高分多模衛星工作模式設計與在軌驗證

范立佳 于龍江 姜洋 汪精華 余婧

(中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094)

高分多模衛星是民用空間基礎設施“十三五”首批啟動并首顆發射的科研衛星，采用全新一代中型敏捷遙感衛星公用平臺，配置良好研制基礎的大口徑、長焦距高分辨率相機、分孔徑多元探測的大氣同步校正儀等有效載荷，實現敏捷成像模式下高分辨率、高質量圖像數據的獲取能力。作為科研衛星，根據遙感衛星技術發展情況，開展星上圖像實時處理、星間激光通信等新技術的在軌試驗及應用；首次實現中繼數傳在民用遙感衛星的應用，提高衛星任務響應能力，促進軍民融合。高分多模衛星在兼顧高分辨率與敏捷成像的遙感衛星技術及應用的同時，發揮著技術引領和推動作用。

高分多模衛星有效載荷類型多、數據量大、工作模式復雜，衛星工作模式設計的好壞直接決定了衛星研制要求的滿足度及在軌使用效能的發揮。因此，在滿足研制任務要求的前提下，為更好地發揮衛星的在軌使用效能，充分調研了國內外設計[1-6]，并結合任務特點，完成了高分多模衛星工作模式設計工作。本文闡述了其工作模式的設計要求及約束，給出了工作模式設計思考及結果。衛星發射及在軌飛行驗證了工作模式設計的正確性和合理性。

1 工作模式設計需求及約束

1.1 敏捷成像模式需求分析

高分多模衛星是目前我國民用對地觀測衛星中分辨率最高的衛星，要實現優于0.5 m的高分辨率成像，實現精細化觀測。高分多模衛星用戶多、各行業應用廣泛，成像目標區域呈現散布、點多的特性；傳統推掃成像由于幅寬限制，一次過境數據獲取能力有限。為滿足各行業對高分辨率圖像獲取的迫切需求，通過敏捷成像，利用衛星快速指向成像區域，可一次過境實現對大量散布目標的圖像數據高效獲取，大幅度提升衛星的任務執行能力，充分發揮衛星的使用效能。

從國際光學遙感衛星發展趨勢來看[7-9]，以高成像分辨率、快速的姿態機動能力為主要特征。以“昴宿星”(Pleiades)、“世界觀測”(WorldView)系列衛星[1-2]為代表的高分辨率敏捷衛星，已經成為高分辨率光學遙感衛星的主要發展方向，并在商用領域取得了極大成功。圖1給出主流敏捷光學成像衛星敏捷成像模式設計。

圖1 敏捷成像模式設計Fig.1 Agile imaging modes design

1.2 有效載荷數據源下傳需求分析

高分多模衛星配置高分辨率相機、大氣同步校正儀等有效載荷；兩者要求同時觀測、數據同步存儲及下傳。高分辨率相機具有優于全色0.5 m/多光譜2 m、1個全色譜段+8個多光譜譜段的成像能力，原始數據率最大可達15 Gbit/s，其中全色約10 Gbit/s、多光譜5 Gbit/s；大氣同步校正儀采用分孔徑+多元探測器分視場設計方案，配置8個譜段20個通道，采樣頻率10 Hz，原始觀測數據不超過8 kbit/s。2種有效載荷觀測數據大小差異非常大，如何實現2種數據的高效處理及存儲至關重要。

高分辨率相機數據可根據要求進行壓縮處理，大氣同步校正儀觀測數據不做壓縮處理，且兩者的數據同時存儲到固態存儲器中；為提高衛星好用易用性，便于地面數傳任務規劃及地面圖像處理，要求兩者數據同步下傳。

1.3 數據傳輸能力約束

根據高分多模衛星每天觀測任務時間要求及有效載荷原始數據量，要求衛星具備每天成像數據當天下傳的能力；衛星卓越的成像能力要求其必須具有可靠高效的數據傳輸能力。經調研分析[10]，X頻段數傳是迄今為止遙感衛星普遍采用的對地數傳技術，國內及國際大部分地面接收站均可兼容。綜合考慮傳輸效率、地面接收等各種因素，高分多模衛星采用X頻段對地數傳技術。根據衛星對數據傳輸需求，兼顧境內及境外站的接收能力，采用8PSK/SQPSK調制技術，雙通道正交極化頻率復用，實現2×800 Mbit/s和2×450 Mbit/s的雙通道傳輸能力。

高分多模衛星作為一顆敏捷成像衛星，任務快速響應能力至關重要；為突破我國地面接收站布局限制，充分利用中繼資源，配置了中繼數傳，進一步提高衛星全球圖像數據的快速獲取能力。

2 工作模式設計

高分多模衛星工作模式涵蓋從衛星發射入軌、入軌狀態建立、正常在軌飛行、衛星故障處置等各個飛行階段所涉及的所有工作項目和動作，具體包括以下幾個方面。①發射入軌模式：從衛星進入發射狀態到星箭分離；②入軌狀態建立模式：從星箭分離到衛星正常姿態的建立；③軌道控制模式：在軌工作期間需要定期或根據需求進行姿態和軌道控制，以完成軌道誤差修正工作，此時衛星有效載荷不工作；④正常運行模式：衛星在工作軌道正常運行，有效載荷關機不工作，平臺正常自主運行；⑤任務執行模式：衛星在軌執行各類任務，具體又可分為敏捷成像模式、特定區域快速獲取模式、數據回放模式及激光通信試驗模式；⑥應急模式：衛星進行整星級故障應對時采取的安全保護模式。根據工作模式設計，①和②在軌僅執行1次；衛星在軌飛行期間，主要在③，④，⑤，⑥之間進行切換，詳細的邏輯關系見圖2。從圖2中可見：為有效保證衛星安全，衛星處于任意模式下，一旦出現異常或故障時，均可直接進入應急模式，且應急模式的退出路徑只能進入正常運行模式，確認衛星運行正常后方可執行任務執行模式或軌道控制模式。在6種模式中，①～④為遙感衛星通用工作模式，模式狀態簡單，設計較為成熟，不再贅述。本文重點針對模式⑤和模式⑥進行設計。

圖2 整星各工作模式間的切換關系Fig.2 Switching logic of satellite operating modes

2.1 任務執行模式

高分多模衛星根據任務要求，任務執行模式可分為業務任務和試驗任務。業務任務包括敏捷成像模式、數據存儲與傳輸模式、特定區域快速獲取模式。敏捷成像模式和數據回放模式完全獨立，可分時或同時執行。試驗任務包括星間激光通信試驗模式。

2.1.1 敏捷成像模式

高分多模衛星采用中型敏捷遙感衛星公用平臺，配置具有良好研制基礎的高分辨率相機、大氣同步校正儀等有效載荷。充分利用平臺的敏捷機動能力，結合大口徑可見光相機敏捷成像能力，參考國外先進的WorldView系列衛星、Pleiades系列衛星的敏捷成像工作模式設計[1-2]，高分多模衛星設計有同軌多點目標成像模式、同軌多條帶拼幅成像模式、同軌多角度/立體成像模式、沿跡/非沿跡主動推掃成像模式等多種敏捷成像模式。為滿足用戶對高分辨率、高圖像質量數據產品的應用需求，減小大氣對圖像的質量影響，配置了大氣同步校正儀，同步獲取高分辨率相機觀測區域的大氣參數信息，并與相機數據同步下傳，用于地面圖像數據的大氣校正處理，實現光譜復原度和調制傳遞函數(MTF)的提升。

1)同軌多點目標成像模式

衛星通過快速姿態機動調整相機指向，實現對一軌可視范圍內散布的多個點目標(條帶長度可根據任務需求進行設置)的訪問成像，如圖3所示。該模式旨在快速、高效獲取多個關注區域的圖像，滿足對用戶關注的散布小塊目標的探測需求；一軌可獲取目標數量不少于20個。

圖3 同軌多點目標成像模式Fig.3 Single-pass targets imaging mode

2)同軌多條帶拼幅成像模式

衛星通過快速姿態機動調整相機指向，實現對區域目標連續進行多次條帶成像，以達到完全覆蓋的目的，如圖4所示。該模式旨在實現對某一較大面積區域的快速成像。實際應用時，各個條帶的長度可以是不相等的。一次拼幅可以完成典型成像區域包括60 km×60 km，60 km×120 km，90 km×90 km，滿足用戶對一次過境成像幅寬15～90 km的需求，基本能夠覆蓋大部分城市核心區域。

圖4 同軌多條帶拼幅成像模式Fig.4 Single-pass strip imaging mode

3)同軌多角度成像模式

衛星通過快速姿態機動調整相機指向，實現對同一條帶目標連續進行多個角度的成像，如圖5所示，多角度成像次數可以在2～12次間任意指定。該模式旨在實現某一特定目標區域的多個不同角度的觀測圖像的獲取，可為用戶提供更為豐富的觀測信息，提高定量化應用水平。

圖5 同軌多角度成像模式Fig.5 Single-pass multi-view imaging mode

4)同軌立體成像模式

衛星通過快速姿態機動調整相機指向，實現單線陣立體成像，支持2視(前視、后視)或3視(前視、正視、后視)立體成像，基高比可設置，如圖6所示。該模式旨在實現單線陣2視或3視立體圖像，用戶可以指定立體交匯角，或指定對于每幅圖像的觀測角度。其觀測角度靈活，可根據用戶需求靈活設置。

圖6 同軌立體成像模式(2視)Fig.6 Single-pass stereo imaging mode

5)任意向主動推掃成像模式

利用衛星強大的敏捷機動能力，結合相機敏捷成像技術，是我國遙感衛星首次在軌實現“動中成像”，如圖7所示。該模式旨在快速獲取任意方向的條帶區域圖像，可以對河岸、海岸、邊境、公路、管道等不規則長條帶目標進行成像，大幅提高衛星圖像采集效率；在不考慮天氣影響觀測機會的前提下，較傳統遙感衛星沿跡推掃成像獲取效率可提升數十倍。

圖7 非沿跡主動推掃成像模式Fig.7 Non-along-track active pushbroom imaging mode

2.1.2 數據存儲與傳輸模式

高分多模衛星的高分辨率相機原始數據達到了15 Gbit/s，受限于數據下傳通道碼速率及地面站分布的限制，無法實現成像數據直接下傳。為解決上述問題，衛星配置大容量數據存儲器，將相機成像數據進行適度壓縮并存儲，衛星過地面站或中繼衛星時再進行數據下傳，為此設計了數據存儲模式和傳輸模式。

1)數據存儲模式

根據衛星每天成像任務時間要求，考慮數據傳輸能力及地面站分布情況，經分析論證，配置了5 Tbit大容量固態存儲器；采用基于差分預測編碼技術的JPEG-LS算法，該算法簡單、易于硬件實現，在低倍壓縮下帶來圖像質量損失小；設計了多檔壓縮比靈活配置，可滿足用戶不同任務需求。

2)數據傳輸模式

針對高分多模衛星成像能力強、數據量大等特點，在數傳模式設計時統籌資源、充分利用，設計了對地數傳模式及中繼數傳模式。

(1)對地數傳模式：作為商業化運營的科研衛星，設計時充分考慮商業用戶需求，提高衛星數據獲取時效性，為支持全球數據落地，對地數傳設計時兼顧我國地面接收站、境外可租用地面接收站狀態；基于同一套硬件系統，設計了高速、中速對地數傳模式，用戶可根據任務需求靈活使用。

(2)對中繼數傳模式：充分利用中繼數傳的優勢，提高數據獲取能力及響應能力，設計了兼容一代、二代中繼系統的中繼數傳，用戶可根據任務需求靈活選擇應用。

2.1.3 特定區域快速獲取模式

傳統圖像產品服務流程主要是衛星圖像數據過固定地面接收站進行接收，接收后推送至地面處理中心進行地面處理，處理后再推送至用戶部門，整個服務鏈條涉及多個環節全鏈路保障；但針對于重大災害、事故或事件應用場景，受限于受災區地理環境、設備設施等限制，當前的信息獲取和傳輸手段無法滿足快速應急信息分發的需求，亟需解決如何“第一時間”將受災區域的遙感衛星圖像產品傳送到前沿應急指揮部，以便及時掌握災害發生地點、涉及范圍、發展趨勢等信息[11-12]。為此，高分多模衛星設計特定區域快速獲取模式，如圖8所示。配置特定區域提取與處理單元，結合敏捷成像模式，完成用戶關注的特定區域圖像的提取、輻射校正及幾何校正，生成用戶可直接應用的2級圖像產品，并利用數傳的低速傳輸模式，在前沿應急指揮部配置更為靈活的機動站或微型便攜接收站，即可完成圖像數據的快速實時接收與顯示，可有效解決如何“第一時間”將受災區域的遙感衛星圖像產品傳送到前沿應急指揮部的問題，使獲取時效由數小時提高至分鐘級，為應急響應需求提供及時、有效的信息，能夠有效解決災區通信設施損毀所導致的數據傳輸難題，大幅提高重大災害現場災情信息傳遞的保障能力。

圖8 特定區域快速獲取典型應用場景Fig.8 Practical scenes of fast acquisition of specific area

2.1.4 激光通信試驗模式

高分多模衛星搭載了一套小型化激光通信終端，開展高-低軌星間激光鏈路傳輸試驗，突破高軌、低軌星間激光高速通信技術，為今后逐步建立天地一體化激光通信網絡奠定技術基礎。高分多模衛星采用激光通信試驗模式，激光通信終端通過方位/俯仰2軸轉動的方式實現高軌、低軌激光通信終端的捕獲及跟蹤；充分利用整星敏捷機動能力，通過姿態預置增加試驗弧段，可大幅提升試驗效率。利用高分多模衛星與高軌衛星激光通信終端完成捕獲、跟蹤、鏈路建立、鏈路保持及通信，高軌衛星終端接收數據存儲，待通信結束后，高軌衛星激光通信終端將存儲數據發至地面接收站。

2.2 應急模式

為保證衛星在軌安全，衛星上持續進行健康狀態監控，無論衛星工作在哪種工作模式，在出現異常或故障時能自主判斷且及時處理，防止故障擴散，并進入應急模式；當衛星電源出現異常時，整星立即停止任務執行，并進入最小電能模式；當衛星姿態異常時，整星立即停止任務執行，并轉入全姿態捕獲；若無法完成對日定向，衛星進入姿態停控狀態，整星進入最小電能模式，停止噴氣控制，防止推力器頻繁噴氣造成衛星姿態快旋，從而導致失控或者消耗過多燃料。

3 在軌驗證情況

高分多模衛星于2020年7月3日發射，衛星順利進入預定軌道，并按照預定程序順利完成了初始速率阻尼，太陽翼展開及鎖定，初始姿態建立，太陽翼捕獲跟蹤太陽等動作，建立了衛星的正常工作狀態，充分驗證了衛星發射入軌模式、入軌狀態建立模式設計的正確性及合理性。衛星飛控期間，對正常運行模式、軌道控制模式進行了測試驗證，結果表明：各模式設計正確，滿足設計要求。其中：應急模式是在衛星異常或故障情況下自主進入的保護模式，衛星入軌后運行穩定，未進入此模式。不過，發射前通過地面初樣/正樣的電性能測試進行了充分驗證。

在軌測試期間，完成了敏捷成像模式、數據存儲與傳輸模式、特定區域快速獲取模式及激光通信試驗模式等全部任務執行模式測試驗證，各類模式執行正常，功能性能滿足要求，能夠高效正確執行用戶各類任務。

3.1 敏捷成像模式

高分多模衛星飛控及在軌測試期間，結合成像任務編排完成了同軌多點目標成像模式、同軌多條帶拼幅成像模式、同軌多角度/立體成像模式、沿跡/非沿跡主動推掃成像模式等全部敏捷成像模式測試驗證。其中：同軌多點目標成像模式可以實現單軌成像條帶數量不少于20個；同軌多條帶拼幅成像模式可以實現同軌6(拼幅條帶數量)×102 km(條帶長度)；同軌多角度成像模式可以同軌對同一目標實現12次以上的成像；同軌立體成像模式可以實現2視立體和3視立體成像，2視立體成像條帶長度可達233 km，3視立體成像條帶長度可達68 km，基高比可以靈活設置；任意向主動推掃成像模式是在國內首次實現，在軌測試期間進行了多次主動成像測試，均正確執行，圖像效果良好，其中對美國西部海岸成像條帶長度達到了383 km。

結合各類敏捷成像模式測試，完成了各類壓縮比存儲模式測試驗證，星上圖像數據存儲正確、地面解壓正常，圖像質量良好，覆蓋了全部壓縮模式，滿足研制要求。

3.2 數據傳輸模式

高分多模衛星飛控期間完成了對地數傳和對中繼數傳通道打通，聯合地面接收站及中繼系統進行了調制方式、碼速率及誤碼率測試，星地接口匹配，誤碼率滿足優于1×10-7的指標要求。對地數傳模式完成了2×800 Mbit/s，2×450 Mbit/s，2×100 Mbit/s對地數傳模式測試，對地數傳天線跟蹤正常，地面接收數據并解調正確。對中繼數傳模式完成了2×300 Mbit/s，2×450 Mbit/s，2×600 Mbit/s對中繼數傳模式測試，中繼數傳天線跟蹤正常，地面接收數據并解調正確。

高分多模衛星采用元任務設計，為簡化星地接口，提高衛星好用性易用性，定義了可涵蓋全部回放模式的“回放元任務”，僅需配置“回放元任務”中回放模式及碼速率相關參數即可。在軌測試結果表明：設計合理正確，使用簡易、靈活，操控性好。

3.3 特定區域快速獲取模式

高分多模衛星在軌測試期間完成了特定區域快速獲取模式測試驗證，星上區域提取與處理單元均能根據任務正確執行特定區域圖像的提取、輻射校正及幾何校正，并生成用戶可直接應用的2級圖像產品。

2020年12月，在北京首次完成了面向應急響應需求的特定區域快速獲取模式應用演示驗證，模擬應急搶險救災前沿應急指揮部“實時”接收受災區域2級遙感圖像產品，并進行判讀應用的場景，試驗現場見圖9。10：54：24開始成像，成像后立即進行星上實時處理，生成15 km×15 km的2級圖像產品；10：56：30通過應急指揮部配置的地面移動接收站完成了圖像數據的接收、解調及圖像產品顯示應用。衛星成像至用戶接收到可直接應用圖像的獲取全鏈路時間縮短至2 min左右，特定區域快速獲取模式得到了全面在軌測試驗證。測試結果表明：區域提取與處理單元功能性能滿足要求，模式設計正確合理。此模式能夠為應急響應需求提供及時、有效的信息，以便及時掌握災害發生地點、涉及范圍、發展趨勢等，可大幅提升重大災害現場災情信息傳遞的保障能力。

圖9 演示驗證試驗現場Fig.9 Site of demonstration test

4 結論

高分多模衛星工作模式設計時以充分發揮衛星在軌應用效能為宗旨，兼顧高分辨率成像與敏捷機動的有機結合，綜合考慮各有效載荷配置需求，優化工作模式設計，實現了衛星效能最佳。

(1)設計敏捷成像模式，通過衛星敏捷機動能力和高分辨率相機成像的有機融合，實現了各種敏捷成像模式下高分辨率、高質量圖像的高效獲取能力，國內首次實現“動中成像”、多角度成像等，大幅提升衛星獲取效率及應用價值。

(2)設計數據存儲與傳輸模式，兼顧多有效載荷大數據量處理、存儲及傳輸需求，充分利用現有資源，合理設計對地數傳和中繼數傳，有效解決了制約成像能力的數據傳輸的瓶頸，提高了衛星響應能力。

(3)設計了區域快速獲取、激光通信試驗等創新模式，開展星上實時處理、星間激光通信試驗等新技術在軌驗證及應用探索。