[科普中国]-高分二号卫星

高分二号卫星是国家高分辨率对地观测系统重大专项首批启动研制的卫星，是迄今为止我国研制的空间分辨率最高、观测幅宽最大、设计寿命最长的民用遥感卫星。其主要目的是突破亚米级高分辨率大幅宽成像、长焦距大F数轻小型相机设计、高稳定度快速姿态侧摆机动、图像高精度定位、低轨道遥感卫星长寿命高可靠设计等关键技术，大幅提升我国遥感卫星观测效能，打破高分辨率对地观测数据依赖进口的被动局面，推动我国高分辨率对地观测卫星及应用水平的提升，提高国家高分辨率对地观测系统重大专项工程的社会和经济效益。

卫星历经36个月的研制，于2014年8月19日11时15分由长征四号乙运载火箭在太原卫星发射中心成功发射入轨。2015年3月6日，高分二号正式投入使用。

高分二号卫星基于资源卫星CS-L3000A平台开发，重量为2100kg，设计寿命为5-8年，运行轨道为高度631 km、倾角97.9°、降交点地方时上午10:30的太阳同步回归轨道，装载两台1米全色/4米多光谱相机实现拼幅成像，星下点分辨率全色为0.81m、多光谱为3.24m，成像幅宽为45km。设计具有180s内侧摆35°并稳定的姿态机动能力，能每天成像14圈、每圈最长成像15分钟，能实现69天内对全球的观测覆盖，及5天内对地球表面上任一区域的重复观测。

星上配置容量为4.9Tbits的大容量固态存储器，提供全色3:1压缩、多光谱无损压缩图像数据的存贮，可连续存贮不少于20分钟的图像数据。采用X波段高速信号调制技术和高增益双极化点波束天线，实现2×450Mbps对地图像数据传输。

卫星高精度定轨以双频GPS为主，配合整星设计的高精度时统，可以实现米级实时定轨。卫星高精度定姿采用“星敏感器+陀螺”联合定姿和星敏感器直接定姿两种方案。卫星姿控采用4个动量轮整星零动量控制和3个控制力矩陀螺CMG+动量轮控制的方案实现卫星三轴稳定对地定向和快速侧摆机动，稳定度设计为不超过5e-4°/s。卫星高精度定轨、定姿和高稳定度姿控设计确保图像平面无控制点定位精度可达50m以内。卫星设计了多种灵活的载荷工作模式，包括准实时成像传输模式、成像记录模式、任意时刻回放模式等，方便用户成像使用，提高卫星应用效能。

高分二号卫星是我国第一颗寿命要求由3年提升到5-8年的低轨道遥感大卫星。设计上大量采用耐受轨道空间严酷电离辐射、高能带电粒子、高低温交变、高真空环境的元器件，特别是高等级国产元器件和原材料，并对所有元器件、原材料采取了系统的质量保证措施；另外，还应用长寿命评定方法和技术对各关键单机设备开展了全面的试验验证，保证了蓄电池、陀螺、相机、数传、固存等成像、图像采编压缩、存贮回放等重点单机的可靠性和寿命。同时基于卫星在轨使用和健康监视设计实现了关键单机及整星的在轨寿命保证，确保卫星寿命末期可靠度不低于0.6。2

高分二号卫星从2010年4月启动研制，经历方案设计、初样研制，于2012年6月进入正样研制阶段。2012年7月，整星正样产品齐套，开始总装；2012年8月一2013年8月，先后完成了整星总装测试、电性能测试、电磁兼容试验、微振动试验、力学试验、热平衡、热真空试验；2013年10月，完成了卫星100小时连续无故障通电考核以及与运载火箭的接口试验。2013年11月4日，卫星运抵太原卫星发射中心，完成了发射场测试和推进剂加注准备工作，后由于运载火箭原因，高分二号卫星推迟发射，在发射场长期贮存。发射场工作重启后，高分二号卫星于2014年8月19日成功发射。2

高分二号卫星是高分辨率对地观测系统重大专项首批启动立项的重要项目之一，是目前我国分辨率最高的光学对地观测卫星，具有米级空间分辨率、高辐射精度、高定位精度和快速姿态机动能力，主要用户为国土资源部、住房和城乡建设部、交通运输部、林业局，同时还将为其他用户部门和有关区域提供示范应用服务。

高分专项工程由国家国防科技工业局组织，联合有关部门共同实施，现已取得重要阶段性成果。该专项实施以来，卫星数据已为国土土地利用调查、矿产资源开发现状调查与监测、环保大气环境和水环境监测、农业作物估产和长势监测、水利洪涝灾害监测及水利设施监测、统计农业生产监测、地震灾害监测等行业部门应用，以及北京、河北、新疆等城市精细化管理、中小城镇开发现状监测、区域经济作物监测等区域应用发挥了重要作用。

高分二号卫星投入使用后，将与在轨运行的高分一号卫星相互配合，进一步完善我国高分专项建设，推动高分辨率卫星数据应用，为土地利用动态监测、矿产资源调查、城乡规划监测评价、交通路网规划、森林资源调查、荒漠化监测等行业和首都圈等区域应用提供服务支撑。3

高分二号卫星作为我国首颗分辨率达到亚米级的宽幅民用遥感卫星，其在设计上具有诸多创新特点，在产品实现上做到完全自主可控，关键单机全部自研，是部件、单机国产化程度最高的遥感卫星，国产化率达到98%以上。

亚米级、大幅宽成像技术

高分二号卫星配置的两台相机，采用长焦距、大F数、轻小型化光学系统设计，焦距达到7.8m, F数15，均为我国在轨遥感卫星中最大值；采用全色和多光谱五谱合一的TDI CCD器件，以推扫的方式实现对地面景物成像，以器件拼接方式实现单台相机2.1°的视场角，通过两台相机拼幅，进一步扩大视场，使星下点地面像元分辨率达到全色0. 81m、多光谱3 . 24m，观测幅宽达到45.3km，在亚米级高分辨率卫星中幅宽达到世界最高水平。2

宽覆盖、高重访率轨道优化设计

通过运行轨道、侧摆机动等参数优化设计，高分二号卫星的倾角为97.9°、回归周期为69天的运行轨道，可以保证对地球南北纬80°之间广大区域的观测覆盖，一个回归周期内运行1021圈，可完成全球无缝覆盖。在卫星侧摆±23°的情况下，即可实现全球任意地区重访周期不大于5天，在卫星侧摆±35°的情况下，重访周期还将进一步缩小。卫星宽覆盖特性及重访率均达到我国遥感卫星领先水平。2

高稳定度快速姿态侧摆机动控制技术

高分二号卫星为国内首颗配置全国产化高精度APS星敏感器的卫星，执行机构采用控制力矩陀螺CMG和动量轮的混合配置方式，实现卫星的快速姿态侧摆机动和稳定控制。通过星敏感器单机级算法改进、系统级姿态确定算法和控制算法的优化设计，首次依靠全国产化部件实现了高精度、高稳定度的姿态控制。在轨实测数据表明，卫星姿态稳定度可以达到1.5e-4°/s，姿态确定精度达到0.0025°。通过设计精确的操控律，采用“尽量避免激励挠性振动”这一约束下的姿态快速机动、快速稳定控制方法，高分二号卫星在轨实现了150s之内侧摆机动35°并稳定，为目前国内遥感卫星的最高水平。2

图像高定位精度设计

为满足用户定量化应用的要求，高分二号卫星采用了多项提高图像定位精度的措施，其中整星高精度时统方案确保了时间同步精度误差不超过50μs，使成像时相机、控制和测控GPS等工作在统一的时间基准下；国产高精度星敏感器直接定姿和星敏感器+陀螺联合定姿等多种高精度姿态测量方案，以及星敏和相机一体化安装和高精度温控，使得能精确获得卫星成像指向；专门的微振动减隔振装置抑制微振动影响，确保成像指向稳定性。多种措施使轨道测量、姿态测量等多项与图像定位精度相关的指标达到国际先进水平，其中轨道测量精度达到在轨实时10m、事后0.5m，姿态测量精度达到0.003°。在轨图像测试初步评定表明，无控制点定位精度达到20-35m，优于50m设计指标，达到国际先进水平。2

图像高辐射质量设计

高分二号卫星针对图像辐射质量提升采取了多项保证措施，相机光学系统和成像电路进行调制传递函数MTF优化设计，在小相对口径情况下实现了高的MTF数，奈奎斯特频率处，静态MTF全色谱段不低于0.12、多光谱不低于0.2,在轨动态MTF不低于0.1。在图像采样10bit量化的基础上，首次采用内遮光罩进一步改进杂散光抑制，采用高精度低温焦面电路和CCD控制等措施降低电子学噪声，采用格雷码编码降低系统噪声，确保图像信号噪声尽可能小，信噪比在各种太阳高角度、地面反照条件下，全色达到23-43dB、多光谱达到25-43dB，均为国内卫星领先水平。

为适应地表不同区域复杂成像光照条件，设计了动态范围宽、线性度好，成像级数和增益均多档可调方案，具有5档调整功能，且各谱段可单独进行增益调整，积分级数可1-96级调整，使系统动态范围达到20-800DN值，线性度优于3%。经在轨测试直方图统计，灰度分层值分布广、图像信息丰富，目视效果优异，达到国际同类卫星先进水平。2

轻小型相机设计技术

高分二号卫星相机光学系统设计首次采用小相对孔径(F数15)三反同轴方案，相机口径较大减小，通过主次镜间距及折镜角度的优化设计，获得了更大的焦长比(焦距与光学系统长度之比)；首次采用析架支撑+阻尼隔振的主支撑结构设计，确保相机更高的稳定性和火箭主动段抗力学环境能力，使得相机结构更紧凑、体积更小、重量更轻；相机主反射镜、镜筒等采用新型陶瓷基碳纤维复合材料，在获得极低膨胀率保证相机机构稳定的同时，进一步减轻了相机重量；与传统设计相比，相机体积和重量减小约1/20相机采用三镜调焦方式以及五谱合一TDI CCD器件的方案，与国外同类相机相比，还使焦面组件、三镜组件及调焦机构的尺寸及重量较大减小，轻小型状态达到国际先进水平。2

高集成度、高动态低噪声成像电路设计

为适应相机轻小型设计，相机成像电路采用了先进的高动态低噪声高集成度设计技术。针对相机电子学焦平面多色CCD器件拼接而成、像元数多、行速率高、CCD工作频率达到10MHz,图像原始数据率达到2Gbps、信噪比和时统精度要求高、器件功耗大等特点，同时需要适应多模式的工作状态，相机成像电路采用了定制的高度集成的五谱合一TDI CCD器件，提高了器件光电转换效率和MTF指标。卫星上首次使用TLK2711高速串行数据接口技术，实现图像数据高速传输，并采用了高效图像压缩算法；降噪设计主要采用了低噪声焦面CCD及读出电路设计技术、焦面CCD时序控制及驱动设计技术、变速率时序信号产生与控制技术、高动态信号处理技术和自适应图像处理及传输设计技术；为解决CCD器件暗电流变化对图像像质的影响，同时可以增加系统的动态范围，提高图像质量，将CCD工作温度设置在-5~10度之间，在轨实际温度在-2~5度之间，使CCD信号中的暗信号部分得到有效的抑制。上述措施实现了成像电路的高集成度、高动态低噪声设计，大大降低了信号噪声水平，有效保证了相机成像信号质量。2

载荷多种灵活工作模式设计

为满足用户使用要求，高分二号卫星设计了成像传输、成像记录和数据回放等多种灵活载荷工作模式。在相机成像且卫星可与地面数据接收站进行数据传输作业时，卫星进行成像传输。成像传输模式又可分为准实传、全色图像实传和多光谱图像实传三种模式。其中，准实传模式为高分二号卫星在轨常规成像模式，全色图像实传模式和多光谱图像实传模式为特殊成像模式，主要用于试验或存储系统故障的应急情况。

在数传无法与地面站进行数据传输作业时，卫星可工作在成像记录模式，将相机成像的图像数据、辅助数据以及服务系统数据等实时记录在固态存储器中。在卫星可与地面数据接收站进行数据传输作业时，卫星可将存储在固态存储器中的数据回放至地面站。此时卫星工作在数据回放模式，根据回放数据类型的不同，数据回放模式又可分为图像数据回放模式和服务系统数据回放模式。

对于成像传输和数据回放模式，高分二号卫星和地面数据接收站进行数据传输作业时，依据地面站情况不同，可以单站接力传输、双站接力传输和移动站接收。多种灵活的载荷工作模式方便用户使用卫星和接收数据，进一步提高了卫星使用效能。2

智能化的在轨健康检测和故障处理能力

高分二号卫星具有智能化的星上自主管理能力，包括蓄电池充电自主控制、蓄电池放电深度安全控制、载荷强制关机、卫星姿态异常应急控制等多种在轨安全控制策略。同时，针对一般、紧急、致命三种不同程度故障分别建立了故障自主处理机制，提高了卫星在轨生存能力和可靠性。高分二号卫星还具备中继卫星测控能力，天地配合扩大测控覆盖率近一倍，提高了对卫星的监控能力，有效保证了卫星运行。另外，在轨工作策略的优化设计，也使蓄电池、控制系统动量轮、CMG、太阳翼驱动机构、数传天线等工作强度和应力环境得到合理平衡，避免早期失效问题的发生，确保寿命满足设计指标要求，使得我国低轨遥感卫星长寿命设计技术首次达到国际先进水平。2

首批公布卫星影像图

2014年9月29日中国国家国防科技工业局对外公布中国首批亚米级高分辨率卫星影像图，充分展示了高分二号卫星在国土资源监测、矿产资源开发、城市精细化管理、灾区恢复重建等众多方面的广泛应用潜力。

据了解，高分二号卫星是中国自主研制的首颗空间分辨优于1米的民用光学遥感卫星，观测幅宽达到45公里，在亚米级分辨率国际卫星中幅宽达到最高水平，同时具备快速机动侧摆能力和较高的定位精度，有效地提升了卫星综合观测效能。首批高分二号卫星影像图综合考虑了地域分布、地物类型、目标关注度和高分二号卫星主要用户部门测试与示范应用需求等因素，共发布1米全色、4米多光谱、1米全色与4米多光谱融合3类15幅，包括北京市区、上海市区、克拉玛依市区和昆仑山天池、云南省鲁甸灾区等卫星影像。该批图像纹理清晰、层次分明、信息丰富。4

协助厄瓜多尔地震救援

国家航天局宣布，应厄瓜多尔国防部下属航天研究院请求，中方在2016年4月20日向其提供了25景高分二号卫星获取的灾区震后影像图和13景灾区震前影像图，为厄瓜多尔及时掌握灾情，开展救援工作提供了信息支持。

接到厄瓜多尔方面请求后，国家航天局迅速启动民用遥感卫星应急观测与信息支持工作机制，协调中国资源卫星应用中心等部门，紧急调动高分二号卫星对厄瓜多尔受灾地区进行观测。4月19日，高分二号卫星获取了25景受灾地区影像图。影像图图像清晰，层次分明，清晰反映了震区受灾情况。

后续，国家航天局将组织专家对影像图进行分析研判，协助厄瓜多尔开展救灾活动。国家航天局还将安排高分一号、二号卫星继续对受灾地区再次进行拍摄成像。

民用遥感卫星应急观测与信息支持工作机制是国家航天局在总结马航失联客机卫星遥感搜寻工作基础上组建的。该机制将充分利用国内外遥感卫星资源，为应急工作快速有效地提供信息服务。5