高分七號衛星總體設計與技術創新

曹海翊，張新偉，趙晨光，徐馳，莫凡，戴君

中國空間技術研究院 遙感衛星總體部，北京 100094

測繪學是關乎國計民生的基礎性學科，其目的是獲取精準的基礎地理信息，在重大工程、國土規劃等方面為國家提供及時有效的空間地理框架。衛星測繪具有時效性高、覆蓋能力強等優勢，在國際上已經成為發達國家地形測圖的主要手段[1-5]。

中國長期以來一直十分重視測繪衛星的研制，從返回式畫幅測繪衛星到傳輸型立體測繪衛星，近年來國產測繪衛星性能有較大提升，如資源三號衛星(ZY-3)成功發射全面實現了1∶5萬立體測圖。國產測繪衛星實現了從無到有、從依賴國外進口到自主可控的歷史性跨越，進入多類型多分辨率多星時代，1∶5萬光學測繪衛星進入世界先進行列。但隨著科技的進步，對測繪比例尺的要求也逐步提高，現有的衛星測繪能力均無法滿足1∶1萬立體測圖需求[6-10]。

《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃(2015-2025年)》中明確了中國首顆1∶1萬立體測繪衛星——高分七號衛星(GF-7)的研制任務。衛星主要用戶確定為國家測繪地理信息局(現自然資源部)、住房與城鄉建設部和國家統計局等。衛星載荷配置中國自主研制的雙線陣測繪相機和激光測高儀，平臺在ZY-3平臺基礎上優化改進。衛星兼有測繪和資源調查功能，用于1∶1萬比例尺立體測圖及更大比例尺基礎地理信息產品的生產和更新，以及開展國土資源調查與監測。

GF-7由中國空間技術研究院總體部抓總研制，2014年啟動研制，2015年正式批復立項，衛星于2019年11月3日在太原衛星發射中心由長征-4B運載火箭成功發射。衛星獲取影像圖像清晰，層次分明，激光波形完整,信噪比高，經在軌測試評價衛星定位精度滿足1∶10 000比例尺測繪要求。

1 國內外測繪衛星發展趨勢

以美國、法國、日本等為代表的國外衛星測繪發展主要呈現三大趨勢：1)衛星測繪體制、觀測要素以及新型載荷的創新迭代頻率不斷提升；2)衛星測繪精度更高,測繪產品更新周期更短,衛星魯棒性更好；3)衛星測繪的戰略地位愈發重要，逐步成為發達國家高技術水平的重要標志。目前國內外典型測繪衛星概況如表1所示[11-15]。

表1 國內外典型測繪衛星概況

2 衛星總體設計

2.1 任務需求分析

GF-7主要用于1∶1萬比例尺立體測圖及更大比例尺基礎地理信息產品的生產和更新，以及開展國土資源調查與監測。根據GB/T 13990-92 《1∶5000、1∶10000地形圖航空攝影測量內業規范》要求，表2給出了制作1∶1萬比例尺地圖對影像的平面誤差和高程精度的要求。

研制總要求提出了定位精度指標要求：無控制點情況下，1～2級標準產品平面定位精度≤20 m(1σ)；有控制點情況下立體測繪產品精度平面精度≤5 m(1σ)、高程精度≤1.5 m(1σ)。GF-7圍繞滿足上述1∶1萬比例尺制圖平面和高程誤差要求開展設計。

表2 1∶1萬比例尺地圖制圖需求

2.2 攝影測量體制選擇

國內外光學測繪衛星從攝影測量體制上主要可分為單線陣、雙線陣和三線陣3種體制。中國幅員遼闊，對于獲取全國范圍內1∶1萬比例尺的測繪數據有較高的覆蓋要求，單線陣敏捷方式測繪效率不能滿足用戶對數據快速覆蓋與更新的要求；而隨著載荷性能的提升，設備的體積和質量也不斷增加，現有的衛星平臺和運載包絡很難同時搭載3臺滿足任務需求的高性能測繪相機。因此，綜合考慮研制難度、平臺承載能力以及任務研制周期等因素，GF-7最終選用雙線陣測繪體制實現1∶1萬測繪任務。

同時，考慮到中國境內“少控制點”區域以及全球測圖高程精度保證困難的問題，衛星載荷在雙線陣相機基礎上配置了激光測高儀，可作為星載高程控制點參與測繪任務。并通過基于足印相機的激光光斑定位系統，實現相機影像數據和激光數據的精密關聯，從而構建“雙線陣相機與激光測高儀主被動復合測繪”的新體制。

2.3 軌道選擇

從提高測繪衛星重訪能力的角度綜合考慮，GF-7選擇運行在軌道高度約506 km、傾角為97.421°的太陽同步回歸近圓軌道。

GF-7可與ZY-3及其后續業務衛星組網運行，在4星組網的情況下可實現1天重訪和15天全球覆蓋。

2.4 衛星方案概述

GF-7由有效載荷和服務系統組成，有效載荷配置雙線陣相機、激光測高儀以及高速數傳，衛星服務系統為有效載荷提供安裝、供電、溫度保證、測控等支持服務，主要由電源、總體電路、控制、推進、測控、數管、熱控和結構與機構等分系統組成。

衛星采用成熟的ZY1000平臺，整星發射質量2 699 kg，衛星主體結構由載荷艙、服務艙和兩塊太陽翼組成；姿態控制采用對地三軸穩定控制模式，執行機構采用5個動量輪及3個CMG的模式，控制敏感器為高精度星敏感器+陀螺的方式；采用雙頻GPS實現軌道精密測量。

圖1 衛星構型示意Fig.1 Satellite flight status

衛星載荷配置一套雙線陣相機和一臺激光測高儀。衛星飛行狀態如圖1所示。其中前視相機與星下點方向呈+26°，前視全色地面像元分辨率為0.8 m，后視相機與星下點方向呈-5°，后視全色地面像元分辨率為0.65 m、多光譜地面像元分辨率為2.6 m，攝影測量基高比約0.62。后視相機由于只有5°傾角，接近于星下點成像，更利于正射影像生產，并配置4個多光譜譜段兼顧國土資源調查需求。激光測高儀按星下點±0.7°分別配置了2波束激光，以3 Hz的頻率向地面發射1 064 nm測距激光，通過一個接收鏡頭實現激光回波接收和對地物成像，對應每景影像中有18個激光測量點。

2.5 衛星工作模式

根據用戶使用需求，GF-7設計了記錄、回放、邊記邊放等工作模式，

記錄模式是GF-7在軌業務應用的一種基本模式，用戶根據觀測需求指定選用載荷、拍攝起止時刻、拍攝角度等信息，星上自主組織任務，置衛星于正常飛行或側擺到位飛行姿態，載荷按任務設定開機，數傳記錄載荷觀測數據經壓縮及處理后存入固存。GF-7記錄模式下載荷開機狀態可靈活組合。

回放模式也是GF-7在軌業務應用的一種基本模式，用戶根據地面數傳可用弧段情況指定回放起止時刻、跟蹤地面站信息、回放模式等信息，星上自主組織任務，將固存中存儲的數據經由對地數傳通道回放至指定地面站。GF-7回放模式下，回放速率支持2×450 Mbit/s至最高2×1.2 Gbit/s的多種模式，數據支持按時間順序回放、按文件檢索回放、成像時間檢索回放等多種方式。

為提高衛星易用性，避免用戶考慮記錄和回放模式交疊，由星上自主根據用戶上注的記錄任務和回放任務生成邊記邊放模式任務，衛星于正常飛行或側擺到位飛行姿態，載荷按任務設定開機，數傳記錄載荷觀測數據經壓縮及處理后存入固存，同時將固存內的本次記錄數據或以往記錄數據，通過對地數傳通道回放至指定地面站。邊記邊放模式下記錄和回放啟動及結束順序無限制，極大提升了用戶使用體驗。

為保證衛星好用性，GF-7設計了多種定標模式，用于標定載荷輻射特性、幾何特性。定標模式主要有偏航定標模式、對月定標模式和激光定標模式等。

2.6 衛星主要技術指標

衛星主要技術指標設計值和實現結果如表3所示，可見各項指標全面滿足且優于設計要求。

3 衛星技術創新點

GF-7的研制,是在借鑒ZY-3以及中國空間技術研究院遙感衛星研制經驗的基礎上，針對1∶10 000比例尺測繪任務優化設計并集成而成。衛星研制過程中有多項技術創新工作，確保了衛星技術指標的實現。

3.1 主被動復合測繪體制

1：10 000比例尺測繪對平面定位精度的要求是小于5 m，對高程精度的要求是小于1.5 m。對于GF-7而言，實現該指標的核心難點是如何保障中國少控制點區域和境外無控制點區域的高程精度。若完全依靠雙線陣測繪體制，則需要大幅提升衛星姿態穩定度、載荷內方位元素穩定性、事后處理精度等指標，這會使得衛星的研制難度、經費開銷、時間周期等成本全面增加。

因此，GF-7以體制創新為著力點，提出了“雙線陣相機與激光測高儀主被動復合測繪”的新體制(見圖2)，基本架構是：在雙線陣立體測圖基礎上，增加同時相高精度激光測高能力；配置一臺足印相機，實現激光數據與相機數據的精密關聯，完成主被動復合測繪。

雙線陣相機提供大范圍的遙感影像，以滿足1：10 000立體測繪平面定位精度和大部分區域的高程精度需求；激光測高儀以3 Hz的頻率向地面發射激光波束，在地面形成直徑小于30 m的激光光斑，并獲取光斑范圍內的高程測量數據；足印相機對地成像，將激光光斑與對應地物影像精密關聯，從而獲得廣義高程控制點。通過將廣義高程控制點與雙線陣相機提供的高程數據進行聯合平差，可滿足少控制點或無控制點地區的高程精度需求。采用這樣的測繪體制，主要優點包括：

圖 2 雙線陣相機與激光測高儀主被動 復合測繪體制示意Fig.2 Two-line array camera and laser altimeter

表3 衛星主要技術指標

1)對測繪要素進行系統級重構，降低了型號研制難度。在1∶10 000比例尺測繪任務的問題域和衛星系統構建的方案域之間賦予了新型連接路徑：基于將平面精度和高程精度解耦合的測繪要素系統級重構思想，規劃了“雙線陣測繪”和“激光測高”的雙元技術建設路徑。在保障測繪精度的同時，大幅降低了衛星平臺和有效載荷的研制難度。

2)同平臺設計提供了異源數據空時一致性源端保障。由于激光測高儀和雙線陣相機安裝在同一衛星平臺上，使得激光數據和相機數據具有相同的姿態、軌道和時間基準，這樣就在數據產生的源端保障了良好的空時一致性，為異源數據高精度聯合處理提供了有力支撐。

3)新型復合測繪體制充分發揮出各載荷核心優勢。該復合測繪體制可全面發揮雙線陣相機成像范圍廣、測繪效率高、數據處理成熟的優點，并規避雙線陣數據高程精度提升難度偏大的缺點；同時，可充分利用激光測高儀測距精度高的能力，并通過和雙線陣高程數據的“點面融合”，彌補激光測高數據較為稀疏、測繪效率低的不足。

3.2 高精度內、外方位元素穩定性設計

測繪精度的提升要求衛星有更高的內、外方位元素穩定性。衛星采用“高穩定光機結構+高精度溫控系統”的設計理念對有效載荷內方位元素的穩定性予以保障，可實現相機在軌單次工作期間畸變穩定性小于0.3像元、主點穩定性小于0.3像元、測量激光指向穩定性小于5 μrad的高精度指標。

同時，衛星通過高穩定性一體化支架保證了雙線陣相機的夾角穩定性、采用雙頻GPS接收機實現了精密定軌測量、采用了超高精度姿態確定技術和超高精度姿態控制技術提高了絕對定姿精度和姿態穩定度，有效保證了衛星外方位元素的穩定性。

3.3 高穩定性長焦距、大口徑、無畸變雙線陣立體測繪相機

圖3 雙線陣測繪相機示意Fig.3 Two-line array camera

除了分辨率、傳函、信噪比等1∶1萬比例尺測圖的顯性指標外，隱性的核心指標是相機系統的穩定性。GF-7的主載荷是國內首套長焦距、大口徑、無畸變雙線陣立體測繪相機(見圖3)，其光學系統采用高幾何穩定光學系統設計方案，主體結構采用C/SiC高穩定編織成型技術控制形變，載荷安裝邊界采用解鎖機構+柔性支撐的方案實現在軌抑制變形量傳遞，溫度控制通過主被動精密熱控保證在軌溫度波動穩定性優于0.2℃，同時增加可展開遮陽罩解決特定區域短時受曬問題。通過上述光學設計、結構設計和溫度控制等措施的綜合采用，保證了相機系統在軌的長期穩定。

3.4 星載對地全波形激光測高儀

在中國探月工程落月保障等工作中，激光測距技術已得到使用，但在對地觀測方面僅ZY-3 02星開展了驗證性試驗。GF-7研制了國內首套星載對地全波形激光測高儀(見圖4)，利用高速采樣技術記錄了激光發射主波和地面回波的全波形數據，能夠根據回波波形特征參數進一步獲取豐富距離信息，克服了傳統閾值探測易受信號幅度和地物復雜程度影響的不足，同時利用高速計時技術保障了測時精度，在實驗室的測距精度可達0.14 m。為準確獲取激光高程控制點的地面位置，GF-7激光測高儀采用足印相機和回波接收光學系統共口徑設計，在激光發射的同時記錄激光發射的準確指向。

圖4 激光測高儀示意Fig.4 Laser altimeter

GF-7的設計壽命為8年，對激光測高儀的壽命，尤其是激光器的可靠性提出了極為嚴苛的要求。激光器在技術路線上選擇了“振蕩器+預放級+主放級”的設計方案，既能夠保證激光能量滿足要求又可以有效控制激光光束質量。激光器在研制時篩選出高等級光學和電子學元器件，在試驗中進行必要的激光器壽命考核試驗，最終通過了激光器壽命試驗。為了對激光測高儀的激光器、足印相機電子學、測高儀電子學等多個分散熱源高精度熱控，采用了環路熱管裝置確保了激光測高儀在軌熱穩定性，實現了激光器溫度穩定性優于±1.5℃。

3.5 高精度姿態穩定控制

以往遙感衛星穩定度水平最高0.000 5(°)/s(3σ)，對于執行機構的力矩噪聲、驅動機構的影響和抑制手段考慮較少。為實現0.000 2(°)/s(3σ)的姿態穩定度指標，單純依靠提升單機的精度指標很難實現，需重點進行撓性翼板驅動和其他附件運動的影響研究，以進一步提高整星穩定度。

GF-7采用直流電機驅動的高穩定度翼板驅動機構控制太陽翼轉動，其驅動平穩性相比以往步進電機型翼板驅動機構有了大幅提升，在跟蹤模式下驅動平穩性優于5%；此外，為降低天線運動對整星姿態穩定度的影響，GF-7開發了天線軌跡平滑和干擾力矩補償控制算法，實現三軸高穩定度姿態控制。

在采取上述措施后，在軌實測衛星姿態穩定度優于0.000 06(°)/s(3σ)，為實現1∶1萬立體測繪提供了穩定的平臺保證。

3.6 亞角秒級高精度姿態測量

GF-7通過配置高精度星敏感器和陀螺儀實現亞角秒級的姿態測量精度。衛星采用的多探頭甚高精度APS星敏感器是國內首款基于多視場星圖融合技術提升精度的星敏感器產品，采用分體式結構設計，由2個探頭和一個線路盒組成，三軸姿態確定精度達到亞角秒級。產品的主要特點是甚高精度、高穩定、高更新率及高可靠性，研制過程中突破了遮光罩柔性支撐、探測器柔性導熱、消熱應力適配等熱穩定關鍵技術；首次應用基于SOC2012的多核多任務并行處理技術實現多探頭信息融合及自主標定；攻克了高速實時串行星圖傳輸技術，實現高分辨率圖像高可靠傳輸；具備在軌故障自診斷、自修復功能，提升產品在軌可靠性。

此外，GF-7設計了星敏感器原始星圖下傳通道，利用1 Hz頻率下傳的星圖數據，通過超大導航星表、探測器壞像素剔除技術以及增加觀測星算法等方法，大幅度提高了參與星圖識別的恒星數量，將星圖識別率提高到100%。利用下傳的星敏感器原始數據，通過事后處理，姿態確定精度可以得到進一步有效提升。

3.7 首個X頻段自適應高速率數據傳輸系統

GF-7載荷每秒產生海量的觀測數據，需要通過星-地數傳鏈路傳輸回地面站，而受地面站數量和位置的限制，每天可用弧段很短，難以充分發揮衛星成像能力。針對上述情況，衛星研發團隊研制了國內首個X頻段自適應高速率數據傳輸系統,工作模式如圖5所示。該系統能夠根據路徑損耗而自適應改變編碼方式、調制方式、信息速率，在保證鏈路可靠性的前提下，提升傳輸效率。

圖 5 X頻段自適應高速率數據 傳輸系統工作模式示意Fig.5 Adaptive high-speed data transmission system in X-band

依據GF-7的太陽同步軌道設計，在經過地面站的一次數據傳輸過程中，即隨著地面接收仰角的增大，鏈路預算的充裕度逐漸增加。GF-7所采用的自適應高速率數據傳輸系統利用該信道變化特性，在信噪比較低時采用低階調制編碼方案，隨著信道狀態的改善，采用高階調制編碼方式，在保證誤碼率的同時，使數據傳輸系統獲得更高的吞吐量。

GF-7通過星上配備的軌道控制系統與導航定位系統所獲取的當前時刻、軌道位置及地面站位置等信息計算星地傳輸距離，結合信道先驗參數配置，據此驅動衛星調制器在設定的距離門限時完成8PSK 2/3BCH-LDPC、16APSK 2/3BCH-LDPC和16APSK 4/5BCH-LDPC三種編碼調制方式之間的無中斷切換，從而充分利用信道余量，提高傳輸效率。

GF-7發射入軌后，完成了國內首個低軌遙感衛星X頻段自適應高速率數據傳輸系統的在軌驗證，雙通道最高傳輸速率可達2×1.2 Gbit/s，有效提高了衛星的數據傳輸效能，且傳輸過程中不丟幀、無誤碼。

3.8 星上智能星務管理系統

GF-7具備多種工作模式，衛星操控邏輯較復雜，而由于測控限制及受限的通信帶寬和時間窗口等因素，通過地面系統對衛星進行復雜工作模式設置較為困難；同時，從用戶對衛星進行任務設置時的易用性考慮，需要最大限度地簡化用戶操作步驟，提升用戶使用體驗。另一方面，8年長壽命的需求使得衛星的在軌健康狀態需要得到更密切的監控，并對故障進行更及時的處置，而GF-7飛行時大部分時間不處于測控弧段內，如完全依賴地面進行故障排查則很難滿足時效性的需求。

為此，衛星設計了星上智能星務管理系統，可識別用戶上注的任務需求，基于設備當前的狀態，規劃衛星可以采取的行動。并在滿足時間要求和資源約束的條件下，通過特定算法自主選擇一系列有序的活動集合形成規劃方案，完成衛星工作模式設置。同時，該系統對衛星的各關鍵健康指數進行全天候實時檢測，并基于故障分級策略予以處置并報警，保證衛星的穩定和安全。

4 衛星數據初步評價情況

圖6 首都國際機場正射影像Fig.6 Orthoimage of BCIA

目前GF-7正在進行在軌測試工作。經評價，衛星能夠完成1∶1萬比例尺測圖任務。圖6為2019年11月22日拍攝的首都國際機場正射影像，圖中該機場的影像清晰，植被和水體色彩層次豐富、細節表現力強。圖7為足印相機拍攝的地物以及獲取的激光光斑，圖中激光光斑位置明確，可準確識別該光斑和地物的對應位置關系。圖8為對應的激光回波波形，該波形可精確反應出地物高程信息。

圖7 足印相機獲取激光光斑Fig.7 Laser spot acquired by footprint-camera

圖8 激光回波波形Fig.8 Laser echo

5 結束語

GF-7采用“雙線陣相機與激光測高儀主被動復合測繪”的新體制，實現了高精度內/外方位元素穩定性設計、高精度姿態穩定控制、亞角秒級高精度姿態測量、自適應高速率數據傳輸系統、星上智能星務管理系統等技術創新，具備了少控制點或無控制點區域的大比例尺立體測繪能力。通過對目前在軌測試結果的初步評價，認為衛星能夠滿足1∶1萬測繪任務的要求。

GF-7投入應用后，將開啟中國1∶1萬比例尺航天立體測繪新時代，將在1∶1萬立體測圖、自然資源監管、住房和城鄉建設、國家統計調查等方面發揮重要作用，為城市群發展規劃、生態環境保護、農業農村建設、交通信息化建設提供有力保障，為國家生態文明建設、國家治理體系現代化提供重要支撐。