高分六号卫星技术创新与应用成果

文 | 陆春玲 白照广 胡志勇 邸国栋 窦毅芳 许鹏

航天东方红卫星有限公司

一、高分六号卫星简介

高分六号（GF-6）是一颗高分辨率宽覆盖卫星，也被称为“农业卫星”，于2018年6月2日在酒泉卫星发射中心成功发射，2019年3月21 正式投入使用。GF-6 卫星是一颗三轴稳定的对地观测卫星，运行在轨道高度约645km 的太阳同步回归轨道上，降交点地方时10:30AM。卫星具有高分辨率、宽覆盖、高质量成像、高效能成像、国产化率高等特点，设计寿命8年，配置了一台高分相机和一台宽幅相机。高分相机采用全色和蓝、绿、红、近红外五谱合一的TDICCD 探测器，全色分辨率2m，多光谱分辨率8m，全色及多光谱共用一套光学系统，采用干涉滤光片进行光谱分光，两者推扫幅宽均为95km；宽幅相机采用8 谱段国产化CMOS 探测器，在常用的蓝、绿、红、近红外四个谱段基础上，首次增加了两个能够有效反映作物特有光谱特性的红边谱段，以及海岸蓝和黄谱段。以星下点16m 的分辨率一次推扫成像860km 的幅宽，收集8 个谱段的图像信息，是世界先进的超宽遥感器，可以用于大范围的陆地覆盖观测。

目前卫星已与在轨的其他2m/8m 和16m 卫星形成7 星组网星座，将单星全球重访周期4 天提升为星座重访周期1 天。采用轨迹占位原理对各星观测任务进行协同分配，使得2m/8m 相机能够全球1天重访和11 天无侧摆覆盖，16m 相机实现1 天全球覆盖。真正实现了空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率的优化组合，满足多种空间分辨率、多种光谱分辨率、多源遥感数据需求。截至2020年底，GF-6 卫星已在轨稳定运行2.5年。GF-6 卫星参数见表1。

表1 GF-6 卫星参数

二、卫星设计理念

GF-6卫星载有一台高分相机和一台宽幅相机，并载有三台舱外监视相机和一台健康监测单元。在一颗卫星上同时具有高分辨率成像和宽覆盖成像能力，是首颗设计寿命8年的低轨光学小卫星。

卫星设计理念是打造小卫星长寿命、高可靠卫星平台，突破超大视场离轴相机成像技术，以精致为用的高质量、高精度成像质量树立品牌，以多模式、组网观测的好用、易用性服务于业务化应用。区别于以往多相机、多角度视场拼接形成大幅宽观测的卫星，该卫星首次以单相机体制实现超大视场成像。因此，卫星紧密围绕载荷高性能成像的核心，在总体设计、载荷研制、长寿命高可靠设计及星地一体化提高成像质量方面都采取了相应的措施，采用了大量的优化设计和仿真、试验方法，创新性地增加了双红边等4 个谱段，应用了对月成像、对月相对辐射定标成像、可视化成像及自主健康管理等新模式，为后续业务应用型对地观测小卫星奠定了基础。

三、卫星成像模式

卫星可获取硅探测器所能覆盖的0.4～0.9μm可见至近红外谱段内的全色及多光谱数据，实现对全球的高频次覆盖观测。在常用的实传、记录、回放模式基础上，针对两种相机覆盖特性及我国国土区域和地面接收站接收区域特性，增加了以下高频使用模式：

①实传+记录模式：1 个相机成像实传，另1个相机成像记录；

②回放+记录模式：先回放已记录的图像，再双相机开机成像记录。

以上模式的双相机开关机时间及数传时间都是解耦设计的动态模板。如图1 所示，数传地面站在卫星未进入国境但与卫星可见时，开始回放星上存储的已拍摄图像（绿色区域为回放时段）；当卫星进入我国境内后，再开启双相机对国土区域成像（黄色区域为记录时段）；这些模式使成像区域与接收弧段解耦，可充分利用地面站数传接收弧段，并双相机同时对我国区域成像，使针对国土的数据有效性显著提高。

图1 成像区域（黄色）与接收弧段（绿色）解耦的模式

四、技术创新成果

1. 高性能、高精度、高效能、高可靠、高国产化卫星

GF-6 是首颗设计寿命为8年的小卫星，优化配置了整星姿控、电源、测控系统，对影响寿命的单机均进行了地面加速寿命试验。整星系统加强同构、异构冗余设计；长期工作的单机均有切机瞬时断电措施，以消除单粒子效应影响。软硬件配合，基于星务主机实现了整星系统级、分系统级及单机级的多级故障检测、隔离和恢复的自主安全模式控制。卫星具有高分辨率和宽覆盖的载荷配置，12bit 量化，辐射性能比10bit 量化提高了4 倍；相机系统具有信噪比高、动态范围宽、传函高、内部几何精度高的优异性能；加之两台相机采用高比刚度、低热畸变、高体份铝基碳化硅材料做框架，采用铰链支撑进行隔振、隔热；整星按转动部件微振动传递特性进行部件布局精细优化，使相机、星敏在稳定的力、热环境下工作。卫星在轨组网观测，实现高分相机和宽幅相机高效全球观测。

2. 五谱合一、无畸变高分相机

8 片传感器5 个谱段、全反全透“一字”拼接的高分相机采用无畸变、全反射式离轴光学系统，从设计原理上保证了相机成像具有光学系统像差小、内部几何精度高、配准精度高的特点。星敏感器与高分相机一体化安装，有效减小了星敏感器对指向精度的影响以及在轨力、热环境引起的星敏光轴与相机光轴夹角变化，提高了相机的外方位元素准确度。

3．自由曲面超大视场宽幅相机

8 片传感器8 个谱段的宽幅相机采用世界先进的自由曲面、全反射式离轴光学系统，65.6°超大视场。采用自由曲面设计使得光学系统的空间布局大为压缩，产品的结构和性能得到优化，成像质量极大改善，得以用单相机体制实现超大幅宽成像。从视场中心到边缘的地面像元分辨率连续变化，照度均匀性好，畸变得到最大限度的控制。首次采用国产化CMOS 成像探测器，全数字输出，低功耗；相机增加星上像元级均匀性校正功能，且在轨可修改系数。宽幅相机还具有“抗黑太阳”功能，对亮雪等高反目标成像不会出现饱和翻转、溢出、污染其他像元的现象。

4. 高效的数据传输系统

具备双通道450Mbit/s，共计900Mbit/s 星地数传速率；采用巧妙的载荷通道分配方法，均衡化不同谱段载荷数据流，使记入固存的空帧率显著减少，载荷记放比提高了30%。卫星的固存容量增至2T，主备共4T 容量开放使用，且可随时擦除已回放的文件，即使半个文件的空间也可随时释放，使固存工作在“记不满”状态，增大了境外数据获取效能。

5. 可视化遥测技术

以往卫星的遥测都是数据形式展示，GF-6 卫星增设了三台以图像形式实时播报±Y 太阳翼展开、数传天线展开的可视化遥测单元。在轨后，可对星外状态进行长期在轨监测，实现可视化遥测判读。

6. 自主健康监测技术

具有监听、统计、分析整星总线数据的能力，可星上统计载荷、数传工作时间、次数、燃料余量、电池放电深度等生成新的遥测信息。具有参数超限报警等功能，为长寿命卫星的自主监测提供了手段。

五、卫星应用成果

1．数据获取量

目前遥测数据显示，宽幅相机的成像时间和次数大于高分相机。在2019年第4 季度成像数据量达到高峰，宽幅相机每日数据获取量为3600 万平方千米；高分相机每日数据获取量为300 万平方千米。

宽幅相机860km 超大覆盖宽度的效能是普通百千米量级遥感器的8 倍。一景面积约为34 万平方千米，特别适合省级尺度的大范围遥感监测。双相机数据每日更新，全球覆盖。图2 为高分相机2m 彩色融合图像西班牙巴塞罗那港，图3 为宽幅相机一景图像860km 视野横跨英吉利海峡。

图2 高分相机2m 彩色融合图像西班牙巴塞罗那港

图3 宽幅相机一景图像860km 视野横跨英吉利海峡，西至英国威尔士，东至比利时布鲁塞尔

2. 新增谱段应用

新增的红边谱段是介于红和近红外谱段之间、绿色植物的反射率快速增加的一个谱段区间，约为680 ～780nm[1]，红边谱段是绿色植被光谱最明显的特征之一。GF-6 卫星在此范围内设置了两个红边谱段，即B5、B6 谱段。由于植被反射率在红边谱段跃变，且红边谱段对病害胁迫也较为敏感。因此红边遥感引入了更丰富的光谱、颜色信息，对植被类型的区分大幅改善，分类精度明显提高。特别适用于地表类型识别、作物参数计算、作物养分含量、作物病害或环境胁迫监测等方面。如图4（b）所示，宽幅相机4、6、5 红边谱段组合图像比传统的蓝绿红谱段合成的真彩色图像，见图4（a），能更清楚地看清作物生长情况。目前已有软件可将宽幅相机和高分相机数据进行融合，可形成2m 8谱段数据集。这样的图像产品既将宽幅相机图像纹理信息增强了8 倍，又给2m 分辨率图像赋能了8 个谱段的光谱信息，如图4（c）所示。

图4 宽幅相机不同谱段组合图像

新增的黄谱段对土壤、泥沙敏感，基于近红外和黄谱段建立的差值植被指数比应用近红外和红波段建立归一化植被指数更能有效反映扰动信息变化情况[2]。采用新增谱段信息，分类总体精度比采用传统的可见光-近红外影像提高10%～30%。其中道路的识别精度从55%提高到80%；水体的识别精度从85%～90%提高到95%～98%；耕地相对于其他植被覆盖的分类精度也有类似的提高[3-4]。

3．数据共享

GF-6 卫星是具有业务应用特点的科研星，高分辨率和宽幅成像能力结合，可满足多种空间分辨率、多种光谱分辨率、多源遥感数据需求，16m 分辨率8谱段宽幅相机数据更适合敏感谱段组合应用。高分相机和宽幅相机数据已成为“国土资源一张图”、“全国水利一张图”、“农业一张图”等“一张图”工程的重要数据源，在农业、林业、防灾减灾、国土、环保、水利等领域，取得了可观的效益。

2019年12月，国家航天局推出GF-6 卫星16m 分辨率数据共享服务平台（CNSA-GEO 平台），正式面向全球开放共享16m 数据[5]。2020年，中国科技部与欧洲航天局（ESA）的重大国际科技合作项目—中欧“龙计划5”项目，利用共享的16m数据，中欧双方将开展广泛深入的遥感应用合作研究、技术培训、学术交流等工作。

六、结束语

GF-6卫星及其星座组网观测的时间频率增加，使得月度、乃至天的监测成为可能；谱段数量增加，尤其是红边谱段、海岸蓝、黄谱段等敏感谱段应用，对水体、植被的监测更加到位，地物区分度更加精准，有利于地物分类识别；量化位数增加，辐射分辨率、信噪比提高，图像直方图展宽，灰度分层更加细腻，使光照条件差的高纬度极区探测成为可能；高、中空间分辨率结合，可提取违建等小目标；采用单相机体制，内部几何畸变很小；通过后期算法加工，可以将16m 宽幅和2m 融合，得到2m 8 谱段增强产品。

经过两年多的在轨应用，高分相机数据已完成多遍全国覆盖，宽幅相机数据已完成多遍全球覆盖，数据也已全球共享。GF-6 卫星与其他卫星组网协同观测，在时间分辨率、光谱分辨率、辐射分辨率和空间分辨率上优势明显，高性能、高效能的用户体验出色。特别是双红边谱段、海岸蓝和黄谱段的应用，进一步增强了卫星的特色应用效果，为遥感产品定量化和高精度遥感应用开拓了新方向。与其他在轨国产卫星相互配合，将进一步实现卫星的深入应用。