筑的侧面信息，提供更为丰富的观测信息。

图2 一次过境对迪拜哈利法塔11个角度成像Fig.2 11 views of Burj Khalifa tower collected by single-pass

1.1.2 敏捷机动能力强

敏捷机动能力是实现各类敏捷成像模式的保障，通过敏捷成像过程仿真分析和敏捷成像图像质量预估，确定了敏捷成像能力，并分解提出了敏捷机动指标体系，提出了绕任意轴机动并稳定25°/20 s指标要求。

敏捷机动能力提出了小惯量、高刚度要求，构型和总体布局设计是实现敏捷机动能力的保障。平台采用“四立柱+板”结构形式，通过模块化设计，紧凑化布局，实现小惯量要求；同时，为实现高刚度要求，提高整星大型柔性部件刚度，采用二维二次展开并联高刚度太阳翼，并采用高稳高刚度太阳翼驱动机构驱动控制，满足在轨高刚度需求。

控制是实现敏捷机动能力的核心，配置5台大力矩控制陀螺实现快速姿态机动，采用新一代甚高精度星敏感器和适应大角度机动能力的新型大量程三浮陀螺实现高精度测姿，配合转速相对波动小的高稳太阳翼驱动机构，实现高指向精度、测量精度及高稳定度；敏捷机动控制方案设计实现了先进的姿态测量与控制算法，针对大力矩控制力矩陀螺的力矩精度偏低、力矩噪声偏大的情况，适当提高系统带宽，采取平滑的轨迹规划方式、机动过程中采用前馈补偿等技术，提升敏捷机动到位及稳定的能力。根据敏捷成像模式需求，提出了偏置飞行、点对点机动、姿态/角速度预置、非沿迹跟踪等多种控制子模式。

在高分多模卫星研制过程中，通过单轴气浮台原理验证试验、3轴气浮台物理仿真试验，对机动控制模式、典型机动能力和敏捷机动控制方案进行物理仿真验证。图3为敏捷机动能力遥测曲线。在轨测试结果表明：敏捷机动能力达到了25°/15 s，优于25°/20 s的设计指标。

图3 敏捷机动能力遥测曲线Fig.3 Telemetering curve of agility

1.1.3 任务管理智能

高分多模卫星具有多种敏捷成像模式，较传统遥感卫星成像模式复杂、多样、灵活，成像能力大幅提升，单轨/每天成像任务数量提升数倍以上[6]。为实现高分多模卫星灵活的工作模式与用户多源需求的有效对接，在调研国外先进WorldView和“昴宿星”(Pleiades)系列卫星商业规划、在轨运行控制方式的基础上，提出了星地任务体系组成和运行方案，完成了敏捷卫星任务规划体系构架设计，星地界面采用“元任务”概念，向用户屏蔽了卫星的底层指令操作，降低了用户使用复杂度；地面将成像条带进行综合优化，形成“元任务”序列，并通过地面测控网上注至卫星。

高分多模卫星上采用以系统管理单元为核心的智能任务管理技术，对“元任务”进行解析、检查，将元任务转化为各个分系统/子系统的动作序列，进而生成指令序列。卫星按照规划好的指令序列控制各分系统执行各项操作任务，实现各类丰富的敏捷成像。在研制过程中，开发了地面任务规划仿真软件，解决了任务圈次分配综合优化、一轨内任务序列规划等技术难点，并通过了在轨测试验证，应用效果良好。向用户提供非常简易、灵活、高效的操作使用模式，应急响应能力强，最大程度发挥高分多模卫星的应用效能。

1.2 图像质量高

1.2.1 大口径长焦距敏捷相机的设计和研制

高分辨率相机(见图4)采用大口径长焦距的三反同轴光学系统，光圈数为10.3，焦距为10.8 m。根据目前高分辨率相机探测器的可获得性，创新性地采用7 μm/28 μm的5谱段+28 μm的4谱段TDICCD传感器共同实现9谱段成像，采用多片光学拼接方法实现0.5 m全色/2 m多光谱分辨率、15 km幅宽及9谱段成像要求。为达到高成像质量，采用12 bit高数据量化，最大信噪比提高到48 dB；综合考虑光学系统、TDICCD器件饱和电压等因素，电子学采用集成化设计、电源滤波及CCD模拟信号滤波技术等措施改进电子学噪声。为实现高内方位元素稳定性，采用主动+被动结合的高精度热控设计，实现了±0.3 ℃高精度温控要求；相机主体采用以主承力框为核心支撑前镜身和后镜身的紧凑设计，材料选取刚度高、质量小、稳定性好、工艺成熟的钛合金、复合材料等。为适应敏捷成像对大动态积分时间快速调整、相机频繁开关机及低功耗的要求，设计了高速大动态CCD驱动电路方案及积分时间快速插值功能，设计了低功耗、快速转换的待机模式。

图4 高分辨率相机实验室测试Fig.4 Laboratory test of high resolution camera

通过地面试验及在轨飞行测试，高分辨率相机能够实现高分辨率、9谱段、高质量的成像要求。彩色融合图像色彩均匀、细节丰富、层次清晰。图5给出了2020年8月20日上海陆家嘴高层建筑群图像，建筑群细节清晰，道路规划识别精度高，地面汽车数量及类型清晰可辨识。卫星图像多光谱谱段信息丰富。图6给出了2020年7月21日埃及亚历山大港农田不同谱段融合对比图，采用近红外/红边/红假彩色融合图，较常规红/绿/蓝真彩色融合图分类识别精度更高，针对不同地物特征采用不同谱段融合，可有效提升分类识别精度。

图5 上海陆家嘴彩色融合图像Fig.5 Color fusion image of Lujiazui in Shanghai

图6 埃及亚历山大港多光谱融合图像Fig.6 Multispectral fusion image of Alexandria

1.2.2 10 m(1σ)高定位精度保证技术

高定位精度的卫星平台支持能力是中型敏捷遥感卫星公用平台研制中的一项核心技术；通过开展攻关突破制约定位精度提升的高精密定轨、高精度定姿、高稳定性结构、高精度时统等多项关键技术，新研甚高精度星敏感器、大量程三浮陀螺及高稳定复合材料星敏感器支架等核心单机，显著提升定位精度水平。高分多模卫星在中型敏捷遥感卫星公用平台的研制基础上，继承和应用相关技术，结合有效载荷技术状态，完成了定位精度分析及指标分配；围绕高分辨率相机开展设计与验证工作(如图7所示)，完善了相机-星敏感器一体化安装的设计，完成了高分辨率相机柔性适配安装设计，进一步减少平台变形影响；完成了高分辨率相机高精度校时设计及内方位元素稳定性设计，并开展相关仿真分析与试验验证。综合各个环节设计和验证情况，完成了无控制点图像平面定位精度优于10 m(1σ)的仿真分析验证。无控制点图像平面定位精度在轨测试结果表明：在偏离星下点30°锥角范围内，无控制点图像平面定位精度可优于5 m。

图7 高分辨率相机柔性适配设计验证试验Fig.7 Verification test of flexible adaptation design for high resolution camera

1.2.3 多级隔振的微振动抑制技术

基于图像质量对整星微振动要求，完成了基于微振动对成像质量的影响链路分析与分解，采取多级减隔振技术途径，从扰动源、减振装置、结构传递、有效载荷4个方面开展工作。基于中型敏捷遥感卫星公用平台的微振动抑制核心技术攻关成果，设计了面向控制力矩陀螺(CMG)群整体隔振的微振动抑制方案，完成了大力矩CMG扰振测量和分析，以及CMG支架设计、生产和使用，进行了以高刚度微振动隔振装置为核心的并联隔振装置设计、生产、测试及试验验证，能够有效抑制CMG引起的有效载荷安装面的微振动响应，振动幅值衰减80%以上。

针对高分多模卫星状态，围绕高分辨率相机成像特点，在其与平台安装界面设计了集平台变形释放和隔振一体的柔性适配装置，进一步消除振动对相机的影响。优化设计柔性和隔振参数，取得最优效果，完成了单机鉴定及整星微振动试验验证(见图8)；正样研制阶段通过整星模态测试进一步确认了柔性适配状态，并完成了在轨微振动响应仿真预示。

图8 整星微振动试验Fig.8 Test of satellite micro vibration

在轨微振动测量表明：CMG到各关键位置传递函数在特征频点处出现了明显的衰减，经过并联隔振装置、结构传递衰减、柔性适配装置，响应衰减达到90%以上。通过在轨测试，图像质量良好，在轨动态传递函数达到了预期设计状态。在轨微振动测量及在轨图像动态传递函数测试结果表明：微振动抑制措施有效。

1.3 时空同步大气校正

高分多模卫星具有0.5 m高分辨率、敏捷成像模式丰富多样的特点，特别是敏捷成像过程中卫星姿态角变化较大，大气对图像质量影响更为突出，不可避免地受到大气分子、气溶胶和云等大气成份的吸收与散射的影响。采取时空同步大气校正技术，可有效提高图像辐射精度和图像质量[7-8]，满足定量化应用需求。高分多模卫星配置1台大气同步校正仪，与高分辨率相机同步同视场观测，同步获取高分辨率相机观测区域的大气参数信息，用于地面图像处理中的大气校正。大气同步校正仪采用分孔径多元探测方案，光机电一体化设计，如图9所示。通过3个非偏/5个偏振辐射通道获取目标区域大气的光辐射信息和偏振辐射信息，以反演有关大气物理特性并进行校正。

图9 大气同步校正仪Fig.9 Synchronized atmospheric corrector

图10给出了2020年8月5日美国加州大火烟雾弥漫后的校正前后图像，同时具有城市区、植被区的复杂地表上空大气的校正，大气校正可以有效去除大气程辐射影响，改善地物定量化水平。

图10 大气校正前后图像对比(美国加州)Fig.10 Comparison of images (California, U.S.) before and after atmospheric correction

图11为2020年7月26日科威特真彩色影响校正前后对比，高亮区域细节、屋顶纹理在校正后更为清晰，大气校正能够去除大气程辐射和交叉辐射效应，进而改善地物细节特征的可识别性。

图11 大气校正前后图像对比(科威特国际机场)Fig.11 Comparison of images (Kuwait international airport) before and after atmospheric correction

在轨测试评价结果可知：大气参数反演精度较高，大气同步校正效果明显，特别是大气气溶胶达到0.4以上，大气同步校正效果更为突出，可有效降低大气程辐射、交叉辐射及邻近效应的影响，校正后更为清晰，地物细节特征可辨识性更高，能提升光谱特性，提高图像产品定量化应用水平。

1.4 快速响应能力强

1.4.1 民用遥感卫星首次配置中继数传

高分多模卫星具有高的成像能力和快速响应能力，根据我国当前可用地面接收站的布局及配置情况，为保证卫星在轨应用效能的充分发挥，能够有效支撑我国国民经济建设及重大战略布局的实施，参考美国、法国等同类先进商业遥感卫星全球地面接收布局及使用策略，充分利用我国中继卫星资源，配置中继数传，通过合理规划地面接收站及中继卫星使用资源，保证每天不少于36万平方千米的图像获取能力，通过中继卫星实现境外成像当圈回传获取能力，有效解决受地面接收站布置限制带来快速响应不足的问题。同时，在设计上突破了多项关键技术，为保证敏捷机动小惯量、高刚度要求，充分利用卫星敏捷机动能力，创新性地采用星体姿态机动结合天线小角度转动实现对中继卫星指向与跟踪；采用星体姿态及太阳翼跟踪控制策略，有效解决了中继数传过程中电能、热控、星敏感器见光等问题，并通过地面仿真及在轨测试验证，可以保障中继数传弧段需求及稳定跟踪要求。

1.4.2 快速获取模式创新

面向应急响应需求[9-11]，深入挖掘卫星应用潜能，利用快速敏捷成像及灵活智能自主任务管理能力，通过配置特定区域提取与处理单元，结合卫星的敏捷成像，完成特定区域图像的提取、辐射校正及几何校正，生成用户可直接应用的二级图像产品，并利用数传的低速传输模式，支持配置更为灵活的机动站或微型便携接收站。卫星上设置有多档数传码速率，用户可根据需求灵活选择使用，支持1.2 m，4.5 m及更大口径天线接收使用。

2020年12月，高分多模卫星在北京首次完成了面向应急响应需求的特定区域快速获取模式应用演示验证，模拟应急抢险救灾前沿指挥部“实时”接收受灾区域2级遥感图像产品，并进行判读应用的场景。卫星在10：54：24开始成像，成像后立即进行星上实时处理，生成15 km×15 km的2级图像产品；10：56：30，通过指挥部配置的地面移动接收站完成图像数据的接收、解调，并进行图像产品的显示和判读，地面接收并显示的图像如图12所示，图像分辨率高、纹理细腻、细节清晰。卫星成像至用户接收到可直接应用图像的获取全链路时间缩短至2 min左右，可“第一时间”将受灾区域的遥感卫星图像产品传送到前沿应急指挥部。用户对此给予了充分肯定和高度评价，此模式能够为应急响应需求提供及时、有效的信息，以便及时掌握灾害发生地点、涉及范围、发展趋势等，可大幅提升重大灾害现场灾情信息传递的保障能力。

图12 快速获取试验获取的图像Fig.12 Acquired images during fast-acquisition test

1.5 实现中型敏捷遥感卫星公用平台全面在轨验证

中型敏捷遥感卫星公用平台在功能性能和设计指标上，均瞄准当前国际先进水平鲍尔可重构-5000(BCP-5000)平台，提升我国遥感卫星平台能力，满足我国未来遥感卫星技术发展的需求，使我国遥感卫星平台性能达到或接近国际先进水平，促进和带动遥感卫星研制管理模式转变。高分多模卫星作为中型敏捷遥感卫星公用平台首发星，通过研制、发射及在轨运行实现了平台各项技术及产品的全面验证，首次完成了基于遥感卫星公用平台的卫星研制模式全面实践验证，大幅提升了研制质量与效率，有效降低了研制成本；敏捷机动控制技术、高定位精度平台支撑技术及微振动抑制技术等平台核心技术，得到了全面在轨验证，各项功能性能技术指标均达到或优于设计指标，支持实现了各类复杂敏捷成像能力及高质量图像数据；通过在轨测试及目视效果比对，图像质量好，辐射质量高，图像纹理细节丰富、清晰，边缘锐利、层次感好，达到或优于WorldView-2图像产品质量，处于国际先进水平。基于综合电子理念的星载数据系统技术，有效提高了自主任务规划与管理能力、自主故障诊断与管理能力，为高分多模卫星好用性、易用性及健壮性实现提供了有力支撑保障。

2 发展建议

高分多模卫星自2020年7月3日发射至今，在轨稳定运行。为保证用户对高分辨率、高质量卫星图像数据连续性、稳定性及覆盖能力的要求，结合我国民用航天规划，后续将以业务卫星为主体，结合科研卫星在轨应用，合理优化性能指标，提升卫星智能化水平，保持卫星的先进性；加快与高分多模卫星组网运行，进一步提升服务能力。

根据国际先进商业遥感卫星发展趋势，基于我国遥感卫星研制技术能力，结合用户实际行业应用使用情况，后续业务卫星建议在以下几方面开展工作。

(1)加快组网建设，保证覆盖能力和响应能力。尽管高分多模卫星强的敏捷机动能力可实现较高的获取效率，但受轨道及观测幅宽的限制，单星覆盖能力和重访能力较用户需求还存在较大差距。因此，需要加快组网建设，分步实现双星、四星甚至多星组网运行，保证高的覆盖能力和关注区域小时级高重访需求。

(2)性能指标提升，保持国际先进性。随着用户定量化应用水平的不断提升，对标Worldview和Pleiades系列卫星建设及发展规划，业务卫星在分辨率、谱段及敏捷机动能力等方面仍需要进一步提升，提供更高分辨率、更丰富谱段及更高效成像能力，进一步推动我国遥感卫星定量化应用水平，有效保障“一带一路”、京津冀协同发展、长江经济带建设、重大灾害监测预警和响应等国家重大战略实施。

(3)提高智能化水平，提升好用性、易用性。随着遥感卫星技术的发展，星上综合电子能力得到了快速提升，关注用户使用体验，基于科研卫星研制经验和基础，重点围绕星上实时处理、自主任务管理及自主健康管理等方面提升设计，努力为用户打造精品卫星、好用易用卫星。

3 结束语

高分多模卫星作为民用高分辨率光学观测星座中分辨率最高的卫星，其成功发射及在轨应用，将大幅提高陆地观测系统的定量化应用水平；卫星突破了多项关键技术，发挥了技术引领和推动作用，实现了我国遥感卫星技术水平的跨越式发展；实现了优于0.5 m高分辨率光学遥感数据国产化，是我国陆地观测系统建设的重要标志，将使我国高分辨率观测能力达到国际先进水平，满足高精度观测业务需求，实现全球范围内精细化观测，能够有效支撑我国国民经济建设和国家资源安全战略布局的实施。