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小而精的“昴宿星”光学成像卫星

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2012年12月1日,法国昴宿星-1B军民两用光学成像卫星由俄罗斯联盟-ST火箭送上天。该卫星质量970千克,分辨率为0.5米(也有报0.7米)。它与2011年12月17日发射的昴宿星-1A运行在同一个轨道面内。

全能大腕联合造

2001年,法国和意大利政府决定联合研制一个价值10亿美元的军民两用成像卫星系统――“光学和雷达联合地球观测系统”(ORFEO)。该系统包括2颗法国的“昴宿星”高分辨率光学成像卫星和4颗意大利的“宇宙-地中海”(Cosmo―Skymed)高分辨率雷达成像卫星。每颗卫星的地面分辨率等于或优于1米,质量预计不超过1吨,各带1立的光学成像仪或合成孔径雷达。此系统有两个特点:一是用途广,因为它是军民两用,功能强大,所以能满足多方面需求;二是矛盾少,这是因为该卫星星座的图像产品由法国和意大利共享,而不象目前法国和德国分别拥有“太阳神”光学成像侦察卫星和“合成孔径雷达-放大镜”雷达成像侦察卫星那样,使用时需要协商来平等交换各自的卫星数据。

法国空间研究中心于2003年10月3日宣布,授予阿斯特留姆公司和阿尔卡特宇航公司(现已并入泰雷兹-阿莱尼亚公司)一份总额为3.14亿欧元(合3.6亿美元)的合同,合同规定由这2家公司为法国空间研究中心制造2颗“昴宿星”。它们分别于2011年和2012年发射,每颗卫星设计寿命为5年,卫星功率为1千瓦。阿斯特留姆公司为该项目的主承包商,制造卫星主体;阿尔卡特公司负责制造星上相机和进行图像遥测。

与法国的老牌光学遥感卫星“斯波特”相比,“昴宿星”在质量、外形、分辨率、观测灵活性以及数据获取模式等方面部有很大不同。例如,“昴宿星”的质量只有970千克左右,斯波特-5卫星质量的是3000千克;“昴宿星”的分辨率为0.5米,斯波特-5的分辨率为2.5米;“昴宿星”的有效载荷装在平台内部,“斯波特”卫星的有效载荷装在平台外部;“昴宿星”是通过使卫星整体绕滚动轴、俯仰轴大角度侧摆的方式来实现了对不同目标的灵活观测,斯波特-5是通过改变星载相机的方向来实现对不同区域的观测。

“昴宿星”主要为欧洲军方和国际商用客户提供服务,军事应用由法国国防部负责,民用和商业应用由斯波特图像公司负责,与“斯波特”系列卫星相互补充。

现在,2颗法国的“昴宿星”高分辨率光学成像卫星和4颗意大利的“宇宙-地中海”卫星部已发射上天,所以“光学和雷达联合地球观测系统”全部建成。

个头不大挺先进

昴宿星-1A、1B以180°相位等间隔运行在高度694千米、倾角98.2°的太阳同步轨道,降交点地方时10:30,轨道重复周期26天,设计寿命5年。

该星座可覆盖全球,24小时内能对地球上任何一点进行观测,提供分辨率0.7米全色图像和分辨率2.8米多光谱(蓝、绿、红、近红外)图像,幅宽20千米。其灵敏度很高,可使“昴宿星”能沿着轨迹获得几幅连续的图像,而且每颗卫星每天提供250幅以上图像,所以拼凑出较大的地面景象;提供350千米×20千米或150千米×40千米的立体图像,拼图尺寸可达120千米×120千米。

此卫星的设计目标是高敏捷性和高定位精度。卫星采用阿斯特留姆公司的天体卫星-1000平台,这种卫星平台设计紧凑,结构小巧,采用六边形结构,可保证卫星指向灵活性。它采用了“光纤陀螺+星敏感器”的控制系统方案,姿态控制精度为0.017°,能使卫星高精度成像。为达到高定位精度要求,有效载荷与平台的接口也进行了简化。星跟踪器和陀螺仪直接安装在有效载荷结构上,避免了平台热扰动对测量精度的影响。为提高性能,星跟踪器光头安装在相机瞄准线的正交轴上。

星体顶部安装了3个太阳电池翼,每个太阳电池翼均带有2根支撑桁架,以便进一步提高整体刚性。3个太阳电池翼以120°间隔均匀分布,采用轻型面板结构和高效三结砷化镓电池,目的是减小太阳电池翼的尺寸。其寿命末期功率为1.5千瓦,平均功率850瓦。为确保稳定度,太阳电池翼采取固定安装方式,直接与平台结构相连。太阳电池翼面积约5米2。

卫星采用三轴姿态稳定,可进行滚动和倾斜机动,卫星最大侧摆角60°,所以可支持三维立体成像。星上数据传输采用X频段,由3个相互独立的155兆比特勋数传通道传输,总数传速率约465兆比特/秒。星上X频段数传天线为波纹喇叭天线,安装在一个两轴旋转的万向架上,以保证卫星在侧摆成像和机动过程中天线的正确指向。为减少对卫星的扰动,数传天线驱动机构在卫星成像期间不进行操作。其固态存储器存储量达600吉比特,并且有对民用图像加密的功能,军用图像由另有一个辅助单元进行加密。卫星的测控链路采用S频段。

卫星分辨率和动态范围的增加,大大提高了光学成像卫星的数据率,从斯波特-4到“昴宿星”,数据率增加了27倍。为了提高压缩性能,“昴宿星”运用了新的图像压缩算法(小波变换和位平面编码器),同时还要满足用户和专家对图像质量的要求。

一目了然眼神好

“昴宿星”装有一台全色和多光谱相机,用于提供高分辨率多光谱图像和高地理定位精度。这台相机质量为200千克,尺寸为1594毫米×980毫米×2235毫米,口径为650毫米,焦距为12905毫米,相对孔径为f/20,功率为400瓦,数据量化为12比特,全色谱段信噪比为90,成像稳定度小于0.1像元。卫星可在25秒内旋转60°,侧摆60°。

该相机结构中心安装了姿态敏感器(星跟踪器和陀螺仪朝上),以改进其性能。其专用支撑桁式结构可确保其和平台接触。相机主体结构采用碳材料,望远镜采用零膨胀材料。望远镜第3副镜上安装了有效载荷对焦装置。相机内部还装有一个内部遮光器,其安装在主镜后方,用于保护第3副镜和探测器腔体,使它们在非运行阶段(如发射、姿态捕获或安全模式)不会受太阳辐射影响。

“昴宿星”上的全色和多光谱相机有4个工作谱段:480纳米~820纳米(全色,采用时间延迟积分模式)、450纳米~530纳米(多光谱-蓝)、510纳米~590钠米(多光谱-绿)、620纳米~700纳米(多光谱-红)、775纳米~915纳米(多光谱-近红外)。它采用推扫成像方式,并沿用了一些已有技术,包括相机校正程序、望远镜热控与机械组件原理、视频处理技术等。其CCD安装在相机侧面,保证了相机总体尺寸的要求。全色探测器采用时间延迟积分模式运行和抗晕结构,由5个6000元CCD器件拼接而成,像元尺寸为13000纳米;多光谱探测器由5个1500元CCD器件拼接而成,像元尺寸为52000纳米。

该相机采用了一些新技术,例如,采用了高集成探测器电子仪器分系统,其功能包括焦平面集成视频处理,提供高速率数据链路和数字星上处理,目的是减少体积;采用了碳-碳结构与微晶玻璃反射镜方案,使相机空间稳定性得到了增强;使用了创新的热调焦系统。以替代复杂的机械装置。其图像总数据率为4.5吉比特/秒,利用数据压缩单元进行数据压缩。数据压缩采用小波算法,标准压缩比为4:1,最大可达7:1。

由于“昴宿星”具有非常高的敏捷成像能力,使得单星重访周期为2天(侧摆47°),两颗卫星组成的星座重访周期为1天。通过卫星快速侧摆,卫星一次过顶可对星下点两侧20°、1000千米×1000千米范围内的24个目标进行成像。虽然星下点成像幅宽仅有20千米,但结合侧摆成像,利用单次过顶拍摄的多幅图像拼接成更大的区域,而且通过快速侧摆,卫星可以实现单轨立体成像。

“昴宿星”的地面段包括民用地面站、军用地面站和军民两用卫星控制站。每颗“昴宿星”平均每天可拍摄390幅图像。其中350幅给民用的斯波特图像公司,40幅给高优先级用户,这40幅中的35幅给法国、意大利和比利时等国的军方部门,剩余5幅由斯波特图像公司管理。