首顆“昴宿星”今年升空

□□繼“斯波特”（SPOT）系列衛星之后,法國自2001年開始著手研制下一代具有更高分辨率的“昴宿星”（Pleiades）軍民兩用光學成像衛星，以應對國際衛星遙感數據市場的發展,滿足民用及國防對地球觀測衛星的需求。Pleiades衛星星座由法國國家航天研究中心（CNES）負責研制，包括2顆衛星。由于種種原因，衛星發射日期卻一推再推。2顆Pleiades衛星曾計劃分別于2009年和2010年發射，后推遲至2010年和2011年。目前，首顆衛星的發射時間定在2011年年底。

1 研制背景和主要目標

1997年CNES在研究小型衛星時提出“3S”（SPOT Successor System）平臺概念，以實現成本降低、技術創新、用戶服務及性能更新等目標，而新一代光學成像衛星Pleiades正是這一概念的具體體現。

Pleiades衛星是法國和意大利奧菲歐（ORFEO，即光學和雷達聯合地球觀測系統）計劃的一部分，該計劃還包括意大利的“宇宙-地中海”（COSMO-SkyMed）高分辨率雷達系統。為防止資源重復，2001年1月法國與意大利簽署了雙邊協議，意大利可以接收法國光學成像衛星的數據，同時也向法國提供雷達衛星數據。2003年10月，CNES和阿斯特留姆公司(Astrium)簽署了價值3.14億歐元的合同，用以研發2顆Pleiades衛星，同時由泰雷茲-阿萊尼亞宇航公司（Thales Alenia Space）負責星上成像儀的開發。2005年，CNES又與瑞典、西班牙、澳大利亞和比利時等國的航天機構簽署了該衛星的研制合同。

Pleiades項目是SPOT衛星的后續任務，軍事應用由法國國防部負責，民用和商業應用由斯波特圖像公司負責。該衛星星座的主要目標包括：

● 提供光學高分辨率全色圖像（0.7m）和多光譜圖像（2.8m）；

● 實現全球覆蓋，每天可對地球上任意位置進行觀測；

● 提供350km×20km或150km×40km的立體圖像，拼圖尺寸可達120km×120km；

● 每顆衛星每天提供250幅以上圖像；

● 支持地面覆蓋的風險管理和服務（靈敏性設計、快速響應運行概念及高效地面段）。

2 衛星概況

Pleiades衛星干質量為940kg，推進劑質量為75kg，整星質量只有SPOT－5衛星質量的1/3。它將運行在高度695km、傾角98.2°的太陽同步軌道，降交點地方時為10：30，軌道重復周期為26天。衛星采用阿斯特留姆公司的天體衛星－1000（AstroSat－1000）平臺，三軸姿態穩定，可進行滾動和傾斜機動，傾角高達60°。

Pleiades衛星各角度示意圖

衛星結構設計目標是實現衛星高敏捷性和高定位精度。高敏捷性要求衛星結構小巧，因此其成像有效載荷集成在平臺內部。高定位精度則通過簡化成像儀和平臺之間的接口來實現。平臺采用六面體結構，頂部以固定安裝方式安裝了3副太陽電池翼，以120°間隔均勻分布，直接與平臺相連；每塊基板大小為2.3m×1.0m，采用輕型基板結構和三結砷化鎵電池實現尺寸最小化，其壽命末期功率為1.5kW；鋰離子電池容量為150Ah。星載3個星跟蹤器采用準四面體結構，使姿態定位精度最優化，姿態控制精度可達0.017°。

Pleiades星座的兩顆衛星以180°相位等間隔。1顆Pleiades衛星可在5天內實現全球覆蓋，在星座部署完成之后，4天能實現全球覆蓋。衛星X頻段下行鏈路有3個通道，傳輸速率為465Mbit/s，S頻段鏈路用于支持跟蹤、遙測和遙控（TT&C）服務。

與SPOT系列衛星相比，Pleiades衛星主要在空間分辨率、觀測靈活性及數據獲取模式等方面進行了重新設計。SPOT系列衛星通過改變遙感器的方向來對不同區域進行觀測；而Pleiades衛星采用了使衛星整體繞滾動軸、俯仰軸大角度側擺的方式，靈活地實現了對不同目標的觀測。Pleiades衛星分辨率和動態范圍的增加，必然會提高數據率。例如：從SPOT－4衛星到SPOT－5衛星，數據率增加了7倍；從SPOT－4到Pleiades衛星，數據率增加了27倍。為了提高壓縮性能，Pleiades衛星運用了新的圖像壓縮算法（小波變換和位平面編碼器），同時還要滿足用戶和專家對圖像質量的要求。

3 高分辨率成像儀（HiRI）

HiRI是Pleiades衛星的主要有效載荷，質量為200kg，口徑為650mm，焦距為12905mm，能提供高分辨率和高定位精度多光譜圖像。該成像儀采用了諸多創新措施，例如，采用了高集成探測器電子儀器分系統（SEDHI），使體積減小到原來的1/3；設計采用推掃式成像概念，并沿用了一些已有技術，包括相機校正程序、望遠鏡熱控與機械組件原理、視頻處理技術等。由于采用了碳-碳結構與微晶玻璃反射鏡（Zerodur mirror）方案，使成像儀空間穩定性得到了增強。另外，成像儀還使用了創新的熱調焦系統，以替代復雜的機械裝置。

HiRI主要儀器和相應技術介紹

HiRI結構中心安裝了姿態敏感器（星跟蹤器和陀螺儀朝上），以改進其性能。該成像儀的專用支撐桁式結構可確保其與平臺接觸。主體結構采用碳化硅材料，望遠鏡采用零膨脹材料。望遠鏡第3副鏡上安裝了調焦機構。HiRI內部還裝有一個光門，安裝在主鏡后方，用于保護第3副鏡和探測器腔體，使它們在非運行階段（如發射、姿態捕獲或安全模式）不會受太陽輻射影響。

HiRI探測器電子儀器光學系統，采用新型高集成探測器電子儀器分系統（SEDHI）結構，其功能包括焦平面集成視頻處理、高速率數據鏈路、數字星上處理。SEDHI概念在焦平面陣列（FPA）中使用了大量模塊化視頻近感應器（MVP）。1個MVP能處理多達10CCD的數據，最高傳輸像素速率為1×107像素/秒。整個探測器電子儀器由5個全色MVP、3個多光譜MVP、3個全色模塊化使用近感應器（MSP，含在單個機械模塊中）和1個多光譜MSP組成。

在HiRI中，位于光學焦平面上的CCD線陣對來自地面像素線的光線進行集成。由于衛星沿其速度方向運動，連續形成像素線，并生成最后的圖像。衛星工作在全色和多光譜波段，其中全色波段覆蓋全部可見光和近紅外光譜段，而多光譜波段比較窄。

由于其全色譜段和多光譜譜段有所重疊，對應的CCD進行了交錯排列，所以對于不同的光譜段，可以不同時獲取圖像。但是通過交錯陣列獲取圖像容易導致隨時間變化的平臺干擾引起的圖像重合失調問題，而且CCD在焦平面內的物理偏移也會引起視角的輕微變化，由此造成的立體效果容易使全色波段和多光譜波段的圖像重合對位受到地形海拔的影響。當焦平面處理1μrad像素瞬時視場時，哪怕是輕微的幾何擾動，都會帶來很大的麻煩。盡管如此，CCD交錯陣列也有非常突出的優點，如超限分辨率、高精度幾何模型改進和低寬高比（B/H）的立體效果，而且通過精確設計，可以將上面提到的不利條件變為有利條件，比如對于交錯陣列，CCD之間焦平面內的物理補償會引起對隨時間變化的姿態擾動和對地形海拔高度的敏感，然而這一敏感卻有利于幾何模型和地形高度等信息的獲取。

HiRI主要參數

衛星進行環境試驗

SEDHI主要參數

Pleiades衛星焦平面裝置

采用CCD交錯陣列是高分辨率光學成像衛星的慣例。全色和多光譜波段通過專用的CCD線陣獲得，該線陣沿著軌道（或速度）方向變換。如果將入射光線分束，則容易引起信號衰減，并最終導致信噪比降低。信號和信噪比都隨著像元分辨率的降低而降低，因此要以較窄的光譜帶寬和較高的空間分辨率來滿足信噪比的要求是很困難的。另外一種方案是增大入射光瞳直徑，但這種方式既復雜又昂貴。而如果采用時間延遲積分（TDI）CCD，又會引起對平臺轉向的敏感。若利用超分辨率貝葉斯法（Pansharpening），雖然多光譜和全色圖像可以在地面進行合并，以提供高分辨率的彩色圖像，但在星上卻無法直接生成。

20世紀70年代末以來，歐洲航空航天防務公司下屬的索登（EADS SODERN）公司開發了一系列用于地球觀測設備焦平面上的探測單元，并應用于法國的SPOT和“太陽神”（Helios）等民用和軍事衛星上。這些為推掃運行模式設計的探測單元，已經逐漸適應了技術的發展。EADS SODERN公司還承擔了焦平面裝置（FPA）的開發，該裝置作為影像獲取的關鍵部件之一，采用了大量全新的技術，主要由探測器、結構部分和反射鏡組成；其質量約為12.5kg，體積約為480mm×310mm×200mm。

4 衛星地面段

CNES設計了新的Pleiades衛星地面段，著重解決系統多遙感器和多用戶的協同問題，以改善終端用戶的數據訪問，同時要遵從現行標準，并兼顧到未來與其他地球觀測系統的聯合。該地面段由位于法國、瑞典、西班牙、意大利（備選）的用戶中心組成，每一個用戶中心都能獨立處理用戶需求，都具有用于數據采集的X頻段天線、三通道信號解調和攝取系統、圖像處理單元、程序單元及允許用戶瀏覽圖像和提出要求的訪問單元。

5 結語

從上面的介紹可以看出，作為法國新一代的光學成像衛星，Pleiades在很多方面都處于世界領先水平，和美國的同類衛星相比，也絲毫不落下風。該衛星的一些設計理念值得我國借鑒。■

衛星地面接收天線