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地球静止轨道高分辨率成像卫星的发展(下)

时间:2017年02月22日 信息来源:《航天返回与遥感》 点击: 【字体:

3 GF-4 卫星载荷特点

GF-4 卫星所搭载的相机是国际首台地球静止轨道高分辨率遥感相机,也是我国高分辨率对地观测重大专项中唯一一台地球静止轨道面阵凝视相机。作为我国首台高轨高分辨率相机,具有以下特点:

1)具备全天时观测能力的高分辨率可见光、红外双通道成像系统

GF-4 卫星相机是一台同时具备可见光和中波红外成像能力的双通道高清相机。白天时段,可见光通道和中波红外通道均可观测,夜间可使用中波红外通道进行观测,实现了全天时对地观测。在GF-4卫星之前,地球静止轨道光学相机可见光分辨率最高为500mGF-4 卫星相机的这一指标跃升了10 倍。

2)采用面阵凝视成像体制,最大程度发挥地球静止轨道对地遥感优势

GF-4 卫星相机是国内首台采用面阵凝视体制的静止轨道对地观测相机,可见光通道和中波红外通道均采用全局曝光模式的大面阵图像传感器,一幅图像中的全部像素同时曝光,使图像具有极高的相对几何精度。

GF-4 卫星定点于东经105.6°赤道上空的地球静止轨道,相机单景观测幅宽为400km×400km,可见光通道重复观测周期为5s,中波红外通道重复观测周期为1s,是目前国内时间分辨率最高的对地观测相机,可实现对目标的长期连续监视和跟踪观测。同时具备快速响应能力,可以在数分钟内对用户下达的任务做出响应,最大程度地发挥地球静止轨道的对地遥感优势。

3)高效灵活的载荷工作模式适应多用户多任务需求

根据面阵凝视相机体制特点,结合双通道、多任务、可见光近红外通道分时多光谱成像的总体技术路线,充分考虑用户的应用体验和高轨空间环境及长寿命高可靠要求,采用智能化、集约化技术路线实现了集供配电、遥控遥测、工作模式控制、视频信号处理、机构控制、温度控制等功能于一体的电子学系统。该系统可支持多任务工作模式,可见光近红外通道和中波红外通道能够独立控制,具有参数快速设置、模式可编程、可重组的技术特点,能够通过单次成像任务实现多用户对图像数据的不同要求,极大提高了系统应用效率,极大提升了多用户多任务条件限制下的需求满足度。

4)高轨高精度热控设计与验证技术

地球静止轨道空间热环境极为恶劣,冷热交变频繁且持续时间长,“日凌”时刻太阳光直接照射相机内部,热扰动极大,而高分辨率对相机温度稳定性和均匀性要求极高,热控设计难度大。结合空间热流特点,项目承担单位创新性采用了结构/热控一体化设计技术、间接辐射热控技术、调姿规避技术、南北散热面耦合技术等多项有别于低轨遥感器的热控技术,成功抑制了高轨空间环境恶劣的热扰动。同时提出了一种新型吸收式热流模拟方法,将大口径光学遥感器高精度空间热流模拟变成现实,为开展地面热试验验证奠定基础。热控子系统实现了光学系统在轨高精度温度控制要求,确保了遥感器成像品质,填补了国内高轨大口径光学遥感器精密热控的技术空白。

5)高轨高刚度高稳定性结构一体化设计技术

相机主体结构采用分体构型,将主光学系统(主次镜系统)与可见光通道集成,采用拓扑优化技术,设计空心盒式铸造钛合金主承力结构,在同等质量前提下,得到最优刚度结构构型。

同时综合考虑整星接口形式与传力路径,采用相机结构与卫星结构一体化构型设计方案,利用柔性隔振单元连接相机主体与整星支撑结构,用碳纤维适配器将遮光罩与整星支撑结构相连,使遮光罩与相机主体结构隔离,大幅降低相机主结构和遮光罩结构设计及安装难度,确保相机结构在轨高稳定性。

6)大口径相机隔振柔性支撑技术

根据高轨高分辨率相机整体刚度要求及减振、隔振要求,采用一种新型轻质柔性结构支撑相机主体,该柔性结构采用钛合金、阻尼胶及光学胶材料,可支撑重达500kg 的大口径空间载荷,装配简单,安装方便,并且能够在一定范围内调节支撑刚度,以满足实际刚度需要。

发射段,在满足相机主体基频要求的同时,发挥良好的减振、隔振性能,有效衰减相机整体的振动响应幅值,隔离高频振动;入轨后,有效吸收、隔离卫星平台微振动及热变形,减小卫星平台对相机主体的耦合影响,保证了相机的成像品质。

 

4 地球静止轨道高分辨率成像卫星发展趋势

JWST 望远镜为代表的空间分块可展开成像技术将在2018 年实现在轨应用,在2020~2040 年,该技术将逐渐发展成熟,光学系统口径将越来越大,预计在2030 年将达到16m 水平。可以预见,在2030年前后,美国采用空间分块可展开成像技术的监视卫星将具备业务化应用能力,静止轨道对地观测分辨率将优于1m

而以“莫尔纹”(MOIRE)项目为代表的天基衍射成像系统的部署应晚于空间分块可展开成像系统。这是因为,虽然薄膜衍射成像系统可以实现超大口径,但其视场小和难以多光谱成像是限制其军事应用的两大核心问题。在技术方面,超大口径固然可以实现高分辨率,但分辨率已经不是衡量系统能力的唯一指标。同时,美国已经将JWST 望远镜作为工程化研制项目,相关部件已经相继交付,从经济性角度来看,是否立项业务型薄膜衍射成像卫星仍是美国军方与工业界正在深入论证的一个问题。

与此同时,在可预见的20 年内,欧洲将重点发展技术成熟度最高的大口径单体反射镜成像技术,甚至先于美国发射静止轨道高分辨率成像卫星。但是,尽管欧洲可能占有先发优势,但技术上逊于美国,后劲稍显不足。

综合上述分析,反射成像技术仍然是国外近期发展重点,其中,大口径单体反射镜成像技术和空间分块可展开成像技术将先于其他技术得到在轨应用。

 

5 结束语

我国所处的地理位置和区域决定了研制发射GF-4 卫星在大范围、高动态的监测国内突发性大型灾害、小尺度气象天气监测、林业调查与监测、地震监测与应急等领域是大有裨益的。GF-4 卫星首次探索了静止轨道高分辨率光学凝视成像模式,积累了大量的高轨对地遥感技术和应用经验,后续必将为我国发展此类更高分辨率的卫星设计、制造、在轨应用技术奠定坚实基础。我国在《空间基础设施规划》中拟实施建设多颗高轨近实时监测卫星,应用领域从陆地、大气、海洋兼顾联合观测,探测谱段涵盖光学/微波等多个频段,这些项目的实施必将为我国国民经济发展和国家安全贡献自己的力量。


(作者:孟令杰 郭丁 唐梦辉 王琦)
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