北京三号A/B卫星总体设计及技术创新

杨芳 赵键 姚宁 李志壮 姜海滨 王劲强 朱红 刘思远 王抒雁

(1 航天东方红卫星有限公司,北京 100094)(2 北京控制工程研究所,北京 100094)(3 北京空间机电研究所,北京 100094)(4 西安空间无线电技术研究所,西安 710071)

北京三号A/B卫星,是基于我国第二代敏捷卫星平台——CAST3000E平台(增强型敏捷卫星平台)的高分辨率光学遥感智能敏捷卫星,是在第一代敏捷卫星平台CAST3000的基础上,瞄准国际上最先进的敏捷卫星平台技术指标和成像新模式研制开发,具有“三超”、“三智”的技术特点,即“超敏捷、超稳定、超精度”、“智能复合控制、智能自主规划、智能图像处理”,实现了遥感卫星领域的控制新体制、相机新体制、操控新体制、应用新体制四方面的技术跨越,对我国航天遥感技术的发展具有极强的技术引领和推动作用[1]。

北京三号A星是CAST3000E平台的首发星,于2021年6月11日成功发射,国内首次具备了沿任意航迹成像(即主动推扫动中成像,国际上称走廊成像)能力,标志着我国遥感卫星技术水平实现了重大技术跨越。北京三号B卫星于2022年8月24日成功发射,在A星实现沿任意航迹成像的基础上,在国际上首次在轨实现了沿曲线轨迹成像新模式。

北京三号A/B卫星在轨实现的敏捷姿态机动最大值达到25°/10s和90°/25s,是第一代敏捷卫星的三倍以上;整星姿态角速度稳定度优于2×10-5(°)/s,主动指向成像期间短期稳定度优于0.005″,提高了20倍以上;图像定位精度(无控制点)优于5m(CE90),进入国际一流水平。

1 卫星总体设计

1.1 卫星轨道设计

综合考虑载荷分辨率、星下点视场幅宽和尽可能少的轨道维持燃料消耗,北京三号A卫星选择了高度接近500km的太阳同步轨道,如表1所示;北京三号B卫星选择了高度为610km的太阳同步轨道,如表2所示。

表1 北京三号A卫星标称轨道参数

表2 北京三号B卫星标称轨道参数

为满足8年寿命期内,卫星降交点地方时变化最小的用户需求,北京三号A卫星和B卫星均采用了倾角和降交点地方时双偏置的方案,使8年寿命期内的降交点地方时漂移范围分别为±15min和±20min。

1.2 卫星方案概述

CAST3000E平台继承CAST3000平台,采用六棱柱构型设计,3块太阳电池阵按间隔120°对称安装,展开后固定支撑,保证足够的展开刚度,如图1所示。

图1 北京三号A/B卫星构型

北京三号A卫星配置线阵成像体制的三反同轴高分辨率双相机组合体,北京三号B卫星配置一台线阵+面阵组合成像体制的四反同轴轻量化高分辨率相机,能够兼顾地物遥感测绘一体的综合需求。

卫星姿态控制采用三轴稳定整星零动量控制模式,在CAST3000平台姿轨控制系统(Attitude and Orbit Control System,AOCS)的基础上,在星体与相机之间增加“主动振动抑制隔离和精确指向系统”(Vibration Isolation and Precise Pointing System, VIPPS),通过AOCS-VIPPS两级复合控制,实现相机光轴的超高敏捷、超高稳定、超高精度的三超控制。为了获得超高敏捷姿态机动能力,采用控制力矩陀螺(Control Momentum Gyro,CMG)作为执行机构、磁力矩器进行CMG角动量卸载。

星上信息交换采用CAN总线网络体系架构,由星务中心计算机模块作为上位机管理总线。星务分系统还具有星上自主任务规划功能,并管理星上高精度时间系统。星上供配电采用太阳电池阵与锂离子蓄电池组联合供电方式,当圈能量平衡;平台热控方案采用隔热和舱内等温化设计,相机采用环路热管技术实现对探测器焦面的高精度热控;星上配备大容量的数据存储、高速数传通道和具有二维转动机构的高增益数传天线,具备近实时传输、记录、回放、数据分发等多种数传模式,以满足卫星在轨图像对数据传输的需求。北京三号B卫星为了支持在轨软件更新,增加了测控高速上行通道。

此外,北京三号A/B卫星还具备星上图像智能处理功能,可实现几何校正、辐射校正和云判,能基于目标点地理坐标提取感兴趣区域(ROI)和基于目标在轨检测提取ROI并可切片下传,图像处理结果可实时下传给地面用户。

1.3 卫星成像模式

北京三号A/B卫星除了支持同轨多点目标、两视立体、三视立体、动态监视、多条带拼接等敏捷卫星的典型被动推扫成像模式[2]外,还具有主动推扫即动中成像和正反向推扫成像能力,如图2～图5所示。在轨实际完成了任意航迹单斜条带、任意航迹斜条带拼接、东西方向斜条带拼幅(正反向)、正南正北(正反向)成像等主动推扫成像新模式。

图2 敏捷卫星典型被动推扫成像模式

图3 斜条带拼接成像模式

图4 斜条带拼幅成像模式

图5 反向推扫成像模式

北京三号B卫星在A卫星的基础上,在国际上首次实现了沿曲线轨迹成像新模式,如图6所示。此外,由于相机采用线阵+面阵组合成像体制,还增加了视频成像模式,使北京三号B卫星的成像模式涵盖所有被动推扫成像和主动推扫成像,是国际上光学遥感卫星成像模式最多的卫星。

图6 沿曲线轨迹成像模式

基于三超平台的成像新模式极大丰富了用户的应用和使用效率,标志着我国敏捷卫星技术水平达到国际领先水平。

1.4 卫星操控模式

北京三号A/B卫星首次实现了全部成像和数传任务的星上自主任务规划[3],用户只要给出需要拍摄任务的经纬度、数据传输窗口、地面接收站位置,星上能在短时间内完成全天的任务规划并生成时间触发的指令集合,按时间自动执行姿态机动、成像和数传任务,如图7所示。

图7 北京三号A/B卫星在轨操控方式示意图

北京三号A/B卫星支持星上自主任务规划与传统地面任务规划两种操控方式,这两种方式相对独立,用户可根据需要通过指令切换操控模式,卫星在轨正常运行中默认采用星上自主任务规划。

如图8所示,当需要由星上自主任务规划模式转为地面规划模式时,只需发送指令禁用星上自主任务规划并关闭星上规划协处理器,即进入地面规划模式(地面独立运控);当需要由地面规划模式转为星上自主任务规划模式时,同样只需通过指令将协处理器加电,并使能星上任务规划。

图8 地面任务规划与星上任务规划关系图

2 卫星技术创新

2.1 超敏超稳超精(三超)控制技术

三超控制技术是航天器超敏超稳超精控制技术的简称,采用主动振动抑制隔离和精确指向系统装置(VIPPS)支撑主载荷高分辨率相机,VIPPS与相机、卫星结构一体化安装,通过控制力矩陀螺(CMG)对传统意义上的卫星平台作大范围快速姿态机动的一级控制,利用VIPPS对主载荷高分辨率相机做快速稳定和精确指向的二级复合控制。在北京三号A卫星研制过程中,攻克了聚合分离三超控制系统架构、基于VIPPS的多级协同控制方法、主被一体挠性作动器等关键技术,并完成了主载荷相机三超控制技术联合的全物理仿真试验,解决了复杂系统“快、稳、准”相互制约和“宽频、多点、多源”扰动消除与航天器精确、稳定敏捷指标跨代提升的难题,满足了CAST3000E平台对高性能控制的需求。北京三号A/B卫星在轨实现了复杂敏捷动中成像、姿态角速度最高达10(°)/s,显著提升了卫星的机动成像效率,跨代提升了高分辨率遥感卫星数据供给能力。

2.2 沿任意航迹成像(动中成像)技术

CAST3000E平台的一个重要实现目标就是要实现沿任意航迹成像,即动中成像。三超平台只是支持动中成像的必要条件,为了真正实现动中成像,卫星总体攻克了沿任意航迹成像的姿态规划技术、适应动中成像的任务规划技术、适应动中成像的稳像技术(像移补偿技术)、适应动中成像的积分时间调整技术等关键技术[3-8]。为了保证沿任意航迹成像时的图像质量,CAST3000E平台设计了三级减震系统,在轨实际微振动水平仅有1/70个像元,微振动抑制水平提高了近20倍左右。特别强调的是,北京三号A/B星在沿任意航迹成像角速度达到2(°)/s姿态机动时,动中成像期间短期稳定度仍然可以达到0.005″,也即三超平台进入主动指向模式时,主动推扫成像与被动推扫成像图像质量没有区别。

2.3 星上智能自主任务规划技术

将传统地面任务规划的任务预处理、任务优化编排、指令序列生成等全部功能由星上自主实现,大幅提升卫星的好用易用性。用户只要给出需要拍摄任务的经纬度、数据传输窗口、地面接收站位置,星上可以自主生成供各分系统执行的指令序列,并由星务中心计算机模块将指令及指令执行时间发送到相关分系统下位机执行。星上自主任务规划可支持被动推扫成像和主动推扫成像的所有成像模式;支持不小于24h的规划窗口,任务数量500个;最大规划耗时小于3min。

北京三号A卫星在轨后,根据卫星能力及用户的使用体验,对北京三号B卫星的星上智能自主任务规划进行了升级,增加了在非立体成像任务和立体成像任务之间自动切换典型姿态机动能力和最大姿态机动能力、两条带立体成像、单个立体成像任务中间拍摄其他目标、以及指定俯仰角成像等新功能,进一步提升了卫星操控的灵活性和用户满意度。

2.4 星上智能图像处理技术

星上实现了图像实时几何校正、辐射校正和云判,开发了基于地理位置的ROI提取和基于目标检测的ROI提取并可切片下传,可根据地面机器学习和训练状态扩展智能处理功能。同时CAST3000E平台在智能处理相关的硬件设计、软件架构设计以及上行通信链路设计上支持大数据量软件的在轨上注更新,即不仅支持对当前在轨智能处理算法的修改,还支持后续上注新的在轨智能处理算法,并开展在轨试验验证。

2.5 全新优化的卫星系统

采用全星综合电子设计理念,将传统的多个单机进行了功能集成、性能提升和设计优化,由6台综合电子单机完成原来19台电子单机的功能;采用承力筒+箱板式结构、以及载荷平台一体化设计,高分辨率相机光机主体(约500kg)通过指向隔振机构和相机解锁装置安装为国内首次实现;与第一代敏捷平台CAST3000卫星相比,在敏捷能力、稳定度、指向精度、燃料量等性能指标大幅提升的前提下,载重比由35.4%提升至44.7%,整星电子学质量占比从16%降至8%,卫星结构质量占比从14.8%降至11.3%,把更多的星上资源提供给了有效载荷和控制执行部件,卫星系统设计得到极大提升优化。

3 卫星在轨测试及应用情况

3.1 三超控制能力测试

北京三号A/B卫星超敏捷、超稳定、超精度(三超)能力的在轨测试结果如表3、图9和图10所示,姿态机动最大值达到25°/10s和90°/25s,成像期间短期稳定度优于0.005″(图9为北京三号B卫星短期稳定度的连续变化曲线,包含卫星姿态机动段及成像段),指向控制精度优于0.2″。

图9 北京三号B卫星在轨短期稳定度测试结果

图10 北京三号B卫星在轨指向控制精度测试结果

表3 北京三号A/B卫星在轨姿态机动能力测试结果

基于北京三号A卫星的在轨表现,对北京三号B卫星的姿态机动轨迹规划进行了优化,所以B卫星的小角度测试结果优于A卫星;B卫星的大角度机动时间比A卫星长,是由于B卫星的转动惯量大于A卫星。

3.2 星上自主任务规划技术测试

北京三号A卫星和B卫星在飞控期间完成平台参数调整后,后续飞控任务全部使用星上自主任务规划,覆盖所有传统敏捷成像模式和沿任意航迹成像新模式,且所有成像模式任意组合,卫星均成功执行。图11为2022年8月29日,北京三号B卫星利用星上自主任务规划实现一轨40个点目标观测成像。

北京三号B卫星飞控期间采用星上自主任务规划的3天内,星上累计规划观测任务69个(成像条带86个),数据回放窗口9个(仅使用北京站),接收地面上注的原始任务数据块仅22个,星上平均规划计算用时约30s。

3.3 沿曲线成像测试

2022年8月31日,北京三号B卫星首次完成了沿曲线成像,87s内获得对东南亚半岛海岸线约600km长的影像数据,如图12所示,是国际上首次沿曲线推扫成像的卫星图片。

图12 北京三号B卫星对东南亚半岛海岸线曲线成像缩略图

3.4 测绘产品精度评测

对北京三号A卫星的数据产品进行了无控几何校正定位精度评测,样例数据覆盖新疆、宁夏、内蒙古、甘肃、四川、山西、河北等地, 成像模式包含普通条带成像、两视/三视立体成像、正南正北成像和斜条带成像,结果如表4所示,北京三号的数据产品无控几何定位精度优于5m(CE90),满足1∶10000比例尺制图精度要求。

表4 北京三号A卫星无控定位精度测试结果

3.5 新产品生成情况

北京三号卫星具备超敏捷、超稳定、超精度的成像获取能力,在实现变基高比、大范围采集两视/三视立体像对或同轨多像对数据的同时,其超高的卫星平台稳定度和控制精度,保障了沿轨和跨轨两个维度像对间的同名像元匹配精度,使得像对之间能够实现“像素级别”的匹配,从而获得“上下视差”接近零和“左右视差”误差尽量小的高精度相对定向。在这种原始图像质量的基础上,通过卫星用户的地面处理,在国内首次基于卫星多角度拍摄的图片生成了如图13的三维实景产品,从最终产品效果上看,遥感卫星影像的细节表达逐步接近航空摄影或者无人机拍摄的水平。

图13 北京三号B卫星三维实景(嘉峪关)

4 达到的技术水平

4.1 技术指标的国际对标情况

CAST3000E卫星平台保持了中国遥感卫星平台的先进性和前沿性,如表5所示,其姿态机动能力、姿态稳定度和成像稳定度等平台核心指标的在轨实测数据,全面优于美国DG公司和法国ADS公司的卫星平台,达到国际领先水平。

表5 CAST3000E平台国际对标

4.2 实际能力国际对标情况

按照国际标准,除平台指标外,实际应用能力代表了卫星综合能力,在卫星遥感应用市场上实际意义更大。CAST3000E平台卫星在传统敏捷成像(即被动推扫成像)能力和沿任意航迹成像(即主动推扫成像)能力两方面都表现优秀。

传统敏捷成像模式包括同轨多点目标、两视立体、三视立体、动态监视、多条带拼接等被动推扫模式。根据资料[9]推测,WorldView-4卫星同一轨获取图像面积为50000km2左右。

2021年6月16日,北京三号A卫星在轨完成同一轨4个5条带传统敏捷成像测试,成像区域分别是俄罗斯、沙特、津巴布韦和坦桑尼亚,每次约112s成像面积约8900km2。以此推算,北京三号A卫星实际一轨15min内可完成8个5条带成像,成像面积8900km2×8=71200km2,约为WorldView-4卫星的1.5倍。

2021年6月17日,北京三号A卫星在轨完成中国东部40个目标城市的成像,950s全部获得有效数据,所有图像指向位置准确。2022年8月29日,北京三号B卫星在轨同样完成中国东部及东南亚地区40个目标城市的成像,980s全部获得有效数据,所有图像指向位置准确。

沿任意航迹斜条带拼接、东西方向斜条带拼幅(正反向)、正南正北拼幅(正反向)是主动推扫成像的三个代表性模式。对于北京三号A/B卫星来说,沿任意航迹斜条带拼接可达7条带以上,长度700km以上(如沿长江流域、G7京新高速等成像);东西方向斜条带拼幅(正反向)理论上在一轨15min成像期间均可成像,即如果一次东西方向条带成像含姿态机动时间需要30s(条带长140km,A卫星幅宽22km),则一轨可进行30个东西方向条带成像,拼幅达到140km×22km×30=92400km2;正南正北(正反向)成像一轨15min可进行6次7条带成像,每个条带长100km,宽22km,成像面积达100km×22km×7×6=92400km2。东西方向斜条带拼幅成像模式和正南正北成像模式的成像面积均是WorldView-4卫星的1.8倍。

2021年6月22日,北京三号A卫星在轨完成哈萨克斯坦7条带拼幅推扫成像(4条正扫+3条反扫),如图14所示,一次成像幅宽达170km,面积达15300km2,创造了国内商业高分辨率遥感卫星单次成像幅宽最高纪录。

图14 北京三号A卫星7条带拼幅推扫成像的哈萨克斯坦覆盖缩略图

北京三号A/B卫星对立体成像任务也有出色的表现,A卫星在轨可在70s内获取面积3220km2的两视立体影像(总成像面积6440km2);B卫星在轨可在65s内获取面积1000km2的三视立体影像(总成像面积3000km2),在80s内获取面积2500km2的两条带两视立体影像(总成像面积5000km2)。B卫星在单个立体成像任务的两视之间,还可拍摄面积为1500km2的其他目标。

5 结束语

敏捷卫星的技术水平是高分辨率遥感卫星技术水平的重要体现,基于第二代敏捷卫星平台CAST3000E的北京三号A/B卫星的研发及成功应用使我国敏捷卫星技术水平达到国际领先水平,实现了从跟跑到赶超,跨代提升了高分辨率遥感卫星数据供给能力,对我国航天遥感技术的发展具有极强的技术引领和推动作用。