GEO中高分辨率民用光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星發(fā)展研究

于龍江 劉云鶴

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

地球靜止軌道（GEO）光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星非常適合于對(duì)地球進(jìn)行長(zhǎng)期的連續(xù)監(jiān)視和快速的訪問成像；但由于其軌道高度高，成像物距是近地軌道的數(shù)十倍。早期，在光學(xué)成像載荷技術(shù)能力的限制下，衛(wèi)星難以獲得高空間分辨率，因此，其發(fā)展多在對(duì)空間分辨率要求不高的氣象衛(wèi)星和導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星領(lǐng)域。近年來，隨著光學(xué)成像載荷技術(shù)和衛(wèi)星姿態(tài)控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了在GEO 實(shí)現(xiàn)幾百至幾十米分辨率的光學(xué)對(duì)地成像衛(wèi)星的相關(guān)研究，目的是充分發(fā)揮高軌道駐留時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，滿足多類軍民應(yīng)用需求。

目前，許多國(guó)家和衛(wèi)星制造公司已經(jīng)開始GEO中高分辨率民用光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)和研制工作。韓國(guó)已發(fā)射并應(yīng)用一顆裝有地球靜止軌道海洋成像儀（GOCI，500m 分辨率）的“通信-海洋-氣象衛(wèi)星”（COMS），后來又提出了研制250 m 分辨率的GOCI-2載荷計(jì)劃；印度制定了“地球靜止軌道高分辨率”（GEO-HR）衛(wèi)星計(jì)劃，并開展了針對(duì)GEO 中高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星的方案論證工作；歐洲阿斯特留姆（Astrium）公司也在積極推動(dòng)GEO-Africa（25m 分辨率）和GEO-Oculus（10．5 m 分辨率）衛(wèi)星方案，并為其尋找用戶。

多個(gè)國(guó)家和衛(wèi)星研制公司都在大力發(fā)展GEO中高分辨率光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，主要是因?yàn)榇祟愋l(wèi)星具有低軌光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星所不具備的以下優(yōu)勢(shì)。①可以利用長(zhǎng)期駐留固定區(qū)域上空的優(yōu)勢(shì)和快速的指向調(diào)整能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類緊急觀測(cè)任務(wù)的快速響應(yīng)，快速獲取不同譜段的探測(cè)圖像；在短時(shí)間內(nèi)由地面完成探測(cè)數(shù)據(jù)的接收、處理和分發(fā)，為各類應(yīng)急任務(wù)提供及時(shí)的圖像數(shù)據(jù)支持。②可以利用相對(duì)地表觀測(cè)區(qū)域靜止的優(yōu)勢(shì)，在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行高頻重復(fù)凝視觀測(cè)，獲取目標(biāo)區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化過程數(shù)據(jù)，這一能力對(duì)于光學(xué)遙感應(yīng)用而言是全新的。③可以通過靈活的任務(wù)編排和衛(wèi)星快速的指向調(diào)整，同時(shí)對(duì)多個(gè)熱點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。④可以利用面陣長(zhǎng)積分時(shí)間成像的優(yōu)勢(shì)，獲取高質(zhì)量的探測(cè)圖像；實(shí)現(xiàn)極小的圖像內(nèi)部幾何畸變，生成高幾何精度的圖像產(chǎn)品；實(shí)現(xiàn)良好的遙感圖像定量化應(yīng)用效果?？梢灶A(yù)見，GEO 衛(wèi)星用于對(duì)地觀測(cè)有多方面的優(yōu)勢(shì)，將是未來光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。

2 發(fā)展情況

2．1 韓國(guó)COMS衛(wèi)星

COMS衛(wèi)星是韓國(guó)用于通信、海洋、氣象等任務(wù)的GEO 多用途對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，由歐洲Astrium公司設(shè)計(jì)制造，于2010年發(fā)射，并已投入應(yīng)用。

COMS衛(wèi)星裝載的GOCI（見圖1），分辨率達(dá)到了500m，是世界上首個(gè)在GEO 實(shí)現(xiàn)百米量級(jí)分辨率的民用光學(xué)對(duì)地觀測(cè)載荷。GOCI可在短期內(nèi)完成對(duì)自然現(xiàn)象的探測(cè)、監(jiān)控和預(yù)報(bào)，藻類污染的監(jiān)控和預(yù)報(bào)，海洋生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)監(jiān)控，沿海區(qū)域調(diào)查和資源管理，海洋水產(chǎn)業(yè)信息搜集等任務(wù)。其質(zhì)量為83．3kg，峰值功耗為106 W，是COMS衛(wèi)星的3個(gè)載荷之一。它采用了200 萬像素的面陣CMOS探測(cè)器技術(shù)。分辨率為500 m，幅寬為500km；共8 個(gè)譜段，光譜分辨率為10～40nm，平均信噪比為1000。表1為GOCI的譜段及其主要用途［1］。

圖1 GOCI結(jié)構(gòu)方案圖Fig．1 Main structure of GOCI

表1 GOCI的譜段及其主要用途Table 1 Spectral channels and their applications of GOCI

在GOCI獲得成功的同時(shí)，韓國(guó)提出了GOCI-2的研制計(jì)劃，其分辨率提高到250m，譜段數(shù)增加到13個(gè)，各個(gè)譜段的主要指標(biāo)見表2。它的成像模式（見圖2）既包括原有的韓國(guó)附近海域的高分辨率成像模式（分辨率250m），又包括整個(gè)地球圓盤的低分辨率成像模式（分辨率1km），可用于監(jiān)測(cè)地球氣候的長(zhǎng)期變化。

表2 GOCI-2的譜段及其主要用途Table 2 Spectral channels and their applications of GOCI-2

圖2 GOCI-2成像模式Fig．2 GOCI-2imaging modes

2．2 印度GEO-HR衛(wèi)星計(jì)劃

印度于2007 年提出了發(fā)展GEO 高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星的計(jì)劃。其計(jì)劃發(fā)展的衛(wèi)星（或載荷）暫定名稱為GEO-HR，配置以下幾個(gè)探測(cè)通道：①可見光-近紅外高分辨率多光譜（HRMX-VNIR）成像通道，分辨率50m；②可見光-近紅外高光譜（HySVNIR）成像通道，分辨率320m；③短波紅外高光譜（HyS-SWIR）成像通道，分辨率192m；④熱紅外高分辨率多光譜（HRMX-TIR）成像通道，分辨率1．5km。

2．3 Astrium 公司衛(wèi)星方案

2．3．1 GEO-Africa衛(wèi)星

近年來，Astrium 公司在積極推動(dòng)25m 分辨率的GEO-Africa衛(wèi)星（見圖3［2］）方案。該衛(wèi)星計(jì)劃在2015年發(fā)射，是針對(duì)中低緯度的非洲提出的，主要滿足農(nóng)業(yè)、土地、海岸、減災(zāi)、自然資源等方面應(yīng)用需求。

GEO-Africa衛(wèi)星裝載1臺(tái)大口徑（0．9m）光學(xué)相機(jī)：在可見光、近紅外（VNIR）范圍內(nèi)有10 個(gè)成像譜段，星下點(diǎn)分辨率為25m；在短波紅外（SWIR）范圍內(nèi)有1個(gè)成像譜段，星下點(diǎn)分辨率為75 m；全譜段調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）平均值優(yōu)于0．1。衛(wèi)星采用直接入軌方式發(fā)射，整星發(fā)射質(zhì)量約為1300kg，其中相機(jī)質(zhì)量為550kg。GEO-Africa衛(wèi)星譜段配置和分辨率如表3所示。

圖3 GEO-Africa衛(wèi)星外形設(shè)計(jì)圖Fig．3 GEO-Africa configuration layout

表3 GEO-Africa衛(wèi)星譜段及其分辨率Table 3 Spectral channels and their resolutions of GEO-Africa

GEO-Africa衛(wèi)星采用面陣成像體制，可見光探測(cè)器采用面陣CMOS，單景幅寬為300km×300km。衛(wèi)星采用“步進(jìn)-凝視”工作模式，每天可工作13h，對(duì)地成像90景，平均4～5d可獲取一幅完整的非洲大陸圖像，夜晚階段不工作。

Astrium 公司目前正在積極尋找GEO-Africa衛(wèi)星的用戶。按照其方案和研制流程，能夠在項(xiàng)目啟動(dòng)后5年內(nèi)完成衛(wèi)星研制并發(fā)射使用［3-5］。

2．3．2 GEO-Oculus衛(wèi)星

Astrium 公司提出的GEO-Oculus衛(wèi)星方案，是從概念上對(duì)實(shí)現(xiàn)高空間、高時(shí)間、高光譜分辨率的高軌光學(xué)對(duì)地觀測(cè)技術(shù)進(jìn)行的探索和研究［6-7］，主要面向歐洲及周邊海域的災(zāi)害、資源、海洋等應(yīng)用。GEO-Oculus衛(wèi)星任務(wù)如表4所示。

表4 GEO-Oculus衛(wèi)星任務(wù)Table 4 Missions of GEO-Oculus

GEO-Oculus衛(wèi)星（見圖4）計(jì)劃在2018 年發(fā)射，整星發(fā)射質(zhì)量為3652kg。它的光學(xué)相機(jī)口徑為1．5m，各個(gè)探測(cè)通道共用前光學(xué)系統(tǒng)?？梢姽?、近紅外范圍內(nèi)的3個(gè)焦面采用大面陣CMOS探測(cè)器，短波-中波紅外焦面采用碲鎘汞（HgCdTe）探測(cè)器，長(zhǎng)波紅外焦面采用量子阱（QWIP）或HgCdTe探測(cè)器。相機(jī)最長(zhǎng)積分時(shí)間為100ms，質(zhì)量預(yù)計(jì)為606kg，功耗預(yù)計(jì)為508W（均考慮了20%的設(shè)計(jì)余量）。衛(wèi)星每天可獲取65景以上的多譜段圖像，在午夜前后±2h內(nèi)不工作。

GEO-Oculus衛(wèi)星的面陣相機(jī)，采用分光＋濾光片輪的方式設(shè)計(jì)了5個(gè)成像通道，包含從紫外到長(zhǎng)波紅外共27個(gè)探測(cè)譜段。其譜段配置、分辨率、幅寬如表5所示。值得注意的是，成像通道數(shù)量多，以及濾光輪等活動(dòng)部件的引入，使相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，降低了系統(tǒng)的可靠性。該設(shè)計(jì)目前并未得到工程驗(yàn)證。

圖4 GEO-Oculus衛(wèi)星及其相機(jī)Fig．4 GEO-Oculus and its camera

表5 GEO-Oculus衛(wèi)星譜段及其分辨率Table 5 Spectral channels and their resolutions of GEO-Oculus

2．3．3 衛(wèi)星方案比較

表6為GEO-Africa和GEO-Oculus衛(wèi)星方案的主要技術(shù)特點(diǎn)比較。

表6 GEO-Africa和GEO-Oculus衛(wèi)星方案的主要技術(shù)特點(diǎn)比較Table 6 Comparison of main technical characteristics between GEO-Africa and GEO-Oculus satellites

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

根據(jù)國(guó)外發(fā)展情況，GEO 中高分辨率光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星一般采用面陣凝視成像體制，選用全反射光學(xué)系統(tǒng)，并采用近年來發(fā)展迅速的面陣CMOS探測(cè)器，通過整星姿態(tài)機(jī)動(dòng)進(jìn)行相機(jī)指向的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)靈活的任務(wù)響應(yīng)能力。CMOS 探測(cè)器一般具有抗彌散設(shè)計(jì)，可以避免局部圖像的飽和（云、水體等）對(duì)于其他區(qū)域的影響，適合于高軌對(duì)地成像時(shí)幅寬大、云出現(xiàn)概率大的特點(diǎn)。CMOS 探測(cè)器采用電子快門，積分時(shí)間可以在一定范圍內(nèi)自由設(shè)置，有利于在整星快速切換指向區(qū)域時(shí)，通過調(diào)整積分時(shí)間獲取灰度值（DN）分布合理、圖像亮度效果好的圖像。但CMOS探測(cè)器在技術(shù)上尚不如CCD 探測(cè)器成熟，像元尺寸一般較大，在探測(cè)靈敏度、探測(cè)器噪聲等方面略遜色于CCD，在探測(cè)器規(guī)模上尚達(dá)不到大面陣CCD 探測(cè)器的規(guī)模。這些缺點(diǎn)也都影響了CMOS探測(cè)器在短期內(nèi)的廣泛應(yīng)用。

國(guó)外GEO 中高分辨率光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星一般具有VNIR、SWIR、MWIR 直至LWIR 范圍內(nèi)的多譜段探測(cè)能力，空間分辨率10～50m 不等，衛(wèi)星可根據(jù)應(yīng)急救災(zāi)、火災(zāi)監(jiān)視、水質(zhì)污染監(jiān)視、海洋觀測(cè)等領(lǐng)域的任務(wù)需求，確定其探測(cè)譜段和分辨率。

在平臺(tái)方案上，國(guó)外GEO 中高分辨率光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星多采用成熟的GEO 通信衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行改造，并繼承低軌高分辨率光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)，采用先進(jìn)的姿態(tài)測(cè)量和控制設(shè)備，以滿足成像性能要求的姿態(tài)穩(wěn)定度、姿態(tài)測(cè)量精度和指向控制精度；通過多層次的隔振措施，保證載荷成像期間光軸的振動(dòng)幅值控制在允許的范圍內(nèi)。

積分時(shí)間長(zhǎng)是GEO 中高分辨率光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的一大技術(shù)特點(diǎn)。長(zhǎng)積分時(shí)間有利于實(shí)現(xiàn)高的信噪比，尤其對(duì)于低照度、低反射率目標(biāo)區(qū)域，有利于獲取更多的圖像細(xì)節(jié)，提高圖像定量化應(yīng)用價(jià)值。但長(zhǎng)積分時(shí)間需要幾個(gè)方面的技術(shù)作為支撐：①大動(dòng)態(tài)范圍的探測(cè)器器件，尤其是滿阱電子數(shù)要高，才能在獲取低端圖像細(xì)節(jié)的同時(shí)避免高端飽和；②整星高穩(wěn)定度姿態(tài)控制，按照一般的設(shè)計(jì)要求，星體穩(wěn)定度在0．000 1（°）／s～0．000 5（°）／s；③星體微振動(dòng)抑制技術(shù)，由于積分時(shí)間長(zhǎng)，相機(jī)成像所敏感的“高頻振動(dòng)”的頻率范圍向低頻移動(dòng)，對(duì)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了很大的挑戰(zhàn)，相比低軌光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的隔振系統(tǒng)具有更大的技術(shù)難度，國(guó)外高軌高分辨率光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星對(duì)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的微振動(dòng)特性有嚴(yán)密的分析和嚴(yán)格的要求，并采用多種隔振手段（執(zhí)行機(jī)構(gòu)隔振器、相機(jī)隔振器等）完成隔振任務(wù)。

夜晚階段陽光照射是GEO 中高分辨率光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星面臨的重要問題。由于星地距離遠(yuǎn)，在夜晚階段地球的陰影一般不能遮擋衛(wèi)星（地影期除外）；高分辨率相機(jī)口徑大，且遮陽罩內(nèi)壁一般進(jìn)行發(fā)黑處理，以減小雜散光，內(nèi)壁長(zhǎng)時(shí)間受照會(huì)引起遮陽罩溫度的上升；在午夜附近時(shí)段，陽光照射相機(jī)內(nèi)部很深，如果不加控制，就會(huì)對(duì)光學(xué)反射鏡表面的鍍膜等造成損壞。因此，GEO 中高分辨率光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星要解決夜晚階段的遮光罩熱控問題，并通過姿態(tài)規(guī)避或熱門等手段解決午夜附近的陽光照射問題。

4 啟示

GEO 中高分辨率光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的突出優(yōu)點(diǎn)，使其具有廣闊的應(yīng)用前景。在減災(zāi)應(yīng)用方面，可以獲取災(zāi)害演變過程中典型孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子和承災(zāi)目標(biāo)的持續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為水災(zāi)、雪災(zāi)、林火、地震、泥石流等各類災(zāi)害的發(fā)展趨勢(shì)分析、救災(zāi)方案部署等活動(dòng)提供重要的數(shù)據(jù)支持；在氣象應(yīng)用方面，可以在一段時(shí)間內(nèi)提供熱點(diǎn)地區(qū)的高頻率連續(xù)探測(cè)圖像，為重大氣象保障和強(qiáng)天氣條件（局部地區(qū)強(qiáng)對(duì)流、龍卷風(fēng)、臺(tái)風(fēng)等）短期預(yù)警服務(wù)提供數(shù)據(jù)支持；在農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面，可以為區(qū)域性作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、作物面積早期識(shí)別、區(qū)域性耕地土壤墑情監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等活動(dòng)提供支持；在環(huán)保應(yīng)用方面，可用于大氣、水體、森林、草地、濕地等動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)和保護(hù)活動(dòng)；在海洋應(yīng)用方面，可用于海島海岸帶動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、海洋漁場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋災(zāi)害監(jiān)測(cè)等活動(dòng)。

當(dāng)前，許多國(guó)家和衛(wèi)星研制公司都在大力發(fā)展GEO 中高分辨率光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星技術(shù)，主要包括韓國(guó)的COMS衛(wèi)星、印度的GEO-HR 衛(wèi)星、歐洲的GEO-Africa和GEO-Oculus衛(wèi)星。根據(jù)對(duì)這些衛(wèi)星的分析可知，在發(fā)展GEO 中高分辨率民用光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星時(shí)，要解決以下關(guān)鍵技術(shù)：①可見-紅外共口徑相機(jī)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)；②大口徑光學(xué)相機(jī)加工、裝調(diào)、檢測(cè)技術(shù)；③大規(guī)模、高性能面陣探測(cè)器技術(shù)；④大口徑光學(xué)相機(jī)支撐與減隔振技術(shù)；⑤GEO光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星精密熱控技術(shù)；⑥GEO 光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星平臺(tái)減隔振技術(shù)。

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