首顆“昴宿星”今年升空

□□繼“斯波特”（SPOT）系列衛(wèi)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(xué)成像衛(wèi)星，以應(yīng)對國際衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)市場的發(fā)展,滿足民用及國防對地球觀測衛(wèi)星的需求。Pleiades衛(wèi)星星座由法國國家航天研究中心（CNES）負(fù)責(zé)研制，包括2顆衛(wèi)星。由于種種原因，衛(wèi)星發(fā)射日期卻一推再推。2顆Pleiades衛(wèi)星曾計劃分別于2009年和2010年發(fā)射，后推遲至2010年和2011年。目前，首顆衛(wèi)星的發(fā)射時間定在2011年年底。

1 研制背景和主要目標(biāo)

1997年CNES在研究小型衛(wèi)星時提出“3S”（SPOT Successor System）平臺概念，以實現(xiàn)成本降低、技術(shù)創(chuàng)新、用戶服務(wù)及性能更新等目標(biāo)，而新一代光學(xué)成像衛(wèi)星Pleiades正是這一概念的具體體現(xiàn)。

Pleiades衛(wèi)星是法國和意大利奧菲歐（ORFEO，即光學(xué)和雷達聯(lián)合地球觀測系統(tǒng)）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(tǒng)。為防止資源重復(fù)，2001年1月法國與意大利簽署了雙邊協(xié)議，意大利可以接收法國光學(xué)成像衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，同時也向法國提供雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)。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(fā)2顆Pleiades衛(wèi)星，同時由泰雷茲-阿萊尼亞宇航公司（Thales Alenia Space）負(fù)責(zé)星上成像儀的開發(fā)。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(gòu)簽署了該衛(wèi)星的研制合同。

Pleiades項目是SPOT衛(wèi)星的后續(xù)任務(wù)，軍事應(yīng)用由法國國防部負(fù)責(zé)，民用和商業(yè)應(yīng)用由斯波特圖像公司負(fù)責(zé)。該衛(wèi)星星座的主要目標(biāo)包括：

● 提供光學(xué)高分辨率全色圖像（0.7m）和多光譜圖像（2.8m）；

● 實現(xiàn)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(wèi)星每天提供250幅以上圖像；

● 支持地面覆蓋的風(fēng)險管理和服務(wù)（靈敏性設(shè)計、快速響應(yīng)運行概念及高效地面段）。

2 衛(wèi)星概況

Pleiades衛(wèi)星干質(zhì)量為940kg，推進劑質(zhì)量為75kg，整星質(zhì)量只有SPOT－5衛(wèi)星質(zhì)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(fù)周期為26天。衛(wèi)星采用阿斯特留姆公司的天體衛(wèi)星－1000（AstroSat－1000）平臺，三軸姿態(tài)穩(wěn)定，可進行滾動和傾斜機動，傾角高達60°。

Pleiades衛(wèi)星各角度示意圖

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)衛(wèi)星高敏捷性和高定位精度。高敏捷性要求衛(wèi)星結(jié)構(gòu)小巧，因此其成像有效載荷集成在平臺內(nèi)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(xiàn)。平臺采用六面體結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)和三結(jié)砷化鎵電池實現(xiàn)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(zhǔn)四面體結(jié)構(gòu)，使姿態(tài)定位精度最優(yōu)化，姿態(tài)控制精度可達0.017°。

Pleiades星座的兩顆衛(wèi)星以180°相位等間隔。1顆Pleiades衛(wèi)星可在5天內(nèi)實現(xiàn)全球覆蓋，在星座部署完成之后，4天能實現(xiàn)全球覆蓋。衛(wèi)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(wù)。

與SPOT系列衛(wèi)星相比，Pleiades衛(wèi)星主要在空間分辨率、觀測靈活性及數(shù)據(jù)獲取模式等方面進行了重新設(shè)計。SPOT系列衛(wèi)星通過改變遙感器的方向來對不同區(qū)域進行觀測；而Pleiades衛(wèi)星采用了使衛(wèi)星整體繞滾動軸、俯仰軸大角度側(cè)擺的方式，靈活地實現(xiàn)了對不同目標(biāo)的觀測。Pleiades衛(wèi)星分辨率和動態(tài)范圍的增加，必然會提高數(shù)據(jù)率。例如：從SPOT－4衛(wèi)星到SPOT－5衛(wèi)星，數(shù)據(jù)率增加了7倍；從SPOT－4到Pleiades衛(wèi)星，數(shù)據(jù)率增加了27倍。為了提高壓縮性能，Pleiades衛(wèi)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(zhì)量的要求。

3 高分辨率成像儀（HiRI）

HiRI是Pleiades衛(wèi)星的主要有效載荷，質(zhì)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(chuàng)新措施，例如，采用了高集成探測器電子儀器分系統(tǒng)（SEDHI），使體積減小到原來的1/3；設(shè)計采用推掃式成像概念，并沿用了一些已有技術(shù)，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(shù)等。由于采用了碳-碳結(jié)構(gòu)與微晶玻璃反射鏡（Zerodur mirror）方案，使成像儀空間穩(wěn)定性得到了增強。另外，成像儀還使用了創(chuàng)新的熱調(diào)焦系統(tǒng)，以替代復(fù)雜的機械裝置。

HiRI主要儀器和相應(yīng)技術(shù)介紹

HiRI結(jié)構(gòu)中心安裝了姿態(tài)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(jié)構(gòu)可確保其與平臺接觸。主體結(jié)構(gòu)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(diào)焦機構(gòu)。HiRI內(nèi)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(fā)射、姿態(tài)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(xué)系統(tǒng)，采用新型高集成探測器電子儀器分系統(tǒng)（SEDHI）結(jié)構(gòu)，其功能包括焦平面集成視頻處理、高速率數(shù)據(jù)鏈路、數(shù)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(yīng)器（MVP）。1個MVP能處理多達10CCD的數(shù)據(jù)，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(yīng)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(xué)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(wèi)星沿其速度方向運動，連續(xù)形成像素線，并生成最后的圖像。衛(wèi)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(yīng)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(dǎo)致隨時間變化的平臺干擾引起的圖像重合失調(diào)問題，而且CCD在焦平面內(nèi)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(dāng)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(yōu)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(shè)計，可以將上面提到的不利條件變?yōu)橛欣麠l件，比如對于交錯陣列，CCD之間焦平面內(nèi)的物理補償會引起對隨時間變化的姿態(tài)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(shù)

衛(wèi)星進行環(huán)境試驗

SEDHI主要參數(shù)

Pleiades衛(wèi)星焦平面裝置

采用CCD交錯陣列是高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)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(dǎo)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(fù)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(zhuǎn)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(jì)70年代末以來，歐洲航空航天防務(wù)公司下屬的索登（EADS SODERN）公司開發(fā)了一系列用于地球觀測設(shè)備焦平面上的探測單元，并應(yīng)用于法國的SPOT和“太陽神”（Helios）等民用和軍事衛(wèi)星上。這些為推掃運行模式設(shè)計的探測單元，已經(jīng)逐漸適應(yīng)了技術(shù)的發(fā)展。EADS SODERN公司還承擔(dān)了焦平面裝置（FPA）的開發(fā)，該裝置作為影像獲取的關(guān)鍵部件之一，采用了大量全新的技術(shù)，主要由探測器、結(jié)構(gòu)部分和反射鏡組成；其質(zhì)量約為12.5kg，體積約為480mm×310mm×200mm。

4 衛(wèi)星地面段

CNES設(shè)計了新的Pleiades衛(wèi)星地面段，著重解決系統(tǒng)多遙感器和多用戶的協(xié)同問題，以改善終端用戶的數(shù)據(jù)訪問，同時要遵從現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，并兼顧到未來與其他地球觀測系統(tǒng)的聯(lián)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(shù)據(jù)采集的X頻段天線、三通道信號解調(diào)和攝取系統(tǒng)、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(jié)語

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

衛(wèi)星地面接收天線