全球高分光學星概述（二）：歐洲

朱仁璋叢云天，3王鴻芳邱慧，3白照廣

（1北京航空航天大學，北京 100191）（2航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）（3中國空間技術研究院，北京 100094）

全球高分光學星概述（二）：歐洲

朱仁璋1叢云天1，3王鴻芳2邱慧1，3白照廣2

（1北京航空航天大學，北京 100191）（2航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）（3中國空間技術研究院，北京 100094）

歐洲高分光學星及其星座主要以歐洲航天局（ESA）和法國、英國、德國、西班牙、意大利等國家研制的衛星為主。法國牽頭的軍事衛星太陽神－2（Helios－2）地面分辨率（全色）為0.35m；商業遙感衛星主要有法國的SPOT－6／7和昴宿星（Pleiades）星座（分辨率0.5m）以及英國主導的災害監測星座（DMC）（分辨率可達1m）。亞米級彩色視頻成像小衛星正在研制之中。6U立方星星座及米級地球靜止軌道光學星等新概念已被提出。地球靜止軌道光學星由ESA牽頭，應用傳統相機地面分辨率可達3m，而未來的概念（光學合成孔徑）可使分辨率優于3m。文章著重闡述歐洲地球觀測高分光學星的應用、技術狀態與發展趨勢。

歐洲衛星；高分辨率；光學衛星

1 引言

歐洲高分光學星以ESA（Europe Space Agency，歐洲航天局）和法國、英國、德國、西班牙以及意大利等國家研制的衛星為主，為資源探測、陸地測繪、海洋海事、環境減災、軍事偵察、導彈預警等提供高分辨率圖像和數據。歐洲軍用光學星以法國等多國合作的Helios系列衛星為主。商業遙感衛星以法國SPOT－6／7和Pleiades星座以及英國主導的DMC為代表。亞米級彩色視頻成像小衛星正在研制之中。6U立方星星座及米級地球靜止軌道光學星等新概念已被提出。地球靜止光學星由ESA牽頭，采用傳統相機可獲得的地面分辨率最高為3m，而采用光學合成孔徑技術分辨率可優于3m。

2 法國

2.1 Helios與CSO

2.1.1 Helios

軍用光學偵察系統Helios項目于1995年開始應用，由法國國防部采買局負責，保持對地面部分管理的直接控制，并委托法國國家航天研究中心（Centre National d’Etudes Spatiales，CNES）負責空間部分。

（1）Helios－1。Helios－1為法國、意大利和西班牙的合作項目，由地面部分（包含測控站以及位于法國、意大利和西班牙的圖像接收中心）和空間部分（Helios－1A／1B）組成。Helios－1A／1B分別于1995年7月7日和1999年12月3日由阿里安－4（Ariane－4）火箭發射，進入高度680km、傾角98.1°的近圓太陽同步軌道。2004年10月，Helios－1B供電系統出現故障導致任務終止。2012年1月，Helios－1A使命終結，并于同年2月再入地球大氣。［1－2］Helios－1衛星設計特點：①采用SPOT－Mk.2平臺，衛星發射質量為2537kg，設計壽命5年；②地面分辨率為1m、幅寬為10km；③姿態測定采用星敏感器；④星上側擺系統（程序控制、應用動量輪）可使衛星指向偏離星下點400km；⑤通過轉動一面反射鏡，衛星可橫向成像；⑥星座重訪周期可達1天。Helios－1衛星示意圖見圖1。［2］

（2）Helios－2。Helios－2為法國、比利時、西班牙和希臘的合作項目，由專用地面部分（法國控制中心以及位于法國、比利時和希臘的地面站）和空間部分（Helios－2A／2B）組成，主承包商為Airbus Defence and Space。Helios－2A／2B分別于2004年12月18日和2009年12月18日由Ariane－5火箭發射，進入高度約700km的太陽同步軌道，在軌相位成180°，至2015年兩顆衛星仍在軌運行。［3－4］相比Helios－1，Helios－2衛星性能改進：①改用SPOTMk.3平臺，衛星發射質量增大至4200kg；②載有泰雷茲－阿萊尼亞空間公司（Thales－Alenia Space）研制的高分辨率相機，質量為1124kg，地面分辨率為0.35m；③載有用于制圖的寬視場相機和用于夜間監測的紅外系統；④重訪周期縮短。Helios－2衛星示意圖見圖2。［5］

圖1 Helios－1衛星概念圖Fig.1 Helios－1artist’s concept

圖2 Helios－2衛星概念圖Fig.2 Helios－2artist’s concept

2.1.2 CSO

2010年12月，歐洲提出替代Helios－2系統的空間光學部分（Composante Spatiale Optique，CSO）計劃，第一顆星預計于2016年發射。主承包商Airbus Defence and Space負責衛星平臺與電子儀器設備的研制以及整星的總裝、測試和轉運。Thales－Alenia Space提供甚高分辨率光學相機。衛星將配備新一代力矩陀螺、光纖陀螺、星載電子和控制軟件，優化衛星質量與慣量，提高衛星側擺速度。衛星還將配備Airbus Defence and Space研制的伽利略導航系統。［6］CSO衛星示意圖見圖3。［7］

圖3 CSO衛星概念圖Fig.3 CSO artist’s concept

2.2 SPOT

SPOT（Système Pour l＇Observation de la Terre，Satellite for Observation of Earth）是歐洲第一個地球觀測衛星項目，于1977年由CNES提出，用于探測地球資源，觀測人類活動，監測和預測氣候變化、海洋活動等自然現象。SPOT可分為兩個階段：①SPOT－1／2／3／4／5（1986—2015年）；②SPOT－6／7（2012年至今）。

2.2.1 SPOT－1／2／3／4／5

（1）概述。SPOT－1／2／3／4／5于1986－2002年期間發射，地面分辨率由10m（SPOT－1／2／3／4）提高至2.5m（SPOT－5）。五顆星均進入高822km的太陽同步軌道，星座重訪周期為1天。［8－9］衛星發射質量分別為1800kg（SPOT－1／2／3）、2760kg（SPOT－4）和3000kg（SPOT－5），衛星構型對比見圖4。［10］

圖4 SPOT－1／2／3／4／5衛星構型對比Fig.4 Comparison among SPOT satellites

（2）SPOT－5。2002年5月3日，SPOT－5成功發射，在軌實現雙重目標，即確保地球觀測服務持續性與提升數據和圖像品質，以滿足市場需求。［10］2015年3月27日，SPOT－5完成使命，進入最終運行階段。SPOT－5載有Astrium SAS研制的兩臺高分辨率幾何成像相機（High Resolution Geometric，HRG），一臺高分辨率立體成像相機（High Resolution Stereoscopic，HRS）和一臺植被探測儀（Vegetation）。基于HRG的成像模式，SPOT－5地面采樣距離（GSD）為2.5m，單臺相機幅寬為60km。HRS相機的兩個望遠鏡在衛星上沿軌跡方向傾斜安裝，分別為前視20°和后視20°，同時拍攝衛星星下點前后的全色圖像（幅寬120km），并可實現立體觀測。［11］衛星定位精度（無地面控制點）均方根值優于50m。［12］SPOT－5星上儀器分布與結構見圖5，HRG相機結構見圖6，SPOT－5衛星于2011年拍攝的丹麥哥本哈根影像見圖7。［11－13］

圖5 SPOT－5星上儀器分布與結構示意圖Fig.5 Schematic view of the SPOT－5instruments and its structure

圖6 高分辨率幾何成像相機結構Fig.6 HRG instrument architecture

圖7 SPOT－5拍攝的哥本哈根影像Fig.7 Copenhagen image of SPOT－5

2.2.2 SPOT－6／7

2012年9月9日，Airbus Defence and Space研制的SPOT－6由印度極軌衛星運載火箭（PSLV）發射。2014年6月30日，SPOT－7由同型火箭發射。［14－15］SPOT－6／7加入Pleiades星座，并與Pleiades－1A／1B協同觀測：①SPOT－6／7以1.5m的地面分辨率（全色）覆蓋較廣的區域；②Pleiades－1A／1B對目標區域以亞米級地面分辨率（全色）進行詳查。四顆星組成的星座構型見圖8。［16］

SPOT－6／7衛星采用的AstroSat－250（Astro－Bus－L）平臺，是中國臺灣福衛－2（FormoSat－2）采用的平臺Leostar 500XO（Astrium SAS設計）的改進版。SPOT－6／7衛星所載光學相機均為NAOMI（New AstroSat Optical Modular Instrument），由Astrium SAS公司設計制造。

SPOT－6／7衛星性能參數和相機性能指標分別見表1和表2。［16］SPOT－6／7衛星展開示意圖見圖9，NAOMI相機結構和光學系統見圖10，SPOT－7拍攝的澳大利亞悉尼見圖11。［15－16］

圖8 Pleiades－1A／1B和SPOT－6／7星座構型Fig.8 The Pleiades－1A／1Band SPOT－6／7 constellation configuration

表1 SPOT－6／7衛星性能參數Table 1 Performance parameters of SPOT－6／7

表2 相機NAOMI性能指標Table 2 Specification of the NAOMI instrument

續 表

圖9 SPOT－6／7衛星展開示意圖Fig.9 Artist’s schematic of the deployed SPOT－6／7spacecraft

圖10 NAOMI相機結構及光學系統Fig.10 Illustration of the optical system of the NAOMI telescope

圖11 SPOT－7拍攝的悉尼影像Fig.11 Sydney image of SPOT－7

2.3 Pleiades星座

Pleiades為CNES高分光學成像星座（High－Resolution Optical Imaging Constellation of CNES），包含Pleiades－1A／1B兩顆衛星。Pleiades－1A于2011年12月16日發射，Pleiades－1B于2012年12月2日發射，兩星相位成180°分布在相同軌道上。Pleiades星座用于大面積區域測繪，以及礦業、工業、軍事區域及自然災害的監測等。［17－18］Pleiades－1A／1B由Airbus Defence and Space研制，采用AstroSat－1000平臺，地面采樣距離（全色）為0.5m。Pleiades衛星的特點是衛星快速機動與穩定控制能力以及高性能相機。

2.3.1 姿態測定與控制

Pleiades衛星采用三軸穩定控制方法，姿態敏感器采用“星敏感器＋陀螺”，姿態控制器件采用4個控制力矩陀螺。

衛星姿態測定采用Sodern公司的SED36型星敏感器（3臺）和Ixsea公司的Astrix 200型高精度光纖陀螺。SED36型星敏感器的測量精度為垂直光軸方向1″～2.6″，沿光軸方向6″～17″，數據率8Hz。SED36型在SED26型的基礎上進行優化設計，減少熱耦合效應及熱不穩定性（減小低頻誤差），降低光學畸變誤差，更新星庫和增加導航星的數目。［19］

衛星姿態控制采用單框架控制力矩陀螺CMG 15－45S。針對1t左右、高精度指向的衛星，通過陀螺綜合優化設計（包括質量、體積、結構、功耗、轉子平衡、陀螺力矩補償、框架誤差和轉子大小等），實現單個轉子角動量為15N·m·s，最大框架角速率為3rad／s，最大峰值輸出力矩為45Nm，平均最大力矩為20Nm的性能。

2.3.2 高分辨率相機

Pleiades－1A／1B所載高分辨率成像儀（High－Resolution Imager，HiRI）由CNES和Thales－Alenia Space共同研制。相機采用Korsch型望遠鏡，次鏡位于主鏡光軸上，要求主鏡和次鏡的支撐結構具有良好的熱穩定性，否則易發生失焦，造成波前誤差（WaveFront Error，WFE）。反射鏡支撐結構采用碳／碳復合材料，其特點為：①準各向同性結構中熱膨脹系數趨近于零；②良好的機械特性，密度小；③對水汽不敏感；④適用于不同的結構；⑤技術較為成熟；⑥成本較低。

相機反射鏡采用輕量化Zerodur微晶玻璃，配合一體化的殷鋼反射鏡固定裝置（Mirror Fixation Device，MFD），使得光學系統達到較高性能。通過采用底切等技術，主鏡、次鏡和第三鏡的質量分別減少78%、56%和75%，同時保證各級反射鏡波前誤差在一定范圍內。［20］MFD用于消除反射鏡和安裝面之間由于平面誤差及不同材料的熱膨脹系數差異產生的耦合，使光學表面不變形，并將反射面與支撐結構之間的動力學耦合帶來的風險控制在可接受的范圍。殷鋼使用電蝕加工，在一定溫度范圍內熱膨脹系數低，保證鏡面與支撐機構之間的熱膨脹差在規定的范圍內。反射鏡使用計算機輔助干涉測量技術，保證各反射鏡的幾何安裝誤差不大于12nm。

成像敏感器采用TDI CCD，最大積分行數為20。［21］在敏感器窗口內的底板上集成四個條狀濾光片，使得所有的譜段在視場角內分開，減少成像色差。［22］Pleiades－1B衛星GSD為0.5m，像元尺寸為13μm。分辨率的提高是由于采用了亞像元拼接技術，即對同一目標沿軌跡方向相距1／2像元和沿橫向相距1／2像元進行成像。通過減小像元中心間距，進行數據處理和圖像融合。

2.3.3 衛星及相機參數

Pleiades－1A／1B衛星參數和空間相機性能指標分別見表3和表4。［23］Pleiades－1A／1B衛星結構見圖12，Pleiades衛星星敏感器、光纖陀螺、控制力矩陀螺見圖13。［23］HiRI相機結構、望遠鏡光學系統與分光原理見圖14。［22－24］Pleiades－1B衛星拍攝的北京紫禁城全色（0.5m）衛星影像見圖15。［25］

表3 Pleiades－1A／1B衛星參數Table 3 Performance parameters of Pleiades－1A／1B

表4 HiRI性能指標Table 4 Characteristics of the HiRI instrument

圖12 Pleiades衛星外部和內部結構Fig.12 Schematic layout of the Pleiades exterior and interior structure

圖13 Pleiades衛星星敏感器（左）、光纖陀螺（中）、控制力矩陀螺（右）示意圖Fig.13 Illustration of the star sensor，optic fiber gyroscope and CMG actuator

圖14 HiRI相機結構、望遠鏡光學系統與分光原理Fig.14 HiRI instrument construction，optical system and splitting principle

圖15 Pleiades－1B衛星拍攝的北京紫禁城衛星影像Fig.15 Beijing Forbidden City image of Pleiades－1B

2.4 OTOS演示項目

超高分辨率光學地球觀測OTOS（Observation de la Terre Optique Super－Résolue，Super－Resolution Optical Earth Observation）是CNES于2012年提出的演示項目，旨在研發應用于下一代高分辨率地球觀測衛星的新技術。OTOS衛星預計于2020—2022年期間發射，軌道為高700km的太陽同步軌道，地面分辨率為全色0.3m、多光譜（4～6譜段）1.2m，幅寬為15～18km。OTOS項目在Pleiades衛星基礎上對望遠鏡和成像敏感器進行改進。［24］

2.4.1 望遠鏡

OTOS將衛星致密性作為重要的設計要求，主要通過望遠鏡的致密性實現。綜合比較光圈數相同的TMA型、反射／折射組合型和Korsch型望遠鏡的致密性和光學性能后認為：Korsch型望遠鏡更適合OTOS高分光學星。［26］此外，Boostec和Airbus Defence and Space正致力于研制用于OTOS的新型超輕質反射鏡，主鏡采用碳化硅制成，直徑為1.5m。［27］

2.4.2 成像敏感器

OTOS計劃研制下一代CCD和CMOS成像敏感器，包括前置模擬電路和模數轉換器的更新。在設計時考慮以下性能：①讀出速度；②低光照下信噪比（SNR）；③抗暈光性能；④幾何穩定性；⑤調制傳遞函數（MTF）；⑥視線穩定性。高分辨率全色通道敏感器仍采用TDI CCD，多光譜通道敏感器在新型CCD和CMOS中選擇。［24］

3 英國

英國光學衛星以薩瑞衛星技術有限公司（Surrey Satellite Technology，SSTL）研制的小型衛星為主，主要包括災害監測星座（DMC）系列衛星。此外，采用立方星結構的成像納衛星星座和下一代亞米級彩色視頻成像小衛星也在研制之中。

3.1 DMC

DMC是由英國牽頭的國際合作項目，星座內衛星均采用英國SSTL研制的小衛星平臺，利用星座內各國家地面站獲取圖像信息并共享遙感數據，以較大的陸地覆蓋面積提供環境監測與災害預警。第一代災害監測星座參與國家為阿爾及利亞，英國，尼日利亞和土耳其。第二代災害監測星座DMC－2G參與國家為中國，英國，西班牙和尼日利亞。第三代災害監測星座DMC－3G為中英合作的Beijing－2小衛星星座。

3.1.1 DMC－1G

DMC－1G為英國于1996年提出的國際合作項目，采用多顆低軌小衛星組網，每天提供全球中低分辨率、多光譜（3～4譜段）成像。DMC－1G包括4顆星：AlSAT－1（Algeria Satellite－1），UK－DMCSat－1，NigeriaSat－1，以及BILSAT。［28］DMC－1G星座軌道為圓形太陽同步軌道，平均高度686km，傾角98.2°，周期97.7min，升交點地方時10：15am。衛星均采用英國SSTL公司的MicroSat－100（SSTL－100）平臺。DMC－1G星座衛星參數見表5。［28］

表5 DMC－1G星座衛星參數Table 5 Parameters of DMC－1Gsatellites

3.1.2 DMC－2G

DMC－2G包括5顆星：Beijing－1，UK－DMCSat－2，Deimos－1，NigeriaSat－2以及NigeriaSat－X。DMC－2G衛星參數見表6。［28－31］

表6 DMC－2G衛星性能參數Table 6 Parameters of DMC－2Gsatellites

（1）Beijing－1。Beijing－1于2005年10月27日由俄羅斯宇宙－3M（Cosmos－3M）火箭發射，由北京宇視藍圖信息技術有限公司和英國SSTL合作研制，項目組織單位是北京市科委和國家遙感中心。［32］衛星采用SSTL公司的Microsat－150（SSTL－150）平臺，有效載荷為SSTL公司的多光譜相機SLIM6（Surrey Linear Imager Multispectral 6 channels）和Sira技術有限公司研制的全色相機CMT（China Mapping Telescope）。成像敏感器采用線陣CCD（e2vCCD21－40）。［28］Beijing－1衛星參數和CMT相機性能指標分別見表7和表8。衛星示意圖和構型見圖16，CMT光學系統見圖17，衛星拍攝的北京首都國際機場見圖18。［28］

表7 Beijing－1衛星技術參數Table 7 Parameters of Beijing－1satellite

表8 CMT相機性能指標Table 8 Specifications of CMT

圖16 Beijing－1衛星構型Fig.16 Illustration of the Beijing－1satellite

圖17 CMT光學系統設計Fig.17 Optical design of CMT

圖18 Beijing－1衛星拍攝的北京首都機場Fig.18 Image of Beijing airport acquired by Beijing－1

（2）NigeriaSat－2。NigeriaSat－2于2011年8月17日發射，由英國SSTL公司研制，尼日利亞國家宇航研究和發展局（National Space Research and Development Agency，NASRDA）運營。衛星采用SSTL公司的SSTL－300平臺結構，為獲取高機動性，采用致密型結構，無液體推進劑，且太陽電池陣固定在星體側面。姿態控制采用4個Microwheel 10SP動量輪和4個SSTL Smallwheel 200SP零動量反作用輪。衛星所載的兩臺成像相機以及星敏感器固定在熱彈性穩定光學平臺上。成像相機分別為甚高分辨率成像儀（Very High Resolution Imager，VHRI）和中分辨率成像儀（Medium Resolution Imager，MRI）。其中，VHRI由SSTL設計，繼承Beijing－1所載CMT相機，并由英國Optical Surfaces制造。［30］NigeriaSat－2衛星性能參數和VHRI相機性能指標分別見表9和表10。NigeriaSat－2衛星示意圖見圖19，相機VHRI示意圖見圖20，衛星于2011年9月拍攝的美國鹽湖城機場（地面分辨率2.5m）見圖21。［30］

表9 NigeriaSat－2性能參數Table 9 Parameters of NigeriaSat－2

表10 VHRI性能指標Table 10 Specifications of VHRI

圖19 NigeriaSat－2小衛星示意圖Fig.19 Illustration of the NigeriaSat－2 microsatellite

圖20 VHRI儀器剖視圖Fig.20 Cut－away view of the VHRI instrument

圖21 NigeriaSat－2拍攝的鹽湖城機場Fig.21 Image of the Salt Lake City Airport cuptured by NigeriaSat－2

3.1.3 DMC－3G（Beijing－2）

DMC－3G為中英合作項目，英國SSTL承擔衛星研制，中國二十一世紀空間技術應用股份有限公司承擔衛星在軌任務測控、數據接收等運營管理，并生成數據產品，以及提供相關服務。2011年，SSTL開始籌建由三顆星組成的DMC－3G星座，地面分辨率為全色1m、多光譜4m，幅寬為23.4km。2015年7月10日，星座內三顆衛星由PSLV－C28火箭發射，均分在同一軌道平面上，相鄰衛星相位成120°。［33］

DMC－3G衛星由SSTL公司的DMC國際成像部門（DMC International Imaging，DMCii）研制，采用SSTL－300S1平臺結構，該平臺在SSTL－300平臺與NigeriaSat－2電子設備和控制系統的基礎上改進。衛星所載甚高分辨率成像儀100型（Very High Resolution Imager 100，VHRI 100）在Nigeria－Sat－2所載VHRI相機基礎上研制。［33］

DMC－3G衛星設計參數見表11，相機性能指標見表12。衛星平臺結構和VHRI 100構型分別見圖22和圖23，衛星于2015年7月31日拍攝的澳大利亞悉尼圖像（地面分辨率1m）見圖24。［33］

表11 DMC－3G星座衛星性能參數Table 11 Parameters of DMC－3Gsatellites

表12 VHRI 100性能指標Table 12 Specifications of VHRI 100

圖22 SSTL－300S1平臺示意圖Fig.22 Artist｀s view of the SSTL－300S1bus

圖23 VHRI 100儀器構型Fig.23 VHRI 100instrument configuration

圖24 Beijing－2拍攝的悉尼機場圖像Fig.24 An image of the Sydney airport cuptured by Beijing－2

3.2 V1C（彩色視頻成像小衛星）

2014年4月15日，SST－US（Surrey Satellite Technology US LLC）公司發布了最新研制的亞米級彩色視頻成像小衛星（V1C），可應用于情報收集領域，如地面目標的監視、探測和識別。V1C衛星基于SSTL－X50平臺研制，采用致密型設計，質量為50kg，具備大型星上數據存儲及實時下傳能力。V1C衛星可提供高清自然色（紅／綠／藍）視頻，星下點地面分辨率優于1m，幅寬10km，幀率達100幀／s。同時，衛星可以靜態成像模式運行。根據衛星發射的數量，V1C可構建多種衛星星座模式。若衛星以30～60min間隔布放在同一軌道，可在一天內的某一特定時間段提供近連續的視頻覆蓋。［34－35］SSTL－50X通用平臺系列設計參數見表13，平臺示意圖見圖25。［36］

表13 SSTL－50X通用平臺系列設計參數Table 13 Design parameters of SSTL－50Xplatform

圖25 SSTL－X50平臺示意圖Fig.25 Illustration of SSTL－50Xplatform

3.3 6U立方星方案

2010年，英國Cranfield大學空間研究中心提出用于地球觀測任務的6U立方星方案，可用于構建多國合作的災害監測星座。6U立方星計劃采用美國海軍研究生院立方星發射器（NPSCuL）布放。衛星所載相機采用Questar 3.5望遠鏡，成像敏感器采用TDI CCD（Fairchild Imaging CCD5061）。6U立方星設計參數見表14，相機性能指標見表15，衛星結構見圖26。［37－39］

表14 Cranfield大學6U立方星設計參數Table 14 Design parameters of Cranfield 6UCubeSat

表15 相機性能指標Table 15 Specifications of camera

圖26 6U立方星組件Fig.26 Packaging of 6UCubeSat

6U立方星與RapidEye比較：①立方星單顆星質量8kg，RapidEye單顆星質量156kg；②譜段數相同（藍／綠／紅／紅邊／近紅外）；③多光譜地面分辨率相同（6.5m）；④立方星星座衛星數（35顆）是RapidEye星座衛星數（5顆）的7倍，因此立方星星座的時間分辨率大約是RapidEye的1／7；⑤立方星單顆星單軌數據下傳量為0.9Gbyte，RapidEye單顆星為5.3Gbyte，星座使命期數據下傳總量相同；⑥立方星單顆星成本（含發射成本）為130萬英鎊，RapidEye約為900萬英鎊，立方星星座成本（4550萬英鎊）與RapidEye星座（約4500萬英鎊）相近。［39］上述比較突顯納衛星／立方星星座的長處。

4 德國

德國高分光學星主要用于商業遙感，包括“快眼”（RapidEye）星座以及研制中的環境測繪與分析項目（Environmental Mapping and Analysis Program，EnMAP）。

4.1 RapidEye

RapidEye星座是第一個完全端對端的商業地球觀測星座，由五顆相同的小衛星構成，多光譜地面分辨率為6.5m，星座每天成像能力為5 000 000km2。該星座由德國BlackBridge運營，為全球用戶提供地球觀測產品和服務，包括農業、環境、林業、測繪、防務、安全應急等應用。主承包商MDA（MacDonald，Dettwiler and Associates）公司負責空間部分和地面部分的交付，衛星發射，以及相機在軌調試與校準。英國SSTL負責衛星結構與控制系統的研制，以及衛星組裝和整星測試。2008年8月29日，RapidEye星座的五顆衛星由俄羅斯第聶伯（Dnepr）火箭發射，均分在同一軌道平面，兩顆星之間時間間隔為19min。［40］

衛星采用SSTL－150平臺，載有德國Jena Optronik GmbH公司提供的快眼地球成像系統（RapidEye Earth Imaging System，REIS）。相機望遠鏡采用全鋁制成，同一規格材料有利于準無熱化設計，以及鏡面和支撐結構之間的精密機械接合。光學器件表面處理采用超精密研磨和拋光技術，鋁制反射鏡表面覆蓋鎳涂層。濾光片置于靠近每個CCD陣列的位置處。［40－41］

RapidEye星座衛星技術參數和相機REIS性能指標分別見表16和表17。衛星構型見圖27，衛星拍攝的圖像見圖28。［40］

表16 RapidEye星座技術參數Table 16 Parameters of RapidEye constellation

表17 REIS相機性能指標Table 17 Specific parameters of REIS

圖27 RapidEye衛星外部構型及內部系統Fig.27 RapidEye spacecraft structure overview and internal systems

圖28 RapidEye衛星于2009年拍攝的迪拜棕櫚島Fig.28 Palm Jumeirah in Dubai acquired by RapidEye in 2009

4.2 EnMAP

EnMAP為德國航空航天局（Deutsches Zentrum für Luft－und Raumfahrt，DLR）研制的高光譜衛星，旨在以全球尺度監測地球環境，并描述全球環境特性。EnMAP衛星計劃于2018年由印度PSLV發射。衛星所載高光譜成像儀（Hyperspectral Imager，HSI）包含兩個光譜成像儀：①VNIR（可見光／近紅外）；②SWIR（短波紅外）。可見光至短波紅外光譜譜段數超過240，高光譜地面分辨率為30m。［42］可見光／近紅外譜段采用的CMOS敏感器已研制并經過性能測試。［43］EnMAP衛星設計參數見表18，所載HSI儀器性能指標見表19。衛星單次過境示意圖見圖29。［42，44］

表18 EnMAP衛星設計性能參數Table 18 Design parameters of EnMAP satellite

表19 HSI儀器性能指標Table 19 HSI instrument specification

圖29 EnMAP單次過境圖示Fig.29 Representation of an EnMAP overpass

5 西班牙

火衛二－2（Deimos－2）衛星于2014年6月19日由Dnepr－1火箭發射。衛星由西班牙Deimos Imaging公司運營，提供商業高分辨率圖像。Deimos－2采用韓國SI（Satrec Initiative）的SpaceEye－1平臺（或稱為SI－300）。有效載荷為韓國SI和Elecnor Deimos合作研制的高分辨率先進成像系統（High Resolution Advanced Imaging System，HiRAIS）。HiRAIS由光電分系統（Electro－Optical Subsystem，EOS）、固態存儲單元和圖像傳輸單元組成。其中，EOS包括望遠鏡、輔助相機模塊以及焦平面陣列。［45］

Deimos－2衛星參數和相機HiRAIS的性能指標分別見表20和表21。Deimos－2衛星示意圖見圖30，相機示意圖見圖31。衛星拍攝的多哈2022年世界杯場館圖像見圖32。［45］

表20 Deimos－2衛星參數Table 20 Parameters of Deimos－2satellite

表21 相機HiRAIS性能指標Table 21 Specifications of HiRAIS

圖30 Deimos－2衛星展開的兩個角度示意圖Fig.30 Two views of the deployed Deimos－2spacecraft

圖31 HiRAIS相機示意圖及光學系統Fig.31 Illustration of the HiRAIS instrument and optical system

圖32 Deimos－2拍攝的卡塔爾首都多哈2022年世界杯場館Fig.32 Image of Doha showing the sports complex for the Soccer World Cup 2022cuptured by Deimos－2

6 意大利

法國與意大利于2001年1月簽訂偵察衛星數據交換協議“光學與雷達聯合地球觀測”（Optical and Radar Federated Earth Observation，ORFEO），按協議意大利以75幅Cosmo－SkyMed的雷達圖像換取7幅法國Helios或Pleiades的光學圖像。［46］2012年，意大利提出研制并自主運營高分光學星計劃，以滿足對光學圖像的需求。意大利軍用偵察衛星購買以色列研制的“光學衛星3000型”（OPtical SATellite－3000，OPSAT－3000），預計于2016年初期發射；意大利研制的“成像與監視光學系統”（OPtical System for Imaging and Surveillance，OPSIS）和“高光譜先驅與應用使命”（PRecursore IperSpettrale della Missione Applicativa，PRISMA）預計分別于2016年和2018年發射。

6.1 OPSAT－3000

意大利于2012年購買的衛星OPSAT－3000由以色列宇航工業公司（Israel Aerospace Industries，IAI）研制，預計于2016年初期由織女星（Vega）運載火箭發射，進入高600km的太陽同步軌道，使命期大于6年。衛星采用改進型多用途衛星II型（Improved Multi Purpose Satellite－II，IMPS－II）平臺，發射質量約400kg，有效載荷為以色列Elbit Systems Electro－Optics Elop研制的全色／多光譜先進空間相機Jupiter，地面分辨率（全色）為0.5m。OPSAT－3000衛星見圖33。［47］

圖33 OPSAT－3000衛星示意圖Fig.33 Illustration of OPSAT－3000

6.2 OPSIS

OPSIS由意大利CGS（Compagnia Generale per lo Spazio）衛星制造商負責研制，用以和Cosmo－SkyMed雷達衛星星座協同運行，預計于2016年由Vega火箭發射。衛星發射質量約為800kg，設計地面分辨率為全色優于1m、多光譜優于2m。［48］OPSIS衛星示意圖見圖34。［49］

圖34 OPSIS示意圖Fig.34 Illustration of OPSIS spacecraft

6.3 PRISMA

PRISMA為意大利航天局（Agenzia Spaziale Italiana，ASI）研制的高光譜衛星，該計劃始于2008年，預計于2018年發射。衛星地面分辨率為全色5m、高光譜30m，主要用于歐洲和地中海區域的環境保護、可持續發展、氣候變化等應用。［50］

PRISMA衛星載有全色相機和高光譜相機，意大利Selex ES（2013年之前為Selex Galileo）負責相機的設計、制造、裝配、測試以及校準。兩臺相機共用同一望遠鏡（TMA型），全色和高光譜譜段的隔開是通過視場內的分離實現的（沿軌跡方向）。分光儀的狹縫放置在全色和高光譜場內分離之后、共用的校準儀之前。高光譜相機采用棱鏡分光儀分光，光譜分辨率小于12nm。PRSIMA性能參數和相機設計指標分別見表22和表23，PRIMA衛星見圖35。［50－52］

表22 PRISMA衛星性能參數Table 22 Performances of PRISMA satellite

表23 PRISMA儀器性能指標Table 23 Specification of the PRISMA instrument

圖35 PRISMA衛星示意圖Fig.35 Illustration of PRISMA spacecraft

7 法國－以色列合作項目

“植被與環境新型小衛星”（Vegetation and Environment New Micro Satellite，VENμS）是CNES和以色列航天局（Israel Space Agency，ISA）的第一個地球觀測合作項目。ISA負責衛星平臺研制、衛星組裝和衛星姿軌控制與運行，CNES提供高分辨率相機以及對科學數據進行處理。VENμS預計于2016年由Vega火箭發射，使命分為科學探測和技術演示兩個階段：①對陸地環境、植被、人類活動進行探測；②驗證霍爾電推進技術和低軌軌道保持能力，并進行低軌成像。［53］

VENμS衛星采用IAI和Rafael Advanced Defense Systems Ltd共同研制的IMPS平臺。衛星所載有效載荷為VENμS高光譜相機（VENμS Super－spectral Camera，VSSC）。VSSC為12譜段推掃式成像儀，焦平面放置4個探測器單元，每單元包含3個獨立的TDI CCD陣列。相機結構采用輕量化鈦框架，主鏡固定，由復合材料制成的鏡筒保持次鏡在合適的位置。主鏡和次鏡均采用微晶玻璃制成，焦平面支撐結構采用殷鋼制成，提供良好的熱穩定性環境。每個探測器前備有視場光闌，其上固定濾光鏡。［53］

VENμS衛星設計參數和相機性能指標分別見表24和表25。衛星示意圖見圖36，相機結構見圖37，光學系統見圖38。［53］

表24 VENμS衛星設計參數Table 24 Design parameters of VENμS spacecraft

表25 相機VSSC性能指標Table 25 Specifications of VSSC

圖36 VENμS衛星展開示意圖Fig.36 Illustration of the deployed VENμS spacecraft

圖37 VSSC儀器示意圖Fig.37 Illustration of the VSSC instrument

圖38 VSSC焦平面構型Fig.38 Focal plane configuration of the VSSC

8 ESA地球靜止光學星計劃

地球靜止高分辨率使命（Geostationary High Resolution Mission，GEO－HR）由ESA提出，主要用于海事安全／監視、災害管理、陸地安全／監視，以及環境監測等地球觀測應用。［54］GEO－HR包含三個項目：①GEO－Oculus（孔徑1.5m，分辨率10m）；②Astrium GO3S（孔徑4m，分辨率3m）；③光學合成孔徑系統（合成孔徑7m，分辨率2m）。［54－55］

8.1 GEO－Oculus

2009年，ESA提出GEO－Oculus衛星方案，旨在研發高空間／時間／光譜分辨率的地球靜止光學星，主要用于歐洲及周邊區域的減災、資源、海洋等應用，預計于2018年發射。主要觀測區域為歐洲本土大陸、海岸線以及地中海區域，同時可選擇性地對非洲和中東西部區域進行觀測。［56］

衛星平臺在第三代氣象衛星（Meteosat Third Generation，MTG）基礎上研制，通過磁軸承反作用輪實現“凝視－步進”的觀測模式，同時盡量減小飛輪對衛星的擾動，提供視場快速重定向能力，2min內可獲取新規劃目標區域的圖像。推進系統由一個四貯箱雙組元推進劑系統組成，用于衛星軌道射入和位置保持，并采用推力器對動量輪飽和進行卸載。［56］

衛星所載相機設計特點如下：①直徑1.5m的整塊主鏡由碳化硅制成，具備精密光學特性，進而采用圖像去卷積技術提高MTF；②成像光譜中增加用于水面浮油、藻華毒性監測的紫外譜段，以及用于精確修正海洋成分和海洋表面溫度的中波紅外和熱紅外譜段；③全部譜段均具有高信噪比，且短波紅外、中波紅外和熱紅外具有高輻射分辨率，適合探測包括火災溫度和森林火災多發區域在內的高溫現象；④第一個分光鏡將紫外－藍色／紅色－近紅外和紅外分為兩組，在每組內第二個分光鏡實現焦平面之間的分離；⑤每個焦平面采用一個濾光輪（共4個）；⑥紅外焦平面前安置止冷器保持低溫（中波紅外130K、熱紅外50K）；⑦全色、紫外－藍色和紅色－近紅外譜段采用大面陣CMOS探測器，動態范圍高且讀出速度快；⑧中波紅外和熱紅外譜段采用結合HgCdTe或AlGaAs／GaAs量子阱紅外光子探測器（Quantum Well Infrared Photon Detectors，QWIP）的CMOS。［56－57］

GEO－Oculus衛星參數和相機性能指標分別見表26和表27。衛星折疊構型和系統結構見圖39，相機光學系統見圖40。［57］

表26 GEO－Oculus衛星技術參數Table 26 Design parameters of Geo－Oculus

續 表

表27 GEO－Oculus衛星光學儀器性能指標Table 27 Specfications of Geo－Oculus optical instrument

圖39 GEO－Oculus衛星折疊構型和系統構型Fig.39 Stowed configuration and system layout of GEO－Oculus

8.2 Astrium GO3S

Astrium GO3S地球靜止軌道系統具備甚高分辨率成像和視頻能力，主要設計特點：①受Ariane－5運載火箭的限制，儀器孔徑直徑最大不超過4m；②采用銳邊反射鏡與超大焦平面，可無縫覆蓋100km×100km視場，地面采樣距離（GSD）為3m；③甚高性能視頻壓縮，可實現5Hz的10億像素視頻流；④利用多種先進的系統和概念實現所需指向穩定性，在視場重新定向時仍保持靈活性；⑤目前僅有全色譜段，多光譜譜段的實現有待進一步分析。GO3S概念關鍵性能參數見表28，衛星設計圖見圖41。［54］

圖40 GEO－Oculus多光譜成像望遠鏡光學構型Fig.40 Multi－spectral imaging telescope optical architecture of GEO－Oculus

表28 Astrium GO3S概念關鍵特性Table 28 Key characteristics of Astrium GO3Sconcept

圖41 Astrium GO3S概念設計圖Fig.41 Design of Astrium GO3Sconcept

8.3 光學合成孔徑系統

為提高地面分辨率（優于3m），ESA提出光學合成孔徑（Optical Synthetic Aperture）設計概念。按照圖像品質（MTF×SNR＝4）和地面分辨率（2m）的要求，合成孔徑直徑須達到7m，通過在直徑5m的圓周上均分6個直徑為2m的主鏡實現。［55］衛星發射質量為8662kg，在軌展開構型尺寸為10m×14.3m×6m。合成孔徑儀器設計參數見表29。儀器中心機械結構見圖42，衛星展開尺寸見圖43。［55，58］

衛星設計特點：①采用可延展的熱管和散熱器；②數據下傳采用直徑0.7m的Ka頻段天線；③為獲得可接受的MTF，在單位積分時間（28ms）內視線穩定性優于16.5nrad（3／10像元），3／10像元在姿態漂移和抖動干擾之間進行分配；④儀器配置精確的視線主動控制機構減小漂移；⑤為使每天能生成1500幅圖像，衛星需在18s內實現0.1°的指向機動，應急模式下可在2min內實現6°的指向機動；⑥須采用無源濾波裝置，以減小姿態控制致動器產生的干擾。［55］

圖42 合成孔徑儀器的中心機械結構Fig.42 Central mechanical structure of optical synthetic aperture instrument

圖43 衛星展開尺寸示意圖Fig.43 Size of deployed satellite

9 歐非地球靜止光學星計劃

Africa－GeoSat1項目由歐盟委員會和非洲聯盟共同投資，Astrium牽頭研制并提供技術支持，非洲自行運營。該項目采用地球靜止衛星對非洲環境進行監測，地面分辨率（可見光／近紅外）為星下點25m至觀測區域邊界35m，圖像品質（MTF和SNR）與低軌衛星相當。Africa－GeoSat1衛星預計于2017年末期發射。［59］

Africa－GeoSat1衛星采用由EADS－Sodern制造的高性能星敏感器HYDRA與Astrium制造的高性能陀螺Astrix FOG相結合實現姿態測定。有效載荷為一臺大孔徑光學相機，所有光譜譜段共用直徑1m的Korsch型望遠鏡，主鏡和次鏡位于承載第三鏡和平面反射鏡的水平結構平臺的上方。光束經多個分光鏡分光至3個焦平面：①附有濾光輪的可見光／近紅外焦平面；②短波紅外焦平面；③置于低溫恒溫器內的熱紅外焦平面。［59］

衛星成像采用“凝視－步進”工作模式，平均4～5天可獲得一幅完整的非洲大陸圖像。單元圖像面積為75km×75km，通過順序轉動掃描鏡將16幅單元圖像拼合為產品圖像（300km×300km）。在轉動掃描鏡過程中，衛星相對地球保持靜止；16幅單元圖像獲取之后，衛星指向下一處成像區域。時間分辨率（重訪周期）為系統技術的重大突破，常規模式下為500s，應急請求模式下為30min（對應于現場運作的應急指令生成周期）。衛星具有可選擇地方時，并可在不同太陽時對同一地區進行觀測；同時可克服云層遮擋問題，尤其是針對到目前為止由于高云層覆蓋度而導致可見光圖像幾乎不可用的非洲地區。［59］

Africa－GeoSat1衛星參數和空間相機性能指標分別見表30和表31。Africa－GeoSat1衛星結構見圖44，所載相機示意圖和內部構型見圖45。［59－60］

表30 Africa－GeoSat1衛星設計參數Table 30 Design parameters of Africa－GeoSat1

表31 Africa－GeoSat1衛星相機性能指標Table 31 Specfications of Africa－GeoSat1camera

圖44 Africa－GeoSat1衛星結構Fig.44 Africa－GeoSat1satellite configuration

圖45 Africa－GeoSat1衛星相機示意圖與內部結構Fig.45 Illustration and internal constructure of the Africa－GeoSat1camera

10 結束語

歐洲低軌高分光學星中，法國軍用偵察衛星Helios－2地面分辨率為0.35m；商業地球觀測衛星中，法國Pleiade星座成像能力最高（地面分辨率0.5m），下一代甚高分辨率光學星可達0.3m。英國以SSTL為中心進行小型衛星的研制，目前分辨率可達1m，亞米級彩色視頻成像小衛星正在研制之中。德國和意大利均已開展高光譜衛星的研制。6U立方星星座及米級地球靜止光學星等新概念已被提出。地球靜止光學星由ESA牽頭，采用傳統相機分辨率最高為3m，而光學合成孔徑技術可進一步提高地面分辨率，分辨率優于3m。

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［59］Africa－GeoSat1：A dedicated African geosationary imaging space system［R／OL］.［2015－12－26］.ftp：／／earthobservations.org／TEMP／2012－2015＿WorkPlan／Rev1／2012－2015＿WorkPlan＿NewProposals／Africa% 20Geosat1.pdf

［60］EADS Astrium.GEO－Africa workshop［R／OL］.［2015－02－26］.http：／／www.earthobservations.org／documents／geo＿africa／GEO－Africa－WhitePaper－Draft1－17Feb2010＿1.PDF

（編輯：李多）

Global High－resolution Optical Satellite Overview（2）：Europe

ZHU Renzhang1CONG Yuntian1，3WANG Hongfang2QIU Hui1，3BAI Zhaoguang2
（1Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）（2DFH Satellite Co.，Ltd.，Beijing 100094，China）（3China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

Europe Space Agency and European countries such as France，England，Germany，Spain，Italy have developed high－resolution optical satellites and constellations.Among these satellites，Helios－2which is led by France can collect images of 0.35－meter spatial resolution（PAN）and be used mainly for military purposes.SPOT－6／7and Pleiades constellation developed by France，which can achieve 0.5－meter resolution，and DMC led by England which can achieve 1－meter resolution are main commercial remote sensing satellites.Sub－meter color video－imaging small satellite is under development.New concepts such as 6UCubeSat constellation and meter－class resolution geostationary optical satellites have been presented.Geostationary optical satellites are led by ESA，including conventional ones of 3－meter resolution and futuristic satellite（optical synthetic aperture）which plans to achieve resolution better than 3meter.In this paper，European high－resolution optical satellites are introduced，including their operations，technologies and trends.

European satellite；high resolution；optical satellite

V474.2

：ADOI：10.3969／j.issn.1673－8748.2016.01.015

2015－06－23；

：2015－10－20

朱仁璋，男，慕尼黑工業大學博士，北京航空航天大學教授。