全球高分光學(xué)星概述(一)：美國和加拿大

朱仁璋 叢云天,2 王鴻芳 徐宇杰,4 白照廣

(1 北京航空航天大學(xué)，北京 100191)(2 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094) (3 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)(4 北京東方計(jì)量測試研究所，北京 100029)

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全球高分光學(xué)星概述(一)：美國和加拿大

朱仁璋1叢云天1,2王鴻芳3徐宇杰1,4白照廣3

(1 北京航空航天大學(xué)，北京 100191)(2 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094) (3 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)(4 北京東方計(jì)量測試研究所，北京 100029)

目前，美國高分辨率光學(xué)衛(wèi)星在技術(shù)與應(yīng)用方面處于世界領(lǐng)先地位。鎖眼-11(KH-11)與天基紅外系統(tǒng)(SBIRS)衛(wèi)星主要用于軍事目的，KH-11地面分辨率(全色)達(dá)到0.1 m。在低軌高分光學(xué)星中，數(shù)字全球星座(DigitalGlobe Constellation)衛(wèi)星(QuickBird-2、GeoEye-1、WorldView-1/2/3)是主要的商業(yè)遙感衛(wèi)星，地面分辨率(全色)可達(dá)0.31 m。地球靜止軌道高分光學(xué)星處于研制之中，設(shè)計(jì)分辨率(全色)為1 m。此外，美國也高度關(guān)注小衛(wèi)星星座與納衛(wèi)星/立方星星座的研發(fā)與應(yīng)用。加拿大光學(xué)衛(wèi)星主要應(yīng)用于空間碎片與近地小天體監(jiān)測，用于極地氣象服務(wù)的光學(xué)相機(jī)已基本研制成功。文章著重闡述美國和加拿大對地觀測高分辨率光學(xué)衛(wèi)星的運(yùn)作、技術(shù)狀態(tài)與發(fā)展趨勢。

美國衛(wèi)星；加拿大衛(wèi)星；高分辨率光學(xué)衛(wèi)星

1 引言

1960年4月1日美國成功發(fā)射泰羅斯1號(TIROS-1)氣象試驗(yàn)衛(wèi)星，進(jìn)入傾角48.4°、高度641 km軌道，載有兩臺電視攝像機(jī)進(jìn)行地面攝影并傳遞云層照片。這是世界上第一顆數(shù)據(jù)傳輸型光學(xué)遙感衛(wèi)星。[1]同年8月18日成功發(fā)射發(fā)現(xiàn)者14號(Discoverer XIV)，進(jìn)入傾角79.65°、近地點(diǎn)187 km/遠(yuǎn)地點(diǎn)808 km軌道，在軌運(yùn)行27 h后成功回收。衛(wèi)星質(zhì)量為850 kg，所載科羅娜(Corona)相機(jī)共拍攝約914 m長的膠片(重約9 kg)，地面分辨率約為10.7 m。這是世界上第一顆成功發(fā)射并回收的膠片型衛(wèi)星。[2]陸地衛(wèi)星(Landsat)計(jì)劃為第一個(gè)長期運(yùn)作的普查型衛(wèi)星遙感項(xiàng)目。Landsat-1于1972年7月23日發(fā)射，進(jìn)入高度為908 km的太陽同步軌道，地面分辨率(多光譜)為80 m，幅寬185 km。[3]

目前，美國軍用偵察衛(wèi)星以鎖眼-11(KH-11)與天基紅外系統(tǒng)(SBIRS)衛(wèi)星為主。商業(yè)遙感衛(wèi)星以數(shù)字全球星座(DigitalGlobe Constellation)的5顆大型衛(wèi)星(QuickBird-2、GeoEye-1、WorldView-1/2/3)和SkyBox Imaging公司的兩顆小型衛(wèi)星(SkySat-1/2)為主。WorldView-3地面分辨率(全色)為0.31 m，SkySat分辨率(全色)為0.9 m。此外，美國已開展地球靜止軌道高分光學(xué)星的研制工作，采用薄膜展開和衍射光學(xué)技術(shù)，設(shè)計(jì)地面分辨率(全色)為1 m。美國也在開展微小衛(wèi)星星座對地觀測系統(tǒng)的驗(yàn)證和試驗(yàn)計(jì)劃，行星實(shí)驗(yàn)室(Planet Labs)研制的Flock系列納衛(wèi)星/立方星星座地面分辨率已達(dá)到3 m。

加拿大光學(xué)衛(wèi)星主要用于空間碎片與近地小天體監(jiān)測，并已經(jīng)研制用于極地氣象服務(wù)的空間光學(xué)相機(jī)。近年來，加拿大在對地觀測和近地空間監(jiān)測領(lǐng)域與美國合作，在氣象探測與極地監(jiān)測領(lǐng)域與俄羅斯合作。

本文是專題系列“全球高分光學(xué)星概述”的第一篇。該系列力求比較全面地闡述高分辨率(全色優(yōu)于5 m)及其它有重要應(yīng)用價(jià)值的光學(xué)衛(wèi)星的技術(shù)狀態(tài)與發(fā)展趨勢，并對相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)、成像性能、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等進(jìn)行綜合分析與研究。

2 美國

2.1 鎖眼(KH)衛(wèi)星

美國從1959年開始研制照相偵察衛(wèi)星，“發(fā)現(xiàn)者”是第一代回收型照相偵察衛(wèi)星，采用可見光照相和膠片回收的方式。1962年，美國將“鎖眼”(KeyHole，KH)應(yīng)用于偵察衛(wèi)星的代號，KH-1至KH-9為膠片回收型偵察衛(wèi)星，KH-11為傳輸型光學(xué)衛(wèi)星(KH-10為載人空間實(shí)驗(yàn)室的偵察相機(jī)，后被取消)。KH系列見圖1。[4]

圖1 KH系列演變圖Fig.1 Evolution of KeyHole satellites

2.1.1 KH-1至KH-9

KH-1至KH-9均為膠片回收型偵察衛(wèi)星。其中，KH-8衛(wèi)星地面分辨率最高(0.06 m)；KH-9配備4～5個(gè)返回艙，在軌壽命較長(275天)。

KH-8(1966-1984年)成功發(fā)射51次，平均近地點(diǎn)139 km/遠(yuǎn)地點(diǎn)444 km，幅寬19.6 km。KH-8運(yùn)作幾年后，平均地面分辨率為0.15 m，最終達(dá)0.06 m。衛(wèi)星配備1～2個(gè)返回艙，回收膠片的拍攝天數(shù)從最初的5天逐漸增加到129天。[5-6]

KH-9(1971-1984年)成功發(fā)射19次，平均近地點(diǎn)163 km/遠(yuǎn)地點(diǎn)256 km。其中，所載高分辨率相機(jī)可覆蓋衛(wèi)星兩側(cè)各60°區(qū)域(129 km/579 km)，地面分辨率為0.6～0.9 m。KH-9衛(wèi)星配備4個(gè)Mk.8返回艙，平均在軌運(yùn)作壽命達(dá)138天。其中，第5～16顆衛(wèi)星還載有測繪相機(jī)系統(tǒng)(Mapping Camera System，MCS)以及較小的Mk.5返回艙，MCS地面分辨率為6～9 m。[7-8]前期衛(wèi)星采用KH-9A結(jié)構(gòu)，后期衛(wèi)星采用KH-9B結(jié)構(gòu)，KH-9B結(jié)構(gòu)(見圖2)在前者基礎(chǔ)上增加衛(wèi)星長度并改用最新的衛(wèi)星承載平臺(Satellite Support Bus)系統(tǒng)，衛(wèi)星干質(zhì)量約為6.2 t(未加注燃料)。[9-10]

由此可見：①KH-8為窄視場高分辨率詳查型衛(wèi)星；②KH-9為寬視場分辨率相對較低的普查型衛(wèi)星；③KH-8系列衛(wèi)星與KH-9系列衛(wèi)星在1971-1984年間協(xié)同執(zhí)行偵察使命。[11]

圖2 KH-9B衛(wèi)星示意圖Fig.2 Schematic diagram of the KH-9B spacecraft

2.1.2 KH-11

KH-11第一顆星于1976年12月19日發(fā)射，這是美國第一顆傳輸型偵察衛(wèi)星。[12]到目前為止，KH-11系列已成功發(fā)射15顆衛(wèi)星(1顆發(fā)射失敗)。

KH-11系列衛(wèi)星分為4組，每組衛(wèi)星均分布在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的太陽同步軌道上形成星座，分別為西平面(West Plane)和東平面(East Plane)，每個(gè)平面上至少有一顆衛(wèi)星運(yùn)行工作(其余的衛(wèi)星作為備份星)。這里的西/東平面系指軌道面法線的指向，即西平面的軌道面法線指向西，東平面軌道面法線指向東。西/東平面軌道的近地點(diǎn)/遠(yuǎn)地點(diǎn)高度及軌道傾角近似相同，僅升交點(diǎn)地方時(shí)不同，使得星座內(nèi)衛(wèi)星具有在同一地方可在一天中的不同時(shí)間過境的能力。KH-11系列衛(wèi)星信息見表1，KH-11系列西/東平面軌道見圖3。[12-14]

圖3 KH-11西/東平面軌道Fig.3 West and east plane of KH-11 satellite orbits

分組編號發(fā)射日期軌道高度/km軌道傾角/(°)軌道平面終止日期備注11?1OPS57051976?12?19247/533969西1979?01?281?2OPS45151978?06?14276/509968西1981?08?23備份OPS57051?3OPS25811980?02?07309/501971東1984?10?301?4OPS39841981?09?03244/526969西1984?11?23替代OPS45151?5OPS96271984?11?17280/522969東1985?08?13替代OPS258122?1USA?61984?12?04335/75898西1994?11?10替代OPS39842?2—1985?08?28失敗2?3USA?271987?10?26300/100098東1992?06?11替代OPS96272?4USA?331988?11?06300/100098西1996?05?12備份USA?633?1USA?861992?11?28408/931977東2000?06?05替代USA?273?2USA?1161995?12?05405/834977東2008?11?19備份USA?863?3USA?129(NROL?2)1996?12?20292/894977西2014?05?05替代USA?333?4USA?161(NROL?14)2001?10?05309/965979東備份USA?1163?5USA?186(NROL?20)2005?10?19256/1006979西備份USA?12944?1USA?224(NROL?49)2011?01?20270/986979東備份USA?1614?2USA?245(NROL?65)2013?08?28260/1007979西備份USA?186

2.1.2.1 原型KH-11(第一、二組)

第一組KH-11衛(wèi)星為1976-1984年發(fā)射的5顆衛(wèi)星，軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)高度約500 km，近地點(diǎn)約200～300 km，傾角為97°。第二組KH-11衛(wèi)星從USA-6開始，代號DRAGON或Crystal。1984-1988年成功發(fā)射三顆，衛(wèi)星軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)高度達(dá)到750～1000 km，傾角達(dá)到98°。第二組衛(wèi)星在第一組的基礎(chǔ)上增加紅外成像功能。第二組衛(wèi)星中在軌壽命最長的為USA-6，在軌運(yùn)行工作近10年。

原型KH-11衛(wèi)星寬約3 m，長約13 m，干質(zhì)量約為6 t，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)見圖4。[15]

注：16 RCS為反推力系統(tǒng)(16臺)；DBS ANT.為直播衛(wèi)星天線。圖4 KH-11衛(wèi)星示意圖Fig.4 Schematic diagram of the KH-11 spacecraft

原型KH-11設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：①采用CCD相機(jī)代替膠片成像系統(tǒng)，地面分辨率為0.1～0.15 m；[4]②望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)采用石墨環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，且內(nèi)部襯有吸收反射光的黑色涂層，鏡頭前裝有折疊護(hù)罩；③主鏡采用強(qiáng)化鋁作為基本元件，直徑最小為2.34 m，最大不超過2.40 m；④衛(wèi)星所載光學(xué)望遠(yuǎn)鏡組件(Optical Telescope Assemblies，OTA)采用與哈勃望遠(yuǎn)鏡相似的反射鏡二鏡系統(tǒng)，不同的是相機(jī)次鏡由6根支柱支撐，每根支柱底部安裝伺服電機(jī)，通過地面站或星上儀器控制電機(jī)移動次鏡，實(shí)現(xiàn)較好的聚焦成像；⑤KH-11與哈勃望遠(yuǎn)鏡的太陽電池陣均采用卷出方式展開，展開系統(tǒng)質(zhì)量輕、復(fù)雜度低且展開異常幾率小。太陽電池陣單軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對日定向，衛(wèi)星壽命初期功率為3000 W；⑥衛(wèi)星承載平臺載有兩個(gè)指向地球的無源信號情報(bào)(Signal Intelligence，SIGINT)天線系統(tǒng)，GPS天線系統(tǒng)以及直播衛(wèi)星(Direct Broadcasting Satellite，DBS)系統(tǒng)；⑦姿態(tài)測定采用紅外地平儀、地球敏感器、太陽敏感器和恒星跟蹤六分儀設(shè)備；⑧通過數(shù)據(jù)中繼天線將圖像及所需數(shù)據(jù)傳輸給軍事戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)中繼衛(wèi)星(Milstar)，Milstar將數(shù)據(jù)或圖片以近實(shí)時(shí)或存儲再轉(zhuǎn)儲方式(周期小于18～24 h)傳輸給地面站。[4,12]

2.1.2.2 改進(jìn)型KH-11(第三、四組)

第三、四組KH-11為改進(jìn)型KH-11(又稱為KH-11B)，是美國現(xiàn)役光學(xué)成像偵察衛(wèi)星。1992—2005年，第三組KH-11共計(jì)發(fā)射5顆，均由大力神-4(Titan IV)火箭發(fā)射，衛(wèi)星載有更多推進(jìn)劑延長在軌壽命。其中，USA-129為KH-11中壽命最長的衛(wèi)星，在軌運(yùn)行近18年。第四組KH-11系列包括兩顆衛(wèi)星，是“增強(qiáng)成像系統(tǒng)”(Enhanced Imaging System，EIS)計(jì)劃的一部分。第四組衛(wèi)星在第三組衛(wèi)星基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，與第三組略有不同的是，衛(wèi)星移除了與航天飛機(jī)相關(guān)的儀器設(shè)備，不再在軌加注，因此衛(wèi)星發(fā)射時(shí)需攜帶更多推進(jìn)劑。USA-224和USA-245均由德爾它-4(Delta IV)火箭發(fā)射，火箭低軌道運(yùn)載能力達(dá)到23 040 kg。

改進(jìn)型KH-11衛(wèi)星寬約為4 m，長度超過13 m。衛(wèi)星在原型KH-11基礎(chǔ)上改進(jìn)，設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：①改進(jìn)型衛(wèi)星干質(zhì)量約為10 t，比原型KH-11干質(zhì)量增加4 t；②采用Bus-1B平臺，姿態(tài)測定采用9臺陀螺儀、3臺星敏感器、2臺三軸磁強(qiáng)計(jì)、9臺太陽敏感器、地球敏感器和紅外地平儀；③衛(wèi)星依靠6臺控制力矩陀螺獲得15°～30°的側(cè)擺能力，并輔以12臺反作用控制推力器和2臺助推器進(jìn)行姿軌控制；④相機(jī)結(jié)構(gòu)與原型KH-11所載相機(jī)相近，孔徑直徑/主鏡直徑達(dá)到2.40 m，成像窗口前裝有較小的黑色平面百葉窗式攝像快門，且光學(xué)器件涂有抗激光涂層；⑤改進(jìn)型KH-11衛(wèi)星圖像傳輸速率比原型提高8倍；⑥除了在可見光/近紅外譜段成像，還增加熱紅外譜段，可用于監(jiān)測地下核爆炸以及其它地下設(shè)施。[13,16]

改進(jìn)型KH-11衛(wèi)星結(jié)構(gòu)見圖5，改進(jìn)型KH-11望遠(yuǎn)鏡光路圖與示意圖見圖6。[4,17]

圖5 改進(jìn)型KH-11衛(wèi)星示意圖Fig.5 Schematic diagram of the Improved KH-11 spacecraft

圖6 改進(jìn)型KH-11望遠(yuǎn)鏡光路圖與示意圖Fig.6 Schematic diagram of light paths and telescope in Improved KH-11

2.1.2.3 KH-11的成像性能

(1)原型KH-11的分辨率與斜視能力。KH-11第一顆衛(wèi)星于1976年發(fā)射，而第一次泄露KH-11成像能力約在十年之后，總部位于英國的《簡氏防務(wù)周刊》(Jane's Defense Weekly)雜志刊登出美國海軍分析師Samuel Morison提供的一幅圖像(見圖7)。這是一幅蘇聯(lián)黑海尼古拉耶夫(Nikolaev)船廠內(nèi)在建船舶的KH-11衛(wèi)星圖像。圖像泄漏出原型KH-11(高于322 km)分辨率為0.1～0.15 m，且衛(wèi)星具有極強(qiáng)的斜視能力。[4]

圖7 KH-11拍攝的蘇聯(lián)在建船舶圖像Fig.7 An image of Soviet ships under construction taken by a KH-11 spacecraft

(2)改進(jìn)型KH-11的成像性能。改進(jìn)型KH-11構(gòu)型與哈勃太空望遠(yuǎn)鏡(見圖8)相似。關(guān)于改進(jìn)型KH-11望遠(yuǎn)鏡的性能，可以做出下列推斷：①美國國家偵察局(NRO)于2012年向NASA轉(zhuǎn)交的兩臺KH-11望遠(yuǎn)鏡制造于1990年代末至2000年代初，其孔徑直徑/主鏡直徑與哈勃太空望遠(yuǎn)鏡完全一樣(2.40 m)。[4,18]從轉(zhuǎn)交時(shí)間與構(gòu)型分析，這兩臺望遠(yuǎn)鏡應(yīng)為改進(jìn)型；②NASA和大學(xué)的天文學(xué)家對NRO轉(zhuǎn)交的KH-11望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)性能進(jìn)行檢測后認(rèn)為，這兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡在對太陽系外行星探測和成像方面以及在搜尋暗能量證據(jù)方面的性能優(yōu)于哈勃望遠(yuǎn)鏡?？梢酝茰y，改進(jìn)型KH-11地面分辨率優(yōu)于原型KH-11，可能達(dá)到厘米級。[4]

圖8 哈勃太空望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)(孔徑2.40 m，焦距57.6 m)Fig.8 Schematic diagram of the Hubble Space Telescope spacecraft

2.2 天基紅外系統(tǒng)(SBIRS)

20世紀(jì)90年代中期，美國國防部選擇“天基紅外系統(tǒng)”(Space Based Infrared System，SBIRS)替代早期的導(dǎo)彈預(yù)警項(xiàng)目“國防支持計(jì)劃”(Defense Support Program，DSP)。SBIRS主要使命為導(dǎo)彈預(yù)警，導(dǎo)彈防御，戰(zhàn)事感知，以及技術(shù)情報(bào)采集。[19]SBIRS系統(tǒng)由地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)衛(wèi)星(4顆)，大橢圓軌道(Highly Elliptical Orbit，HEO)載荷(2顆)，DSP已有衛(wèi)星(2顆)以及地面處理系統(tǒng)與指揮控制中心組成。SBIRS星座標(biāo)稱構(gòu)型見圖9。[20]

圖9 “天基紅外系統(tǒng)”星座標(biāo)稱構(gòu)型Fig.9 SBIRS system constellation (nominal)

2.2.1 SBIRS GEO衛(wèi)星

GEO-1衛(wèi)星于2011年5月發(fā)射，2013年5月正式運(yùn)行工作。GEO-2衛(wèi)星于2013年3月發(fā)射，2013年11月正式運(yùn)行工作。GEO-3衛(wèi)星和GEO-4衛(wèi)星預(yù)計(jì)于2016-2017年發(fā)射。[21]SBIRS GEO衛(wèi)星關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組成見圖10。[20]

GEO衛(wèi)星特點(diǎn)如下：

(1)平臺在A2100基礎(chǔ)上研制，設(shè)計(jì)壽命12年，平均使命期9.8年。

(2)衛(wèi)星預(yù)計(jì)發(fā)射質(zhì)量約為4536 kg。

(3)采用三軸穩(wěn)定控制，指向精度為0.05°，太陽翼姿態(tài)可控。

(4)采用具有可重新載入的飛行軟件的RH-32抗輻射增強(qiáng)型單板計(jì)算機(jī)。

(5)砷化鎵太陽電池陣功率約為2800 W。

(6)GPS接收器具有可選擇對抗電子欺騙的運(yùn)作模式。

(7)衛(wèi)星載有掃描敏感器和凝視敏感器(質(zhì)量共453.6 kg)：①在短波紅外、中波紅外和熱紅外三種譜段成像；②Schmidt望遠(yuǎn)鏡具有雙重光學(xué)指向(掃描器和凝視器)；③靈活的精準(zhǔn)指向與控制；④被動式散熱。

(8)對常態(tài)運(yùn)行工作，或可存活運(yùn)行工作，或可持久運(yùn)行工作，均有安全的通信鏈路。[21,22]

圖10 “天基紅外系統(tǒng)”GEO衛(wèi)星關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組成Fig.10 Key components of Space Based Infrared System Geostationary Earth Orbit satellite

2.2.2 SBIRS HEO載荷

目前，HEO載荷已由三顆Trumpet Follow On衛(wèi)星搭載進(jìn)入閃電型軌道：①2006年6月28日HEO-1載荷由Trumpet Follow On-1(NROL-22)衛(wèi)星搭載發(fā)射，同年11月進(jìn)入傾角62.4°、近地點(diǎn)1101 km/遠(yuǎn)地點(diǎn)37 594 km預(yù)定軌道并完成初期測試，2008年11月正式運(yùn)作；②2008年3月13日HEO-2載荷由Trumpet Follow On-2(NROL-28)衛(wèi)星搭載發(fā)射，同年6月進(jìn)入傾角63.6°、近地點(diǎn)1112 km/遠(yuǎn)地點(diǎn)37 580 km預(yù)定軌道并完成初期測試，2009年8月正式運(yùn)行工作；③2014年12月13日HEO-3載荷由Trumpet Follow On 2-1(NROL-35)衛(wèi)星搭載發(fā)射，2015年5月進(jìn)入傾角62.8°、近地點(diǎn)2101 km/遠(yuǎn)地點(diǎn)37 748 km預(yù)定軌道并完成初期測試。[23-26]HEO載荷見圖11。[27]2008年6月11日HEO-2載荷在軌測試時(shí)拍攝的導(dǎo)彈發(fā)射紅外圖像見圖12。[28]

圖12 HEO-2載荷拍攝的導(dǎo)彈發(fā)射紅外影像Fig.12 Infrared image of missile launch taken by the Highly Elliptical Orbit-2

HEO載荷設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：

(1)HEO載荷在閃電型軌道上，可探測來自北極區(qū)域的導(dǎo)彈發(fā)射信號并執(zhí)行其他紅外探測任務(wù)。

(2)紅外載荷(含掃描型紅外敏感器)質(zhì)量約為272 kg：①在短波紅外、中波紅外和熱紅外三種譜段成像；②采用具有雙軸驅(qū)動的Schmidt型望遠(yuǎn)鏡；③靈活的精準(zhǔn)指向與控制，并對發(fā)射地點(diǎn)、軌跡和彈著點(diǎn)進(jìn)行精確紅外報(bào)告。

(3)戰(zhàn)略和戰(zhàn)區(qū)監(jiān)視：數(shù)據(jù)下傳速率為100 Mbit/s。[27]

2.3 Ikonos-2

1999年9月24日，Ikonos-2由雅典娜-2型(Athena-2)火箭成功發(fā)射(之前1999年4月27日Ikonos-1發(fā)射失敗)，是世界上第一顆用于采集0.82 m分辨率(全色)圖像和3.2 m分辨率(多光譜)圖像的商業(yè)衛(wèi)星。[29-30]

Ikonos-2衛(wèi)星采用LM900平臺。衛(wèi)星相機(jī)為光學(xué)敏感器組件(Optical Sensor Assembly，OSA)，采用Korsch型望遠(yuǎn)鏡，3個(gè)凹面反射鏡附加2個(gè)平面反射鏡“折疊”望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部光路，從而減小相機(jī)尺寸并減輕重量。成像敏感器采用大面積焦平面CCD陣列。[31]

Ikonos-2衛(wèi)星參數(shù)和空間相機(jī)性能指標(biāo)分別見表2和表3。[29-31]Ikonos-2衛(wèi)星結(jié)構(gòu)見圖13，相機(jī)結(jié)構(gòu)見圖14，衛(wèi)星拍攝的照片見圖15。[31]

表2 Ikonos-2衛(wèi)星性能參數(shù)

注：CE90表示置信度90%的圓誤差。

表3 OSA設(shè)備性能指標(biāo)

續(xù) 表

圖13 Ikonos-2衛(wèi)星結(jié)構(gòu)Fig.13 Ikonos-2 spacecraft

圖14 OSA望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)示意圖Fig.14 Schematic view of the OSA telescope system

圖15 Ikonos-2衛(wèi)星拍攝的舊金山城市照片F(xiàn)ig.15 Image taken by Ikonos-2 satellite showing downtown San Francisco

2.4 DigitalGlobe遙感衛(wèi)星

目前DigitalGlobe Constellation由QuickBird-2、GeoEye-1以及WorldView-1/2/3五顆衛(wèi)星組成。

2.4.1 QuickBird-2

2001年10月18日，美國DigitalGlobe公司的QuickBird-2衛(wèi)星由Delta-II火箭成功發(fā)射(之前2000年11月20日QuickBird-1衛(wèi)星發(fā)射失敗)。2015年1月27日，QuickBird-2衛(wèi)星經(jīng)過13年在軌運(yùn)行后再入地球大氣。[32]

QuickBird-2采用Ball宇航科技公司(Ball Aero-space & Technologies Corporation，BATC)設(shè)計(jì)的Ball商業(yè)平臺(Ball Commercial Platform 2000，BCP 2000)，平臺為三軸穩(wěn)定設(shè)計(jì)。衛(wèi)星載有Ball全球成像系統(tǒng)(Ball Global Imaging System 2000，BGIS 2000)，采用平臺(BCP 2000)與載荷(BGIS 2000)一體化設(shè)計(jì)。空間相機(jī)為Ball高分辨率相機(jī)(Ball High Resolution Camera 60，BHRC 60)，由光學(xué)系統(tǒng)、焦平面單元(Focal Plane Unit，F(xiàn)PU)和數(shù)字處理單元(Digital Processing Unit，DPU)組成。其中，F(xiàn)PU和DPU采用和Ikonos-2相同的設(shè)計(jì)，由Kodak公司研制，尺寸有所不同。[33-34]

QuickBird-2衛(wèi)星參數(shù)和相機(jī)性能指標(biāo)分別見表4和表5。[34-36]QuickBird-2衛(wèi)星結(jié)構(gòu)見圖16，拍攝的照片見圖17。[34-37]

表4 QuickBird-2衛(wèi)星參數(shù)

續(xù) 表

注:LE90表示置信度90%的線性誤差。

表5 BHRC 60相機(jī)性能指標(biāo)

圖16 QuickBird-2衛(wèi)星示意圖Fig.16 Sketch drawing of the QuickBird-2 spacecraft

圖17 QuickBird-2拍攝的自然色圖像Fig.17 QuickBird-2's nature color image

2.4.2 GeoEye-1

GeoEye-1衛(wèi)星(前身為OrbView-5)是GeoEye商業(yè)成像公司(2013年被DigitalGlobe公司并購)的衛(wèi)星，于2008年9月6日由Delta-II運(yùn)載火箭成功發(fā)射，在軌工作可獲得地面分辨率為0.41 m的全色以及1.65 m的多光譜圖像。[38]

GeoEye-1衛(wèi)星由SA-200HP平臺和新一代光學(xué)載荷組成。衛(wèi)星平臺由General Dynamics/C4 Systems公司(前身為Spectrum Astro)設(shè)計(jì)，具有高精度的姿態(tài)敏感器件。[39]衛(wèi)星所載的GeoEye成像系統(tǒng)(GeoEye Imaging System，GIS)由ITT空間系統(tǒng)部門(ITT Space Systems Division)研制，由光學(xué)系統(tǒng)、焦平面單元以及數(shù)字電子系統(tǒng)組成。[40]

GeoEye-1衛(wèi)星參數(shù)和相機(jī)性能指標(biāo)分別見表6和表7。[39-40]衛(wèi)星示意圖見圖18，光學(xué)單元艙段見圖19，衛(wèi)星拍攝的北京機(jī)場影像圖見圖20。[40-41]

表6 GeoEye-1性能參數(shù)

續(xù) 表

表7 GIS相機(jī)性能指標(biāo)

圖18 GeoEye-1衛(wèi)星示意圖Fig.18 Artist`s view of the GeoEye-1 spacecraft

圖19 GeoEye-1衛(wèi)星光學(xué)單元艙段Fig.19 Accommodation of optical units on the GeoEye-1 spacecraft

圖20 GeoEye-1拍攝的北京機(jī)場影像圖Fig.20 An image of Beijing airport taken by GeoEye-1

2.4.3 WorldView系列

WorldView系列是美國NextView計(jì)劃的重要組成部分，該計(jì)劃是由美國國家地理空間情報(bào)局(National Geospatial Intelligence Agency，NGA)發(fā)起的一項(xiàng)軍民兩用對地觀測計(jì)劃，除為 Google、Microsoft、DigitalGlobe等公司提供高品質(zhì)商業(yè)圖像外，還為美國情報(bào)部門提供高分辨率軍用圖像信息。目前在軌的有WorldView-1/2/3，WorldView-4原計(jì)劃于2016年中期發(fā)射。

2.4.3.1 WorldView-1/2

WorldView-1和WorldView-2衛(wèi)星分別于2007年9月和2009年10月發(fā)射，均采用 BATC研制的BCP-5000衛(wèi)星平臺。[42-43]WorldView-1衛(wèi)星僅能全色成像，配備控制力矩陀螺以及星敏感器、高精度陀螺和GPS接收機(jī)等姿態(tài)軌道測定/控制設(shè)備，可獲得較強(qiáng)的星體指向能力(±45°)。WorldView-2衛(wèi)星除全色成像外還增加8個(gè)多光譜成像譜段，衛(wèi)星重訪周期較WorldView-1短。WorldView-1和WorldView-2所載的相機(jī)分別為WV60(WorldView-60 camera)和WV110(WorldView-110 camera)。WV60相機(jī)由BATC研制，由光學(xué)系統(tǒng)、焦平面單元(FPU)和數(shù)字處理單元(DPU)組成，用于繪制精確的地圖，檢出地形、地物變化，以及對圖像進(jìn)行深度分析。其中，F(xiàn)PU和DPU由ITT空間系統(tǒng)部門設(shè)計(jì)，光學(xué)系統(tǒng)采用與QuickBird-2相同的設(shè)計(jì)。[44]WV110全部由ITT空間系統(tǒng)部門研制，相比WV60增加多光譜成像能力。[45]

WorldView-1/2所載相機(jī)性能指標(biāo)見表8。[44-45]WorldView-1/2通用衛(wèi)星平臺見圖21，WorldView-2在軌展開構(gòu)型見圖22。[37,46]WorldView-1/2拍攝的照片分別見圖23和24。[44-45]

表8 WV-60/110相機(jī)性能指標(biāo)

續(xù) 表

圖21 WorldView-1/2通用衛(wèi)星平臺Fig.21 Common spacecraft bus of WorldView-1/2

圖22 WorldView-2主要結(jié)構(gòu)組成Fig.22 Primary components of the WorldView-2 satellite

圖23 WorldView-1拍攝的游輪特寫圖像Fig.23 Closeup image of cruise ship Costa Concodia taken by WorldView-1 WV60 camera

圖24 WorldView-2拍攝的日本地震核泄漏的福島核電站Fig.24 WorldView-2 image of the Fukushima Daiichi nuclear power plant

2.4.3.2 WorldView-3

WorldView-3于2014年8月13日發(fā)射，是一顆多負(fù)載、高光譜、高分辨率的商業(yè)衛(wèi)星。[47]WorldView-3在WorldView-1和WorldView-2基礎(chǔ)上繼續(xù)提升技術(shù)水平，光譜譜段附加CAVIS(Clouds,Aerosols,Vapors,Ice,and Snow)譜段，可在存在霧霾、煤煙、粉塵或其他遮蔽物時(shí)還原真實(shí)地物信息。衛(wèi)星平臺在BCP 5000基礎(chǔ)上改進(jìn)，由BATC和ITT公司研制。WorldView-3所載光學(xué)相機(jī)WV-3 Imager由ITT Exelis研制。

WorldView-3所載相機(jī)性能指標(biāo)見表9。[48]圖25為WorldView-3于2014年9月19日拍攝的迪拜(Dubai)哈利法塔(Burj Khalifa)的彩色圖像(地面分辨率0.4 m)，網(wǎng)球場上方燈具投射的影子清晰可辨。[49]

圖25 WorldView-3拍攝的迪拜哈利法塔照片F(xiàn)ig.25 WorldView-3 image of the Burj Khalifa in Dubai

2.4.3.3 WorldView-1/2/3比較

WorldView系列衛(wèi)星性能參數(shù)比較見表10。WorldView系列衛(wèi)星示意圖見圖26。[42-43,47]圖27為WorldView系列衛(wèi)星采用的控制力矩陀螺M-95 CMG，

質(zhì)量(含隔振系統(tǒng)和電子儀器設(shè)備)為261.6 kg，最大力矩為6.1 Nm，使衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動能力大幅度提高，由采用反作用輪時(shí)的30～45 s改進(jìn)到只需要4～5 s。[45]

表9 WV-3相機(jī)性能指標(biāo)

圖26 WorldView系列衛(wèi)星示意圖Fig.26 Artist rendering of WorldView

圖27 BATC M-95控制力矩陀螺四面體構(gòu)型Fig.27 Photo of the BATC M-95 CMG four-wheel pyramid configuration

2.4.3.4 WorldView-4

WorldView-4衛(wèi)星為原計(jì)劃于2013年發(fā)射的GeoEye-2衛(wèi)星。GeoEye商業(yè)成像公司于2007年10月提出GeoEye-2計(jì)劃，并和ITT公司以及洛馬公司合作研制。[50]2013年2月1日，DigitalGlobe公司對GeoEye公司進(jìn)行并購，GeoEye-2在完成制造和檢測之后推遲發(fā)射。2014年7月31日，DigitalGlobe公司將GeoEye-2衛(wèi)星更名為WorldView-4，原計(jì)劃于2016年中期發(fā)射。

衛(wèi)星采用LM-900改進(jìn)型平臺，相機(jī)為ITT Exelis研制的GeoEye成像系統(tǒng)2型(GeoEye Imaging System-2，GIS-2)，主鏡直徑為1.1 m。WorldView-4衛(wèi)星設(shè)計(jì)參數(shù)見表11，衛(wèi)星示意圖見圖28。[51]

表11 WorldView-4衛(wèi)星設(shè)計(jì)參數(shù)

續(xù) 表

圖28 WorldView-4衛(wèi)星示意圖Fig.28 Artist rendering of WorldView-4

2.5 SkySat星座

SkySat-1和SkySat-2是Skybox Imaging公司研制的高分辨率成像小型衛(wèi)星。SkySat-1于2013年11月21日發(fā)射，SkySat-2于2014年7月8日發(fā)射。兩顆SkySat衛(wèi)星均可拍攝地面分辨率(全色)為0.9 m的圖像和1.1 m的高清視頻。未來發(fā)射的衛(wèi)星將采用較低軌道高度以獲取0.7 m的地面分辨率(全色)。預(yù)計(jì)至2017年，將建成24顆衛(wèi)星組成的星座，可實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的商業(yè)成像。目前，SkySat-1/2無主動推進(jìn)系統(tǒng)，但該星座未來發(fā)射的衛(wèi)星將包含推進(jìn)系統(tǒng)。[52-53]

SkySat衛(wèi)星采用 “推幀”方式成像，并且借助地基“數(shù)字延時(shí)積分”(Digital TDI)技術(shù)，對同一地面位置獲取多幀粗/原始圖像，每一單幀的曝光時(shí)間僅為TDI系統(tǒng)積分時(shí)間內(nèi)的一小部分(約400 μs)，單幀圖像信噪比低于整個(gè)TDI系統(tǒng)成像，從而可減少衛(wèi)星平臺指向要求(指向穩(wěn)定度需700 rad/s)。然而，CMOS敏感器可以高幀率對每個(gè)地面位置多次采樣，把原始照片壓縮成JPEG2000存儲或發(fā)送給地面，之后再通過地基圖像處理算法改進(jìn)原始數(shù)據(jù)，并通過多幀數(shù)據(jù)融合提高圖像信噪比和地面分辨率。這樣，既可避開CMOS成像弱點(diǎn)，又可將部分?jǐn)?shù)據(jù)處理任務(wù)從星上轉(zhuǎn)移到地面，減輕星上負(fù)擔(dān)。[54]

SkySat-1/2衛(wèi)星參數(shù)和空間相機(jī)性能指標(biāo)分別見表12和表13。[55-56]SkySat衛(wèi)星示意見圖29，衛(wèi)星數(shù)字TDI技術(shù)見圖30。[54-55]SkySat-1/2拍攝的照片分別見31和32。[55]

表12 SkySat-1/2衛(wèi)星參數(shù)

表13 SkySat光學(xué)相機(jī)性能指標(biāo)

圖29 SkySat衛(wèi)星展開構(gòu)型Fig.29 SkySat deployed configuration

注：detector為探測器；PAN為全色；blue為藍(lán)色；green為綠色；red為紅色；NIR為近紅外。圖30 SkySat-1采用的數(shù)字延時(shí)積分技術(shù)Fig.30 Digital TDI concept utilized by SkySat-1

圖31 SkySat-1拍攝的比頓公園Fig.31 SkySat-1 image of Beaton Park in Perth

圖32 SkySat-2拍攝的海地太子港Fig.32 SkySat-2 image of Port-au-Prince,Haiti

2.6 MOIRE計(jì)劃

2010年3月，美國國防部先進(jìn)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)提出“實(shí)時(shí)探測薄膜光學(xué)成像儀”(Membrane Optical Imager for Real-time Exploitation，MOIRE)計(jì)劃，研發(fā)在地球靜止軌道高度拍攝實(shí)時(shí)視頻和圖像的高分光學(xué)星，MOIRE由Ball宇航科技公司研制。設(shè)計(jì)指標(biāo)為：以1 m地面分辨率集中觀測10 km×10 km的地球表面，并提供1幀每秒的實(shí)時(shí)視頻，數(shù)據(jù)下傳速率為400 Mbit/s。[57]

MOIRE計(jì)劃采用薄膜展開技術(shù)，利用薄膜衍射光學(xué)器件以獲得1 m的地面分辨率。MOIRE光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量僅為同等分辨率的傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的1/7。MOIRE采用衍射光學(xué)成像，將薄膜作為可透射的衍射光學(xué)元件(Diffractive Optical Element，DOE)，降低薄膜表面形狀的控制要求。[58]

MOIRE計(jì)劃的第一階段驗(yàn)證項(xiàng)目設(shè)計(jì)理論，已于2011年9月完成。第二階段分為三部分：①尋求降低衍射光學(xué)成像系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的方法；②研制原型機(jī)的一段主要光學(xué)器件以及所需要的第二級光學(xué)器件，并在地面試驗(yàn)中驗(yàn)證光學(xué)分系統(tǒng)；③通過美國空軍學(xué)院的獵鷹衛(wèi)星-7(FalconSAT-7)項(xiàng)目進(jìn)行光學(xué)薄膜成像技術(shù)的在軌試驗(yàn)。[59]

2013年該項(xiàng)目已成功驗(yàn)證地面原型機(jī)的主要技術(shù)，替代玻璃鏡片的聚合物薄膜采用NeXolve公司制造的Novastrat 905，并進(jìn)行材料基本特性測試。地面試驗(yàn)中MOIRE采用一種輕質(zhì)薄膜鏡片，這種鏡片經(jīng)受過衍射圖樣蝕刻處理且每一鏡片均為Fresnel透鏡。正式運(yùn)行時(shí)，發(fā)射段薄膜裝在薄金屬制成的框架內(nèi)，折疊構(gòu)型直徑為6.1 m；入軌后展開框架構(gòu)成多透鏡光學(xué)系統(tǒng)，主鏡直徑為20 m。[60]

MOIRE試驗(yàn)和運(yùn)行階段設(shè)計(jì)參數(shù)見表14。[58]MOIRE在軌展開示意圖見圖33，主鏡展開后，MOIRE望遠(yuǎn)鏡與天文望遠(yuǎn)鏡尺寸對比見圖34。[57]

表14 MOIRE試驗(yàn)和運(yùn)作階段設(shè)計(jì)參數(shù)

圖33 MOIRE在軌展開示意圖Fig.33 Illustration of the deployed MOIRE

圖34 MOIRE望遠(yuǎn)鏡與天文望遠(yuǎn)鏡尺寸對比Fig.34 Comparison in sizes between MOIRE telescope and space telescopes

2.7 美國納衛(wèi)星/立方星

NRO、空軍以及NASA已對立方星的研制進(jìn)行投資。2007年，NRO先進(jìn)系統(tǒng)與技術(shù)部(Advanced Systems and Technology，AS&T)和NASA評估認(rèn)為立方星技術(shù)成熟，可為政府計(jì)劃發(fā)揮效用，并成立立方星項(xiàng)目辦公室。2008年，AS&T成功論證“創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)啟動”項(xiàng)目(Innovative Experiments Initiative，IEI)，開展立方星的研制與技術(shù)開發(fā)。

2.7.1 QbX項(xiàng)目

美國NRO提出立方星試驗(yàn)(CubeSat Experiment，QbX)項(xiàng)目旨在研制通用型納衛(wèi)星平臺，用于在軌試驗(yàn)與技術(shù)研發(fā)。該項(xiàng)目已發(fā)射兩顆3U立方星QbX 1和QbX 2，進(jìn)行立方星天線系統(tǒng)、電源系統(tǒng)以及姿態(tài)測定/控制系統(tǒng)的在軌試驗(yàn)。2010年12月8日，QbX 1和QbX 2由Falcon 9運(yùn)載火箭發(fā)射，之后分別在軌運(yùn)作29天和39天。兩顆立方星均采用Pumpkin公司研制的XS-25a平臺。[61]衛(wèi)星利用4塊展開后的太陽翼作為氣動翼，提供速度方向的修正力矩，并結(jié)合馬里蘭宇航公司(Maryland Aerospace Inc，MAI)的微型反作用輪和磁力矩器獲得姿態(tài)穩(wěn)定控制。[62]

2.7.2 Flock系列星座

Flock系列星座由行星實(shí)驗(yàn)室(Planet Labs)公司研制和運(yùn)營，目前成功發(fā)射以下星座：Flock-1，F(xiàn)lock-1b，F(xiàn)lock-1c，F(xiàn)lock-1d’，F(xiàn)lock-1e以及Flock-2b。[63]每個(gè)星座由多顆納衛(wèi)星組成，每顆納衛(wèi)星采用3U立方星結(jié)構(gòu)，在該公司試驗(yàn)星Dove基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。[64]衛(wèi)星星座可在軌提供地面分辨率為3～5 m的多光譜圖像。預(yù)計(jì)于2016年建成完整星座(150～200顆衛(wèi)星)，每周至少一次實(shí)現(xiàn)全球區(qū)域成像。Flock星座可由火箭搭載直接釋放入軌，或預(yù)先轉(zhuǎn)運(yùn)至“國際空間站”(ISS)，通過希望號日本實(shí)驗(yàn)艙(Kibo Module)的遙控操縱系統(tǒng)(JEM-Remote Manipulator System，JEMRMS)控制NanoRacks系統(tǒng)布放納衛(wèi)星。[65]

Flock系列星座在軌運(yùn)行情況如下：①2014年1月9日，F(xiàn)lock-1星座共28顆衛(wèi)星搭載于天鵝座(Cygnus)貨運(yùn)飛船Orb-1轉(zhuǎn)運(yùn)到“國際空間站”。2014年2月11日開始每次布放兩顆衛(wèi)星，至2月28日全部部署完成，同年5月至10月該星座衛(wèi)星已全部再入地球大氣；②2014年7月13日，F(xiàn)lock-1b的28顆衛(wèi)星搭載于天鵝座貨運(yùn)飛船Orb-2運(yùn)往“國際空間站”。其中6顆衛(wèi)星由于展開機(jī)構(gòu)問題由龍(Dragon)SpX-5飛船搭載返回地面，其他衛(wèi)星于2014年8月19日開始布放，至2015年3月5日完成布放，到2015年8月仍有8顆衛(wèi)星在軌運(yùn)行；③2014年6月19日，F(xiàn)lock-1c星座(11顆衛(wèi)星)由Dnepr火箭搭載發(fā)射，進(jìn)入近地點(diǎn)602 km/遠(yuǎn)地點(diǎn)622 km的太陽同步軌道；④2014年10月28日，載有Flock-1d星座(26顆衛(wèi)星)的天鵝座Orb-3發(fā)射失敗；⑤2015年1月6日，F(xiàn)lock-1d’兩顆衛(wèi)星由Dragon SpX-5搭載進(jìn)入“國際空間站”并在同年3月3日完成部署；⑥2015年4月14日，F(xiàn)lock-1e星座(14顆衛(wèi)星)由Dragon SpX-6搭載發(fā)射并轉(zhuǎn)運(yùn)至“國際空間站”，從2015年7月13日至16日布放；⑦2015年6月28日，載有Flock-1f星座(8顆衛(wèi)星)的Dragon SpX-7發(fā)射失敗；⑧2015年10月13日，F(xiàn)lock-2b星座由“國際空間站”布放并進(jìn)行技術(shù)試驗(yàn)，該星座衛(wèi)星在Flock-1基礎(chǔ)上增加近紅外譜段。[63,65-66]

Flock-1星座衛(wèi)星參數(shù)見表15。[63,65-67]Dove衛(wèi)星平臺和相機(jī)示意圖見圖35，F(xiàn)lock-1星座衛(wèi)星在軌示意圖見圖36，F(xiàn)lock-1星座衛(wèi)星拍攝的圖片見圖37。[64-65]

表15 Flock-1系列星座衛(wèi)星參數(shù)

圖35 Dove-1納衛(wèi)星示意圖Fig.35 Illustration of the Dove-1 nanosatellite

圖36 Flock-1星座納衛(wèi)星在軌完全展開示意圖Fig.36 Illustration of a fully deployed Flock-1nanosatellite

圖37 Flock-1星座衛(wèi)星拍攝的內(nèi)蒙古鄂爾多斯城市圖片F(xiàn)ig.37 Flock-1 image showing the city of Erdos in Inner Mongolia

2.7.3 MISC計(jì)劃

2009年4月，NRO解密“微型成像航天器”(Miniature Imaging Spacecraft，MISC)計(jì)劃，并對外宣布已有12顆立方星在“創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)啟動”項(xiàng)目下制造。衛(wèi)星采用與QbX試驗(yàn)衛(wèi)星相同平臺，有效載荷為Pumpkin公司研制的相機(jī)CubeSat Kit Imager Payload 600-75-16-VIS，可在540 km軌道高度獲取地面分辨率為7.5 m的多光譜圖像。MISC為商業(yè)成像立方星星座，并可對外出售單顆衛(wèi)星。[68]

MISC衛(wèi)星設(shè)計(jì)參數(shù)見表16，相機(jī)性能指標(biāo)見表17。[68]衛(wèi)星平臺和相機(jī)示意圖見圖38。[68-69]

表16 MISC設(shè)計(jì)參數(shù)

續(xù) 表

表17 MISC所載相機(jī)性能指標(biāo)

圖38 MISC平臺和相機(jī)示意圖Fig.38 Illustration of the MISC spacecraft bus system and imager payload

2.7.4 Andrews Space公司立方星計(jì)劃

美國Andrews Space公司正在研制用于對地觀測的6U立方星，在450 km軌道高度可獲取地面分辨率約3.5 m的圖像。衛(wèi)星采用SENTRY平臺，所載相機(jī)采用卡塞格倫(Cassegrain)望遠(yuǎn)鏡，孔徑9 cm，焦距1.2 m。衛(wèi)星配置控制力矩陀螺獲得星體指向能力，35顆立方星構(gòu)成的星座覆蓋全球，重訪周期僅為60 min。Andrews Space公司研制的6U立方星設(shè)計(jì)參數(shù)見表18。納衛(wèi)星構(gòu)型見圖39，SENTRY平臺結(jié)構(gòu)見圖40。[70]

表18 立方星設(shè)計(jì)參數(shù)

圖39 成像納衛(wèi)星構(gòu)型Fig.39 Spacecraft configuration of imaging nanosat

圖40 SENTRY平臺結(jié)構(gòu)Fig.40 SENTRY bus configuration

3 加拿大

加拿大對地觀測衛(wèi)星以合成孔徑雷達(dá)成像衛(wèi)星為主，光學(xué)圖像數(shù)據(jù)基本來自于美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)。加拿大光學(xué)衛(wèi)星主要應(yīng)用于近地空間探測，即對高軌道空間碎片和衛(wèi)星以及近地小天體進(jìn)行軌道跟蹤和監(jiān)測，為空間環(huán)境安全性評估提供相關(guān)數(shù)據(jù)。此外，加拿大UrtheCast公司于2013年將兩臺相機(jī)安置于與“國際空間站”Zvezda服務(wù)艙段連接的平臺上，可拍攝地面分辨率為1m的高清視頻以及6 m的多光譜圖像。[71]藍(lán)寶石(Sapphire)軍用衛(wèi)星和近地天體監(jiān)測衛(wèi)星(Near-Earth Object Surveillance Satellite，NEOSSat)于2013年2月25日由印度極軌衛(wèi)星運(yùn)載火箭-C20(PSLV-C20)同時(shí)搭載，進(jìn)入高度786 km的太陽同步軌道。極地通信氣象衛(wèi)星(PCW)計(jì)劃于2008年提出，2009年完成技術(shù)可行性評估，預(yù)計(jì)PCW兩顆衛(wèi)星分別于2016年8月和11月發(fā)射，2017年正式運(yùn)行工作。

3.1 藍(lán)寶石(Sapphire)

Sapphire衛(wèi)星為加拿大空間監(jiān)測系統(tǒng)(Canadian Space Surveillance System，CSSS)的核心，用來跟蹤定位軌道高度在6000～40 000 km范圍內(nèi)的空間碎片。衛(wèi)星每天可在軌處理360個(gè)常駐空間物體(Resident Space Object，RSO)目標(biāo)，對每個(gè)RSO目標(biāo)平均生成8幅照片。[72]

衛(wèi)星由英國Surrey衛(wèi)星科技有限公司研制，采用SSTL-150平臺結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星質(zhì)量為148 kg。衛(wèi)星有效載荷為光學(xué)成像分系統(tǒng)(Optical Imaging Subsystem，OIS)和數(shù)據(jù)處理與控制分系統(tǒng)(Data Handling and Control Subsystem，DHCS)。其中，OIS采用三鏡消像散(TMA)光學(xué)系統(tǒng)，孔徑直徑為0.15 m，成像敏感器為CCD。相機(jī)主鏡外殼和鏡片基座采用全鋁制作。Sapphire衛(wèi)星構(gòu)型見圖41。[72]

圖41 Sapphire構(gòu)型示意圖Fig.41 Illustration of the Sapphire spacecraft configuration

3.2 近地天體監(jiān)測衛(wèi)星(NEOSSat)

NEOSSat用于跟蹤觀測近地小天體和地球高軌衛(wèi)星與碎片，更新其軌道參數(shù)信息，以驗(yàn)證小衛(wèi)星對15 000～40 000 km高度的物體提供度量(位置/時(shí)間)數(shù)據(jù)的能力。衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量為74 kg，所載相機(jī)采用Rumak-Maksutov Cassegrain望遠(yuǎn)鏡，成像敏感器為CCD，每天對RSO共拍攝300張照片。NEOSSat衛(wèi)星示意圖見圖42。[73]

圖42 NEOSSat小衛(wèi)星示意圖Fig.42 Illustration of the NEOSSat microsatellite

3.3 極地通信氣象衛(wèi)星(PCW)

極地通信氣象衛(wèi)星(Polar Communications & Weather，PCW)由加拿大空間局(CSA)、加拿大環(huán)境部門(Environment Canada)和加拿大國防部聯(lián)合研制。衛(wèi)星主要對北極地區(qū)進(jìn)行探測，同時(shí)提供高緯度(70° N)地區(qū)的穩(wěn)定通信和導(dǎo)航以及高時(shí)間/空間分辨率氣象數(shù)據(jù)。[74]

PCW觀測系統(tǒng)由兩顆位于不同軌道平面的衛(wèi)星組成，成像區(qū)域在北緯50°～90°之間，軌道采用臨界傾角大橢圓軌道(“閃電”型)。由于衛(wèi)星在遠(yuǎn)地點(diǎn)運(yùn)行速度慢，在近12小時(shí)周期內(nèi)有8小時(shí)以上運(yùn)行

于遠(yuǎn)地點(diǎn)附近的軌道段，可長時(shí)間對極地附近高緯地區(qū)進(jìn)行觀測。衛(wèi)星載有雙向Ka頻段高速通信載荷，光學(xué)相機(jī)以及空間氣象探測儀。其中，光學(xué)相機(jī)在可見光/近紅外和紅外共20個(gè)譜段成像，可見光/近紅外成像分辨率為0.5～1 km(折合低軌分辨率約7.5～15 m)，紅外成像分辨率為2 km(折合低軌分辨率約30 m)。[74]

PCW衛(wèi)星設(shè)計(jì)參數(shù)見表19。衛(wèi)星初期設(shè)計(jì)概念圖見圖43，PCW星座示意圖見圖44[74]。

表19 PCW衛(wèi)星設(shè)計(jì)參數(shù)

圖43 PCW衛(wèi)星初期設(shè)計(jì)概念圖Fig.43 PCW preliminary spacecraft concept

圖44 PCW星座示意圖Fig.44 Illustration of the PCW constellation

4 結(jié)束語

美國高分光學(xué)星技術(shù)(包括空間/時(shí)間/光譜分辨率，立體成像能力，定位精度，成像速度等)處于世界領(lǐng)先地位。KH-11雖然體積和質(zhì)量都相對較大，但可提供優(yōu)至0.1 m的地面分辨率；天基紅外系統(tǒng)(SBIRS)可用于導(dǎo)彈預(yù)警和戰(zhàn)事感知。以WorldView系列(地面分辨率0.31 m)為代表的商業(yè)成像衛(wèi)星在民事與軍事領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。研制中的地球靜止軌道高分光學(xué)星MOIRE設(shè)計(jì)地面分辨率達(dá)到1 m，是高分光學(xué)星技術(shù)與應(yīng)用的重大進(jìn)展。此外，美國也高度關(guān)注小衛(wèi)星(如SkySat)與納衛(wèi)星(如立方星)星座的研發(fā)與應(yīng)用。加拿大光學(xué)衛(wèi)星主要用于空間碎片與近地小天體的監(jiān)測；此外，用于極地氣象服務(wù)的光學(xué)相機(jī)已基本研制成功。

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(編輯：李多)

Global High-resolution Optical Satellite Overview (1): USA and Canada

ZHU Renzhang1CONG Yuntian1,2WANG Hongfang3XU Yujie1,4BAI Zhaoguang3

(1 Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China) (2 China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China) (3 DFH Satellite Co. Ltd.,Beijing 100094,China) (4 Beijing Orient Institute for Measurement and Test,Beijing 100029,China)

At present America has world-leading level in high-resolution optical satellites. Among these satellites,KeyHole-11,which can collect images of 0.1-meter panchromatic resolution,and Space Based Infrared System are used mainly for military purposes. DigitalGlobe Constellation which consists of QuickBird-2,GeoEye-1 and WorldView series,is main commercial remote sensing satellites,which can achieve 0.31-meter panchromatic resolution. Now a geostationary optical satellite, which can provide real-time video and images of the Earth with 1-meter resolution, is under development. In addition,America also highly values the development and application of small satellite constellation and nanosat/CubeSat constellation. In Canada,optical satellites are currently being applied to space debris and near-Earth object surveillance,and optical camera for polar weather service has been developed. In this paper,both American and Canadian high-resolution optical satellites are analyzed,including their operation,technology and trends.

American satellite；Canadian satellite；high-resolution optical satellite

2015-06-23；

2015-10-20

朱仁璋，男，慕尼黑工業(yè)大學(xué)博士，北京航空航天大學(xué)教授。Email：renzhang.zhu@tom.com。

V474.2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.06.015