資源一號02D衛星總體設計與技術特點

張宏宇 韓波 王嘯虎 安萌 雷勇

(1 中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

資源一號02D衛星(又稱為5米光學業務衛星)是依據《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃》[1]和《陸海觀測衛星業務發展規劃》，開展自然資源調查監測業務衛星建設的重要內容。衛星主用戶為自然資源部，是資源一號02C衛星的升級接續星。衛星于2019年9月12日11時26分，由長征四號乙運載火箭在太原衛星發射中心成功發射入軌。

資源一號02D衛星是首顆民用高光譜業務衛星，定位于中等分辨率、大幅寬觀測和定量化遙感任務，提供豐富的地物光譜信息，可單軌覆蓋大中型城市，滿足城市高精度監測業務的新需求。衛星在傳統的4個多光譜譜段基礎上，增加了海岸波段、黃色波段、紅色邊緣波段和近紅外2波段，在水體監測、地表類型識別、植被參數計算、作物養分含量、植被病害和環境監測等方面可顯著提升定量反演水平。衛星光譜獲取能力突出，高光譜載荷可實現166個譜段的數據同時獲取和下傳，可應用于地礦勘探、土地監管過程中地物信息定量化提取和識別，滿足自然資源遙感對山、水、林、田、湖、草等綜合要素監測及更多應用領域需求[2]。本文介紹了資源一號02D衛星的系統級技術指標確定過程，通過業務衛星的總體設計實現了用戶要求、衛星繼承、技術先進性三者的權衡兼顧，可以作為后續業務衛星和其他衛星系統論證的參考。

1 資源一號02D衛星系統指標

資源一號02D衛星(圖1)主用戶為自然資源部國土衛星遙感應用中心，衛星由中國空間技術研究院抓總研制。在資源一號02C衛星的應用基礎上，結合自然資源部用戶提出的大量寶貴意見，衛星在成像質量和系統指標及使用便利性等方面進行了全面提升(表1)。

資源一號02D衛星搭載可見近紅外相機和高光譜相機2臺載荷，采用中國空間技術研究院遙感衛星總體部的中低軌中型平臺基本型(ZY1000)及相應的型譜化產品研制。通過雙太陽翼和鋰離子蓄電池系統，可滿足2800 W以上的供電需求。采用三軸穩定對地定向的控制模式，三軸指向精度優于0.01°。衛星具備±26°側擺和±90°偏航定標的機動能力，星上提供900 Mbit/s數據傳輸和2.4 Tbit的數據存儲能力。衛星工作在軌道高度778 km的太陽同步回歸軌道上，回歸周期55天，可實現南北緯80°以內地區3～5天重訪。衛星發射質量1837 kg，設計壽命5年。

可見近紅外相機分系統由中國空間技術研究院北京空間機電研究所承擔研制，包含1個全色譜段和包括紅邊在內的8個多光譜譜段，空間分辨率為2.5 m/10 m，幅寬達到115 km。高光譜相機分系統由中國科學院上海技術物理研究所承擔研制，在400～2500 nm光譜范圍內，細分為166個光譜通道，可見近紅外光譜分辨率10 nm，短波紅外光譜分辨率20 nm，幅寬達到60 km，空間分辨率30 m，兼顧了高空間分辨率、高光譜分辨率和高信噪比，其綜合性能在國際上處于領先水平。

圖1 資源一號02D衛星在軌示意圖Fig.1 Sketch map of ZY-1-02D satellite

表1 資源一號02C 與02D衛星技術指標比對Table 1 Performance parameters comparison of ZY-1-02C and ZY-1-02D satellite

2 用戶需求分析與系統指標確定

2.1 中等分辨率大幅寬觀測

我國幅員遼闊，自然資源多樣性特征明顯，需要不同尺度的觀測手段對國土資源進行調查與監管。中等分辨率遙感觀測系統肩負著大觀測范圍、短覆蓋周期的特點，可在短時間內覆蓋大片區域[3]。

成像幅寬取決于衛星軌道高度和相機有效視場角及探測器像元數設計。較大的成像幅寬設計意味著在相同軌道高度上，相機要具有更大的視場角，更多的探測器像元，由此帶來相機規模增大，數據率增大，衛星和相機設計難度增大。因此，成像幅寬的設計往往是多方相互制約因素優化設計的結果。亞米級分辨能力的高分辨率衛星受限于像元尺寸和探測器規模等因素影響，難于實現快速的大幅寬觀測。例如我國高分一號衛星(2 m)幅寬69 km、高分二號衛星(1 m)幅寬45 km[4]、高分七號衛星(0.8 m)幅寬21 km，對大范圍區域的覆蓋周期較長。區域覆蓋需要多顆星或者多次側擺拼幅使用。中等分辨率的遙感影像容易實現大幅寬觀測、具有多個譜段等特性。在可快速覆蓋大范圍區域的時間分辨率基礎上，可獲取豐富的光譜信息，有利于地物識別和應用推廣，另外可與數年前的歷史數據進行比對，在國內外自然資源調查領域有著廣泛使用，有長期穩定的數據基礎。

以北京市為例，北京市總面積為16 427.2 km2，屬于國內特大城市。東西相差徑度2°05′，東西寬約160 km。當幅寬為60 km，需三軌可覆蓋整個北京市轄區。按5天的重訪周期，每月有6次過境機會，按每三軌可獲取一軌有效影像(云、霧、雪覆蓋量小于10%)計算，覆蓋一次北京全市域至少需要1.5個月。當幅寬為120 km，需二軌可覆蓋整個北京市，覆蓋一次北京全市域可縮短至1個月以內，同時對五環以內地區完成2次以上覆蓋。資源一號02D衛星作為資源一號02C衛星的接續星，在維持02C星分辨率(全色2.4 m/多光譜10 m)基礎上，對幅寬進行進一步拓展，滿足快速覆蓋需求。

結合多譜合一探測器全色和多光譜像元1∶4的像元尺寸和探測器器件像元數量和器件拼接規模，確定了資源一號02D衛星的分辨率為全色2.47 m/多光譜9.98 m，幅寬為116.8 km。通過調研，中國大型城市中除北京、重慶、武漢和伊春等東西寬度大于116 km的少數城市外，其他城市轄區均可一次覆蓋。

2.2 細分多光譜觀測

中分遙感衛星的多譜段遙感是又一個優勢，資源一號02D衛星在02C衛星的譜段基礎上進行補充和細化，可以進一步的滿足地礦勘探、植被研究、地質自然災害預警以及探測的觀測要素，拓展衛星的觀測要素與觀測領域。

可見近紅外相機譜段設置繼承了已有業務衛星的譜段設置情況，綜合考慮用戶需求、繼承已有的預研衛星譜段設置的技術狀態和借鑒國外世界觀測2號衛星(WorldView-2)譜段設置情況，設置了9個譜段。其中P譜段和B1～B4譜段是目前國內外最廣泛應用的5個譜段配置。該譜段配置與一般遙感衛星的譜段設置相同，便于今后數據融合和圖像比對。B5～B8譜段采用與WordView-2的新增譜段配置相同[5]。該譜段在資源分布、土壤水色監測、大氣成分分析、農作物估產等方面都有重要應用，各譜段的應用如表2所示。

表2 各譜段應用領域Table 2 Application fields of each band

續 表

2.3 高光譜遙感

隨著遙感數據的廣泛應用，用戶對高光譜數據產品的需求也日趨成熟和迫切，以高分五號(GF-5)衛星為代表高光譜科研星發射成功并在軌應用，引領我國民用對地遙感進入了高光譜時代。通過高光譜遙感定量分析植冠的化學成分、測定土壤的有機質含量、開展精細農業發展研究、地質填圖和巖石鑒別等，均需要遙感圖像高光譜分辨能力[6]。

高光譜相機在光譜細分后，每一個譜段獲取的能量弱，信噪比較多光譜衛星低數倍，通常需要采取衛星機動或者增加相移補償鏡的方式，提升信噪比滿足使用要求。但此模式下相機不能嚴格推掃成像，每軌圖像不能呈連續條帶，一定程度上影響了圖像的獲取效率。

一般礦物質的光譜吸收峰寬度為30 nm左右，只有利用光譜分辨率小于30 nm的傳感器才能夠識別。為了保證圖像的批量獲取，資源一號02D衛星在配置可見近紅外多光譜相機的基礎上，進一步增加了高光譜相機，進一步提升地物識別和分類的能力。同時，結合用戶需求對光譜分辨率進行了取舍，通過譜段合并使每個譜段的信噪比提升為1.5倍。在此模式下，相機典型工況下最低信噪比超過了120，可以進行不間斷的長條帶成像。在保證用戶使用的條件下，極大提升了高光譜圖像獲取效率。高光譜相機分辨率維持30 m分辨率[7]便于和GF-5衛星數據進行傳遞定標和數據融合，同時可利用星上同時獲得的2.5 m/10 m分辨率的全色多光譜影像開展光譜解混，進一步提升圖像應用效果。

2.4 中分星座連續性

中等分辨率數據作為陸地資源領域觀測信息的重要組成部分，一直是國外衛星穩定持續發展的重要方向之一。例如，美國的陸地衛星(Landsat)系列至今已經發展到第八代，時間跨度達30多年之久，其業務一直圍繞獲取中等分辨率數據開展。再如歐洲的哨兵2號衛星(Sentinel-2)已經建立起中等分辨率組網的觀測網絡[8]，有效的提高了衛星的觀測效能，后續還會根據衛星在軌運行情況，對衛星星座進行補充。因此，穩定運行中分辨率星座，對衛星系統持續進行建設，具有十分重要的應用價值。

因此在衛星設計和軌道選擇上，選擇與2011年發射的資源一號02C衛星相同的軌道參數，可實現2顆衛星的數據復用。衛星運行軌道高度為778.099 km，赤道處相鄰軌跡的地面覆蓋間距為50.79 km，因此多光譜相機幅寬115 km星下點一次可以覆蓋兩軌間距，29天完成全球無縫覆蓋觀測；高光譜相機地面覆蓋帶寬為60 km，可在一個回歸周期55天完成全球無縫覆蓋觀測。通過整星±32°側擺，可實現3天任意地區重復觀測。

通過資源一號02C、02D和未來發射的02E衛星(同時搭載全色多光譜相機和高光譜相機)，組網形成普查觀測系統運行，可以有效的縮短重訪周期、實現數據穩定接續。

3 衛星技術特點

3.1 圖像質量提升

資源一號02D衛星補充譜段信息的同時，圖像輻射質量、幾何質量等均進行了提升。

3.1.1 采用多譜合一的探測器并增加譜段

可見/近紅外相機選用定制的多譜段集成時間延時積分電荷耦合器件(TDICCD)探測器，通過濾光片配置可實現1個全色譜段和8個多光譜譜段的采集。選用了中電44所生產的高性能多譜合一TDICCD器件，采用微型熱管將探測器溫度控制在-10～+5 ℃，降低了器件暗電流和噪聲，提高了系統信噪比。分光棱鏡和微型熱管如圖2所示。

圖2 分光棱鏡和微型熱管Fig.2 Beam splitting prism and micro heat pipes

3.1.2 采用光學拼接的方式

資源一號02C等衛星采用雙相機視場拼接的方式、片與片間搭接的部分會出現漏縫、電荷耦合器件(CCD)的安裝精度受星體結構影響、片間響應時間不一致等現象造成圖像拼接難度較大。資源一號02D衛星相機使用CCD器件光學拼接(共線拼接)的技術，拼接精度優于0.1像元，其拼接方式如圖3所示。

圖3 拼接方式示意Fig.3 Sketch map of multi-detector mosaic

3.1.3 無控定位精度提升

資源一號02D衛星的無控定位精度提升至50 m(Circle Error 90%/CE90)，較02C星的260 m(1σ)大幅提升。因此整星在姿態測量星敏感器、導航接收機、時間系統、星敏感器安裝基準等均需進行適應性更改或升級。

采用國產高精度星敏感器、高精度星敏感器與陀螺聯合定姿方法，通過最優濾波技術實現兩測姿系統的優勢互補，達到滿足成像要求的測姿精度。使用雙頻GPS軌道定位精度優于10 m，事后的定位精度優于50 cm。引入了秒脈沖校時和高精度時間系統設計，星務計算機、控制計算機和載荷成像均以秒脈沖為時間參考，實現了整星時統精度優于50 μs。相機星敏感器通過支架進行一體化安裝，使得整星的測量與相機成像的光軸共基準，提高了測量的穩定性和精度，保障了整星的定位精度。

3.1.4 采用無畸變的光學系統

相機的在軌畸變會給圖像的拼接與配準帶來了一定困難。資源一號02D衛星相機采用無畸變的光學設計。經過地面測量，畸變大小優于萬分之四，大大提高了衛星成像的內部幾何精度。提高了圖像的相對定位精度和衛星內檢校的效率。

3.1.5 采用12 bit量化方式與自動箝位的功能

衛星采用12 bit量化的方式提升了圖像的動態范圍及信噪比。還針對大氣干擾的問題增加了動態箝位的功能，提高圖像的信噪比。相機信噪比在高端(地面反射率0.65，太陽高度角70°)信噪比大于48 dB。

3.2 偏航定標技術提升相對定標精度

星上配置了2臺寬幅載荷，在發射入軌中、受到主動段力學和在軌空間環境影響后，性能可能發生變化，導致地面定標實驗計算得到的相對定標模型與探元的真實響應曲線存在差異。因此需要開展在軌定標，獲得各個輻射度級別非常均勻的在軌圖像及底電平數據。為了使推掃式相機在軌期間對地獲得非常均勻的圖像，星上采用了姿態偏航90°的定標成像方式，使探測器陣旋轉90°，使得橫向所有探測器通過一個地物，使用該方式對所有像元進行標定，獲得非常均勻的圖像[9]，如圖4、5所示。

圖4 普通掃描方式的字母表圖像Fig.4 Alphabetic image of push-sweep imaging

圖5 線陣旋轉90°掃描方式的字母表圖像Fig.5 Alphabetic image of side-slither imaging

3.3 整星機動靈活性提升

資源一號02D衛星主要目標為大面積的圖像獲取，對于大區域拼接成像、目標成像行政區或其它工業經濟區、自然區域目標成像、考慮到天氣等因素等，需要進行大量局部區域補圖、補縫成像。為滿足該使用需求，衛星需具備一定的姿態機動能力。提升整星機動能力可采取兩種方向，其一是增加整星機動的執行力矩、通過選取相應的執行機構(控制力矩陀螺和/或大力矩動量輪)實現，但使用控制力矩陀螺后其擾振特性較動量輪大，需采取隔振裝置并進行專項分析試驗[10]，會引入附加成本。另外一種是盡可能減少整星慣量，滿足側擺要求。

衛星選擇了先進的S4R供電體制和上海空間電源研究所生產的高能效長壽命鋰離子蓄電池、高能量轉換效率的三結砷化鎵太陽電池，提升了整星能量密度。相對于資源一號02C衛星的供配電系統，太陽翼的基板數量由6塊減少為4塊，能量輸入功率由2400 W提升至2800 W，供配電分系統質量減輕180 kg，整星側擺機動的轉動慣量減少了46%，在維持使用動量輪機動的基礎上，可以滿足側擺成像要求。在使用動量輪作為側擺執行機構的基礎上，資源一號02D衛星的機動能力提升到了32°/260 s，較02C星的32°/600 s機動能力提升了230%。

按軌道高度約778 km計算，地速約為6.64 km/s，則側擺穩定時間260 s可以實現衛星在一軌內對沿軌跡距離約1700 km以上的2個區域進行成像。根據我國國土形狀，東部地區沿軌跡方向南北距離約3600 km左右，中部和西部地區則在2100 km左右。因此在國境內可以進行2個到3個側擺成像任務，成像效能進一步提升，如圖6所示。

圖6 境內星下點軌跡長度Fig.6 Ground track length in China

3.4 提升數據獲取能力

資源一號02D衛星在成像性能提升后，載荷數據傳輸相比資源一號02C衛星也發生變化。02C衛星星載荷總數據率513.38 Mbit/s，固存容量270 Gbit，02D衛星為3 455.1 Mbit/s。在保證業務圖像質量的前提下，圖像不能進行大壓縮比，特別是高光譜圖像僅能進行無損壓縮或不壓縮。

資源一號02D衛星選擇了星上、地面均有成熟研制技術基礎的數傳產品，對地碼速率為2×450 Mbit/s，采用雙圓極化、點波束天線方案。同時為了盡可能利用數傳弧段資源，設置了單天線雙地面站接力、雙天線雙地面站接力功能，將成像、記錄和傳輸功能解耦設計，最大限度的實現有限弧段的數據傳輸獲取。

以密云、三亞、喀什3個國內地面接收站作為主要接收站點。單天線對應單一地面站傳輸，天平均下行弧段時長約10.4 min。采用單天線雙站接力時，考慮到天線預置會對整星產生擾動影響成像質量，因此需要限制預置速度，站點切換間隔為180 s。在此方式下，可視弧段平均長度約為11.69 min。若采用雙天線雙站接力形式，雙天線都提前預置到位避免成像中預置擾動，僅需考慮天線切換時間約12 s左右的數傳空檔期。在此方式下可視弧段平均長度約為13.26 min。相比單天線不接力情形，其每軌增加時長約2.86 min，每天可增加約24 min回放時間，相當于增加了2軌傳輸弧段。提升了數據下行能力約25%。

3.5 業務衛星快速集成設計

作為業務衛星，其研制成本、研制周期等，均有嚴格約束。為控制研制成本和研制周期，衛星采用了“直接正樣”研制模式，不經歷初樣階段，直由方案階段轉入正樣研制。整星僅投產一套正樣件。對整星設計、系統集成、整星測試和項目管理均提出了較高要求。

在衛星產品選型上，通過選取新型成熟平臺產品，與其他衛星組批投產，可節約研制周期和設計成本。同時在整星方案階段開展了風險分析，對系統級設計開展了多輪復核把關，針對性的開展專項聯試試驗，提前對關鍵環節進行了驗證，確保了衛星研制的一次成功。

4 衛星應用情況及后續發展建議

4.1 衛星在軌情況

資源一號02D衛星于2019年9月12日發射，當前已經在軌運行1年。衛星入軌以來，衛星平臺運行穩定，成像紋理清晰、層析分明、光譜信息豐富。衛星獲取了大量多光譜和高光譜影像數據(見圖7、8)。當前衛星已經完成了在軌測試和參數調整。初步評價多光譜相機產品外部幾何精度為19.13 m(CE90)，輻射質量滿足使用要求。

圖7 韓國務安機場全色多光譜融合影像Fig.7 Muan international airport fusion image of panchromatic and multi-spectral images

圖8 山東東營萊州灣高光譜融合影像Fig.8 Shandong Laizhou bay fusion image of hyperspectral images

4.2 后續業務衛星發展建議

資源一號02D衛星細分多光譜和高光譜影像，獲取了豐富地物的光譜維信息，地物分類的準確程度進一步提高。例如基于農業用戶對于衛星數據的初步應用評估結果，對于農田作物，4譜段影像的地物識別精度為91.30%，8個多光譜譜段的地物識別率為97.71%，高光譜影像的地物識別率可達99.90%。

但受限于目前載荷規模和研制成本，多光譜和高光譜遙感器的幾何分辨率往往較全色圖像低，混合像元作用明顯，對復雜地物的精細化定量化遙感的進一步應用產生了一定的影響。因此后續定量化衛星可參考如下的技術發展方向：

(1)發展寬幅細分多光譜衛星，結合具體行業用戶需求，對地物敏感的波段進行光譜定制細分，在譜段數量和譜段范圍上均進行定制。此種方式可在充分利用多光譜相機高信噪比、高分辨率、容易實現大幅寬觀測的優勢，實現定制化觀測。

(2)發展中高分辨率高光譜衛星，實現較高幾何分辨率的高光譜觀測。受限于高光譜衛星的光學系統復雜，難于同時實現高分辨率和大幅寬觀測和大角度側擺成像，因此需要建設高光譜衛星星座，通過同種或者不同種類的衛星搭載高光譜相機標準產品，實現高分高光譜相機的數據批量化采集。

(3)建立地物光譜庫并開展圖像解混研究。利用星上的高分相機和高光譜相機影像聯合進行圖像解混算法研究。通過建立不同種類的地物光譜庫和應用場景，開展光譜解混算法研究，滿足不同業務用戶的地物識別需求，也是未來定量化遙感應用的重要發展方向。

5 結束語

資源一號02D衛星研制和發射，是對業務衛星及其改進型衛星的又一次大膽嘗試。衛星在軌應用對自然資源調查與監管、地質、礦產資源開采監測和地質災害調查等業務需求具有重大意義。后續衛星研制團隊將密切配合應用部門，進一步做好圖像定標和應用推廣，為我國自然資源業務衛星和定量化遙感應用做出更大貢獻。