高分七號衛(wèi)星測繪體制與性能評估

張新偉 賀濤 趙晨光 莫凡 國愛燕 羅文波 楊居奎

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

衛(wèi)星攝影測量由于不受地形和國界的限制，可快速開展對地多角度觀測，實(shí)現(xiàn)全球絕大部分區(qū)域的影像覆蓋，再通過對數(shù)據(jù)的建模與處理，可得到地面上任意一點(diǎn)的三維坐標(biāo)，因此航天攝影測量已經(jīng)成為地理空間信息的主要來源。

高分七號衛(wèi)星是我國自主研發(fā)的首顆亞米級光學(xué)立體測繪衛(wèi)星，設(shè)計(jì)壽命8年，衛(wèi)星于2019年11月3日由長征四號乙運(yùn)載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。其主要任務(wù)是獲取地面高分辨率立體影像和激光測距數(shù)據(jù)，經(jīng)地面處理后生成我國國土1∶1萬比例尺數(shù)字地形圖，并兼顧“一帶一路”沿線國家和地區(qū)。衛(wèi)星裝載國內(nèi)首套長焦距無畸變雙線陣測繪相機(jī)，觀測傾角前視相機(jī)+26°、后視相機(jī)-5°，地面像元分辨率前視相機(jī)優(yōu)于0.8 m、后視相機(jī)優(yōu)于0.65 m。同時(shí)，裝載首臺星載全波形測量體制的激光測高儀，利用高精度測時(shí)和高速采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.3 m測距精度。作為光學(xué)測繪衛(wèi)星平臺核心技術(shù)，姿態(tài)穩(wěn)定度突破1×10-4(°)/s，達(dá)到6×10-5(°)/s，并采用國產(chǎn)星圖融合星敏感器組件，實(shí)現(xiàn)星敏感器在軌測量精度達(dá)到亞角秒量級。

高分七號衛(wèi)星是我國繼天繪一號和資源三號等衛(wèi)星之后，發(fā)展的第四代光學(xué)立體測繪衛(wèi)星，前兩代是返回型膠片式，后兩代是傳輸型數(shù)字式。2019年11月5日，衛(wèi)星正式下傳有效載荷數(shù)據(jù)，可滿足我國基礎(chǔ)測繪、地理國情監(jiān)測、全球地理信息保障、城鄉(xiāng)建設(shè)、統(tǒng)計(jì)調(diào)查等應(yīng)用需求。衛(wèi)星數(shù)據(jù)的成功應(yīng)用，也標(biāo)志著我國航天攝影測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從1∶5萬比例尺到1∶1萬比例尺的技術(shù)跨越。按照星座設(shè)計(jì)理念，將高分七號、資源三號01、02、03衛(wèi)星等衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)全球大部分地區(qū)，每天1次立體圖像獲取和激光測高數(shù)據(jù)獲取能力。根據(jù)國家空間基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃，未來這個(gè)陸地光學(xué)測繪衛(wèi)星星座，將發(fā)展到6～8顆在軌運(yùn)行，具備高分辨率遙感、1∶5萬～1∶1萬測繪、激光高程測量、植被光譜、大氣氣溶膠探測等多種主被動探測手段，實(shí)現(xiàn)自然資源、林業(yè)碳匯、生態(tài)環(huán)境的綜合觀測。

本文從高分七號衛(wèi)星設(shè)計(jì)和性能評價(jià)出發(fā)，提出了激光測高輔助立體測繪的論證和精度評價(jià)方法，建立了激光高程控制點(diǎn)仿真和處理全鏈路系統(tǒng)?；谏鲜瞿Ｐ?，根據(jù)在軌測量數(shù)據(jù)，對高分七號衛(wèi)星性能進(jìn)行了初步評價(jià)。通過對高分七號衛(wèi)星方案、測繪體制論證及性能評估，本文形成了高分辨率立體測繪衛(wèi)星的設(shè)計(jì)論證及性能評價(jià)方法，對于后續(xù)立體測繪衛(wèi)星的設(shè)計(jì)有參考意義。

1 衛(wèi)星總體方案

衛(wèi)星構(gòu)形繼承資源三號衛(wèi)星平臺狀態(tài)，衛(wèi)星由服務(wù)艙、載荷艙和太陽翼三部分組成，如圖1所示?？紤]測繪衛(wèi)星對穩(wěn)定性的要求，對載荷艙頂部進(jìn)行了技術(shù)改造，設(shè)計(jì)了一體化支撐結(jié)構(gòu)，裝載雙線陣相機(jī)、激光測高儀、陀螺儀和星敏感器頭部，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)光學(xué)儀器的共基準(zhǔn)安裝。利用材料低膨脹特性，整星大量采用碳纖維、碳-碳化硅和碳纖維蒙皮材料，保證了多臺儀器內(nèi)部關(guān)系和光軸夾角關(guān)系的穩(wěn)定性。飛行狀態(tài)下衛(wèi)星尺寸為：5377 mm(X向)×11 018 mm(Y向)×3136 mm(Z向)。

圖1 高分七號衛(wèi)星示意圖Fig.1 Sketch map of GF-7 satellite

衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)3種典型工作模式，主要包括同軌多目標(biāo)成像模式、立體成像+激光觀測模式、激光雷達(dá)單獨(dú)晝夜觀測模式等，如圖2所示。衛(wèi)星設(shè)計(jì)上需采用高性能、模塊化、集成化的衛(wèi)星設(shè)備，進(jìn)一步減小設(shè)備質(zhì)量和結(jié)構(gòu)質(zhì)量。此外通過每翼配置2塊基板，尺寸為2581 mm×1755 mm，減小太陽翼的展開尺寸，降低整星滾動軸的轉(zhuǎn)動慣量。在15 N·m·s小型控制力矩陀螺參與控制條件下，可以實(shí)現(xiàn)滾動軸方向0.5(°)/s姿態(tài)角速度，可以實(shí)現(xiàn)過境范圍內(nèi)，達(dá)到3～4個(gè)目標(biāo)觀測。

衛(wèi)星有效載荷工作模式示意圖如圖2和圖3所示。

圖2 立體測繪+激光足印模式示意圖Fig.2 Scheme diagram of stereo mapping and laser footprint

圖3 高分七號衛(wèi)星典型觀測模式示意圖Fig.3 Typical work moding of GF-7 satellite

衛(wèi)星主要配置和技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 衛(wèi)星主要配置和技術(shù)參數(shù)表Table 1 Main configuration and technical parametersof GF-7 satellite

2 航天攝影測量技術(shù)體制選擇

高分七號衛(wèi)星采用了雙線陣立體測繪+雙波束激光測高的立體測繪新體制。考慮到載荷規(guī)模和平臺承載限制，衛(wèi)星設(shè)計(jì)選擇與法國地球資源衛(wèi)星斯波特-5(SPOT-5)和印度制圖衛(wèi)星-1(Cartosat-1)相類似的雙線陣立體測繪方式，而沒有采用資源三號衛(wèi)星的三線陣立體相機(jī)方式。衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)對地面景物的前后兩視立體觀測，其中前視觀測角度為26°，后視觀測角度為-5°，立體成像幅寬大于20 km。為了彌補(bǔ)雙線陣方式相對三線陣方式在高程精度方面的損失，增加了一臺雙波束激光測高儀，可以在0.7°和-0.7°兩個(gè)角度上，實(shí)現(xiàn)對地面點(diǎn)的3 Hz/6 Hz激光全波形測量，通過處理后可以獲得高精度控制點(diǎn)，用于攝影測量平差以提高高程精度。

2.1 光學(xué)立體測繪體制選擇

航天測繪是通過衛(wèi)星不同角度的攝影來獲取全球地理信息，通過地面精確處理，測得地面不同比例尺數(shù)字高程圖和正射影像圖等測繪產(chǎn)品。目前傳輸型攝影測量體制主要有單線陣、雙線陣和三線陣3種。

(1)單線陣測繪體制。通過調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)轉(zhuǎn)動改變相機(jī)的光軸指向，以獲得同一地物，不同觀測方向重疊影像，可構(gòu)成立體影像，可采用同軌方式也可采用異軌方式。此種方式衛(wèi)星平臺承載規(guī)模相對較小，敏捷靈活，單星成本相對較低，是商業(yè)遙感衛(wèi)星廣泛采用的一種模式。以美國艾科諾斯-2(IKONOS-2)、地球觀測(WorldView)系列和法國昂宿星(Pleaides)商業(yè)衛(wèi)星為代表，其圖像在世界范圍內(nèi)廣泛銷售，兼容高分辨率點(diǎn)目標(biāo)成像和立體成像2種方式。但此方式也存在不足：①由于衛(wèi)星要分時(shí)獲取同一地區(qū)兩個(gè)以上觀測角度的影像，數(shù)據(jù)獲取區(qū)域較小，單線陣測繪和多線陣測繪單軌成圖效率之比在1∶6左右[1]，在衛(wèi)星數(shù)量有限條件下不適合于大區(qū)域測圖。②采用控制力矩陀螺等高轉(zhuǎn)速執(zhí)行部件，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)敏捷控制，實(shí)現(xiàn)高速機(jī)動后，仍然需要較長姿態(tài)穩(wěn)定時(shí)間，以滿足高精度姿態(tài)確定精度要求[2]。③控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子引起的高頻振動，會導(dǎo)致衛(wèi)星影像上產(chǎn)生扭曲，扭曲頻率和振幅均與控制力矩陀螺的振動相關(guān)，數(shù)據(jù)處理時(shí)無法自動化處理，影響測圖精度。盡管部分衛(wèi)星采用了減隔振的手段進(jìn)行了振動影響的抑制，但要想降低到亞像元以下，存在一定的差距。

(2)三線陣測繪體制。在衛(wèi)星上安裝3臺互成一定夾角的線陣相機(jī)，在1個(gè)軌道周期內(nèi)從3個(gè)不同觀測方向獲得同一地物的重疊影像，以構(gòu)成立體影像。王任享在1981年開始提出三線陣CCD像點(diǎn)坐標(biāo)構(gòu)成“等效框幅式像片”進(jìn)行光束法空中三角的思想并引入中國。經(jīng)過近20年的努力，中國第一代傳輸型光學(xué)測繪衛(wèi)星天繪一號和資源三號衛(wèi)星成功發(fā)射。盡管兩顆衛(wèi)星設(shè)計(jì)上存在很多異同點(diǎn)，但應(yīng)用三線陣CCD測繪體制[3]的核心是相同的。三線陣體制的主要優(yōu)勢在于[4]：①空間攝影測量航線高度遠(yuǎn)大于地面起伏的高差，姿態(tài)穩(wěn)定且變化率小，利用前視、正視、后視3條影像和高精度外方元素測量數(shù)據(jù)，便可建立起航線立體模型，同時(shí)由于三線陣相對兩線陣存在多余觀測量，因而進(jìn)一步提升模型精度。②通過3臺相機(jī)之間高穩(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)固連，可實(shí)現(xiàn)在軌連續(xù)穩(wěn)定觀測，易于實(shí)現(xiàn)全球的快速覆蓋，成圖效率高。③對姿態(tài)機(jī)動能力需求不大，整星沒有高頻振動部件，有利于集中星上資源實(shí)現(xiàn)高精度姿態(tài)測量和高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)。三線陣立體成像體制同樣存在缺點(diǎn)，即3臺相機(jī)安裝在衛(wèi)星上，需要衛(wèi)星平臺具有較高有效載荷承載能力。

(3)雙線陣測繪體制。在衛(wèi)星上安裝2臺具有一定夾角的線陣相機(jī)，在1個(gè)軌道周期內(nèi)從2個(gè)不同觀測方向獲得同一地物的重疊影像，以構(gòu)成立體影像。為解決高分辨率相機(jī)質(zhì)量體積規(guī)模不斷增大問題，三線陣測繪技術(shù)體制又逐步過渡到雙線陣體制，進(jìn)一步降低了對平臺承載的壓力。2002年法國發(fā)射了SPOT-5衛(wèi)星，隨后2005年印度發(fā)射了制圖衛(wèi)星-1(Cartosat-1)衛(wèi)星率先采用了雙線陣體制，用于1∶2.5萬立體測繪，數(shù)據(jù)產(chǎn)品在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是SPOT-5衛(wèi)星數(shù)據(jù)一度占據(jù)中國測繪市場。隨著應(yīng)用的深入，國內(nèi)亦開始航天雙線陣技術(shù)體制研究。世界主要光學(xué)測繪衛(wèi)星對比情況如表2所示[5-10]。

表2 世界主要測繪衛(wèi)星對照表Table 2 Main Specifications of mapping satellites in the world

由于我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)速度較快，城鎮(zhèn)化進(jìn)程明顯，測繪要素更新周期快，因此需要一種高效的測繪衛(wèi)星服務(wù)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，特別是滿足城市測繪需求。同時(shí)衛(wèi)星設(shè)計(jì)上還需要考慮衛(wèi)星規(guī)模和成本等因素的限制，不能無限增大，因此高分七號衛(wèi)星最終采用雙線陣立體測圖方式。中國的兩代傳輸型光學(xué)測繪衛(wèi)星均采用多線陣體制，而沒有采用國外商業(yè)衛(wèi)星所采用的單線陣敏捷機(jī)動獲取立體影像的方式，符合中國的基本國情。

2.2 基高比的選擇

基高比定義為攝影基線與攝影航高之比，反映了立體觀測交會角的大小，基高比是衛(wèi)星攝影測量中影響高程測量精度的關(guān)鍵因素之一。在立體測圖處理中，理想情況下，高程精度σh取決于成圖比例尺M(jìn)、基高比及影像坐標(biāo)量測精度σm。

(1)

式中：B為攝影基線，H為航高，B/H即為基高比?？梢钥闯?，當(dāng)基高比等于1時(shí)，不損失處理精度，因此通常將1作為理論基高比值。但基高比過大，也會增大投影差，造成影像變形而影響匹配(量測)精度。三線陣CCD相機(jī)首先在德國的模塊式光電多光譜掃描儀(MOMS)相機(jī)上應(yīng)用，并在航天飛機(jī)和俄國空間站上得到成功應(yīng)用。已經(jīng)入軌的空間載荷中三線陣CCD體制的基高比一般選用0.9～1，在500 km軌道高度，相機(jī)與星下點(diǎn)的夾角在22°～24°。

高分七號衛(wèi)星選用了雙線陣測繪體制，由于輸出數(shù)據(jù)產(chǎn)品要考慮正射影像產(chǎn)品，因此需要對地相機(jī)接近星下點(diǎn)觀測，這樣就導(dǎo)致雙線陣測繪的基高比不能實(shí)現(xiàn)接近1。高分七號衛(wèi)星和印度Cartosat-1衛(wèi)星均選擇約0.6基高比，這不是一個(gè)精度最優(yōu)的結(jié)果，而是一個(gè)綜合權(quán)衡的結(jié)果。

2.3 激光測高數(shù)據(jù)的引入提高高程精度

1∶1萬測圖需要達(dá)到高程精度1.5 m和平面精度5 m，受雙線陣基高比下降的影響，僅依靠高精度外方位元素測量，難以完成任務(wù)。同時(shí)考慮各用戶地面控制點(diǎn)的可獲得性，衛(wèi)星方提出了增加激光測高儀用于廣義高程控制點(diǎn)的測量。

激光測高數(shù)據(jù)參與攝影測量，重點(diǎn)在于利用激光測距精度高的優(yōu)勢，提高光學(xué)立體測繪的高程精度。對于同一個(gè)地物，前后視影像相對于激光先后成像。對于同一個(gè)地物，利用光學(xué)立體測繪定位的高程和利用激光測量出來的高程存在一定差異。由于激光高程精度相對比較高，利用此差異性可以建立對光學(xué)立體測繪的高程約束進(jìn)行聯(lián)合數(shù)據(jù)平差，達(dá)到提高測繪精度的目的。美國GLAS系統(tǒng)，采用了全波形測距技術(shù)用于全球冰蓋監(jiān)測和高程測量，文獻(xiàn)[10]等利用NASA的公開數(shù)據(jù)，做了大量激光高程數(shù)據(jù)處理和前期研究，驗(yàn)證了高程控制點(diǎn)獲取的可行性。高分七號衛(wèi)星選用了兩波束測距激光雷達(dá)方案，在一幅影像中可獲得18～36個(gè)激光采樣點(diǎn)，經(jīng)過處理和篩選后，用于立體模型的高程修正。

3 圖像定位精度仿真評估

3.1 圖像定位精度影響因素分析

圖像定位精度指從圖像中估算出地面點(diǎn)的位置與實(shí)際位置的偏差。圖像定位精度主要受外方位元素確定精度、內(nèi)方位元素確定精度、地面處理精度等因素影響。在不考慮大氣折射影響的條件下，可以構(gòu)建高分辨率光學(xué)遙感影像的嚴(yán)密成像公式

(2)

通過模型分析，可以識別出引起測繪衛(wèi)星影像幾何定位誤差的各項(xiàng)影響因素，如圖4所示。

圖4 定位精度主要誤差影響因素Fig.4 Mian factors influencing positioning accuracy

外方位主要包含線元素精度、角元素精度以及時(shí)間同步精度。線元素精度主要是軌道確定精度，角元素精度主要由星上姿態(tài)測量精度和光學(xué)載荷安裝角度穩(wěn)定性。內(nèi)方位元素確定精度主要由內(nèi)方位元素標(biāo)定精度和在軌穩(wěn)定性等方面予以保證，特別是內(nèi)方位元素在軌短期穩(wěn)定性由于修正困難，需要設(shè)計(jì)重點(diǎn)保證。定位精度作為星地一體化指標(biāo)與地面處理精度密不可分，地面處理可通過幾何定標(biāo)，修正衛(wèi)星在軌系統(tǒng)誤差，同時(shí)采用地面控制點(diǎn)方式，經(jīng)過對圖像的平差處理，再進(jìn)一步提高圖像定位精度。實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)過程中地面控制點(diǎn)的數(shù)量和精度對處理精度有較大影響。

3.2 各影響因素的精度驗(yàn)證

針對由1∶1萬測繪任務(wù)要求，高分七號衛(wèi)星進(jìn)行了專項(xiàng)分析設(shè)計(jì)，結(jié)果如下所示。

1)軌道確定精度

選用雙頻GPS進(jìn)行衛(wèi)星精密定軌，根據(jù)衛(wèi)星GPS接收機(jī)下傳原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理和精度分析后，在XYZ三個(gè)方向位置精度均優(yōu)于10 cm。在HY-2、ZY-3等衛(wèi)星上的飛行經(jīng)歷，也已經(jīng)驗(yàn)證精密定軌能力。

2)星上時(shí)間同步精度

繼承ZY-3衛(wèi)星GPS秒脈沖硬件授時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，經(jīng)地面測試驗(yàn)證能夠滿足20 μs的時(shí)間同步要求。

3)成像指向確定精度

本屆園博會以“生態(tài)宜居 園林圓夢”為主題，國內(nèi)44個(gè)城市、東盟及“一帶一路”沿線國家19個(gè)城市參展，是第一次在少數(shù)民族地區(qū)舉辦的園博會。本屆園博會會期半年，閉幕后園博園將作為城市公園永久保留，成為廣大市民群眾日常休閑、游憩、健身的活動場所。

主要包括星敏感器和陀螺聯(lián)合定姿精度以及姿態(tài)穩(wěn)定度的影響。

星敏感器和陀螺組成的姿態(tài)測量系統(tǒng)是目前三軸穩(wěn)定衛(wèi)星高精度姿態(tài)確定的典型模式。選用隨機(jī)漂移優(yōu)于0.006 (°)/h的高精度三浮陀螺，且一定相對時(shí)間范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星相對姿態(tài)確定偏差優(yōu)于0.2″，選用高精度陀螺后，其隨機(jī)漂移和測量分辨率對聯(lián)合定姿精度的影響相對較小，而影響精度主要還是星敏感器隨機(jī)誤差和數(shù)據(jù)輸出頻率。目前星敏感器在軌數(shù)據(jù)輸出頻率設(shè)定為8 Hz，相對于資源三號衛(wèi)星提高了1倍。

(1)星敏感器測量隨機(jī)誤差。高分七號衛(wèi)星全新開發(fā)了新一代甚高精度星敏感器，雙星敏感器采用星圖融合方式，在統(tǒng)一基準(zhǔn)坐標(biāo)下輸出高精度姿態(tài)四元素。利用在軌數(shù)據(jù)，并進(jìn)行高階多項(xiàng)式擬合得到理論輸出，分離出星敏感器的隨機(jī)誤差，實(shí)現(xiàn)對星敏感器精度進(jìn)行直接評估。具體如表3和圖5所示。

表3 星敏感器在軌精度Table 3 On-orbit precision of star sensor

圖5 融合星敏感器在軌誤差分析情況Fig.5 Analysis of fused star sensor on-orbit errors

(2)姿態(tài)穩(wěn)定度的影響。雙線陣TDICCD影像每一個(gè)曝光時(shí)刻;有獨(dú)立6個(gè)外方位元素，獨(dú)立解算每一時(shí)刻的外方位元素是不可能的?，F(xiàn)在地面的處理方法都是僅求解等間隔定向時(shí)刻的外方位元素，這種方法可以利用其周圍的像點(diǎn)觀測值參與光束法平差。此種方法在數(shù)學(xué)上解決了問題，但引入兩項(xiàng)誤差：①定向時(shí)刻光束法平差的誤差方程式系數(shù)要從其近周圍的像點(diǎn)觀測值數(shù)據(jù)，按一定的變換方法得到，在外方位元素為未知值情況下，變換都帶有近似性；②定向時(shí)刻以外的任意時(shí)刻外方位元素是由已平差得到的定向時(shí)刻的外方位元素內(nèi)插而得，內(nèi)插過程會存在誤差。因此姿態(tài)的平穩(wěn)性對于降低角元素計(jì)算和內(nèi)插誤差起到了關(guān)鍵作用。

GF-7衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定度的提高主要是提高星上運(yùn)動部件對姿態(tài)平穩(wěn)性的擾動。對于太陽電池陣驅(qū)動裝置(SADA)的驅(qū)動不平穩(wěn)性影響，通過提升SADA電機(jī)驅(qū)動平穩(wěn)性，該指標(biāo)通過地面驗(yàn)證可達(dá)5%，同時(shí)進(jìn)一步提高太陽翼剛度，減小太陽翼撓性運(yùn)動對衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定度的影響。衛(wèi)星從第32圈開始建立高精度姿態(tài)控制方式，由衛(wèi)星下傳遙測數(shù)據(jù)可知，衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定度達(dá)到6×10-5(°)/s，如圖6所示。

圖6 星敏陀螺姿態(tài)角和角速度Fig.6 Attitude angle and angular velocity of gyro and star sensor

數(shù)傳天線運(yùn)動通過引入路徑規(guī)劃使天線的運(yùn)動過程保持平滑，同時(shí)采用對擾動力矩的前饋補(bǔ)償，從而抑制天線運(yùn)動對整星姿態(tài)的擾動影響，如圖7所示。當(dāng)天線啟動目標(biāo)捕獲，由于存在很大的轉(zhuǎn)速變化，必然引起整星姿態(tài)的擾動，但當(dāng)天線完成捕獲轉(zhuǎn)入跟蹤后，整星姿態(tài)快速恢復(fù)到正常穩(wěn)定度水平，實(shí)現(xiàn)了良好的擾動抑制。

高分七號配置兩臺相同的光學(xué)鏡頭，焦距5520 mm比資源三號衛(wèi)星的1700 mm增長達(dá)3倍，同等的1/3個(gè)像元內(nèi)方位元素穩(wěn)定性轉(zhuǎn)換成角度穩(wěn)定性，高分七號要比資源三號提高3倍，設(shè)計(jì)難度加大。相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用遠(yuǎn)心光路，反射鏡組件采用微應(yīng)力支撐結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)材料采用熱膨脹系數(shù)低的碳/碳化硅(C/SiC)材料以及高精度控溫設(shè)計(jì)等，結(jié)構(gòu)外形如圖8所示。

圖7 天線跟蹤過程中姿態(tài)角和角速度Fig.7 Attitude angle and angular velocity during antenna tracking

圖8 雙線陣相機(jī)主體Fig.8 Main architecture of double line array camera

相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)各視場線陣方向絕對畸變小于0.3 μm，相對畸變小于2.210-6；垂直線陣方向絕對畸變小于1.1 μm，相對畸變小于2.3×10-6。采用精密測角法，旋轉(zhuǎn)相機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)高精度內(nèi)方位元素的多次測試，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可得相機(jī)畸變，測試結(jié)果如圖9所示?；儨y量精度為2.3 μm，測試結(jié)果與測試精度接近，光學(xué)相機(jī)基本無畸變。相機(jī)畸變的在軌驗(yàn)證，目前用戶部門還未公布測試結(jié)果，之后將持續(xù)跟蹤。

圖9 后視相機(jī)畸變測試結(jié)果Fig.9 Test result of measurement distortion in back-view camera

雙線陣相機(jī)選用C/SiC作為主框架的材料，為各反射鏡組件、焦面組件提供安裝基準(zhǔn)，并通過合理鋪層，使得光軸方向的熱膨脹系數(shù)盡可能小。C/SiC材料本身具有各向異性，熱膨脹系數(shù)與纖維編織方向相關(guān)，同時(shí)大尺度結(jié)構(gòu)在基體沉積和反應(yīng)燒結(jié)時(shí)存在一定程度的不均勻現(xiàn)象，兩種情況都可能影響材料的熱膨脹系數(shù)均勻性，進(jìn)而引起熱變形。因此在衛(wèi)星研制階段，北京空間機(jī)電研究所的科研人員在試驗(yàn)室進(jìn)行了主框架熱穩(wěn)定性試驗(yàn)。主框架各面熱膨脹系數(shù)均滿足≤1.5×10-6℃-1的指標(biāo)要求，平均值為0.73×10-6℃-1。

為了減少星體對相機(jī)成像和指向穩(wěn)定性的影響，設(shè)計(jì)了柔性解鎖結(jié)構(gòu)進(jìn)行載荷與衛(wèi)星機(jī)械解耦。采用均勻溫升10 ℃工況，開展轉(zhuǎn)角偏移量比較。如表4所示，撓性安裝相對固定安裝方式轉(zhuǎn)角明顯變小，變形量得到了有效釋放，提高了相機(jī)指向穩(wěn)定性，這說明撓性支撐對于卸載熱變形起到了良好效果。

表4 兩種支撐結(jié)構(gòu)引起轉(zhuǎn)角變化對比Table 4 Comparison of anglular variations caused by two structural support types (″/℃)

CCD組件、鏡體組件、主框架以及相機(jī)支撐采用在軌溫度量遙測可以看出，兩臺相機(jī)的鏡體組件、主框架、相機(jī)各支撐組件在軌溫度穩(wěn)定，波動不超過0.2 ℃。根據(jù)相機(jī)熱控設(shè)計(jì)兩種工況，對相機(jī)熱穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真，如表5所示。相機(jī)在各工況主距和畸變變化在nm量級，保持了高的穩(wěn)定性。

表5 熱仿真溫度場工況內(nèi)方位元素變化情況匯總表Table 5 Interior orientation elements variations during thermal simulation μm

5)光學(xué)設(shè)備間夾角的穩(wěn)定性

以一體化支撐結(jié)構(gòu)為整星成像測繪任務(wù)基準(zhǔn)，雙線陣相機(jī)、激光測高儀、星敏感器、陀螺均實(shí)現(xiàn)一體化共基準(zhǔn)安裝。同時(shí)應(yīng)用M55J高模量碳纖維復(fù)合材料和高精度溫控，減少熱變形導(dǎo)致的各光學(xué)設(shè)備夾角變化。工程設(shè)計(jì)上對成像期間前后視相機(jī)視軸夾角穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求優(yōu)于0.6″，在軌長期前后視相機(jī)視軸夾角穩(wěn)定性優(yōu)于1″。

參與計(jì)算的數(shù)據(jù)取自2019年11月13日—2019年12月15的溫度遙測數(shù)據(jù)。因?yàn)樵谲墱囟葴y點(diǎn)是有限的，通過每塊艙版僅有的幾個(gè)溫度測點(diǎn)，借助熱分析溫度計(jì)算結(jié)果作為實(shí)際溫度場的近似，可以得到在軌溫度場的一個(gè)比較好的分布結(jié)果。在用熱傳導(dǎo)映射方法，將修正后的熱分析溫度場映射到結(jié)構(gòu)模型。整星結(jié)構(gòu)在軌尺寸穩(wěn)定性指標(biāo)定義為前視相機(jī)、后視相機(jī)和激光測高儀安裝面在整星坐標(biāo)系XOZ平面內(nèi)相對夾角變化。

(3)

一個(gè)月期間，每軌成像期間夾角長期穩(wěn)定性定義為

(4)

在總共474軌跨度31天的數(shù)據(jù)中，選擇三個(gè)成像起始時(shí)刻，對前后視相機(jī)夾角短期和長期穩(wěn)定性進(jìn)行了估算，結(jié)果如表6和表7所示。

表6 一個(gè)月內(nèi)10 min成像期間的夾角短期穩(wěn)定性Table 6 Short-term stability of included angle in 10 minutes imaging within a month (″)

表7 一個(gè)月內(nèi)10 min成像期間的夾角長期穩(wěn)定性Table 7 Long-term stability of included angle in 10 minutes imaging within a month (″)

6)激光測高精度

GF-7衛(wèi)星在ZY-3衛(wèi)星三線陣測繪體制的基礎(chǔ)上改為兩線陣測繪體制，同時(shí)星上增配了2波束激光測高儀，在攝影測量期間同時(shí)獲取激光測距信息，通過足印相機(jī)圖像與相機(jī)圖像進(jìn)行匹配，將經(jīng)地面校正大氣影響等處理后作為高程控制點(diǎn)參與到立體像對的平差處理，可提高少控制點(diǎn)或無控制點(diǎn)情況下的高程定位精度，對平面精度的提高沒有太大作用。

激光測高儀兩個(gè)波束同時(shí)工作，夾角為1.4°。激光測高儀工作過程中激光器溫度穩(wěn)定性高，溫度波動控制在19.7～20.3 ℃之間，經(jīng)測試激光光斑質(zhì)心抖動≤0.5像素，輸出能量變化≤2 mJ，保證了激光器指向穩(wěn)定性。這為用戶開展激光指向在軌標(biāo)定工作提供的技術(shù)保障。圖10所示為威海附近海域激光打點(diǎn)，利用主波和回波進(jìn)行波形分析，如表8所示。

圖10 激光足印位置分布Fig.10 Spatial distribution of laser footprints

表8 激光測高精度分析表Table 8 Analysis of laser altimeter accuracy

3.3 定位精度指標(biāo)仿真評估

利用高分七號衛(wèi)星設(shè)計(jì)參數(shù)與在軌實(shí)測參數(shù)分別仿真計(jì)算衛(wèi)星立體定位精度。仿真計(jì)算過程如圖11所示，以衛(wèi)星參數(shù)、載荷參數(shù)和誤差特性為輸入，利用光學(xué)幾何嚴(yán)密成像模型和激光幾何成像模型仿真得到雙線陣相機(jī)影像和激光測高儀回波數(shù)據(jù)和足印相機(jī)影像及相關(guān)的輔助數(shù)據(jù)。通過高精度圖像匹配模型實(shí)現(xiàn)地面控制點(diǎn)或足印相機(jī)影像與雙線陣影像的圖像匹配，通過立體平差算法得到有無控制點(diǎn)及激光數(shù)據(jù)參與聯(lián)合平差的目標(biāo)定位精度。主要仿真輸入條件如表8所示。其中，姿態(tài)系統(tǒng)差與測距系統(tǒng)均為估計(jì)值，由衛(wèi)星姿態(tài)與激光測距在軌定標(biāo)精度決定。

圖11 定位精度分析模型示意圖Fig.11 Scheme of positioning accuracy analysis model

由于仿真分析過程僅涉及單景影像，采用高程控制點(diǎn)進(jìn)行平差將造成平面精度的損失。為此，在平差過程中，將前后視影像的連接點(diǎn)作為平面控制點(diǎn)使用，分析結(jié)果如表9，表10所示。

表9 各影響定位精度因素的在軌結(jié)果Table 9 On-orbit testing results of all influencing factors of positioning accuracy

表10 利用各影響因素在軌實(shí)測結(jié)果對立體測圖仿真結(jié)果Table 10 Simulated stereo mapping performance based on on-orbit test results of all influencing factors of pointing accuracy

由各影響因素的在軌測試指標(biāo)，開展立體測繪精度仿真，精度隨激光高程控制點(diǎn)個(gè)數(shù)增加的變化趨勢如圖12和表11所示。根據(jù)衛(wèi)星在軌運(yùn)行情況的仿真，衛(wèi)星立體定位精度可以滿足平面5 m，高程精度1.5 m的測圖要求。一幅影像中激光高程控制點(diǎn)個(gè)數(shù)達(dá)到6個(gè)，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星高程定位精度在1 m左右。衛(wèi)星高程控制點(diǎn)的應(yīng)用過程中，應(yīng)關(guān)注平面位置在數(shù)據(jù)平差中合理控制。

圖12 定位精度分析結(jié)果圖Fig.12 Positioning accuracy analysis result

表11 定位精度分析結(jié)果表Table 11 Statistical results of positioning accuracy

3.4 在軌定位精度初步結(jié)果

2019年12月10日，國家航天局發(fā)布了高分七號衛(wèi)星首批22幅亞米級立體影像產(chǎn)品，包括北京首都機(jī)場、大興機(jī)場、雁西湖、安徽涇縣、廣東陽春市、山東菏澤等多個(gè)地區(qū)正射影像圖、立體核線影像、數(shù)字表面模型產(chǎn)品等。首批影像成果紋理清晰、層次分明、信息豐富、立體感強(qiáng)、體現(xiàn)了高分七號的立體測繪特點(diǎn)。中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心對高分七號衛(wèi)星數(shù)據(jù)和美國Worldview-3/4衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行了對比，認(rèn)為2顆衛(wèi)星的無控制定位精度相當(dāng)，平面精度達(dá)到優(yōu)于5 m。高程精度評估使用雙線陣影像進(jìn)行前方交會，無控制高程精度達(dá)到約3 m。激光高程控制點(diǎn)數(shù)據(jù)還未引入進(jìn)行控制，因此使用激光高程控制點(diǎn)修正后的高程精度有待進(jìn)一步評估確認(rèn)。

4 衛(wèi)星使用效能分析

衛(wèi)星在軌使用效能主要體現(xiàn)為能夠?yàn)橛脩籼峁└哔|(zhì)高效的測繪遙感圖像數(shù)據(jù)的能力。數(shù)據(jù)獲取能力主要受陸地可觀測弧段、數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)和地面接收站影響。

陸地可觀測弧段分析。地球上陸地面積約占29%，海洋面積約占71%，GF-7衛(wèi)星觀測區(qū)域?yàn)榈厍蛏系年懙貐^(qū)域。根據(jù)GF-7衛(wèi)星505 km高度太陽同步軌道的軌道特性，其每天可繞地球飛行15圈。對衛(wèi)星在陽照區(qū)飛經(jīng)南北緯80°陸地區(qū)域的可觀測弧段進(jìn)行仿真分析，仿真時(shí)長為5天(一個(gè)重訪周期)，滿足觀測條件的弧段見圖13所示。對飛經(jīng)陸地衛(wèi)星可觀測弧段進(jìn)行分析和計(jì)算，得到平均每天15圈中白天飛經(jīng)陸地區(qū)域的弧段?？捎^測弧段時(shí)長總計(jì)約150 min，平均每圈可觀測弧段時(shí)長為150 min/15圈=10 min；大于5 min可觀測弧段時(shí)長總計(jì)約105 min，平均每圈可觀測弧段時(shí)長為105 min/15圈=7 min。

圖13 衛(wèi)星白天飛經(jīng)大陸地區(qū)的可觀測弧段 示意圖(分析時(shí)長5天)Fig.13 Scheme of observation arcs of satellite flying through continental areas during daytime (analysis period 5 days)

星地?cái)?shù)傳能力分析如圖14所示。衛(wèi)星原始總數(shù)據(jù)率約為10.71 Gbit/s，經(jīng)4∶1壓縮編碼后數(shù)據(jù)率約為3.62 Gbit/s，星上配置了X頻段2×800 Mbit/s數(shù)傳能力，記放比約為2.26∶1，即獲取1 min數(shù)據(jù)需要2.26 min下傳。

圖14 衛(wèi)星地面站可接收弧段示意圖Fig.14 Scheme of ground station accessible arcs to satellite

地面站分布特性對數(shù)據(jù)獲取的影響分析。考慮GF-7衛(wèi)星使用密云、三亞、喀什、牡丹江4個(gè)國內(nèi)地面接收站作為主要接收站點(diǎn)。衛(wèi)星每天過境的可傳輸圈數(shù)約為8個(gè)，其中有2圈可實(shí)現(xiàn)南、北分布的雙站接力傳輸，平均有效接力傳輸時(shí)長約為11 min，其余6圈為單站傳輸，平均單站傳輸時(shí)長約為7 min。綜上，每天境內(nèi)4個(gè)地面站可提供的對地傳輸總時(shí)長約為64 min，可支持GF-7衛(wèi)星立體成像28 min。南北極站平均每天有約10圈的傳輸能力，目前極地站每天為GF-7衛(wèi)星提供5圈(共約35 min)的極地傳輸弧段，則GF-7衛(wèi)星每天增加約15 min的成像時(shí)間，如表12所示。

表12 高分七號衛(wèi)星在軌成像能力分析表Table 12 On orbit analysis of GF-7 satellite imaging ability

高分七號衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取能力與目前國際主要高分辨率遙感衛(wèi)星對比如表13，分析可知：衛(wèi)星設(shè)計(jì)成像能力達(dá)到世界主流高分辨率遙感衛(wèi)星能力，增加極地站后數(shù)據(jù)獲取能力獲得較大提升。

表13 主流高分辨率遙感衛(wèi)星與高分七號衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取能力對比表Table 13 Data collection ability of GF-7 and other remote sensing satellites worldwide

5 結(jié)束語

高分七號衛(wèi)星入軌以來，衛(wèi)星平臺運(yùn)行穩(wěn)定，成像紋理清晰、層次分明，激光波形數(shù)據(jù)完整，完成了載荷狀態(tài)調(diào)優(yōu)，完成了多個(gè)地區(qū)正射影像圖、數(shù)字高程模型、數(shù)字表面模型等，初步精度評估結(jié)果表明高分七號達(dá)到了1∶1萬比例尺地形圖的繪制能力。通過在軌初步驗(yàn)證和仿真分析，雙線陣測繪體制可以很好地完成1∶1萬比例尺測繪任務(wù)，同時(shí)增加激光雷達(dá)獲取高程控制點(diǎn)，可以有效提高無控制高程精度。在軌驗(yàn)證還需要通過在軌光斑定標(biāo)后，進(jìn)一步評估。高分七號衛(wèi)星投入運(yùn)行，為我國城市測繪、國土資源調(diào)查、珠峰測量、災(zāi)害觀測、城鄉(xiāng)規(guī)劃、統(tǒng)計(jì)調(diào)查等領(lǐng)域，正在發(fā)揮越來越重要的作用。衛(wèi)星正處于在軌測試期間，受新冠病毒疫情影響，衛(wèi)星在軌測試工作正在逐漸恢復(fù)和有序開展，特別是外業(yè)定標(biāo)工作。后續(xù)將進(jìn)一步跟蹤衛(wèi)星在軌定標(biāo)和外業(yè)測量結(jié)果，對衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量開展更加深入和客觀的評價(jià)。