首颗“昴宿星”今年升空

2011-08-13程松涛,龚燃

国际太空 2011年7期

□□继“斯波特”（SPOT）系列卫星之后,法国自2001年开始着手研制下一代具有更高分辨率的“昴宿星”（Pleiades）军民两用光学成像卫星，以应对国际卫星遥感数据市场的发展,满足民用及国防对地球观测卫星的需求。Pleiades卫星星座由法国国家航天研究中心（CNES）负责研制，包括2颗卫星。由于种种原因，卫星发射日期却一推再推。2颗Pleiades卫星曾计划分别于2009年和2010年发射，后推迟至2010年和2011年。目前，首颗卫星的发射时间定在2011年年底。

1 研制背景和主要目标

1997年CNES在研究小型卫星时提出“3S”（SPOT Successor System）平台概念，以实现成本降低、技术创新、用户服务及性能更新等目标，而新一代光学成像卫星Pleiades正是这一概念的具体体现。

Pleiades卫星是法国和意大利奥菲欧（ORFEO，即光学和雷达联合地球观测系统）计划的一部分，该计划还包括意大利的“宇宙-地中海”（COSMO-SkyMed）高分辨率雷达系统。为防止资源重复，2001年1月法国与意大利签署了双边协议，意大利可以接收法国光学成像卫星的数据，同时也向法国提供雷达卫星数据。2003年10月，CNES和阿斯特留姆公司(Astrium)签署了价值3.14亿欧元的合同，用以研发2颗Pleiades卫星，同时由泰雷兹-阿莱尼亚宇航公司（Thales Alenia Space）负责星上成像仪的开发。2005年，CNES又与瑞典、西班牙、澳大利亚和比利时等国的航天机构签署了该卫星的研制合同。

Pleiades项目是SPOT卫星的后续任务，军事应用由法国国防部负责，民用和商业应用由斯波特图像公司负责。该卫星星座的主要目标包括：

● 提供光学高分辨率全色图像（0.7m）和多光谱图像（2.8m）；

● 实现全球覆盖，每天可对地球上任意位置进行观测；

● 提供350km×20km或150km×40km的立体图像，拼图尺寸可达120km×120km；

● 每颗卫星每天提供250幅以上图像；

● 支持地面覆盖的风险管理和服务（灵敏性设计、快速响应运行概念及高效地面段）。

2 卫星概况

Pleiades卫星干质量为940kg，推进剂质量为75kg，整星质量只有SPOT－5卫星质量的1/3。它将运行在高度695km、倾角98.2°的太阳同步轨道，降交点地方时为10：30，轨道重复周期为26天。卫星采用阿斯特留姆公司的天体卫星－1000（AstroSat－1000）平台，三轴姿态稳定，可进行滚动和倾斜机动，倾角高达60°。

Pleiades卫星各角度示意图

卫星结构设计目标是实现卫星高敏捷性和高定位精度。高敏捷性要求卫星结构小巧，因此其成像有效载荷集成在平台内部。高定位精度则通过简化成像仪和平台之间的接口来实现。平台采用六面体结构，顶部以固定安装方式安装了3副太阳电池翼，以120°间隔均匀分布，直接与平台相连；每块基板大小为2.3m×1.0m，采用轻型基板结构和三结砷化镓电池实现尺寸最小化，其寿命末期功率为1.5kW；锂离子电池容量为150Ah。星载3个星跟踪器采用准四面体结构，使姿态定位精度最优化，姿态控制精度可达0.017°。

Pleiades星座的两颗卫星以180°相位等间隔。1颗Pleiades卫星可在5天内实现全球覆盖，在星座部署完成之后，4天能实现全球覆盖。卫星X频段下行链路有3个通道，传输速率为465Mbit/s，S频段链路用于支持跟踪、遥测和遥控（TT&C）服务。

与SPOT系列卫星相比，Pleiades卫星主要在空间分辨率、观测灵活性及数据获取模式等方面进行了重新设计。SPOT系列卫星通过改变遥感器的方向来对不同区域进行观测；而Pleiades卫星采用了使卫星整体绕滚动轴、俯仰轴大角度侧摆的方式，灵活地实现了对不同目标的观测。Pleiades卫星分辨率和动态范围的增加，必然会提高数据率。例如：从SPOT－4卫星到SPOT－5卫星，数据率增加了7倍；从SPOT－4到Pleiades卫星，数据率增加了27倍。为了提高压缩性能，Pleiades卫星运用了新的图像压缩算法（小波变换和位平面编码器），同时还要满足用户和专家对图像质量的要求。

3 高分辨率成像仪（HiRI）

HiRI是Pleiades卫星的主要有效载荷，质量为200kg，口径为650mm，焦距为12905mm，能提供高分辨率和高定位精度多光谱图像。该成像仪采用了诸多创新措施，例如，采用了高集成探测器电子仪器分系统（SEDHI），使体积减小到原来的1/3；设计采用推扫式成像概念，并沿用了一些已有技术，包括相机校正程序、望远镜热控与机械组件原理、视频处理技术等。由于采用了碳-碳结构与微晶玻璃反射镜（Zerodur mirror）方案，使成像仪空间稳定性得到了增强。另外，成像仪还使用了创新的热调焦系统，以替代复杂的机械装置。

HiRI主要仪器和相应技术介绍

HiRI结构中心安装了姿态敏感器（星跟踪器和陀螺仪朝上），以改进其性能。该成像仪的专用支撑桁式结构可确保其与平台接触。主体结构采用碳化硅材料，望远镜采用零膨胀材料。望远镜第3副镜上安装了调焦机构。HiRI内部还装有一个光门，安装在主镜后方，用于保护第3副镜和探测器腔体，使它们在非运行阶段（如发射、姿态捕获或安全模式）不会受太阳辐射影响。

HiRI探测器电子仪器光学系统，采用新型高集成探测器电子仪器分系统（SEDHI）结构，其功能包括焦平面集成视频处理、高速率数据链路、数字星上处理。SEDHI概念在焦平面阵列（FPA）中使用了大量模块化视频近感应器（MVP）。1个MVP能处理多达10CCD的数据，最高传输像素速率为1×107像素/秒。整个探测器电子仪器由5个全色MVP、3个多光谱MVP、3个全色模块化使用近感应器（MSP，含在单个机械模块中）和1个多光谱MSP组成。

在HiRI中，位于光学焦平面上的CCD线阵对来自地面像素线的光线进行集成。由于卫星沿其速度方向运动，连续形成像素线，并生成最后的图像。卫星工作在全色和多光谱波段，其中全色波段覆盖全部可见光和近红外光谱段，而多光谱波段比较窄。

由于其全色谱段和多光谱谱段有所重叠，对应的CCD进行了交错排列，所以对于不同的光谱段，可以不同时获取图像。但是通过交错阵列获取图像容易导致随时间变化的平台干扰引起的图像重合失调问题，而且CCD在焦平面内的物理偏移也会引起视角的轻微变化，由此造成的立体效果容易使全色波段和多光谱波段的图像重合对位受到地形海拔的影响。当焦平面处理1μrad像素瞬时视场时，哪怕是轻微的几何扰动，都会带来很大的麻烦。尽管如此，CCD交错阵列也有非常突出的优点，如超限分辨率、高精度几何模型改进和低宽高比（B/H）的立体效果，而且通过精确设计，可以将上面提到的不利条件变为有利条件，比如对于交错阵列，CCD之间焦平面内的物理补偿会引起对随时间变化的姿态扰动和对地形海拔高度的敏感，然而这一敏感却有利于几何模型和地形高度等信息的获取。

HiRI主要参数

卫星进行环境试验

SEDHI主要参数

Pleiades卫星焦平面装置

采用CCD交错阵列是高分辨率光学成像卫星的惯例。全色和多光谱波段通过专用的CCD线阵获得，该线阵沿着轨道（或速度）方向变换。如果将入射光线分束，则容易引起信号衰减，并最终导致信噪比降低。信号和信噪比都随着像元分辨率的降低而降低，因此要以较窄的光谱带宽和较高的空间分辨率来满足信噪比的要求是很困难的。另外一种方案是增大入射光瞳直径，但这种方式既复杂又昂贵。而如果采用时间延迟积分（TDI）CCD，又会引起对平台转向的敏感。若利用超分辨率贝叶斯法（Pansharpening），虽然多光谱和全色图像可以在地面进行合并，以提供高分辨率的彩色图像，但在星上却无法直接生成。

20世纪70年代末以来，欧洲航空航天防务公司下属的索登（EADS SODERN）公司开发了一系列用于地球观测设备焦平面上的探测单元，并应用于法国的SPOT和“太阳神”（Helios）等民用和军事卫星上。这些为推扫运行模式设计的探测单元，已经逐渐适应了技术的发展。EADS SODERN公司还承担了焦平面装置（FPA）的开发，该装置作为影像获取的关键部件之一，采用了大量全新的技术，主要由探测器、结构部分和反射镜组成；其质量约为12.5kg，体积约为480mm×310mm×200mm。

4 卫星地面段

CNES设计了新的Pleiades卫星地面段，着重解决系统多遥感器和多用户的协同问题，以改善终端用户的数据访问，同时要遵从现行标准，并兼顾到未来与其他地球观测系统的联合。该地面段由位于法国、瑞典、西班牙、意大利（备选）的用户中心组成，每一个用户中心都能独立处理用户需求，都具有用于数据采集的X频段天线、三通道信号解调和摄取系统、图像处理单元、程序单元及允许用户浏览图像和提出要求的访问单元。