李果 孔祥皓

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

0 引言

地球靜止軌道對地觀測技術(shù)非常適合于對地球進行長期的連續(xù)監(jiān)視。但由于軌道高度高，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，難以獲得高空間分辨率探測圖像，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)星領域。

21世紀初，隨著大口徑主鏡成像技術(shù)、可展開式光學成像技術(shù)、光學合成孔徑成像技術(shù)以及衍射望遠鏡技術(shù)等新型成像技術(shù)的發(fā)展，靜止軌道高分辨率光學成像技術(shù)開始蓬勃發(fā)展，各國紛紛提出了各自的靜止軌道高分辨率光學成像衛(wèi)星計劃[1-3]。

本文從典型國家的發(fā)展計劃和專項技術(shù)的發(fā)展趨勢兩個維度對靜止軌道高分辨率光學成像衛(wèi)星發(fā)展情況和發(fā)展方向進行調(diào)研和分析，并基于調(diào)研和分析的結(jié)果，提出我國靜止軌道光學成像衛(wèi)星發(fā)展的建議和啟示。

1 發(fā)展概況

1.1 美國

美國在“鎖眼”偵察衛(wèi)星（KH-12）、“哈勃望遠鏡”（Hubble）等衛(wèi)星上早已實現(xiàn)主鏡口徑2.4～3m，據(jù)推測，目前具備在地球靜止軌道實現(xiàn) 5m左右分辨率的技術(shù)能力。但由于美國各類可以用于軍事偵察的低軌光學衛(wèi)星數(shù)量非常多，天基之外的偵察手段也很完備，對地球靜止軌道低于 5m分辨率的需求并不強烈。因此美國并未在基于整體式主鏡的靜止軌道光學遙感衛(wèi)星方面開展實質(zhì)性工作。

美國從上世紀80年代末便制定了對于整體式主鏡之外的新型光學系統(tǒng)的研究發(fā)展規(guī)劃，從研究進程來看，美國正力圖通過大型空間望遠鏡James Webb項目（JWST）的發(fā)展。逐步解決可展開式成像技術(shù)，提高技術(shù)成熟度，隨后應用到靜止軌道對地觀測領域[4-5]。

JWST望遠鏡如圖1所示，采用三反同軸消像散光學系統(tǒng)，焦距131.4m，主鏡口徑約6.5m，主鏡面積為25m2。系統(tǒng)中加入快速像穩(wěn)定鏡提高光軸穩(wěn)定度。

圖1 James Webb望遠鏡設計Fig.1 Design of “James Webb”

此外，在光學合成孔徑光學系統(tǒng)方面，美國的其它研究包括：美國麻省理工學院空間系統(tǒng)實驗室（MIT）基于Golay-3布局的自適應偵察光學衛(wèi)星項目（ARGOS）、波音公司基于Golay-6布局的靜止軌道對地光學遙感器項目等等。

目前，光學合成孔徑成像的理論研究已經(jīng)較為成熟，并針對需要解決的關鍵技術(shù)進行了一些地面試驗?？傮w來說，距離工程應用還有非常大的差距。

1.2 歐洲發(fā)展

相比于美國，歐洲的靜止軌道光學遙感衛(wèi)星發(fā)展起步略晚，開始于21世紀初。歐洲的新型光學成像技術(shù)大多參考美國，在技術(shù)攻堅的過程中，歐洲同樣難以攻克稀疏孔徑成像技術(shù)和基于編隊飛行的光學干涉合成孔徑成像技術(shù)，相關例子如達爾文（DARWIN）計劃被取消。

但另一方面，歐洲單體大口徑反射成像系統(tǒng)發(fā)展較為順利，曾在2009年發(fā)射了口徑達3.5m的赫歇爾空間天文望遠鏡（Herschel），歐洲以此為技術(shù)基礎積極發(fā)展靜止軌道光學遙感衛(wèi)星成像載荷，同時發(fā)展具有高姿態(tài)控制精度和高敏捷性能的靜止軌道光學遙感衛(wèi)星平臺。

歐空局在2005年4月召開的第一屆歐洲AAAI軍事空間國際會議上，初步確定了實現(xiàn)靜止軌道高分辨率對地觀測的技術(shù)路線和技術(shù)途徑，如圖2所示[6-7]：

圖2 歐空局靜止軌道高分辨率對地觀測技術(shù)路線Fig.2 Technical route of high-resolution observation at GEO orbit by ESA

在靜止軌道高分辨率光學成像技術(shù)領域，歐洲阿斯特留姆（Astrium）公司實力最強，開展了一系列衛(wèi)星的研制，表1所示為歐洲Astrium公司面向地球靜止軌道（GEO）高分衛(wèi)星工程化的發(fā)展計劃。

表1 歐洲Astrium公司面向GEO高分衛(wèi)星工程化的發(fā)展計劃Tab.1 The development plans of Astrium company on high-resolution observation project at GEO orbit

1.3 韓國發(fā)展

韓國航空航天研究所（KARI）和阿斯特留姆公司（Astrium）合作研制了首顆靜止軌道海洋觀測衛(wèi)星COMS，COMS衛(wèi)星通過Ariane5 V195火箭發(fā)射成功。

其上搭載了地球靜止軌道海洋水色成像儀（GOCI），可用來監(jiān)測朝鮮半島周邊海域水色情況。GOCI載荷地面像元分辨率500m，幅寬500km，共8個譜段，光譜分辨率10～40nm，平均信噪比優(yōu)于1 000。GOCI載荷質(zhì)量83.3kg，峰值功耗106W，是COMS衛(wèi)星的3個載荷之一[8]。

在GOCI載荷取得成功的同時，韓國宇航局提出了GOCI-2載荷的研制計劃，其地面像元分辨率提高到250m，譜段數(shù)增加到13個[9-10]。

2 成像技術(shù)發(fā)展趨勢分析

通過目前的技術(shù)跟蹤情況來看，靜止軌道高分辨率光學成像技術(shù)對于新型成像技術(shù)、載荷與平臺一體化設計技術(shù)的要求越來越高，圖3為靜止軌道高分辨率光學成像技術(shù)發(fā)展趨勢。

圖3 靜止軌道高分辨率光學成像技術(shù)發(fā)展趨勢Fig.3 Development trends of high-resolution optical imaging satellite at geostationary orbit

2.1 新型成像技術(shù)

由于受發(fā)射平臺載荷艙體積和質(zhì)量、光學材料、制造工藝、機械結(jié)構(gòu)、成本等諸多因素的限制，光學系統(tǒng)口徑大于3～4m后已經(jīng)無法進一步增大。因此，為在地球靜止軌道發(fā)展分辨率高于5m的對地觀測系統(tǒng)，必須尋求傳統(tǒng)的整體式主鏡之外的技術(shù)途徑。為此，歐、美從20世紀90年代開始，開始開展各種新型成像系統(tǒng)的研究，以滿足靜止軌道高分辨率成像的需要。先后提出的研究方案種類繁多，主要包括空間可展開光學系統(tǒng)、光學合成孔徑成像系統(tǒng)、衍射成像光學系統(tǒng)等。

美、歐等國采用的靜止軌道光學成像技術(shù)的發(fā)展概況如表2所示。

（1）空間可展開光學技術(shù)

在眾多的新技術(shù)中，可展開光學系統(tǒng)是實現(xiàn)大口徑空間光學系統(tǒng)的主要技術(shù)途徑之一。

可展開光學系統(tǒng)是指在發(fā)射時折疊為一個可接受的尺寸，到達預定軌道后再展開的光學系統(tǒng)；光學系統(tǒng)的主鏡由一些較小尺寸的超輕、主動控制的分塊鏡組成，發(fā)射后在軌道上按要求的方式展開、鎖定，在自適應光學系統(tǒng)的控制下“拼接”成一個共相位主鏡?？烧归_光學系統(tǒng)有效地解決了整體式大口徑光學系統(tǒng)研制和發(fā)射中難以克服的種種問題，使輕量化、大口徑遙感器的實現(xiàn)成為可能[11]。

美國和歐洲都十分重視可展開光學系統(tǒng)的研制。美國國家偵察局于2004年夏天探討可展開式望遠鏡概念，計劃在今后20年內(nèi)造出這樣的偵察衛(wèi)星：它在發(fā)射時可容身于直徑5m的整流罩內(nèi)，進入太空后可展開其口徑約30m的望遠鏡，歐空局在2005年的防務會議上明確提出要研發(fā)可展開光學系統(tǒng)應用于對地觀測。

（2）光學合成孔徑成像技術(shù)

光學合成孔徑成像技術(shù)是一種采用中、小口徑光學鏡片或子望遠鏡系統(tǒng)利用光學方法實現(xiàn)等效大口徑光學系統(tǒng)的新型成像技術(shù)，其系統(tǒng)成理想像必須滿足等光程條件，也就是物理光學上的共相位，也稱稀疏孔徑望遠鏡系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的光學系統(tǒng)相比，光學合成孔徑成像技術(shù)的特征和優(yōu)點在于：降低了光學元件的加工難度，光學元件體積小，質(zhì)量輕，系統(tǒng)可以設計成為折疊式，有利于降低發(fā)射體積和質(zhì)量，節(jié)約發(fā)射費用，系統(tǒng)設計和組裝靈活多變，特別適用于各種空間光學系統(tǒng)。

光學合成孔徑成像系統(tǒng)包括分塊成像系統(tǒng)和稀疏孔徑成像系統(tǒng)。目前光學合成孔徑技術(shù)受到世界各國的重視，美國、歐洲和俄羅斯均投入了大量的人力物力進行研發(fā)，特別是以美國為首的發(fā)達國家，投入巨資進行研究與開發(fā)，并且在該領域已經(jīng)取得一定的研究成果。截至目前，美國在此領域的研究處于世界領先水平，但也停留在技術(shù)研究和演示驗證階段，還不具備工程化應用能力。在方案設想上，稀疏孔徑的實現(xiàn)方案既有基于單星多孔徑的方案，也有基于多星編隊，進而形成多孔徑的方案。但總體來說，稀疏孔徑的技術(shù)實現(xiàn)難度還很大，還停留在理論研究和地面試驗階段。

表2 靜止軌道光學成像技術(shù)發(fā)展對比Tab.2 Antitheses and development of geostationary orbit imaging technology

（3）光學衍射成像技術(shù)

衍射成像系統(tǒng)一般由物鏡和目鏡系統(tǒng)組成，是具有微結(jié)構(gòu)的新一代光學系統(tǒng)。系統(tǒng)中的物鏡為超大口徑衍射透鏡，目鏡系統(tǒng)一般包括一個中繼光學系統(tǒng)和色差校正系統(tǒng)。其工作原理是首先通過衍射透鏡匯聚光線，再由位于其焦點處的中繼光學系統(tǒng)進行色差校正以增大帶寬，最后成像到焦平面上。衍射光學元件是利用厚度為波長量級的表面浮雕結(jié)構(gòu)對光波進行控制，元件本身具有輕而薄的特點。把衍射光學元件制作在幾十微米的薄膜基底上，由于是透射元件，只要基底材料做到等厚，對其面形精度要求一般為毫米量級，與反射鏡相比，其面形精度可以降低4個數(shù)量級[12]。

與傳統(tǒng)的反射式光學系統(tǒng)相比，衍射成像技術(shù)具有獨特的技術(shù)特點。首先，衍射成像器件若使用薄膜材料，將使光學系統(tǒng)質(zhì)量小很多，在實現(xiàn)相同分辨率的前提下，衍射光學成像系統(tǒng)質(zhì)量僅為反射系統(tǒng)的1/7，大幅降低了對火箭承載能力的要求；其次，可采取發(fā)射時折疊、入軌后展開的方式，易于實現(xiàn)天基超大光學口徑成像系統(tǒng)；再次，衍射薄膜鏡面形精度要求比反射鏡降低2～3倍，降低了制造難度，且薄膜鏡易于復制和批量化生產(chǎn)，有望大幅降低系統(tǒng)開發(fā)成本。綜上所述，衍射光學成像系統(tǒng)有望成為未來大口徑、高分辨率光學系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向。

（4）新型成像技術(shù)總結(jié)

大口徑單鏡面成像系統(tǒng)由于自身質(zhì)量極大，無法在發(fā)射時折疊裝載，因此在現(xiàn)有運載火箭能力的限制下，這種方案不適于口徑大于 4m的空間望遠鏡，但隨著具有大口徑整流罩的重型運載火箭的發(fā)展，這種類型的望遠鏡具有潛力成為大口徑空間望遠鏡的解決方案，單鏡面望遠鏡的技術(shù)難度也比空間分塊可展開望遠鏡的低。

目前的研發(fā)熱點，即空間分塊可展開望遠鏡系統(tǒng)的優(yōu)點是可以利用比較成熟的小口徑反射鏡拼接成一個大口徑望遠鏡，但其面形控制要求、共相位要求是極其嚴格的，相應的成本也極高。

光學干涉合成孔徑技術(shù)由于各子孔徑的同相位要求，使得空間機械結(jié)構(gòu)調(diào)整、系統(tǒng)穩(wěn)定性和大氣擾動等因素引起的波動的總效應需控制在光波長的數(shù)量級內(nèi)。具體地說，光學干涉合成孔徑技術(shù)一般是利用若干個衛(wèi)星編隊飛行，以實現(xiàn)長基線干涉從而達到高分辨率的要求，但其衛(wèi)星編隊飛行的控制精度要求極高，工程實現(xiàn)難度巨大。同時，稀疏孔徑使用分離的光學系統(tǒng)，是以犧牲通光量為代價實現(xiàn)高分辨率，在技術(shù)上還存在一系列尚待解決的問題。另一方面，分塊可展開和稀疏孔徑成像系統(tǒng)自身的質(zhì)量仍然會限制口徑的擴大。

衍射成像技術(shù)為解決靜止軌道高分辨率對地觀測問題提供了一種新思路，它具有可實現(xiàn)大口徑、所用材料面密度極輕、面形控制要求低和生產(chǎn)工藝相對較容易等特點，但衍射成像系統(tǒng)的效率比較低，目前其主鏡最高只能達到約40%的衍射效率，而整體系統(tǒng)的效率更低。并且衍射成像系統(tǒng)的帶寬普遍較窄，支撐衍射薄膜的平臺結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也是很復雜的問題。

總之，這些技術(shù)各有利弊，要綜合實際的使用情況進行取舍。

2.2 載荷與平臺一體化設計技術(shù)

隨著靜止軌道高分辨率光學成像衛(wèi)星的發(fā)展和應用，傳統(tǒng)的衛(wèi)星平臺搭載一臺合適的載荷理念進行開發(fā)研制的衛(wèi)星很難滿足用戶的多種高標準要求，因而為提升系統(tǒng)使用效能、實現(xiàn)高性能、高穩(wěn)定性在軌成像能力而進行的一體化設計是現(xiàn)代高性能衛(wèi)星研制所必需的。

對于靜止軌道高分辨率光學成像衛(wèi)星的一體化需求分析主要有： 有效載荷尺寸和規(guī)模的增大需求；更高的圖像質(zhì)量需求；更高的智能化需求。

因此，載荷與平臺的一體化設計不但要解決載荷與衛(wèi)星平臺在整星結(jié)構(gòu)、熱控以及電接口上采用一體化設計需求，更多要需要關注高精度指向與高穩(wěn)定度姿態(tài)控制技術(shù)、微振動抑制技術(shù)和整星像質(zhì)提升和處理技術(shù)。

（1）高精度指向與高穩(wěn)定度姿態(tài)控制技術(shù)

由于靜止軌道高分辨率光學成像的軌道很高，若要比較準確地定位地球表面的目標以及獲取高品質(zhì)的遙感影像，要求衛(wèi)星必須具有良好的姿態(tài)指向精度、準確的姿態(tài)確定精度和高穩(wěn)定的姿態(tài)。姿態(tài)確定與控制系統(tǒng)是其中的一個關鍵組成部分，它決定了姿態(tài)的指向精度和穩(wěn)定度。由于姿態(tài)確定中需要利用軌道信息，故軌道的確定與控制對姿態(tài)控制系統(tǒng)也很重要。

目前國外的星敏感器技術(shù)日趨成熟，并已在多種衛(wèi)星上應用。美國的GOES-N氣象衛(wèi)星即采用用陀螺/星敏感器組合定姿方法。GOES-N的控制系統(tǒng)包含三個星敏感器，其中兩個用于精確姿態(tài)確定，另外一個作為冗余備份，但同時使用三個可以提高系統(tǒng)性能。星敏感器的光軸在衛(wèi)星本體坐標系與-Y軸的夾角為 35°，視場為 8°×8°，能同時跟蹤 5顆六等星，觀測誤差為 8μrad。每個星敏感器的質(zhì)量小于 9kg，功耗小于 15W。星敏感器的性能主要取決于標定誤差而不是噪聲，目前的標定誤差的精度低于 1″（3σ）[13-14]。

（2）微振動抑制技術(shù)

對于靜止軌道高分辨率光學成像衛(wèi)星，采用面陣凝視成像體制，其積分時間可調(diào)是優(yōu)勢，通常靜止軌道高分辨率光學成像衛(wèi)星的積分時間是低軌觀測衛(wèi)星的數(shù)十倍至數(shù)百倍，如此長時間的積分，對平臺提供的力學環(huán)境要求也越來越高。從歐美發(fā)展的狀況來看，為實現(xiàn)高分辨率遙感，減振隔振技術(shù)成為具有決定性的關鍵技術(shù)之一。

1990年美國發(fā)射的Hubble望遠鏡用于對太空進行科學觀測，其光學相機對航天器指向精度與穩(wěn)定度的要求非常高。在采取仔細調(diào)整匹配軸承滾珠、降低電機驅(qū)動電路電子噪聲等措施的基礎上，研制人員為每個姿態(tài)控制飛輪設計安裝了被動隔振裝置，以減小飛輪產(chǎn)生的振動對圖像品質(zhì)的影響[15-16]。隔振裝置的設計主要考慮對飛輪軸向振動進行隔離，頻率為18～20Hz，阻尼比約4%[17]。

1999年美國發(fā)射的Chandra X射線空間望遠鏡用于觀測宇宙空間的X射線以研究超新星與類星體，其焦距為10m。在Chandra X射線空間望遠鏡研制階段進行的仿真分析表明，姿態(tài)控制飛輪產(chǎn)生的振動經(jīng)中央承力筒傳遞至望遠鏡的高分辨率鏡頭組，將導致圖像品質(zhì)無法滿足設計要求。為此，研制人員為航天器上的六個姿態(tài)控制飛輪設計安裝了固有頻率9Hz左右、阻尼比約5%的飛輪隔振裝置，使鏡頭組件的振動量級滿足了設計要求并且具有了一定的裕度，如圖4所示。

圖4 Chandra X射線空間望遠鏡飛輪隔振裝置Fig.4 Flywheel isolation device of“Chandra”X Ray space telescope

在軌飛行數(shù)據(jù)表明，安裝了飛輪隔振裝置的Chandra X射線空間望遠鏡指向性能顯著優(yōu)于設計要求。

（3）整星像質(zhì)提高與處理技術(shù)

地球靜止軌道成像任務中，圖像品質(zhì)是系統(tǒng)設計研制所關注的重要問題?？臻g相機多采用大F數(shù)設計，焦距長、MTF低，加上受衛(wèi)星姿態(tài)振動、大氣消光、探測器采樣等因素的影響造成的圖像退化嚴重影響了圖像品質(zhì)。利用衛(wèi)星在成像過程中的測量信息來進行圖像品質(zhì)提升處理、補償MTF，可以大大提高衛(wèi)星的成像效果，也可以為合理安排載荷的設計指標，降低設計難度和制造成本等提供定量化依據(jù)。

1）圖像品質(zhì)退化復原。國外研究表明，分辨率相同的優(yōu)化設計的光學遙感器經(jīng)過MTFC 后的像質(zhì)要優(yōu)于大相對孔徑的遙感器，如：IKONOS-2衛(wèi)星于2000年和2001年進行的在軌測試獲得全色譜段成像系統(tǒng)MTF為0.02～0.07，經(jīng)地面MTFC精處理后，系統(tǒng)MTF達0.14～0.15。Orbview-3衛(wèi)星在軌測試獲得全色譜段成像系統(tǒng)MTF為0.10，經(jīng)地面MTFC處理后，系統(tǒng)MTF達0.15，KOMPSAT-2衛(wèi)星復原后的MTF從0.08提升到0.12，Pleiades衛(wèi)星相機MTF的設計值僅為0.07，經(jīng)仿真試驗表明地面MTFC處理后的系統(tǒng)MTF預計可達0.3，如圖5所示。

圖5 KOMPSAT-2衛(wèi)星MTFC校正效果Fig.5 MTFC Correction effect of KOMPSAT-2 satellite

2）超分辨率成像技術(shù)。目前法國的 SPOT、美國 EarthSAT等公司已采用超分辨圖像重建技術(shù)，利用多個衛(wèi)星同時成像來重建高分辨率圖像。美國Dayton大學和Wright實驗室在美國空軍的支持下，對紅外CCD相機進行了機載試驗，利用20幅低分辨率的紅外圖像，取得了分辨率提高近5倍的實驗結(jié)果。此外，國際著名的光學儀器制造公司Leica/Hellawa和法國國家航天研究中心已經(jīng)把該領域的理論研究成果轉(zhuǎn)化到硬件產(chǎn)品——亞像元 CCD傳感器陣列的設計中，并已將其分別應用于他們的遙感設備“ADS-40”和“SPOT-5”衛(wèi)星，取得了相當理想的效果。SPOT-5采用亞像元技術(shù)，從 SPOT-4衛(wèi)星的地元分辨率5m提高到了2.5m，而綜合分辨率提高為原來的1.7倍。

3 發(fā)展啟示與建議

本文在分析國外靜止軌道高分辨率光學成像衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀的前提下，梳理了靜止軌道高分辨率光學成像衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展趨勢，并在此基礎提出了我國發(fā)展靜止軌道高分辨率光學成像衛(wèi)星的啟示和建議：

1）借鑒歐、美、韓的發(fā)展趨勢與途徑，合理規(guī)劃我國靜止軌道高分辨率光學成像衛(wèi)星發(fā)展方向；

2）突破傳統(tǒng)超大單鏡成像系統(tǒng)關鍵技術(shù)，同時積極發(fā)展儲備新型成像技術(shù)；

3）拓展高軌光學探測領域，對高軌高光譜探測、偏振探測等方面開展相關研究；

4）提高衛(wèi)星指向精度、姿態(tài)穩(wěn)定度、姿態(tài)測量精度及提高微振動抑制能力；

5）開展綜合像質(zhì)提升技術(shù)的研究與應用，不斷提高靜止軌道遙感衛(wèi)星成像能力；

6）強調(diào)高低軌衛(wèi)星配合使用規(guī)劃與研究，充分發(fā)揮靜止軌道遙感衛(wèi)星樞紐作用。

通過對目前靜止軌道高分辨率光學成像衛(wèi)星的發(fā)展趨勢來看，我們認為可將靜止軌道光學遙感衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展分階段來考慮和安排：在地球靜止軌道實現(xiàn)空間分辨率15m可以作為第一階段的目標，在地球靜止軌道實現(xiàn)空間分辨率3～5m可以作為第二階段的目標，在地球靜止軌道實現(xiàn)空間分辨率1～2m左右可作為第三階段的目標。每個階段的技術(shù)途徑可能完全不同。從技術(shù)角度來看，第一、二階段的目標，通過已開展的相關研究已解決技術(shù)難點，實現(xiàn)只是工程周期問題；而第三階段的目標能否在未來通過技術(shù)發(fā)展實現(xiàn)，目前正在進行關鍵技術(shù)梳理，有待開展關鍵技術(shù)攻關工作。