于龍江 劉云鶴

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

1 引言

地球靜止軌道（GEO）光學對地觀測衛(wèi)星非常適合于對地球進行長期的連續(xù)監(jiān)視和快速的訪問成像；但由于其軌道高度高，成像物距是近地軌道的數(shù)十倍。早期，在光學成像載荷技術(shù)能力的限制下，衛(wèi)星難以獲得高空間分辨率，因此，其發(fā)展多在對空間分辨率要求不高的氣象衛(wèi)星和導彈預警衛(wèi)星領(lǐng)域。近年來，隨著光學成像載荷技術(shù)和衛(wèi)星姿態(tài)控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了在GEO 實現(xiàn)幾百至幾十米分辨率的光學對地成像衛(wèi)星的相關(guān)研究，目的是充分發(fā)揮高軌道駐留時間長的優(yōu)勢，滿足多類軍民應用需求。

目前，許多國家和衛(wèi)星制造公司已經(jīng)開始GEO中高分辨率民用光學對地觀測衛(wèi)星的設(shè)計和研制工作。韓國已發(fā)射并應用一顆裝有地球靜止軌道海洋成像儀（GOCI，500m 分辨率）的“通信-海洋-氣象衛(wèi)星”（COMS），后來又提出了研制250 m 分辨率的GOCI-2載荷計劃；印度制定了“地球靜止軌道高分辨率”（GEO-HR）衛(wèi)星計劃，并開展了針對GEO 中高分辨率光學成像衛(wèi)星的方案論證工作；歐洲阿斯特留姆（Astrium）公司也在積極推動GEO-Africa（25m 分辨率）和GEO-Oculus（10．5 m 分辨率）衛(wèi)星方案，并為其尋找用戶。

多個國家和衛(wèi)星研制公司都在大力發(fā)展GEO中高分辨率光學對地觀測衛(wèi)星，主要是因為此類衛(wèi)星具有低軌光學對地觀測衛(wèi)星所不具備的以下優(yōu)勢。①可以利用長期駐留固定區(qū)域上空的優(yōu)勢和快速的指向調(diào)整能力，實現(xiàn)對各類緊急觀測任務的快速響應，快速獲取不同譜段的探測圖像；在短時間內(nèi)由地面完成探測數(shù)據(jù)的接收、處理和分發(fā)，為各類應急任務提供及時的圖像數(shù)據(jù)支持。②可以利用相對地表觀測區(qū)域靜止的優(yōu)勢，在一段時間內(nèi)對目標區(qū)域進行高頻重復凝視觀測，獲取目標區(qū)域的動態(tài)變化過程數(shù)據(jù)，這一能力對于光學遙感應用而言是全新的。③可以通過靈活的任務編排和衛(wèi)星快速的指向調(diào)整，同時對多個熱點地區(qū)進行監(jiān)測。④可以利用面陣長積分時間成像的優(yōu)勢，獲取高質(zhì)量的探測圖像；實現(xiàn)極小的圖像內(nèi)部幾何畸變，生成高幾何精度的圖像產(chǎn)品；實現(xiàn)良好的遙感圖像定量化應用效果?？梢灶A見，GEO 衛(wèi)星用于對地觀測有多方面的優(yōu)勢，將是未來光學對地觀測衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的一個重要領(lǐng)域。

2 發(fā)展情況

2．1 韓國COMS衛(wèi)星

COMS衛(wèi)星是韓國用于通信、海洋、氣象等任務的GEO 多用途對地觀測衛(wèi)星，由歐洲Astrium公司設(shè)計制造，于2010年發(fā)射，并已投入應用。

COMS衛(wèi)星裝載的GOCI（見圖1），分辨率達到了500m，是世界上首個在GEO 實現(xiàn)百米量級分辨率的民用光學對地觀測載荷。GOCI可在短期內(nèi)完成對自然現(xiàn)象的探測、監(jiān)控和預報，藻類污染的監(jiān)控和預報，海洋生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)監(jiān)控，沿海區(qū)域調(diào)查和資源管理，海洋水產(chǎn)業(yè)信息搜集等任務。其質(zhì)量為83．3kg，峰值功耗為106 W，是COMS衛(wèi)星的3個載荷之一。它采用了200 萬像素的面陣CMOS探測器技術(shù)。分辨率為500 m，幅寬為500km；共8 個譜段，光譜分辨率為10～40nm，平均信噪比為1000。表1為GOCI的譜段及其主要用途［1］。

圖1 GOCI結(jié)構(gòu)方案圖Fig．1 Main structure of GOCI

表1 GOCI的譜段及其主要用途Table 1 Spectral channels and their applications of GOCI

在GOCI獲得成功的同時，韓國提出了GOCI-2的研制計劃，其分辨率提高到250m，譜段數(shù)增加到13個，各個譜段的主要指標見表2。它的成像模式（見圖2）既包括原有的韓國附近海域的高分辨率成像模式（分辨率250m），又包括整個地球圓盤的低分辨率成像模式（分辨率1km），可用于監(jiān)測地球氣候的長期變化。

表2 GOCI-2的譜段及其主要用途Table 2 Spectral channels and their applications of GOCI-2

圖2 GOCI-2成像模式Fig．2 GOCI-2imaging modes

2．2 印度GEO-HR衛(wèi)星計劃

印度于2007 年提出了發(fā)展GEO 高分辨率光學成像衛(wèi)星的計劃。其計劃發(fā)展的衛(wèi)星（或載荷）暫定名稱為GEO-HR，配置以下幾個探測通道：①可見光-近紅外高分辨率多光譜（HRMX-VNIR）成像通道，分辨率50m；②可見光-近紅外高光譜（HySVNIR）成像通道，分辨率320m；③短波紅外高光譜（HyS-SWIR）成像通道，分辨率192m；④熱紅外高分辨率多光譜（HRMX-TIR）成像通道，分辨率1．5km。

2．3 Astrium 公司衛(wèi)星方案

2．3．1 GEO-Africa衛(wèi)星

近年來，Astrium 公司在積極推動25m 分辨率的GEO-Africa衛(wèi)星（見圖3［2］）方案。該衛(wèi)星計劃在2015年發(fā)射，是針對中低緯度的非洲提出的，主要滿足農(nóng)業(yè)、土地、海岸、減災、自然資源等方面應用需求。

GEO-Africa衛(wèi)星裝載1臺大口徑（0．9m）光學相機：在可見光、近紅外（VNIR）范圍內(nèi)有10 個成像譜段，星下點分辨率為25m；在短波紅外（SWIR）范圍內(nèi)有1個成像譜段，星下點分辨率為75 m；全譜段調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）平均值優(yōu)于0．1。衛(wèi)星采用直接入軌方式發(fā)射，整星發(fā)射質(zhì)量約為1300kg，其中相機質(zhì)量為550kg。GEO-Africa衛(wèi)星譜段配置和分辨率如表3所示。

圖3 GEO-Africa衛(wèi)星外形設(shè)計圖Fig．3 GEO-Africa configuration layout

表3 GEO-Africa衛(wèi)星譜段及其分辨率Table 3 Spectral channels and their resolutions of GEO-Africa

GEO-Africa衛(wèi)星采用面陣成像體制，可見光探測器采用面陣CMOS，單景幅寬為300km×300km。衛(wèi)星采用“步進-凝視”工作模式，每天可工作13h，對地成像90景，平均4～5d可獲取一幅完整的非洲大陸圖像，夜晚階段不工作。

Astrium 公司目前正在積極尋找GEO-Africa衛(wèi)星的用戶。按照其方案和研制流程，能夠在項目啟動后5年內(nèi)完成衛(wèi)星研制并發(fā)射使用［3-5］。

2．3．2 GEO-Oculus衛(wèi)星

Astrium 公司提出的GEO-Oculus衛(wèi)星方案，是從概念上對實現(xiàn)高空間、高時間、高光譜分辨率的高軌光學對地觀測技術(shù)進行的探索和研究［6-7］，主要面向歐洲及周邊海域的災害、資源、海洋等應用。GEO-Oculus衛(wèi)星任務如表4所示。

表4 GEO-Oculus衛(wèi)星任務Table 4 Missions of GEO-Oculus

GEO-Oculus衛(wèi)星（見圖4）計劃在2018 年發(fā)射，整星發(fā)射質(zhì)量為3652kg。它的光學相機口徑為1．5m，各個探測通道共用前光學系統(tǒng)?？梢姽?、近紅外范圍內(nèi)的3個焦面采用大面陣CMOS探測器，短波-中波紅外焦面采用碲鎘汞（HgCdTe）探測器，長波紅外焦面采用量子阱（QWIP）或HgCdTe探測器。相機最長積分時間為100ms，質(zhì)量預計為606kg，功耗預計為508W（均考慮了20%的設(shè)計余量）。衛(wèi)星每天可獲取65景以上的多譜段圖像，在午夜前后±2h內(nèi)不工作。

GEO-Oculus衛(wèi)星的面陣相機，采用分光＋濾光片輪的方式設(shè)計了5個成像通道，包含從紫外到長波紅外共27個探測譜段。其譜段配置、分辨率、幅寬如表5所示。值得注意的是，成像通道數(shù)量多，以及濾光輪等活動部件的引入，使相機光學系統(tǒng)設(shè)計非常復雜，降低了系統(tǒng)的可靠性。該設(shè)計目前并未得到工程驗證。

圖4 GEO-Oculus衛(wèi)星及其相機Fig．4 GEO-Oculus and its camera

表5 GEO-Oculus衛(wèi)星譜段及其分辨率Table 5 Spectral channels and their resolutions of GEO-Oculus

2．3．3 衛(wèi)星方案比較

表6為GEO-Africa和GEO-Oculus衛(wèi)星方案的主要技術(shù)特點比較。

表6 GEO-Africa和GEO-Oculus衛(wèi)星方案的主要技術(shù)特點比較Table 6 Comparison of main technical characteristics between GEO-Africa and GEO-Oculus satellites

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

根據(jù)國外發(fā)展情況，GEO 中高分辨率光學對地觀測衛(wèi)星一般采用面陣凝視成像體制，選用全反射光學系統(tǒng)，并采用近年來發(fā)展迅速的面陣CMOS探測器，通過整星姿態(tài)機動進行相機指向的調(diào)整，實現(xiàn)靈活的任務響應能力。CMOS 探測器一般具有抗彌散設(shè)計，可以避免局部圖像的飽和（云、水體等）對于其他區(qū)域的影響，適合于高軌對地成像時幅寬大、云出現(xiàn)概率大的特點。CMOS 探測器采用電子快門，積分時間可以在一定范圍內(nèi)自由設(shè)置，有利于在整星快速切換指向區(qū)域時，通過調(diào)整積分時間獲取灰度值（DN）分布合理、圖像亮度效果好的圖像。但CMOS探測器在技術(shù)上尚不如CCD 探測器成熟，像元尺寸一般較大，在探測靈敏度、探測器噪聲等方面略遜色于CCD，在探測器規(guī)模上尚達不到大面陣CCD 探測器的規(guī)模。這些缺點也都影響了CMOS探測器在短期內(nèi)的廣泛應用。

國外GEO 中高分辨率光學對地觀測衛(wèi)星一般具有VNIR、SWIR、MWIR 直至LWIR 范圍內(nèi)的多譜段探測能力，空間分辨率10～50m 不等，衛(wèi)星可根據(jù)應急救災、火災監(jiān)視、水質(zhì)污染監(jiān)視、海洋觀測等領(lǐng)域的任務需求，確定其探測譜段和分辨率。

在平臺方案上，國外GEO 中高分辨率光學對地觀測衛(wèi)星多采用成熟的GEO 通信衛(wèi)星平臺進行改造，并繼承低軌高分辨率光學對地觀測衛(wèi)星平臺技術(shù)，采用先進的姿態(tài)測量和控制設(shè)備，以滿足成像性能要求的姿態(tài)穩(wěn)定度、姿態(tài)測量精度和指向控制精度；通過多層次的隔振措施，保證載荷成像期間光軸的振動幅值控制在允許的范圍內(nèi)。

積分時間長是GEO 中高分辨率光學對地觀測衛(wèi)星的一大技術(shù)特點。長積分時間有利于實現(xiàn)高的信噪比，尤其對于低照度、低反射率目標區(qū)域，有利于獲取更多的圖像細節(jié)，提高圖像定量化應用價值。但長積分時間需要幾個方面的技術(shù)作為支撐：①大動態(tài)范圍的探測器器件，尤其是滿阱電子數(shù)要高，才能在獲取低端圖像細節(jié)的同時避免高端飽和；②整星高穩(wěn)定度姿態(tài)控制，按照一般的設(shè)計要求，星體穩(wěn)定度在0．000 1（°）／s～0．000 5（°）／s；③星體微振動抑制技術(shù)，由于積分時間長，相機成像所敏感的“高頻振動”的頻率范圍向低頻移動，對隔振系統(tǒng)設(shè)計帶來了很大的挑戰(zhàn)，相比低軌光學對地觀測衛(wèi)星的隔振系統(tǒng)具有更大的技術(shù)難度，國外高軌高分辨率光學對地觀測衛(wèi)星對控制執(zhí)行機構(gòu)的微振動特性有嚴密的分析和嚴格的要求，并采用多種隔振手段（執(zhí)行機構(gòu)隔振器、相機隔振器等）完成隔振任務。

夜晚階段陽光照射是GEO 中高分辨率光學對地觀測衛(wèi)星面臨的重要問題。由于星地距離遠，在夜晚階段地球的陰影一般不能遮擋衛(wèi)星（地影期除外）；高分辨率相機口徑大，且遮陽罩內(nèi)壁一般進行發(fā)黑處理，以減小雜散光，內(nèi)壁長時間受照會引起遮陽罩溫度的上升；在午夜附近時段，陽光照射相機內(nèi)部很深，如果不加控制，就會對光學反射鏡表面的鍍膜等造成損壞。因此，GEO 中高分辨率光學對地觀測衛(wèi)星要解決夜晚階段的遮光罩熱控問題，并通過姿態(tài)規(guī)避或熱門等手段解決午夜附近的陽光照射問題。

4 啟示

GEO 中高分辨率光學對地觀測衛(wèi)星的突出優(yōu)點，使其具有廣闊的應用前景。在減災應用方面，可以獲取災害演變過程中典型孕災環(huán)境、致災因子和承災目標的持續(xù)動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，為水災、雪災、林火、地震、泥石流等各類災害的發(fā)展趨勢分析、救災方案部署等活動提供重要的數(shù)據(jù)支持；在氣象應用方面，可以在一段時間內(nèi)提供熱點地區(qū)的高頻率連續(xù)探測圖像，為重大氣象保障和強天氣條件（局部地區(qū)強對流、龍卷風、臺風等）短期預警服務提供數(shù)據(jù)支持；在農(nóng)業(yè)應用方面，可以為區(qū)域性作物長勢監(jiān)測、作物面積早期識別、區(qū)域性耕地土壤墑情監(jiān)測、農(nóng)業(yè)災害監(jiān)測等活動提供支持；在環(huán)保應用方面，可用于大氣、水體、森林、草地、濕地等動態(tài)變化監(jiān)測和保護活動；在海洋應用方面，可用于海島海岸帶動態(tài)監(jiān)測、海洋漁場環(huán)境監(jiān)測、海洋災害監(jiān)測等活動。

當前，許多國家和衛(wèi)星研制公司都在大力發(fā)展GEO 中高分辨率光學對地觀測衛(wèi)星技術(shù)，主要包括韓國的COMS衛(wèi)星、印度的GEO-HR 衛(wèi)星、歐洲的GEO-Africa和GEO-Oculus衛(wèi)星。根據(jù)對這些衛(wèi)星的分析可知，在發(fā)展GEO 中高分辨率民用光學對地觀測衛(wèi)星時，要解決以下關(guān)鍵技術(shù)：①可見-紅外共口徑相機方案優(yōu)化設(shè)計技術(shù)；②大口徑光學相機加工、裝調(diào)、檢測技術(shù)；③大規(guī)模、高性能面陣探測器技術(shù)；④大口徑光學相機支撐與減隔振技術(shù)；⑤GEO光學對地觀測衛(wèi)星精密熱控技術(shù)；⑥GEO 光學對地觀測衛(wèi)星平臺減隔振技術(shù)。

（References）

［1］Yu H A．Present status of GOCI and preliminary GOCI-2 mission ＆ user requirements［R／OL］．［2010-10-03］．http：／／0-geo-cape．larc．nasa．gov．iii-server．ualr．edu／docs／2009swgm／4wednesdayafternoon／cho＿goci＿coci2＿rev．pdf

［2］Kufoniyi O．GEO-Africa technical specification white paper［R／OL］．［2010-02-17］．http：／／www．earthobservations．org／documents／geo＿africa／geo-africa-whitepaper-draft1-17feb2010＿1．pdf

［3］Ramos F．GEO-Africa workshop session 1：technical performances［R／OL］．［2010-02-22］．http：／／www．earthobse vations．org／documents／geo＿africa／geo-africafirst-core-team-meeting＿garba＿sambo＿hassan．pdf

［4］Ramos F．GEO-Africa workshop session 2：appropriateness of applications［R／OL］．［2010-02-22］．http：／／www．earthobsevations．org／documents／geo＿africa／geo-africa-first-core-team-meeting＿garba＿sambo＿hassan．pdf

［5］Ramos F．GEO-Africa workshop session 3：regionalisation-deployment ＆ capacity building approaches［R／OL］．［2010-02-22］．http：／／www．earthobsevations．org／documents／geo＿africa／geo-africa-first-core-team-meeting＿garba＿sambo＿hassan．pdf

［6］Knigge T．GEO-Oculus mission overview：a mission for real-time monitoring through high-resolution imaging from geostationary orbit［R／OL］． ［2009-05-13］．http：／／esamultimedia．esa．int／docs／gsp／completed／c21096exs．pdf

［7］Vaillon L，Schull U，Knigge T，et al．GEO-Oculus：high resolution multi-spectral earth imaging mission from geostationary orbit［C］／／ICSO 2010Proceedings．Toulouse，F(xiàn)rance：ICSO，2010：31-36