地球静止轨道高分辨率成像卫星的发展现状与展望

孟令杰郭丁,2唐梦辉王琦,2

（1国家国防科技工业局重大专项工程中心，北京 100048）

（2中国空间技术研究院，北京 100094）

地球静止轨道高分辨率成像卫星的发展现状与展望

孟令杰1郭丁1,2唐梦辉1王琦1,2

（1国家国防科技工业局重大专项工程中心，北京 100048）

（2中国空间技术研究院，北京 100094）

文章首先简要介绍了“高分四号”卫星的主要性能指标和在轨运行情况，然后梳理了美国、欧洲等国家地球静止轨道高分辨率成像技术的发展现状。文章重点从卫星的轨道特性、多任务适应的工作模式、灵活的任务编排、实时动态监测、在轨长寿命几个方面总结提炼出“高分四号”卫星创新点；从谱段特性、成像体制、多功能一体化设计、高精度热控设计、高稳定性的结构一体化设计等多个方面分析了成像载荷的特点。最后，分析了地球静止轨道高分辨率成像卫星的发展趋势，展望了未来空间基础设施规划中计划实施项目的应用特点和应用领域。

地球静止轨道 对地观测 “高分四号”卫星 展望

0 引言

“高分四号”（GF-4）卫星是当今世界上地球静止轨道分辨率最高的对地观测卫星，于 2015年 12 月29日在西昌卫星发射中心成功发射升空。经过6个月在轨运行，圆满完成卫星平台系统测试、卫星载荷系统功能测试、星地一体化和地面系统测试、业务应用测试等工作，卫星状态良好，达到研制设计要求，于2016年6月13日正式投入使用。

GF-4卫星具有凝视、区域、机动巡查三种工作模式，可见光红外通道分辨率优于50m，单景成像幅宽优于500km×500km；中波红外通道分辨率优于400m，单景成像幅宽优于400km×400km。卫星数据可满足灾害监测与评估、气象天气监测、林业调查与监测、地震监测与应急等领域对高时间分辨率遥感数据的需求，为民政部、中国气象局、国家林业局、中国地震局等行业部门和其他用户单位开展业务工作提供有力支撑。

GF-4卫星作为高分辨率对地观测系统重大专项工程的重要组成部分，有多项技术创新与突破，已成为我国时间分辨率最高、设计使用寿命最长的遥感卫星，更是目前世界上空间分辨率最高的地球静止轨道遥感卫星。

1 国外地球静止轨道高分辨率成像卫星发展情况

静止轨道（Geostationary Orbit, GEO）高分辨率成像卫星监视范围广、时间分辨率高，具备极高的响应能力。在日间无云的理想情况下，可对拍摄区域内目标进行持续观测，甚至视频观测，还具备动态目标探测能力和动态目标指示的潜力，卫星响应能力某种程度上甚至超过低轨快响卫星。

目前，美国和欧洲等主要航天机构在静止轨道对地观测领域均开展了相关研究[1-4]。

1.1 美国

自 21世纪初期，美军开始积极谋划升级成像侦察卫星装备，美国国家侦察局（NRO）通过开展分块反射镜空间望远镜（SMT）技术研究，为未来成像体系光学卫星（FIA-O）替代KH-12光学成像卫星开展关键技术研究。目前，美国已完成该技术空间应用实验室演示验证，2020年前可具备立项条件和初始在轨应用能力，预计2030年具备成熟应用能力，实现GEO成像监视。

与此同时，美国还通过空间科学计划发展相应的高轨成像侦查能力。预计将于 2018年发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）就得到军方的大力支持，被用于开展高轨高分辨率成像技术研究[5-9]。

美国国防部先进研究项目局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）于2010年启动了旨在突破大口径薄膜衍射光学成像技术的“莫尔纹”（MOIRE）项目。其目标是突破衍射薄膜、大型可展开支撑结构、星上处理和压缩等关键技术，为未来开发静止轨道高分辨率衍射成像卫星提供技术准备。第一阶段目标是开发满足空间飞行要求的薄膜材料，研制一个m级口径的衍射薄膜主镜，并开展光学薄膜成像系统的方案设计。第二阶段计划研制5m口径光学薄膜成像系统的地面原理样机。

DARPA计划在“莫尔纹”项目取得成功后，研制一颗10m口径的静止轨道衍射成像技术演示验证卫星，对大系统进行全面的演示验证。业务型实用系统的光学系统口径将达到20m，在发射时处于折叠状态，入轨后展开。系统能够在GEO实现1m的高分辨率，视场为10km×10km，成像帧频可高达1幅/s，实现对敌方军事目标的连续监视[10]。

1.2 欧洲

欧洲的静止轨道高分卫星以2009年发射的赫歇尔空间天文望远镜（Herschel）为基础，技术难度较低，便于工程实现。

阿斯特里姆（Astrium）公司开展了名为 GEO-Oculus的地球静止轨道高分辨率光学成像卫星研制[11-12]，该项目旨在预研如何在GEO实现对全球环境与安全进行高空间分辨率和高时间分辨率的监视。GEO-Oculus相机主镜口径 1.5m，由碳化硅制造，其工作谱段覆盖紫外、可见、近红外、短波红外和远红外区域，最高空间分辨率可以达到10.5m，预计在2018年发射[13]。

GO-3S卫星是GEO-Oculus的后续型号，2013年4月完成需求论证，目前已完成方案设计，其单体主反射镜口径为4m，整个光学系统的体积已经达到现有运载器的极限，星下点空间分辨率达到3m，幅宽100km，预计2020年发射。

“GEO轨道 1m分辨率”是泰雷兹-阿莱尼亚宇航公司开展的研究项目，其主要目标是分析和确定GEO卫星在提升空间分辨率方面所存在的技术短板。总体考虑体积、质量等方面的限制，该项目计划放弃传统的单体反射镜成像系统，转而采用可展开的稀疏孔径成像系统。

2 GF-4卫星特点

GF-4卫星采用新研制的高轨遥感卫星平台，卫星总质量5 040kg，设计寿命8年，定点在东经105.6°地球同步静止轨道上。卫星装载1台可见光和中波红外共口径的光学相机。作为国际首颗高轨高分辨率光学遥感卫星，具有以下特点[14-15]：

（1）高轨高分辨率观测

卫星星下点像元分辨率为可见光谱段50m/中波红外谱段400m，幅宽大于400km×400km，为当前地球静止轨道遥感卫星最高水平，国外目前尚无此类同等水平卫星。

（2）高时间分辨率观测

卫星利用相对地面静止的优势，采用驻留固定区域上空凝视、快速指向调整能力、灵活任务编排等优势，获取目标区域的动态变化过程数据，为各类应急任务提供及时的图像数据支持，实现同时对多个热点地区进行高频次观测，是目前世界上时间分辨率最高的遥感卫星。

（3）遥感卫星工作模式新

由于卫星相对地面静止，采用大面阵CMOS器件相机，不同于低轨遥感卫星有限的成像时间，GF-4卫星的工作任务将不受测控弧段及数传弧段的影响，实现近实时的应急任务响应，大幅提高卫星的使用效能。

（4）开辟高轨高分辨率遥感技术新领域

在卫星研制过程中，突破了高轨光学遥感卫星总体设计技术、高轨卫星姿态快速机动与高稳定控制技术、高稳定一体化结构技术研究，突破了复杂成像条件下高轨遥感卫星成像品质保障技术、中波红外面阵成像技术等关键技术，牵引高轨高分辨率遥感技术快速发展。

（5）在轨设计寿命8年

充分发挥重大专项的科技创新引领作用，组织卫星总体及各相关系统，对能源、控制、元器件和原材料等影响卫星寿命的关键因素进行系统改进，确保第一颗遥感类8年长寿命卫星高可靠在轨运行。

3 GF-4卫星载荷特点

GF-4卫星所搭载的相机是国际首台地球静止轨道高分辨率遥感相机，也是我国高分辨率对地观测重大专项中唯一一台地球静止轨道面阵凝视相机。作为我国首台高轨高分辨率相机，具有以下特点：

（1）具备全天时观测能力的高分辨率可见光、红外双通道成像系统

GF-4卫星相机是一台同时具备可见光和中波红外成像能力的双通道高清相机。白天时段，可见光通道和中波红外通道均可观测，夜间可使用中波红外通道进行观测，实现了全天时对地观测。在GF-4卫星之前，地球静止轨道光学相机可见光分辨率最高为500m，GF-4卫星相机的这一指标跃升了10倍。

（2）采用面阵凝视成像体制，最大程度发挥地球静止轨道对地遥感优势

GF-4卫星相机是国内首台采用面阵凝视体制的静止轨道对地观测相机，可见光通道和中波红外通道均采用全局曝光模式的大面阵图像传感器，一幅图像中的全部像素同时曝光，使图像具有极高的相对几何精度。

GF-4卫星定点于东经 105.6°赤道上空的地球静止轨道，相机单景观测幅宽为 400km×400km，可见光通道重复观测周期为5s，中波红外通道重复观测周期为1s，是目前国内时间分辨率最高的对地观测相机，可实现对目标的长期连续监视和跟踪观测。同时具备快速响应能力，可以在数分钟内对用户下达的任务做出响应，最大程度地发挥地球静止轨道的对地遥感优势。

（3）高效灵活的载荷工作模式适应多用户多任务需求

根据面阵凝视相机体制特点，结合双通道、多任务、可见光近红外通道分时多光谱成像的总体技术路线，充分考虑用户的应用体验和高轨空间环境及长寿命高可靠要求，采用智能化、集约化技术路线实现了集供配电、遥控遥测、工作模式控制、视频信号处理、机构控制、温度控制等功能于一体的电子学系统。该系统可支持多任务工作模式，可见光近红外通道和中波红外通道能够独立控制，具有参数快速设置、模式可编程、可重组的技术特点，能够通过单次成像任务实现多用户对图像数据的不同要求，极大提高了系统应用效率，极大提升了多用户多任务条件限制下的需求满足度。

（4）高轨高精度热控设计与验证技术

地球静止轨道空间热环境极为恶劣，冷热交变频繁且持续时间长，“日凌”时刻太阳光直接照射相机内部，热扰动极大，而高分辨率对相机温度稳定性和均匀性要求极高，热控设计难度大。结合空间热流特点，项目承担单位创新性采用了结构/热控一体化设计技术、间接辐射热控技术、调姿规避技术、南北散热面耦合技术等多项有别于低轨遥感器的热控技术，成功抑制了高轨空间环境恶劣的热扰动。同时提出了一种新型吸收式热流模拟方法，将大口径光学遥感器高精度空间热流模拟变成现实，为开展地面热试验验证奠定基础。热控子系统实现了光学系统在轨高精度温度控制要求，确保了遥感器成像品质，填补了国内高轨大口径光学遥感器精密热控的技术空白。

（5）高轨高刚度高稳定性结构一体化设计技术

相机主体结构采用分体构型，将主光学系统（主次镜系统）与可见光通道集成，采用拓扑优化技术，设计空心盒式铸造钛合金主承力结构，在同等质量前提下，得到最优刚度结构构型。

同时综合考虑整星接口形式与传力路径，采用相机结构与卫星结构一体化构型设计方案，利用柔性隔振单元连接相机主体与整星支撑结构，用碳纤维适配器将遮光罩与整星支撑结构相连，使遮光罩与相机主体结构隔离，大幅降低相机主结构和遮光罩结构设计及安装难度，确保相机结构在轨高稳定性。

（6）大口径相机隔振柔性支撑技术

根据高轨高分辨率相机整体刚度要求及减振、隔振要求，采用一种新型轻质柔性结构支撑相机主体，该柔性结构采用钛合金、阻尼胶及光学胶材料，可支撑重达500kg的大口径空间载荷，装配简单，安装方便，并且能够在一定范围内调节支撑刚度，以满足实际刚度需要。

发射段，在满足相机主体基频要求的同时，发挥良好的减振、隔振性能，有效衰减相机整体的振动响应幅值，隔离高频振动；入轨后，有效吸收、隔离卫星平台微振动及热变形，减小卫星平台对相机主体的耦合影响，保证了相机的成像品质。

4 地球静止轨道高分辨率成像卫星发展趋势

以JWST望远镜为代表的空间分块可展开成像技术将在2018年实现在轨应用，在2020~2040年，该技术将逐渐发展成熟，光学系统口径将越来越大，预计在2030年将达到16m水平。可以预见，在2030年前后，美国采用空间分块可展开成像技术的监视卫星将具备业务化应用能力，静止轨道对地观测分辨率将优于1m。

而以“莫尔纹”（MOIRE）项目为代表的天基衍射成像系统的部署应晚于空间分块可展开成像系统。这是因为，虽然薄膜衍射成像系统可以实现超大口径，但其视场小和难以多光谱成像是限制其军事应用的两大核心问题。在技术方面，超大口径固然可以实现高分辨率，但分辨率已经不是衡量系统能力的唯一指标。同时，美国已经将 JWST望远镜作为工程化研制项目，相关部件已经相继交付，从经济性角度来看，是否立项业务型薄膜衍射成像卫星仍是美国军方与工业界正在深入论证的一个问题。

与此同时，在可预见的20年内，欧洲将重点发展技术成熟度最高的大口径单体反射镜成像技术，甚至先于美国发射静止轨道高分辨率成像卫星。但是，尽管欧洲可能占有先发优势，但技术上逊于美国，后劲稍显不足。

综合上述分析，反射成像技术仍然是国外近期发展重点，其中，大口径单体反射镜成像技术和空间分块可展开成像技术将先于其他技术得到在轨应用。

5 结束语

我国所处的地理位置和区域决定了研制发射 GF-4卫星在大范围、高动态的监测国内突发性大型灾害、小尺度气象天气监测、林业调查与监测、地震监测与应急等领域是大有裨益的。GF-4卫星首次探索了静止轨道高分辨率光学凝视成像模式，积累了大量的高轨对地遥感技术和应用经验，后续必将为我国发展此类更高分辨率的卫星设计、制造、在轨应用技术奠定坚实基础。我国在《空间基础设施规划》中拟实施建设多颗高轨近实时监测卫星，应用领域从陆地、大气、海洋兼顾联合观测，探测谱段涵盖光学/微波等多个频段，这些项目的实施必将为我国国民经济发展和国家安全贡献自己的力量。

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Development Status and Prospect of High Resolution Imaging Satellite in Geostationary Orbit

MENG Lingjie1GUO Ding1,2TANG Menghui1WANG Qi1,2

（1 Major and Special Engineering Center, State Administration of Science, Technology and Industry for National Defense, Beijing 100048, China)
（2 China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China）

Firstly, the main performance and operation in orbit of GF-4 satellite are briefly described. Secondly, the development of the geostationary orbit and high resolution imaging technology programs of the United States and Europe are investigated. Thirdly, the GF-4 satellite innovations are summarized in regard to the satellite orbital characteristics, multitasking operating mode, flexible task scheduling, real-time dynamic monitoring, and long life in-orbit. And the characteristics of the imaging payload is analyzed in terms of spectral characteristics, imaging system, integrated multi-function design, high precision thermal control design, and integrated high stability structure design. Finally, the development trend of high resolution imaging satellite in geostationary orbit is given, and the application features and application fields of the implementation projects planned in the future space infrastructure planning are introduced.

geostationary orbit; earth observation; GF-4 satellite; prospect

TP7

: A

: 1009-8518(2016)04-0001-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.001

孟令杰，男，1976年生，2006年获北京航空航天大学工学博士学位，高级工程师。研究方向为卫星工程总体、遥感卫星总体设计、高分专项型号及地面系统建设管理、相关规划及战略研究。E-mail: ljmeng@126.com。

（编辑：毛建杰）

2016-06-05

国家重大科技专项工程