高分六号卫星技术特点与新模式应用

陆春玲 白照广 李永昌 武斌 邸国栋 窦毅芳

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

高分六号卫星是我国第一颗设置红边谱段的多光谱遥感卫星，配置了一台高分相机和一台宽幅相机，高分相机实现了全色2 m/多光谱8 m分辨率、95 km幅宽的高分辨率成像，宽幅相机实现了多光谱16 m分辨率、860 km幅宽的超大视场宽覆盖成像，在一颗卫星上同时具备了高分辨率成像和宽覆盖成像能力。

随着遥感技术的发展，越来越多的卫星通过增加多光谱谱段来提高卫星应用能力，红边谱段是介于在红和近红外波长之间的谱段，绿色植被反射率在红边谱段快速增加，是绿色植被光谱最明显的特征之一。红边谱段不但对植被生长极为敏感，而且在遥感器不增加短波成像器件的情况下，可以获得短波红外谱段的光谱识别效果[1]，降低了遥感器研制难度。国际上具有红边谱段的卫星主要有：德国的“快眼”(RapidEye)卫星，美国的世界观测2号(Worldview-2)卫星，欧洲航天局(ESA)的哨兵-2(Sentinel-2)卫星。Worldview-2卫星具有8个多光谱谱段和2 m空间分辨率、16.4 km幅宽，幅宽小，适用于小范围的城市研究。而高分六号卫星与Worldview-2卫星具有相近的8个谱段和860 km超大幅宽，能进行更大尺度范围的信息提取，并具有更为丰富的谱段信息。

高分六号卫星主要研制目标是突破超大视场离轴相机成像技术、小卫星8年长寿命高可靠技术、星地一体化协同高效、高精度数据处理等关键技术，实现遥感卫星组网运行应用，大幅提高我国高分辨率数据获取的时间分辨率。区别于高分一号卫星多相机、多角度、视场拼接形成大幅宽观测，本文系统梳理了高分六号卫星与高分一号卫星的异同点，阐述了高分六号卫星载荷以单相机体制实现超宽成像的创新，总结了精致为用、组网观测的高质量、高精度、高效能卫星技术创新，以及围绕长寿命、高可靠所采取的措施。阐述了高分六号卫星在对月成像、对月相对辐射定标成像、可视化成像及自主健康管理等方面的新模式应用，为后续业务应用型对地观测小卫星奠定了基础。

1 卫星系统简介

高分六号卫星是一颗三轴稳定的对地观测卫星，于2018年6月2日成功发射，卫星设计寿命8年。卫星运行在轨道高度约645 km的太阳同步回归轨道上，降交点地方时10：30AM。为适应长寿命设计要求，采用升级的CAST2000B小卫星公用平台。飞行状态如图1所示。

姿轨控分系统采用“星敏感器+陀螺”联合定姿、以动量轮为执行部件的整星零动量控制方案，对地定向、三轴稳定的指向稳定度可实现5×10-4(°/s)。推进系统可实现姿态调整、初轨捕获、变轨星座组网、轨道维持等任务。

卫星采用太阳电池阵与蓄电池组联合供电及分散配电方案。集成化的星务系统进行整星指令与数据的统一管理，测控采用统一S频段测控体制(USB)，辅以GPS定轨。整星全部遥测数据既可从测控通道下传，也可经星务存储模块与载荷数据一起从数传通道下传，具有信息多路径下传能力。

高分六号卫星配置了一台高分相机和一台宽幅相机。高分相机采用离轴全反射式、无畸变光学系统，焦面由8片全色与多光谱五谱合一TDICCD器件,通过光学“一字”拼接而成，片与片间视场对齐。

宽幅相机在国际上首次采用了先进的自由曲面、四反离轴全反射式光学系统设计，用单相机超大视场成像替代了传统多相机拼幅成像体制，同时在传统4波段基础上，增加了2个能有效反映作物特有光谱特性的红边谱段，以及黄和海岸蓝谱段，成为我国首颗设置红边谱段、首颗采用国产CMOS成像器件的多光谱遥感卫星，相机焦面由8片国产CMOS器件通过光学“一字”拼接而成，具备星下点地面像元分辨率16 m、8谱段、860 km超大幅宽成像能力。

遥感数据通过数传分系统下传至地面站，数据传输采用X频段、点波束、左右旋圆极化复用、二维转动天线传输方案，同频双极化实现了频率资源复用且对地数传码速率2×450 Mbit/s的高速传输。星上提供容量为2 Tbit的固态存储器，并可主备联合使用，相当于4 Tbit的固存容量可用。

图1 高分六号卫星飞行状态示意图Fig.1 Flight status of GF-6 satellite

2 技术特点

2.1 高分六号卫星与高分一号卫星的异同点

高分六号卫星可以获取从海岸蓝到近红外谱段的多光谱遥感数据，具有多传感器在光谱-空间-时间等多维综合观测信息方面的优势，与高分一号卫星相比[2]，高分六号卫星有以下相同与不同的特点。

1)相同点

(1)运行轨道相同。为便于高分六号卫星与高分一号卫星在轨组网，两者的标称轨道相同，均为轨道高度645 km的太阳同步、41天回归轨道。

(2)载荷分辨率相同。为便于双星组网后观测图像数据的匹配性、延续性，载荷的地面像元分辨率仍然维持全色2 m、多光谱8 m和16 m。

2)不同点

(1)遥感体制不同。高分一号卫星采用多相机体制，通过多相机拼视场实现大幅宽观测，这样每台相机的研制难度降低，但需要控制相机间的一致性；而高分六号卫星采用单相机体制实现超大视场成像，其65.6°视场是常规十几度视场相机的5～6倍。

(2)遥感器光学系统不同。首次采用国际先进的自由曲面四反离轴、超大视场光学系统。最大限度地保证了超大成像幅宽的光学畸变小、像差小、像质最优。

(3)遥感器辐射分辨率、光谱特性不同。高分六号卫星的16 m多光谱图像在原有高分一号蓝、绿、红、近红外的四谱段基础上，增加了2个红边谱段、一个海岸蓝谱段和一个黄谱段，共8个谱段，将0.4～0.9 μm的可见光谱段范围全部充分利用起来。红边波段能反映不同作物的特有光谱特性，例如玉米、大豆、棉花、马铃薯属于同期生长的大宗作物，加入红边波段后，区分不同作物的识别精度得到不同程度的提高，此外图像量化位数也由10 bit提高到12 bit，辐射分辨能力提高了4倍，图像灰度分层更加细腻。为实现高精度、定量化和大范围的农业生产过程和农业资源环境要素监测提供了有效的支撑手段。

总之，高分六号卫星在幅宽、辐射分辨率、谱段数量方面优于高分一号卫星。

2.2 高分六号卫星的创新点

1)单相机大视场、双红边谱段技术

高分六号改变高分一号多相机、拼视场实现超大幅宽成像的方式，在一颗卫星上装载高分相机和宽幅相机两台载荷，均采用单相机体制实现大视场成像，相机的设计、加工、装调等技术难度显著增大。为保证光学系统像质，两台相机先后突破了大视场成像、大体积轻型化高体份铝基碳化硅框架结构、高精度装校和测试等关键技术。首次采用世界先进的自由曲面四反离轴光学系统设计，自由曲面是离轴非球面成像技术的进一步发展，是从像差理论、面型表征、设计、加工、检测到装调方法的全链路技术革新。宽幅相机还首次采用国产8谱段CMOS图像传感器，国产自主可控的高集成度CMOS器件具有灵敏度高、抗辐照能力强的特点，片上集成多种功能，更重要的是使谱段间配准精度提高，重量、功耗降低，减轻了整星资源占用压力。

2)高质量成像技术

成像质量是衡量遥感卫星性能的关键，相机通过优化光学系统、杂光抑制、增加像元非均匀性校正等手段提高成像质量；卫星平台通过与相机之间隔热、隔振等措施消除卫星平台对相机成像质量的影响。此外，姿态测量与相机成像之间的稳定性直接影响图像定位精度，为此将星敏感器与高分相机采用一体化安装设计，提高了相机成像期间姿态测量的稳定性。两台相机均具有调焦及成像参数调整功能，为成像清晰和灰度动态范围调整提供了有力手段。卫星图像的几何与辐射质量有力支撑了“高精度”定量化遥感应用。

3)高效能技术

应用效能提升已成为遥感卫星设计的关注点[3]。高分六号星上固存容量从1 Tbit扩充到2 Tbit，并将主备固存开放使用。增加了固存顺序擦除功能，回放过的多个或部分文件可以顺序擦除，及时释放固存空间，使容量、数据下传能力及记录需求完美解耦，实现了固存永远“记不满”地滚动存取。

结合我国地面站接收范围在北、国土区在南的特点，创新提出了先回放后记录模式，设计了回放与记录时刻可双区间动态调整的模式，该模式可充分利用地面站接收弧段回放数据，并可高分相机与宽幅相机同时对国土区成像记录，一轨获得国土南北完整覆盖图像，有效解决了国土区需要南北分两次成像的问题。这种成像区域与接收弧段解耦的设计，可有效提升卫星成像效能，在轨使用率很高，受到用户高度好评。

此外卫星增强了姿态机动能力，最大化图像数据“记放比”，使卫星在轨任务工作时间与多目标成像数量大幅增加；并通过增加对月定标能力，提高卫星在轨无场定标工作效能。

4)8年长寿命技术

高分六号卫星是第一颗设计寿命为8年的小卫星，整星优化系统配置，加强同构、异构冗余设计，对影响小卫星寿命的短板、关键单机增加了地面加速寿命验证环节，新增可视化遥测、自主健康监测等功能单机，实现了小卫星设计寿命由5年到8年的跨越。此外高分六号采用初始轨道倾角正向偏置小角度的方法，使得由太阳引力等影响引起的降交点地方时漂移，在8年末控制在10：30±30 min内，不必因为调整降交点地方时而消耗燃料，这是使燃料等消耗性资源满足长寿命卫星需求的有效方法。

5)组网运行

高分六号卫星比高分一号卫星晚5年发射，两颗卫星的设计标称轨道参数一致，但两次发射的入轨偏差使轨道高度和倾角略有差异，综合考虑后，两颗卫星选择星下点轨迹均分方案进行星座组网控制。经过多次变轨，双星已完成星座组网，成为民用高分重大专项系统中唯一的组网运行星座。组网运行后，对我国陆地区域的重访时间由4天缩短为2天，时间分辨率提高一倍，极大提高了遥感数据的获取时效。

3 新模式应用

高分六号卫星除具有对地遥感成像能力外，还具有对天基目标成像等功能，以下任务模式是以往卫星所没有的新模式。

3.1 对月成像模式

月球作为地球的天然卫星，凭借三点特性使其被认为是理想的在轨辐射定标源：①虽然月球表面亮度不均，但在太阳、月球、观测点间的几何位置确定的条件下，月球表面具有非常高的光度稳定性，年变化量仅为1×10-8；②月球光谱和地物光谱非常相似，其动态范围也涵盖了陆地和海洋，且具有不依赖地面定标场、不受天气影响、定标效率高等优势[4]；③月球可被任何地球轨道卫星观测到，提供了一种交叉定标途径，保证了定标的一致性与稳定性。因此利用月球进行在轨定标是提高在轨辐射定标效率、监测遥感卫星探测器成像稳定性的重要手段[5]。

高分六号卫星对月成像是试验模式，卫星采用主动推扫方式成像，即卫星姿控系统调姿使相机视轴指向月球[6]，辅以与相机参数匹配的推扫角速度，主动进行姿态机动观测，完成对月成像，具体过程见参考文献[7-8](图2)。高分六号卫星实现了无依托的自主对月成像模式，为我国低轨高分辨率卫星开展对月成像、定标工作进行了开拓性探索，可降低对地面定标场依赖，保障图像数据质量，提升定量化业务应用水平。

图2 高分六号卫星对月成像示意及获取的对月成像复原图像Fig.2 GF-6 satellite lunar imaging program and retreat moon image

3.2 对月相对辐射定标模式

相对辐射定标是获取并修正探测器不同像元响应不均匀性的过程(也称均匀性校正)[9]，对月相对定标相当于对月侧滑(Side-Slither)模式[10-11]，即卫星姿态偏航90°[12]，使TDICCD线阵方向平行于飞行方向成像。在满月时，沿月球南北极方向推扫，复原后的对月相对辐射定标图像如图3所示。从图3中可以看出，单次获取的相对辐射定标图像上，可获得部分像元“斜的定标线”图像，这是由于38万千米外的月球只占高分相机8.2°视场中的0.5°视场，其他像元对冷空间成像，月球未充满全部视场的像元。要获得全部像元的相对辐射定标图像可多次分片实施对月相对辐射定标模式成像。基于月球的相对辐射定标成果在国内尚未见报道，高分六号卫星是首次成功获取。

图3 高分六号卫星对月相对辐射定标成像示意及获得的复原图像Fig.3 GF-6 satellite relative calibration mode and captured moon relative calibration image

3.3 对舱外运动部件可视化成像模式

以往卫星舱外转动部件的状态是通过遥测数据进行判读，高分六号卫星安装了3台可视化遥测单元，通过测控信道实现了入轨初期星箭分离、太阳翼展开、数传天线展开过程的实时动态图像播报。在轨后，可对星外状态进行长期在轨监测，实现无盲区遥测判读。图4是可视化遥测单元拍摄并传回的-Y太阳翼转动图片，可视化遥测的数据与图像双路实时下传取得了很好的效果。

图4 可视化遥测单元拍摄的-Y太阳翼在轨图像Fig.4 -Y solar array outside spacecraft taken by visualization unit

3.4 自主健康管理及任务量统计

在轨自主健康管理单元除了进行健康状态监视外，还设计了载荷成像时间、次数及数据累计下传时间、次数等统计功能。以往需要地面统计成像时间的操作，可从整星遥测中直接提取。图5是2018年7月至2020年6月的两年间，基于健康管理单元数据获得的相机每月成像时间、次数曲线，可以看出宽幅相机的成像时间和次数高于高分相机，在2019年第4季度达到高峰，每天成像时间超过100 min，说明高分六号卫星的大幅宽成像需求更迫切，数据获取量更大。基于卫星自主健康管理的载荷任务统计的效果非常理想，使得卫星在轨情况一目了然。

图5 基于健康管理数据获得的相机每月成像时间、次数Fig.5 Monthly imaging time and times of cameras based on health management unit data

4 应用前景

高分六号卫星是具有业务应用特点的科研星，高分辨率与宽覆盖成像能力的结合[13]，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。其中，高分相机一次成像覆盖95 km，在2 m分辨率尺度卫星中幅宽最宽；宽幅相机860 km超大地面覆盖，成为国内外同等分辨率成像幅宽最宽的光学载荷(幅宽达国际上同等分辨率卫星载荷的3倍以上)，大幅提升了对农业、林业、草原等资源以及环保减灾领域的监测能力。图6是宽幅相机及高分相机的图像示例，其色彩层次丰富，细节清晰锐利，图像几何与辐射质量优异。在轨运行两年来，16 m多光谱数据已对全球陆地区域覆盖多次，2 m/8 m多光谱数据也已对全国多次覆盖。16 m图像产品跨度为860 km×400 km，幅宽几乎是两个省的跨距，非常适合省级尺度的大范围观测应用。高分六号卫星已成为“国土资源一张图”[14]、“全国水利一张图”[15]、“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[16]。

图6 高分六号卫星16 m图像及2 m/8 m彩色融合图像Fig.6 GF-6 satellite 16m image and 2m/8m pansharpen image

高分六号卫星的宽幅相机新增4个波段后，比起传统蓝、绿、红、近红外4个波段，数据在影像预处理、地表覆盖类型识别、植被健康诊断等方面有了质的飞跃。新增谱段对植被含水量、叶绿素含量等变化较为敏感，实现了提高植被分类精度的设计目标[17]。其中，海岸蓝波段的增加，使影像能够采用深蓝算法反演气溶胶光学厚度，适用于广泛的地表类型，实现高精度的大气校正；黄波段的增加，提高了沙化土地等识别能力；红边波段的增加，使土地覆盖监测和作物识别的总体精度显著提高[18-19]。

根据地物光谱反射特性[20]，高分六号卫星可以计算的常用波段指数如表1所示，卫星的光谱波段组合、波段指数及应用场景如表2所示，可以看出对于地物识别应用较广的是B4、B5、B6、B7及B8谱段，后4个均是新增谱段。多光谱不同的波段指数和波段组合联合应用，更有利于地物的分类与识别。

表1 高分六号卫星多光谱的波段指数Table 1 Band ratio index of satellite multispectral bands

表2 高分六号图像产品的光谱范围及不同波段指数和波段组合的应用场景Table 2 Multispectral range and use cases with different band ratio index and band combinations of satellite

5 结束语

高分六号卫星具有高空间分辨率、宽覆盖、高质量成像、高效能成像、高国产化率等特点，已成为我国农业生产监测、自然资源调查、农村人居环境改善、防灾减灾和公共安全等遥感业务领域的主要数据源之一。卫星数据激发了行业业务应用的定量化水平，为农业农村发展、生态文明建设、自然资源和防灾减灾救灾等重大需求提供遥感数据保障，成果大量应用于智慧农业、智慧交通、智慧城市等新模式和新业态，成为国家治理体系和治理能力现代化的重要信息技术支撑。

作为我国高分辨率对地观测系统重大专项的组网星座，高分六号与高分一号双星协同观测，在时间分辨率、光谱分辨率、空间分辨率的优势明显，特别是卫星针对地面应用而开展的好用易用设计及新模式应用，进一步增强了卫星的效能，提升了卫星平台适应高分辨率遥感的能力。通过工程研制，卫星长寿命、高可靠技术得到提升。开展了对月成像及对月相对辐射定标等有益尝试，为高精度光学遥感卫星在轨辐射定标开创了一种新的可行技术途径，为遥感产品定量化奠定了基础。与在轨的高分系列卫星及其他国产卫星相互配合，将不断提升行业业务应用的定量化水平，开启我国国产卫星在农业农村、生态环境和自然资源可持续利用等领域深入应用的新篇章。