注册 登录  
 加关注
   显示下一条  |  关闭
温馨提示!由于新浪微博认证机制调整,您的新浪微博帐号绑定已过期,请重新绑定!立即重新绑定新浪微博》  |  关闭

长缨在手 敢缚苍龙

 
 
 
 
 

日志

 
 

高分-1卫星设计与特点  

2014-04-21 16:41:19|  分类: 宇航工程 |  标签: |举报 |字号 订阅

  下载LOFTER 我的照片书  |

高分-1卫星设计与特点 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 
白照广(航天东方红卫星有限公司)

2013年4月26日,高分-1(GF-1)卫星由长征-2D(CZ-2D)运载火箭送入轨道。2013年12月30日,高分-1正式投入使用,这标志着我国高分辨率遥感卫星数据国产化迈出了决定意义的一步,将为国民经济建设、社会发展需要提供有力支撑。据国家国防科技工业局统计,截至2013年12月底,高分-1卫星共向用户部门提供了分辨率2m/8m影像247731景,分辨率16m影像75766景。以华北华东地区雾霾问题为例,高分-1获取了近500景观测数据,为有效开展雾霾污染形成、发展、消散等基础研究提供了一定的信息保障。

1 前言

高分-1卫星是国家高分辨率对地观测系统重大专项天基系统中的首发星,其主要目的是突破高空间分辨率、多光谱与高时间分辨率结合的光学遥感技术,多载荷图像拼接融合技术,高精度高稳定度姿态控制技术,5~8年寿命高可靠卫星技术,高分辨率数据处理与应用等关键技术,推动我国卫星工程水平的提升,提高我国高分辨率数据自给率。

2 卫星设计方案

主要技术性能
高分-1卫星采用CAST-2000小卫星平台,装载的遥感器包括2台全色分辨率2m、多光谱分辨率8m的高分相机,4台分辨率16m多光谱的宽幅相机组成。其数据传输采用X频段点波束高速数传系统。

高分-1卫星主要设计指标
 轨道类型 太阳同步圆轨道
 平均轨道高度
 644.5 km
 降交点地方时 上午10:30
 回归周期 41天
 卫星质量
 1060 kg
 卫星最大包络
 2650 mm × 2000 mm
 在轨最大展宽
 7930 mm
 全色谱段  0.45~0.90 μm
 多色谱段 B1:0.45~0.52 μm, B2:0.52~0.59 μm
 B3:0.63~0.69 μm, B4:0.77~0.89 μm
 地面像元分辨率
 2m(全色),8、16m(多光谱)
 成像幅宽
 高分辨60 km,宽幅800 km
 姿态控制方式 三轴稳定,对地定向
 姿态指向精度
 优于0.1°
 姿态稳定度
 优于0.0005°/s
 姿态机动能力
 最大滚动侧摆±35°
 数据压缩率
 全色3∶1,多光谱无损压缩
 数据存储容量
 1 Tbit
 传输数据率
 900 Mbit/s
 设计寿命
 5~8年
  
轨道设计
高分-1卫星采用太阳同步轨道,即41天的太阳同步回归轨道,轨道倾角97.96°,相邻圈轨道间距2720 km左右,回归周期内相邻轨迹间距66.34 km,这样可在高分相机实际幅宽69 km情况下,滚动方向不侧摆就可41天实现全球覆盖观测。宽幅相机(实际幅宽825 km)4天就可实现全球覆盖观测,在侧摆25°左右,高分相机可任意地区实现4天重访。

高分-1卫星设计与特点 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 
高分-1卫星设计与特点 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 星下点轨道间距及4天成像覆盖情况

有效载荷设计
高分辨率相机采用非球面同轴三反偏视场式光学系统,焦距3.3 m、视场角3.155°,5色集成时间延迟积分-电荷耦合器件(TDI-CCD),探测器通过反射镜实现线性拼接。
宽幅相机采用多镜头模块、视场拼接来实现800 km幅宽的方案,用折射式光学系统+分光棱镜将入射光分为4个谱段,每个谱段对应一片CCD器件。
 
高分-1卫星设计与特点 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 高分辨率相机外形

高分-1卫星设计与特点 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
高分辨率相机光学系统示意图

高分-1卫星设计与特点 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
宽幅相机外形

高分-1卫星设计与特点 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 宽幅相机光学系统示意图

高分-1卫星设计与特点 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
宽幅相机成像视场设计

高分- 1 上的相机成像后最大码速率达2.64Gbit/s。在设计上将其6台相机均分两路,先压缩后再进行组合编码,最终写入固态存储器中,或通过2个通道下传到地面。数据传输使用单个高增益点波束天线、同频极化复用技术实现高速数据传输。数传天线设有2个信号输入口,分别是左旋极化信号入口和右旋极化信号入口,数据传输时左旋极化和右旋极化相互保持正交隔离,由地面接收天线将一副天线的同频双极化信号进行隔离接收,可保证使用相同载波的双通道数据正常接收。为保证通道畅通,采用双冗余的传输信道,包括2副数传天线,但在固态放大器设计上采用三取二策略实现冗余。

平台设计
高分-1的卫星平台包括结构与机构、姿态与轨道控制、星务管理、测控、电源、总体电路、热控等分系统组成。
其卫星结构用于承载全星设备,承受发射段动力学载荷,保持整星飞行形态。主要采用铝蒙皮、铝蜂窝复合材料板,星箭对接环采用铝合金材料。机构主要用于实现太阳电池阵收拢、展开,由两副太阳电池翼组成,每副太阳电池翼由三块基板基板摇臂架及铰链、联动装置、压紧释放装置等组成,基板采用碳纤维加铝蜂窝材料制成。压紧释放采用四点带式压紧、单火工品解锁的最小配置,具有简单、可靠性高等特点。
其姿态与轨道控制用于卫星飞行姿态调整与稳定控制,以及卫星轨道控制。卫星姿态测量采用地球红外敏感器、星敏感器、陀螺、数字太阳敏感器、模拟太阳敏感器等。其中星敏采用三取二冗余策略,陀螺采用6个冗余的二浮陀螺以满足长寿命运行要求。姿态控制通过“3正装+1斜装”的4个飞轮实现整星零动量控制方案达到卫星姿态对地定向、三轴稳定的目的,初始姿态调整、应急姿态调整及轨道控制采用肼系统实现,另外配置3个磁力矩器实现动量轮卸载,采用单轴驱动的驱动机构实现太阳电池翼对日定向。
其卫星测控用于卫星与地面通信及地面对卫星的操控。其采用统一S频段测控体制(USB),具备上、下通信能力,可实现指令、数据上注、遥测信息下传及定轨所需的载波信息等。卫星实时定轨还可以通过GPS实现。卫星设计中继测控功能可实现境外卫星测控功能实现。
其卫星电源用于星上电能生成。卫星采用了高效率的三结砷化镓太阳电池阵与80 Ah锂离子蓄电池组联合供电方案,日照区电池阵发电,并给星上负载供电,电能多余情况下给蓄电池组充电,地影区星上负载直接由蓄电池组供电。
其总体电路用于对整星负载配电及星地测试电接口等。整星采用分散供配电体制,既由整星统一供给相同电压的电源,各个负载依据自身的电压需求进行电压变换。
其卫星星务系统负责整星事务管理,包括时间管理、网络通信、任务驱动、遥测信息处理及整星健康管理等。该系统由三大部分组成:①智能设备,②两级控制器局域网络,③星务系统软件。智能设备包含星务中心计算机和各智能下位机,星务中心计算机是系统核心,负责卫星的任务调度和综合信息处理工作。各智能下位机具有统一的标准通信协议和数据通信格式的网络接口,接受星务中心计算机的调度和控制。其中星务数据存储模块、姿控ALTU、一次电源下位机不作为独立设备,而是嵌入星上其他分系统单机之中,实现了整星的自动化管理。控制总线网络是星上遥控、遥测等信息的通道。星务系统软件包括:实时多任务操作系统、智能设备运行软件、星上网管理软件、整星运行软件等,分别嵌入在相应智能单机设备中。
其卫星热控用于卫星温度环境控制,采用以被动热控为主、以主动热控为辅的方案,采用隔热、散热、等温化、加热设计,相机采用独立热控来满足特殊的温差和温度稳定性要求。

高分-1卫星设计与特点 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 数传分系统组成框图

飞行程序
卫星与运载分离后,星上时间启动,首先进行初始姿态角速度偏差消除,主要由陀螺敏感器姿态角速度信息,采用喷气方式消除三个方向的姿态角速度。65 s左右展开太阳电池翼,85 s消除太阳电池翼展开带来的姿态扰动,95 s高分辨率相机焦面解锁,105 s使用红外地球敏感器搜寻地球,利用喷气使卫星对地初定向,同时利用太阳电池翼上的模拟太阳敏感器敏感太阳信息,并驱动太阳电池翼驱动机构使太阳电池翼对准和跟踪太阳。2000 s左右飞轮启动,飞行1圈左右,卫星在飞轮作用下建立对地正常姿态控制。飞行第7、8圈展开两副数传天线,其后引入数字太阳敏感器、星敏感器,将卫星时间设置为世界调整时间(UTC),打开有效载荷长期工作负载等,卫星具备了成像能力。
为了克服入轨初始偏差和长期运行时的大气阻力等对轨道的影响,保证卫星运行于任务轨道,高分-1卫星还具有轨道调整能力。轨道调整包括星下点轨迹调整、降交点地方时保持、轨道倾角调整等,一般可通过轨道高度调整和倾角调整来实现。星上安装了一套轨控推力器,但不同状态的变轨需要对卫星姿态进行调整。设计的轨控工作模式包括:升轨模式,可直接启动安装在星体飞行方向反向的轨控发动机,通过加速达到调高轨道的目的。降轨模式,需要将卫星偏航180°,然后启动轨控发动机,通过减速实现卫星降轨。倾角调整模式:卫星沿偏航方向转动90°,然后启动轨控发动机,该种模式可在卫星飞行方向法向施加一个速度增量,可用于改变轨道倾角。
高分-1卫星有五类18种任务工作模式,五类模式包括:实时成像传输模式,可将成像图像直接传到地面站,由于所有相机成像数据压缩后码速率仍高于数传通道能力,这种模式主要用于部分相机成像时的传输;实传记录模式,部分相机直接传输,剩余相机图像存储于固存中,等待回放时下传;边记边回放模式,成像数据高于通道传输能力时,可快速写入固存,同时慢速向地面站传输数据,一般传输时间要长于成像时间;记录模式,将成像数据直接记录在固存,主要应用于卫星处于地面接收站接收区之外时的成像;回放模式,将固存数据传输至地面站。
整星具备侧摆35°成像能力,每轨最长成像时间12 min,成像面积高分相机可达3×105 km2,宽幅相机可达4×106 km2。卫星还具备一轨四次成像能力,可用于多目标区成像。
它有两种测试模式,一种是数传单载波试验,主要用于数传信道测试。一种是偏航定标模式,用于相机相对辐射定标测试。其原理是将正常成像时与飞行垂直的推扫式线阵探测器偏航90°,这些线阵探测遥感的信息都是同一地物的信息,对不同探元辐亮度进行归一化修正,即可达到相对定标目的。
该卫星有多种应急安全模式,包括姿态异常模式、能源安全模式、荷安全模式、星务主机安全模式等,用于星上不同故障状态时,卫星可自主控制到安全运行状态下。

高分-1卫星设计与特点 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 高分-1卫星飞行程序

3 卫星主要特点

(1)空间分辨率高
我国资源1-02C星具有2.6 m分辨率,资源3具有2.1 m分辨率,由于高分-1卫星具有2 m的分辨率,无疑是国内目前分辨率最高的民用卫星。
(2)中分辨率遥感视场大
国际上高于20 m分辨率的遥感卫星观测幅宽一般不到200 km,如美国陆地卫星-8,其分辨率15 m,幅宽185 km,高分-1多光谱分辨率16 m,拥有800 km幅宽,无疑是目前世界上同等分辨率下幅宽最大的卫星。
(3)下行码速率高
国外卫星传输码速率最高为世界观测-1 ,达800 Mbit/s,但其质量在2500 kg左右。国内卫星最高码速率的卫星是资源3,达900 Mbit/s,其质量也在2000 kg以上。在1000千克量级的卫星上,高分-1卫星数传码速率无疑是最高,达2.64 Gbit/s。
(4)具备中继测控能力
高分-1卫星是我国民用遥感卫星第一个具备中继测控能力的小卫星。
(5)具备偏航定标能力
高分-1采用了偏航90°定标模式,这不仅可降低地面辐射场要求,同时能实现全视场、多相机同时定标,大大提高了定标效率。高分-1是国内首颗可在轨实现该模式的卫星。
(6)设计寿命长
围绕国内低轨卫星寿命5~8年最高要求开展了相关设计,增强了整星安全性控制策略,设计和实时初始轨道倾角偏置优化,可保证在燃料不增加的情况下,兼顾长寿命运行。
(7)高分-1的有效载荷占重比大
有效载荷占整星质量比达47.2%,为国内同类卫星规模最高之一。

4 在轨测试与应用前景

高分-1卫星入轨后,先进行了1周的工程测试,2013年4月28日开始首次成像,其后交付资源卫星应用中心进行业务测试。
在工程测试期间,对高分-1卫星状态进行了设置,对相机成像参数进行了调整,并开展了各类任务工作模式测试,开展了一次偏航定标和多次侧摆成像,特别开展了一轨四次的成像测试。
2013年9月29日,高分-1卫星完成了在轨测试,并在国土资源、环境保护、农业等方面开展了试应用。在12月30日举行的高分-1卫星投入使用仪式上,专家们评价该卫星成像质量优良,这预示着高分-1将有很好的应用前景。

高分-1卫星设计与特点 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙高分-1卫星设计与特点 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 高分-1的高分辨率相机在轨成像

高分-1卫星设计与特点 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
高分-1的宽幅相机首轨成像—日本及周边海域
 
高分-1卫星设计与特点 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 2m/8m分辨率土地资源应用图像产品

高分-1卫星设计与特点 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
16m分辨率应用:水环境(左);草原植被产草量分布(右)
5 结束语

高分-1卫星兼顾高分辨率与大视场遥感,是我国目前在轨民用遥感分辨率最高的卫星,也是国际上16 m分辨率观测视场最大的卫星,经过业务部门的试运行,卫星图像质量高,应用前景广泛。期望高分-1遥感数据能在我国高分辨率数据自给率方面作出应有贡献。

(《国际太空》2014.3)
  评论这张
 
阅读(2094)| 评论(1)
推荐

历史上的今天

评论

<#--最新日志,群博日志--> <#--推荐日志--> <#--引用记录--> <#--博主推荐--> <#--随机阅读--> <#--首页推荐--> <#--历史上的今天--> <#--被推荐日志--> <#--上一篇,下一篇--> <#-- 热度 --> <#-- 网易新闻广告 --> <#--右边模块结构--> <#--评论模块结构--> <#--引用模块结构--> <#--博主发起的投票-->
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

页脚

网易公司版权所有 ©1997-2016