朱仁璋叢云天，3王鴻芳邱慧，3白照廣

（1北京航空航天大學(xué)，北京 100191）（2航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）（3中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094）

全球高分光學(xué)星概述（二）：歐洲

朱仁璋1叢云天1，3王鴻芳2邱慧1，3白照廣2

（1北京航空航天大學(xué)，北京 100191）（2航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）（3中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094）

歐洲高分光學(xué)星及其星座主要以歐洲航天局（ESA）和法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、西班牙、意大利等國(guó)家研制的衛(wèi)星為主。法國(guó)牽頭的軍事衛(wèi)星太陽神－2（Helios－2）地面分辨率（全色）為0.35m；商業(yè)遙感衛(wèi)星主要有法國(guó)的SPOT－6／7和昴宿星（Pleiades）星座（分辨率0.5m）以及英國(guó)主導(dǎo)的災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座（DMC）（分辨率可達(dá)1m）。亞米級(jí)彩色視頻成像小衛(wèi)星正在研制之中。6U立方星星座及米級(jí)地球靜止軌道光學(xué)星等新概念已被提出。地球靜止軌道光學(xué)星由ESA牽頭，應(yīng)用傳統(tǒng)相機(jī)地面分辨率可達(dá)3m，而未來的概念（光學(xué)合成孔徑）可使分辨率優(yōu)于3m。文章著重闡述歐洲地球觀測(cè)高分光學(xué)星的應(yīng)用、技術(shù)狀態(tài)與發(fā)展趨勢(shì)。

歐洲衛(wèi)星；高分辨率；光學(xué)衛(wèi)星

1 引言

歐洲高分光學(xué)星以ESA（Europe Space Agency，歐洲航天局）和法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、西班牙以及意大利等國(guó)家研制的衛(wèi)星為主，為資源探測(cè)、陸地測(cè)繪、海洋海事、環(huán)境減災(zāi)、軍事偵察、導(dǎo)彈預(yù)警等提供高分辨率圖像和數(shù)據(jù)。歐洲軍用光學(xué)星以法國(guó)等多國(guó)合作的Helios系列衛(wèi)星為主。商業(yè)遙感衛(wèi)星以法國(guó)SPOT－6／7和Pleiades星座以及英國(guó)主導(dǎo)的DMC為代表。亞米級(jí)彩色視頻成像小衛(wèi)星正在研制之中。6U立方星星座及米級(jí)地球靜止軌道光學(xué)星等新概念已被提出。地球靜止光學(xué)星由ESA牽頭，采用傳統(tǒng)相機(jī)可獲得的地面分辨率最高為3m，而采用光學(xué)合成孔徑技術(shù)分辨率可優(yōu)于3m。

2 法國(guó)

2.1 Helios與CSO

2.1.1 Helios

軍用光學(xué)偵察系統(tǒng)Helios項(xiàng)目于1995年開始應(yīng)用，由法國(guó)國(guó)防部采買局負(fù)責(zé)，保持對(duì)地面部分管理的直接控制，并委托法國(guó)國(guó)家航天研究中心（Centre National d’Etudes Spatiales，CNES）負(fù)責(zé)空間部分。

（1）Helios－1。Helios－1為法國(guó)、意大利和西班牙的合作項(xiàng)目，由地面部分（包含測(cè)控站以及位于法國(guó)、意大利和西班牙的圖像接收中心）和空間部分（Helios－1A／1B）組成。Helios－1A／1B分別于1995年7月7日和1999年12月3日由阿里安－4（Ariane－4）火箭發(fā)射，進(jìn)入高度680km、傾角98.1°的近圓太陽同步軌道。2004年10月，Helios－1B供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致任務(wù)終止。2012年1月，Helios－1A使命終結(jié)，并于同年2月再入地球大氣。［1－2］Helios－1衛(wèi)星設(shè)計(jì)特點(diǎn)：①采用SPOT－Mk.2平臺(tái)，衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量為2537kg，設(shè)計(jì)壽命5年；②地面分辨率為1m、幅寬為10km；③姿態(tài)測(cè)定采用星敏感器；④星上側(cè)擺系統(tǒng)（程序控制、應(yīng)用動(dòng)量輪）可使衛(wèi)星指向偏離星下點(diǎn)400km；⑤通過轉(zhuǎn)動(dòng)一面反射鏡，衛(wèi)星可橫向成像；⑥星座重訪周期可達(dá)1天。Helios－1衛(wèi)星示意圖見圖1。［2］

（2）Helios－2。Helios－2為法國(guó)、比利時(shí)、西班牙和希臘的合作項(xiàng)目，由專用地面部分（法國(guó)控制中心以及位于法國(guó)、比利時(shí)和希臘的地面站）和空間部分（Helios－2A／2B）組成，主承包商為Airbus Defence and Space。Helios－2A／2B分別于2004年12月18日和2009年12月18日由Ariane－5火箭發(fā)射，進(jìn)入高度約700km的太陽同步軌道，在軌相位成180°，至2015年兩顆衛(wèi)星仍在軌運(yùn)行。［3－4］相比Helios－1，Helios－2衛(wèi)星性能改進(jìn)：①改用SPOTMk.3平臺(tái)，衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量增大至4200kg；②載有泰雷茲－阿萊尼亞空間公司（Thales－Alenia Space）研制的高分辨率相機(jī)，質(zhì)量為1124kg，地面分辨率為0.35m；③載有用于制圖的寬視場(chǎng)相機(jī)和用于夜間監(jiān)測(cè)的紅外系統(tǒng)；④重訪周期縮短。Helios－2衛(wèi)星示意圖見圖2。［5］

圖1 Helios－1衛(wèi)星概念圖Fig.1 Helios－1artist’s concept

圖2 Helios－2衛(wèi)星概念圖Fig.2 Helios－2artist’s concept

2.1.2 CSO

2010年12月，歐洲提出替代Helios－2系統(tǒng)的空間光學(xué)部分（Composante Spatiale Optique，CSO）計(jì)劃，第一顆星預(yù)計(jì)于2016年發(fā)射。主承包商Airbus Defence and Space負(fù)責(zé)衛(wèi)星平臺(tái)與電子儀器設(shè)備的研制以及整星的總裝、測(cè)試和轉(zhuǎn)運(yùn)。Thales－Alenia Space提供甚高分辨率光學(xué)相機(jī)。衛(wèi)星將配備新一代力矩陀螺、光纖陀螺、星載電子和控制軟件，優(yōu)化衛(wèi)星質(zhì)量與慣量，提高衛(wèi)星側(cè)擺速度。衛(wèi)星還將配備Airbus Defence and Space研制的伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)。［6］CSO衛(wèi)星示意圖見圖3。［7］

圖3 CSO衛(wèi)星概念圖Fig.3 CSO artist’s concept

2.2 SPOT

SPOT（Système Pour l＇Observation de la Terre，Satellite for Observation of Earth）是歐洲第一個(gè)地球觀測(cè)衛(wèi)星項(xiàng)目，于1977年由CNES提出，用于探測(cè)地球資源，觀測(cè)人類活動(dòng)，監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)氣候變化、海洋活動(dòng)等自然現(xiàn)象。SPOT可分為兩個(gè)階段：①SPOT－1／2／3／4／5（1986—2015年）；②SPOT－6／7（2012年至今）。

2.2.1 SPOT－1／2／3／4／5

（1）概述。SPOT－1／2／3／4／5于1986－2002年期間發(fā)射，地面分辨率由10m（SPOT－1／2／3／4）提高至2.5m（SPOT－5）。五顆星均進(jìn)入高822km的太陽同步軌道，星座重訪周期為1天。［8－9］衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量分別為1800kg（SPOT－1／2／3）、2760kg（SPOT－4）和3000kg（SPOT－5），衛(wèi)星構(gòu)型對(duì)比見圖4。［10］

圖4 SPOT－1／2／3／4／5衛(wèi)星構(gòu)型對(duì)比Fig.4 Comparison among SPOT satellites

（2）SPOT－5。2002年5月3日，SPOT－5成功發(fā)射，在軌實(shí)現(xiàn)雙重目標(biāo)，即確保地球觀測(cè)服務(wù)持續(xù)性與提升數(shù)據(jù)和圖像品質(zhì)，以滿足市場(chǎng)需求。［10］2015年3月27日，SPOT－5完成使命，進(jìn)入最終運(yùn)行階段。SPOT－5載有Astrium SAS研制的兩臺(tái)高分辨率幾何成像相機(jī)（High Resolution Geometric，HRG），一臺(tái)高分辨率立體成像相機(jī)（High Resolution Stereoscopic，HRS）和一臺(tái)植被探測(cè)儀（Vegetation）?；贖RG的成像模式，SPOT－5地面采樣距離（GSD）為2.5m，單臺(tái)相機(jī)幅寬為60km。HRS相機(jī)的兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡在衛(wèi)星上沿軌跡方向傾斜安裝，分別為前視20°和后視20°，同時(shí)拍攝衛(wèi)星星下點(diǎn)前后的全色圖像（幅寬120km），并可實(shí)現(xiàn)立體觀測(cè)。［11］衛(wèi)星定位精度（無地面控制點(diǎn)）均方根值優(yōu)于50m。［12］SPOT－5星上儀器分布與結(jié)構(gòu)見圖5，HRG相機(jī)結(jié)構(gòu)見圖6，SPOT－5衛(wèi)星于2011年拍攝的丹麥哥本哈根影像見圖7。［11－13］

圖5 SPOT－5星上儀器分布與結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic view of the SPOT－5instruments and its structure

圖6 高分辨率幾何成像相機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.6 HRG instrument architecture

圖7 SPOT－5拍攝的哥本哈根影像Fig.7 Copenhagen image of SPOT－5

2.2.2 SPOT－6／7

2012年9月9日，Airbus Defence and Space研制的SPOT－6由印度極軌衛(wèi)星運(yùn)載火箭（PSLV）發(fā)射。2014年6月30日，SPOT－7由同型火箭發(fā)射。［14－15］SPOT－6／7加入Pleiades星座，并與Pleiades－1A／1B協(xié)同觀測(cè)：①SPOT－6／7以1.5m的地面分辨率（全色）覆蓋較廣的區(qū)域；②Pleiades－1A／1B對(duì)目標(biāo)區(qū)域以亞米級(jí)地面分辨率（全色）進(jìn)行詳查。四顆星組成的星座構(gòu)型見圖8。［16］

SPOT－6／7衛(wèi)星采用的AstroSat－250（Astro－Bus－L）平臺(tái)，是中國(guó)臺(tái)灣福衛(wèi)－2（FormoSat－2）采用的平臺(tái)Leostar 500XO（Astrium SAS設(shè)計(jì)）的改進(jìn)版。SPOT－6／7衛(wèi)星所載光學(xué)相機(jī)均為NAOMI（New AstroSat Optical Modular Instrument），由Astrium SAS公司設(shè)計(jì)制造。

SPOT－6／7衛(wèi)星性能參數(shù)和相機(jī)性能指標(biāo)分別見表1和表2。［16］SPOT－6／7衛(wèi)星展開示意圖見圖9，NAOMI相機(jī)結(jié)構(gòu)和光學(xué)系統(tǒng)見圖10，SPOT－7拍攝的澳大利亞悉尼見圖11。［15－16］

圖8 Pleiades－1A／1B和SPOT－6／7星座構(gòu)型Fig.8 The Pleiades－1A／1Band SPOT－6／7 constellation configuration

表1 SPOT－6／7衛(wèi)星性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of SPOT－6／7

表2 相機(jī)NAOMI性能指標(biāo)Table 2 Specification of the NAOMI instrument

續(xù) 表

圖9 SPOT－6／7衛(wèi)星展開示意圖Fig.9 Artist’s schematic of the deployed SPOT－6／7spacecraft

圖10 NAOMI相機(jī)結(jié)構(gòu)及光學(xué)系統(tǒng)Fig.10 Illustration of the optical system of the NAOMI telescope

圖11 SPOT－7拍攝的悉尼影像Fig.11 Sydney image of SPOT－7

2.3 Pleiades星座

Pleiades為CNES高分光學(xué)成像星座（High－Resolution Optical Imaging Constellation of CNES），包含Pleiades－1A／1B兩顆衛(wèi)星。Pleiades－1A于2011年12月16日發(fā)射，Pleiades－1B于2012年12月2日發(fā)射，兩星相位成180°分布在相同軌道上。Pleiades星座用于大面積區(qū)域測(cè)繪，以及礦業(yè)、工業(yè)、軍事區(qū)域及自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)等。［17－18］Pleiades－1A／1B由Airbus Defence and Space研制，采用AstroSat－1000平臺(tái)，地面采樣距離（全色）為0.5m。Pleiades衛(wèi)星的特點(diǎn)是衛(wèi)星快速機(jī)動(dòng)與穩(wěn)定控制能力以及高性能相機(jī)。

2.3.1 姿態(tài)測(cè)定與控制

Pleiades衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定控制方法，姿態(tài)敏感器采用“星敏感器＋陀螺”，姿態(tài)控制器件采用4個(gè)控制力矩陀螺。

衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)定采用Sodern公司的SED36型星敏感器（3臺(tái)）和Ixsea公司的Astrix 200型高精度光纖陀螺。SED36型星敏感器的測(cè)量精度為垂直光軸方向1″～2.6″，沿光軸方向6″～17″，數(shù)據(jù)率8Hz。SED36型在SED26型的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少熱耦合效應(yīng)及熱不穩(wěn)定性（減小低頻誤差），降低光學(xué)畸變誤差，更新星庫和增加導(dǎo)航星的數(shù)目。［19］

衛(wèi)星姿態(tài)控制采用單框架控制力矩陀螺CMG 15－45S。針對(duì)1t左右、高精度指向的衛(wèi)星，通過陀螺綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)（包括質(zhì)量、體積、結(jié)構(gòu)、功耗、轉(zhuǎn)子平衡、陀螺力矩補(bǔ)償、框架誤差和轉(zhuǎn)子大小等），實(shí)現(xiàn)單個(gè)轉(zhuǎn)子角動(dòng)量為15N·m·s，最大框架角速率為3rad／s，最大峰值輸出力矩為45Nm，平均最大力矩為20Nm的性能。

2.3.2 高分辨率相機(jī)

Pleiades－1A／1B所載高分辨率成像儀（High－Resolution Imager，HiRI）由CNES和Thales－Alenia Space共同研制。相機(jī)采用Korsch型望遠(yuǎn)鏡，次鏡位于主鏡光軸上，要求主鏡和次鏡的支撐結(jié)構(gòu)具有良好的熱穩(wěn)定性，否則易發(fā)生失焦，造成波前誤差（WaveFront Error，WFE）。反射鏡支撐結(jié)構(gòu)采用碳／碳復(fù)合材料，其特點(diǎn)為：①準(zhǔn)各向同性結(jié)構(gòu)中熱膨脹系數(shù)趨近于零；②良好的機(jī)械特性，密度?。虎蹖?duì)水汽不敏感；④適用于不同的結(jié)構(gòu)；⑤技術(shù)較為成熟；⑥成本較低。

相機(jī)反射鏡采用輕量化Zerodur微晶玻璃，配合一體化的殷鋼反射鏡固定裝置（Mirror Fixation Device，MFD），使得光學(xué)系統(tǒng)達(dá)到較高性能。通過采用底切等技術(shù)，主鏡、次鏡和第三鏡的質(zhì)量分別減少78%、56%和75%，同時(shí)保證各級(jí)反射鏡波前誤差在一定范圍內(nèi)。［20］MFD用于消除反射鏡和安裝面之間由于平面誤差及不同材料的熱膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生的耦合，使光學(xué)表面不變形，并將反射面與支撐結(jié)構(gòu)之間的動(dòng)力學(xué)耦合帶來的風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受的范圍。殷鋼使用電蝕加工，在一定溫度范圍內(nèi)熱膨脹系數(shù)低，保證鏡面與支撐機(jī)構(gòu)之間的熱膨脹差在規(guī)定的范圍內(nèi)。反射鏡使用計(jì)算機(jī)輔助干涉測(cè)量技術(shù)，保證各反射鏡的幾何安裝誤差不大于12nm。

成像敏感器采用TDI CCD，最大積分行數(shù)為20。［21］在敏感器窗口內(nèi)的底板上集成四個(gè)條狀濾光片，使得所有的譜段在視場(chǎng)角內(nèi)分開，減少成像色差。［22］Pleiades－1B衛(wèi)星GSD為0.5m，像元尺寸為13μm。分辨率的提高是由于采用了亞像元拼接技術(shù)，即對(duì)同一目標(biāo)沿軌跡方向相距1／2像元和沿橫向相距1／2像元進(jìn)行成像。通過減小像元中心間距，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖像融合。

2.3.3 衛(wèi)星及相機(jī)參數(shù)

Pleiades－1A／1B衛(wèi)星參數(shù)和空間相機(jī)性能指標(biāo)分別見表3和表4。［23］Pleiades－1A／1B衛(wèi)星結(jié)構(gòu)見圖12，Pleiades衛(wèi)星星敏感器、光纖陀螺、控制力矩陀螺見圖13。［23］HiRI相機(jī)結(jié)構(gòu)、望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)與分光原理見圖14。［22－24］Pleiades－1B衛(wèi)星拍攝的北京紫禁城全色（0.5m）衛(wèi)星影像見圖15。［25］

表3 Pleiades－1A／1B衛(wèi)星參數(shù)Table 3 Performance parameters of Pleiades－1A／1B

表4 HiRI性能指標(biāo)Table 4 Characteristics of the HiRI instrument

圖12 Pleiades衛(wèi)星外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.12 Schematic layout of the Pleiades exterior and interior structure

圖13 Pleiades衛(wèi)星星敏感器（左）、光纖陀螺（中）、控制力矩陀螺（右）示意圖Fig.13 Illustration of the star sensor，optic fiber gyroscope and CMG actuator

圖14 HiRI相機(jī)結(jié)構(gòu)、望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)與分光原理Fig.14 HiRI instrument construction，optical system and splitting principle

圖15 Pleiades－1B衛(wèi)星拍攝的北京紫禁城衛(wèi)星影像Fig.15 Beijing Forbidden City image of Pleiades－1B

2.4 OTOS演示項(xiàng)目

超高分辨率光學(xué)地球觀測(cè)OTOS（Observation de la Terre Optique Super－Résolue，Super－Resolution Optical Earth Observation）是CNES于2012年提出的演示項(xiàng)目，旨在研發(fā)應(yīng)用于下一代高分辨率地球觀測(cè)衛(wèi)星的新技術(shù)。OTOS衛(wèi)星預(yù)計(jì)于2020—2022年期間發(fā)射，軌道為高700km的太陽同步軌道，地面分辨率為全色0.3m、多光譜（4～6譜段）1.2m，幅寬為15～18km。OTOS項(xiàng)目在Pleiades衛(wèi)星基礎(chǔ)上對(duì)望遠(yuǎn)鏡和成像敏感器進(jìn)行改進(jìn)。［24］

2.4.1 望遠(yuǎn)鏡

OTOS將衛(wèi)星致密性作為重要的設(shè)計(jì)要求，主要通過望遠(yuǎn)鏡的致密性實(shí)現(xiàn)。綜合比較光圈數(shù)相同的TMA型、反射／折射組合型和Korsch型望遠(yuǎn)鏡的致密性和光學(xué)性能后認(rèn)為：Korsch型望遠(yuǎn)鏡更適合OTOS高分光學(xué)星。［26］此外，Boostec和Airbus Defence and Space正致力于研制用于OTOS的新型超輕質(zhì)反射鏡，主鏡采用碳化硅制成，直徑為1.5m。［27］

2.4.2 成像敏感器

OTOS計(jì)劃研制下一代CCD和CMOS成像敏感器，包括前置模擬電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的更新。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮以下性能：①讀出速度；②低光照下信噪比（SNR）；③抗暈光性能；④幾何穩(wěn)定性；⑤調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）；⑥視線穩(wěn)定性。高分辨率全色通道敏感器仍采用TDI CCD，多光譜通道敏感器在新型CCD和CMOS中選擇。［24］

3 英國(guó)

英國(guó)光學(xué)衛(wèi)星以薩瑞衛(wèi)星技術(shù)有限公司（Surrey Satellite Technology，SSTL）研制的小型衛(wèi)星為主，主要包括災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座（DMC）系列衛(wèi)星。此外，采用立方星結(jié)構(gòu)的成像納衛(wèi)星星座和下一代亞米級(jí)彩色視頻成像小衛(wèi)星也在研制之中。

3.1 DMC

DMC是由英國(guó)牽頭的國(guó)際合作項(xiàng)目，星座內(nèi)衛(wèi)星均采用英國(guó)SSTL研制的小衛(wèi)星平臺(tái)，利用星座內(nèi)各國(guó)家地面站獲取圖像信息并共享遙感數(shù)據(jù)，以較大的陸地覆蓋面積提供環(huán)境監(jiān)測(cè)與災(zāi)害預(yù)警。第一代災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座參與國(guó)家為阿爾及利亞，英國(guó)，尼日利亞和土耳其。第二代災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座DMC－2G參與國(guó)家為中國(guó)，英國(guó)，西班牙和尼日利亞。第三代災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座DMC－3G為中英合作的Beijing－2小衛(wèi)星星座。

3.1.1 DMC－1G

DMC－1G為英國(guó)于1996年提出的國(guó)際合作項(xiàng)目，采用多顆低軌小衛(wèi)星組網(wǎng)，每天提供全球中低分辨率、多光譜（3～4譜段）成像。DMC－1G包括4顆星：AlSAT－1（Algeria Satellite－1），UK－DMCSat－1，NigeriaSat－1，以及BILSAT。［28］DMC－1G星座軌道為圓形太陽同步軌道，平均高度686km，傾角98.2°，周期97.7min，升交點(diǎn)地方時(shí)10：15am。衛(wèi)星均采用英國(guó)SSTL公司的MicroSat－100（SSTL－100）平臺(tái)。DMC－1G星座衛(wèi)星參數(shù)見表5。［28］

表5 DMC－1G星座衛(wèi)星參數(shù)Table 5 Parameters of DMC－1Gsatellites

3.1.2 DMC－2G

DMC－2G包括5顆星：Beijing－1，UK－DMCSat－2，Deimos－1，NigeriaSat－2以及NigeriaSat－X。DMC－2G衛(wèi)星參數(shù)見表6。［28－31］

表6 DMC－2G衛(wèi)星性能參數(shù)Table 6 Parameters of DMC－2Gsatellites

（1）Beijing－1。Beijing－1于2005年10月27日由俄羅斯宇宙－3M（Cosmos－3M）火箭發(fā)射，由北京宇視藍(lán)圖信息技術(shù)有限公司和英國(guó)SSTL合作研制，項(xiàng)目組織單位是北京市科委和國(guó)家遙感中心。［32］衛(wèi)星采用SSTL公司的Microsat－150（SSTL－150）平臺(tái)，有效載荷為SSTL公司的多光譜相機(jī)SLIM6（Surrey Linear Imager Multispectral 6 channels）和Sira技術(shù)有限公司研制的全色相機(jī)CMT（China Mapping Telescope）。成像敏感器采用線陣CCD（e2vCCD21－40）。［28］Beijing－1衛(wèi)星參數(shù)和CMT相機(jī)性能指標(biāo)分別見表7和表8。衛(wèi)星示意圖和構(gòu)型見圖16，CMT光學(xué)系統(tǒng)見圖17，衛(wèi)星拍攝的北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)見圖18。［28］

表7 Beijing－1衛(wèi)星技術(shù)參數(shù)Table 7 Parameters of Beijing－1satellite

表8 CMT相機(jī)性能指標(biāo)Table 8 Specifications of CMT

圖16 Beijing－1衛(wèi)星構(gòu)型Fig.16 Illustration of the Beijing－1satellite

圖17 CMT光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.17 Optical design of CMT

圖18 Beijing－1衛(wèi)星拍攝的北京首都機(jī)場(chǎng)Fig.18 Image of Beijing airport acquired by Beijing－1

（2）NigeriaSat－2。NigeriaSat－2于2011年8月17日發(fā)射，由英國(guó)SSTL公司研制，尼日利亞國(guó)家宇航研究和發(fā)展局（National Space Research and Development Agency，NASRDA）運(yùn)營(yíng)。衛(wèi)星采用SSTL公司的SSTL－300平臺(tái)結(jié)構(gòu)，為獲取高機(jī)動(dòng)性，采用致密型結(jié)構(gòu)，無液體推進(jìn)劑，且太陽電池陣固定在星體側(cè)面。姿態(tài)控制采用4個(gè)Microwheel 10SP動(dòng)量輪和4個(gè)SSTL Smallwheel 200SP零動(dòng)量反作用輪。衛(wèi)星所載的兩臺(tái)成像相機(jī)以及星敏感器固定在熱彈性穩(wěn)定光學(xué)平臺(tái)上。成像相機(jī)分別為甚高分辨率成像儀（Very High Resolution Imager，VHRI）和中分辨率成像儀（Medium Resolution Imager，MRI）。其中，VHRI由SSTL設(shè)計(jì)，繼承Beijing－1所載CMT相機(jī)，并由英國(guó)Optical Surfaces制造。［30］NigeriaSat－2衛(wèi)星性能參數(shù)和VHRI相機(jī)性能指標(biāo)分別見表9和表10。NigeriaSat－2衛(wèi)星示意圖見圖19，相機(jī)VHRI示意圖見圖20，衛(wèi)星于2011年9月拍攝的美國(guó)鹽湖城機(jī)場(chǎng)（地面分辨率2.5m）見圖21。［30］

表9 NigeriaSat－2性能參數(shù)Table 9 Parameters of NigeriaSat－2

表10 VHRI性能指標(biāo)Table 10 Specifications of VHRI

圖19 NigeriaSat－2小衛(wèi)星示意圖Fig.19 Illustration of the NigeriaSat－2 microsatellite

圖20 VHRI儀器剖視圖Fig.20 Cut－away view of the VHRI instrument

圖21 NigeriaSat－2拍攝的鹽湖城機(jī)場(chǎng)Fig.21 Image of the Salt Lake City Airport cuptured by NigeriaSat－2

3.1.3 DMC－3G（Beijing－2）

DMC－3G為中英合作項(xiàng)目，英國(guó)SSTL承擔(dān)衛(wèi)星研制，中國(guó)二十一世紀(jì)空間技術(shù)應(yīng)用股份有限公司承擔(dān)衛(wèi)星在軌任務(wù)測(cè)控、數(shù)據(jù)接收等運(yùn)營(yíng)管理，并生成數(shù)據(jù)產(chǎn)品，以及提供相關(guān)服務(wù)。2011年，SSTL開始籌建由三顆星組成的DMC－3G星座，地面分辨率為全色1m、多光譜4m，幅寬為23.4km。2015年7月10日，星座內(nèi)三顆衛(wèi)星由PSLV－C28火箭發(fā)射，均分在同一軌道平面上，相鄰衛(wèi)星相位成120°。［33］

DMC－3G衛(wèi)星由SSTL公司的DMC國(guó)際成像部門（DMC International Imaging，DMCii）研制，采用SSTL－300S1平臺(tái)結(jié)構(gòu)，該平臺(tái)在SSTL－300平臺(tái)與NigeriaSat－2電子設(shè)備和控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改進(jìn)。衛(wèi)星所載甚高分辨率成像儀100型（Very High Resolution Imager 100，VHRI 100）在Nigeria－Sat－2所載VHRI相機(jī)基礎(chǔ)上研制。［33］

DMC－3G衛(wèi)星設(shè)計(jì)參數(shù)見表11，相機(jī)性能指標(biāo)見表12。衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)和VHRI 100構(gòu)型分別見圖22和圖23，衛(wèi)星于2015年7月31日拍攝的澳大利亞悉尼圖像（地面分辨率1m）見圖24。［33］

表11 DMC－3G星座衛(wèi)星性能參數(shù)Table 11 Parameters of DMC－3Gsatellites

表12 VHRI 100性能指標(biāo)Table 12 Specifications of VHRI 100

圖22 SSTL－300S1平臺(tái)示意圖Fig.22 Artist｀s view of the SSTL－300S1bus

圖23 VHRI 100儀器構(gòu)型Fig.23 VHRI 100instrument configuration

圖24 Beijing－2拍攝的悉尼機(jī)場(chǎng)圖像Fig.24 An image of the Sydney airport cuptured by Beijing－2

3.2 V1C（彩色視頻成像小衛(wèi)星）

2014年4月15日，SST－US（Surrey Satellite Technology US LLC）公司發(fā)布了最新研制的亞米級(jí)彩色視頻成像小衛(wèi)星（V1C），可應(yīng)用于情報(bào)收集領(lǐng)域，如地面目標(biāo)的監(jiān)視、探測(cè)和識(shí)別。V1C衛(wèi)星基于SSTL－X50平臺(tái)研制，采用致密型設(shè)計(jì)，質(zhì)量為50kg，具備大型星上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)下傳能力。V1C衛(wèi)星可提供高清自然色（紅／綠／藍(lán)）視頻，星下點(diǎn)地面分辨率優(yōu)于1m，幅寬10km，幀率達(dá)100幀／s。同時(shí)，衛(wèi)星可以靜態(tài)成像模式運(yùn)行。根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的數(shù)量，V1C可構(gòu)建多種衛(wèi)星星座模式。若衛(wèi)星以30～60min間隔布放在同一軌道，可在一天內(nèi)的某一特定時(shí)間段提供近連續(xù)的視頻覆蓋。［34－35］SSTL－50X通用平臺(tái)系列設(shè)計(jì)參數(shù)見表13，平臺(tái)示意圖見圖25。［36］

表13 SSTL－50X通用平臺(tái)系列設(shè)計(jì)參數(shù)Table 13 Design parameters of SSTL－50Xplatform

圖25 SSTL－X50平臺(tái)示意圖Fig.25 Illustration of SSTL－50Xplatform

3.3 6U立方星方案

2010年，英國(guó)Cranfield大學(xué)空間研究中心提出用于地球觀測(cè)任務(wù)的6U立方星方案，可用于構(gòu)建多國(guó)合作的災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座。6U立方星計(jì)劃采用美國(guó)海軍研究生院立方星發(fā)射器（NPSCuL）布放。衛(wèi)星所載相機(jī)采用Questar 3.5望遠(yuǎn)鏡，成像敏感器采用TDI CCD（Fairchild Imaging CCD5061）。6U立方星設(shè)計(jì)參數(shù)見表14，相機(jī)性能指標(biāo)見表15，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)見圖26。［37－39］

表14 Cranfield大學(xué)6U立方星設(shè)計(jì)參數(shù)Table 14 Design parameters of Cranfield 6UCubeSat

表15 相機(jī)性能指標(biāo)Table 15 Specifications of camera

圖26 6U立方星組件Fig.26 Packaging of 6UCubeSat

6U立方星與RapidEye比較：①立方星單顆星質(zhì)量8kg，RapidEye單顆星質(zhì)量156kg；②譜段數(shù)相同（藍(lán)／綠／紅／紅邊／近紅外）；③多光譜地面分辨率相同（6.5m）；④立方星星座衛(wèi)星數(shù)（35顆）是RapidEye星座衛(wèi)星數(shù)（5顆）的7倍，因此立方星星座的時(shí)間分辨率大約是RapidEye的1／7；⑤立方星單顆星單軌數(shù)據(jù)下傳量為0.9Gbyte，RapidEye單顆星為5.3Gbyte，星座使命期數(shù)據(jù)下傳總量相同；⑥立方星單顆星成本（含發(fā)射成本）為130萬英鎊，RapidEye約為900萬英鎊，立方星星座成本（4550萬英鎊）與RapidEye星座（約4500萬英鎊）相近。［39］上述比較突顯納衛(wèi)星／立方星星座的長(zhǎng)處。

4 德國(guó)

德國(guó)高分光學(xué)星主要用于商業(yè)遙感，包括“快眼”（RapidEye）星座以及研制中的環(huán)境測(cè)繪與分析項(xiàng)目（Environmental Mapping and Analysis Program，EnMAP）。

4.1 RapidEye

RapidEye星座是第一個(gè)完全端對(duì)端的商業(yè)地球觀測(cè)星座，由五顆相同的小衛(wèi)星構(gòu)成，多光譜地面分辨率為6.5m，星座每天成像能力為5 000 000km2。該星座由德國(guó)BlackBridge運(yùn)營(yíng)，為全球用戶提供地球觀測(cè)產(chǎn)品和服務(wù)，包括農(nóng)業(yè)、環(huán)境、林業(yè)、測(cè)繪、防務(wù)、安全應(yīng)急等應(yīng)用。主承包商MDA（MacDonald，Dettwiler and Associates）公司負(fù)責(zé)空間部分和地面部分的交付，衛(wèi)星發(fā)射，以及相機(jī)在軌調(diào)試與校準(zhǔn)。英國(guó)SSTL負(fù)責(zé)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的研制，以及衛(wèi)星組裝和整星測(cè)試。2008年8月29日，RapidEye星座的五顆衛(wèi)星由俄羅斯第聶伯（Dnepr）火箭發(fā)射，均分在同一軌道平面，兩顆星之間時(shí)間間隔為19min。［40］

衛(wèi)星采用SSTL－150平臺(tái)，載有德國(guó)Jena Optronik GmbH公司提供的快眼地球成像系統(tǒng)（RapidEye Earth Imaging System，REIS）。相機(jī)望遠(yuǎn)鏡采用全鋁制成，同一規(guī)格材料有利于準(zhǔn)無熱化設(shè)計(jì)，以及鏡面和支撐結(jié)構(gòu)之間的精密機(jī)械接合。光學(xué)器件表面處理采用超精密研磨和拋光技術(shù)，鋁制反射鏡表面覆蓋鎳涂層。濾光片置于靠近每個(gè)CCD陣列的位置處。［40－41］

RapidEye星座衛(wèi)星技術(shù)參數(shù)和相機(jī)REIS性能指標(biāo)分別見表16和表17。衛(wèi)星構(gòu)型見圖27，衛(wèi)星拍攝的圖像見圖28。［40］

表16 RapidEye星座技術(shù)參數(shù)Table 16 Parameters of RapidEye constellation

表17 REIS相機(jī)性能指標(biāo)Table 17 Specific parameters of REIS

圖27 RapidEye衛(wèi)星外部構(gòu)型及內(nèi)部系統(tǒng)Fig.27 RapidEye spacecraft structure overview and internal systems

圖28 RapidEye衛(wèi)星于2009年拍攝的迪拜棕櫚島Fig.28 Palm Jumeirah in Dubai acquired by RapidEye in 2009

4.2 EnMAP

EnMAP為德國(guó)航空航天局（Deutsches Zentrum für Luft－und Raumfahrt，DLR）研制的高光譜衛(wèi)星，旨在以全球尺度監(jiān)測(cè)地球環(huán)境，并描述全球環(huán)境特性。EnMAP衛(wèi)星計(jì)劃于2018年由印度PSLV發(fā)射。衛(wèi)星所載高光譜成像儀（Hyperspectral Imager，HSI）包含兩個(gè)光譜成像儀：①VNIR（可見光／近紅外）；②SWIR（短波紅外）?？梢姽庵炼滩t外光譜譜段數(shù)超過240，高光譜地面分辨率為30m。［42］可見光／近紅外譜段采用的CMOS敏感器已研制并經(jīng)過性能測(cè)試。［43］EnMAP衛(wèi)星設(shè)計(jì)參數(shù)見表18，所載HSI儀器性能指標(biāo)見表19。衛(wèi)星單次過境示意圖見圖29。［42，44］

表18 EnMAP衛(wèi)星設(shè)計(jì)性能參數(shù)Table 18 Design parameters of EnMAP satellite

表19 HSI儀器性能指標(biāo)Table 19 HSI instrument specification

圖29 EnMAP單次過境圖示Fig.29 Representation of an EnMAP overpass

5 西班牙

火衛(wèi)二－2（Deimos－2）衛(wèi)星于2014年6月19日由Dnepr－1火箭發(fā)射。衛(wèi)星由西班牙Deimos Imaging公司運(yùn)營(yíng)，提供商業(yè)高分辨率圖像。Deimos－2采用韓國(guó)SI（Satrec Initiative）的SpaceEye－1平臺(tái)（或稱為SI－300）。有效載荷為韓國(guó)SI和Elecnor Deimos合作研制的高分辨率先進(jìn)成像系統(tǒng)（High Resolution Advanced Imaging System，HiRAIS）。HiRAIS由光電分系統(tǒng)（Electro－Optical Subsystem，EOS）、固態(tài)存儲(chǔ)單元和圖像傳輸單元組成。其中，EOS包括望遠(yuǎn)鏡、輔助相機(jī)模塊以及焦平面陣列。［45］

Deimos－2衛(wèi)星參數(shù)和相機(jī)HiRAIS的性能指標(biāo)分別見表20和表21。Deimos－2衛(wèi)星示意圖見圖30，相機(jī)示意圖見圖31。衛(wèi)星拍攝的多哈2022年世界杯場(chǎng)館圖像見圖32。［45］

表20 Deimos－2衛(wèi)星參數(shù)Table 20 Parameters of Deimos－2satellite

表21 相機(jī)HiRAIS性能指標(biāo)Table 21 Specifications of HiRAIS

圖30 Deimos－2衛(wèi)星展開的兩個(gè)角度示意圖Fig.30 Two views of the deployed Deimos－2spacecraft

圖31 HiRAIS相機(jī)示意圖及光學(xué)系統(tǒng)Fig.31 Illustration of the HiRAIS instrument and optical system

圖32 Deimos－2拍攝的卡塔爾首都多哈2022年世界杯場(chǎng)館Fig.32 Image of Doha showing the sports complex for the Soccer World Cup 2022cuptured by Deimos－2

6 意大利

法國(guó)與意大利于2001年1月簽訂偵察衛(wèi)星數(shù)據(jù)交換協(xié)議“光學(xué)與雷達(dá)聯(lián)合地球觀測(cè)”（Optical and Radar Federated Earth Observation，ORFEO），按協(xié)議意大利以75幅Cosmo－SkyMed的雷達(dá)圖像換取7幅法國(guó)Helios或Pleiades的光學(xué)圖像。［46］2012年，意大利提出研制并自主運(yùn)營(yíng)高分光學(xué)星計(jì)劃，以滿足對(duì)光學(xué)圖像的需求。意大利軍用偵察衛(wèi)星購(gòu)買以色列研制的“光學(xué)衛(wèi)星3000型”（OPtical SATellite－3000，OPSAT－3000），預(yù)計(jì)于2016年初期發(fā)射；意大利研制的“成像與監(jiān)視光學(xué)系統(tǒng)”（OPtical System for Imaging and Surveillance，OPSIS）和“高光譜先驅(qū)與應(yīng)用使命”（PRecursore IperSpettrale della Missione Applicativa，PRISMA）預(yù)計(jì)分別于2016年和2018年發(fā)射。

6.1 OPSAT－3000

意大利于2012年購(gòu)買的衛(wèi)星OPSAT－3000由以色列宇航工業(yè)公司（Israel Aerospace Industries，IAI）研制，預(yù)計(jì)于2016年初期由織女星（Vega）運(yùn)載火箭發(fā)射，進(jìn)入高600km的太陽同步軌道，使命期大于6年。衛(wèi)星采用改進(jìn)型多用途衛(wèi)星II型（Improved Multi Purpose Satellite－II，IMPS－II）平臺(tái)，發(fā)射質(zhì)量約400kg，有效載荷為以色列Elbit Systems Electro－Optics Elop研制的全色／多光譜先進(jìn)空間相機(jī)Jupiter，地面分辨率（全色）為0.5m。OPSAT－3000衛(wèi)星見圖33。［47］

圖33 OPSAT－3000衛(wèi)星示意圖Fig.33 Illustration of OPSAT－3000

6.2 OPSIS

OPSIS由意大利CGS（Compagnia Generale per lo Spazio）衛(wèi)星制造商負(fù)責(zé)研制，用以和Cosmo－SkyMed雷達(dá)衛(wèi)星星座協(xié)同運(yùn)行，預(yù)計(jì)于2016年由Vega火箭發(fā)射。衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量約為800kg，設(shè)計(jì)地面分辨率為全色優(yōu)于1m、多光譜優(yōu)于2m。［48］OPSIS衛(wèi)星示意圖見圖34。［49］

圖34 OPSIS示意圖Fig.34 Illustration of OPSIS spacecraft

6.3 PRISMA

PRISMA為意大利航天局（Agenzia Spaziale Italiana，ASI）研制的高光譜衛(wèi)星，該計(jì)劃始于2008年，預(yù)計(jì)于2018年發(fā)射。衛(wèi)星地面分辨率為全色5m、高光譜30m，主要用于歐洲和地中海區(qū)域的環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展、氣候變化等應(yīng)用。［50］

PRISMA衛(wèi)星載有全色相機(jī)和高光譜相機(jī)，意大利Selex ES（2013年之前為Selex Galileo）負(fù)責(zé)相機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、裝配、測(cè)試以及校準(zhǔn)。兩臺(tái)相機(jī)共用同一望遠(yuǎn)鏡（TMA型），全色和高光譜譜段的隔開是通過視場(chǎng)內(nèi)的分離實(shí)現(xiàn)的（沿軌跡方向）。分光儀的狹縫放置在全色和高光譜場(chǎng)內(nèi)分離之后、共用的校準(zhǔn)儀之前。高光譜相機(jī)采用棱鏡分光儀分光，光譜分辨率小于12nm。PRSIMA性能參數(shù)和相機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)分別見表22和表23，PRIMA衛(wèi)星見圖35。［50－52］

表22 PRISMA衛(wèi)星性能參數(shù)Table 22 Performances of PRISMA satellite

表23 PRISMA儀器性能指標(biāo)Table 23 Specification of the PRISMA instrument

圖35 PRISMA衛(wèi)星示意圖Fig.35 Illustration of PRISMA spacecraft

7 法國(guó)－以色列合作項(xiàng)目

“植被與環(huán)境新型小衛(wèi)星”（Vegetation and Environment New Micro Satellite，VENμS）是CNES和以色列航天局（Israel Space Agency，ISA）的第一個(gè)地球觀測(cè)合作項(xiàng)目。ISA負(fù)責(zé)衛(wèi)星平臺(tái)研制、衛(wèi)星組裝和衛(wèi)星姿軌控制與運(yùn)行，CNES提供高分辨率相機(jī)以及對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。VENμS預(yù)計(jì)于2016年由Vega火箭發(fā)射，使命分為科學(xué)探測(cè)和技術(shù)演示兩個(gè)階段：①對(duì)陸地環(huán)境、植被、人類活動(dòng)進(jìn)行探測(cè)；②驗(yàn)證霍爾電推進(jìn)技術(shù)和低軌軌道保持能力，并進(jìn)行低軌成像。［53］

VENμS衛(wèi)星采用IAI和Rafael Advanced Defense Systems Ltd共同研制的IMPS平臺(tái)。衛(wèi)星所載有效載荷為VENμS高光譜相機(jī)（VENμS Super－spectral Camera，VSSC）。VSSC為12譜段推掃式成像儀，焦平面放置4個(gè)探測(cè)器單元，每單元包含3個(gè)獨(dú)立的TDI CCD陣列。相機(jī)結(jié)構(gòu)采用輕量化鈦框架，主鏡固定，由復(fù)合材料制成的鏡筒保持次鏡在合適的位置。主鏡和次鏡均采用微晶玻璃制成，焦平面支撐結(jié)構(gòu)采用殷鋼制成，提供良好的熱穩(wěn)定性環(huán)境。每個(gè)探測(cè)器前備有視場(chǎng)光闌，其上固定濾光鏡。［53］

VENμS衛(wèi)星設(shè)計(jì)參數(shù)和相機(jī)性能指標(biāo)分別見表24和表25。衛(wèi)星示意圖見圖36，相機(jī)結(jié)構(gòu)見圖37，光學(xué)系統(tǒng)見圖38。［53］

表24 VENμS衛(wèi)星設(shè)計(jì)參數(shù)Table 24 Design parameters of VENμS spacecraft

表25 相機(jī)VSSC性能指標(biāo)Table 25 Specifications of VSSC

圖36 VENμS衛(wèi)星展開示意圖Fig.36 Illustration of the deployed VENμS spacecraft

圖37 VSSC儀器示意圖Fig.37 Illustration of the VSSC instrument

圖38 VSSC焦平面構(gòu)型Fig.38 Focal plane configuration of the VSSC

8 ESA地球靜止光學(xué)星計(jì)劃

地球靜止高分辨率使命（Geostationary High Resolution Mission，GEO－HR）由ESA提出，主要用于海事安全／監(jiān)視、災(zāi)害管理、陸地安全／監(jiān)視，以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等地球觀測(cè)應(yīng)用。［54］GEO－HR包含三個(gè)項(xiàng)目：①GEO－Oculus（孔徑1.5m，分辨率10m）；②Astrium GO3S（孔徑4m，分辨率3m）；③光學(xué)合成孔徑系統(tǒng)（合成孔徑7m，分辨率2m）。［54－55］

8.1 GEO－Oculus

2009年，ESA提出GEO－Oculus衛(wèi)星方案，旨在研發(fā)高空間／時(shí)間／光譜分辨率的地球靜止光學(xué)星，主要用于歐洲及周邊區(qū)域的減災(zāi)、資源、海洋等應(yīng)用，預(yù)計(jì)于2018年發(fā)射。主要觀測(cè)區(qū)域?yàn)闅W洲本土大陸、海岸線以及地中海區(qū)域，同時(shí)可選擇性地對(duì)非洲和中東西部區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)。［56］

衛(wèi)星平臺(tái)在第三代氣象衛(wèi)星（Meteosat Third Generation，MTG）基礎(chǔ)上研制，通過磁軸承反作用輪實(shí)現(xiàn)“凝視－步進(jìn)”的觀測(cè)模式，同時(shí)盡量減小飛輪對(duì)衛(wèi)星的擾動(dòng)，提供視場(chǎng)快速重定向能力，2min內(nèi)可獲取新規(guī)劃目標(biāo)區(qū)域的圖像。推進(jìn)系統(tǒng)由一個(gè)四貯箱雙組元推進(jìn)劑系統(tǒng)組成，用于衛(wèi)星軌道射入和位置保持，并采用推力器對(duì)動(dòng)量輪飽和進(jìn)行卸載。［56］

衛(wèi)星所載相機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：①直徑1.5m的整塊主鏡由碳化硅制成，具備精密光學(xué)特性，進(jìn)而采用圖像去卷積技術(shù)提高M(jìn)TF；②成像光譜中增加用于水面浮油、藻華毒性監(jiān)測(cè)的紫外譜段，以及用于精確修正海洋成分和海洋表面溫度的中波紅外和熱紅外譜段；③全部譜段均具有高信噪比，且短波紅外、中波紅外和熱紅外具有高輻射分辨率，適合探測(cè)包括火災(zāi)溫度和森林火災(zāi)多發(fā)區(qū)域在內(nèi)的高溫現(xiàn)象；④第一個(gè)分光鏡將紫外－藍(lán)色／紅色－近紅外和紅外分為兩組，在每組內(nèi)第二個(gè)分光鏡實(shí)現(xiàn)焦平面之間的分離；⑤每個(gè)焦平面采用一個(gè)濾光輪（共4個(gè)）；⑥紅外焦平面前安置止冷器保持低溫（中波紅外130K、熱紅外50K）；⑦全色、紫外－藍(lán)色和紅色－近紅外譜段采用大面陣CMOS探測(cè)器，動(dòng)態(tài)范圍高且讀出速度快；⑧中波紅外和熱紅外譜段采用結(jié)合HgCdTe或AlGaAs／GaAs量子阱紅外光子探測(cè)器（Quantum Well Infrared Photon Detectors，QWIP）的CMOS。［56－57］

GEO－Oculus衛(wèi)星參數(shù)和相機(jī)性能指標(biāo)分別見表26和表27。衛(wèi)星折疊構(gòu)型和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖39，相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)見圖40。［57］

表26 GEO－Oculus衛(wèi)星技術(shù)參數(shù)Table 26 Design parameters of Geo－Oculus

續(xù) 表

表27 GEO－Oculus衛(wèi)星光學(xué)儀器性能指標(biāo)Table 27 Specfications of Geo－Oculus optical instrument

圖39 GEO－Oculus衛(wèi)星折疊構(gòu)型和系統(tǒng)構(gòu)型Fig.39 Stowed configuration and system layout of GEO－Oculus

8.2 Astrium GO3S

Astrium GO3S地球靜止軌道系統(tǒng)具備甚高分辨率成像和視頻能力，主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)：①受Ariane－5運(yùn)載火箭的限制，儀器孔徑直徑最大不超過4m；②采用銳邊反射鏡與超大焦平面，可無縫覆蓋100km×100km視場(chǎng)，地面采樣距離（GSD）為3m；③甚高性能視頻壓縮，可實(shí)現(xiàn)5Hz的10億像素視頻流；④利用多種先進(jìn)的系統(tǒng)和概念實(shí)現(xiàn)所需指向穩(wěn)定性，在視場(chǎng)重新定向時(shí)仍保持靈活性；⑤目前僅有全色譜段，多光譜譜段的實(shí)現(xiàn)有待進(jìn)一步分析。GO3S概念關(guān)鍵性能參數(shù)見表28，衛(wèi)星設(shè)計(jì)圖見圖41。［54］

圖40 GEO－Oculus多光譜成像望遠(yuǎn)鏡光學(xué)構(gòu)型Fig.40 Multi－spectral imaging telescope optical architecture of GEO－Oculus

表28 Astrium GO3S概念關(guān)鍵特性Table 28 Key characteristics of Astrium GO3Sconcept

圖41 Astrium GO3S概念設(shè)計(jì)圖Fig.41 Design of Astrium GO3Sconcept

8.3 光學(xué)合成孔徑系統(tǒng)

為提高地面分辨率（優(yōu)于3m），ESA提出光學(xué)合成孔徑（Optical Synthetic Aperture）設(shè)計(jì)概念。按照?qǐng)D像品質(zhì)（MTF×SNR＝4）和地面分辨率（2m）的要求，合成孔徑直徑須達(dá)到7m，通過在直徑5m的圓周上均分6個(gè)直徑為2m的主鏡實(shí)現(xiàn)。［55］衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量為8662kg，在軌展開構(gòu)型尺寸為10m×14.3m×6m。合成孔徑儀器設(shè)計(jì)參數(shù)見表29。儀器中心機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖42，衛(wèi)星展開尺寸見圖43。［55，58］

衛(wèi)星設(shè)計(jì)特點(diǎn)：①采用可延展的熱管和散熱器；②數(shù)據(jù)下傳采用直徑0.7m的Ka頻段天線；③為獲得可接受的MTF，在單位積分時(shí)間（28ms）內(nèi)視線穩(wěn)定性優(yōu)于16.5nrad（3／10像元），3／10像元在姿態(tài)漂移和抖動(dòng)干擾之間進(jìn)行分配；④儀器配置精確的視線主動(dòng)控制機(jī)構(gòu)減小漂移；⑤為使每天能生成1500幅圖像，衛(wèi)星需在18s內(nèi)實(shí)現(xiàn)0.1°的指向機(jī)動(dòng)，應(yīng)急模式下可在2min內(nèi)實(shí)現(xiàn)6°的指向機(jī)動(dòng)；⑥須采用無源濾波裝置，以減小姿態(tài)控制致動(dòng)器產(chǎn)生的干擾。［55］

圖42 合成孔徑儀器的中心機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.42 Central mechanical structure of optical synthetic aperture instrument

圖43 衛(wèi)星展開尺寸示意圖Fig.43 Size of deployed satellite

9 歐非地球靜止光學(xué)星計(jì)劃

Africa－GeoSat1項(xiàng)目由歐盟委員會(huì)和非洲聯(lián)盟共同投資，Astrium牽頭研制并提供技術(shù)支持，非洲自行運(yùn)營(yíng)。該項(xiàng)目采用地球靜止衛(wèi)星對(duì)非洲環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，地面分辨率（可見光／近紅外）為星下點(diǎn)25m至觀測(cè)區(qū)域邊界35m，圖像品質(zhì)（MTF和SNR）與低軌衛(wèi)星相當(dāng)。Africa－GeoSat1衛(wèi)星預(yù)計(jì)于2017年末期發(fā)射。［59］

Africa－GeoSat1衛(wèi)星采用由EADS－Sodern制造的高性能星敏感器HYDRA與Astrium制造的高性能陀螺Astrix FOG相結(jié)合實(shí)現(xiàn)姿態(tài)測(cè)定。有效載荷為一臺(tái)大孔徑光學(xué)相機(jī)，所有光譜譜段共用直徑1m的Korsch型望遠(yuǎn)鏡，主鏡和次鏡位于承載第三鏡和平面反射鏡的水平結(jié)構(gòu)平臺(tái)的上方。光束經(jīng)多個(gè)分光鏡分光至3個(gè)焦平面：①附有濾光輪的可見光／近紅外焦平面；②短波紅外焦平面；③置于低溫恒溫器內(nèi)的熱紅外焦平面。［59］

衛(wèi)星成像采用“凝視－步進(jìn)”工作模式，平均4～5天可獲得一幅完整的非洲大陸圖像。單元圖像面積為75km×75km，通過順序轉(zhuǎn)動(dòng)掃描鏡將16幅單元圖像拼合為產(chǎn)品圖像（300km×300km）。在轉(zhuǎn)動(dòng)掃描鏡過程中，衛(wèi)星相對(duì)地球保持靜止；16幅單元圖像獲取之后，衛(wèi)星指向下一處成像區(qū)域。時(shí)間分辨率（重訪周期）為系統(tǒng)技術(shù)的重大突破，常規(guī)模式下為500s，應(yīng)急請(qǐng)求模式下為30min（對(duì)應(yīng)于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)作的應(yīng)急指令生成周期）。衛(wèi)星具有可選擇地方時(shí)，并可在不同太陽時(shí)對(duì)同一地區(qū)進(jìn)行觀測(cè)；同時(shí)可克服云層遮擋問題，尤其是針對(duì)到目前為止由于高云層覆蓋度而導(dǎo)致可見光圖像幾乎不可用的非洲地區(qū)。［59］

Africa－GeoSat1衛(wèi)星參數(shù)和空間相機(jī)性能指標(biāo)分別見表30和表31。Africa－GeoSat1衛(wèi)星結(jié)構(gòu)見圖44，所載相機(jī)示意圖和內(nèi)部構(gòu)型見圖45。［59－60］

表30 Africa－GeoSat1衛(wèi)星設(shè)計(jì)參數(shù)Table 30 Design parameters of Africa－GeoSat1

表31 Africa－GeoSat1衛(wèi)星相機(jī)性能指標(biāo)Table 31 Specfications of Africa－GeoSat1camera

圖44 Africa－GeoSat1衛(wèi)星結(jié)構(gòu)Fig.44 Africa－GeoSat1satellite configuration

圖45 Africa－GeoSat1衛(wèi)星相機(jī)示意圖與內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.45 Illustration and internal constructure of the Africa－GeoSat1camera

10 結(jié)束語

歐洲低軌高分光學(xué)星中，法國(guó)軍用偵察衛(wèi)星Helios－2地面分辨率為0.35m；商業(yè)地球觀測(cè)衛(wèi)星中，法國(guó)Pleiade星座成像能力最高（地面分辨率0.5m），下一代甚高分辨率光學(xué)星可達(dá)0.3m。英國(guó)以SSTL為中心進(jìn)行小型衛(wèi)星的研制，目前分辨率可達(dá)1m，亞米級(jí)彩色視頻成像小衛(wèi)星正在研制之中。德國(guó)和意大利均已開展高光譜衛(wèi)星的研制。6U立方星星座及米級(jí)地球靜止光學(xué)星等新概念已被提出。地球靜止光學(xué)星由ESA牽頭，采用傳統(tǒng)相機(jī)分辨率最高為3m，而光學(xué)合成孔徑技術(shù)可進(jìn)一步提高地面分辨率，分辨率優(yōu)于3m。

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（編輯：李多）

Global High－resolution Optical Satellite Overview（2）：Europe

ZHU Renzhang1CONG Yuntian1，3WANG Hongfang2QIU Hui1，3BAI Zhaoguang2
（1Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）（2DFH Satellite Co.，Ltd.，Beijing 100094，China）（3China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

Europe Space Agency and European countries such as France，England，Germany，Spain，Italy have developed high－resolution optical satellites and constellations.Among these satellites，Helios－2which is led by France can collect images of 0.35－meter spatial resolution（PAN）and be used mainly for military purposes.SPOT－6／7and Pleiades constellation developed by France，which can achieve 0.5－meter resolution，and DMC led by England which can achieve 1－meter resolution are main commercial remote sensing satellites.Sub－meter color video－imaging small satellite is under development.New concepts such as 6UCubeSat constellation and meter－class resolution geostationary optical satellites have been presented.Geostationary optical satellites are led by ESA，including conventional ones of 3－meter resolution and futuristic satellite（optical synthetic aperture）which plans to achieve resolution better than 3meter.In this paper，European high－resolution optical satellites are introduced，including their operations，technologies and trends.

European satellite；high resolution；optical satellite

V474.2

：ADOI：10.3969／j.issn.1673－8748.2016.01.015

2015－06－23；

：2015－10－20

朱仁璋，男，慕尼黑工業(yè)大學(xué)博士，北京航空航天大學(xué)教授。