高分六號衛星技術創新與應用成果

文 | 陸春玲 白照廣 胡志勇 邸國棟 竇毅芳 許鵬

航天東方紅衛星有限公司

一、高分六號衛星簡介

高分六號（GF-6）是一顆高分辨率寬覆蓋衛星，也被稱為“農業衛星”，于2018年6月2日在酒泉衛星發射中心成功發射，2019年3月21 正式投入使用。GF-6 衛星是一顆三軸穩定的對地觀測衛星，運行在軌道高度約645km 的太陽同步回歸軌道上，降交點地方時10:30AM。衛星具有高分辨率、寬覆蓋、高質量成像、高效能成像、國產化率高等特點，設計壽命8年，配置了一臺高分相機和一臺寬幅相機。高分相機采用全色和藍、綠、紅、近紅外五譜合一的TDICCD 探測器，全色分辨率2m，多光譜分辨率8m，全色及多光譜共用一套光學系統，采用干涉濾光片進行光譜分光，兩者推掃幅寬均為95km；寬幅相機采用8 譜段國產化CMOS 探測器，在常用的藍、綠、紅、近紅外四個譜段基礎上，首次增加了兩個能夠有效反映作物特有光譜特性的紅邊譜段，以及海岸藍和黃譜段。以星下點16m 的分辨率一次推掃成像860km 的幅寬，收集8 個譜段的圖像信息，是世界先進的超寬遙感器，可以用于大范圍的陸地覆蓋觀測。

目前衛星已與在軌的其他2m/8m 和16m 衛星形成7 星組網星座，將單星全球重訪周期4 天提升為星座重訪周期1 天。采用軌跡占位原理對各星觀測任務進行協同分配，使得2m/8m 相機能夠全球1天重訪和11 天無側擺覆蓋，16m 相機實現1 天全球覆蓋。真正實現了空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率的優化組合，滿足多種空間分辨率、多種光譜分辨率、多源遙感數據需求。截至2020年底，GF-6 衛星已在軌穩定運行2.5年。GF-6 衛星參數見表1。

表1 GF-6 衛星參數

二、衛星設計理念

GF-6衛星載有一臺高分相機和一臺寬幅相機，并載有三臺艙外監視相機和一臺健康監測單元。在一顆衛星上同時具有高分辨率成像和寬覆蓋成像能力，是首顆設計壽命8年的低軌光學小衛星。

衛星設計理念是打造小衛星長壽命、高可靠衛星平臺，突破超大視場離軸相機成像技術，以精致為用的高質量、高精度成像質量樹立品牌，以多模式、組網觀測的好用、易用性服務于業務化應用。區別于以往多相機、多角度視場拼接形成大幅寬觀測的衛星，該衛星首次以單相機體制實現超大視場成像。因此，衛星緊密圍繞載荷高性能成像的核心，在總體設計、載荷研制、長壽命高可靠設計及星地一體化提高成像質量方面都采取了相應的措施，采用了大量的優化設計和仿真、試驗方法，創新性地增加了雙紅邊等4 個譜段，應用了對月成像、對月相對輻射定標成像、可視化成像及自主健康管理等新模式，為后續業務應用型對地觀測小衛星奠定了基礎。

三、衛星成像模式

衛星可獲取硅探測器所能覆蓋的0.4～0.9μm可見至近紅外譜段內的全色及多光譜數據，實現對全球的高頻次覆蓋觀測。在常用的實傳、記錄、回放模式基礎上，針對兩種相機覆蓋特性及我國國土區域和地面接收站接收區域特性，增加了以下高頻使用模式：

①實傳+記錄模式：1 個相機成像實傳，另1個相機成像記錄；

②回放+記錄模式：先回放已記錄的圖像，再雙相機開機成像記錄。

以上模式的雙相機開關機時間及數傳時間都是解耦設計的動態模板。如圖1 所示，數傳地面站在衛星未進入國境但與衛星可見時，開始回放星上存儲的已拍攝圖像（綠色區域為回放時段）；當衛星進入我國境內后，再開啟雙相機對國土區域成像（黃色區域為記錄時段）；這些模式使成像區域與接收弧段解耦，可充分利用地面站數傳接收弧段，并雙相機同時對我國區域成像，使針對國土的數據有效性顯著提高。

圖1 成像區域（黃色）與接收弧段（綠色）解耦的模式

四、技術創新成果

1. 高性能、高精度、高效能、高可靠、高國產化衛星

GF-6 是首顆設計壽命為8年的小衛星，優化配置了整星姿控、電源、測控系統，對影響壽命的單機均進行了地面加速壽命試驗。整星系統加強同構、異構冗余設計；長期工作的單機均有切機瞬時斷電措施，以消除單粒子效應影響。軟硬件配合，基于星務主機實現了整星系統級、分系統級及單機級的多級故障檢測、隔離和恢復的自主安全模式控制。衛星具有高分辨率和寬覆蓋的載荷配置，12bit 量化，輻射性能比10bit 量化提高了4 倍；相機系統具有信噪比高、動態范圍寬、傳函高、內部幾何精度高的優異性能；加之兩臺相機采用高比剛度、低熱畸變、高體份鋁基碳化硅材料做框架，采用鉸鏈支撐進行隔振、隔熱；整星按轉動部件微振動傳遞特性進行部件布局精細優化，使相機、星敏在穩定的力、熱環境下工作。衛星在軌組網觀測，實現高分相機和寬幅相機高效全球觀測。

2. 五譜合一、無畸變高分相機

8 片傳感器5 個譜段、全反全透“一字”拼接的高分相機采用無畸變、全反射式離軸光學系統，從設計原理上保證了相機成像具有光學系統像差小、內部幾何精度高、配準精度高的特點。星敏感器與高分相機一體化安裝，有效減小了星敏感器對指向精度的影響以及在軌力、熱環境引起的星敏光軸與相機光軸夾角變化，提高了相機的外方位元素準確度。

3．自由曲面超大視場寬幅相機

8 片傳感器8 個譜段的寬幅相機采用世界先進的自由曲面、全反射式離軸光學系統，65.6°超大視場。采用自由曲面設計使得光學系統的空間布局大為壓縮，產品的結構和性能得到優化，成像質量極大改善，得以用單相機體制實現超大幅寬成像。從視場中心到邊緣的地面像元分辨率連續變化，照度均勻性好，畸變得到最大限度的控制。首次采用國產化CMOS 成像探測器，全數字輸出，低功耗；相機增加星上像元級均勻性校正功能，且在軌可修改系數。寬幅相機還具有“抗黑太陽”功能，對亮雪等高反目標成像不會出現飽和翻轉、溢出、污染其他像元的現象。

4. 高效的數據傳輸系統

具備雙通道450Mbit/s，共計900Mbit/s 星地數傳速率；采用巧妙的載荷通道分配方法，均衡化不同譜段載荷數據流，使記入固存的空幀率顯著減少，載荷記放比提高了30%。衛星的固存容量增至2T，主備共4T 容量開放使用，且可隨時擦除已回放的文件，即使半個文件的空間也可隨時釋放，使固存工作在“記不滿”狀態，增大了境外數據獲取效能。

5. 可視化遙測技術

以往衛星的遙測都是數據形式展示，GF-6 衛星增設了三臺以圖像形式實時播報±Y 太陽翼展開、數傳天線展開的可視化遙測單元。在軌后，可對星外狀態進行長期在軌監測，實現可視化遙測判讀。

6. 自主健康監測技術

具有監聽、統計、分析整星總線數據的能力，可星上統計載荷、數傳工作時間、次數、燃料余量、電池放電深度等生成新的遙測信息。具有參數超限報警等功能，為長壽命衛星的自主監測提供了手段。

五、衛星應用成果

1．數據獲取量

目前遙測數據顯示，寬幅相機的成像時間和次數大于高分相機。在2019年第4 季度成像數據量達到高峰，寬幅相機每日數據獲取量為3600 萬平方千米；高分相機每日數據獲取量為300 萬平方千米。

寬幅相機860km 超大覆蓋寬度的效能是普通百千米量級遙感器的8 倍。一景面積約為34 萬平方千米，特別適合省級尺度的大范圍遙感監測。雙相機數據每日更新，全球覆蓋。圖2 為高分相機2m 彩色融合圖像西班牙巴塞羅那港，圖3 為寬幅相機一景圖像860km 視野橫跨英吉利海峽。

圖2 高分相機2m 彩色融合圖像西班牙巴塞羅那港

圖3 寬幅相機一景圖像860km 視野橫跨英吉利海峽，西至英國威爾士，東至比利時布魯塞爾

2. 新增譜段應用

新增的紅邊譜段是介于紅和近紅外譜段之間、綠色植物的反射率快速增加的一個譜段區間，約為680 ～780nm[1]，紅邊譜段是綠色植被光譜最明顯的特征之一。GF-6 衛星在此范圍內設置了兩個紅邊譜段，即B5、B6 譜段。由于植被反射率在紅邊譜段躍變，且紅邊譜段對病害脅迫也較為敏感。因此紅邊遙感引入了更豐富的光譜、顏色信息，對植被類型的區分大幅改善，分類精度明顯提高。特別適用于地表類型識別、作物參數計算、作物養分含量、作物病害或環境脅迫監測等方面。如圖4（b）所示，寬幅相機4、6、5 紅邊譜段組合圖像比傳統的藍綠紅譜段合成的真彩色圖像，見圖4（a），能更清楚地看清作物生長情況。目前已有軟件可將寬幅相機和高分相機數據進行融合，可形成2m 8譜段數據集。這樣的圖像產品既將寬幅相機圖像紋理信息增強了8 倍，又給2m 分辨率圖像賦能了8 個譜段的光譜信息，如圖4（c）所示。

圖4 寬幅相機不同譜段組合圖像

新增的黃譜段對土壤、泥沙敏感，基于近紅外和黃譜段建立的差值植被指數比應用近紅外和紅波段建立歸一化植被指數更能有效反映擾動信息變化情況[2]。采用新增譜段信息，分類總體精度比采用傳統的可見光-近紅外影像提高10%～30%。其中道路的識別精度從55%提高到80%；水體的識別精度從85%～90%提高到95%～98%；耕地相對于其他植被覆蓋的分類精度也有類似的提高[3-4]。

3．數據共享

GF-6 衛星是具有業務應用特點的科研星，高分辨率和寬幅成像能力結合，可滿足多種空間分辨率、多種光譜分辨率、多源遙感數據需求，16m 分辨率8譜段寬幅相機數據更適合敏感譜段組合應用。高分相機和寬幅相機數據已成為“國土資源一張圖”、“全國水利一張圖”、“農業一張圖”等“一張圖”工程的重要數據源，在農業、林業、防災減災、國土、環保、水利等領域，取得了可觀的效益。

2019年12月，國家航天局推出GF-6 衛星16m 分辨率數據共享服務平臺（CNSA-GEO 平臺），正式面向全球開放共享16m 數據[5]。2020年，中國科技部與歐洲航天局（ESA）的重大國際科技合作項目—中歐“龍計劃5”項目，利用共享的16m數據，中歐雙方將開展廣泛深入的遙感應用合作研究、技術培訓、學術交流等工作。

六、結束語

GF-6衛星及其星座組網觀測的時間頻率增加，使得月度、乃至天的監測成為可能；譜段數量增加，尤其是紅邊譜段、海岸藍、黃譜段等敏感譜段應用，對水體、植被的監測更加到位，地物區分度更加精準，有利于地物分類識別；量化位數增加，輻射分辨率、信噪比提高，圖像直方圖展寬，灰度分層更加細膩，使光照條件差的高緯度極區探測成為可能；高、中空間分辨率結合，可提取違建等小目標；采用單相機體制，內部幾何畸變很小；通過后期算法加工，可以將16m 寬幅和2m 融合，得到2m 8 譜段增強產品。

經過兩年多的在軌應用，高分相機數據已完成多遍全國覆蓋，寬幅相機數據已完成多遍全球覆蓋，數據也已全球共享。GF-6 衛星與其他衛星組網協同觀測，在時間分辨率、光譜分辨率、輻射分辨率和空間分辨率上優勢明顯，高性能、高效能的用戶體驗出色。特別是雙紅邊譜段、海岸藍和黃譜段的應用，進一步增強了衛星的特色應用效果，為遙感產品定量化和高精度遙感應用開拓了新方向。與其他在軌國產衛星相互配合，將進一步實現衛星的深入應用。