高分七号卫星总体设计与技术创新

曹海翊，张新伟，赵晨光，徐驰，莫凡，戴君

中国空间技术研究院 遥感卫星总体部，北京 100094

测绘学是关乎国计民生的基础性学科，其目的是获取精准的基础地理信息，在重大工程、国土规划等方面为国家提供及时有效的空间地理框架。卫星测绘具有时效性高、覆盖能力强等优势，在国际上已经成为发达国家地形测图的主要手段[1-5]。

中国长期以来一直十分重视测绘卫星的研制，从返回式画幅测绘卫星到传输型立体测绘卫星，近年来国产测绘卫星性能有较大提升，如资源三号卫星(ZY-3)成功发射全面实现了1∶5万立体测图。国产测绘卫星实现了从无到有、从依赖国外进口到自主可控的历史性跨越，进入多类型多分辨率多星时代，1∶5万光学测绘卫星进入世界先进行列。但随着科技的进步，对测绘比例尺的要求也逐步提高，现有的卫星测绘能力均无法满足1∶1万立体测图需求[6-10]。

《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015-2025年)》中明确了中国首颗1∶1万立体测绘卫星——高分七号卫星(GF-7)的研制任务。卫星主要用户确定为国家测绘地理信息局(现自然资源部)、住房与城乡建设部和国家统计局等。卫星载荷配置中国自主研制的双线阵测绘相机和激光测高仪，平台在ZY-3平台基础上优化改进。卫星兼有测绘和资源调查功能，用于1∶1万比例尺立体测图及更大比例尺基础地理信息产品的生产和更新，以及开展国土资源调查与监测。

GF-7由中国空间技术研究院总体部抓总研制，2014年启动研制，2015年正式批复立项，卫星于2019年11月3日在太原卫星发射中心由长征-4B运载火箭成功发射。卫星获取影像图像清晰，层次分明，激光波形完整,信噪比高，经在轨测试评价卫星定位精度满足1∶10 000比例尺测绘要求。

1 国内外测绘卫星发展趋势

以美国、法国、日本等为代表的国外卫星测绘发展主要呈现三大趋势：1)卫星测绘体制、观测要素以及新型载荷的创新迭代频率不断提升；2)卫星测绘精度更高,测绘产品更新周期更短,卫星鲁棒性更好；3)卫星测绘的战略地位愈发重要，逐步成为发达国家高技术水平的重要标志。目前国内外典型测绘卫星概况如表1所示[11-15]。

表1 国内外典型测绘卫星概况

2 卫星总体设计

2.1 任务需求分析

GF-7主要用于1∶1万比例尺立体测图及更大比例尺基础地理信息产品的生产和更新，以及开展国土资源调查与监测。根据GB/T 13990-92 《1∶5000、1∶10000地形图航空摄影测量内业规范》要求，表2给出了制作1∶1万比例尺地图对影像的平面误差和高程精度的要求。

研制总要求提出了定位精度指标要求：无控制点情况下，1～2级标准产品平面定位精度≤20 m(1σ)；有控制点情况下立体测绘产品精度平面精度≤5 m(1σ)、高程精度≤1.5 m(1σ)。GF-7围绕满足上述1∶1万比例尺制图平面和高程误差要求开展设计。

表2 1∶1万比例尺地图制图需求

2.2 摄影测量体制选择

国内外光学测绘卫星从摄影测量体制上主要可分为单线阵、双线阵和三线阵3种体制。中国幅员辽阔，对于获取全国范围内1∶1万比例尺的测绘数据有较高的覆盖要求，单线阵敏捷方式测绘效率不能满足用户对数据快速覆盖与更新的要求；而随着载荷性能的提升，设备的体积和质量也不断增加，现有的卫星平台和运载包络很难同时搭载3台满足任务需求的高性能测绘相机。因此，综合考虑研制难度、平台承载能力以及任务研制周期等因素，GF-7最终选用双线阵测绘体制实现1∶1万测绘任务。

同时，考虑到中国境内“少控制点”区域以及全球测图高程精度保证困难的问题，卫星载荷在双线阵相机基础上配置了激光测高仪，可作为星载高程控制点参与测绘任务。并通过基于足印相机的激光光斑定位系统，实现相机影像数据和激光数据的精密关联，从而构建“双线阵相机与激光测高仪主被动复合测绘”的新体制。

2.3 轨道选择

从提高测绘卫星重访能力的角度综合考虑，GF-7选择运行在轨道高度约506 km、倾角为97.421°的太阳同步回归近圆轨道。

GF-7可与ZY-3及其后续业务卫星组网运行，在4星组网的情况下可实现1天重访和15天全球覆盖。

2.4 卫星方案概述

GF-7由有效载荷和服务系统组成，有效载荷配置双线阵相机、激光测高仪以及高速数传，卫星服务系统为有效载荷提供安装、供电、温度保证、测控等支持服务，主要由电源、总体电路、控制、推进、测控、数管、热控和结构与机构等分系统组成。

卫星采用成熟的ZY1000平台，整星发射质量2 699 kg，卫星主体结构由载荷舱、服务舱和两块太阳翼组成；姿态控制采用对地三轴稳定控制模式，执行机构采用5个动量轮及3个CMG的模式，控制敏感器为高精度星敏感器+陀螺的方式；采用双频GPS实现轨道精密测量。

图1 卫星构型示意Fig.1 Satellite flight status

卫星载荷配置一套双线阵相机和一台激光测高仪。卫星飞行状态如图1所示。其中前视相机与星下点方向呈+26°，前视全色地面像元分辨率为0.8 m，后视相机与星下点方向呈-5°，后视全色地面像元分辨率为0.65 m、多光谱地面像元分辨率为2.6 m，摄影测量基高比约0.62。后视相机由于只有5°倾角，接近于星下点成像，更利于正射影像生产，并配置4个多光谱谱段兼顾国土资源调查需求。激光测高仪按星下点±0.7°分别配置了2波束激光，以3 Hz的频率向地面发射1 064 nm测距激光，通过一个接收镜头实现激光回波接收和对地物成像，对应每景影像中有18个激光测量点。

2.5 卫星工作模式

根据用户使用需求，GF-7设计了记录、回放、边记边放等工作模式，

记录模式是GF-7在轨业务应用的一种基本模式，用户根据观测需求指定选用载荷、拍摄起止时刻、拍摄角度等信息，星上自主组织任务，置卫星于正常飞行或侧摆到位飞行姿态，载荷按任务设定开机，数传记录载荷观测数据经压缩及处理后存入固存。GF-7记录模式下载荷开机状态可灵活组合。

回放模式也是GF-7在轨业务应用的一种基本模式，用户根据地面数传可用弧段情况指定回放起止时刻、跟踪地面站信息、回放模式等信息，星上自主组织任务，将固存中存储的数据经由对地数传通道回放至指定地面站。GF-7回放模式下，回放速率支持2×450 Mbit/s至最高2×1.2 Gbit/s的多种模式，数据支持按时间顺序回放、按文件检索回放、成像时间检索回放等多种方式。

为提高卫星易用性，避免用户考虑记录和回放模式交叠，由星上自主根据用户上注的记录任务和回放任务生成边记边放模式任务，卫星于正常飞行或侧摆到位飞行姿态，载荷按任务设定开机，数传记录载荷观测数据经压缩及处理后存入固存，同时将固存内的本次记录数据或以往记录数据，通过对地数传通道回放至指定地面站。边记边放模式下记录和回放启动及结束顺序无限制，极大提升了用户使用体验。

为保证卫星好用性，GF-7设计了多种定标模式，用于标定载荷辐射特性、几何特性。定标模式主要有偏航定标模式、对月定标模式和激光定标模式等。

2.6 卫星主要技术指标

卫星主要技术指标设计值和实现结果如表3所示，可见各项指标全面满足且优于设计要求。

3 卫星技术创新点

GF-7的研制,是在借鉴ZY-3以及中国空间技术研究院遥感卫星研制经验的基础上，针对1∶10 000比例尺测绘任务优化设计并集成而成。卫星研制过程中有多项技术创新工作，确保了卫星技术指标的实现。

3.1 主被动复合测绘体制

1：10 000比例尺测绘对平面定位精度的要求是小于5 m，对高程精度的要求是小于1.5 m。对于GF-7而言，实现该指标的核心难点是如何保障中国少控制点区域和境外无控制点区域的高程精度。若完全依靠双线阵测绘体制，则需要大幅提升卫星姿态稳定度、载荷内方位元素稳定性、事后处理精度等指标，这会使得卫星的研制难度、经费开销、时间周期等成本全面增加。

因此，GF-7以体制创新为着力点，提出了“双线阵相机与激光测高仪主被动复合测绘”的新体制(见图2)，基本架构是：在双线阵立体测图基础上，增加同时相高精度激光测高能力；配置一台足印相机，实现激光数据与相机数据的精密关联，完成主被动复合测绘。

双线阵相机提供大范围的遥感影像，以满足1：10 000立体测绘平面定位精度和大部分区域的高程精度需求；激光测高仪以3 Hz的频率向地面发射激光波束，在地面形成直径小于30 m的激光光斑，并获取光斑范围内的高程测量数据；足印相机对地成像，将激光光斑与对应地物影像精密关联，从而获得广义高程控制点。通过将广义高程控制点与双线阵相机提供的高程数据进行联合平差，可满足少控制点或无控制点地区的高程精度需求。采用这样的测绘体制，主要优点包括：

图 2 双线阵相机与激光测高仪主被动 复合测绘体制示意Fig.2 Two-line array camera and laser altimeter

表3 卫星主要技术指标

1)对测绘要素进行系统级重构，降低了型号研制难度。在1∶10 000比例尺测绘任务的问题域和卫星系统构建的方案域之间赋予了新型连接路径：基于将平面精度和高程精度解耦合的测绘要素系统级重构思想，规划了“双线阵测绘”和“激光测高”的双元技术建设路径。在保障测绘精度的同时，大幅降低了卫星平台和有效载荷的研制难度。

2)同平台设计提供了异源数据空时一致性源端保障。由于激光测高仪和双线阵相机安装在同一卫星平台上，使得激光数据和相机数据具有相同的姿态、轨道和时间基准，这样就在数据产生的源端保障了良好的空时一致性，为异源数据高精度联合处理提供了有力支撑。

3)新型复合测绘体制充分发挥出各载荷核心优势。该复合测绘体制可全面发挥双线阵相机成像范围广、测绘效率高、数据处理成熟的优点，并规避双线阵数据高程精度提升难度偏大的缺点；同时，可充分利用激光测高仪测距精度高的能力，并通过和双线阵高程数据的“点面融合”，弥补激光测高数据较为稀疏、测绘效率低的不足。

3.2 高精度内、外方位元素稳定性设计

测绘精度的提升要求卫星有更高的内、外方位元素稳定性。卫星采用“高稳定光机结构+高精度温控系统”的设计理念对有效载荷内方位元素的稳定性予以保障，可实现相机在轨单次工作期间畸变稳定性小于0.3像元、主点稳定性小于0.3像元、测量激光指向稳定性小于5 μrad的高精度指标。

同时，卫星通过高稳定性一体化支架保证了双线阵相机的夹角稳定性、采用双频GPS接收机实现了精密定轨测量、采用了超高精度姿态确定技术和超高精度姿态控制技术提高了绝对定姿精度和姿态稳定度，有效保证了卫星外方位元素的稳定性。

3.3 高稳定性长焦距、大口径、无畸变双线阵立体测绘相机

图3 双线阵测绘相机示意Fig.3 Two-line array camera

除了分辨率、传函、信噪比等1∶1万比例尺测图的显性指标外，隐性的核心指标是相机系统的稳定性。GF-7的主载荷是国内首套长焦距、大口径、无畸变双线阵立体测绘相机(见图3)，其光学系统采用高几何稳定光学系统设计方案，主体结构采用C/SiC高稳定编织成型技术控制形变，载荷安装边界采用解锁机构+柔性支撑的方案实现在轨抑制变形量传递，温度控制通过主被动精密热控保证在轨温度波动稳定性优于0.2℃，同时增加可展开遮阳罩解决特定区域短时受晒问题。通过上述光学设计、结构设计和温度控制等措施的综合采用，保证了相机系统在轨的长期稳定。

3.4 星载对地全波形激光测高仪

在中国探月工程落月保障等工作中，激光测距技术已得到使用，但在对地观测方面仅ZY-3 02星开展了验证性试验。GF-7研制了国内首套星载对地全波形激光测高仪(见图4)，利用高速采样技术记录了激光发射主波和地面回波的全波形数据，能够根据回波波形特征参数进一步获取丰富距离信息，克服了传统阈值探测易受信号幅度和地物复杂程度影响的不足，同时利用高速计时技术保障了测时精度，在实验室的测距精度可达0.14 m。为准确获取激光高程控制点的地面位置，GF-7激光测高仪采用足印相机和回波接收光学系统共口径设计，在激光发射的同时记录激光发射的准确指向。

图4 激光测高仪示意Fig.4 Laser altimeter

GF-7的设计寿命为8年，对激光测高仪的寿命，尤其是激光器的可靠性提出了极为严苛的要求。激光器在技术路线上选择了“振荡器+预放级+主放级”的设计方案，既能够保证激光能量满足要求又可以有效控制激光光束质量。激光器在研制时筛选出高等级光学和电子学元器件，在试验中进行必要的激光器寿命考核试验，最终通过了激光器寿命试验。为了对激光测高仪的激光器、足印相机电子学、测高仪电子学等多个分散热源高精度热控，采用了环路热管装置确保了激光测高仪在轨热稳定性，实现了激光器温度稳定性优于±1.5℃。

3.5 高精度姿态稳定控制

以往遥感卫星稳定度水平最高0.000 5(°)/s(3σ)，对于执行机构的力矩噪声、驱动机构的影响和抑制手段考虑较少。为实现0.000 2(°)/s(3σ)的姿态稳定度指标，单纯依靠提升单机的精度指标很难实现，需重点进行挠性翼板驱动和其他附件运动的影响研究，以进一步提高整星稳定度。

GF-7采用直流电机驱动的高稳定度翼板驱动机构控制太阳翼转动，其驱动平稳性相比以往步进电机型翼板驱动机构有了大幅提升，在跟踪模式下驱动平稳性优于5%；此外，为降低天线运动对整星姿态稳定度的影响，GF-7开发了天线轨迹平滑和干扰力矩补偿控制算法，实现三轴高稳定度姿态控制。

在采取上述措施后，在轨实测卫星姿态稳定度优于0.000 06(°)/s(3σ)，为实现1∶1万立体测绘提供了稳定的平台保证。

3.6 亚角秒级高精度姿态测量

GF-7通过配置高精度星敏感器和陀螺仪实现亚角秒级的姿态测量精度。卫星采用的多探头甚高精度APS星敏感器是国内首款基于多视场星图融合技术提升精度的星敏感器产品，采用分体式结构设计，由2个探头和一个线路盒组成，三轴姿态确定精度达到亚角秒级。产品的主要特点是甚高精度、高稳定、高更新率及高可靠性，研制过程中突破了遮光罩柔性支撑、探测器柔性导热、消热应力适配等热稳定关键技术；首次应用基于SOC2012的多核多任务并行处理技术实现多探头信息融合及自主标定；攻克了高速实时串行星图传输技术，实现高分辨率图像高可靠传输；具备在轨故障自诊断、自修复功能，提升产品在轨可靠性。

此外，GF-7设计了星敏感器原始星图下传通道，利用1 Hz频率下传的星图数据，通过超大导航星表、探测器坏像素剔除技术以及增加观测星算法等方法，大幅度提高了参与星图识别的恒星数量，将星图识别率提高到100%。利用下传的星敏感器原始数据，通过事后处理，姿态确定精度可以得到进一步有效提升。

3.7 首个X频段自适应高速率数据传输系统

GF-7载荷每秒产生海量的观测数据，需要通过星-地数传链路传输回地面站，而受地面站数量和位置的限制，每天可用弧段很短，难以充分发挥卫星成像能力。针对上述情况，卫星研发团队研制了国内首个X频段自适应高速率数据传输系统,工作模式如图5所示。该系统能够根据路径损耗而自适应改变编码方式、调制方式、信息速率，在保证链路可靠性的前提下，提升传输效率。

图 5 X频段自适应高速率数据 传输系统工作模式示意Fig.5 Adaptive high-speed data transmission system in X-band

依据GF-7的太阳同步轨道设计，在经过地面站的一次数据传输过程中，即随着地面接收仰角的增大，链路预算的充裕度逐渐增加。GF-7所采用的自适应高速率数据传输系统利用该信道变化特性，在信噪比较低时采用低阶调制编码方案，随着信道状态的改善，采用高阶调制编码方式，在保证误码率的同时，使数据传输系统获得更高的吞吐量。

GF-7通过星上配备的轨道控制系统与导航定位系统所获取的当前时刻、轨道位置及地面站位置等信息计算星地传输距离，结合信道先验参数配置，据此驱动卫星调制器在设定的距离门限时完成8PSK 2/3BCH-LDPC、16APSK 2/3BCH-LDPC和16APSK 4/5BCH-LDPC三种编码调制方式之间的无中断切换，从而充分利用信道余量，提高传输效率。

GF-7发射入轨后，完成了国内首个低轨遥感卫星X频段自适应高速率数据传输系统的在轨验证，双通道最高传输速率可达2×1.2 Gbit/s，有效提高了卫星的数据传输效能，且传输过程中不丢帧、无误码。

3.8 星上智能星务管理系统

GF-7具备多种工作模式，卫星操控逻辑较复杂，而由于测控限制及受限的通信带宽和时间窗口等因素，通过地面系统对卫星进行复杂工作模式设置较为困难；同时，从用户对卫星进行任务设置时的易用性考虑，需要最大限度地简化用户操作步骤，提升用户使用体验。另一方面，8年长寿命的需求使得卫星的在轨健康状态需要得到更密切的监控，并对故障进行更及时的处置，而GF-7飞行时大部分时间不处于测控弧段内，如完全依赖地面进行故障排查则很难满足时效性的需求。

为此，卫星设计了星上智能星务管理系统，可识别用户上注的任务需求，基于设备当前的状态，规划卫星可以采取的行动。并在满足时间要求和资源约束的条件下，通过特定算法自主选择一系列有序的活动集合形成规划方案，完成卫星工作模式设置。同时，该系统对卫星的各关键健康指数进行全天候实时检测，并基于故障分级策略予以处置并报警，保证卫星的稳定和安全。

4 卫星数据初步评价情况

图6 首都国际机场正射影像Fig.6 Orthoimage of BCIA

目前GF-7正在进行在轨测试工作。经评价，卫星能够完成1∶1万比例尺测图任务。图6为2019年11月22日拍摄的首都国际机场正射影像，图中该机场的影像清晰，植被和水体色彩层次丰富、细节表现力强。图7为足印相机拍摄的地物以及获取的激光光斑，图中激光光斑位置明确，可准确识别该光斑和地物的对应位置关系。图8为对应的激光回波波形，该波形可精确反应出地物高程信息。

图7 足印相机获取激光光斑Fig.7 Laser spot acquired by footprint-camera

图8 激光回波波形Fig.8 Laser echo

5 结束语

GF-7采用“双线阵相机与激光测高仪主被动复合测绘”的新体制，实现了高精度内/外方位元素稳定性设计、高精度姿态稳定控制、亚角秒级高精度姿态测量、自适应高速率数据传输系统、星上智能星务管理系统等技术创新，具备了少控制点或无控制点区域的大比例尺立体测绘能力。通过对目前在轨测试结果的初步评价，认为卫星能够满足1∶1万测绘任务的要求。

GF-7投入应用后，将开启中国1∶1万比例尺航天立体测绘新时代，将在1∶1万立体测图、自然资源监管、住房和城乡建设、国家统计调查等方面发挥重要作用，为城市群发展规划、生态环境保护、农业农村建设、交通信息化建设提供有力保障，为国家生态文明建设、国家治理体系现代化提供重要支撑。