北京三號A/B衛(wèi)星總體設(shè)計及技術(shù)創(chuàng)新

楊芳 趙鍵 姚寧 李志壯 姜海濱 王勁強 朱紅 劉思遠 王抒雁

(1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)(2 北京控制工程研究所,北京 100094)(3 北京空間機電研究所,北京 100094)(4 西安空間無線電技術(shù)研究所,西安 710071)

北京三號A/B衛(wèi)星,是基于我國第二代敏捷衛(wèi)星平臺——CAST3000E平臺(增強型敏捷衛(wèi)星平臺)的高分辨率光學遙感智能敏捷衛(wèi)星,是在第一代敏捷衛(wèi)星平臺CAST3000的基礎(chǔ)上,瞄準國際上最先進的敏捷衛(wèi)星平臺技術(shù)指標和成像新模式研制開發(fā),具有“三超”、“三智”的技術(shù)特點,即“超敏捷、超穩(wěn)定、超精度”、“智能復合控制、智能自主規(guī)劃、智能圖像處理”,實現(xiàn)了遙感衛(wèi)星領(lǐng)域的控制新體制、相機新體制、操控新體制、應(yīng)用新體制四方面的技術(shù)跨越,對我國航天遙感技術(shù)的發(fā)展具有極強的技術(shù)引領(lǐng)和推動作用[1]。

北京三號A星是CAST3000E平臺的首發(fā)星,于2021年6月11日成功發(fā)射,國內(nèi)首次具備了沿任意航跡成像(即主動推掃動中成像,國際上稱走廊成像)能力,標志著我國遙感衛(wèi)星技術(shù)水平實現(xiàn)了重大技術(shù)跨越。北京三號B衛(wèi)星于2022年8月24日成功發(fā)射,在A星實現(xiàn)沿任意航跡成像的基礎(chǔ)上,在國際上首次在軌實現(xiàn)了沿曲線軌跡成像新模式。

北京三號A/B衛(wèi)星在軌實現(xiàn)的敏捷姿態(tài)機動最大值達到25°/10s和90°/25s,是第一代敏捷衛(wèi)星的三倍以上;整星姿態(tài)角速度穩(wěn)定度優(yōu)于2×10-5(°)/s,主動指向成像期間短期穩(wěn)定度優(yōu)于0.005″,提高了20倍以上;圖像定位精度(無控制點)優(yōu)于5m(CE90),進入國際一流水平。

1 衛(wèi)星總體設(shè)計

1.1 衛(wèi)星軌道設(shè)計

綜合考慮載荷分辨率、星下點視場幅寬和盡可能少的軌道維持燃料消耗,北京三號A衛(wèi)星選擇了高度接近500km的太陽同步軌道,如表1所示;北京三號B衛(wèi)星選擇了高度為610km的太陽同步軌道,如表2所示。

表1 北京三號A衛(wèi)星標稱軌道參數(shù)

表2 北京三號B衛(wèi)星標稱軌道參數(shù)

為滿足8年壽命期內(nèi),衛(wèi)星降交點地方時變化最小的用戶需求,北京三號A衛(wèi)星和B衛(wèi)星均采用了傾角和降交點地方時雙偏置的方案,使8年壽命期內(nèi)的降交點地方時漂移范圍分別為±15min和±20min。

1.2 衛(wèi)星方案概述

CAST3000E平臺繼承CAST3000平臺,采用六棱柱構(gòu)型設(shè)計,3塊太陽電池陣按間隔120°對稱安裝,展開后固定支撐,保證足夠的展開剛度,如圖1所示。

圖1 北京三號A/B衛(wèi)星構(gòu)型

北京三號A衛(wèi)星配置線陣成像體制的三反同軸高分辨率雙相機組合體,北京三號B衛(wèi)星配置一臺線陣+面陣組合成像體制的四反同軸輕量化高分辨率相機,能夠兼顧地物遙感測繪一體的綜合需求。

衛(wèi)星姿態(tài)控制采用三軸穩(wěn)定整星零動量控制模式,在CAST3000平臺姿軌控制系統(tǒng)(Attitude and Orbit Control System,AOCS)的基礎(chǔ)上,在星體與相機之間增加“主動振動抑制隔離和精確指向系統(tǒng)”(Vibration Isolation and Precise Pointing System, VIPPS),通過AOCS-VIPPS兩級復合控制,實現(xiàn)相機光軸的超高敏捷、超高穩(wěn)定、超高精度的三超控制。為了獲得超高敏捷姿態(tài)機動能力,采用控制力矩陀螺(Control Momentum Gyro,CMG)作為執(zhí)行機構(gòu)、磁力矩器進行CMG角動量卸載。

星上信息交換采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu),由星務(wù)中心計算機模塊作為上位機管理總線。星務(wù)分系統(tǒng)還具有星上自主任務(wù)規(guī)劃功能,并管理星上高精度時間系統(tǒng)。星上供配電采用太陽電池陣與鋰離子蓄電池組聯(lián)合供電方式,當圈能量平衡;平臺熱控方案采用隔熱和艙內(nèi)等溫化設(shè)計,相機采用環(huán)路熱管技術(shù)實現(xiàn)對探測器焦面的高精度熱控;星上配備大容量的數(shù)據(jù)存儲、高速數(shù)傳通道和具有二維轉(zhuǎn)動機構(gòu)的高增益數(shù)傳天線,具備近實時傳輸、記錄、回放、數(shù)據(jù)分發(fā)等多種數(shù)傳模式,以滿足衛(wèi)星在軌圖像對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。北京三號B衛(wèi)星為了支持在軌軟件更新,增加了測控高速上行通道。

此外,北京三號A/B衛(wèi)星還具備星上圖像智能處理功能,可實現(xiàn)幾何校正、輻射校正和云判,能基于目標點地理坐標提取感興趣區(qū)域(ROI)和基于目標在軌檢測提取ROI并可切片下傳,圖像處理結(jié)果可實時下傳給地面用戶。

1.3 衛(wèi)星成像模式

北京三號A/B衛(wèi)星除了支持同軌多點目標、兩視立體、三視立體、動態(tài)監(jiān)視、多條帶拼接等敏捷衛(wèi)星的典型被動推掃成像模式[2]外,還具有主動推掃即動中成像和正反向推掃成像能力,如圖2～圖5所示。在軌實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)成像等主動推掃成像新模式。

圖2 敏捷衛(wèi)星典型被動推掃成像模式

圖3 斜條帶拼接成像模式

圖4 斜條帶拼幅成像模式

圖5 反向推掃成像模式

北京三號B衛(wèi)星在A衛(wèi)星的基礎(chǔ)上,在國際上首次實現(xiàn)了沿曲線軌跡成像新模式,如圖6所示。此外,由于相機采用線陣+面陣組合成像體制,還增加了視頻成像模式,使北京三號B衛(wèi)星的成像模式涵蓋所有被動推掃成像和主動推掃成像,是國際上光學遙感衛(wèi)星成像模式最多的衛(wèi)星。

圖6 沿曲線軌跡成像模式

基于三超平臺的成像新模式極大豐富了用戶的應(yīng)用和使用效率,標志著我國敏捷衛(wèi)星技術(shù)水平達到國際領(lǐng)先水平。

1.4 衛(wèi)星操控模式

北京三號A/B衛(wèi)星首次實現(xiàn)了全部成像和數(shù)傳任務(wù)的星上自主任務(wù)規(guī)劃[3],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,星上能在短時間內(nèi)完成全天的任務(wù)規(guī)劃并生成時間觸發(fā)的指令集合,按時間自動執(zhí)行姿態(tài)機動、成像和數(shù)傳任務(wù),如圖7所示。

圖7 北京三號A/B衛(wèi)星在軌操控方式示意圖

北京三號A/B衛(wèi)星支持星上自主任務(wù)規(guī)劃與傳統(tǒng)地面任務(wù)規(guī)劃兩種操控方式,這兩種方式相對獨立,用戶可根據(jù)需要通過指令切換操控模式,衛(wèi)星在軌正常運行中默認采用星上自主任務(wù)規(guī)劃。

如圖8所示,當需要由星上自主任務(wù)規(guī)劃模式轉(zhuǎn)為地面規(guī)劃模式時,只需發(fā)送指令禁用星上自主任務(wù)規(guī)劃并關(guān)閉星上規(guī)劃協(xié)處理器,即進入地面規(guī)劃模式(地面獨立運控);當需要由地面規(guī)劃模式轉(zhuǎn)為星上自主任務(wù)規(guī)劃模式時,同樣只需通過指令將協(xié)處理器加電,并使能星上任務(wù)規(guī)劃。

圖8 地面任務(wù)規(guī)劃與星上任務(wù)規(guī)劃關(guān)系圖

2 衛(wèi)星技術(shù)創(chuàng)新

2.1 超敏超穩(wěn)超精(三超)控制技術(shù)

三超控制技術(shù)是航天器超敏超穩(wěn)超精控制技術(shù)的簡稱,采用主動振動抑制隔離和精確指向系統(tǒng)裝置(VIPPS)支撐主載荷高分辨率相機,VIPPS與相機、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)一體化安裝,通過控制力矩陀螺(CMG)對傳統(tǒng)意義上的衛(wèi)星平臺作大范圍快速姿態(tài)機動的一級控制,利用VIPPS對主載荷高分辨率相機做快速穩(wěn)定和精確指向的二級復合控制。在北京三號A衛(wèi)星研制過程中,攻克了聚合分離三超控制系統(tǒng)架構(gòu)、基于VIPPS的多級協(xié)同控制方法、主被一體撓性作動器等關(guān)鍵技術(shù),并完成了主載荷相機三超控制技術(shù)聯(lián)合的全物理仿真試驗,解決了復雜系統(tǒng)“快、穩(wěn)、準”相互制約和“寬頻、多點、多源”擾動消除與航天器精確、穩(wěn)定敏捷指標跨代提升的難題,滿足了CAST3000E平臺對高性能控制的需求。北京三號A/B衛(wèi)星在軌實現(xiàn)了復雜敏捷動中成像、姿態(tài)角速度最高達10(°)/s,顯著提升了衛(wèi)星的機動成像效率,跨代提升了高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)供給能力。

2.2 沿任意航跡成像(動中成像)技術(shù)

CAST3000E平臺的一個重要實現(xiàn)目標就是要實現(xiàn)沿任意航跡成像,即動中成像。三超平臺只是支持動中成像的必要條件,為了真正實現(xiàn)動中成像,衛(wèi)星總體攻克了沿任意航跡成像的姿態(tài)規(guī)劃技術(shù)、適應(yīng)動中成像的任務(wù)規(guī)劃技術(shù)、適應(yīng)動中成像的穩(wěn)像技術(shù)(像移補償技術(shù))、適應(yīng)動中成像的積分時間調(diào)整技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)[3-8]。為了保證沿任意航跡成像時的圖像質(zhì)量,CAST3000E平臺設(shè)計了三級減震系統(tǒng),在軌實際微振動水平僅有1/70個像元,微振動抑制水平提高了近20倍左右。特別強調(diào)的是,北京三號A/B星在沿任意航跡成像角速度達到2(°)/s姿態(tài)機動時,動中成像期間短期穩(wěn)定度仍然可以達到0.005″,也即三超平臺進入主動指向模式時,主動推掃成像與被動推掃成像圖像質(zhì)量沒有區(qū)別。

2.3 星上智能自主任務(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)中心計算機模塊將指令及指令執(zhí)行時間發(fā)送到相關(guān)分系統(tǒng)下位機執(zhí)行。星上自主任務(wù)規(guī)劃可支持被動推掃成像和主動推掃成像的所有成像模式;支持不小于24h的規(guī)劃窗口,任務(wù)數(shù)量500個;最大規(guī)劃耗時小于3min。

北京三號A衛(wèi)星在軌后,根據(jù)衛(wèi)星能力及用戶的使用體驗,對北京三號B衛(wèi)星的星上智能自主任務(wù)規(guī)劃進行了升級,增加了在非立體成像任務(wù)和立體成像任務(wù)之間自動切換典型姿態(tài)機動能力和最大姿態(tài)機動能力、兩條帶立體成像、單個立體成像任務(wù)中間拍攝其他目標、以及指定俯仰角成像等新功能,進一步提升了衛(wèi)星操控的靈活性和用戶滿意度。

2.4 星上智能圖像處理技術(shù)

星上實現(xiàn)了圖像實時幾何校正、輻射校正和云判,開發(fā)了基于地理位置的ROI提取和基于目標檢測的ROI提取并可切片下傳,可根據(jù)地面機器學習和訓練狀態(tài)擴展智能處理功能。同時CAST3000E平臺在智能處理相關(guān)的硬件設(shè)計、軟件架構(gòu)設(shè)計以及上行通信鏈路設(shè)計上支持大數(shù)據(jù)量軟件的在軌上注更新,即不僅支持對當前在軌智能處理算法的修改,還支持后續(xù)上注新的在軌智能處理算法,并開展在軌試驗驗證。

2.5 全新優(yōu)化的衛(wèi)星系統(tǒng)

采用全星綜合電子設(shè)計理念,將傳統(tǒng)的多個單機進行了功能集成、性能提升和設(shè)計優(yōu)化,由6臺綜合電子單機完成原來19臺電子單機的功能;采用承力筒+箱板式結(jié)構(gòu)、以及載荷平臺一體化設(shè)計,高分辨率相機光機主體(約500kg)通過指向隔振機構(gòu)和相機解鎖裝置安裝為國內(nèi)首次實現(xiàn);與第一代敏捷平臺CAST3000衛(wèi)星相比,在敏捷能力、穩(wěn)定度、指向精度、燃料量等性能指標大幅提升的前提下,載重比由35.4%提升至44.7%,整星電子學質(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和控制執(zhí)行部件,衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計得到極大提升優(yōu)化。

3 衛(wèi)星在軌測試及應(yīng)用情況

3.1 三超控制能力測試

北京三號A/B衛(wèi)星超敏捷、超穩(wěn)定、超精度(三超)能力的在軌測試結(jié)果如表3、圖9和圖10所示,姿態(tài)機動最大值達到25°/10s和90°/25s,成像期間短期穩(wěn)定度優(yōu)于0.005″(圖9為北京三號B衛(wèi)星短期穩(wěn)定度的連續(xù)變化曲線,包含衛(wèi)星姿態(tài)機動段及成像段),指向控制精度優(yōu)于0.2″。

圖9 北京三號B衛(wèi)星在軌短期穩(wěn)定度測試結(jié)果

圖10 北京三號B衛(wèi)星在軌指向控制精度測試結(jié)果

表3 北京三號A/B衛(wèi)星在軌姿態(tài)機動能力測試結(jié)果

基于北京三號A衛(wèi)星的在軌表現(xiàn),對北京三號B衛(wèi)星的姿態(tài)機動軌跡規(guī)劃進行了優(yōu)化,所以B衛(wèi)星的小角度測試結(jié)果優(yōu)于A衛(wèi)星;B衛(wèi)星的大角度機動時間比A衛(wèi)星長,是由于B衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動慣量大于A衛(wèi)星。

3.2 星上自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)測試

北京三號A衛(wèi)星和B衛(wèi)星在飛控期間完成平臺參數(shù)調(diào)整后,后續(xù)飛控任務(wù)全部使用星上自主任務(wù)規(guī)劃,覆蓋所有傳統(tǒng)敏捷成像模式和沿任意航跡成像新模式,且所有成像模式任意組合,衛(wèi)星均成功執(zhí)行。圖11為2022年8月29日,北京三號B衛(wèi)星利用星上自主任務(wù)規(guī)劃實現(xiàn)一軌40個點目標觀測成像。

北京三號B衛(wèi)星飛控期間采用星上自主任務(wù)規(guī)劃的3天內(nèi),星上累計規(guī)劃觀測任務(wù)69個(成像條帶86個),數(shù)據(jù)回放窗口9個(僅使用北京站),接收地面上注的原始任務(wù)數(shù)據(jù)塊僅22個,星上平均規(guī)劃計算用時約30s。

3.3 沿曲線成像測試

2022年8月31日,北京三號B衛(wèi)星首次完成了沿曲線成像,87s內(nèi)獲得對東南亞半島海岸線約600km長的影像數(shù)據(jù),如圖12所示,是國際上首次沿曲線推掃成像的衛(wèi)星圖片。

圖12 北京三號B衛(wèi)星對東南亞半島海岸線曲線成像縮略圖

3.4 測繪產(chǎn)品精度評測

對北京三號A衛(wèi)星的數(shù)據(jù)產(chǎn)品進行了無控幾何校正定位精度評測,樣例數(shù)據(jù)覆蓋新疆、寧夏、內(nèi)蒙古、甘肅、四川、山西、河北等地, 成像模式包含普通條帶成像、兩視/三視立體成像、正南正北成像和斜條帶成像,結(jié)果如表4所示,北京三號的數(shù)據(jù)產(chǎn)品無控幾何定位精度優(yōu)于5m(CE90),滿足1∶10000比例尺制圖精度要求。

表4 北京三號A衛(wèi)星無控定位精度測試結(jié)果

3.5 新產(chǎn)品生成情況

北京三號衛(wèi)星具備超敏捷、超穩(wěn)定、超精度的成像獲取能力,在實現(xiàn)變基高比、大范圍采集兩視/三視立體像對或同軌多像對數(shù)據(jù)的同時,其超高的衛(wèi)星平臺穩(wěn)定度和控制精度,保障了沿軌和跨軌兩個維度像對間的同名像元匹配精度,使得像對之間能夠?qū)崿F(xiàn)“像素級別”的匹配,從而獲得“上下視差”接近零和“左右視差”誤差盡量小的高精度相對定向。在這種原始圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上,通過衛(wèi)星用戶的地面處理,在國內(nèi)首次基于衛(wèi)星多角度拍攝的圖片生成了如圖13的三維實景產(chǎn)品,從最終產(chǎn)品效果上看,遙感衛(wèi)星影像的細節(jié)表達逐步接近航空攝影或者無人機拍攝的水平。

圖13 北京三號B衛(wèi)星三維實景(嘉峪關(guān))

4 達到的技術(shù)水平

4.1 技術(shù)指標的國際對標情況

CAST3000E衛(wèi)星平臺保持了中國遙感衛(wèi)星平臺的先進性和前沿性,如表5所示,其姿態(tài)機動能力、姿態(tài)穩(wěn)定度和成像穩(wěn)定度等平臺核心指標的在軌實測數(shù)據(jù),全面優(yōu)于美國DG公司和法國ADS公司的衛(wèi)星平臺,達到國際領(lǐng)先水平。

表5 CAST3000E平臺國際對標

4.2 實際能力國際對標情況

按照國際標準,除平臺指標外,實際應(yīng)用能力代表了衛(wèi)星綜合能力,在衛(wèi)星遙感應(yīng)用市場上實際意義更大。CAST3000E平臺衛(wèi)星在傳統(tǒng)敏捷成像(即被動推掃成像)能力和沿任意航跡成像(即主動推掃成像)能力兩方面都表現(xiàn)優(yōu)秀。

傳統(tǒng)敏捷成像模式包括同軌多點目標、兩視立體、三視立體、動態(tài)監(jiān)視、多條帶拼接等被動推掃模式。根據(jù)資料[9]推測,WorldView-4衛(wèi)星同一軌獲取圖像面積為50000km2左右。

2021年6月16日,北京三號A衛(wèi)星在軌完成同一軌4個5條帶傳統(tǒng)敏捷成像測試,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112s成像面積約8900km2。以此推算,北京三號A衛(wèi)星實際一軌15min內(nèi)可完成8個5條帶成像,成像面積8900km2×8=71200km2,約為WorldView-4衛(wèi)星的1.5倍。

2021年6月17日,北京三號A衛(wèi)星在軌完成中國東部40個目標城市的成像,950s全部獲得有效數(shù)據(jù),所有圖像指向位置準確。2022年8月29日,北京三號B衛(wèi)星在軌同樣完成中國東部及東南亞地區(qū)40個目標城市的成像,980s全部獲得有效數(shù)據(jù),所有圖像指向位置準確。

沿任意航跡斜條帶拼接、東西方向斜條帶拼幅(正反向)、正南正北拼幅(正反向)是主動推掃成像的三個代表性模式。對于北京三號A/B衛(wèi)星來說,沿任意航跡斜條帶拼接可達7條帶以上,長度700km以上(如沿長江流域、G7京新高速等成像);東西方向斜條帶拼幅(正反向)理論上在一軌15min成像期間均可成像,即如果一次東西方向條帶成像含姿態(tài)機動時間需要30s(條帶長140km,A衛(wèi)星幅寬22km),則一軌可進行30個東西方向條帶成像,拼幅達到140km×22km×30=92400km2;正南正北(正反向)成像一軌15min可進行6次7條帶成像,每個條帶長100km,寬22km,成像面積達100km×22km×7×6=92400km2。東西方向斜條帶拼幅成像模式和正南正北成像模式的成像面積均是WorldView-4衛(wèi)星的1.8倍。

2021年6月22日,北京三號A衛(wèi)星在軌完成哈薩克斯坦7條帶拼幅推掃成像(4條正掃+3條反掃),如圖14所示,一次成像幅寬達170km,面積達15300km2,創(chuàng)造了國內(nèi)商業(yè)高分辨率遙感衛(wèi)星單次成像幅寬最高紀錄。

圖14 北京三號A衛(wèi)星7條帶拼幅推掃成像的哈薩克斯坦覆蓋縮略圖

北京三號A/B衛(wèi)星對立體成像任務(wù)也有出色的表現(xiàn),A衛(wèi)星在軌可在70s內(nèi)獲取面積3220km2的兩視立體影像(總成像面積6440km2);B衛(wèi)星在軌可在65s內(nèi)獲取面積1000km2的三視立體影像(總成像面積3000km2),在80s內(nèi)獲取面積2500km2的兩條帶兩視立體影像(總成像面積5000km2)。B衛(wèi)星在單個立體成像任務(wù)的兩視之間,還可拍攝面積為1500km2的其他目標。

5 結(jié)束語

敏捷衛(wèi)星的技術(shù)水平是高分辨率遙感衛(wèi)星技術(shù)水平的重要體現(xiàn),基于第二代敏捷衛(wèi)星平臺CAST3000E的北京三號A/B衛(wèi)星的研發(fā)及成功應(yīng)用使我國敏捷衛(wèi)星技術(shù)水平達到國際領(lǐng)先水平,實現(xiàn)了從跟跑到趕超,跨代提升了高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)供給能力,對我國航天遙感技術(shù)的發(fā)展具有極強的技術(shù)引領(lǐng)和推動作用。