微景星座首发星京师一号技术特点分析

袁勤 张帝 何志鹏 李春 黄维达（深圳航天东方红海特卫星有限公司）

2019年9月12日11时26分，京师一号卫星（BNU－1）由长征四号乙火箭发射成功并进入预定轨道，卫星是全球变化科学试验卫星系统首发星，同时也是中国首颗极地观测遥感小卫星。卫星由北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院提出，深圳航天东方红海特卫星有限公司研制。

1 引言

京师一号卫星是微景星座的首发星，同时也是我国第一颗专用于极地气候与环境监测的遥感卫星。卫星采用高集成度设计，总质量约16kg，配备一台分辨率73.69m、幅宽744km的宽幅相机，一台分辨率8m、幅宽25km的光学相机，以及一台船舶自动识别系统（AIS）接收机。

京师一号卫星是“三极遥感星座观测系统”建设的开拓性探索和尝试，对解决我国自主极地观测数据不足、长期依赖欧美的问题具有重要意义。其次，卫星通过每天对极地的观测，可实现冰架崩塌等重点监测事件的24h内自动发现和预警，从而建立全球变化热点事件监测与相应能力。卫星对极地航道重点区域一天内2～3次重复观测，可及时报告航道海冰变化，结合AIS接收机收到的船只信息，自动为船只规划航行线路，做出航道风险评估，支撑国家北极航道开发。

2 平台与载荷设计

京师一号卫星运行在739km的太阳同步轨道，降交点地方时10:30AM。卫星可对北极重点观测区域（南北纬60°～80°环带区域）实现5天一次全覆盖成像，重点观测区域影像数据地面接收时间小于1.6h。

卫星平台

京师一号采用新研微纳卫星平台CAST－5，该平台具有高集成度、高性价比、研制周期短、批生产能力强、配置灵活、可扩展性强等特点，适用于姿态控制精度高、机动能力强、数据传输量大的微纳遥感卫星任务。

卫星平台由综合电子组件、控制组件、S频段统一测控系统（USB）测控组件、数传组件、电源组件、结构机构组件和热控组件组成。星务、控制运算、GNSS导航和电源控制功能集成于综合电子，以板卡形式组装，建立以一体化综合电子为中心、控制器局域网络（CAN）总线架构的信息体系结构。卫星采用零动量三轴稳定姿态控制方式，平时运行对日定向模式，宽幅相机成像时对地定向或姿态侧摆，8m分辨率光学相机成像时对目标凝视，可提供优于0.2°的指向精度和0.01°/s的稳定度。电源采用集中式供配电体制及限压调节一次电源母线，利用最大功率点跟踪控制（MPPT）软件进行功率调节。数传组件同时具备图像数据压缩存储和数据下传功能，码速率不低于24Mbit/s。卫星还携带有离轨帆，任务结束后离轨帆展开可实现自主离轨。

京师一号卫星具有智能自主管理能力，星载机软件可对星上所有部件实现自主健康检查、故障自主诊断、隔离和恢复，同时软件可上注更新或修改，大大提高了软件可维护性。此外卫星还具备自主任务规划、自主成像、过境自主数传等能力，实现“好用易用”。

有效载荷

京师一号同时配置了3个有效载荷，分别为宽幅相机、中等分辨率相机和AIS接收机。

宽幅相机使用传感器镀膜技术、互补金属氧化物半导体（CMOS）高帧频数字时间延时积分（TDI）技术实现1个全色和4个多光谱谱段（蓝、绿、红、红边）的推扫成像。针对高动态场景，宽幅相机具备高动态范围图像（HDR）模式，传感器对同一地物自动进行两次长、短时间曝光，输出融合后的图像可有效改善冰雪、陆地水体同时存在的高动态场景成像效果。相机焦平面由2片CMOS传感器拼接而成，以实现大幅宽性能，同时具备双向推扫能力。相机以焦面电箱的主框架的基板作为相机的主承力结构，提高了焦面电箱的整体刚度，并节省了整机的质量和体积，实现小型化。

京师一号卫星示意图

中等分辨率相机具备面阵拍照和滑动拍照能力，星下点地面分辨率优于8m，幅宽优于25km。相机使用电荷耦合器件（CCD）实现面阵成像和视频工作模式切换，具有电子快门、自动曝光/增益控制、自动光学检测（AOI）区域成像开窗、支持Binning模式、抗光晕和灵敏度高的特点。光学系统光学筒长和焦距比约为24%，反射式主次镜易于高度轻量化、实现紧凑的高比刚度结构，总质量优于1.6kg。

AIS接收机采用四频点（161.975MHz/162.025MHz/156.775MHz/156.825MHz）接收，可接收全球海域船只AIS信号。

微景星座三维构型示意图

3 主要技术特点

1）通用化、模块化、性价比高。京师一号基于商业现货服务（COTS）产品体系研制，除宽幅相机、中等分辨率相机外，其他所有电子产品均集成在卫星平台舱内，卫星整体构型设计灵活紧凑。卫星平台和载荷模块化组合，平台内部模块化，系统包含控制、星务、电源、热控、测控、数传、载荷和结构组件，整星高度集成设计，测控模块、GNSS模块、电源控制模块和星载机模块一体化设计。

2）载荷协同工作，实现最大效能。星上相机和AIS接收机协同工作，可发现、定位、监测大型船只。卫星在轨完成遥感图像的采集、存储，同时接收船舶的位置速度信息，并在测控站和数传站的配合下，通过星地链路将各类数据及时下传到地面。

3）星上自主任务规划、自主成像设计。为了减少运控压力，避免为成像任务编排时需要地面人员预编指令、仿真计算等，以提高卫星自主能力为目标，卫星具备在轨自主任务规划和自主成像功能，地面人员只需要将成像目标点信息发送到卫星，星载计算机进行高精度轨道预报，根据观测角度、时间等信息，自主安排成像指令、姿态控制角度，卫星到达目标区域上空，星上自主执行指令完成对地成像任务。

4 微景星座规划

京师一号卫星同时也是深圳航天东方红海特卫星有限公司正在规划建设的微景星座首发星，卫星的研制和发射为星座建设与部署奠定基础。微景星座是主要面向商业用户的微纳遥感卫星星座，由80颗微小卫星构成，具备光照区任意目标小时级重访、高质量的数据采集能力，可通过遥感数据共享平台向全球用户提供数据服务。

星座部署于太阳同步轨道，以农林业、资源、环保等遥感应用为主，采用面阵凝视成像和主动推扫成像，成像种类涵盖全色、多光谱和高光谱，图像分辨率涵盖1～5m。星座建设期为8年：第一阶段部署3颗首发星；第二阶段部署20颗卫星；第三阶段部署60颗卫星；2025年年底实现业务化运营。

星座依托现有成熟的微小卫星工业货架产品体系进行建设，产品体系包括综合电子、控制部组件、电源分系统、测控分系统等。主载荷为高分辨率相机，可根据用户需求卫星增设次载荷，如：增设GNSS掩星探测接收机载荷，用于大气探测；增设AIS和广播式自动相关监视（ADS-B）载荷，用于船舶和客机跟踪；增设数据收集系统（DCS）载荷，收集地面数据，提供短数据服务。

同时，通过搭建遥感数据共享平台，为广泛的第三方开发者提供数据内容及开发、交易环境，培养一个遥感应用产业生态圈。数据平台依托公有云服务，将为用户提供更为安全、可靠、更全面的数据服务。开发者不仅可以在云上使用平台提供的免费遥感数据资源，更可使用云服务供应商提供的强大的数据计算能力以及多种数据处理分析工具。

遥感生态圈示意图

5 结束语

京师一号卫星具备对冰川、陆地水体的高动态推扫能力，对于我国开展极地与全球气候变化研究具有重要意义。作为一颗16kg的微纳卫星，京师一号卫星通过高集成度设计实现了3个载荷的承载，充分证明了微纳卫星的强灵活性、高扩展性和高载荷比能力。后续规划建设的商业微景星座具有高时空分辨率和区域观测能力，星座部署结合互联网技术、大数据和云计算等新技术可为遥感卫星市场注入新活力，能够发挥大效能，对于资源勘查、城市规划、农林业监测、环境监控、气象探测、船舶和民航飞机跟踪、天基物联网等应用领域将能发挥重要作用。