北京三號B衛星相機設計及技術特點

胡永力 孫欣 劉涌 朱志豪 王陽 王勁強

(北京空間機電研究所,北京 100094)

北京三號B衛星是一顆高性能光學遙感衛星,是二十一世紀空間技術應用股份有限公司的商業遙感衛星項目,于2022年8月24日成功發射,具備多目標成像、條帶拼幅成像、立體成像和沿跡成像等模式。該衛星延續并提升了北京三號A衛星的技術特點和優勢,具備超高敏捷、超高穩定、超高精度、智能規劃、智能處理、智能控制等特點,可快速高效地為全球商業市場提供大量的超高分辨率光學遙感衛星數據和信息產品,在商業遙感衛星應用領域具有極強的國內外競爭力。

隨著空間對地觀測技術的快速發展,對空間相機的分辨率提出了越來越高的要求,而增大光學系統的焦距和通光口徑是提高地面像元分辨率的有效途徑[1]。高空間分辨率一直是遙感衛星追求的重要指標之一[2],但由于光學系統特點及工程可實現性限制,高分辨率相機幅寬都不易做到太大,將敏捷衛星平臺與高分辨率相機相結合可以很好地解決高分辨率相機成像幅寬窄的問題[3]。

北京三號B衛星是我國大口徑高分辨率商業光學遙感衛星,相機突破大口徑光學鏡頭加工、裝調關鍵技術,性能更上一層樓,是我國成像原始分辨率最高的商業光學遙感衛星。與北京三號A衛星相比,B衛星軌道更高(提升了110km)、焦距更長、口徑更大、譜段更寬、分辨率更高,分辨率優于全色0.5m/多光譜2.0m(4波段),具備國內太空視頻最高分辨率的能力,設計壽命8年,繼續打造北京三號系列衛星行業標桿品牌。

本文首先介紹北京三號B衛星相機組成及技術指標,其次對技術方案特點進行介紹,最后對在軌成像效果做出評價。

1 相機系統介紹

北京三號B衛星相機定位于新一代低軌高性能敏捷相機,相機具有質量輕、功耗小、反應快、性能穩的特點。該相機能夠為用戶提供高分辨率、高質量圖像。在標稱軌道高度可實現星下點地面像元全色譜段分辨率優于0.5m,多光譜譜段分辨率優于2m。相機所獲得的圖像可實現土地資源監測及調查、礦產資源開發多目標遙感調查與監測、地質災害調查與監測、城鄉規劃管理、交通運輸管理、林業生態工程監測等領域的業務化應用。

為實現高分辨率成像,相機采用大口徑、長焦距、零畸變的光學設計,主鏡口徑為商業遙感衛星最大。為滿足小衛星的承載要求,相機主體采用高輕量化、高穩定性設計,反射鏡輕量化率達到81.9%,主支撐結構均采用高穩定復合材料。為適應敏捷要求,相機搭載國產長線陣時間延遲積分(TDI)探測器件,配合新一代高集成電子學架構,可滿足高機動成像需求。

1.1 相機系統組成

相機分系統組成(見圖1),包括相機主體、相機綜合電子、二次電源、相機遮光罩、顫振測量模塊。相機配備了線陣焦面和面陣焦面,線陣用于推掃成像,面陣用于凝視成像。通過光學系統將地面景物的反射光會聚在焦面探測器上,完成光電轉換后,由信號處理電路對探測器輸出的電信號進行信號處理,通過數傳分系統傳到地面。相機綜合電子實現相機的配電控制、與星務分系統的通信、調焦控制以及遙測數據采集等功能。相機二次電源提供線陣焦面、面陣焦面電路工作所需要的各路二次電源。相機顫振測量模塊用于測量相機主體內的光學元件及焦面的微振動情況。

圖1 相機系統組成

相機豎直安裝在衛星上,發射及地面測試均保持豎直狀態。采用平臺載荷一體化設計,將衛星平臺的星敏感器、測微敏感器直接安裝在相機主體上,進一步提高衛星測量元件與相機之間的幾何穩定性,保證圖像定位精度。圖2為相機模裝圖,可看出相機和與星敏感器之間的設計狀態。

圖2 相機系統模裝圖

1.2 技術指標

在610km標稱軌道高度,相機地面像元分辨率(GSD)為全色分辨率優于0.5m、多光譜優于2m,可獲取覆蓋寬度為11km的全色和多光譜影像。相機主要技術指標見表1。

表1 相機主要技術指標

2 相機技術特點及其實現

北京三號B衛星相機焦距長、口徑大、分辨率高,如何減小相機體積、提高成像質量、提高光機穩定性,同時降低長期熱控功耗,迫切需要關鍵技術上的突破。

2.1 星地一體化總體設計技術

隨著衛星相機分辨率的提高,相機的焦距增長、口徑增大,研制難度和成本增加,成像系統的調制傳遞函數(MTF)不易做高[4-5]。通常MTF越高,成像品質越好,MTF大了會產生混疊,而且混疊一旦產生,不易恢復。所以在成像系統的設計過程中,應折衷考慮,研究發現:相機系統采樣頻率與光學系統衍射截止頻率的比值λF/P(λ為波長,F為焦距/口徑,P為像元尺寸)接近1時,圖像進行地面復原處理后,效果最優[6]。

圖3給出了不同λF/P在歸一化空間頻率下與MTF的關系曲線,圖3中歸一化空間頻率0.5處為奈奎斯特(Nyquist)頻率處?？梢钥闯?λF/P值越小,相機的MTF越高,混疊面積大,圖像混疊也越嚴重。

圖3 信息混疊與傳函關系

表2給出了國際上主流的高分辨率光學遙感系統的λF/P取值[7-8]。

表2 高分辨率相機λF/P

相機系統優化后λF/P值設計為1.08,實驗室靜態MTF優于0.15,在軌圖像經地面(MTFC)傳遞函數補償處理后,圖像質量良好,滿足設計要求。

通過星地一體化設計,相機不追求過高的傳遞函數,地面對圖像復原處理后,能滿足高品質圖像的要求,這樣可以大幅度減小相機的設計難度也能保證圖像產品品質。

2.2 高穩定光機系統設計技術

衛星在軌工作期間處于復雜、交變的熱環境下,要保證良好的幾何穩定性,一方面需要通過相機分系統光機結構的穩定設計,保證反射鏡面形、鏡間距和焦面幾何結構穩定,獲得較高的相機內方位元素穩定性;另一方面,通過高穩定性的一體化結構設計,保證相機之間的相對幾何穩定性。

光學系統采用創新的同軸零畸變設計系統,降低光學系統敏感度,經過優化設計,像質達到衍射極限,同時畸變大幅度減小,近似零畸變,可以有效地減小因光學畸變帶來的動態傳遞函數下降。

針對光學系統設計特點,相機光機主體構型采用主承力板結構,主承力板上面直接支撐前光學組件,主承力板的后端框支撐后光學組件及焦面組件;主承力板下表面與衛星三超平臺指向隔振機構(VIPPS)連接,并通過帶阻尼減振功能的鎖定解鎖器與衛星艙板連接。

主承力板直接負擔著所有的反射鏡與組件的支撐,傳力路線直接,結構利用率高、穩定性好、整體結構剛度高、變形小;主承力板提供主鏡、次鏡、三鏡、焦面組件的機械接口,加工裝調時各反射鏡光軸的機械基準關系容易保證,有利于裝調精度的實現。

材料選擇上優選剛度高、膨脹系數小的材料。主鏡、次鏡選用超低膨脹(ULE)玻璃材料,三鏡選用零膨脹(Zerodur)微晶玻璃材料,前鏡筒、主承力板、星敏支架均選用熱膨脹系數小的碳纖維復合材料,焦面采用零膨脹殷鋼材料,實現了相機對溫度變化不敏感。

大口徑光學鏡頭的成像品質對面形及裝調誤差的敏感度更高,采用計算機輔助裝調等量化控制手段,提高了裝調精度,確保鏡頭成像品質。對光學系統中的主要反射鏡組件采用符合運動學原理的靜定支撐設計,無多余約束,降低裝調應力對鏡頭成像質量的影響。對主鏡、三鏡的結構支撐采用溫度自補償設計,降低溫度變化對成像質量的影響。裝調過程中,在各反射鏡裝配前、后,與主承力結構組裝前、后,進行面形測試和控制,確保整機裝調完成后反射鏡面形精度滿足光學設計要求。采用多點配重實現了相機裝調測試的重力卸載。

2.3 平臺載荷一體化設計技術

為滿足高空間分辨率光學遙感器定位精度需求,以及對整星姿態控制、溫度控制、結構動態特性等需求,進行了平臺載荷一體化設計,主要包括:①星敏感器、測微敏感器等衛星敏感測量部件直接安裝在相機的主承力結構上,這樣可以保證星敏感器、測微敏感器與相機視軸之間良好的連接剛度,避免了因衛星艙體在軌結構變形引入的定位誤差;②星敏感器支架、測微敏感器支架的控溫均由相機來統一設計和控制,與相機一體化高精密控溫,減少熱變形對定位精度的影響;③相機的構型設計與整星的構型設計同步進行,相機參與整星的動力學耦合分析,以尋求相機良好的整機剛度,同時也有利于相機、整星各自頻率相互錯開,避免共振。

這種一體化設計方式具有以下優點。

(1)相機與星敏感器光軸指向精度的穩定性依靠相機的主承力板性能及相機溫控來保證。

(2)這種立式安裝方式,可使相機安裝位置靠近衛星質心,實現衛星最小慣量,動力學環境得到很好的改善,有利于衛星的敏捷特性。

(3)相機四周衛星艙板,放置相機電子學組件,避免其質量直接支撐在相機主承力框上,有效保證了相機鏡頭的精度。

(4)相機遮光罩直接安裝在衛星設備艙結構上,與相機鏡頭無連接,避免遮光罩對鏡頭產生動態干擾。

2.4 支撐結構及減振技術

北京三號B衛星是分辨率達到亞米級,同時具有多種敏捷成像模式的光學遙感衛星。為了實現高機動敏捷成像,星上配置了控制力矩陀螺,不可避免地對航天器上的有效載荷造成微振動干擾,如果不加以抑制,會導致成像質量降低[9]。相機有剛性的鎖定解鎖器和柔性的指向隔振機構二套功能獨立的支撐系統。鎖定解鎖器剛度較高,帶有阻尼隔振設計,用于鎖定相機通過發射主動段的力學環境;指向隔振機構剛度低,用于入軌后相機的支撐、主被動隔振及主動指向。相機入軌后,解鎖器在接到點火指令后,可靠解鎖,解除對相機的剛性約束,實現相機與衛星力學解耦。針對相機在發射主動段抗振需要承受的寬頻段振動特性的特點,鎖定解鎖器的結構設計頻率為橫向15.6Hz,縱向32Hz,經驗證明這對衛星振動有良好的抑制作用,可有效地抑制發射主動段振動響應,為相機主體提供了良好的動力學環境。衛星入軌解鎖后,在成像過程中,指向隔振機構柔性減振支撐發揮作用,通過主被動控制,將顫振抑制到0.2個像元以內,從而保證成像質量不受微振動的影響。

2.5 雜光抑制技術

雜光是指入射到光學系統或在系統內產生的非成像光束。非成像光線形成的雜光入射到像面視場范圍內,會降低光學系統成像的對比度,使圖像的背景抬高,降低系統的動態范圍,同時雜光帶來了額外的散彈噪聲,降低了圖像的信噪比[10-11]。相機光學系統屬于同軸二次成像類型,建立雜光抑制仿真模型如圖4所示。

圖4 雜光仿真模型

經雜光仿真分析,此類系統主要有3種雜光,解決方法如下。

(1)不經主次鏡由物空間直接射到一次像經三鏡和平面鏡最終到達像面的雜光。為阻擋這類雜散光,采用次鏡安裝內遮光罩、主鏡安裝內遮光筒、出瞳處設置里奧光闌等措施消除。

(2)視場內的成像光束,不按成像光路,經鏡面來回反射到像面的雜光。消除辦法主要是在適當位置設置光欄,通過提高反射鏡鏡面的光潔度,在反射鏡鏡面鍍高反射率反射膜,以減少漫反射光。

(3)視場外的光線經筒壁漫反射而射到像面的雜光。為防止視場外雜散光,相機加裝外遮光罩,并在鏡筒內壁涂消光漆。

采取雜散光抑制措施后,通過仿真分析可知:相機雜光系數下降到小于3%。

2.6 電路技術

由于相機分辨率高,積分時間短,成像電路的工作頻率非常高,而入瞳能量又較低,為實現相機的高信噪比要求,采用TDI多級積分技術和成像電路低噪聲技術。要在高速的前提條件下實現低噪聲的電路設計,抑制電路自身和由于高速而增加的各類噪聲,采用了以下技術。

(1)對探測器器件進行了低溫控制,通過對探測器器件背面安裝的4根微型高效熱管,建立探測器器件到熱管再到散熱面的傳熱途徑,實現探測器工作在(15±1)℃的溫度水平,減小了器件產生的暗電平和暗電平噪聲。

(2)采用14bit量化位數,配合550萬門現場可編程門陣列(FPGA)、實現TDI級數控制、增益控制、輔助數據注入、數據格式編排功能。實現了高集成度、低功耗、低噪聲的成像電路設計。

(3)采用高速并串轉換數據傳輸高速數傳接口,實現了每通道高達10Gbit/s的數據傳輸能力,有效地提高了數據傳輸效率和可靠性,保證海量遙感數據的穩定傳輸。

(4)通過GPS硬件秒脈沖、衛星整秒計數和相機本地時鐘相結合的方式,信號處理器根據硬件秒脈沖啟動本地計時時鐘(1MHz),從而精確計算出每一行的成像時刻,并在對應圖像行的輔助數據里標出。同時通過鎖存相臨兩個秒脈沖沿之間的計數值能夠實現對時鐘頻率的標定。實現了對每一幀圖像成像時刻的精確標定,為圖像反演定位精度提供數據。

2.7 高精度溫度控制技術

高分遙感器需要滿足更高的幾何精度,因此對遙感器的恒溫控制提出了更高的要求。相機為長焦距高分辨率光學遙感器,對控溫精度要求高,相機光學系統采用大口徑設計,熱控功耗需求高。傳統的直接傳導控溫方式控溫精度不足。間接輻射控溫是在熱輔助結構上粘貼加熱片,熱輔助結構和控溫目標間設計有間隙,通過熱輔助結構的輻射傳熱實現對目標的控溫。間接輻射控溫方式雖然精度高,但所需控溫功耗較大[12],間接輻射控溫其控溫功耗與溫度的四次方成正比。為解決降低熱控功耗同時實現高精度控溫,相機采用了間接輻射控溫技術與直接傳導控溫技術相結合的多模式控溫方式(見圖5),綜合了兩種控溫方式的優點[13]。

圖5 多模式控溫

通過設置間接輻射控溫輔助結構的控溫功率和閾值,并對直接加載于控溫對象的主動控溫功耗進行優化配置,可以在保證高精度控溫效果的同時有效降低熱控功耗需求。相機在軌溫度遙測數據顯示,相機主體的溫度穩定性控制在±0.3℃以內。相機各位置的溫度數據均優于設計指標。

相機焦面探測器在工作時均會產生大量的熱量,造成探測器的溫度迅速升高,對探測器的溫度穩定性產生不利的影響。為此,焦面采用傳熱能力強的環路熱管技術,通過工質流體相變來高效傳熱,降低了探測器的溫度波動,將探測器溫度波動范圍穩定維持在±1℃以內,確保焦平面的幾何尺寸穩定性。

3 在軌應用評價

經北京三號B衛星進行在軌成像測試,下傳的影像數據全色分辨率優于0.5m,多光譜分辨率優于2m的多光譜圖像,影像清晰、層次豐富、細節表現力強,圖像直方圖分布合理。圖6為相機全色和B1、B2、B3譜段融合圖像。

圖6 相機在軌獲取圖像(真彩色)

經在軌實際驗證,動態傳遞函數優于0.09,各譜段最大信噪比均大于48dB,各項功能和性能指標滿足要求,能夠為自然資源、生態環境、應急管理、水利、農業、草原等領域提供數據產品及應用服務。

4 結束語

北京三號B衛星相機設計理念先進,采用了星地一體化總體設計、相機衛星一體化結構設計技術、創新光學系統、多模式精密熱控等,實現了航天遙感相機高性能、高分辨率的突破,這些技術的成功應用,可以大幅度提升我國遙感技術水平,可為后續高分辨率大口徑相機的研制提供參考。生成的亞米級遙感數據可為我國經濟建設、生態文明建設、民生安全保障和推進國家治理能力現代化起到信息支撐作用。