WorldView系列衛(wèi)星設(shè)計(jì)狀態(tài)分析與啟示

范 寧，祖家國，楊文濤，周 輝

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著信息獲取領(lǐng)域需求的日益增加，國外光學(xué)成像衛(wèi)星發(fā)展非常迅速，其技術(shù)水平取得了大幅度提升，目前美國和歐洲都已經(jīng)擁有了分辨率優(yōu)于0.5 m的光學(xué)衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)能力。

WorldView系列衛(wèi)星是美國“NextView計(jì)劃”的重要組成部分[1]，該計(jì)劃是由美國國家地理空間情報(bào)局（NGA）發(fā)起的一項(xiàng)軍民兩用對(duì)地觀測(cè)計(jì)劃，除了為 Google、Microsoft等公司提供高品質(zhì)商業(yè)圖像外，更重要的是為美國情報(bào)部門提供高分辨率軍用圖像信息。WorldView系列衛(wèi)星（包含WorldView-1和WorldView-2兩顆衛(wèi)星）的設(shè)計(jì)具有很鮮明的技術(shù)特點(diǎn)，在追求高精度成像性能的同時(shí)，大幅度提高了衛(wèi)星的快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力，其高敏捷性可使衛(wèi)星觀測(cè)范圍增大、重訪周期縮短，豐富了衛(wèi)星工作模式，提高了衛(wèi)星應(yīng)用效能。

本文從分析WorldView系列衛(wèi)星的設(shè)計(jì)狀態(tài)與技術(shù)特點(diǎn)入手，展望了國外光學(xué)遙感衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)，提出了對(duì)我國新一代光學(xué)遙感衛(wèi)星的設(shè)計(jì)啟示。

1 WorldView衛(wèi)星技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)特點(diǎn)分析

1.1 技術(shù)指標(biāo)

WorldView-1和 WorldView-2衛(wèi)星分別于2006年和2009年發(fā)射，均采用Ball Aerospace &Technologies公司開發(fā)的BCP-5000衛(wèi)星平臺(tái)[2]。衛(wèi)星的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。WorldView-1衛(wèi)星僅能全色成像，最高分辨率為0.45 m（軌道高度496 km），配備控制力矩陀螺以及星敏感器、高精度陀螺和GPS等姿態(tài)軌道控制設(shè)備，具有較強(qiáng)的側(cè)擺能力，可以單軌立體成像，衛(wèi)星重訪周期為 1.7 d。WorldView-2衛(wèi)星地面像元分辨率最高達(dá) 0.46 m（軌道高度770 km），除全色成像外增加了8個(gè)多光譜成像譜段，衛(wèi)星重訪周期較WorldView-1衛(wèi)星縮短。

表1 WorldView系列衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 The main technical properties of WorldView satellites

WorldView系列衛(wèi)星在軌飛行狀態(tài)如圖1所示。

圖1 WorldView系列衛(wèi)星在軌飛行狀態(tài)示意Fig. 1 The on-orbit flight state of WorldView satellites

1.2 技術(shù)特點(diǎn)分析

1）相機(jī)通光孔徑增大，衛(wèi)星分辨率水平大幅提高

表2給出了WorldView系列衛(wèi)星光學(xué)相機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)[3]。從表中數(shù)據(jù)可以看到，相機(jī)通過采用大口徑、長焦距光學(xué)系統(tǒng)，大幅度地提高了分辨率；通過采用全色+多光譜成像器件，可以獲得更豐富、可靠的圖像信息。

表2 WorldView衛(wèi)星光學(xué)相機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 The main technical properties of WorldView optical cameras

2）衛(wèi)星具備快速機(jī)動(dòng)能力，可實(shí)現(xiàn)多種工作模式

WorldView衛(wèi)星設(shè)計(jì)體現(xiàn)了鮮明的快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力設(shè)計(jì)特點(diǎn)：衛(wèi)星控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用4個(gè)大力矩輸出的控制力矩陀螺（CMG），衛(wèi)星構(gòu)形設(shè)計(jì)具有高剛度、小慣量特點(diǎn)，使衛(wèi)星具有快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力（參見表 1）。除了遙感衛(wèi)星常規(guī)的星下點(diǎn)成像模式，還可實(shí)現(xiàn)同軌多點(diǎn)目標(biāo)成像、拼幅成像、同軌多角度立體成像等多種工作模式。

同軌多點(diǎn)目標(biāo)成像模式見圖2：衛(wèi)星通過快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)調(diào)整相機(jī)指向，實(shí)現(xiàn)對(duì)一軌可視范圍內(nèi)散布的多個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的訪問成像。通過該模式，衛(wèi)星可以快速、高效地獲取多個(gè)關(guān)注區(qū)域的圖像。多次條帶的拼幅成像模式見圖3：衛(wèi)星通過快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)調(diào)整相機(jī)指向，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域目標(biāo)連續(xù)進(jìn)行多次條帶的成像，以達(dá)到完全覆蓋的目的。通過該模式，衛(wèi)星可以對(duì)某一較大面積區(qū)域完成快速成像。同軌多角度的立體成像模式見圖4：衛(wèi)星通過快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)調(diào)整相機(jī)指向，實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)目標(biāo)或條帶目標(biāo)連續(xù)進(jìn)行多次不同角度的成像。通過該模式，衛(wèi)星可以獲取某一特定目標(biāo)區(qū)域的多個(gè)不同角度的觀測(cè)圖像。

圖2 多點(diǎn)目標(biāo)成像工作模式 Fig. 2 Work mode of imaging multi-areas

圖3 拼幅成像模式 Fig. 3 Work mode of piecing images together

圖4 同軌多角度立體成像模式Fig. 4 Work mode of piecing stereo images together

2 WorldView衛(wèi)星主要設(shè)計(jì)狀態(tài)分析

2.1 衛(wèi)星組成

WorldView-1衛(wèi)星采用BCP-5000平臺(tái)裝載1臺(tái)大口徑三反離軸相機(jī)，WorldView-2衛(wèi)星采用同樣的平臺(tái)裝載1臺(tái)大口徑三反同軸相機(jī)。

BCP-5000平臺(tái)自上而下分為設(shè)備艙模塊、推進(jìn)模塊和CMG模塊3部分（參見圖5）。

圖5 WorldView衛(wèi)星系統(tǒng)組成Fig. 5 The system composition of WorldView satellites

平臺(tái)主要由結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)、供配電分系統(tǒng)（EPDS）、指令與數(shù)據(jù)處理（C&DH）分系統(tǒng)、無線電通信（COM）分系統(tǒng)、姿態(tài)測(cè)量與控制分系統(tǒng)（ADCS）、推進(jìn)分系統(tǒng)（RCS）、熱控分系統(tǒng)（TCS）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/發(fā)送分系統(tǒng)等 8部分組成。光學(xué)相機(jī)通過載荷適配結(jié)構(gòu)安裝于設(shè)備艙上方。

2.2 構(gòu)形布局設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在 WorldView衛(wèi)星構(gòu)形設(shè)計(jì)中充分體現(xiàn)了高剛度、小慣量的設(shè)計(jì)思想，這是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力的技術(shù)途徑之一。衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)截面形狀為八邊形，采用4根框梁+板式結(jié)構(gòu)形成整星連續(xù)簡(jiǎn)捷的傳力路徑，保證整星的高剛度。另外WorldView-2衛(wèi)星根據(jù)其相機(jī)外形特點(diǎn)采用了獨(dú)立遮陽罩設(shè)計(jì)，遮陽罩通過4個(gè)安裝腳安裝在載荷適配結(jié)構(gòu)上，集多種功能于一身：為相機(jī)消除雜散光，提供相機(jī)散熱面，并為對(duì)地?cái)?shù)傳天線、高頻電纜和測(cè)控天線等提供安裝基礎(chǔ)。

WorldView衛(wèi)星設(shè)備布局設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：

1）采用獨(dú)立的推進(jìn)模塊。推進(jìn)模塊中的主要設(shè)備是大容積貯箱，根據(jù)估算，WorldView衛(wèi)星的燃料攜帶量約為400 kg。

2）采用獨(dú)立的CMG模塊。CMG模塊主要包含4個(gè)轉(zhuǎn)速約6000 r/min的CMG，大幅提高了衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力。CMG集中布局安裝在一個(gè)艙段內(nèi)部，此艙段在整星中的位置遠(yuǎn)離相機(jī)焦平面陣列，降低了CMG振動(dòng)對(duì)衛(wèi)星成像質(zhì)量的影響。

3）衛(wèi)星其他電子設(shè)備布局采用星上設(shè)備外掛安裝在平臺(tái)結(jié)構(gòu)板上的布局方式。通過合理利用星上空間，控制整星規(guī)模，可盡量減小整星轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高衛(wèi)星的姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力。

4）衛(wèi)星的2個(gè)太陽電池板采用對(duì)稱布局，每一側(cè)的太陽電池板為3塊板并聯(lián)式構(gòu)形。這種構(gòu)形可有效提高剛度，減小太陽電池板撓性對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力的影響。

2.3 相機(jī)和平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)

WorldView衛(wèi)星設(shè)計(jì)采用了平臺(tái)和載荷一體化設(shè)計(jì)方法，一方面可以有效控制整星規(guī)模、減小整星慣量，提高衛(wèi)星快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力；另一方面也可以提高衛(wèi)星的定位精度。

WorldView-1衛(wèi)星的星敏感器安裝在相機(jī)鏡筒上，使二者具有統(tǒng)一的基準(zhǔn)（參見圖6）。衛(wèi)星的相機(jī)鏡筒是相機(jī)的主承力結(jié)構(gòu)，具有很高的剛度和強(qiáng)度。WorldView-2衛(wèi)星的星敏感器支撐結(jié)構(gòu)安裝在相機(jī)主鏡承力框上，使相機(jī)和星敏感器具有統(tǒng)一的安裝基準(zhǔn)，減少了星敏感器和相機(jī)的連接環(huán)節(jié)，大大縮短了星上高精度測(cè)量部件與相機(jī)光軸之間的安裝距離（參見圖7）。同時(shí)，選用膨脹系數(shù)小的材料和采用高剛度的安裝基礎(chǔ)，可最大程度地減小在軌相機(jī)光軸和星敏感器光軸間的相對(duì)位置變化。

圖6 WorldView-1衛(wèi)星一體化設(shè)計(jì)Fig. 6 The integrative design of WorldView-1 satellite

圖7 WorldView-2衛(wèi)星一體化設(shè)計(jì)Fig. 7 The integrative design of WorldView-2 satellite

2.4 高精度、高集成化的先進(jìn)電子技術(shù)

WorldView衛(wèi)星采用了基于綜合電子的先進(jìn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)技術(shù)，星上電子系統(tǒng)采用內(nèi)總線技術(shù)、構(gòu)件化的軟件開發(fā)技術(shù)以及自主管理技術(shù)等，使衛(wèi)星具備任務(wù)管理、自主執(zhí)行以及自主故障處理的能力，提升了衛(wèi)星全生命周期的在軌自主運(yùn)行能力，使得星上信息系統(tǒng)高度集成，提高了衛(wèi)星功能密度，支持了設(shè)備的輕小型化以及系統(tǒng)的快速構(gòu)建和高效集成[4]。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，WorldView-2衛(wèi)星共有84臺(tái)（套）設(shè)備，其中33臺(tái)（套）設(shè)備外掛在衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)外表面。WorldView衛(wèi)星電子產(chǎn)品的高密度集成設(shè)計(jì)可以壓縮設(shè)備安裝對(duì)空間的要求，有利于控制整星規(guī)模、減小衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和提高衛(wèi)星快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力。

另外，WorldView系列衛(wèi)星采用了大量高性能的新型電子設(shè)備，例如大力矩輸出的CMG，大動(dòng)態(tài)范圍、高測(cè)量精度的星敏感器，大量程高精度陀螺和高精度GPS接收機(jī)等（見圖8～圖10），為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)及穩(wěn)定成像能力、滿足高定位精度指標(biāo)要求等提供了有力支撐。

圖8 大動(dòng)態(tài)范圍、高精度星敏感器Fig. 8 The large dynamic range and high-accuracy star tracker

圖9 大量程高精度陀螺Fig. 9 The large range and high-accuracy gyroscope

圖10 1m精度GPS接收機(jī)Fig. 10 The GPS receiver of 1m accuracy

2.5 星上活動(dòng)部件的微振動(dòng)抑制技術(shù)

衛(wèi)星在軌工作期間，成像質(zhì)量會(huì)受到星上微振動(dòng)環(huán)境影響，主要是對(duì)圖像的幾何質(zhì)量（以圖像畸變?yōu)橹鳎┖蛨D像傳遞函數(shù)產(chǎn)生影響。對(duì)于多級(jí)積分時(shí)間為毫秒量級(jí)的有效載荷，對(duì)衛(wèi)星成像質(zhì)量產(chǎn)生影響的主要是星上高頻活動(dòng)部件。

對(duì)于0.4 Hz以下的微振動(dòng)，主要通過姿態(tài)控制系統(tǒng)來保證成像質(zhì)量符合指標(biāo)要求；對(duì)于0.4～15 Hz之間的微振動(dòng)，通過圖像后處理以及窗函數(shù)來保證圖像質(zhì)量符合指標(biāo)要求；對(duì)于15 Hz以上的微振動(dòng)，則主要通過隔振器來降低其對(duì)成像質(zhì)量的影響。WorldView衛(wèi)星控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用轉(zhuǎn)速6000 r/min的CMG，為減少其高速轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)衛(wèi)星成像質(zhì)量的影響，采用了八桿式并聯(lián)隔振系統(tǒng)（見圖11）。

圖11 WorldView衛(wèi)星隔振系統(tǒng)Fig.11 The vibration isolation system of WorldView satellites

2.6 WorldView-2衛(wèi)星質(zhì)量特性分析

WorldView-2衛(wèi)星的整星質(zhì)量為2800 kg，燃料攜帶量約為400 kg（根據(jù)貯箱規(guī)模估算），相機(jī)質(zhì)量約為680 kg。衛(wèi)星的主要尺寸為：星本體包絡(luò)尺寸φ2.5 m×5.7 m；展開狀態(tài)下太陽電池板的總面積約17 m2，單側(cè)尺寸2.4 m×3.5 m；相機(jī)包絡(luò)尺寸φ1250 mm×3200 mm。

根據(jù)上述狀態(tài)，對(duì)WorldView-2衛(wèi)星飛行狀態(tài)下的質(zhì)量特性分析如表3所示。

表3 WorldView-2衛(wèi)星質(zhì)量特性Table 3 The mass properties of WorldView-2 satellite

從表3的數(shù)據(jù)可見，整星飛行狀態(tài)最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約為5160 kg·m2，比常規(guī)承載700 kg相機(jī)的光學(xué)衛(wèi)星的慣量小很多，為實(shí)現(xiàn)整星的快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力提供了有力支撐。

3 國外先進(jìn)光學(xué)遙感衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)分析

1）高精度成像能力不斷提高

遙感衛(wèi)星的成像能力是指對(duì)衛(wèi)星的圖像質(zhì)量、分辨率水平、成像光譜范圍、目標(biāo)定位精度和衛(wèi)星重訪周期等技術(shù)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)。

WorldView-1衛(wèi)星與WorldView-2衛(wèi)星的發(fā)射間隔3年。和WorldView-1衛(wèi)星相比，WorldView-2衛(wèi)星增加了多光譜成像能力，即8個(gè)多光譜成像譜段；衛(wèi)星分辨率大幅提高，可在500 km軌道實(shí)現(xiàn)約0.3 m分辨率水平；衛(wèi)星的定位精度和重訪周期指標(biāo)都有所提高。可見，衛(wèi)星的功能更加完備、成像性能指標(biāo)和衛(wèi)星快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力不斷提升是目前國外光學(xué)遙感衛(wèi)星發(fā)展的主要趨勢(shì)[5]。

2）通過平臺(tái)開發(fā)帶動(dòng)衛(wèi)星性能提升

WorldView系列2顆衛(wèi)星均采用BCP-5000衛(wèi)星平臺(tái)。國外先進(jìn)光學(xué)衛(wèi)星明確的發(fā)展思路是通過平臺(tái)開發(fā)帶動(dòng)衛(wèi)星能力提升，主要包括衛(wèi)星平臺(tái)的機(jī)、電和控制等能力的提升，平臺(tái)開發(fā)有助于開展標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)，在平臺(tái)和載荷之間形成比較清晰的物理和功能界面，支持廣泛的衛(wèi)星平臺(tái)產(chǎn)品，以適應(yīng)多任務(wù)要求。

平臺(tái)構(gòu)形和總體布局采用模塊化設(shè)計(jì)，將星上功能相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)作模塊化集成設(shè)計(jì)，使模塊具有擴(kuò)展性和多任務(wù)適應(yīng)性，有利于平臺(tái)靈活快速地進(jìn)行模塊化配置；同時(shí)平臺(tái)各模塊并行研制，快速進(jìn)行衛(wèi)星總裝操作和測(cè)試，能夠縮短衛(wèi)星研制周期。

平臺(tái)采用高度集成化的綜合電子技術(shù)，可有效提高衛(wèi)星功能密度和部件的集成化程度，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)產(chǎn)品的輕小型化和高效集成，從而減少星上產(chǎn)品數(shù)量、減小星上產(chǎn)品對(duì)安裝空間要求，有效控制整星規(guī)模，實(shí)現(xiàn)整星的小慣量設(shè)計(jì)。

3）對(duì)平臺(tái)和載荷開展一體化設(shè)計(jì)

WorldView系列2顆衛(wèi)星均采用了平臺(tái)和載荷的機(jī)電熱一體化設(shè)計(jì)，可以避免星上資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)整星的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)也可以有效控制整星規(guī)模、減小整星慣量，提高衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力。

通過相機(jī)與平臺(tái)一體化構(gòu)形設(shè)計(jì)，可縮短測(cè)量部件與相機(jī)光軸之間的傳遞路徑，最大程度地保持高精度測(cè)量基準(zhǔn)和相機(jī)光軸之間穩(wěn)定指向關(guān)系，抑制或消除由于空間環(huán)境、姿軌控等引起的平臺(tái)對(duì)相機(jī)的熱、力傳遞及影響，保證衛(wèi)星的高精度成像。

4）注重提高微振動(dòng)抑制能力

為保證高分辨率光學(xué)衛(wèi)星的高精度成像能力，需要隔離或抑制星上微振動(dòng)環(huán)境對(duì)衛(wèi)星成像性能的影響。國外在高分辨率光學(xué)衛(wèi)星研制中，在振動(dòng)源安裝環(huán)節(jié)或者相機(jī)安裝界面加入減隔振系統(tǒng)，可以對(duì)光學(xué)衛(wèi)星獲得高精度圖像提供技術(shù)支持。

4 對(duì)我國新一代光學(xué)遙感衛(wèi)星設(shè)計(jì)的啟示

通過對(duì)國外高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星設(shè)計(jì)狀態(tài)的分析研究，結(jié)合我國的衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展水平，對(duì)我國新一代光學(xué)遙感衛(wèi)星的設(shè)計(jì)啟示如下：

1）統(tǒng)籌規(guī)劃，研制開發(fā)大承載（1 m 口徑、1000 kg質(zhì)量量級(jí)的光學(xué)相機(jī)載荷）能力的敏捷衛(wèi)星平臺(tái)。此承載能力的衛(wèi)星平臺(tái)具有廣泛的任務(wù)適應(yīng)性，既可滿足大部分光學(xué)遙感載荷的承載及安裝要求，又具備較強(qiáng)的快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力，可支持實(shí)現(xiàn)各種高效、復(fù)雜的敏捷成像模式，提高衛(wèi)星使用效能。

2）突破高精度、高穩(wěn)定姿態(tài)控制技術(shù)，有效保證高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星的高精度成像性能要求，并通過準(zhǔn)確的姿態(tài)控制實(shí)現(xiàn)高分辨率敏捷衛(wèi)星的多種成像模式。

3）提高衛(wèi)星使用壽命。國外遙感衛(wèi)星壽命一般為5～8 年，目前國內(nèi)只能達(dá)到3～5 年。航天器的壽命受到多方面的影響和制約；需要從衛(wèi)星總體、分系統(tǒng)到單機(jī)各個(gè)層面統(tǒng)籌考慮，提高衛(wèi)星在軌壽命。

4）大力開發(fā)基于綜合電子體制的星上數(shù)據(jù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)星上設(shè)備的高集成、輕小型化研制，以滿足遙感衛(wèi)星對(duì)于高效靈活任務(wù)規(guī)劃、自主管理的要求。

5）圍繞大型遙感器開展平臺(tái)和載荷的一體化設(shè)計(jì)成為必然。使星上高精度姿態(tài)測(cè)量部件和相機(jī)具有統(tǒng)一的安裝基準(zhǔn)，減小在軌熱變形對(duì)兩者指向相對(duì)變化的影響，保證高分辨率相機(jī)的高定位精度。

6）大力發(fā)展微振動(dòng)抑制技術(shù)，以解決星上微振動(dòng)對(duì)衛(wèi)星成像質(zhì)量的影響，目前國外高分辨率衛(wèi)星均采用隔振器進(jìn)行微振動(dòng)抑制，國內(nèi)目前尚處于起步階段，還沒在軌應(yīng)用。

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