首顆“昴宿星”今年升空

□□繼“斯波特”（SPOT）系列衛(wèi)星之后,法國(guó)自2001年開始著手研制下一代具有更高分辨率的“昴宿星”（Pleiades）軍民兩用光學(xué)成像衛(wèi)星，以應(yīng)對(duì)國(guó)際衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)市場(chǎng)的發(fā)展,滿足民用及國(guó)防對(duì)地球觀測(cè)衛(wèi)星的需求。Pleiades衛(wèi)星星座由法國(guó)國(guó)家航天研究中心（CNES）負(fù)責(zé)研制，包括2顆衛(wèi)星。由于種種原因，衛(wèi)星發(fā)射日期卻一推再推。2顆Pleiades衛(wèi)星曾計(jì)劃分別于2009年和2010年發(fā)射，后推遲至2010年和2011年。目前，首顆衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)間定在2011年年底。

1 研制背景和主要目標(biāo)

1997年CNES在研究小型衛(wèi)星時(shí)提出“3S”（SPOT Successor System）平臺(tái)概念，以實(shí)現(xiàn)成本降低、技術(shù)創(chuàng)新、用戶服務(wù)及性能更新等目標(biāo)，而新一代光學(xué)成像衛(wèi)星Pleiades正是這一概念的具體體現(xiàn)。

Pleiades衛(wèi)星是法國(guó)和意大利奧菲歐（ORFEO，即光學(xué)和雷達(dá)聯(lián)合地球觀測(cè)系統(tǒng)）計(jì)劃的一部分，該計(jì)劃還包括意大利的“宇宙-地中?！保–OSMO-SkyMed）高分辨率雷達(dá)系統(tǒng)。為防止資源重復(fù)，2001年1月法國(guó)與意大利簽署了雙邊協(xié)議，意大利可以接收法國(guó)光學(xué)成像衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，同時(shí)也向法國(guó)提供雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)。2003年10月，CNES和阿斯特留姆公司(Astrium)簽署了價(jià)值3.14億歐元的合同，用以研發(fā)2顆Pleiades衛(wèi)星，同時(shí)由泰雷茲-阿萊尼亞宇航公司（Thales Alenia Space）負(fù)責(zé)星上成像儀的開發(fā)。2005年，CNES又與瑞典、西班牙、澳大利亞和比利時(shí)等國(guó)的航天機(jī)構(gòu)簽署了該衛(wèi)星的研制合同。

Pleiades項(xiàng)目是SPOT衛(wèi)星的后續(xù)任務(wù)，軍事應(yīng)用由法國(guó)國(guó)防部負(fù)責(zé)，民用和商業(yè)應(yīng)用由斯波特圖像公司負(fù)責(zé)。該衛(wèi)星星座的主要目標(biāo)包括：

● 提供光學(xué)高分辨率全色圖像（0.7m）和多光譜圖像（2.8m）；

● 實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，每天可對(duì)地球上任意位置進(jìn)行觀測(cè)；

● 提供350km×20km或150km×40km的立體圖像，拼圖尺寸可達(dá)120km×120km；

● 每顆衛(wèi)星每天提供250幅以上圖像；

● 支持地面覆蓋的風(fēng)險(xiǎn)管理和服務(wù)（靈敏性設(shè)計(jì)、快速響應(yīng)運(yùn)行概念及高效地面段）。

2 衛(wèi)星概況

Pleiades衛(wèi)星干質(zhì)量為940kg，推進(jìn)劑質(zhì)量為75kg，整星質(zhì)量只有SPOT－5衛(wèi)星質(zhì)量的1/3。它將運(yùn)行在高度695km、傾角98.2°的太陽(yáng)同步軌道，降交點(diǎn)地方時(shí)為10：30，軌道重復(fù)周期為26天。衛(wèi)星采用阿斯特留姆公司的天體衛(wèi)星－1000（AstroSat－1000）平臺(tái)，三軸姿態(tài)穩(wěn)定，可進(jìn)行滾動(dòng)和傾斜機(jī)動(dòng)，傾角高達(dá)60°。

Pleiades衛(wèi)星各角度示意圖

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星高敏捷性和高定位精度。高敏捷性要求衛(wèi)星結(jié)構(gòu)小巧，因此其成像有效載荷集成在平臺(tái)內(nèi)部。高定位精度則通過(guò)簡(jiǎn)化成像儀和平臺(tái)之間的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。平臺(tái)采用六面體結(jié)構(gòu)，頂部以固定安裝方式安裝了3副太陽(yáng)電池翼，以120°間隔均勻分布，直接與平臺(tái)相連；每塊基板大小為2.3m×1.0m，采用輕型基板結(jié)構(gòu)和三結(jié)砷化鎵電池實(shí)現(xiàn)尺寸最小化，其壽命末期功率為1.5kW；鋰離子電池容量為150Ah。星載3個(gè)星跟蹤器采用準(zhǔn)四面體結(jié)構(gòu)，使姿態(tài)定位精度最優(yōu)化，姿態(tài)控制精度可達(dá)0.017°。

Pleiades星座的兩顆衛(wèi)星以180°相位等間隔。1顆Pleiades衛(wèi)星可在5天內(nèi)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，在星座部署完成之后，4天能實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。衛(wèi)星X頻段下行鏈路有3個(gè)通道，傳輸速率為465Mbit/s，S頻段鏈路用于支持跟蹤、遙測(cè)和遙控（TT&C）服務(wù)。

與SPOT系列衛(wèi)星相比，Pleiades衛(wèi)星主要在空間分辨率、觀測(cè)靈活性及數(shù)據(jù)獲取模式等方面進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。SPOT系列衛(wèi)星通過(guò)改變遙感器的方向來(lái)對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)；而Pleiades衛(wèi)星采用了使衛(wèi)星整體繞滾動(dòng)軸、俯仰軸大角度側(cè)擺的方式，靈活地實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同目標(biāo)的觀測(cè)。Pleiades衛(wèi)星分辨率和動(dòng)態(tài)范圍的增加，必然會(huì)提高數(shù)據(jù)率。例如：從SPOT－4衛(wèi)星到SPOT－5衛(wèi)星，數(shù)據(jù)率增加了7倍；從SPOT－4到Pleiades衛(wèi)星，數(shù)據(jù)率增加了27倍。為了提高壓縮性能，Pleiades衛(wèi)星運(yùn)用了新的圖像壓縮算法（小波變換和位平面編碼器），同時(shí)還要滿足用戶和專家對(duì)圖像質(zhì)量的要求。

3 高分辨率成像儀（HiRI）

HiRI是Pleiades衛(wèi)星的主要有效載荷，質(zhì)量為200kg，口徑為650mm，焦距為12905mm，能提供高分辨率和高定位精度多光譜圖像。該成像儀采用了諸多創(chuàng)新措施，例如，采用了高集成探測(cè)器電子儀器分系統(tǒng)（SEDHI），使體積減小到原來(lái)的1/3；設(shè)計(jì)采用推掃式成像概念，并沿用了一些已有技術(shù)，包括相機(jī)校正程序、望遠(yuǎn)鏡熱控與機(jī)械組件原理、視頻處理技術(shù)等。由于采用了碳-碳結(jié)構(gòu)與微晶玻璃反射鏡（Zerodur mirror）方案，使成像儀空間穩(wěn)定性得到了增強(qiáng)。另外，成像儀還使用了創(chuàng)新的熱調(diào)焦系統(tǒng)，以替代復(fù)雜的機(jī)械裝置。

HiRI主要儀器和相應(yīng)技術(shù)介紹

HiRI結(jié)構(gòu)中心安裝了姿態(tài)敏感器（星跟蹤器和陀螺儀朝上），以改進(jìn)其性能。該成像儀的專用支撐桁式結(jié)構(gòu)可確保其與平臺(tái)接觸。主體結(jié)構(gòu)采用碳化硅材料，望遠(yuǎn)鏡采用零膨脹材料。望遠(yuǎn)鏡第3副鏡上安裝了調(diào)焦機(jī)構(gòu)。HiRI內(nèi)部還裝有一個(gè)光門，安裝在主鏡后方，用于保護(hù)第3副鏡和探測(cè)器腔體，使它們?cè)诜沁\(yùn)行階段（如發(fā)射、姿態(tài)捕獲或安全模式）不會(huì)受太陽(yáng)輻射影響。

HiRI探測(cè)器電子儀器光學(xué)系統(tǒng)，采用新型高集成探測(cè)器電子儀器分系統(tǒng)（SEDHI）結(jié)構(gòu)，其功能包括焦平面集成視頻處理、高速率數(shù)據(jù)鏈路、數(shù)字星上處理。SEDHI概念在焦平面陣列（FPA）中使用了大量模塊化視頻近感應(yīng)器（MVP）。1個(gè)MVP能處理多達(dá)10CCD的數(shù)據(jù)，最高傳輸像素速率為1×107像素/秒。整個(gè)探測(cè)器電子儀器由5個(gè)全色MVP、3個(gè)多光譜MVP、3個(gè)全色模塊化使用近感應(yīng)器（MSP，含在單個(gè)機(jī)械模塊中）和1個(gè)多光譜MSP組成。

在HiRI中，位于光學(xué)焦平面上的CCD線陣對(duì)來(lái)自地面像素線的光線進(jìn)行集成。由于衛(wèi)星沿其速度方向運(yùn)動(dòng)，連續(xù)形成像素線，并生成最后的圖像。衛(wèi)星工作在全色和多光譜波段，其中全色波段覆蓋全部可見光和近紅外光譜段，而多光譜波段比較窄。

由于其全色譜段和多光譜譜段有所重疊，對(duì)應(yīng)的CCD進(jìn)行了交錯(cuò)排列，所以對(duì)于不同的光譜段，可以不同時(shí)獲取圖像。但是通過(guò)交錯(cuò)陣列獲取圖像容易導(dǎo)致隨時(shí)間變化的平臺(tái)干擾引起的圖像重合失調(diào)問題，而且CCD在焦平面內(nèi)的物理偏移也會(huì)引起視角的輕微變化，由此造成的立體效果容易使全色波段和多光譜波段的圖像重合對(duì)位受到地形海拔的影響。當(dāng)焦平面處理1μrad像素瞬時(shí)視場(chǎng)時(shí)，哪怕是輕微的幾何擾動(dòng)，都會(huì)帶來(lái)很大的麻煩。盡管如此，CCD交錯(cuò)陣列也有非常突出的優(yōu)點(diǎn)，如超限分辨率、高精度幾何模型改進(jìn)和低寬高比（B/H）的立體效果，而且通過(guò)精確設(shè)計(jì)，可以將上面提到的不利條件變?yōu)橛欣麠l件，比如對(duì)于交錯(cuò)陣列，CCD之間焦平面內(nèi)的物理補(bǔ)償會(huì)引起對(duì)隨時(shí)間變化的姿態(tài)擾動(dòng)和對(duì)地形海拔高度的敏感，然而這一敏感卻有利于幾何模型和地形高度等信息的獲取。

HiRI主要參數(shù)

衛(wèi)星進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)

SEDHI主要參數(shù)

Pleiades衛(wèi)星焦平面裝置

采用CCD交錯(cuò)陣列是高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星的慣例。全色和多光譜波段通過(guò)專用的CCD線陣獲得，該線陣沿著軌道（或速度）方向變換。如果將入射光線分束，則容易引起信號(hào)衰減，并最終導(dǎo)致信噪比降低。信號(hào)和信噪比都隨著像元分辨率的降低而降低，因此要以較窄的光譜帶寬和較高的空間分辨率來(lái)滿足信噪比的要求是很困難的。另外一種方案是增大入射光瞳直徑，但這種方式既復(fù)雜又昂貴。而如果采用時(shí)間延遲積分（TDI）CCD，又會(huì)引起對(duì)平臺(tái)轉(zhuǎn)向的敏感。若利用超分辨率貝葉斯法（Pansharpening），雖然多光譜和全色圖像可以在地面進(jìn)行合并，以提供高分辨率的彩色圖像，但在星上卻無(wú)法直接生成。

20世紀(jì)70年代末以來(lái)，歐洲航空航天防務(wù)公司下屬的索登（EADS SODERN）公司開發(fā)了一系列用于地球觀測(cè)設(shè)備焦平面上的探測(cè)單元，并應(yīng)用于法國(guó)的SPOT和“太陽(yáng)神”（Helios）等民用和軍事衛(wèi)星上。這些為推掃運(yùn)行模式設(shè)計(jì)的探測(cè)單元，已經(jīng)逐漸適應(yīng)了技術(shù)的發(fā)展。EADS SODERN公司還承擔(dān)了焦平面裝置（FPA）的開發(fā)，該裝置作為影像獲取的關(guān)鍵部件之一，采用了大量全新的技術(shù)，主要由探測(cè)器、結(jié)構(gòu)部分和反射鏡組成；其質(zhì)量約為12.5kg，體積約為480mm×310mm×200mm。

4 衛(wèi)星地面段

CNES設(shè)計(jì)了新的Pleiades衛(wèi)星地面段，著重解決系統(tǒng)多遙感器和多用戶的協(xié)同問題，以改善終端用戶的數(shù)據(jù)訪問，同時(shí)要遵從現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，并兼顧到未來(lái)與其他地球觀測(cè)系統(tǒng)的聯(lián)合。該地面段由位于法國(guó)、瑞典、西班牙、意大利（備選）的用戶中心組成，每一個(gè)用戶中心都能獨(dú)立處理用戶需求，都具有用于數(shù)據(jù)采集的X頻段天線、三通道信號(hào)解調(diào)和攝取系統(tǒng)、圖像處理單元、程序單元及允許用戶瀏覽圖像和提出要求的訪問單元。

5 結(jié)語(yǔ)

從上面的介紹可以看出，作為法國(guó)新一代的光學(xué)成像衛(wèi)星，Pleiades在很多方面都處于世界領(lǐng)先水平，和美國(guó)的同類衛(wèi)星相比，也絲毫不落下風(fēng)。該衛(wèi)星的一些設(shè)計(jì)理念值得我國(guó)借鑒?！?/p>

衛(wèi)星地面接收天線