地球静止轨道高分辨率成像卫星的发展（上）
<p> 引言</p><p> “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。</p><p> 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。</p><p> 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。</p><p> 1 国外地球静止轨道高分辨率成像卫星发展情况</p><p> 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。</p><p> 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。</p><p> 1.1 美国</p><p> 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。</p><p> 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。</p><p> 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。</p><p> 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。</p><p> 1.2 欧洲</p><p> 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。</p><p> 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，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。</p><p> 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。</p><p> 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。</p><p> “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。</p><p> 2 GF-4 卫星特点</p><p> 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：</p><p> （1）高轨高分辨率观测</p><p> 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。</p><p> （2）高时间分辨率观测</p><p> 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。</p><p> （3）遥感卫星工作模式新</p><p> 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。</p><p> （4）开辟高轨高分辨率遥感技术新领域</p><p> 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。</p><p> （5）在轨设计寿命8 年</p><p> 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。</p><br />
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