高分辨率光学遥感卫星平台技术综述

葛玉君 赵键 杨芳（航天东方红卫星有限公司）

随着遥感应用在各个领域的不断深入，以及我国经济社会的高速发展和航天技术的进步，卫星遥感图像数据已经在各行各业取得了广泛的应用，发挥着越来越重要的作用。而随着遥感应用的逐渐深入，用户对图像数据信息提取的要求越来越高，需要分辨率更高的图像质量和更快、更灵活的图像生成模式。高分辨率卫星图像的需求不断增大，有力地推动了高分辨率光学遥感卫星的发展。近20年来，国际上各主要航天公司陆续研制并发射了多种类型的高分辨率光学遥感卫星。与20世纪八九十年代的中等分辨率光学遥感卫星相比，高分辨率光学遥感卫星对平台技术的需求发生了本质的改变。

1 对地光学成像空间分辨率的发展趋势

在军事领域，以美国“锁眼”（KH）系列卫星为代表，其空间分辨率已经优于0.1m。在民用和商用领域，近年来也出现了如艾科诺斯－2（Ikonos－2）、快鸟－2（QuickBird－2）等优于1m分辨率的卫星，2008年9月发射的地球之眼－1（GeoEye－1）卫星的分辨率已达到0.41m。由此可见，军民领域光学遥感卫星在需求的驱动下，都在朝着高分辨率方向发展。

2 典型的高分辨率光学遥感卫星及其卫星平台的发展趋势

典型的高分辨率光学遥感卫星

国际上光学遥感卫星已经形成了有代表性的几个系列。从同一系列卫星的发展趋势可以看出，高分辨率光学遥感卫星的主流是向空间分辨率越来越高的方向发展，1m甚至更高分辨率的卫星已经逐渐占据国际市场，并且优于1m的可见光遥感卫星基本上都已经通过1000千克量级的卫星得以实现。

部分光学遥感卫星性能指标

以1999年9月发射的Ikonos－2卫星为例，它是美国空间成像公司的一颗商用高分辨率光学遥感卫星，运行于高度为680km的太阳同步圆轨道上。星下点地面像元分辨率达到0.82m（全色）/3.28m（多光谱），星下点成像幅宽约11km。该相机能沿俯仰和滚动轴方向30°范围内快速机动，最大回转速度可达4°/s，回转加速度可达0.2°/s2。借助这种快速姿态机动能力，卫星可实现同轨多种模式的平面成像和立体成像，一轨成像能力最大可达20000km2。

GeoEye－1卫星于2008年9月6日发射成功。它是美国轨道图像公司的高分辨率光学成像卫星，运行在684km高的太阳同步轨道，分辨率达0.41m（全色）/1.64m（多光谱），是目前分辨率最高的商用卫星，卫星每天成像面积：全色为7×105km2，全色+多光谱为3.5×105km2。

Pleiades－1A卫星是法国于2011年11月17日发射的首颗新一代高分辨率光学遥感卫星，卫星质量约940kg，其目的是通过技术创新提供系统效费比，替代现有的“斯波特”（SPOT）系列卫星。卫星运行在695km高的太阳同步近圆轨道，在星下点的分辨率为0.7m（全色）/2.8m（多光谱），成像幅宽大于20km。与其相同的Pleiades－1B卫星也于2012年12月1日升空。

国外高分辨率光学遥感卫星平台发展状况

目前，在国际上，类似洛马、鲍尔、泰雷兹-阿莱尼亚、阿斯特留姆等大中型宇航公司都发展了各自的高性能光学遥感卫星平台。

3 高分辨率光学遥感卫星技术需求

高分辨率星载光学载荷由于焦距长、口径大、探测器数量多，所以导致卫星质量、功耗以及对平台稳定性要求大幅提高，即使卫星平台能够提供类似星上资源，但如果采用传统的三轴稳定对地定向的姿态控制模式，成像效能并不理想，因为几十千米固定幅宽的高分辨率观测相比于地球而言，无异于“管中窥豹”。因此，同时实现高空间分辨率、高时间分辨率（大幅宽）已成为高分辨率卫星的技术难题。为了满足高分辨率卫星的技术需求，目前正着眼于同时解决高空间分辨率和高时间分辨率，并且要求既要提高成像效能，又要降低卫星成本。综合来看，从1999年美国发射Ikonos－2卫星以来，分辨率在1m及优于1m的高分辨率光学遥感卫星都采用更加灵活的在轨飞行模式，即为通常所说的敏捷卫星。

典型的高分辨率光学遥感卫星平台性能对照表

美国Tacsat－3卫星战术进行区域侦察示意图

所谓高分辨率敏捷卫星主要是指：在传统光学遥感卫星零动量三轴稳定姿态的基础上，借助大力矩姿态执行部件，使卫星平台具备绕任意欧拉轴（含滚动、俯仰、偏航）大范围快速姿态机动并且快速稳定的能力，利用装载的单台高分辨率遥感器，通过快速重定向，实现包括同轨多个热点目标定制成像、同轨大区域目标多条带拼接成像和同轨同一目标多视角立体成像等多种成像模式，解决同时实现高空间分辨率和高时间分辨率的技术难题，提高成像效能。

大角度快速姿态机动及稳定能力

采用敏捷成像模式，高分辨率光学遥感卫星平台需要具备大角度快速姿态机动能力。任务要求的机动能力实际是指：在机动时间内，卫星保证遥感器重新指向并且能够进行成像的能力。表述高分辨率卫星的敏捷机动能力的指标，通常是指机动范围、机动角度、机动时间和成像时的姿态稳定度，有时也用所支持的成像模式（如能否进行立体成像、多条带拼接），以及单圈轨道或者1天时间内的成像面积来描述，当然成像面积是跟卫星所配置的相机幅宽等指标相关联的。

美国Ikonos－2卫星立体成像模式

法国Pleiades－1A卫星进行电磁兼容性测试

目前的高分辨率光学遥感卫星所采用的基本上还都是推扫成像的时间延迟积分-电荷耦合器件（TDI-CCD）相机，姿态的不稳定将会造成在一个时间延时积分成像时间内CCD像面产生位移，导致图像调制传递函数（MTF）下降。

为了保证成像效能，在考虑成像畸变的影响之后，高分辨率光学遥感卫星的机动范围都在星下点45°～50°的圆锥以内。

在上述姿态稳定度、机动范围的约束条件下，高分辨率光学遥感卫星的机动能力通常用典型的机动角度/机动时间来表述，如QuickBird－2达到10°/20s、50°/45s。而表征卫星平台机动能力实现的系统典型指标分解为3个：最大机动角速度、最大机动角加速度和姿态稳定收敛时间。敏捷卫星姿态机动范围是星下点偏离45°，由于对姿态机动方向有任意性的要求，而且机动的速度要求明显提高，因此对卫星的姿态测量和控制部件均提出了很高的要求。为了实现支持高分辨率成像的机动能力，卫星不仅需要大的力矩执行机构，还需要大的角动量吸收能力，主要包括动量轮和控制力矩陀螺（CMG）。姿态测量部件应具有更高的精度、更高的动态范围以及更高的数据更新频率。

适应于高分辨率成像的卫星构型和运行模式

高分辨率光学遥感卫星在实现技术上强调系统优化设计方面与中等分辨率的光学遥感卫星不同，它不再采用在太阳同步轨道上保持整个轨道圈相机对地指向、太阳电池翼一维转动对日定向的运行模式，而是通过卫星平台和相机的一体化设计，使整星转动惯量小、挠性扰动干扰少，整星具有很好的姿态机动动力学特性，便于实现快速姿态机动和快速稳定，适合高分辨率成像要求。通过运行模式的合理设计，合理调配星上各种资源，提高成像效能。相关高分辨率光学遥感卫星的构型既决定了其“自由指向”能力，又需要在保持能源供应、姿态确定、数据传输的条件下，有选择、有设计地“在一定条件下自由指向”。从构型设计上，高分辨率卫星主要分为两类，一类是以Ikonos、Pleiades卫星为代表的构型，即太阳电池翼法线与相机光轴平行或近于平行；另一类是以Orbview－3或GeoEye－1卫星为代表的构型，即太阳电池翼法线与相机光轴垂直或近于垂直。二者均有成功的图像数据。

高精度时空信息测量能力

由于采用了20km幅宽的高分辨率相机定制成像，所以高分辨率光学遥感卫星除了要求相机图像的辐射质量、获得清晰的图像外，还需要图像具有好的几何质量，满足用户无地面控制点对地目标定位的应用要求。无地面控制点对地目标定位是指由卫星轨道星历、姿态以及传感器参数等建立直接对地定位模型，该模型几何定位结果与真实坐标之间的误差即为无地面控制的几何精度。无地面控制的几何精度主要取决于：卫星影像获取时的星历数据和姿态数据的精度、星时精度、卫星平台稳定性、传感器几何参数等，这些高精度时空信息测量数据由卫星平台给图像数据提供，实际上该定位精度数据也反映了高分辨率对地观测卫星平台及成像系统的整体可靠性和稳定度。

支持高精度时空信息测量，包括应用高精度全球导航定位卫星系统等进行轨道位置确定，应用高精度星敏和陀螺实现姿态测量，并综合分析考虑信息数据的有效性，所打入时标与有效信息真实时刻的一致性，提出针对敏捷卫星的合理辅助数据流程及时间管理方案。在卫星平台、相机结构设计时，还要考虑在轨温度场变化引起的部件几何形变影响。考虑系统误差项可以通过定期的在轨检校去除的情况，卫星平台设计主要控制以下各项随机误差项：定轨精度、姿态测量精度、星上时间同步精度、相机像主点的标定误差、相机畸变标定误差、相机与星敏感器间安装夹角的标定误差、空间热环境引起相机视轴与星敏感器视轴指向的变化误差。

总装完毕的法国Pleiades－1B卫星

面向星上资源的任务规划能力

对于传统的光学遥感卫星，由于工作模式较为简单，所以成像模式主要采用星下点或者简单的侧摆成像，较为单一，其任务运行管理中任务规划和调度实际实施较为简化。

而对于高分辨率光学遥感卫星，由于实现用户定制的成像模式将面临数量多、操作复杂的控制指令序列，星上动作存在前后相互关联，所以一条指令出现问题就会影响后续动作；另外，其动作执行的实时性要求高，尤其是姿态控制动作和数传天线控制动作，必须实时控制。这些动作指令若依赖地面上注程控指令方式实现，指令繁多，容易出错，特别是对于任务交错执行的情况。因此，需要采取面向星上资源的任务规划技术，以星地一体任务规划技术为依托，优化卫星系统的应用效益，并驱动卫星地面任务仿真系统的运行，评估卫星系统的整体应用能力。在卫星受限资源条件[遥感器能力、可观测时间、观测时间长度、姿态角要求、图像类型需求、任务间转换时间、图像地面分辨率、太阳光照条件、电源消耗、数据记录空间、数据下传码速率、成像特殊要求（如立体图像要求）、其他要求（如云层覆盖情况等）]下，通过对任务规划问题求解，找到最佳的任务控制指令序列，取得最优成像效果和最低的工程代价，优化星上能源利用和提高在轨故障的处理能力。

5 结论和启示

综观近20年来国际上高分辨率光学遥感卫星技术的发展，面向国内、国际未来卫星应用的需求，尤其是针对高分辨率应用需求，在系统功能、性能、寿命和载荷服务能力等方面，迫切需要开发新一代面向高分辨率、高性能的卫星公用平台。高分辨率光学遥感卫星平台的核心技术特征是：采用刚性的构形结构设计、大角度快速姿态机动、高精度时空信息测量、面向星上资源的任务规划能力，实现灵活多样的高分辨率成像模式。

在这样的技术需求牵引之下，航天东方红卫星公司于2011年成功研制开发了CAST－3000平台，这是国内首个单载荷高分辨率敏捷光学遥感卫星平台。该卫星平台具备自由指向和敏捷姿态机动的能力，来配合高分辨率多模式定制成像的应用，既显示了小卫星“快、灵、省”的优势，又与高分辨率遥感器结合，借助整星敏捷姿态机动的性能，实现高空间分辨率成像和快速的系统响应性能，具有多功能、高效率的特点，有力地促进了对地观测卫星的更新换代。

法国Pleiades－1A卫星在轨飞行示意图