近代高分辨地球成像商業(yè)衛(wèi)星

韓昌元

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033）

近代高分辨地球成像商業(yè)衛(wèi)星

韓昌元

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033）

綜述了美國DigitalGlobe公司的QuickBird，WorldView-1，WorldView-2衛(wèi)星和GeoEye公司的IKONOS，GeoEye-1，GeoEye-2等衛(wèi)星的發(fā)展概況。分析評論了這些不同發(fā)射時間和使用年代的近代高分辨地球成像商業(yè)衛(wèi)星及其空間相機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)和特點，指出了研制小型、靈巧性衛(wèi)星是近代高分辨地球成像商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)展趨勢，其中需要解決的核心技術(shù)主要包括衛(wèi)星的精密姿態(tài)控制、小像元尺寸和高積分級數(shù)TDICCD的研制，小相對孔徑光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計以及用于圖像增強(qiáng)的數(shù)字圖像處理技術(shù)等。

高分辨成像；地球成像商業(yè)衛(wèi)星；空間相機(jī)；空間望遠(yuǎn)鏡；光學(xué)設(shè)計；調(diào)制傳遞函數(shù)；綜述

1 引言

QuickBird、WorldView-1、WorldView-2、Geo-Eye-1、GeoEye-2和IKONOS等近代高分辨地球成像商業(yè)衛(wèi)星是美國DigitalGlobe公司和GeoEye公司研制開發(fā)的。這些衛(wèi)星相機(jī)拍攝的地球表面圖像的地面分辨力都優(yōu)于1m，最高達(dá)到了0.41m，目前還在研發(fā)0.25m地面分辨力的地球成像商業(yè)衛(wèi)星。美國政府已允許公開銷售0.5 m分辨力的衛(wèi)星地面圖像產(chǎn)品，并從中獲得利潤?，F(xiàn)代科技發(fā)展日新月異，3～5年就更新一代衛(wèi)星，更新的一代衛(wèi)星都比前一代衛(wèi)星在技術(shù)性能指標(biāo)上有明顯的提高并有較好的繼承性。本文綜述了上述衛(wèi)星的發(fā)展概況，目的是通過分析這些不同年代開發(fā)的近代高分辨地球成像商業(yè)衛(wèi)星，研究如何適時適當(dāng)?shù)靥岣咝l(wèi)星的技術(shù)指標(biāo)和如何采取安全可靠的技術(shù)路線，同時指出了這些衛(wèi)星的未來發(fā)展趨勢和其中必須要解決的核心技術(shù)問題。

2 近代高分辨地球成像商業(yè)衛(wèi)星概況

美國DigitalGlobe公司的第一代高分辨地球成像商業(yè)衛(wèi)星是QuickBird衛(wèi)星，第二代是World-View-1衛(wèi)星，第三代是WorldView-2衛(wèi)星。

圖1對QuickBird衛(wèi)星和WorldView-1衛(wèi)星的外形和尺寸進(jìn)行了比對［1，2，4］。

圖1 QuickBird衛(wèi)星和WorldView-1衛(wèi)星的外形和尺寸比對Fig.1 Comparison of shapes and sizes of Quickbird and WoeldView-1 satellites

圖2對WorldView-1衛(wèi)星和WorldView-2衛(wèi)星的外形和尺寸進(jìn)行了比對［4，5］。

圖2 WorldView-1衛(wèi)星和WorldView-2衛(wèi)星的外形和尺寸比對Fig.2 Comparison of shapes and sizes ofWorldView-1 and WorldView-2 satellites

圖3為QuickBird衛(wèi)星拍攝的城市圖片。

圖3 QuickBird衛(wèi)星拍攝的城市圖片F(xiàn)ig.3 City image from QuickBird satellite

圖4為WorldView-1衛(wèi)星拍攝的城市圖片。

圖4 WorldView-1衛(wèi)星拍攝的城市圖片F(xiàn)ig.4 City image from WorldView-1 satellite

圖5為WorldView-2衛(wèi)星拍攝的機(jī)場圖片。

美國GeoEye公司的第一代高分辨地球成像商業(yè)衛(wèi)星是IKONOS衛(wèi)星，第二代是GeoEye-1衛(wèi)星，第三代是GeoEye-2衛(wèi)星。

圖6為IKONOS衛(wèi)星（上）和GeoEye-1衛(wèi)星（下）圖片［3，6，7］。

圖7為IKONOS衛(wèi)星拍攝的城市圖片。

圖5 WorldView-2衛(wèi)星拍攝的機(jī)場圖片F(xiàn)ig.5 Airport image from WorldView-2 satellite

圖6 IKONOS衛(wèi)星（上）和GeoEye-1衛(wèi)星（下）外形Fig.6 Shapes of IKONOS（top）and GeoEye-1（bottom）satellites

圖8為GeoEye-1衛(wèi)星拍攝的機(jī)場圖片。

圖7 IKONOS衛(wèi)星拍攝的城市圖片F(xiàn)ig.7 City image from IKONOS satellite

圖8 GeoEye-1衛(wèi)星拍攝的機(jī)場圖片F(xiàn)ig.8 Airport image from GeoEye-1 satellite

圖9為GeoEye-1衛(wèi)星（2010-1-14提供）拍攝的海地地震后的圖片。

美國DigitalGlobe公司和GeoEye公司的上述5顆衛(wèi)星的圖像地面分辨力都優(yōu)于1m。城市圖片中可分辨出建筑物的窗框，地面的小轎車；機(jī)場圖片中可分辨不同型號的飛機(jī)。從2010年1月12日海地地震后于1月14日提供的海地城市圖片中可以看到破損的建筑物和街道上的許多行人，甚至可分辨出其中的每一個人。GeoEye-1是目前地面分辨力最高的商業(yè)衛(wèi)星，分辨力達(dá)0.41m，其研發(fā)經(jīng)費由政府和公司各負(fù)擔(dān)一半，包括研制衛(wèi)星和發(fā)射上天的總經(jīng)費達(dá)5億美元。該項目于2004年9月簽訂合同，2008年9月6日發(fā)射上天，合同期為4年，項目按期完成。GeoEye-2［8］是正在研制中的衛(wèi)星，計劃要達(dá)到0.25m的地面分辨力，預(yù)計于2012年發(fā)射。這類衛(wèi)星可用于民用，亦可用于軍事。上述兩個公司在商業(yè)上處于互相競爭的關(guān)系，競爭的結(jié)果將會提高衛(wèi)星的水平和地面圖片質(zhì)量，同時降低衛(wèi)星和衛(wèi)星圖片產(chǎn)品的價格，其結(jié)果有利于用戶。GeoEye-1衛(wèi)星拍攝的0.5m分辨力、1km2大小的地面圖片，精細(xì)加工后的圖片產(chǎn)品價格不到$50。美國政府有意由政府和私人公司各出資一半研制新一代衛(wèi)星，從而減少政府在這方面的投資，并達(dá)到發(fā)展衛(wèi)星遙感技術(shù)的目的。提倡私人公司參與高分辨商業(yè)衛(wèi)星的研制以及發(fā)展小型、靈活性衛(wèi)星的戰(zhàn)略是美國當(dāng)前發(fā)展航天遙感技術(shù)的主要趨勢。

圖9 GeoEye-1衛(wèi)星（2010-1-14提供）拍攝的海地地震后的圖片F(xiàn)ig.9 Haiti city image after earthquake（2010-1-14 was posted）from GeoEye-1 satellite

3 近代高分辨地球成像商業(yè)衛(wèi)星的主要技術(shù)指標(biāo)

表1列出近代高分辨地球成像商業(yè)衛(wèi)星的主要技術(shù)指標(biāo)。

從表1可知，近10年來美國的商業(yè)遙感衛(wèi)星的發(fā)展有如下特點：

（1）軌道高度為450～770km，采取極軌、太陽同步軌道。

（2）全色地面分辨力由0.82m提高到0.41m，還將要提高到0.25m，全色和多光譜并用。

（3）地面覆蓋寬度為15km左右。

（4）幾何位置精度：90％圓誤差（CE）由23m提高到2m（3σ）（用地面控制點GCPs）。

（5）重訪周期由3d提高到1d。

表1 近代高分辨商業(yè)衛(wèi)星的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Specifications of recent high resolution commercial satellites

為了達(dá)到上述這些目標(biāo)，需要提高衛(wèi)星的姿態(tài)控制能力和星上的信息儲存能力及數(shù)據(jù)下傳速率。例如WorldView-2衛(wèi)星，外形尺寸為直徑2.5m，長度4.3m的（除7.1m長太陽帆板外）長筒，其重量為2 800kg，衛(wèi)星的側(cè)擺控制加速度為1.5°/s2，速率為3.5°/s，擺動地面300km只需要9s。衛(wèi)星的這些前后左右擺動的功能使單個衛(wèi)星可從兩個不同方向看同一個目標(biāo)，拍攝立體成像對的兩張圖，從而可以形成立體像。衛(wèi)星有較高的幾何定位精度，可以作為立體測繪衛(wèi)星使用，即作為偵查和測繪一體化的衛(wèi)星來用。又如，GoeEye-1衛(wèi)星，衛(wèi)星的指向精度為75″（3σ），指向的測量精度為0.4″（3σ），顫振角速度的均方根值（RMS）＜0.007″/s（顫振頻率在25～2 000Hz）。這樣的姿態(tài)穩(wěn)定度對高分辨力拍攝是必不可少的條件，這也是衛(wèi)星的核心技術(shù)。這些技術(shù)是靠兩臺高精度星敏感器、高精度全球定位系統(tǒng)GPS、高精度陀螺儀及三軸穩(wěn)定平臺來保證的。

4 近代高分辨地球成像衛(wèi)星空間相機(jī)的技術(shù)指標(biāo)

表2列出近代高分辨地球成像衛(wèi)星空間相機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)。

空間相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)是大口徑、長焦距、小視場角的望遠(yuǎn)物鏡光學(xué)系統(tǒng)。這類空間望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)由于口徑大，使用的光波波長范圍寬，并考慮熱穩(wěn)定性要求，一般都采用全反射鏡光學(xué)系統(tǒng)，不用透射式光學(xué)系統(tǒng)。

表2 近代高分辨衛(wèi)星空間相機(jī)的技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Specifications of space cameras on recent high resolution satellites

對于全色通道而言，WorldView-1采用了400～900nm波長，其中心波長為650nm；World-View-2采用了450～800nm波長，中心波長為625nm。GeoEye～1和GeoEye～2也采用了450～800nm波長，中心波長為625nm。采用較窄的波長范圍和較短的中心波長有利于提高全色通道的分辨力，當(dāng)然，這時總能量會有所減小，但從整體來講是提高了分辨力，這一點還是可取的。

WorldView-2衛(wèi)星除了采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4個多光譜波段：紅、藍(lán)、綠和近紅外之外，還增加了4個新的多光譜波段：海洋藍(lán)、黃、極端紅和長波近紅外。海洋藍(lán)色波段（400～450nm）用于植物分析和識別，基于葉綠素和水透過率特性的深海探測，大氣散射特性的探測以及大氣校正技術(shù)的研究。黃色波段（585～625nm）用于黃色特征目標(biāo)的研究，對植物研究和以人眼視覺特性表示的真彩色的色校正技術(shù)的研究。極端紅波段（705～745nm）用于分析植物生長的條件，它展現(xiàn)出葉綠素的生成。長波近紅外波段（860～1 040nm）與先前的近紅外波段相比，受大氣影響少，它將支持植物分析和生物量的研究。

高分辨力空間望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)一般采用二次成像的離軸三反射鏡消像散TMA系統(tǒng)和同軸三反射鏡卡賽格林TMC系統(tǒng)［9，10］。如上述實例中，QuickBird和WorldView-1采用離軸三反系統(tǒng)，其它4種都采用了同軸三反系統(tǒng)。這兩種光學(xué)系統(tǒng)的特點是利于光學(xué)系統(tǒng)的小型化設(shè)計。如：QuickBird相機(jī)焦距f＝8.8m，光學(xué)筒長＜1.6m；GeoEye-1相機(jī)焦距f＝13.3m，光學(xué)筒長＜2m。

從光學(xué)系統(tǒng)來看，QuickBird和WorldView-1衛(wèi)星采用同一個光學(xué)系統(tǒng)，但其探測器像元尺寸由12μm改為8μm，從而提高了地面分辨力。WorldView-2和GeoEye-1衛(wèi)星采用同一個光學(xué)系統(tǒng)，探測器像元尺寸也一樣，不同的是衛(wèi)星軌道高度，所以地面分辨力有所差別。這兩顆衛(wèi)星和GeoEye-2衛(wèi)星的光學(xué)系統(tǒng)是在IKONOS光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上修改出來的，不同的是探測器的像元尺寸由12μm改為8μm，提高了地面分辨力。從這些光學(xué)系統(tǒng)的變化來看，光學(xué)系統(tǒng)的變化不大，繼承性很強(qiáng)。研發(fā)新一代衛(wèi)星時，首先要求光學(xué)系統(tǒng)可靠，這樣的技術(shù)路線是可以借鑒的。

下面分析光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和地面像元分辨力［9，11］。地面像元分辨力由地面采樣間距GSD決定。衛(wèi)星的軌道高度h，光學(xué)系統(tǒng)的焦距f，CCD像元尺寸a與地面采樣間距GSD之間有如下關(guān)系：

從（1）式可知，GeoEye-1衛(wèi)星的a＝0.008mm，h＝684km，f＝13 300mm，故GSD＝0.41m。為了達(dá)到地面分辨力為0.41m，相機(jī)除了滿足上述要求外，還要滿足足夠的信噪比SNR和對應(yīng)于奈奎斯特頻率（fn）的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF（fn）值的要求。相機(jī)的信噪比與光學(xué)系統(tǒng)相對孔徑的平方成正比，增大相對孔徑對信噪比是有利的，但相對孔徑大時，相機(jī)口徑也大，尺寸重量也增大，所以不采取這種方法。目前信噪比的提高主要靠增加TDICCD的積分級數(shù)，如用64級TDI。MTF（fn）與光學(xué)系統(tǒng)的相對孔徑有關(guān)，fn＝1/2a，用小像元尺寸CCD時，地面采樣間隔GSD變小，但fn增高，需要大相對孔徑的光學(xué)系統(tǒng)。因此，選擇能夠滿足最低傳遞函數(shù)要求的最小的光學(xué)系統(tǒng)口徑是工程設(shè)計中的關(guān)鍵問題，它取決于如何確定MTF（fn）值。以QuickBird和WorldView-1相機(jī)為例，光學(xué)系統(tǒng)如圖10所示［1，2］。QuickBird相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)全色衍射極限MTF（fn）＝MTF（41.7lp/mm）＝0.5，估計相機(jī)實驗室靜態(tài)傳遞函數(shù)MTF（41.7lp/mm）＝0.25，相機(jī)在軌動態(tài)傳遞函數(shù)MTF（41.7lp/mm）＝0.125。WorldView-1相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)全色衍射極限MTF（fn）＝MTF（62.5lp/mm）＝0.3，估計相機(jī)實驗室靜態(tài)傳遞函數(shù)MTF（62.5lp/mm）＝0.15，相機(jī)在軌動態(tài)傳遞函數(shù)MTF（62.5lp/mm）＝0.075。從這個分析可知，QuickBird相機(jī)拍攝的圖片有足夠的對比度分辨fn的線條，而WorldView-1相機(jī)拍攝的圖片對fn的線條對比度不夠高，需要事后圖像增強(qiáng)處理，經(jīng)過圖像銳化處理后的圖片對fn的傳遞函數(shù)能達(dá)到0.12以上。用這種方法，在不改變光學(xué)系統(tǒng)的條件下，采用小像元尺寸CCD探測器，提高相機(jī)的地面分辨力。

圖10 QuickBird光學(xué)系統(tǒng)Fig.10 Optical system of QuickBird

分析IKONOS［3］、GeoEye-1［6］、GeoEye-2［8］等衛(wèi)星，其情況也類似，以前用12μm像元尺寸探測器時，相機(jī)的MTF（fn）足夠高，不用事后處理。而現(xiàn)在用8μm像元尺寸探測器時，相機(jī)MTF（fn）較低，尤其是GorEye-2衛(wèi)星的情況，需要事后處理。用這種方法提高地面分辨力而不增加相機(jī)重量，可實現(xiàn)小型、靈巧性衛(wèi)星。

5 結(jié)束語

近代高分辨地球成像商業(yè)衛(wèi)星是美國政府和私人公司共同開發(fā)的，衛(wèi)星具有高分辨力偵察、立體測繪和多光譜遙感等功能，衛(wèi)星圖片可以公開銷售。為了提高衛(wèi)星圖片的質(zhì)量，降低成本，衛(wèi)星采用小型、靈巧性衛(wèi)星。衛(wèi)星的精密姿態(tài)控制技術(shù)是實現(xiàn)靈巧性衛(wèi)星的核心技術(shù)。選擇小像元尺寸的TDICCD探測器是提高地面分辨力的重要手段；提高TDICCD的積分級數(shù)是提高信噪比的主要途徑。為了擴(kuò)展多光譜遙感能力，在原先的4個譜段的基礎(chǔ)上新增加了4個譜段。光學(xué)系統(tǒng)有很好的繼承性，改動不大。為了減輕衛(wèi)星的重量，盡可能地采用小相對孔徑的光學(xué)系統(tǒng)。在這種情況下，為了彌補(bǔ)由于衍射極限傳遞函數(shù)較低的矛盾，采用了事后圖像增強(qiáng)處理技術(shù)，而用于圖像增強(qiáng)的數(shù)字圖像處理是非常重要的核心技術(shù)。

［1］FIGOSKIJW.The QuickBird telescope：the reality of large，high-quality，commercial space optics［J］.SPIE，1999，3779：22-30.

［2］FIGOSKIJW.Alignment and test results of the QuickBird telescope using the Ball Optical System Test Facility［J］.SPIE，1999，3785：99-108.

［3］COOK M K，PETERSON B A，GENE D，et al..IKONOS technical performance assessment［J］.SPIE，2001，4381：94-108.

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［6］GeoEye imagery products-GEOEYE-1：The world′s highest resolution commercial earth-imaging satellite［EB/OL］.（2007-11-26）［2010-01-11］http://www.geoeye.com/products/imagery/geoeye1/default.htm.

［7］GeoEye＆ITT team UP-imaging notesmagazine［EB/OL］.（2010-01-11）［2010-01-21］http://www.imagingnotes.com/GeoEye.

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［10］韓昌元.空間光學(xué)的發(fā)展與波前傳感技術(shù)［J］.中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)，2008，1（1）：13-24.

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HAN CH Y.Optics and Optical Engineering［M］.Beijing：Science Press，2005：230-241.（in Chinese）

Recent earth imaging commercial satellites w ith high resolutions

HAN Chang-yuan
（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

This paper introduces the developing trends of QuickBird，WorldView-1，WorldView-2 satellites from DigitaleGlobe Inc（USA）and the IKONOS，GeoEye-1，GeoEye-2 satellites from GeoEye Inc（USA），and then analyzes and reviews the specifications and characteristics of these high resolution earth imaging commercial satellites and their space cameras at different launch schedules.It points out that the development of earth imaging commercial satelliteswill trend towards small volumes and smart performance.Therefore，the next research should focus on the attitude control of satellites precisely，exploration of TDICCD with small pixel sizes and high integrated orders，design of optical systems in small related apertures and digital image processing technology for image enhancement.

high resolution imaging；earth imaging commercial satellite；space camera；space telescope；optical design；modulation transfer function；review

2010-01-11；

2010-03-13

1674-2915（2010）03-0201-08

V474.26

A

韓昌元（1940—），男，吉林延吉人，副總工程師，研究員，主要從事工程光學(xué)設(shè)計與測試技術(shù)等方面的研究。E-mail：hancy962@sohu.com