范立佳 王躍 楊文濤 于龍江 張國斌

(中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

高分多模衛(wèi)星采用全新一代中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺，配置具有良好研制基礎(chǔ)的高分辨率光學(xué)相機、大氣同步校正儀等有效載荷。在保證實現(xiàn)敏捷成像模式下高分辨率、高質(zhì)量圖像數(shù)據(jù)獲取能力的前提下，充分利用平臺的應(yīng)用潛力，實現(xiàn)星上數(shù)據(jù)實時處理、星間激光通信等新技術(shù)。

高分多模衛(wèi)星于2020年7月3日由長征四號乙運載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，在軌測試結(jié)果表明：衛(wèi)星敏捷成像能力強、圖像質(zhì)量良好，各項功能、性能滿足研制要求，衛(wèi)星技術(shù)指標達到國際先進水平。衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運行，狀態(tài)正常，各分系統(tǒng)硬件、軟件工作正常，可服務(wù)于自然資源、應(yīng)急管理等各行業(yè)用戶。高分多模衛(wèi)星方案設(shè)計合理、正確，能夠有效支撐各行業(yè)用戶應(yīng)用需求，提升定量化應(yīng)用水平[1]。

1 衛(wèi)星方案設(shè)計

1.1 方案概述

高分多模衛(wèi)星由有效載荷和衛(wèi)星平臺2個部分組成(見圖1)。有效載荷包括高分辨率相機、大氣同步校正儀、數(shù)傳、激光通信終端4個分系統(tǒng)；衛(wèi)星平臺采用中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺，包括結(jié)構(gòu)與機構(gòu)、控制、推進、數(shù)管、測控、供配電、熱控、捕獲跟蹤8個分系統(tǒng)。

圖1 高分多模衛(wèi)星組成Fig.1 Components of GFDM-1 satellite

中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺采用模塊化設(shè)計，由服務(wù)艙、設(shè)備艙、推進模塊、控制力矩陀螺(CMG)模塊、相機防護罩等組成。主結(jié)構(gòu)采用“四立柱+板”的結(jié)構(gòu)形式，配置2個2維2次展開的并聯(lián)高剛太陽翼。

姿態(tài)控制采用縱軸對地的3軸穩(wěn)定的飛行姿態(tài)，敏感器采用甚高精度星敏感器+大量程三浮陀螺，執(zhí)行機構(gòu)采用5臺大力矩CMG，具備大動態(tài)高精度姿態(tài)測量能力和快速機動能力。推進采用單組元推進系統(tǒng)形式。供配電采用2×90 A·h鋰離子蓄電池、智能電源控制，能實現(xiàn)大容量高效率、高可靠供配電。測控采用S頻段對地測控+中繼擴頻測控體制，配置雙頻導(dǎo)航定位接收機，具備優(yōu)于5 m實時定軌精度能力。熱控采用新一代智能型控溫儀配合鉑電阻測溫系統(tǒng)，具備高精度測控溫和智能管理能力。捕獲跟蹤采用整星姿態(tài)預(yù)置結(jié)合中繼天線轉(zhuǎn)動實現(xiàn)。數(shù)管采用國際通用的空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)+歐洲航天標準合作組織(ECSS)標準協(xié)議體系，具備智能的自主任務(wù)管理和自主健康管理能力，大幅提升衛(wèi)星任務(wù)執(zhí)行能力和好用性易用性。

有效載荷配置1臺大口徑長焦距的敏捷高分辨率相機，采用新一代7 μm/28 μm的5譜段TDICCD器件+28 μm的4譜段TDICCD器件光學(xué)拼接，實現(xiàn)全色優(yōu)于0.5 m/多光譜優(yōu)于2 m、9譜段的高質(zhì)量成像能力。

配置1臺大氣同步校正儀，采用分孔徑多元探測方案實現(xiàn)與高分辨率相機時空同步的大氣數(shù)據(jù)采集，用于地面圖像處理中大氣校正處理。配置高速一體化數(shù)據(jù)處理器、5 Tbit大容量固態(tài)存儲器，采用X頻段8PSK調(diào)制的800 Mbit/s高速對地數(shù)傳技術(shù)，同時配置有Ka頻段對中繼數(shù)傳，提高衛(wèi)星快速獲取能力。搭載1套激光通信終端，開展高低軌星間激光通信試驗。

衛(wèi)星發(fā)射和在軌飛行狀態(tài)見圖2。

圖2 高分多模衛(wèi)星發(fā)射收攏和在軌飛行狀態(tài)Fig.2 Stowed and on-orbit flight configuration of GFDM-1 satellite

1.2 主要技術(shù)指標

高分多模衛(wèi)星運行在644 km高的太陽同步軌道，全球任意地區(qū)平均重訪周期不超過2天，衛(wèi)星主要技術(shù)指標見表1。

表1 高分多模衛(wèi)星主要技術(shù)指標Table 1 Main parameters of GFDM-1 satellite

2 技術(shù)特點及解決技術(shù)途徑

2.1 高效靈活的敏捷成像技術(shù)

為充分發(fā)揮衛(wèi)星在軌應(yīng)用效能，通過調(diào)研分析國外先進“昂宿星”(Pleiades)系列、“世界觀測”(WorldView)系列等敏捷光學(xué)成像衛(wèi)星成像模式設(shè)計[2-3]，結(jié)合國內(nèi)行業(yè)用戶應(yīng)用特點，突破傳統(tǒng)被動沿跡推掃高分辨率成像幅寬限制帶來的獲取效率低難題，高分多模衛(wèi)星采用緊湊小慣量高剛度構(gòu)型布局技術(shù)[4]、高精度敏捷機動控制技術(shù)、高分辨率相機敏捷成像技術(shù)[5-6]等相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)了同軌多點目標成像模式、同軌多條帶拼幅成像模式、同軌多角度/立體成像模式、沿跡/非沿跡主動推掃成像模式等多種敏捷成像模式，大幅提高圖像獲取效率，如表2所示。

表2 高分多模衛(wèi)星成像能力及典型應(yīng)用Table 2 Capabilities and practical applications of GFDM-1 satellite

高分多模衛(wèi)星在軌測試過程中，完成了對上述各類敏捷成像能力測試，各敏捷成像模式執(zhí)行正常，成像能力均優(yōu)于指標要求，成像效果良好，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了對同軌同一目標12次以上多角度觀測、任意向條帶目標的“動中成像”，可為用戶提供更為豐富的觀測信息，大幅提升衛(wèi)星在軌觀測效能。

2.2 高精度敏捷機動控制技術(shù)

為實現(xiàn)高分多模衛(wèi)星各類復(fù)雜敏捷成像能力需求，配置了5臺繞星體縱軸的圓錐面均勻的125 N·m·s大力矩控制力矩陀螺群作為執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)繞任意軸歐拉角最大角速度4.5(°)/s的快速機動能力；采用大量程高精度陀螺+甚高精度星敏感器方案實現(xiàn)高精度姿態(tài)確定。

為滿足各類敏捷成像能力和成像質(zhì)量保障需求，設(shè)計了點對點姿態(tài)機動、姿態(tài)/角速度預(yù)置等姿態(tài)機動模式，敏捷機動控制實現(xiàn)了先進的姿態(tài)測量與控制算法，采用基于角加速度正弦軌跡規(guī)劃方法、末端平滑的多項式規(guī)劃方法及機動過程中前饋補償?shù)燃夹g(shù)，使得星體姿態(tài)以最短路徑繞歐拉軸旋轉(zhuǎn)，降低姿態(tài)機動對太陽翼的激勵，提升敏捷機動到位及穩(wěn)定的能力；為規(guī)避CMG控制力矩奇異，在框架角速度指令精確解算的基礎(chǔ)上，引入零運動規(guī)律和魯棒奇異規(guī)避操縱規(guī)律；在姿態(tài)穩(wěn)定度實現(xiàn)上，分析了星上可動部件運動，以及控制系統(tǒng)敏感器測量、控制算法、執(zhí)行機構(gòu)等帶來的噪聲對衛(wèi)星的姿態(tài)指向精度和穩(wěn)定度的影響，采用高穩(wěn)定太陽翼驅(qū)動機構(gòu)和并聯(lián)式高剛度太陽翼，以避免星體的角速度和加速度激勵撓性振蕩影響。

地面通過敏捷姿態(tài)機動控制3軸氣浮臺物理仿真試驗，對敏捷機動控制的機動控制模式、典型機動能力和敏捷機動控制方案等進行全物理仿真驗證。

高分多模衛(wèi)星在軌測試結(jié)果表明：衛(wèi)星實現(xiàn)了高精度敏捷機動控制能力，敏捷機動能力達到了25°/15 s，慣性空間測量精度優(yōu)于1″(3σ)，姿態(tài)穩(wěn)定度優(yōu)于0.000 1(°)/s(3σ)，有效保障了衛(wèi)星敏捷成像模式及高成像質(zhì)量。圖3給出了姿態(tài)穩(wěn)定度在軌測試曲線。

圖3 衛(wèi)星姿態(tài)角速度變化曲線Fig.3 Angular velocity curves of satellite attitude

2.3 基于敏捷成像模式的圖像質(zhì)量保證技術(shù)

敏捷成像模式較傳統(tǒng)光學(xué)成像衛(wèi)星有較大差異，成像條件更為復(fù)雜、影響因素更多，主要表現(xiàn)為滾動/俯仰大角度成像下的成像質(zhì)量，以及主動推掃成像模式的成像質(zhì)量等方面，因此基于敏捷成像模式的圖像質(zhì)量保證技術(shù)從以下兩方面開展。

(1)建立了基于敏捷成像模式的圖像質(zhì)量指標體系。針對敏捷機動能力強、大姿態(tài)角成像、姿態(tài)角變化靈活和主動推掃成像等特點，分析各類敏捷成像模式下成像全鏈路中各環(huán)節(jié)對圖像質(zhì)量的影響，通過建模及圖像質(zhì)量仿真分析，建立基于敏捷成像模式下的圖像質(zhì)量指標體系，明確圖像質(zhì)量對相關(guān)單機、分系統(tǒng)及系統(tǒng)的要求。

(2)開發(fā)了敏捷成像模式圖像質(zhì)量仿真系統(tǒng)(系統(tǒng)過程見圖4)。基于傳統(tǒng)被動成像全鏈路成像仿真技術(shù)，針對大姿態(tài)角成像、主動推掃成像等敏捷成像特點，構(gòu)建了敏捷成像天地一體化全過程全鏈路圖像仿真模型，開發(fā)了仿真系統(tǒng)，包括地面目標、傳輸路徑(大氣)、衛(wèi)星軌道、姿態(tài)、相機等全鏈路影響因素；通過仿真分析，系統(tǒng)優(yōu)化了各影響環(huán)節(jié)指標要求，并為各相關(guān)分系統(tǒng)及系統(tǒng)研制提供了有效支撐；結(jié)合各階段研制成果，開展了成像質(zhì)量復(fù)核，確保能夠滿足用戶對高成像質(zhì)量的需求。

圖4 敏捷成像模式圖像仿真系統(tǒng)過程Fig.4 Image simulation system process of agile imaging modes

在軌測試及圖像質(zhì)量評價結(jié)果表明：衛(wèi)星圖像質(zhì)量各項指標均滿足或優(yōu)于設(shè)計指標要求，與地面仿真分析一致性好；指標體系完整、指標分配合理、仿真模型正確，有效保證了高分多模衛(wèi)星圖像質(zhì)量滿足用戶需求。

2.4 基于敏捷成像的高定位精度保證技術(shù)

高分多模衛(wèi)星作為我國首顆分辨率優(yōu)于0.5 m的民用光學(xué)成像衛(wèi)星，為滿足用戶高精度定量化應(yīng)用需求，突破了基于敏捷成像的高定位精度保證技術(shù)。針對敏捷成像過程中姿態(tài)大范圍快速變化的特點，系統(tǒng)開展了定位精度影響因素分析，包括軌道確定、姿態(tài)測量、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、相機內(nèi)方位元素穩(wěn)定性、時間同步和地面標定各環(huán)節(jié)；建立了天地一體的定位精度指標體系，提出分系統(tǒng)級、單機級及星上和地面的各項指標，從系統(tǒng)設(shè)計、硬件及軟件等多方面開展了工作，完成了分析、仿真、試驗等設(shè)計與驗證工作。

軌道確定方面，針對敏捷機動特點采用雙天線系統(tǒng)使用模式，以及雙頻雙模導(dǎo)航接收機，優(yōu)化實時、事后定軌算法。姿態(tài)測量方面，配置甚高精度星敏感器和大量程三浮陀螺，采用星敏感器+陀螺聯(lián)合濾波的高精度姿態(tài)確定方案，制定了敏捷模式的定姿最優(yōu)切換策略，改進事后定姿的算法，對星敏感器低頻誤差和陀螺刻度因子等誤差進行標定，從硬件和軟件入手共同提高姿態(tài)確定精度。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面，采用星敏感器-相機一體化安裝設(shè)計，選取高穩(wěn)定性復(fù)合材料結(jié)合高精密熱控設(shè)計實現(xiàn)相機與星敏感器之間的高穩(wěn)定性；新研相機安裝柔性適配裝置消除平臺結(jié)構(gòu)在軌變形影響。相機內(nèi)方位元素穩(wěn)定性方面，采用光-機-熱一體化集成設(shè)計，從材料、結(jié)構(gòu)、熱控等系統(tǒng)優(yōu)化，實現(xiàn)內(nèi)方位元素高穩(wěn)定性。時間同步方面，采用整星、分系統(tǒng)、單機的多級時間同步機制，以及高精度秒脈沖授時結(jié)合在軌實時補償校時的高精度時統(tǒng)方案，提高秒脈沖輸出精度及本地的時鐘計數(shù)精度，整星時間同步精度達到10微秒量級。

在軌測試期間，地面系統(tǒng)對內(nèi)、外方位元素的系統(tǒng)誤差進行標定后，利用數(shù)字定標場數(shù)據(jù)對敏捷成像模式下無控制點圖像平面幾何定位精度進行了全面評價，對偏離星下點30°錐角范圍內(nèi)定位精度可優(yōu)于5 m。評價結(jié)果表明：本文提出的基于敏捷成像的高定位精度保證技術(shù)方案合理、正確，實現(xiàn)了無控制點圖像平面幾何高定位精度，達到了國際先進水平，可以為用戶提供高幾何精度的圖像產(chǎn)品。

2.5 多級微振動抑制技術(shù)

高分多模衛(wèi)星有效載荷采用1 m大口徑、10.8 m長距焦的光學(xué)相機，為實現(xiàn)高圖像質(zhì)量，充分借鑒了國外先進設(shè)計技術(shù)[4,7]，整星采取多級微振動抑制技術(shù)，完成了對影響成像質(zhì)量的擾動源、減隔振裝置、傳遞路徑和有效載荷等全鏈路環(huán)節(jié)分析，建立微振動抑制指標體系。

擾動源方面，系統(tǒng)全面梳理了星上各類活動部件的擾動特性，重點針對控制執(zhí)行部件125 N·m·s的控制力矩陀螺(CMG)，充分考慮在軌各種使用工況，進行了全面擾動特性分析及測試，獲取了單機詳細的擾動特性，為微振動抑制設(shè)計及分析提供了有力支撐。

減隔振措施方面，采取多級微振動抑制措施，5臺CMG采取集中布局安裝設(shè)計，并針對CMG群提出了4組并聯(lián)隔振裝置的整體隔振動方案，基于CMG擾動特性，兼顧抗主動力學(xué)和在軌微振動抑制需求完成了CMG安裝支架及并聯(lián)隔振裝置的一體化設(shè)計與研制驗證；圍繞高分辨率相機成像特點，在其與平臺安裝界面設(shè)計了集平臺變形釋放和隔振一體的柔性適配裝置，進一步消除振動對相機的影響，通過系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計柔性和隔振參數(shù)，取得最優(yōu)效果。

傳遞路徑方面，對傳力路徑和關(guān)鍵局部結(jié)構(gòu)進行合理的頻率管理，避免結(jié)構(gòu)放大，采取隔振裝置與主結(jié)構(gòu)匹配性優(yōu)化設(shè)計，基于地面試驗數(shù)據(jù)，建立了精確的微振動仿真分析模型，支持實現(xiàn)微振動設(shè)計及在軌預(yù)示。

有效載荷方面，基于以往衛(wèi)星研制基礎(chǔ)及地面試驗測試數(shù)據(jù)，根據(jù)相機光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計模型，建立了相機微振動響應(yīng)分析模型，完成了不同成像參數(shù)下的相機微振動響應(yīng)在軌預(yù)示。

此外，開發(fā)了并聯(lián)隔振裝配置、柔性適配裝置等新研單機，完成了地面整星微振動試驗驗證，并開展在軌微振動響應(yīng)仿真預(yù)示，多級微振動抑制措施有效，滿足微振動引起相機像移小于0.1個像元要求。通過在軌星上微振動傳感器實測結(jié)果，星上擾動頻率特性與設(shè)計一致，經(jīng)過并聯(lián)隔振裝置、結(jié)構(gòu)傳遞衰減、柔性適配裝置，擾動響應(yīng)衰減達到90%以上。

圖5給出了在軌動態(tài)傳遞函數(shù)測試圖像，通過在軌動態(tài)傳遞函數(shù)評價，在軌動態(tài)傳遞函數(shù)達到了0.09，與預(yù)期一致，可以證明星上采取微振動抑制措施有效，達到了預(yù)期目標。

圖5 高分多模衛(wèi)星在軌動態(tài)傳遞函數(shù)測試Fig.5 Dynamic MTF test of GFDM-1 satellite

2.6 時空同步大氣校正技術(shù)

高分多模衛(wèi)星具有敏捷成像模式下高分辨率、高質(zhì)量圖像數(shù)據(jù)獲取能力，不可避免地受到大氣分子、氣溶膠和云等大氣成份的吸收與散射的影響，直接干擾了光學(xué)相機接收信號。為實現(xiàn)高輻射精度、高商業(yè)價值的遙感圖像數(shù)據(jù)，服務(wù)于定量化應(yīng)用，通過調(diào)研國外同類光學(xué)遙感衛(wèi)星設(shè)計，高分多模衛(wèi)星配置1臺大氣同步校正儀，與高分辨率相機同步觀測，獲取時空嚴格匹配、更加精準的大氣參數(shù)，用于地面圖像處理中的大氣校正。

結(jié)合天地一體化大氣校正方案設(shè)計，采用多譜段、多偏振通道的大氣參數(shù)探測體制，大氣同步校正儀采用分孔徑結(jié)合多元探測器分視場方案[1,8]，配置8個探測譜段，其中5個譜段具備偏振探測能力。490 nm，550 nm，670 nm，870 nm譜段用于氣溶膠參數(shù)反演；910 nm主要用于水汽柱濃度測量；1380 nm具有卷云和平流層氣溶膠測量能力；1610 nm和2250 nm近紅外通道，用于估算地表偏振反射率，以實現(xiàn)地氣分離。大氣同步校正儀除了能獲取光譜信息外，還可以獲取大氣的偏振特性，實現(xiàn)地表和大氣信息的有效分離，同步獲取地表反射率和氣溶膠參數(shù)，相對于純光譜的大氣校正儀能夠獲得更高的大氣參數(shù)估算精度，從而提高遙感圖像的大氣校正能力。

圖6給出了2020年7月26日科威特大氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果對比。結(jié)果表明：高分多模衛(wèi)星大氣參數(shù)反演精度高。通過大氣校正，去除了大氣程輻射效應(yīng)、交叉輻射效應(yīng)和領(lǐng)近效應(yīng)等影響，改善地物特征光譜精度，提高地物細節(jié)特征和地物定量化水平。

圖6 氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果Fig.6 Retrieval results of aerosol optical depth

2.7 基于元任務(wù)的自主任務(wù)管理技術(shù)

高分多模衛(wèi)星是一顆典型的敏捷光學(xué)衛(wèi)星，以敏捷成像能力，特別是拼幅成像、多角度成像和非沿跡成像為主要特征，較傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星成像需求更加豐富多樣和細致，任務(wù)決策機制與任務(wù)執(zhí)行過程更加復(fù)雜，任務(wù)執(zhí)行數(shù)量大幅增加[9]，大大增大了用戶操作難度及執(zhí)行所需的指令數(shù)據(jù)量。從用戶好用性、易用性出發(fā)，高分多模衛(wèi)星采用基于元任務(wù)的星地接口設(shè)計，向用戶提供操作簡單、真正面向任務(wù)，無需輸入大量“面向過程”的具體底層指令，使得用戶以容易理解的數(shù)據(jù)表單形式(元任務(wù))、從任務(wù)層面直接操作衛(wèi)星，從而大幅提高了衛(wèi)星的易用性。衛(wèi)星上裝有以數(shù)管系統(tǒng)管理單元為核心的強大自主任務(wù)管理系統(tǒng)，能夠根據(jù)上注元任務(wù)自主解析且高效、可靠完成各類任務(wù)。

高分多模衛(wèi)星具有同軌多點目標成像模式、同軌多條帶拼幅成像模式、同軌多角度/立體成像模式、沿跡/非沿跡主動推掃成像模式等多種復(fù)雜成像模式；回放包括對地數(shù)傳和對中繼數(shù)傳，每種數(shù)傳又包括3種不同碼速率，在軌工作模式非常復(fù)雜。為規(guī)范操作、提升易用性，簡化星地操作，用戶僅需要對成像元任務(wù)和回放元任務(wù)操作即可完成對衛(wèi)星各類任務(wù)操控，衛(wèi)星上完成對用戶任務(wù)的排序及優(yōu)化處理，盡可能在統(tǒng)一的規(guī)則下對衛(wèi)星的成像進行操作控制，優(yōu)化分系統(tǒng)間協(xié)作的流程，提高應(yīng)用效率。另外，衛(wèi)星上對接收到的任務(wù)，在不需要地面干預(yù)的情況下能完成任務(wù)接收、任務(wù)解析、合法性檢查、約束檢查、指令生成及優(yōu)化并執(zhí)行。

高分多模衛(wèi)星發(fā)射入軌后，對自主任務(wù)管理功能性能進行了測試驗證，元任務(wù)定義合理，能夠覆蓋用戶各類使用任務(wù)需求，操控便捷、靈活、高效，大幅提升衛(wèi)星任務(wù)執(zhí)行能力、執(zhí)行效率及任務(wù)的快速響應(yīng)能力。圖7給出了2020年9月共計27天的衛(wèi)星在軌實際任務(wù)執(zhí)行情況，任務(wù)執(zhí)行成功率達到了100%，單天最大成像任務(wù)數(shù)量達到了103個，平均每天成像任務(wù)約52個，相比其他衛(wèi)星，成像任務(wù)執(zhí)行能力提升數(shù)倍。結(jié)合在軌測試及應(yīng)用驗證，衛(wèi)星在軌運行穩(wěn)定，各類任務(wù)執(zhí)行正常，衛(wèi)星操控界面簡單、高效。

圖7 成像任務(wù)執(zhí)行情況Fig.7 Implementation of imaging missions

2.8 基于在軌智能診斷與處理的自主健康管理技術(shù)

低軌遙感衛(wèi)星由于軌道的特點，衛(wèi)星過境可視弧段較短，以往衛(wèi)星在軌出現(xiàn)問題，缺乏完善的自主診斷和處理能力，導(dǎo)致故障處理的有效性和時效性不足，不利于用戶的使用和監(jiān)管，影響衛(wèi)星業(yè)務(wù)連續(xù)性，甚至涉及到衛(wèi)星安全。為提高衛(wèi)星的安全性及健壯性，充分利用星上綜合電子硬件及軟件資源，高分多模衛(wèi)星采用更強的星上自主健康管理系統(tǒng)(見圖8)，規(guī)范了健康管理系統(tǒng)操控及事件報告機制；基于以往在軌衛(wèi)星故障模式，結(jié)合單機及分系統(tǒng)設(shè)計狀態(tài)，構(gòu)建了包括自主健康數(shù)據(jù)體系、事件報告體系、多級故障處理方案及健康數(shù)據(jù)優(yōu)先下傳方案等在內(nèi)的星上自主健康管理體系，實現(xiàn)了健康維護及故障的快速隔離、恢復(fù)，大幅提升了衛(wèi)星自身故障監(jiān)測和恢復(fù)能力。

圖8 自主健康管理系統(tǒng)Fig.8 Self health management system

高分多模衛(wèi)星自主健康管理的核心是能夠自主對自身健康狀態(tài)進行監(jiān)控和判讀，依據(jù)故障識別結(jié)果，采取隔離、恢復(fù)等處置措施，星上自主組織發(fā)生故障時相關(guān)遙測數(shù)據(jù)，在衛(wèi)星入境時自主優(yōu)先下傳。自主健康管理的工作內(nèi)容主要包括健康數(shù)據(jù)生成、故障診斷與恢復(fù)、健康數(shù)據(jù)下傳，以數(shù)管分系統(tǒng)的系統(tǒng)管理單元為核心，完成系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級、單機/模塊故障監(jiān)視診斷與處置。為提升管理控制的靈活性，衛(wèi)星健康管理設(shè)置了總開關(guān)和各子功能開關(guān)，各功能獨立可控，并具有防止反復(fù)多次觸發(fā)設(shè)計。

相比于現(xiàn)有衛(wèi)星，高分多模衛(wèi)星從功能的角度具備更多的單機級、分系統(tǒng)級及系統(tǒng)級健康管理及快速下傳的功能；從信息流角度提供了不同層級的數(shù)據(jù)處理機制，剔除或壓縮無效數(shù)據(jù)，改變了現(xiàn)有衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)從源到地面的狀態(tài)，數(shù)據(jù)有效性大大提升，大大減輕了測控通道壓力；從智能化的角度，分級智能健康管理，地面基于事件報告(而不是原始遙測)進行決策，每一級智能化水平都有很大提升。在近一年的在軌運行中，自主健康管理系統(tǒng)準確報警并處置了多起健康異常事件，有效保證了衛(wèi)星的在軌安全及任務(wù)連續(xù)運行，未發(fā)生健康系統(tǒng)誤診斷、誤報警，大幅提升了在軌自主運行可靠性、地面運行管理的效率。

2.9 基于敏捷衛(wèi)星的中繼數(shù)傳技術(shù)

高分多模衛(wèi)星具有響應(yīng)能力快、成像效能高等優(yōu)點，對標美國、法國等同類先進商業(yè)遙感衛(wèi)星全球地面接收站布局策略，突破我國地面接收站布局限制，著眼于全球數(shù)據(jù)的快速獲取，充分利用我國現(xiàn)有中繼系統(tǒng)資源，首次實現(xiàn)了民用遙感衛(wèi)星中繼數(shù)傳設(shè)計，可以實現(xiàn)境外成像當圈回傳快速獲取能力，可有效提升衛(wèi)星全球快速響應(yīng)及獲取能力。

為實現(xiàn)與中繼衛(wèi)星的捕獲跟蹤，一般采用米級大口徑、2軸轉(zhuǎn)動的機械點波束天線，并采用展開臂將天線撐到星體外，以保證跟蹤過程大口徑天線運動包絡(luò)需求。為保證衛(wèi)星敏捷成像對小慣量、高剛度要求，突破常規(guī)設(shè)計，首次采用了星體姿態(tài)預(yù)置結(jié)合天線小角度轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對中繼衛(wèi)星指向與跟蹤方案，充分利用高分多模衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星及太陽三者間運動特性，基于高分多模衛(wèi)星強敏捷機動和高精度高穩(wěn)定的控制能力，采用慣性空間固定姿態(tài)預(yù)置，并結(jié)合天線2軸小角度轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對中繼衛(wèi)星穩(wěn)定跟蹤。在軌測試期間進行了多次中繼衛(wèi)星數(shù)傳任務(wù)，天線捕獲跟蹤與數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定正常；中繼數(shù)傳任務(wù)期間，整星工作正常，太陽翼跟蹤穩(wěn)定。因此，中繼數(shù)傳跟蹤方案設(shè)計合理正確。

2.10 面向應(yīng)急響應(yīng)的快速獲取技術(shù)

在遙感技術(shù)與應(yīng)用的雙重驅(qū)動下，遙感衛(wèi)星技術(shù)得到了飛速發(fā)展，相應(yīng)任務(wù)規(guī)劃與執(zhí)行、數(shù)據(jù)接收與處理、產(chǎn)品分發(fā)及應(yīng)用體系已形成了較為完備的天地一體化服務(wù)體系。從用戶觀測需求到數(shù)據(jù)獲取整個服務(wù)鏈條涉及多個環(huán)節(jié)，特別是重大災(zāi)害、事故或事件發(fā)生后，急需及時掌握災(zāi)害發(fā)生地點、涉及范圍、發(fā)展趨勢等信息；但是，往往受限于受災(zāi)區(qū)地理環(huán)境、設(shè)備設(shè)施等限制，無法實現(xiàn)“第一時間”將受災(zāi)區(qū)域的遙感衛(wèi)星圖像產(chǎn)品傳送到前沿應(yīng)急指揮部[10-11]。為了解決上述問題，高分多模衛(wèi)星首次采用了一種面向應(yīng)急需求的特定區(qū)域圖像快速獲取方法，突破傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)獲取和傳輸手段，大幅減小了圖像數(shù)據(jù)獲取鏈路中對地面設(shè)施的依賴程度；配置區(qū)域圖像的提取與處理單元，結(jié)合敏捷成像，完成特定區(qū)域的快速精準提取、輻射校正、CCD拼接及幾何校正等處理，并生成用戶可直接應(yīng)用的二級圖像產(chǎn)品。衛(wèi)星上實時處理流程見圖9。

圖9 衛(wèi)星上實時處理流程Fig.9 Real-time processing flow on satellite

基于高分多模衛(wèi)星上配置的X頻段高速數(shù)傳通道，通過軟件配置可以實現(xiàn)2×450 Mbit/s和2×100 Mbit/s的中低碼速率下傳模式，以便在前沿應(yīng)急指揮部配置更為靈活的機動站或微型便攜接收站，支持1.2 m，4.5 m及更大口徑天線接收使用，用戶根據(jù)需求靈活選擇使用；地面接收只需要完成圖像數(shù)據(jù)的實時接收與顯示即可，能有效解決如何在“第一時間”將受災(zāi)區(qū)域的遙感衛(wèi)星圖像產(chǎn)品傳送到前沿應(yīng)急指揮部的問題。

在軌測試期間，首次完成了面向應(yīng)急響應(yīng)需求的特定區(qū)域快速獲取模式應(yīng)用演示驗證，模擬應(yīng)急搶險救災(zāi)前沿指揮部“實時”接收受災(zāi)區(qū)域2級遙感圖像產(chǎn)品，并進行判讀應(yīng)用的場景。10：54：24，開始成像并進行實時處理，生成15 km×15 km的2級圖像產(chǎn)品；10：56：30，通過指揮部配置的地面移動接收站完成了圖像數(shù)據(jù)的接收、解調(diào)及圖像產(chǎn)品顯示應(yīng)用。測試結(jié)果表明：衛(wèi)星可將用戶對特定區(qū)域圖像數(shù)據(jù)產(chǎn)品的獲取時效由數(shù)小時提高至分鐘級，為應(yīng)急響應(yīng)需求提供及時、有效的信息，大幅提高重大災(zāi)害現(xiàn)場災(zāi)情信息傳遞的保障能力，能夠有效解決災(zāi)區(qū)通信設(shè)施損毀所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸難題。

3 在軌測試情況

高分多模衛(wèi)星于2020年7月3日成功發(fā)射入軌，至2021年3月完成了衛(wèi)星狀態(tài)建立、衛(wèi)星平臺及有效載荷參數(shù)優(yōu)化調(diào)整、衛(wèi)星工程測試、地面系統(tǒng)能力測試、圖像檢校與評價、應(yīng)用示范等全部在軌測試工作。在軌測試結(jié)果表明：衛(wèi)星各項功能性能滿足研制要求，衛(wèi)星敏捷成像模式豐富、獲取能力強，圖像質(zhì)量良好，綜合性能達到國際先進水平。

與國內(nèi)已發(fā)射在軌運行的遙感衛(wèi)星相比，高分多模衛(wèi)星具有分辨率高、譜段豐富、圖像質(zhì)量高、敏捷成像能力強等特點，分辨率優(yōu)于0.5 m，為國內(nèi)民用光學(xué)遙感衛(wèi)星最高；具有豐富的敏捷成像模式，首次實現(xiàn)對同一目標一次過境12個角度觀測成像、沿任意向目標“動中成像”能力。經(jīng)地面系統(tǒng)及用戶應(yīng)用評價，高分多模衛(wèi)星圖像幾何及輻射質(zhì)量高。

圖10給出了高分多模衛(wèi)星與國際主流商業(yè)遙感衛(wèi)星WorldView-2圖像(全色譜段)的對比。高分多模衛(wèi)星在敏捷成像能力、圖像幾何精度、圖像輻射質(zhì)量等方面均達到了WorldView-2衛(wèi)星水平；通過目視效果、清晰度和美國國家圖像解譯級別(NIIRS)等方式對比，高分多模衛(wèi)星圖像紋理細節(jié)更豐富，邊緣層次感較好。

圖10 高分多模衛(wèi)星與WorldView-2衛(wèi)星圖像效果對比Fig.10 Image comparison between GFDM-1 satellite and WorldView-2 satellite

4 結(jié)束語

高分多模衛(wèi)星作為我國首顆民用分辨率優(yōu)于0.5 m的敏捷光學(xué)成像衛(wèi)星，為滿足用戶定量化遙感應(yīng)用，其方案設(shè)計充分借鑒了國際同類先進遙感衛(wèi)星設(shè)計，突破了敏捷成像技術(shù)、高圖像質(zhì)量保證技術(shù)等多項核心技術(shù)，大幅提升了衛(wèi)星在軌圖像數(shù)據(jù)的獲取效能，可為用戶提供高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)。通過在軌測試及應(yīng)用評價，衛(wèi)星各項功能性能符合要求，方案設(shè)計合理正確。高分多模衛(wèi)星成功實現(xiàn)兼顧高分辨率與敏捷成像的遙感衛(wèi)星技術(shù)的應(yīng)用，技術(shù)指標先進，為我國研制更高分辨率、更優(yōu)圖像質(zhì)量、更強敏捷成像能力的光學(xué)遙感衛(wèi)星奠定了堅實基礎(chǔ)。