中國(guó)高分辨率敏捷小衛(wèi)星的技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用實(shí)踐

趙鍵 楊芳

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

敏捷衛(wèi)星是近年來(lái)國(guó)際上發(fā)展十分迅速的一類高性能衛(wèi)星，敏捷衛(wèi)星借助大力矩姿態(tài)執(zhí)行部件，使衛(wèi)星平臺(tái)具備繞任意歐拉軸(含滾動(dòng)、俯仰、偏航)大范圍頻繁快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)并且快速穩(wěn)定的能力，與高分辨率光學(xué)載荷結(jié)合，借助整星敏捷姿態(tài)機(jī)動(dòng)的性能，實(shí)現(xiàn)高空間分辨率成像和快速的系統(tǒng)響應(yīng)性能，并且還可實(shí)現(xiàn)包括同軌多條帶拼接成像、同軌立體成像和任意航跡成像等多種主動(dòng)及被動(dòng)成像模式，將圖像遙感和測(cè)繪制圖融為一體，具有多功能、高效率的特點(diǎn)。高空間分辨率一直是遙感衛(wèi)星追求的重要指標(biāo)之一，但由于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)限制，高分辨率相機(jī)幅寬都不可能太大，將敏捷衛(wèi)星平臺(tái)與高分辨率相機(jī)相結(jié)合可以很好的解決高分辨率相機(jī)成像幅寬窄的問(wèn)題，因此，亞米級(jí)高分辨率光學(xué)衛(wèi)星從問(wèn)世開(kāi)始就是敏捷衛(wèi)星特質(zhì)。

自從1999年美國(guó)成功發(fā)射商業(yè)高分辨率敏捷衛(wèi)星伊克諾斯-2(IKONOS-2)以來(lái)，具有高敏捷姿態(tài)機(jī)動(dòng)特性的衛(wèi)星得到了蓬勃發(fā)展，如美國(guó)的快鳥(niǎo)-2(QuickBird-2)、軌道觀測(cè)-3(OrbView-3)、地球眼-1(GeoEye-1)、世界觀測(cè)-3/4(WorldView-3/4)、法國(guó)的昴宿星(Pleiades)等遙感衛(wèi)星全部具備敏捷機(jī)動(dòng)，且敏捷機(jī)動(dòng)能力、穩(wěn)定度也在逐步提升，工作模式也隨著機(jī)動(dòng)能力提升逐步多樣化[1]。

我國(guó)敏捷衛(wèi)星雖然研發(fā)起步較晚，但在短時(shí)間內(nèi)獲得了大量技術(shù)突破，能力水平迅速提升，“十二五”期間，以CAST3000平臺(tái)為代表的第一代敏捷衛(wèi)星平臺(tái)獲得突破，CAST3000平臺(tái)實(shí)現(xiàn)星下點(diǎn)45°半錐角范圍內(nèi)的姿態(tài)快速指向和穩(wěn)定，具備任意方向25°/30 s的機(jī)動(dòng)能力，支持優(yōu)于0.5 m的高分辨率[2]，其技術(shù)水平跟法國(guó)Pleiades衛(wèi)星相當(dāng)[3]。2021年6月11日基于CAST3000E平臺(tái)(增強(qiáng)型敏捷衛(wèi)星平臺(tái))的北京三號(hào)衛(wèi)星的成功發(fā)射，使我國(guó)光學(xué)遙感衛(wèi)星首次具有沿任意航跡成像能力，標(biāo)志著遙感衛(wèi)星技術(shù)水平實(shí)現(xiàn)了重大技術(shù)跨越。第二代敏捷衛(wèi)星CAST3000E平臺(tái)具有“超高敏捷、超高穩(wěn)定、超高精度”的標(biāo)志性技術(shù)特點(diǎn)，擁有自主任務(wù)規(guī)劃和自主圖像處理的功能，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)遙感衛(wèi)星領(lǐng)域的控制新體制、操控新體制、應(yīng)用新體制等方面的技術(shù)跨越，技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先，同時(shí)對(duì)遙感衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展具有極強(qiáng)的技術(shù)引領(lǐng)和推動(dòng)作用。

1 第一代敏捷衛(wèi)星技術(shù)創(chuàng)新

1.1 CAST3000平臺(tái)技術(shù)特征

隨著航天遙感應(yīng)用的不斷深入，用戶對(duì)圖像信息提取的要求越來(lái)越高，需要遙感衛(wèi)星提供更高空間分辨率、時(shí)間分辨率、光譜分辨率、輻射分辨率以及高定位精度的圖像以適應(yīng)遙感信息提取的需要。CAST3000衛(wèi)星平臺(tái)是根據(jù)國(guó)內(nèi)外未來(lái)高分辨率小衛(wèi)星應(yīng)用需求和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)而提出的新一代小衛(wèi)星平臺(tái)。CAST3000平臺(tái)基本型以高分辨光學(xué)成像對(duì)地觀測(cè)應(yīng)用為主要目標(biāo)，重點(diǎn)突破以高精度、高敏捷、長(zhǎng)壽命、高可靠為特征的小衛(wèi)星平臺(tái)相關(guān)技術(shù)，為今后在高分辨率對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域發(fā)展奠定平臺(tái)技術(shù)基礎(chǔ)。

CAST3000平臺(tái)開(kāi)創(chuàng)性地提出了我國(guó)敏捷衛(wèi)星全功能全要素總體設(shè)計(jì)方法和敏捷衛(wèi)星技術(shù)指標(biāo)體系，采用了敏捷衛(wèi)星運(yùn)行模式、六棱柱構(gòu)型的平臺(tái)載荷一體化設(shè)計(jì)。CAST3000平臺(tái)除了支持同軌多目標(biāo)、連續(xù)條帶等傳統(tǒng)成像模式外，還第一次實(shí)現(xiàn)同軌多條帶拼接、同軌多角度立體、同軌多角度等典型敏捷成像模式，成像模式如圖1所示。

圖1 CAST3000平臺(tái)敏捷衛(wèi)星成像模式

CAST3000平臺(tái)典態(tài)機(jī)動(dòng)指標(biāo)典型值為25°/30 s和90°/70 s，實(shí)現(xiàn)了一軌26個(gè)點(diǎn)目標(biāo)成像、同軌4條帶拼接成像、同軌8視立體成像、單條帶或者雙條帶兩視及三視立體等豐富的成像模式。其被動(dòng)推掃的成像模式效率是非敏捷衛(wèi)星的3倍以上，與此同時(shí)，CAST3000平臺(tái)的圖像絕對(duì)定位精度(無(wú)控制點(diǎn))優(yōu)于10 m(r.m.s)。

1.2 CAST3000平臺(tái)技術(shù)創(chuàng)新

(1)提出了敏捷衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)方法、技術(shù)指標(biāo)體系和成像測(cè)繪一體的光學(xué)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)解決方案。特別是定義了適應(yīng)敏捷機(jī)動(dòng)的整星高剛度特定慣量比和新型的敏捷衛(wèi)星運(yùn)行模式。為此攻克了國(guó)際首創(chuàng)基于三壓緊點(diǎn)單臂支撐式高剛度輕量化太陽(yáng)翼、基于全空間任意指向和分類式散熱面設(shè)計(jì)的整星高度熱穩(wěn)定、適應(yīng)敏捷機(jī)動(dòng)的小相對(duì)口徑長(zhǎng)焦距輕量化高分辨率載荷、小慣量單臂二維轉(zhuǎn)動(dòng)橫向槽波紋喇叭高增益數(shù)傳天線等關(guān)鍵技術(shù)。突破了空間任意姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)及快速穩(wěn)定技術(shù)難題。

(2)提出了一種小相對(duì)孔徑長(zhǎng)焦距輕量化相機(jī)星地一體全鏈路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，攻克了兼顧主動(dòng)段及在軌成像條件下的自適應(yīng)變頻阻尼桁架和去耦合技術(shù)、相機(jī)鏡頭組件消應(yīng)力和基于毛細(xì)泵兩相流體體制的柔性環(huán)路熱管等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)和載荷全力/熱解耦，解決了快速機(jī)動(dòng)高剛度與相機(jī)高精度成像力熱穩(wěn)定性矛盾的難題，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量成像。

(3)提出了敏捷衛(wèi)星空間任意姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)快速穩(wěn)定的全控制力矩陀螺(Control Moment Gyro，CMG)群高帶寬實(shí)時(shí)控制方法，突破了任意方向大角度姿態(tài)機(jī)動(dòng)控制和最優(yōu)構(gòu)型的CMG群高精度控制、實(shí)時(shí)快速路徑規(guī)劃和全CMG力矩動(dòng)態(tài)分配耦合補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，解決了大慣量半剛性敏捷衛(wèi)星的大角度快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)與高精度快速穩(wěn)定成像等難題。同時(shí)，引入零運(yùn)動(dòng)規(guī)律和魯棒奇異規(guī)避操縱規(guī)律，解決了大角度快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)與CMG群奇異點(diǎn)實(shí)時(shí)規(guī)避相互約束問(wèn)題。從而第一次實(shí)現(xiàn)了中國(guó)航天器空間任意姿態(tài)25°/30 s的快速機(jī)動(dòng)和快速穩(wěn)定(0.0005°/s)的敏捷衛(wèi)星核心能力。

(4)提出了一種無(wú)地面控制點(diǎn)的敏捷衛(wèi)星高精度定位技術(shù)方案，突破了具有選星預(yù)報(bào)的導(dǎo)航星跟蹤和高精度多通道聯(lián)合快速定軌、與導(dǎo)航星定位解耦的高精度時(shí)間系統(tǒng)、相機(jī)和星敏感器雙光軸力熱解耦和柔性對(duì)稱卸載等關(guān)鍵技術(shù)；解決了導(dǎo)航星快速捕獲算法、相機(jī)和星敏感器幾何穩(wěn)定等難題，實(shí)現(xiàn)無(wú)地面控制點(diǎn)定位精度優(yōu)于10 m[4]。

(5)提出了一種基于元任務(wù)概念的衛(wèi)星在軌任務(wù)管理方法，建立了非時(shí)間索引的任務(wù)模型，突破了在軌數(shù)據(jù)塊生成機(jī)制和實(shí)時(shí)解譯、敏捷模式下數(shù)據(jù)源積分時(shí)間動(dòng)態(tài)可調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)，解決了敏捷衛(wèi)星復(fù)雜模式無(wú)窮觀測(cè)窗口任務(wù)級(jí)管理難題，實(shí)現(xiàn)了敏捷成像動(dòng)作序列和成像模式隨意組合等自主操控的技術(shù)跨越[5-6]。

2 第二代敏捷衛(wèi)星技術(shù)創(chuàng)新

2.1 CAST3000E平臺(tái)技術(shù)特征

增強(qiáng)型敏捷衛(wèi)星平臺(tái)CAST3000E是在CAST3000基礎(chǔ)上，瞄準(zhǔn)國(guó)際最先進(jìn)的敏捷衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)和成像新模式而研制開(kāi)發(fā)，平臺(tái)具有“超高敏捷、超高穩(wěn)定、超高精度、自主任務(wù)規(guī)劃、自主圖像處理”的技術(shù)特點(diǎn)。CAST3000E平臺(tái)成像模式除了覆蓋同軌多點(diǎn)目標(biāo)、兩視立體、三視立體、同軌多角度、多條帶拼接等被動(dòng)推掃的典型敏捷成像模式外，還具有任意航跡成像即動(dòng)中成像和反向推掃成像能力，在軌實(shí)際完成了任意航跡單斜條帶、任意航跡斜條帶拼接、東西方向斜條帶拼幅(正反向)、正南正北(正反向)成像等主動(dòng)推掃的敏捷成像新模式，如圖2～圖4所示，這些基于“三超”平臺(tái)的成像新模式極大豐富了用戶的應(yīng)用和使用效率，其主要技術(shù)指標(biāo)超過(guò)WorldView-4衛(wèi)星[7]，標(biāo)志著我國(guó)敏捷衛(wèi)星技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先。

圖2 斜條帶拼接成像模式

圖3 斜條帶拼幅成像模式

圖4 反向推掃成像模式

CAST3000E在軌實(shí)現(xiàn)的敏捷姿態(tài)機(jī)動(dòng)典型值已達(dá)到25°/10 s和90°/20 s，是第一代敏捷衛(wèi)星的3倍以上；整星姿態(tài)角速度穩(wěn)定度優(yōu)于2×10-5(°)/s，提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上；主動(dòng)指向成像期間短期穩(wěn)定度優(yōu)于0.003″。在500 km軌道高度，同軌多點(diǎn)目標(biāo)成像一軌可獲取多達(dá)70個(gè)以上目標(biāo)，多條帶拼接數(shù)目達(dá)12條，CAST3000E平臺(tái)在軌實(shí)測(cè)的圖像絕對(duì)定位精度(無(wú)控制點(diǎn))達(dá)到3 m(r.m.s)，進(jìn)入國(guó)際一流水平。

2.2 CAST3000E平臺(tái)技術(shù)創(chuàng)新

1)“三超”控制技術(shù)

CAST3000E的核心技術(shù)就是“超精超穩(wěn)超敏捷”的三超控制技術(shù)，通過(guò)采用振動(dòng)隔離精確指向和主動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(Vibration Isolation Precise Pointing and Steering，VIPPS)支撐主載荷高分辨率相機(jī)，VIPPS與相機(jī)、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)一體化安裝。攻克了聚合分離“三超”控制系統(tǒng)架構(gòu)、基于主動(dòng)指向超靜平臺(tái)的多級(jí)協(xié)同控制方法、主被一體撓性作動(dòng)器和“三超”控制技術(shù)的全物理仿真驗(yàn)證方法等關(guān)鍵技術(shù)，解決了復(fù)雜系統(tǒng)“快、穩(wěn)、準(zhǔn)”相互制約和“寬頻、多點(diǎn)、多源”擾動(dòng)消除與航天器精穩(wěn)敏捷指標(biāo)跨代提升的難題，滿足了CAST3000E平臺(tái)對(duì)高性能控制的需求。CAST3000E平臺(tái)在軌實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜敏捷動(dòng)中成像、姿態(tài)角速度最高達(dá)10(°)/s，顯著提升了衛(wèi)星的機(jī)動(dòng)成像效率與動(dòng)中成像穩(wěn)定度，跨代提升我國(guó)高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)供給能力。

2)任意航跡成像(動(dòng)中成像)技術(shù)

CAST3000E平臺(tái)的一個(gè)重要技術(shù)目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)沿任意航跡成像，即動(dòng)中成像?！叭笨刂萍夹g(shù)只是支持動(dòng)中成像的必要條件，為了真正實(shí)現(xiàn)動(dòng)中成像，攻克了沿任意航跡指向的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃技術(shù)、適應(yīng)動(dòng)中成像的自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)、適應(yīng)動(dòng)中成像的穩(wěn)像控制技術(shù)、適應(yīng)動(dòng)中成像的積分時(shí)間調(diào)整技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)[8-12]。為了保證沿任意航跡成像時(shí)的圖像質(zhì)量，CAST3000E平臺(tái)設(shè)計(jì)了三級(jí)減震系統(tǒng)，北京三號(hào)衛(wèi)星在任意航跡成像時(shí)角速度達(dá)到2(°)/s姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)，動(dòng)中成像期間短期穩(wěn)定度依然保持在0.003″，就是說(shuō)“三超”平臺(tái)進(jìn)入主動(dòng)指向模式時(shí)，主動(dòng)推掃成像跟被動(dòng)推掃成像圖像質(zhì)量沒(méi)有區(qū)別。

3)星上自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

將傳統(tǒng)地面任務(wù)規(guī)劃的任務(wù)預(yù)處理、任務(wù)優(yōu)化編排、指令序列生成等全部功能由星上自主實(shí)現(xiàn)，大幅提升衛(wèi)星的好用易用性。用戶只要給出需要拍攝任務(wù)的經(jīng)緯度、數(shù)據(jù)傳輸窗口、地面接收站位置，星上可以自主生成供各分系統(tǒng)執(zhí)行的指令序列，并由星務(wù)主機(jī)將指令及指令執(zhí)行時(shí)間發(fā)送到相關(guān)分系統(tǒng)下位機(jī)執(zhí)行。可支持被動(dòng)推掃成像和主動(dòng)推掃成像的所有13種成像模式；支持不小于24 h的規(guī)劃窗口，任務(wù)數(shù)量500個(gè)；最大規(guī)劃耗時(shí)小于3 min。

4)星上實(shí)時(shí)圖像處理技術(shù)

星上實(shí)現(xiàn)了圖像實(shí)時(shí)幾何校正、輻射校正和云判，開(kāi)發(fā)了基于地理位置的感興趣區(qū)域(ROI)提取和基于目標(biāo)檢測(cè)的ROI提取并可切片下傳，并可根據(jù)地面機(jī)器學(xué)習(xí)和訓(xùn)練狀態(tài)擴(kuò)展實(shí)時(shí)處理功能。同時(shí)CAST3000E平臺(tái)在圖像處理相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)、軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)以及上行通信鏈路設(shè)計(jì)上支持大數(shù)據(jù)量軟件的在軌上注更新，即不僅支持對(duì)當(dāng)前在軌圖像處理算法的修改，還支持后續(xù)上注新的在軌圖像處理算法，并開(kāi)展在軌試驗(yàn)驗(yàn)證。

5)全新優(yōu)化的衛(wèi)星系統(tǒng)

采用全星綜合電子設(shè)計(jì)理念，將傳統(tǒng)的多個(gè)單機(jī)進(jìn)行了功能集成、性能提升和設(shè)計(jì)優(yōu)化，6臺(tái)綜合電子單機(jī)完成原來(lái)19臺(tái)電子單機(jī)的功能；采用承力筒+箱板式結(jié)構(gòu)、以及載荷平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)，高分辨率相機(jī)光機(jī)主體(500 kg質(zhì)量)通過(guò)指向隔振機(jī)構(gòu)和相機(jī)解鎖裝置安裝為國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)；與第一代敏捷平臺(tái)CAST3000衛(wèi)星相比，在敏捷能力、穩(wěn)定度、指向精度等性能指標(biāo)大幅提升的前提下，衛(wèi)星載重比由35.4%提升至44.7%，整星電子學(xué)質(zhì)量占比從16%降至8%，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量占比從14.8%降至11.3%，把更多的星上資源提供給了有效載荷、控制執(zhí)行部件，衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到極大提升優(yōu)化。

3 敏捷衛(wèi)星應(yīng)用實(shí)踐

第一代敏捷衛(wèi)星首發(fā)星高分九號(hào)衛(wèi)星自2015年9月14日發(fā)射以來(lái)，已穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)6年。CAST3000平臺(tái)已成功發(fā)射9顆衛(wèi)星，創(chuàng)造了重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

第二代敏捷衛(wèi)星首發(fā)星北京三號(hào)衛(wèi)星于2021年6月11日成功發(fā)射升空，經(jīng)過(guò)在軌初期測(cè)試和驗(yàn)證，三超平臺(tái)復(fù)合控制、沿任意航跡成像、自主任務(wù)規(guī)劃等技術(shù)均已實(shí)現(xiàn)，CAST3000E平臺(tái)的技術(shù)水平已經(jīng)處于國(guó)際領(lǐng)先。

3.1 任意航跡成像應(yīng)用情況

2021年6月15日，首次完成了任意航跡4斜條帶拼接成像，92 s內(nèi)獲得對(duì)長(zhǎng)江流域360 km長(zhǎng)度的影像數(shù)據(jù)，是中國(guó)首次沿任意航跡的推掃成像衛(wèi)星圖片，如圖5所示。

圖5 北京三號(hào)對(duì)長(zhǎng)江4斜條帶覆蓋圖(藍(lán)色細(xì)線條是長(zhǎng)江)

3.2 正南正北正反掃成像應(yīng)用情況

2021年6月15日，首次完成了正南正北正反向推掃成像，56 s內(nèi)獲得溫哥華地區(qū)影像數(shù)據(jù)，其中第二個(gè)反掃條帶俯仰角速度達(dá)到1.5(°)/s，成像面積達(dá)到6300 km2。圖6為北京三號(hào)衛(wèi)星對(duì)溫哥華地區(qū)三條帶正南正北覆蓋圖。圖7為三條帶正南正北其中反掃(中間)條帶局部。

圖6 北京三號(hào)對(duì)溫哥華地區(qū)三條帶正南正北覆蓋圖

圖7 北京三號(hào)對(duì)溫哥華地區(qū)三條帶正南正北其中反掃(中間)條帶局部圖

3.3 垂直軌道方向正反掃成像應(yīng)用情況

2021年6月16日，首次完成了垂直軌道方向的東西方向正反掃成像測(cè)試，42 s內(nèi)獲得舊金山地區(qū)影像數(shù)據(jù)，成像時(shí)，滾動(dòng)和俯仰角速度同時(shí)達(dá)到0.8(°)/s，偏航角速度達(dá)到0.3(°)/s，成像面積達(dá)到3800 km2。圖8為北京三號(hào)對(duì)舊金山地區(qū)三條帶東西方向正反向推掃縮略圖。圖9為北京三號(hào)對(duì)舊金山地區(qū)正掃圖，即從西向東正向推掃，推掃速度達(dá)1.5(°)/s，與被動(dòng)推掃穩(wěn)定成像沒(méi)有區(qū)別。圖10為北京三號(hào)對(duì)舊金山地區(qū)反掃圖，即從東向西反向推掃，推掃速度達(dá)1.5(°)/s，正反掃沒(méi)有任何區(qū)別。

圖8 北京三號(hào)對(duì)舊金山地區(qū)三條帶東西方向正反向推掃縮略圖

圖9 北京三號(hào)對(duì)舊金山地區(qū)正掃圖的局部

圖10 北京三號(hào)對(duì)舊金山地區(qū)反掃圖的局部

3.4 多條帶拼幅成像應(yīng)用情況

2021年6月22日，哈薩克斯坦7條帶拼幅推掃成像(4條正掃+3條反掃)，一次成像幅寬達(dá)170 km，面積達(dá)15 300 km2，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)商業(yè)高分辨率遙感衛(wèi)星單次成像幅寬最高紀(jì)錄，如圖11所示。

圖11 北京三號(hào)7條帶拼幅推掃成像的哈薩克斯坦覆蓋縮略圖

3.5 星上自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)應(yīng)用情況

在飛控期間完成相機(jī)調(diào)焦和姿控調(diào)參之后，2021年6月15-18日全部使用星上自主任務(wù)規(guī)劃，完成所有傳統(tǒng)敏捷成像模式和沿任意航跡成像新模式的成像任務(wù)規(guī)劃，且13種成像工作模式任意組合，全部成功。圖12為北京三號(hào)衛(wèi)星利用星上任務(wù)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)一軌40點(diǎn)目標(biāo)觀測(cè)成像任務(wù)。

圖12 北京三號(hào)基于星上任務(wù)規(guī)劃的一軌40點(diǎn)目標(biāo)成像

4 達(dá)到的技術(shù)水平

4.1 技術(shù)指標(biāo)國(guó)際對(duì)標(biāo)情況

CAST3000平臺(tái)突破了以高精度、高敏捷、高自主、長(zhǎng)壽命、高可靠為特征的敏捷小衛(wèi)星相關(guān)技術(shù)，該平臺(tái)對(duì)標(biāo)法國(guó)Pleiades衛(wèi)星平臺(tái)，在國(guó)際上具有競(jìng)爭(zhēng)力，如表1所示。

表1 CAST3000平臺(tái)衛(wèi)星國(guó)際對(duì)標(biāo)

2019年前后，國(guó)際宇航市場(chǎng)光學(xué)遙感衛(wèi)星平臺(tái)開(kāi)始升級(jí)，美國(guó)升級(jí)為WorldView-4平臺(tái)(2019年)，法國(guó)Pleiades衛(wèi)星平臺(tái)升級(jí)為Pleiades NEO衛(wèi)星平臺(tái)(2021年4月)。同樣，CAST3000平臺(tái)升級(jí)為CAST3000E平臺(tái)，2021年6月11日平臺(tái)首飛成功。通過(guò)持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新，CAST3000E衛(wèi)星平臺(tái)的敏捷機(jī)動(dòng)能力和穩(wěn)像水平達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先，如表2所示。

表2 CAST3000E平臺(tái)衛(wèi)星國(guó)際對(duì)標(biāo)

4.2 實(shí)際能力國(guó)際對(duì)標(biāo)情況

除了平臺(tái)指標(biāo)外，實(shí)際應(yīng)用能力代表了衛(wèi)星綜合能力，在衛(wèi)星遙感應(yīng)用市場(chǎng)上實(shí)際意義更大。CAST3000E平臺(tái)首發(fā)星北京三號(hào)在傳統(tǒng)敏捷成像即被動(dòng)推掃成像能力和任意航跡成像即主動(dòng)推掃成像能力兩方面都獨(dú)占鰲頭。

1)傳統(tǒng)敏捷成像能力

由于CAST3000E平臺(tái)的應(yīng)用，使北京三號(hào)衛(wèi)星傳統(tǒng)敏捷成像能力跨代提升。傳統(tǒng)敏捷成像模式包括同軌多點(diǎn)目標(biāo)、兩視立體、三視立體、同軌多角度成像、多條帶拼接等被動(dòng)推掃模式。

北京三號(hào)衛(wèi)星傳統(tǒng)敏捷成像圖像獲取能力全面超過(guò)WorldView-4衛(wèi)星，WorldView-4姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力為3.5(°)/s，北京三號(hào)為6(°)/s(最高角速度測(cè)試達(dá)到10(°)/s，接近其2倍，推測(cè)同軌多點(diǎn)目標(biāo)、同軌多角度成像、多條帶拼接成像能力是WorldView-4的近2倍。公開(kāi)資料顯示，WorldView-4一軌獲得圖像面積為50 000 km2左右。2021年6月16日，北京三號(hào)衛(wèi)星在軌完成4個(gè)5條帶傳統(tǒng)敏捷成像測(cè)試，成像區(qū)域分別是俄羅斯、沙特、津巴布韋和坦桑尼亞，每次約112 s影像面積約8900 km2。以此推算，北京三號(hào)衛(wèi)星實(shí)際一軌15 min內(nèi)可完成8個(gè)5條帶成像，成像面積8900 km2×8=71 200 km2。

2)任意航跡動(dòng)中成像新模式

CAST3000E平臺(tái)是國(guó)際上第二款具備任意航跡成像的遙感衛(wèi)星平臺(tái)，北京三號(hào)衛(wèi)星首次全面完成了任意航跡單斜條帶、任意航跡斜條帶拼接、東西方向斜條帶拼幅(正反向)、正南正北(正反向)成像等主動(dòng)推掃成像新模式，這些基于CAST3000E平臺(tái)的成像新模式極大豐富了用戶的應(yīng)用和使用效率。由于“三超”平臺(tái)的使用，真正實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)中超穩(wěn)定超精度，所有主動(dòng)推掃成像跟被動(dòng)推掃成像圖像質(zhì)量沒(méi)有區(qū)別。由于具備正反推掃能力，動(dòng)中成像新模式圖像獲取能力極大增加。

任意航跡斜條帶拼接可達(dá)7條帶以上，長(zhǎng)度700 km以上(如沿長(zhǎng)江流域、G7京新高速等成像)。正南正北(正反向)成像一軌15 min可進(jìn)行6次7條帶成像，每個(gè)條帶長(zhǎng)100 km，寬22 km，成像面積達(dá)100 km×22 km×7×6=92 400 km2的圖像。

5 結(jié)束語(yǔ)

敏捷衛(wèi)星的技術(shù)水平是高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星技術(shù)水平重要體現(xiàn)。經(jīng)歷10年發(fā)展，以CAST3000平臺(tái)和CAST3000E平臺(tái)為代表的兩代敏捷衛(wèi)星技術(shù)水平實(shí)現(xiàn)了從跟跑到趕超，跨代提升中國(guó)高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)供給能力，對(duì)中國(guó)航天遙感技術(shù)的發(fā)展具有極強(qiáng)的技術(shù)引領(lǐng)和推動(dòng)作用。