微景星座首發(fā)星京師一號(hào)技術(shù)特點(diǎn)分析

袁勤 張帝 何志鵬 李春 黃維達(dá)（深圳航天東方紅海特衛(wèi)星有限公司）

2019年9月12日11時(shí)26分，京師一號(hào)衛(wèi)星（BNU－1）由長(zhǎng)征四號(hào)乙火箭發(fā)射成功并進(jìn)入預(yù)定軌道，衛(wèi)星是全球變化科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)首發(fā)星，同時(shí)也是中國(guó)首顆極地觀測(cè)遙感小衛(wèi)星。衛(wèi)星由北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院提出，深圳航天東方紅海特衛(wèi)星有限公司研制。

1 引言

京師一號(hào)衛(wèi)星是微景星座的首發(fā)星，同時(shí)也是我國(guó)第一顆專用于極地氣候與環(huán)境監(jiān)測(cè)的遙感衛(wèi)星。衛(wèi)星采用高集成度設(shè)計(jì)，總質(zhì)量約16kg，配備一臺(tái)分辨率73.69m、幅寬744km的寬幅相機(jī)，一臺(tái)分辨率8m、幅寬25km的光學(xué)相機(jī)，以及一臺(tái)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）接收機(jī)。

京師一號(hào)衛(wèi)星是“三極遙感星座觀測(cè)系統(tǒng)”建設(shè)的開拓性探索和嘗試，對(duì)解決我國(guó)自主極地觀測(cè)數(shù)據(jù)不足、長(zhǎng)期依賴歐美的問(wèn)題具有重要意義。其次，衛(wèi)星通過(guò)每天對(duì)極地的觀測(cè)，可實(shí)現(xiàn)冰架崩塌等重點(diǎn)監(jiān)測(cè)事件的24h內(nèi)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和預(yù)警，從而建立全球變化熱點(diǎn)事件監(jiān)測(cè)與相應(yīng)能力。衛(wèi)星對(duì)極地航道重點(diǎn)區(qū)域一天內(nèi)2～3次重復(fù)觀測(cè)，可及時(shí)報(bào)告航道海冰變化，結(jié)合AIS接收機(jī)收到的船只信息，自動(dòng)為船只規(guī)劃航行線路，做出航道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，支撐國(guó)家北極航道開發(fā)。

2 平臺(tái)與載荷設(shè)計(jì)

京師一號(hào)衛(wèi)星運(yùn)行在739km的太陽(yáng)同步軌道，降交點(diǎn)地方時(shí)10:30AM。衛(wèi)星可對(duì)北極重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域（南北緯60°～80°環(huán)帶區(qū)域）實(shí)現(xiàn)5天一次全覆蓋成像，重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域影像數(shù)據(jù)地面接收時(shí)間小于1.6h。

衛(wèi)星平臺(tái)

京師一號(hào)采用新研微納衛(wèi)星平臺(tái)CAST－5，該平臺(tái)具有高集成度、高性價(jià)比、研制周期短、批生產(chǎn)能力強(qiáng)、配置靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于姿態(tài)控制精度高、機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸量大的微納遙感衛(wèi)星任務(wù)。

衛(wèi)星平臺(tái)由綜合電子組件、控制組件、S頻段統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)（USB）測(cè)控組件、數(shù)傳組件、電源組件、結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)組件和熱控組件組成。星務(wù)、控制運(yùn)算、GNSS導(dǎo)航和電源控制功能集成于綜合電子，以板卡形式組裝，建立以一體化綜合電子為中心、控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線架構(gòu)的信息體系結(jié)構(gòu)。衛(wèi)星采用零動(dòng)量三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制方式，平時(shí)運(yùn)行對(duì)日定向模式，寬幅相機(jī)成像時(shí)對(duì)地定向或姿態(tài)側(cè)擺，8m分辨率光學(xué)相機(jī)成像時(shí)對(duì)目標(biāo)凝視，可提供優(yōu)于0.2°的指向精度和0.01°/s的穩(wěn)定度。電源采用集中式供配電體制及限壓調(diào)節(jié)一次電源母線，利用最大功率點(diǎn)跟蹤控制（MPPT）軟件進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。數(shù)傳組件同時(shí)具備圖像數(shù)據(jù)壓縮存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)下傳功能，碼速率不低于24Mbit/s。衛(wèi)星還攜帶有離軌帆，任務(wù)結(jié)束后離軌帆展開可實(shí)現(xiàn)自主離軌。

京師一號(hào)衛(wèi)星具有智能自主管理能力，星載機(jī)軟件可對(duì)星上所有部件實(shí)現(xiàn)自主健康檢查、故障自主診斷、隔離和恢復(fù)，同時(shí)軟件可上注更新或修改，大大提高了軟件可維護(hù)性。此外衛(wèi)星還具備自主任務(wù)規(guī)劃、自主成像、過(guò)境自主數(shù)傳等能力，實(shí)現(xiàn)“好用易用”。

有效載荷

京師一號(hào)同時(shí)配置了3個(gè)有效載荷，分別為寬幅相機(jī)、中等分辨率相機(jī)和AIS接收機(jī)。

寬幅相機(jī)使用傳感器鍍膜技術(shù)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）高幀頻數(shù)字時(shí)間延時(shí)積分（TDI）技術(shù)實(shí)現(xiàn)1個(gè)全色和4個(gè)多光譜譜段（藍(lán)、綠、紅、紅邊）的推掃成像。針對(duì)高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，寬幅相機(jī)具備高動(dòng)態(tài)范圍圖像（HDR）模式，傳感器對(duì)同一地物自動(dòng)進(jìn)行兩次長(zhǎng)、短時(shí)間曝光，輸出融合后的圖像可有效改善冰雪、陸地水體同時(shí)存在的高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景成像效果。相機(jī)焦平面由2片CMOS傳感器拼接而成，以實(shí)現(xiàn)大幅寬性能，同時(shí)具備雙向推掃能力。相機(jī)以焦面電箱的主框架的基板作為相機(jī)的主承力結(jié)構(gòu)，提高了焦面電箱的整體剛度，并節(jié)省了整機(jī)的質(zhì)量和體積，實(shí)現(xiàn)小型化。

京師一號(hào)衛(wèi)星示意圖

中等分辨率相機(jī)具備面陣拍照和滑動(dòng)拍照能力，星下點(diǎn)地面分辨率優(yōu)于8m，幅寬優(yōu)于25km。相機(jī)使用電荷耦合器件（CCD）實(shí)現(xiàn)面陣成像和視頻工作模式切換，具有電子快門、自動(dòng)曝光/增益控制、自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）區(qū)域成像開窗、支持Binning模式、抗光暈和靈敏度高的特點(diǎn)。光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)筒長(zhǎng)和焦距比約為24%，反射式主次鏡易于高度輕量化、實(shí)現(xiàn)緊湊的高比剛度結(jié)構(gòu)，總質(zhì)量?jī)?yōu)于1.6kg。

AIS接收機(jī)采用四頻點(diǎn)（161.975MHz/162.025MHz/156.775MHz/156.825MHz）接收，可接收全球海域船只AIS信號(hào)。

微景星座三維構(gòu)型示意圖

3 主要技術(shù)特點(diǎn)

1）通用化、模塊化、性價(jià)比高。京師一號(hào)基于商業(yè)現(xiàn)貨服務(wù)（COTS）產(chǎn)品體系研制，除寬幅相機(jī)、中等分辨率相機(jī)外，其他所有電子產(chǎn)品均集成在衛(wèi)星平臺(tái)艙內(nèi)，衛(wèi)星整體構(gòu)型設(shè)計(jì)靈活緊湊。衛(wèi)星平臺(tái)和載荷模塊化組合，平臺(tái)內(nèi)部模塊化，系統(tǒng)包含控制、星務(wù)、電源、熱控、測(cè)控、數(shù)傳、載荷和結(jié)構(gòu)組件，整星高度集成設(shè)計(jì)，測(cè)控模塊、GNSS模塊、電源控制模塊和星載機(jī)模塊一體化設(shè)計(jì)。

2）載荷協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)最大效能。星上相機(jī)和AIS接收機(jī)協(xié)同工作，可發(fā)現(xiàn)、定位、監(jiān)測(cè)大型船只。衛(wèi)星在軌完成遙感圖像的采集、存儲(chǔ)，同時(shí)接收船舶的位置速度信息，并在測(cè)控站和數(shù)傳站的配合下，通過(guò)星地鏈路將各類數(shù)據(jù)及時(shí)下傳到地面。

3）星上自主任務(wù)規(guī)劃、自主成像設(shè)計(jì)。為了減少運(yùn)控壓力，避免為成像任務(wù)編排時(shí)需要地面人員預(yù)編指令、仿真計(jì)算等，以提高衛(wèi)星自主能力為目標(biāo)，衛(wèi)星具備在軌自主任務(wù)規(guī)劃和自主成像功能，地面人員只需要將成像目標(biāo)點(diǎn)信息發(fā)送到衛(wèi)星，星載計(jì)算機(jī)進(jìn)行高精度軌道預(yù)報(bào)，根據(jù)觀測(cè)角度、時(shí)間等信息，自主安排成像指令、姿態(tài)控制角度，衛(wèi)星到達(dá)目標(biāo)區(qū)域上空，星上自主執(zhí)行指令完成對(duì)地成像任務(wù)。

4 微景星座規(guī)劃

京師一號(hào)衛(wèi)星同時(shí)也是深圳航天東方紅海特衛(wèi)星有限公司正在規(guī)劃建設(shè)的微景星座首發(fā)星，衛(wèi)星的研制和發(fā)射為星座建設(shè)與部署奠定基礎(chǔ)。微景星座是主要面向商業(yè)用戶的微納遙感衛(wèi)星星座，由80顆微小衛(wèi)星構(gòu)成，具備光照區(qū)任意目標(biāo)小時(shí)級(jí)重訪、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集能力，可通過(guò)遙感數(shù)據(jù)共享平臺(tái)向全球用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

星座部署于太陽(yáng)同步軌道，以農(nóng)林業(yè)、資源、環(huán)保等遙感應(yīng)用為主，采用面陣凝視成像和主動(dòng)推掃成像，成像種類涵蓋全色、多光譜和高光譜，圖像分辨率涵蓋1～5m。星座建設(shè)期為8年：第一階段部署3顆首發(fā)星；第二階段部署20顆衛(wèi)星；第三階段部署60顆衛(wèi)星；2025年年底實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化運(yùn)營(yíng)。

星座依托現(xiàn)有成熟的微小衛(wèi)星工業(yè)貨架產(chǎn)品體系進(jìn)行建設(shè)，產(chǎn)品體系包括綜合電子、控制部組件、電源分系統(tǒng)、測(cè)控分系統(tǒng)等。主載荷為高分辨率相機(jī)，可根據(jù)用戶需求衛(wèi)星增設(shè)次載荷，如：增設(shè)GNSS掩星探測(cè)接收機(jī)載荷，用于大氣探測(cè)；增設(shè)AIS和廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）載荷，用于船舶和客機(jī)跟蹤；增設(shè)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)（DCS）載荷，收集地面數(shù)據(jù)，提供短數(shù)據(jù)服務(wù)。

同時(shí)，通過(guò)搭建遙感數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，為廣泛的第三方開發(fā)者提供數(shù)據(jù)內(nèi)容及開發(fā)、交易環(huán)境，培養(yǎng)一個(gè)遙感應(yīng)用產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈。數(shù)據(jù)平臺(tái)依托公有云服務(wù)，將為用戶提供更為安全、可靠、更全面的數(shù)據(jù)服務(wù)。開發(fā)者不僅可以在云上使用平臺(tái)提供的免費(fèi)遙感數(shù)據(jù)資源，更可使用云服務(wù)供應(yīng)商提供的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算能力以及多種數(shù)據(jù)處理分析工具。

遙感生態(tài)圈示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

京師一號(hào)衛(wèi)星具備對(duì)冰川、陸地水體的高動(dòng)態(tài)推掃能力，對(duì)于我國(guó)開展極地與全球氣候變化研究具有重要意義。作為一顆16kg的微納衛(wèi)星，京師一號(hào)衛(wèi)星通過(guò)高集成度設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了3個(gè)載荷的承載，充分證明了微納衛(wèi)星的強(qiáng)靈活性、高擴(kuò)展性和高載荷比能力。后續(xù)規(guī)劃建設(shè)的商業(yè)微景星座具有高時(shí)空分辨率和區(qū)域觀測(cè)能力，星座部署結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等新技術(shù)可為遙感衛(wèi)星市場(chǎng)注入新活力，能夠發(fā)揮大效能，對(duì)于資源勘查、城市規(guī)劃、農(nóng)林業(yè)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)控、氣象探測(cè)、船舶和民航飛機(jī)跟蹤、天基物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒛馨l(fā)揮重要作用。