“高分二號”衛(wèi)星遙感技術

潘騰 關暉 賀瑋

（中國空間技術研究院總體部，北京 100094）

0 引言

“高分二號”（GF-2）衛(wèi)星采用資源衛(wèi)星CS-L3000A平臺[1]，裝載2臺1m全色/4m多光譜相機，整星質(zhì)量為2 100kg。衛(wèi)星運行在631.569km的太陽同步軌道上，為用戶提供最高全色分辨率為0.8m、多光譜分辨率為3.2m、幅寬為45km的圖像數(shù)據(jù)[1]。GF-2衛(wèi)星可以為用戶提供高精度的對地觀測數(shù)據(jù)，能夠滿足用戶多行業(yè)的應用需求，對引領中國民用高分辨率衛(wèi)星應用具有重要的示范作用。

1 衛(wèi)星簡介

1.1 觀測任務分析

GF-2衛(wèi)星工程是高分專項中實現(xiàn)“與其他中、低分辨率地面覆蓋觀測手段結(jié)合，形成時空協(xié)調(diào)、全天候、全天時的對地觀測系統(tǒng)”這一目標的基礎和主要組成部分。主要用于實現(xiàn)土地、地質(zhì)、住建、交通、林業(yè)等領域精細化的業(yè)務應用，同時推進衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務于防災救災、國家安全、電子政務、水利工程安全監(jiān)測、地震、統(tǒng)計、測繪、海洋等業(yè)務及首都圈、新疆等區(qū)域的應用[2]。

上述要求的實現(xiàn)，需要衛(wèi)星的地面分辨率達到米級，同時具有足夠的幅寬以滿足中型城市監(jiān)測及資源調(diào)查業(yè)務的需要；根據(jù)項目需求，將相機的譜段設置為4個多光譜譜段和1個全色譜段，譜段范圍為0.45～0.90μm，根據(jù)空間分辨率和刈幅的要求，確定選擇2臺推掃成像的TDICCD相機可同時滿足分辨率和刈幅的要求。

為了實現(xiàn)對地質(zhì)災害的監(jiān)測并滿足快速應急的需求，需要衛(wèi)星姿態(tài)控制方面具有快速機動能力。對于特定目標的監(jiān)測任務，需要衛(wèi)星的運行軌跡具有在一定時間內(nèi)可以重復覆蓋并且重訪周期較??；衛(wèi)星運行期間，主要觀測國內(nèi)目標，為國家的經(jīng)濟建設服務，同時為了滿足國家安全的使用需求，應兼顧觀測境外地區(qū)，因此需要衛(wèi)星能夠覆蓋全球大部分地區(qū)。對此，將軌道設計成星下點成像可以實現(xiàn)無縫覆蓋的回歸軌道。

1.2 任務特點

GF-2衛(wèi)星作為高分辨率遙感衛(wèi)星，具有如下任務特點：1）高分辨率+大幅寬，GF-2衛(wèi)星作為高分專項中實現(xiàn)與其他中、低分辨率觀測手段結(jié)合的主要組成部分，需要完成高分辨率數(shù)據(jù)的獲取，同時提供較大幅寬；2）高定位精度，衛(wèi)星實現(xiàn)米級分辨率滿足業(yè)務需求，需要高定位精度完成圖像應用；3）高整星機動能力，為了能夠更加靈活地使用和選擇觀測區(qū)域，衛(wèi)星需要設計高機動能力以滿足多角度側(cè)擺觀測；4）衛(wèi)星壽命長，相比以往3～5年的壽命設計，GF-2衛(wèi)星采用5～8年的長壽命設計方案，以滿足長期在軌的業(yè)務需求。

1.3 方案概述

GF-2衛(wèi)星是一顆三軸穩(wěn)定的對地觀測衛(wèi)星，衛(wèi)星由有效載荷和服務系統(tǒng)兩部分組成。有效載荷包括2臺相同的全色多光譜高分辨率相機、數(shù)傳、數(shù)傳天線和數(shù)據(jù)記錄分系統(tǒng)；服務系統(tǒng)為有效載荷提供供電、溫控、安裝、測控和姿態(tài)軌道控制等支持，主要由結(jié)構(gòu)、控制、推進、電源、總體電路、熱控、數(shù)管、測控、力學環(huán)境測量等分系統(tǒng)組成。

GF-2相機分系統(tǒng)由2臺相同的1m全色/4m多光譜相機組成，采用2臺相機拼接實現(xiàn)45km幅寬要求，相機光學系統(tǒng)中采用了同軸三反式光學形式，配置了1個全色譜段和4個多光譜譜段。主要技術指標見表1。

表1 GF-2相機主要技術指標Tab.1 Main technical parameters of GF-2 camera

數(shù)傳分系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理部分、數(shù)傳通道部分和數(shù)傳控制部分。配置2個X波段數(shù)傳通道。數(shù)傳天線分系統(tǒng)由2臺高增益點波束天線及伺服控制器組成，實現(xiàn)將星上數(shù)據(jù)下傳至地面接收站的功能。數(shù)據(jù)記錄分系統(tǒng)配置了2臺大容量的固態(tài)存儲器，用于記錄圖像數(shù)據(jù)和服務數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星采用CS-L3000A公用平臺，整星質(zhì)量為2 100kg，服務系統(tǒng)采用高精度姿態(tài)和軌道測量、高精度時統(tǒng)等技術實現(xiàn)無控制點50m定位精度；采用25Nms控制力矩陀螺及動量輪實現(xiàn)整星快速姿態(tài)機動，能夠在 180s內(nèi)實現(xiàn)整星 35°側(cè)擺并穩(wěn)定。采用高精度三軸穩(wěn)定對地定向控制模式，指向穩(wěn)定度優(yōu)于5×10–4(°)/s。采用USB測控+中繼測控，完成衛(wèi)星測控任務，并使用雙頻GPS系統(tǒng)完成精密定軌任務。采用平臺集中+載荷分散的供電體制，配置三結(jié)砷化鎵太陽電池陣及2組70AH鎘鎳蓄電池，壽命末期輸出功率不小于3.2kW。數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)對整星指令與數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，具備可重構(gòu)和自主診斷、隔離、修復能力。主要技術指標見表2。

表2 GF-2平臺主要技術指標Tab.2 Main technical parameters of GF-2 platform

1.4 工作模式

衛(wèi)星在軌常規(guī)工作模式包括：準實傳成像模式、圖像記錄模式及圖像數(shù)據(jù)回放模式。

準實傳成像模式：在數(shù)傳可與地面數(shù)據(jù)接收站進行數(shù)據(jù)傳輸作業(yè)時，相機對地成像；衛(wèi)星在實時記錄圖像數(shù)據(jù)的同時，按數(shù)傳通道碼速率將固態(tài)存儲器中存儲的數(shù)據(jù)傳輸至地面數(shù)據(jù)接收站。在此模式下，全色圖像壓縮比固定為3︰1，多光譜圖像固定為無損壓縮，數(shù)傳通道碼速率為2×450Mbyte/s。

圖像記錄模式：在數(shù)傳無法與地面站進行數(shù)據(jù)傳輸作業(yè)時，相機對地成像；衛(wèi)星將圖像數(shù)據(jù)等實時記錄在固態(tài)存儲器中。在記錄模式下，衛(wèi)星不與地面數(shù)據(jù)接收站進行數(shù)據(jù)傳輸作業(yè)。此模式下全色圖像壓縮比為3︰1，多光譜圖像無損壓縮。

圖像數(shù)據(jù)回放模式：在數(shù)傳可與地面數(shù)據(jù)接收站進行數(shù)據(jù)傳輸作業(yè)時，衛(wèi)星不成像；存儲在固態(tài)存儲器中的圖像等數(shù)據(jù)通過數(shù)傳通道回放至地面數(shù)據(jù)接收站。在此模式下，數(shù)傳通道碼速率為2×450Mbyte/s。

2 衛(wèi)星技術創(chuàng)新點

2.1 高精度定姿與高穩(wěn)定度設計

為了保證相機的成像指向精度，要求星上實時姿態(tài)確定精度優(yōu)于0.01°（3σ）。GF-2衛(wèi)星配置3個國產(chǎn)APS星敏感器、2臺三浮陀螺（共6個陀螺單體）及1臺光纖陀螺（3個陀螺單體），根據(jù)星敏感器、陀螺的性能特點，在獲取衛(wèi)星姿態(tài)時，利用最優(yōu)估計方法實現(xiàn)星敏感器與陀螺數(shù)據(jù)的信息融合，以滿足0.01°（3σ）的定姿要求。

針對姿態(tài)穩(wěn)定度，對衛(wèi)星正常飛行時的狀態(tài)開展仿真實驗，結(jié)果表明，當去除偏流角影響后，三軸姿態(tài)穩(wěn)定度分別為滾動軸 2.34×10–4(°)/s、俯仰軸 2.82×10–4(°)/s、偏航軸 2.84×10–4(°)/s，滿足三軸姿態(tài)穩(wěn)定度 5×10–4(°)/s的要求。

2.2 高分辨率相機設計

GF-2衛(wèi)星平臺裝載了2臺相同的高分辨率相機來實現(xiàn)0.8m/3.2m、幅寬為45km的成像能力，側(cè)擺狀態(tài)下也能夠保證1m的分辨率。

相機使用同軸三反式光學形式，采用長焦距、大F數(shù)、輕量化、小型化的設計理念，突破了多項關鍵技術，使得相機在體積和質(zhì)量遠小于傳統(tǒng)設計的情況下，實現(xiàn)了中國當前在軌遙感相機的最高分辨率[3]。相機產(chǎn)品的研制采用了多項創(chuàng)新設計，如國內(nèi)首次采用高穩(wěn)定輕型陶瓷基復合材料的光學結(jié)構(gòu)，高品質(zhì)完成了相機光學望遠系統(tǒng)；首次采用的柔性隔振、間接輻射熱控等技術，以及零重力裝調(diào)工藝、鏡頭穩(wěn)定性處理工藝[3]，確保了相機在軌工作成像品質(zhì)的穩(wěn)定性。

2.3 高穩(wěn)定相機及星敏感器的支撐結(jié)構(gòu)設計

為實現(xiàn)GF-2衛(wèi)星無控制點50m定位精度，衛(wèi)星在軌工作期間應保證2臺相機之間夾角的穩(wěn)定性，以及星敏感器與相機之間相對指向的穩(wěn)定性。因此，衛(wèi)星采用高穩(wěn)定相機主承力板將2臺相機與3個星敏感器實現(xiàn)一體化安裝，最大限度減小2臺相機間、相機與星敏感器間相對指向的變化。為防止相機在整星裝配過程中發(fā)生主承力板變形，采用3點支撐阻尼桁架將主承力板與整星進行連接。阻尼桁架具有足夠的剛度和阻尼，保證桁架主承力板組合后具有良好的頻率特性及在頻率點具有較小的響應放大倍數(shù)。通過對桁架角度、方向、支撐點位置及直徑的不同組合，在幾十赫茲到幾百赫茲內(nèi)調(diào)整整機固有頻率，使2臺相機的整體振型都出現(xiàn)在桁架上。

星敏感器支架直接安裝在相機主承力板上，為保證高品質(zhì)成像，星敏感器支架需要有高精度熱控設計和力學設計。GF-2衛(wèi)星對星敏感器支架分別進行了過載分析、模態(tài)分析、加速度頻率響應分析及熱變形分析，結(jié)果表明，星敏感器支架具有良好的力學性能，滿足剛度要求；星敏感器安裝面熱變形指向變化量滿足要求。

2.4 微振動設計

為保證相機的成像品質(zhì)，根據(jù)相機CCD成像積分期間內(nèi)對微振動造成晃動最大值的要求，GF-2衛(wèi)星為降低控制力矩陀螺（control moment gyro, CMG）微振動對成像品質(zhì)的影響，每個CMG都通過1個隔振器與動量輪支架連接。CMG微振動隔振器主要技術指標為：

1）各方向擾振力（力矩）均方根下降10dB以上；

2）時程響應峰值下降10dB以上；

3）主共振峰頻率不低于20Hz，峰值傳遞率不大于3。

當 CMG運動時，帶動轉(zhuǎn)接板擠壓阻尼墊，將受力傳遞給襯套，進而傳遞至動量輪支架。選取適當剛度和阻尼的阻尼墊，可以將傳力路徑的動態(tài)特性調(diào)整至更有利于降低動態(tài)擾動的狀態(tài)，實現(xiàn)微振動抑制。

微振動對相機影響的MTF仿真計算結(jié)果見表3，表中同時給出了無CMG隔振器情況下的結(jié)果以便對比。由表3可見，采用隔振措施后，可以保證大積分級數(shù)下，圖像MTF不降低。

2.5 長壽命設計與分析

GF-2衛(wèi)星是中國首顆設計壽命為5～8年的低軌遙感衛(wèi)星。為了滿足整星在軌工作壽命的要求，GF-2衛(wèi)星開展了長壽命設計，完成了滿足壽命要求的整星分系統(tǒng)可靠性指標分析和失效率狀態(tài)分析，系統(tǒng)級和單機級壽命保證措施分析與驗證。

對星上關鍵分系統(tǒng)，如控制、電源等分系統(tǒng)，除加強冗余設計外，同時加強了衛(wèi)星控制分系統(tǒng)的在軌故障診斷和修復能力的設計；電池電路所采用的衰降系數(shù)在軌輻照總劑量的基礎上增加一定余量進行設計，并采用電源充放電自主控制等可靠性設計。衛(wèi)星對電子、機電、電源功率、光電、管閥等產(chǎn)品及退化性材料的壽命設計保證措施進行了復核確認，對于影響整星壽命關鍵的單機進行了識別，采取相關的壽命保證措施，措施均經(jīng)過了單機試驗、分系統(tǒng)試驗和整星各項試驗的驗證。

表3 微振動對相機影響的MTF仿真計算結(jié)果Tab.3 Simulation calculation results of the micro-vibration impact on the camera MTF

開展了電池電路、控制部件、活動機構(gòu)、光學部件、熱控材料等關鍵單機的可靠性設計及壽命驗證試驗，對元器件進行了輻照數(shù)據(jù)確認、抗輻照設計措施復查及抗輻照摸底試驗。試驗結(jié)果表明，這些單機能夠滿足5～8年壽命的要求。

3 在軌數(shù)據(jù)評價及應用情況

3.1 在軌數(shù)據(jù)評價

衛(wèi)星入軌后進行的在軌測試表明，GF-2衛(wèi)星不僅系統(tǒng)功能和性能全部滿足指標的要求，而且星地一體化與圖像品質(zhì)指標也滿足要求，定位精度等關鍵指標優(yōu)于技術要求。

通過對GF-2衛(wèi)星相機20景不同時間、不同地形、不同經(jīng)緯度分布、側(cè)擺角度小于10°的樣本圖像進行外部幾何精度測試。GF-2衛(wèi)星相機2A級圖像的幾何定位精度約為39.8m。相機圖像和參考影像控制點示意如圖1所示，20景2A級產(chǎn)品的測試結(jié)果分布如圖2所示。

圖1 相機圖像和參考影像控制點示意Fig.1 Schematic diagram of camera image and reference image control points

圖2 GF-2衛(wèi)星相機2A級圖像產(chǎn)品幾何定位精度Fig.2 GF-2 camera 2A positioning accuracy

地面處理系統(tǒng)在山東半島地區(qū)選取了4景影像數(shù)據(jù)，采集高精度的密集外業(yè)控制點（GCP）對GF-2衛(wèi)星單景影像的內(nèi)部幾何精度進行評測，如圖 3～4所示。GCP平面幾何精度優(yōu)于 0.2m，高程精度優(yōu)于0.5m。

圖3 待檢測數(shù)據(jù)與外業(yè)控制點分布情況Fig.3 The distribution of the data to be detected and the field control points

圖4 影像內(nèi)部幾何精度檢查點分布情況Fig.4 The distribution of the internal geometric accuracy checkpoint

經(jīng)測試，GF-2衛(wèi)星2臺相機全色影像在沿軌和垂軌方向內(nèi)部幾何精度分別控制在1.6與0.9個像元左右；GF-2衛(wèi)星2臺相機多光譜影像在沿軌和垂軌方向內(nèi)部幾何精度分別控制在0.65與0.5個像元左右，如表4所示。

表4 相機內(nèi)部幾何精度Tab.4 Internal geometric accuracy of camera

對每臺相機不同的時相、軌道、側(cè)擺角（0～1o、7～10o、10～20o）以及不同地形，如山地（高程：500～3 000m）、丘陵（高程：200～500m）、平原（高程：0～200m）進行了多光譜圖像配準精度測試。譜段間匹配點示意如圖5所示；相機配準精度如表5所示，其中，X方向為沿軌方向，Y方向為垂軌方向。

圖5 譜段1與譜段4匹配點示意圖Fig.5 Schematic diagram of matching points of band 1 and band 4

表5 相機配準精度Tab.5 Registration accuracy of camera

由表5可見，各譜段垂軌與沿軌2個方向的配準均優(yōu)于0.3個像元。

3.2 在軌應用情況

GF-2衛(wèi)星已成功應用于以下幾個方面：礦產(chǎn)資源開發(fā)現(xiàn)狀調(diào)查與監(jiān)測、地質(zhì)災害調(diào)查與監(jiān)測、區(qū)域遙感地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查、區(qū)域生態(tài)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查；土地利用現(xiàn)狀解譯、土地利用變化新增建設用地監(jiān)測、土地數(shù)據(jù)獲取；風景名勝區(qū)用地分類、城市建筑物識別、小城鎮(zhèn)水源地水系和農(nóng)村居住建筑物識別；路網(wǎng)規(guī)劃、路網(wǎng)監(jiān)控與應急、航道監(jiān)測、公眾出行服務；森林資源、濕地、區(qū)域荒漠化、林業(yè)生態(tài)工程、森林災害監(jiān)測等業(yè)務領域。

經(jīng)部分領域試用測試，并與行業(yè)內(nèi)廣泛應用的國外高分辨率遙感衛(wèi)星，如 WorldView、IKONOS、Quickbird、Pleiades等進行了同應用類型數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)GF-2衛(wèi)星能夠充分發(fā)揮高分辨率圖像應用優(yōu)勢，其圖像清晰度高、幾何精度高、譜段信息豐富，達到或超過了國內(nèi)外同等或相近分辨率的遙感數(shù)據(jù)水平。同一地物GF-2衛(wèi)星圖像與國外WorldView-2衛(wèi)星圖像如圖6～7所示。

圖7 WorldView-2北京西山公園彩色圖像Fig.7 Beijing Xishan park color image from WorldView -2 satellite

4 結(jié)束語

GF-2衛(wèi)星是中國首顆分辨率達到1m的民用遙感衛(wèi)星，經(jīng)在軌測試顯示，衛(wèi)星影像清晰，經(jīng)地面檢校后，定位精度達到國際先進水平，標志著中國在高分辨率遙感衛(wèi)星平臺和載荷領域已達到國際先進水平；其高分辨率遙感數(shù)據(jù)應用達到或超過了國際同類或相近數(shù)據(jù)水平，這將改變中國高分辨率遙感數(shù)據(jù)主要依賴進口的狀態(tài)，并將在中國科研及現(xiàn)代化建設中發(fā)揮重要作用。

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