聚焦高分一号卫星的创新与突破
<p> 2013年我国宇航任务首发、高分辨率对地观测系统首发、肩负着我国民用高分辨率遥感数据尽快实现国产化的重任……在外部镁光灯的照耀下，由中国航天科技集团公司五院航天东方红卫星有限公司抓总研制的高分一号卫星,有了更多熠熠生辉的理由。但不容忽视的一点是，高分一号卫星本身就是一颗足够璀璨的“明星”，在航天创新突破的功劳簿上记载着它诸多傲人的资本。</p><p> <strong>高寿命——如何打响“长寿保卫战”</strong></p><p> “高分一号卫星是我国首颗设计、考核寿命要求大于5年的低轨卫星。”高分一号卫星总指挥兼总设计师白照广介绍说，以前国内低轨卫星的设计寿命基本都在3年，只有资源三号卫星的设计寿命是5年、考核寿命是4年。而高分一号卫星的设计寿命5年、考核寿命5年～8年的指标无疑创下了一个全新纪录。</p><p> “要保长寿命，就必须抓住对寿命最为敏感、最易造成威胁的关键环节，首当其冲的就是卫星的活动部件。”白照广解释说，卫星中的活动部件终日磨损，一般会最先亮起生命红灯。为此，高分一号卫星设计团队的“长寿保卫战”重点围绕飞轮、陀螺、地球红外敏感器等活动部件的延寿工作集中展开。</p><p> 而这其中，陀螺恐怕是最令卫星设计队伍头疼的一个问题。星上陀螺运转速度非常快，工作时间长，耗损极大，而其对精度的要求又非常之高。再加上目前国内陀螺产品质量并不稳定，屡有卫星栽在陀螺这道坎上。正鉴于此，说陀螺的寿命直接危及整星寿命，一点都不夸张。为此，高分一号卫星实现了在小卫星上装配全新陀螺，这样既减小了摩擦，也相应降低了耗损，可以有效地提高产品寿命。</p><p> 但是新技术、新产品也必然伴有新的风险，从未经过上天验证的全新陀螺能够经受得住空间环境的检验吗？对此，白照广显得信心十足：“有周全的设计和精密的地面验证做支撑，我们对成功有很大把握。”</p><p> 除此之外，高分一号卫星将电池更换为锂离子电池，在增加容量的同时，降低了重量；卫星的太阳翼采用三级砷化镓，在整个翼展面积不变的前提下，发电效率从原来的18%提高到28%，这些都为卫星长寿命运行提供了充足的能量。同时，卫星设置了很多“智能”措施，以提高卫星自身的问题辨识能力和自我医治能力，达到“延年益寿”的目的。</p><p> 与中继卫星这位“老大哥”的“牵手”，也是高分一号卫星“延寿”的秘方之一。由于高分一号卫星更多的时间都是在境外上空飞行，地面测控站观测不到，一旦遇到险情想要补救都来不及。而中继卫星“站得高、看得远”，借助于它的帮忙，就能更加周全地确保卫星运行的安全稳定。如此一来，高分一号卫星也就多了一份来自太空的关照和看护。</p><p> 而同时，通过中继卫星报告的及时位置信息，在高分一号卫星即将入境之前，地面可以对其实现临时发送或修改指令，提高卫星工作计划的灵活度，这大大提高了卫星的使用效能，对于节省能量、提高寿命也大有裨益。</p><p> <strong>高要求——如何把控图像质量的生命</strong></p><p> 考量高分一号卫星优劣的最关键因素之一就是卫星装载的相机在太空中的工作实效及其成像质量。从某种意义上说，对于高分辨率对地观测卫星而言，成像质量就是生命。</p><p> 据白照广介绍，高分一号卫星的图像质量要求之高，表现在几个方面。一方面是对图像的定位精度要求更高，过去卫星的定位精度要求基本都是百米量级的，而高分一号卫星的定位精度则达到几十米。另一方面是对卫星的姿态稳定度要求更高，如果卫星姿态不够稳定，就像拿着照相机的手不断抖动，会直接影响成像质量。所以，相较于普通卫星千分之一度每秒的姿态稳定度要求，高分一号卫星的姿态稳定度要达到万分之五度每秒，足足提高了半个量级。再一方面是对同步性的更高要求，从发送指令到实施拍照，在考虑到电路延迟、汇总卫星的位置信息、姿态信息等因素，高分一号卫星的同步性要控制在很小的范围之内。</p><p> 为此，卫星研制团队在方案设计、产品更新换代、技术优化升级等方面齐发力、共突破，全方位确保实现整星对于定位精度、姿态稳定度和同步性等方面近乎严苛的要求。</p><p> 同时，成像质量好坏还要取决于相机，因此，在相机成像质量验证方面，卫星研制团队也是做足了文章、下足了工夫。</p><p> 为考察极端条件下相机的成像能力，卫星研制团队将相机放在高温和低温瞬态极端环境下，进行了轨道周期内光照区不同成像时间的相机成像能力测试。结果表明，经过两个极端工况后，相机的焦面位置并未改变。</p><p> 除此之外，从几何质量验证到辐射质量验证再到外景成像试验，相机都经受了严酷的考验。</p><p> <strong>高结合——如何完美匹配实现最优</strong></p><p> 高分一号卫星最突出的优势之一在于实现了空间分辨率和时间分辨率的完美结合。</p><p> 单就空间分辨率(空间分辨率是指从遥感卫星照片上辨别出的地面目标的最小尺寸，例如某卫星能够辨别的最小目标为5米，则其分辨率就为5米)这一因素来讲，高分一号卫星的高分辨率全色相机与目前国内民用分辨率领先的资源一号02c星所用相机相近，基本可以达到2米级的空间分辨率指标。但同时，高分一号卫星又在其基础之上增加了高分辨率多光谱成像能力，也就是说，除了黑白照片，高分一号卫星还能下传具有红黄蓝绿四个谱段的彩色图像。这达到了目前国内运行卫星载荷中的最高水平。</p><p> 时间分辨率指的是重复观察同一地物所需要的时间，比如对同一区域，卫星重访一次是需要2天还是需要4天。在空间分辨率相当的前提下，重访时间越短优势越明显。目前，气象卫星的时间分辨率最高，但它观测云层是“行家”，观测地物就力不从心了。而高分一号卫星的另外4台宽幅多光谱相机通过多角度拼接视场，可以实现较高分辨率的大视场成像。如此一来，只需4天，高分一号卫星就能把地球完整地看上一遍。</p><p> 一般意义而言，空间分辨率与时间分辨率是一对“冤家”，通常需要以牺牲一方来保证另一方的领先水平，而“高空间分辨率+高时间分辨率”，高分一号卫星在这两点上实现了一个最优组合。</p><p> 载荷比超高也是高分一号卫星的骄人之处。其有效载荷重量占到整星的47.2%，载荷与平台基本实现了“平分秋色”。而对于一般卫星而言，载荷比能够达到20%～30%就已经是不错的成绩了。</p><p> 这主要得益于走轻小型化产品设计路线和采用新型材料。同时，高分一号卫星在燃料方面也做了优化处理，装配精细，没有过多的额外负担。（刘斐 吕大旻/文 郭峥/摄） </p><br />
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