靜止軌道高分辨率光學成像衛星發展概況

李果 孔祥皓

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

0 引言

地球靜止軌道對地觀測技術非常適合于對地球進行長期的連續監視。但由于軌道高度高，成像物距是近地軌道的數十倍，早期在光學成像載荷技術能力的限制下，難以獲得高空間分辨率探測圖像，因此其發展多在對空間分辨率要求不高的氣象衛星和導彈預警衛星領域。

21世紀初，隨著大口徑主鏡成像技術、可展開式光學成像技術、光學合成孔徑成像技術以及衍射望遠鏡技術等新型成像技術的發展，靜止軌道高分辨率光學成像技術開始蓬勃發展，各國紛紛提出了各自的靜止軌道高分辨率光學成像衛星計劃[1-3]。

本文從典型國家的發展計劃和專項技術的發展趨勢兩個維度對靜止軌道高分辨率光學成像衛星發展情況和發展方向進行調研和分析，并基于調研和分析的結果，提出我國靜止軌道光學成像衛星發展的建議和啟示。

1 發展概況

1.1 美國

美國在“鎖眼”偵察衛星（KH-12）、“哈勃望遠鏡”（Hubble）等衛星上早已實現主鏡口徑2.4～3m，據推測，目前具備在地球靜止軌道實現 5m左右分辨率的技術能力。但由于美國各類可以用于軍事偵察的低軌光學衛星數量非常多，天基之外的偵察手段也很完備，對地球靜止軌道低于 5m分辨率的需求并不強烈。因此美國并未在基于整體式主鏡的靜止軌道光學遙感衛星方面開展實質性工作。

美國從上世紀80年代末便制定了對于整體式主鏡之外的新型光學系統的研究發展規劃，從研究進程來看，美國正力圖通過大型空間望遠鏡James Webb項目（JWST）的發展。逐步解決可展開式成像技術，提高技術成熟度，隨后應用到靜止軌道對地觀測領域[4-5]。

JWST望遠鏡如圖1所示，采用三反同軸消像散光學系統，焦距131.4m，主鏡口徑約6.5m，主鏡面積為25m2。系統中加入快速像穩定鏡提高光軸穩定度。

圖1 James Webb望遠鏡設計Fig.1 Design of “James Webb”

此外，在光學合成孔徑光學系統方面，美國的其它研究包括：美國麻省理工學院空間系統實驗室（MIT）基于Golay-3布局的自適應偵察光學衛星項目（ARGOS）、波音公司基于Golay-6布局的靜止軌道對地光學遙感器項目等等。

目前，光學合成孔徑成像的理論研究已經較為成熟，并針對需要解決的關鍵技術進行了一些地面試驗。總體來說，距離工程應用還有非常大的差距。

1.2 歐洲發展

相比于美國，歐洲的靜止軌道光學遙感衛星發展起步略晚，開始于21世紀初。歐洲的新型光學成像技術大多參考美國，在技術攻堅的過程中，歐洲同樣難以攻克稀疏孔徑成像技術和基于編隊飛行的光學干涉合成孔徑成像技術，相關例子如達爾文（DARWIN）計劃被取消。

但另一方面，歐洲單體大口徑反射成像系統發展較為順利，曾在2009年發射了口徑達3.5m的赫歇爾空間天文望遠鏡（Herschel），歐洲以此為技術基礎積極發展靜止軌道光學遙感衛星成像載荷，同時發展具有高姿態控制精度和高敏捷性能的靜止軌道光學遙感衛星平臺。

歐空局在2005年4月召開的第一屆歐洲AAAI軍事空間國際會議上，初步確定了實現靜止軌道高分辨率對地觀測的技術路線和技術途徑，如圖2所示[6-7]：

圖2 歐空局靜止軌道高分辨率對地觀測技術路線Fig.2 Technical route of high-resolution observation at GEO orbit by ESA

在靜止軌道高分辨率光學成像技術領域，歐洲阿斯特留姆（Astrium）公司實力最強，開展了一系列衛星的研制，表1所示為歐洲Astrium公司面向地球靜止軌道（GEO）高分衛星工程化的發展計劃。

表1 歐洲Astrium公司面向GEO高分衛星工程化的發展計劃Tab.1 The development plans of Astrium company on high-resolution observation project at GEO orbit

1.3 韓國發展

韓國航空航天研究所（KARI）和阿斯特留姆公司（Astrium）合作研制了首顆靜止軌道海洋觀測衛星COMS，COMS衛星通過Ariane5 V195火箭發射成功。

其上搭載了地球靜止軌道海洋水色成像儀（GOCI），可用來監測朝鮮半島周邊海域水色情況。GOCI載荷地面像元分辨率500m，幅寬500km，共8個譜段，光譜分辨率10～40nm，平均信噪比優于1 000。GOCI載荷質量83.3kg，峰值功耗106W，是COMS衛星的3個載荷之一[8]。

在GOCI載荷取得成功的同時，韓國宇航局提出了GOCI-2載荷的研制計劃，其地面像元分辨率提高到250m，譜段數增加到13個[9-10]。

2 成像技術發展趨勢分析

通過目前的技術跟蹤情況來看，靜止軌道高分辨率光學成像技術對于新型成像技術、載荷與平臺一體化設計技術的要求越來越高，圖3為靜止軌道高分辨率光學成像技術發展趨勢。

圖3 靜止軌道高分辨率光學成像技術發展趨勢Fig.3 Development trends of high-resolution optical imaging satellite at geostationary orbit

2.1 新型成像技術

由于受發射平臺載荷艙體積和質量、光學材料、制造工藝、機械結構、成本等諸多因素的限制，光學系統口徑大于3～4m后已經無法進一步增大。因此，為在地球靜止軌道發展分辨率高于5m的對地觀測系統，必須尋求傳統的整體式主鏡之外的技術途徑。為此，歐、美從20世紀90年代開始，開始開展各種新型成像系統的研究，以滿足靜止軌道高分辨率成像的需要。先后提出的研究方案種類繁多，主要包括空間可展開光學系統、光學合成孔徑成像系統、衍射成像光學系統等。

美、歐等國采用的靜止軌道光學成像技術的發展概況如表2所示。

（1）空間可展開光學技術

在眾多的新技術中，可展開光學系統是實現大口徑空間光學系統的主要技術途徑之一。

可展開光學系統是指在發射時折疊為一個可接受的尺寸，到達預定軌道后再展開的光學系統；光學系統的主鏡由一些較小尺寸的超輕、主動控制的分塊鏡組成，發射后在軌道上按要求的方式展開、鎖定，在自適應光學系統的控制下“拼接”成一個共相位主鏡。可展開光學系統有效地解決了整體式大口徑光學系統研制和發射中難以克服的種種問題，使輕量化、大口徑遙感器的實現成為可能[11]。

美國和歐洲都十分重視可展開光學系統的研制。美國國家偵察局于2004年夏天探討可展開式望遠鏡概念，計劃在今后20年內造出這樣的偵察衛星：它在發射時可容身于直徑5m的整流罩內，進入太空后可展開其口徑約30m的望遠鏡，歐空局在2005年的防務會議上明確提出要研發可展開光學系統應用于對地觀測。

（2）光學合成孔徑成像技術

光學合成孔徑成像技術是一種采用中、小口徑光學鏡片或子望遠鏡系統利用光學方法實現等效大口徑光學系統的新型成像技術，其系統成理想像必須滿足等光程條件，也就是物理光學上的共相位，也稱稀疏孔徑望遠鏡系統。與傳統的光學系統相比，光學合成孔徑成像技術的特征和優點在于：降低了光學元件的加工難度，光學元件體積小，質量輕，系統可以設計成為折疊式，有利于降低發射體積和質量，節約發射費用，系統設計和組裝靈活多變，特別適用于各種空間光學系統。

光學合成孔徑成像系統包括分塊成像系統和稀疏孔徑成像系統。目前光學合成孔徑技術受到世界各國的重視，美國、歐洲和俄羅斯均投入了大量的人力物力進行研發，特別是以美國為首的發達國家，投入巨資進行研究與開發，并且在該領域已經取得一定的研究成果。截至目前，美國在此領域的研究處于世界領先水平，但也停留在技術研究和演示驗證階段，還不具備工程化應用能力。在方案設想上，稀疏孔徑的實現方案既有基于單星多孔徑的方案，也有基于多星編隊，進而形成多孔徑的方案。但總體來說，稀疏孔徑的技術實現難度還很大，還停留在理論研究和地面試驗階段。

表2 靜止軌道光學成像技術發展對比Tab.2 Antitheses and development of geostationary orbit imaging technology

（3）光學衍射成像技術

衍射成像系統一般由物鏡和目鏡系統組成，是具有微結構的新一代光學系統。系統中的物鏡為超大口徑衍射透鏡，目鏡系統一般包括一個中繼光學系統和色差校正系統。其工作原理是首先通過衍射透鏡匯聚光線，再由位于其焦點處的中繼光學系統進行色差校正以增大帶寬，最后成像到焦平面上。衍射光學元件是利用厚度為波長量級的表面浮雕結構對光波進行控制，元件本身具有輕而薄的特點。把衍射光學元件制作在幾十微米的薄膜基底上，由于是透射元件，只要基底材料做到等厚，對其面形精度要求一般為毫米量級，與反射鏡相比，其面形精度可以降低4個數量級[12]。

與傳統的反射式光學系統相比，衍射成像技術具有獨特的技術特點。首先，衍射成像器件若使用薄膜材料，將使光學系統質量小很多，在實現相同分辨率的前提下，衍射光學成像系統質量僅為反射系統的1/7，大幅降低了對火箭承載能力的要求；其次，可采取發射時折疊、入軌后展開的方式，易于實現天基超大光學口徑成像系統；再次，衍射薄膜鏡面形精度要求比反射鏡降低2～3倍，降低了制造難度，且薄膜鏡易于復制和批量化生產，有望大幅降低系統開發成本。綜上所述，衍射光學成像系統有望成為未來大口徑、高分辨率光學系統的一個重要發展方向。

（4）新型成像技術總結

大口徑單鏡面成像系統由于自身質量極大，無法在發射時折疊裝載，因此在現有運載火箭能力的限制下，這種方案不適于口徑大于 4m的空間望遠鏡，但隨著具有大口徑整流罩的重型運載火箭的發展，這種類型的望遠鏡具有潛力成為大口徑空間望遠鏡的解決方案，單鏡面望遠鏡的技術難度也比空間分塊可展開望遠鏡的低。

目前的研發熱點，即空間分塊可展開望遠鏡系統的優點是可以利用比較成熟的小口徑反射鏡拼接成一個大口徑望遠鏡，但其面形控制要求、共相位要求是極其嚴格的，相應的成本也極高。

光學干涉合成孔徑技術由于各子孔徑的同相位要求，使得空間機械結構調整、系統穩定性和大氣擾動等因素引起的波動的總效應需控制在光波長的數量級內。具體地說，光學干涉合成孔徑技術一般是利用若干個衛星編隊飛行，以實現長基線干涉從而達到高分辨率的要求，但其衛星編隊飛行的控制精度要求極高，工程實現難度巨大。同時，稀疏孔徑使用分離的光學系統，是以犧牲通光量為代價實現高分辨率，在技術上還存在一系列尚待解決的問題。另一方面，分塊可展開和稀疏孔徑成像系統自身的質量仍然會限制口徑的擴大。

衍射成像技術為解決靜止軌道高分辨率對地觀測問題提供了一種新思路，它具有可實現大口徑、所用材料面密度極輕、面形控制要求低和生產工藝相對較容易等特點，但衍射成像系統的效率比較低，目前其主鏡最高只能達到約40%的衍射效率，而整體系統的效率更低。并且衍射成像系統的帶寬普遍較窄，支撐衍射薄膜的平臺結構的穩定性也是很復雜的問題。

總之，這些技術各有利弊，要綜合實際的使用情況進行取舍。

2.2 載荷與平臺一體化設計技術

隨著靜止軌道高分辨率光學成像衛星的發展和應用，傳統的衛星平臺搭載一臺合適的載荷理念進行開發研制的衛星很難滿足用戶的多種高標準要求，因而為提升系統使用效能、實現高性能、高穩定性在軌成像能力而進行的一體化設計是現代高性能衛星研制所必需的。

對于靜止軌道高分辨率光學成像衛星的一體化需求分析主要有： 有效載荷尺寸和規模的增大需求；更高的圖像質量需求；更高的智能化需求。

因此，載荷與平臺的一體化設計不但要解決載荷與衛星平臺在整星結構、熱控以及電接口上采用一體化設計需求，更多要需要關注高精度指向與高穩定度姿態控制技術、微振動抑制技術和整星像質提升和處理技術。

（1）高精度指向與高穩定度姿態控制技術

由于靜止軌道高分辨率光學成像的軌道很高，若要比較準確地定位地球表面的目標以及獲取高品質的遙感影像，要求衛星必須具有良好的姿態指向精度、準確的姿態確定精度和高穩定的姿態。姿態確定與控制系統是其中的一個關鍵組成部分，它決定了姿態的指向精度和穩定度。由于姿態確定中需要利用軌道信息，故軌道的確定與控制對姿態控制系統也很重要。

目前國外的星敏感器技術日趨成熟，并已在多種衛星上應用。美國的GOES-N氣象衛星即采用用陀螺/星敏感器組合定姿方法。GOES-N的控制系統包含三個星敏感器，其中兩個用于精確姿態確定，另外一個作為冗余備份，但同時使用三個可以提高系統性能。星敏感器的光軸在衛星本體坐標系與-Y軸的夾角為 35°，視場為 8°×8°，能同時跟蹤 5顆六等星，觀測誤差為 8μrad。每個星敏感器的質量小于 9kg，功耗小于 15W。星敏感器的性能主要取決于標定誤差而不是噪聲，目前的標定誤差的精度低于 1″（3σ）[13-14]。

（2）微振動抑制技術

對于靜止軌道高分辨率光學成像衛星，采用面陣凝視成像體制，其積分時間可調是優勢，通常靜止軌道高分辨率光學成像衛星的積分時間是低軌觀測衛星的數十倍至數百倍，如此長時間的積分，對平臺提供的力學環境要求也越來越高。從歐美發展的狀況來看，為實現高分辨率遙感，減振隔振技術成為具有決定性的關鍵技術之一。

1990年美國發射的Hubble望遠鏡用于對太空進行科學觀測，其光學相機對航天器指向精度與穩定度的要求非常高。在采取仔細調整匹配軸承滾珠、降低電機驅動電路電子噪聲等措施的基礎上，研制人員為每個姿態控制飛輪設計安裝了被動隔振裝置，以減小飛輪產生的振動對圖像品質的影響[15-16]。隔振裝置的設計主要考慮對飛輪軸向振動進行隔離，頻率為18～20Hz，阻尼比約4%[17]。

1999年美國發射的Chandra X射線空間望遠鏡用于觀測宇宙空間的X射線以研究超新星與類星體，其焦距為10m。在Chandra X射線空間望遠鏡研制階段進行的仿真分析表明，姿態控制飛輪產生的振動經中央承力筒傳遞至望遠鏡的高分辨率鏡頭組，將導致圖像品質無法滿足設計要求。為此，研制人員為航天器上的六個姿態控制飛輪設計安裝了固有頻率9Hz左右、阻尼比約5%的飛輪隔振裝置，使鏡頭組件的振動量級滿足了設計要求并且具有了一定的裕度，如圖4所示。

圖4 Chandra X射線空間望遠鏡飛輪隔振裝置Fig.4 Flywheel isolation device of“Chandra”X Ray space telescope

在軌飛行數據表明，安裝了飛輪隔振裝置的Chandra X射線空間望遠鏡指向性能顯著優于設計要求。

（3）整星像質提高與處理技術

地球靜止軌道成像任務中，圖像品質是系統設計研制所關注的重要問題。空間相機多采用大F數設計，焦距長、MTF低，加上受衛星姿態振動、大氣消光、探測器采樣等因素的影響造成的圖像退化嚴重影響了圖像品質。利用衛星在成像過程中的測量信息來進行圖像品質提升處理、補償MTF，可以大大提高衛星的成像效果，也可以為合理安排載荷的設計指標，降低設計難度和制造成本等提供定量化依據。

1）圖像品質退化復原。國外研究表明，分辨率相同的優化設計的光學遙感器經過MTFC 后的像質要優于大相對孔徑的遙感器，如：IKONOS-2衛星于2000年和2001年進行的在軌測試獲得全色譜段成像系統MTF為0.02～0.07，經地面MTFC精處理后，系統MTF達0.14～0.15。Orbview-3衛星在軌測試獲得全色譜段成像系統MTF為0.10，經地面MTFC處理后，系統MTF達0.15，KOMPSAT-2衛星復原后的MTF從0.08提升到0.12，Pleiades衛星相機MTF的設計值僅為0.07，經仿真試驗表明地面MTFC處理后的系統MTF預計可達0.3，如圖5所示。

圖5 KOMPSAT-2衛星MTFC校正效果Fig.5 MTFC Correction effect of KOMPSAT-2 satellite

2）超分辨率成像技術。目前法國的 SPOT、美國 EarthSAT等公司已采用超分辨圖像重建技術，利用多個衛星同時成像來重建高分辨率圖像。美國Dayton大學和Wright實驗室在美國空軍的支持下，對紅外CCD相機進行了機載試驗，利用20幅低分辨率的紅外圖像，取得了分辨率提高近5倍的實驗結果。此外，國際著名的光學儀器制造公司Leica/Hellawa和法國國家航天研究中心已經把該領域的理論研究成果轉化到硬件產品——亞像元 CCD傳感器陣列的設計中，并已將其分別應用于他們的遙感設備“ADS-40”和“SPOT-5”衛星，取得了相當理想的效果。SPOT-5采用亞像元技術，從 SPOT-4衛星的地元分辨率5m提高到了2.5m，而綜合分辨率提高為原來的1.7倍。

3 發展啟示與建議

本文在分析國外靜止軌道高分辨率光學成像衛星發展現狀的前提下，梳理了靜止軌道高分辨率光學成像衛星技術的發展趨勢，并在此基礎提出了我國發展靜止軌道高分辨率光學成像衛星的啟示和建議：

1）借鑒歐、美、韓的發展趨勢與途徑，合理規劃我國靜止軌道高分辨率光學成像衛星發展方向；

2）突破傳統超大單鏡成像系統關鍵技術，同時積極發展儲備新型成像技術；

3）拓展高軌光學探測領域，對高軌高光譜探測、偏振探測等方面開展相關研究；

4）提高衛星指向精度、姿態穩定度、姿態測量精度及提高微振動抑制能力；

5）開展綜合像質提升技術的研究與應用，不斷提高靜止軌道遙感衛星成像能力；

6）強調高低軌衛星配合使用規劃與研究，充分發揮靜止軌道遙感衛星樞紐作用。

通過對目前靜止軌道高分辨率光學成像衛星的發展趨勢來看，我們認為可將靜止軌道光學遙感衛星技術的發展分階段來考慮和安排：在地球靜止軌道實現空間分辨率15m可以作為第一階段的目標，在地球靜止軌道實現空間分辨率3～5m可以作為第二階段的目標，在地球靜止軌道實現空間分辨率1～2m左右可作為第三階段的目標。每個階段的技術途徑可能完全不同。從技術角度來看，第一、二階段的目標，通過已開展的相關研究已解決技術難點，實現只是工程周期問題；而第三階段的目標能否在未來通過技術發展實現，目前正在進行關鍵技術梳理，有待開展關鍵技術攻關工作。