WorldView系列卫星设计状态分析与启示

范 宁，祖家国，杨文涛，周 辉

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

0 引言

进入21世纪，随着信息获取领域需求的日益增加，国外光学成像卫星发展非常迅速，其技术水平取得了大幅度提升，目前美国和欧洲都已经拥有了分辨率优于0.5 m的光学卫星对地观测能力。

WorldView系列卫星是美国“NextView计划”的重要组成部分[1]，该计划是由美国国家地理空间情报局（NGA）发起的一项军民两用对地观测计划，除了为 Google、Microsoft等公司提供高品质商业图像外，更重要的是为美国情报部门提供高分辨率军用图像信息。WorldView系列卫星（包含WorldView-1和WorldView-2两颗卫星）的设计具有很鲜明的技术特点，在追求高精度成像性能的同时，大幅度提高了卫星的快速姿态机动能力，其高敏捷性可使卫星观测范围增大、重访周期缩短，丰富了卫星工作模式，提高了卫星应用效能。

本文从分析WorldView系列卫星的设计状态与技术特点入手，展望了国外光学遥感卫星的发展趋势，提出了对我国新一代光学遥感卫星的设计启示。

1 WorldView卫星技术指标和技术特点分析

1.1 技术指标

WorldView-1和 WorldView-2卫星分别于2006年和2009年发射，均采用Ball Aerospace &Technologies公司开发的BCP-5000卫星平台[2]。卫星的主要技术指标见表1。WorldView-1卫星仅能全色成像，最高分辨率为0.45 m（轨道高度496 km），配备控制力矩陀螺以及星敏感器、高精度陀螺和GPS等姿态轨道控制设备，具有较强的侧摆能力，可以单轨立体成像，卫星重访周期为 1.7 d。WorldView-2卫星地面像元分辨率最高达 0.46 m（轨道高度770 km），除全色成像外增加了8个多光谱成像谱段，卫星重访周期较WorldView-1卫星缩短。

表1 WorldView系列卫星主要技术指标Table 1 The main technical properties of WorldView satellites

WorldView系列卫星在轨飞行状态如图1所示。

图1 WorldView系列卫星在轨飞行状态示意Fig. 1 The on-orbit flight state of WorldView satellites

1.2 技术特点分析

1）相机通光孔径增大，卫星分辨率水平大幅提高

表2给出了WorldView系列卫星光学相机的主要技术指标[3]。从表中数据可以看到，相机通过采用大口径、长焦距光学系统，大幅度地提高了分辨率；通过采用全色+多光谱成像器件，可以获得更丰富、可靠的图像信息。

表2 WorldView卫星光学相机主要技术指标Table 2 The main technical properties of WorldView optical cameras

2）卫星具备快速机动能力，可实现多种工作模式

WorldView卫星设计体现了鲜明的快速姿态机动能力设计特点：卫星控制执行机构采用4个大力矩输出的控制力矩陀螺（CMG），卫星构形设计具有高刚度、小惯量特点，使卫星具有快速姿态机动能力（参见表 1）。除了遥感卫星常规的星下点成像模式，还可实现同轨多点目标成像、拼幅成像、同轨多角度立体成像等多种工作模式。

同轨多点目标成像模式见图2：卫星通过快速姿态机动调整相机指向，实现对一轨可视范围内散布的多个点目标的访问成像。通过该模式，卫星可以快速、高效地获取多个关注区域的图像。多次条带的拼幅成像模式见图3：卫星通过快速姿态机动调整相机指向，实现对区域目标连续进行多次条带的成像，以达到完全覆盖的目的。通过该模式，卫星可以对某一较大面积区域完成快速成像。同轨多角度的立体成像模式见图4：卫星通过快速姿态机动调整相机指向，实现对点目标或条带目标连续进行多次不同角度的成像。通过该模式，卫星可以获取某一特定目标区域的多个不同角度的观测图像。

图2 多点目标成像工作模式 Fig. 2 Work mode of imaging multi-areas

图3 拼幅成像模式 Fig. 3 Work mode of piecing images together

图4 同轨多角度立体成像模式Fig. 4 Work mode of piecing stereo images together

2 WorldView卫星主要设计状态分析

2.1 卫星组成

WorldView-1卫星采用BCP-5000平台装载1台大口径三反离轴相机，WorldView-2卫星采用同样的平台装载1台大口径三反同轴相机。

BCP-5000平台自上而下分为设备舱模块、推进模块和CMG模块3部分（参见图5）。

图5 WorldView卫星系统组成Fig. 5 The system composition of WorldView satellites

平台主要由结构机构分系统、供配电分系统（EPDS）、指令与数据处理（C&DH）分系统、无线电通信（COM）分系统、姿态测量与控制分系统（ADCS）、推进分系统（RCS）、热控分系统（TCS）和数据存储/发送分系统等 8部分组成。光学相机通过载荷适配结构安装于设备舱上方。

2.2 构形布局设计特点

在 WorldView卫星构形设计中充分体现了高刚度、小惯量的设计思想，这是实现卫星快速姿态机动能力的技术途径之一。卫星主结构截面形状为八边形，采用4根框梁+板式结构形成整星连续简捷的传力路径，保证整星的高刚度。另外WorldView-2卫星根据其相机外形特点采用了独立遮阳罩设计，遮阳罩通过4个安装脚安装在载荷适配结构上，集多种功能于一身：为相机消除杂散光，提供相机散热面，并为对地数传天线、高频电缆和测控天线等提供安装基础。

WorldView卫星设备布局设计特点如下：

1）采用独立的推进模块。推进模块中的主要设备是大容积贮箱，根据估算，WorldView卫星的燃料携带量约为400 kg。

2）采用独立的CMG模块。CMG模块主要包含4个转速约6000 r/min的CMG，大幅提高了卫星姿态机动能力。CMG集中布局安装在一个舱段内部，此舱段在整星中的位置远离相机焦平面阵列，降低了CMG振动对卫星成像质量的影响。

3）卫星其他电子设备布局采用星上设备外挂安装在平台结构板上的布局方式。通过合理利用星上空间，控制整星规模，可尽量减小整星转动惯量，提高卫星的姿态机动能力。

4）卫星的2个太阳电池板采用对称布局，每一侧的太阳电池板为3块板并联式构形。这种构形可有效提高刚度，减小太阳电池板挠性对卫星姿态机动能力的影响。

2.3 相机和平台一体化设计

WorldView卫星设计采用了平台和载荷一体化设计方法，一方面可以有效控制整星规模、减小整星惯量，提高卫星快速姿态机动能力；另一方面也可以提高卫星的定位精度。

WorldView-1卫星的星敏感器安装在相机镜筒上，使二者具有统一的基准（参见图6）。卫星的相机镜筒是相机的主承力结构，具有很高的刚度和强度。WorldView-2卫星的星敏感器支撑结构安装在相机主镜承力框上，使相机和星敏感器具有统一的安装基准，减少了星敏感器和相机的连接环节，大大缩短了星上高精度测量部件与相机光轴之间的安装距离（参见图7）。同时，选用膨胀系数小的材料和采用高刚度的安装基础，可最大程度地减小在轨相机光轴和星敏感器光轴间的相对位置变化。

图6 WorldView-1卫星一体化设计Fig. 6 The integrative design of WorldView-1 satellite

图7 WorldView-2卫星一体化设计Fig. 7 The integrative design of WorldView-2 satellite

2.4 高精度、高集成化的先进电子技术

WorldView卫星采用了基于综合电子的先进数据系统技术，星上电子系统采用内总线技术、构件化的软件开发技术以及自主管理技术等，使卫星具备任务管理、自主执行以及自主故障处理的能力，提升了卫星全生命周期的在轨自主运行能力，使得星上信息系统高度集成，提高了卫星功能密度，支持了设备的轻小型化以及系统的快速构建和高效集成[4]。

经统计分析，WorldView-2卫星共有84台（套）设备，其中33台（套）设备外挂在卫星主结构外表面。WorldView卫星电子产品的高密度集成设计可以压缩设备安装对空间的要求，有利于控制整星规模、减小卫星转动惯量和提高卫星快速姿态机动能力。

另外，WorldView系列卫星采用了大量高性能的新型电子设备，例如大力矩输出的CMG，大动态范围、高测量精度的星敏感器，大量程高精度陀螺和高精度GPS接收机等（见图8～图10），为实现卫星的快速姿态机动及稳定成像能力、满足高定位精度指标要求等提供了有力支撑。

图8 大动态范围、高精度星敏感器Fig. 8 The large dynamic range and high-accuracy star tracker

图9 大量程高精度陀螺Fig. 9 The large range and high-accuracy gyroscope

图10 1m精度GPS接收机Fig. 10 The GPS receiver of 1m accuracy

2.5 星上活动部件的微振动抑制技术

卫星在轨工作期间，成像质量会受到星上微振动环境影响，主要是对图像的几何质量（以图像畸变为主）和图像传递函数产生影响。对于多级积分时间为毫秒量级的有效载荷，对卫星成像质量产生影响的主要是星上高频活动部件。

对于0.4 Hz以下的微振动，主要通过姿态控制系统来保证成像质量符合指标要求；对于0.4～15 Hz之间的微振动，通过图像后处理以及窗函数来保证图像质量符合指标要求；对于15 Hz以上的微振动，则主要通过隔振器来降低其对成像质量的影响。WorldView卫星控制执行机构采用转速6000 r/min的CMG，为减少其高速转动对卫星成像质量的影响，采用了八杆式并联隔振系统（见图11）。

图11 WorldView卫星隔振系统Fig.11 The vibration isolation system of WorldView satellites

2.6 WorldView-2卫星质量特性分析

WorldView-2卫星的整星质量为2800 kg，燃料携带量约为400 kg（根据贮箱规模估算），相机质量约为680 kg。卫星的主要尺寸为：星本体包络尺寸φ2.5 m×5.7 m；展开状态下太阳电池板的总面积约17 m2，单侧尺寸2.4 m×3.5 m；相机包络尺寸φ1250 mm×3200 mm。

根据上述状态，对WorldView-2卫星飞行状态下的质量特性分析如表3所示。

表3 WorldView-2卫星质量特性Table 3 The mass properties of WorldView-2 satellite

从表3的数据可见，整星飞行状态最大转动惯量约为5160 kg·m2，比常规承载700 kg相机的光学卫星的惯量小很多，为实现整星的快速姿态机动能力提供了有力支撑。

3 国外先进光学遥感卫星的发展趋势分析

1）高精度成像能力不断提高

遥感卫星的成像能力是指对卫星的图像质量、分辨率水平、成像光谱范围、目标定位精度和卫星重访周期等技术指标的综合评价。

WorldView-1卫星与WorldView-2卫星的发射间隔3年。和WorldView-1卫星相比，WorldView-2卫星增加了多光谱成像能力，即8个多光谱成像谱段；卫星分辨率大幅提高，可在500 km轨道实现约0.3 m分辨率水平；卫星的定位精度和重访周期指标都有所提高。可见，卫星的功能更加完备、成像性能指标和卫星快速姿态机动能力不断提升是目前国外光学遥感卫星发展的主要趋势[5]。

2）通过平台开发带动卫星性能提升

WorldView系列2颗卫星均采用BCP-5000卫星平台。国外先进光学卫星明确的发展思路是通过平台开发带动卫星能力提升，主要包括卫星平台的机、电和控制等能力的提升，平台开发有助于开展标准化和模块化设计，在平台和载荷之间形成比较清晰的物理和功能界面，支持广泛的卫星平台产品，以适应多任务要求。

平台构形和总体布局采用模块化设计，将星上功能相对独立的系统作模块化集成设计，使模块具有扩展性和多任务适应性，有利于平台灵活快速地进行模块化配置；同时平台各模块并行研制，快速进行卫星总装操作和测试，能够缩短卫星研制周期。

平台采用高度集成化的综合电子技术，可有效提高卫星功能密度和部件的集成化程度，实现平台产品的轻小型化和高效集成，从而减少星上产品数量、减小星上产品对安装空间要求，有效控制整星规模，实现整星的小惯量设计。

3）对平台和载荷开展一体化设计

WorldView系列2颗卫星均采用了平台和载荷的机电热一体化设计，可以避免星上资源浪费，实现整星的最优化设计，同时也可以有效控制整星规模、减小整星惯量，提高卫星姿态机动能力。

通过相机与平台一体化构形设计，可缩短测量部件与相机光轴之间的传递路径，最大程度地保持高精度测量基准和相机光轴之间稳定指向关系，抑制或消除由于空间环境、姿轨控等引起的平台对相机的热、力传递及影响，保证卫星的高精度成像。

4）注重提高微振动抑制能力

为保证高分辨率光学卫星的高精度成像能力，需要隔离或抑制星上微振动环境对卫星成像性能的影响。国外在高分辨率光学卫星研制中，在振动源安装环节或者相机安装界面加入减隔振系统，可以对光学卫星获得高精度图像提供技术支持。

4 对我国新一代光学遥感卫星设计的启示

通过对国外高分辨率光学遥感卫星设计状态的分析研究，结合我国的卫星技术发展水平，对我国新一代光学遥感卫星的设计启示如下：

1）统筹规划，研制开发大承载（1 m 口径、1000 kg质量量级的光学相机载荷）能力的敏捷卫星平台。此承载能力的卫星平台具有广泛的任务适应性，既可满足大部分光学遥感载荷的承载及安装要求，又具备较强的快速姿态机动能力，可支持实现各种高效、复杂的敏捷成像模式，提高卫星使用效能。

2）突破高精度、高稳定姿态控制技术，有效保证高分辨率光学遥感卫星的高精度成像性能要求，并通过准确的姿态控制实现高分辨率敏捷卫星的多种成像模式。

3）提高卫星使用寿命。国外遥感卫星寿命一般为5～8 年，目前国内只能达到3～5 年。航天器的寿命受到多方面的影响和制约；需要从卫星总体、分系统到单机各个层面统筹考虑，提高卫星在轨寿命。

4）大力开发基于综合电子体制的星上数据系统，实现星上设备的高集成、轻小型化研制，以满足遥感卫星对于高效灵活任务规划、自主管理的要求。

5）围绕大型遥感器开展平台和载荷的一体化设计成为必然。使星上高精度姿态测量部件和相机具有统一的安装基准，减小在轨热变形对两者指向相对变化的影响，保证高分辨率相机的高定位精度。

6）大力发展微振动抑制技术，以解决星上微振动对卫星成像质量的影响，目前国外高分辨率卫星均采用隔振器进行微振动抑制，国内目前尚处于起步阶段，还没在轨应用。

（

）

[1]曲宏松, 金光, 张叶. “NextView计划”与光学遥感卫星的发展趋势[J]. 中国光学与应用光学, 2009, 2(6):467-476

Qu Hongsong, Jin Guang, Zhang Ye. NextView program and progress in optical remote sensing satellite[J].Chinese Journal of Optics and Applied Optics, 2009, 2(6):467-476

[2]Figoski J W. The ball commercial platform and their applications, QuickBird, QuiksCat and IceSat[C]//IAA-98-IAA.11.4.01

[3]郭今昌. 商用高分辨率光学遥感卫星及平台技术分析[J].航天器工程, 2009, 18(2): 83-89

Guo Jinchang. Technical analysis of high resolution commercial optical remote sensing satellite[J].Spacecraft Engineering, 2009, 18(2): 83-89

[4]Fender J. Future trends in large space optics[J]. SPIE,2000, 4013: 682-686

[5]Hernandez D. Possible scenario for future mission in Earth observation[J]. Acta Astronautica, 2005, 56: 9