北京三號A/B衛星總體設計及技術創新

楊芳 趙鍵 姚寧 李志壯 姜海濱 王勁強 朱紅 劉思遠 王抒雁

(1 航天東方紅衛星有限公司,北京 100094)(2 北京控制工程研究所,北京 100094)(3 北京空間機電研究所,北京 100094)(4 西安空間無線電技術研究所,西安 710071)

北京三號A/B衛星,是基于我國第二代敏捷衛星平臺——CAST3000E平臺(增強型敏捷衛星平臺)的高分辨率光學遙感智能敏捷衛星,是在第一代敏捷衛星平臺CAST3000的基礎上,瞄準國際上最先進的敏捷衛星平臺技術指標和成像新模式研制開發,具有“三超”、“三智”的技術特點,即“超敏捷、超穩定、超精度”、“智能復合控制、智能自主規劃、智能圖像處理”,實現了遙感衛星領域的控制新體制、相機新體制、操控新體制、應用新體制四方面的技術跨越,對我國航天遙感技術的發展具有極強的技術引領和推動作用[1]。

北京三號A星是CAST3000E平臺的首發星,于2021年6月11日成功發射,國內首次具備了沿任意航跡成像(即主動推掃動中成像,國際上稱走廊成像)能力,標志著我國遙感衛星技術水平實現了重大技術跨越。北京三號B衛星于2022年8月24日成功發射,在A星實現沿任意航跡成像的基礎上,在國際上首次在軌實現了沿曲線軌跡成像新模式。

北京三號A/B衛星在軌實現的敏捷姿態機動最大值達到25°/10s和90°/25s,是第一代敏捷衛星的三倍以上;整星姿態角速度穩定度優于2×10-5(°)/s,主動指向成像期間短期穩定度優于0.005″,提高了20倍以上;圖像定位精度(無控制點)優于5m(CE90),進入國際一流水平。

1 衛星總體設計

1.1 衛星軌道設計

綜合考慮載荷分辨率、星下點視場幅寬和盡可能少的軌道維持燃料消耗,北京三號A衛星選擇了高度接近500km的太陽同步軌道,如表1所示;北京三號B衛星選擇了高度為610km的太陽同步軌道,如表2所示。

表1 北京三號A衛星標稱軌道參數

表2 北京三號B衛星標稱軌道參數

為滿足8年壽命期內,衛星降交點地方時變化最小的用戶需求,北京三號A衛星和B衛星均采用了傾角和降交點地方時雙偏置的方案,使8年壽命期內的降交點地方時漂移范圍分別為±15min和±20min。

1.2 衛星方案概述

CAST3000E平臺繼承CAST3000平臺,采用六棱柱構型設計,3塊太陽電池陣按間隔120°對稱安裝,展開后固定支撐,保證足夠的展開剛度,如圖1所示。

圖1 北京三號A/B衛星構型

北京三號A衛星配置線陣成像體制的三反同軸高分辨率雙相機組合體,北京三號B衛星配置一臺線陣+面陣組合成像體制的四反同軸輕量化高分辨率相機,能夠兼顧地物遙感測繪一體的綜合需求。

衛星姿態控制采用三軸穩定整星零動量控制模式,在CAST3000平臺姿軌控制系統(Attitude and Orbit Control System,AOCS)的基礎上,在星體與相機之間增加“主動振動抑制隔離和精確指向系統”(Vibration Isolation and Precise Pointing System, VIPPS),通過AOCS-VIPPS兩級復合控制,實現相機光軸的超高敏捷、超高穩定、超高精度的三超控制。為了獲得超高敏捷姿態機動能力,采用控制力矩陀螺(Control Momentum Gyro,CMG)作為執行機構、磁力矩器進行CMG角動量卸載。

星上信息交換采用CAN總線網絡體系架構,由星務中心計算機模塊作為上位機管理總線。星務分系統還具有星上自主任務規劃功能,并管理星上高精度時間系統。星上供配電采用太陽電池陣與鋰離子蓄電池組聯合供電方式,當圈能量平衡;平臺熱控方案采用隔熱和艙內等溫化設計,相機采用環路熱管技術實現對探測器焦面的高精度熱控;星上配備大容量的數據存儲、高速數傳通道和具有二維轉動機構的高增益數傳天線,具備近實時傳輸、記錄、回放、數據分發等多種數傳模式,以滿足衛星在軌圖像對數據傳輸的需求。北京三號B衛星為了支持在軌軟件更新,增加了測控高速上行通道。

此外,北京三號A/B衛星還具備星上圖像智能處理功能,可實現幾何校正、輻射校正和云判,能基于目標點地理坐標提取感興趣區域(ROI)和基于目標在軌檢測提取ROI并可切片下傳,圖像處理結果可實時下傳給地面用戶。

1.3 衛星成像模式

北京三號A/B衛星除了支持同軌多點目標、兩視立體、三視立體、動態監視、多條帶拼接等敏捷衛星的典型被動推掃成像模式[2]外,還具有主動推掃即動中成像和正反向推掃成像能力,如圖2～圖5所示。在軌實際完成了任意航跡單斜條帶、任意航跡斜條帶拼接、東西方向斜條帶拼幅(正反向)、正南正北(正反向)成像等主動推掃成像新模式。

圖2 敏捷衛星典型被動推掃成像模式

圖3 斜條帶拼接成像模式

圖4 斜條帶拼幅成像模式

圖5 反向推掃成像模式

北京三號B衛星在A衛星的基礎上,在國際上首次實現了沿曲線軌跡成像新模式,如圖6所示。此外,由于相機采用線陣+面陣組合成像體制,還增加了視頻成像模式,使北京三號B衛星的成像模式涵蓋所有被動推掃成像和主動推掃成像,是國際上光學遙感衛星成像模式最多的衛星。

圖6 沿曲線軌跡成像模式

基于三超平臺的成像新模式極大豐富了用戶的應用和使用效率,標志著我國敏捷衛星技術水平達到國際領先水平。

1.4 衛星操控模式

北京三號A/B衛星首次實現了全部成像和數傳任務的星上自主任務規劃[3],用戶只要給出需要拍攝任務的經緯度、數據傳輸窗口、地面接收站位置,星上能在短時間內完成全天的任務規劃并生成時間觸發的指令集合,按時間自動執行姿態機動、成像和數傳任務,如圖7所示。

圖7 北京三號A/B衛星在軌操控方式示意圖

北京三號A/B衛星支持星上自主任務規劃與傳統地面任務規劃兩種操控方式,這兩種方式相對獨立,用戶可根據需要通過指令切換操控模式,衛星在軌正常運行中默認采用星上自主任務規劃。

如圖8所示,當需要由星上自主任務規劃模式轉為地面規劃模式時,只需發送指令禁用星上自主任務規劃并關閉星上規劃協處理器,即進入地面規劃模式(地面獨立運控);當需要由地面規劃模式轉為星上自主任務規劃模式時,同樣只需通過指令將協處理器加電,并使能星上任務規劃。

圖8 地面任務規劃與星上任務規劃關系圖

2 衛星技術創新

2.1 超敏超穩超精(三超)控制技術

三超控制技術是航天器超敏超穩超精控制技術的簡稱,采用主動振動抑制隔離和精確指向系統裝置(VIPPS)支撐主載荷高分辨率相機,VIPPS與相機、衛星結構一體化安裝,通過控制力矩陀螺(CMG)對傳統意義上的衛星平臺作大范圍快速姿態機動的一級控制,利用VIPPS對主載荷高分辨率相機做快速穩定和精確指向的二級復合控制。在北京三號A衛星研制過程中,攻克了聚合分離三超控制系統架構、基于VIPPS的多級協同控制方法、主被一體撓性作動器等關鍵技術,并完成了主載荷相機三超控制技術聯合的全物理仿真試驗,解決了復雜系統“快、穩、準”相互制約和“寬頻、多點、多源”擾動消除與航天器精確、穩定敏捷指標跨代提升的難題,滿足了CAST3000E平臺對高性能控制的需求。北京三號A/B衛星在軌實現了復雜敏捷動中成像、姿態角速度最高達10(°)/s,顯著提升了衛星的機動成像效率,跨代提升了高分辨率遙感衛星數據供給能力。

2.2 沿任意航跡成像(動中成像)技術

CAST3000E平臺的一個重要實現目標就是要實現沿任意航跡成像,即動中成像。三超平臺只是支持動中成像的必要條件,為了真正實現動中成像,衛星總體攻克了沿任意航跡成像的姿態規劃技術、適應動中成像的任務規劃技術、適應動中成像的穩像技術(像移補償技術)、適應動中成像的積分時間調整技術等關鍵技術[3-8]。為了保證沿任意航跡成像時的圖像質量,CAST3000E平臺設計了三級減震系統,在軌實際微振動水平僅有1/70個像元,微振動抑制水平提高了近20倍左右。特別強調的是,北京三號A/B星在沿任意航跡成像角速度達到2(°)/s姿態機動時,動中成像期間短期穩定度仍然可以達到0.005″,也即三超平臺進入主動指向模式時,主動推掃成像與被動推掃成像圖像質量沒有區別。

2.3 星上智能自主任務規劃技術

將傳統地面任務規劃的任務預處理、任務優化編排、指令序列生成等全部功能由星上自主實現,大幅提升衛星的好用易用性。用戶只要給出需要拍攝任務的經緯度、數據傳輸窗口、地面接收站位置,星上可以自主生成供各分系統執行的指令序列,并由星務中心計算機模塊將指令及指令執行時間發送到相關分系統下位機執行。星上自主任務規劃可支持被動推掃成像和主動推掃成像的所有成像模式;支持不小于24h的規劃窗口,任務數量500個;最大規劃耗時小于3min。

北京三號A衛星在軌后,根據衛星能力及用戶的使用體驗,對北京三號B衛星的星上智能自主任務規劃進行了升級,增加了在非立體成像任務和立體成像任務之間自動切換典型姿態機動能力和最大姿態機動能力、兩條帶立體成像、單個立體成像任務中間拍攝其他目標、以及指定俯仰角成像等新功能,進一步提升了衛星操控的靈活性和用戶滿意度。

2.4 星上智能圖像處理技術

星上實現了圖像實時幾何校正、輻射校正和云判,開發了基于地理位置的ROI提取和基于目標檢測的ROI提取并可切片下傳,可根據地面機器學習和訓練狀態擴展智能處理功能。同時CAST3000E平臺在智能處理相關的硬件設計、軟件架構設計以及上行通信鏈路設計上支持大數據量軟件的在軌上注更新,即不僅支持對當前在軌智能處理算法的修改,還支持后續上注新的在軌智能處理算法,并開展在軌試驗驗證。

2.5 全新優化的衛星系統

采用全星綜合電子設計理念,將傳統的多個單機進行了功能集成、性能提升和設計優化,由6臺綜合電子單機完成原來19臺電子單機的功能;采用承力筒+箱板式結構、以及載荷平臺一體化設計,高分辨率相機光機主體(約500kg)通過指向隔振機構和相機解鎖裝置安裝為國內首次實現;與第一代敏捷平臺CAST3000衛星相比,在敏捷能力、穩定度、指向精度、燃料量等性能指標大幅提升的前提下,載重比由35.4%提升至44.7%,整星電子學質量占比從16%降至8%,衛星結構質量占比從14.8%降至11.3%,把更多的星上資源提供給了有效載荷和控制執行部件,衛星系統設計得到極大提升優化。

3 衛星在軌測試及應用情況

3.1 三超控制能力測試

北京三號A/B衛星超敏捷、超穩定、超精度(三超)能力的在軌測試結果如表3、圖9和圖10所示,姿態機動最大值達到25°/10s和90°/25s,成像期間短期穩定度優于0.005″(圖9為北京三號B衛星短期穩定度的連續變化曲線,包含衛星姿態機動段及成像段),指向控制精度優于0.2″。

圖9 北京三號B衛星在軌短期穩定度測試結果

圖10 北京三號B衛星在軌指向控制精度測試結果

表3 北京三號A/B衛星在軌姿態機動能力測試結果

基于北京三號A衛星的在軌表現,對北京三號B衛星的姿態機動軌跡規劃進行了優化,所以B衛星的小角度測試結果優于A衛星;B衛星的大角度機動時間比A衛星長,是由于B衛星的轉動慣量大于A衛星。

3.2 星上自主任務規劃技術測試

北京三號A衛星和B衛星在飛控期間完成平臺參數調整后,后續飛控任務全部使用星上自主任務規劃,覆蓋所有傳統敏捷成像模式和沿任意航跡成像新模式,且所有成像模式任意組合,衛星均成功執行。圖11為2022年8月29日,北京三號B衛星利用星上自主任務規劃實現一軌40個點目標觀測成像。

北京三號B衛星飛控期間采用星上自主任務規劃的3天內,星上累計規劃觀測任務69個(成像條帶86個),數據回放窗口9個(僅使用北京站),接收地面上注的原始任務數據塊僅22個,星上平均規劃計算用時約30s。

3.3 沿曲線成像測試

2022年8月31日,北京三號B衛星首次完成了沿曲線成像,87s內獲得對東南亞半島海岸線約600km長的影像數據,如圖12所示,是國際上首次沿曲線推掃成像的衛星圖片。

圖12 北京三號B衛星對東南亞半島海岸線曲線成像縮略圖

3.4 測繪產品精度評測

對北京三號A衛星的數據產品進行了無控幾何校正定位精度評測,樣例數據覆蓋新疆、寧夏、內蒙古、甘肅、四川、山西、河北等地, 成像模式包含普通條帶成像、兩視/三視立體成像、正南正北成像和斜條帶成像,結果如表4所示,北京三號的數據產品無控幾何定位精度優于5m(CE90),滿足1∶10000比例尺制圖精度要求。

表4 北京三號A衛星無控定位精度測試結果

3.5 新產品生成情況

北京三號衛星具備超敏捷、超穩定、超精度的成像獲取能力,在實現變基高比、大范圍采集兩視/三視立體像對或同軌多像對數據的同時,其超高的衛星平臺穩定度和控制精度,保障了沿軌和跨軌兩個維度像對間的同名像元匹配精度,使得像對之間能夠實現“像素級別”的匹配,從而獲得“上下視差”接近零和“左右視差”誤差盡量小的高精度相對定向。在這種原始圖像質量的基礎上,通過衛星用戶的地面處理,在國內首次基于衛星多角度拍攝的圖片生成了如圖13的三維實景產品,從最終產品效果上看,遙感衛星影像的細節表達逐步接近航空攝影或者無人機拍攝的水平。

圖13 北京三號B衛星三維實景(嘉峪關)

4 達到的技術水平

4.1 技術指標的國際對標情況

CAST3000E衛星平臺保持了中國遙感衛星平臺的先進性和前沿性,如表5所示,其姿態機動能力、姿態穩定度和成像穩定度等平臺核心指標的在軌實測數據,全面優于美國DG公司和法國ADS公司的衛星平臺,達到國際領先水平。

表5 CAST3000E平臺國際對標

4.2 實際能力國際對標情況

按照國際標準,除平臺指標外,實際應用能力代表了衛星綜合能力,在衛星遙感應用市場上實際意義更大。CAST3000E平臺衛星在傳統敏捷成像(即被動推掃成像)能力和沿任意航跡成像(即主動推掃成像)能力兩方面都表現優秀。

傳統敏捷成像模式包括同軌多點目標、兩視立體、三視立體、動態監視、多條帶拼接等被動推掃模式。根據資料[9]推測,WorldView-4衛星同一軌獲取圖像面積為50000km2左右。

2021年6月16日,北京三號A衛星在軌完成同一軌4個5條帶傳統敏捷成像測試,成像區域分別是俄羅斯、沙特、津巴布韋和坦桑尼亞,每次約112s成像面積約8900km2。以此推算,北京三號A衛星實際一軌15min內可完成8個5條帶成像,成像面積8900km2×8=71200km2,約為WorldView-4衛星的1.5倍。

2021年6月17日,北京三號A衛星在軌完成中國東部40個目標城市的成像,950s全部獲得有效數據,所有圖像指向位置準確。2022年8月29日,北京三號B衛星在軌同樣完成中國東部及東南亞地區40個目標城市的成像,980s全部獲得有效數據,所有圖像指向位置準確。

沿任意航跡斜條帶拼接、東西方向斜條帶拼幅(正反向)、正南正北拼幅(正反向)是主動推掃成像的三個代表性模式。對于北京三號A/B衛星來說,沿任意航跡斜條帶拼接可達7條帶以上,長度700km以上(如沿長江流域、G7京新高速等成像);東西方向斜條帶拼幅(正反向)理論上在一軌15min成像期間均可成像,即如果一次東西方向條帶成像含姿態機動時間需要30s(條帶長140km,A衛星幅寬22km),則一軌可進行30個東西方向條帶成像,拼幅達到140km×22km×30=92400km2;正南正北(正反向)成像一軌15min可進行6次7條帶成像,每個條帶長100km,寬22km,成像面積達100km×22km×7×6=92400km2。東西方向斜條帶拼幅成像模式和正南正北成像模式的成像面積均是WorldView-4衛星的1.8倍。

2021年6月22日,北京三號A衛星在軌完成哈薩克斯坦7條帶拼幅推掃成像(4條正掃+3條反掃),如圖14所示,一次成像幅寬達170km,面積達15300km2,創造了國內商業高分辨率遙感衛星單次成像幅寬最高紀錄。

圖14 北京三號A衛星7條帶拼幅推掃成像的哈薩克斯坦覆蓋縮略圖

北京三號A/B衛星對立體成像任務也有出色的表現,A衛星在軌可在70s內獲取面積3220km2的兩視立體影像(總成像面積6440km2);B衛星在軌可在65s內獲取面積1000km2的三視立體影像(總成像面積3000km2),在80s內獲取面積2500km2的兩條帶兩視立體影像(總成像面積5000km2)。B衛星在單個立體成像任務的兩視之間,還可拍攝面積為1500km2的其他目標。

5 結束語

敏捷衛星的技術水平是高分辨率遙感衛星技術水平的重要體現,基于第二代敏捷衛星平臺CAST3000E的北京三號A/B衛星的研發及成功應用使我國敏捷衛星技術水平達到國際領先水平,實現了從跟跑到趕超,跨代提升了高分辨率遙感衛星數據供給能力,對我國航天遙感技術的發展具有極強的技術引領和推動作用。