高景一号卫星系统设计创新和在轨性能

李黎（航天东方红卫星有限公司）

1 简介

高景一号星座是我国第一批面向商业用途的多手段高分辨率光学遥感卫星星座，由高分辨率光学遥感卫星，高分辨率合成孔径雷达（SAR）遥感卫星和视频/超光谱卫星组成。高景一号 的01/02 星是该星座中首批研制的2颗0.5m分辨率光学卫星，于2016年12月发射，02组两颗卫星（03/04星）于2018年1月发射至同一轨道。高景一号的4颗卫星的设计技术指标和配置状态基本一致，采用高集成、小型化设计，每颗卫星约500kg，承载1台高分辨率全色多光谱相机，可提供分辨率优于全色0.5m/多光谱2m、拼接幅宽大于60km的高分辨率图像。卫星配置有5台变速控制力矩陀螺（VSCMG）实现敏捷机动能力，从而实现连续条带、5条带拼接、多目标成像、3视立体成像等多种成像模式。

卫星平台测试和载荷测试已经全部完成，性能和功能均满足指标要求。在轨图像质量良好，具有较高的信噪比（SNR）、相机传递函数（MTF）、平面定位精度和高程精度，图像产品已被世界范围内的广大用户广泛应用。

2 星座和卫星设计方案及创新

设计方案

星座在轨运行示意图

高景一号01/02星示意图

高景一号由技术状态基本一致的4颗卫星组成，相位差均为90°，均运行在约500km高度的太阳同步轨道（SSO），降交点地方时为10∶30AM。01组2颗卫星组网可对80%全球地区实现1天重访，4颗卫星可实现对全球可观测地区每天重访1～2次。

高景一号卫星分为平台舱和载荷舱两个部分，两侧安装固定太阳翼。

设计创新

（1）平台设计创新

高景一号采用新研轻型敏捷商用卫星平台CAST 3000B，该平台具有高精度、高稳定性以及敏捷机动能力的特点，可适用于各种高性能的成像载荷。卫星姿控整星零动量控制采用“整星平时对日，任务时对目标”模式，可提供优于0.02°的指向精度和优于0.001°/s的指向稳定度；姿态敏感器配置有光纤陀螺、太阳敏感器和高精度星敏感器，VSCMG和磁力矩器可以完成姿态维持和敏捷机动，具备30°/20s、120°/47s并稳定到位的敏捷机动能力。采用单母线分散供电体制，配置三结砷化镓太阳电池阵及60Ah锂离子电池。

卫星平台大量采用先进的高集成智能芯片实现传统的电子设备功能，大幅度提高了产品的标准化和轻量化。新型平台利用高度集成的智能芯片集成AD、处理器、串口、CAN总线、OC驱动等各类接口，18g的芯片可实现原来5～8kg下位机的功能，因此仅用1台星务管理单元即可完成星务主机、热控下位机、载荷下位机等数台单机的功能，大幅降低了设备和电缆的数量和质量。电源、测控、姿态控制等分系统均大量应用高集成芯片，使得卫星的平台载重比得到显著提高，卫星平台干质量只占整星质量的50%左右。

作为商业卫星，高景一号具有智能自主管理的能力，以方便用户在轨运行管理。星上重要分系统如姿态控制、星务、测控和电源等分系统均具有自主健康检查、故障自主诊断、隔离和恢复的功能。卫星平台的所有CPU软件均可在轨上注更新或修改，极大提高了系统的灵活性和可维修性。4颗卫星在轨运行表现表明，高景一号卫星管理运营灵活方便，运行鲁棒性良好。

相机光学主体模型示意图

（2）载荷设计创新

高景一号卫星承载1台高性能全色多光谱相机，可提供全色0.5m/多光谱2m的高分辨率图像。

相机采用大F数紧凑型同轴三反光学系统，在实现超长焦距的情况下，使得相机的体积质量仅为传统设计的1/3。大F数相机设计不仅有助于光学系统装调、结构布局，同时有助于实现相机的轻小型化和整星敏捷能力。主镜采用热稳定性较好的SiC材料，可降低相机系统本身对温度波动的敏感性。采用高精度热控设计保证在轨温度稳定性，降低温度场变化对于光学系统的影响，提高光机主体的几何稳定性。同时，采用隔振阻尼桁架设计，可在轨对微振动进行抑制，保证相机良好的成像环境。在轨图像实现了良好的MTF，充分表明卫星采用颤振抑制措施的有效性。

成像几何关系示意图

焦平面采用由4片全色和多光谱线阵集成TDICCD拼接组成，以扩大相机成像幅宽，同时多谱段的集成设计有助于实现焦平面低功耗和小型化。卫星飞行中相机对地成像时，4片器件同谱段同时对地面目标推扫成像，卫星姿态误差、偏流角校正误差同时同等程度地作用在4片器件上，有利于地面图像处理。

卫星采用X频段对地数据传输技术，配置容量为2Tbits的固态存储器，对地数传码速率为双通道450Mbit/s，共900Mbit/s。数传设备采用的小型化设计使得分系统减重至30%左右。

技术特点

（1）敏捷能力

高景一号为保证整星惯量较小以实现快速机动能力，卫星大量应用高集成设计的单机设备，构型布局紧凑，并采用固定太阳翼设计进一步提高刚度。

为了实现高敏捷能力，卫星采用VSCMG作为执行机构。VSCMG结合了CSCMG（定速CMG）和动量轮的优点，既可以像CSCMG一样通过改变角动量的方向来输出力矩，也可以像动量轮一样通过改变角动量的大小来输出力矩式。在同样构型下，VSCMG的操纵自由度比CSCMG多了一倍，可以避免CSCMG具有的奇异点问题。因此，VSCMG可工作在CMG模式来提供期望姿态控制要求的指令力矩，而在接近框架构型奇异点时，转换为动量轮模式，由高速转子的变速来提供力矩并脱离奇异点。

5Nms VSCMG 执行机构

（2）多种成像模式

高景一号卫星根据其大范围、快速姿态机动能力，设计了多条带拼接成像、多目标成像、立体成像、连续条带成像等成像模式，可根据用户需求选择相应的成像模式。

典型成像模式

多目标成像模式：在卫星姿态机动可覆盖范围内对所需要的目标进行成像，成像条带长度可根据需要进行设置。多目标成像模式单个目标范围12～24km×500km，同轨内实现任意地区8个目标的成像。

多条带拼接成像模式：卫星根据成像指令，利用俯仰和滚动方向姿态机动进行若干次准平行且图像间有一定搭接的成像。利用卫星敏捷能力，可实现最多5条带拼接成像，成像区域60km×70km。

立体成像模式：卫星对可成像范围内，指定长度的区域，利用俯仰和滚动方向姿态机动从不同的角度进行3次或者2次重复地面轨迹成像，形成立体图像满足立体成像和测绘制图用户需求。卫星能够提供基高比不小于0.7、单条带120km的2次立体成像。

连续条带成像模式：该成像模式主要对同一地区的突发事件进行高动态观测，可对星下点和侧摆范围内的目标实现连续10次以上拍摄，每次时间5s以上。

3 在轨性能

至今，高景一号已在全球范围内采集了超过300000幅高分辨图像。图像数据的辐射质量和几何质量十分突出，图像清晰，细节丰富、信噪比高、对比度好。

在香港跑马道游乐场图像中，从放大的细节图中可以看出，足球场上各种形状的标志线辨识分明。

在冰岛雷克雅未克海港图像中，道路中央车道标线、直行左拐箭头标志、停车位标线甚至是停车场汽车的车窗玻璃均清晰可见。

香港跑马道游乐场影像图

冰岛雷克雅未克海港影像图

美国五角大楼影像图

在美国五角大楼俯视图中，可以看出建筑物边缘笔直，图像无变形、无抖动，几何稳定性高。这直接证明了星上转动机构有效减小了成像的微振动影响。

相机的全色图像的动态MTF测试结果优于0.12 。结合较高的辐射分辨率，能够轻易区分相邻的反射率差别较小的物体和纹理，并能在建筑物的投影中清晰地分辨出不同物体。

全色和多光谱图像配准精度高、融合效果好。无控制点的平面定位精度最高可达6～7m，高程精度为1m，达到了专业测绘类卫星的水准。

影像图建筑物阴影下的物体细节

4 结论

高景一号通过高集成、小型化技术和设备的应用，作为质量500kg的小卫星，在轨拍摄了0.5m高性能图像，实现了突出的敏捷机动能力。目前4颗卫星在轨运行稳定，性能测试结果表明平台和载荷均达到并部分优于设计指标，为用户提供了大量高质量图像数据。基于丰富的成像模式和出色的成像质量，高景一号将在水资源管理、灾害监测、农业和林业应用、科学研究，以及新兴的工业、商业领域发挥更广泛作用。