赵键 杨芳

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

敏捷卫星是近年来国际上发展十分迅速的一类高性能卫星，敏捷卫星借助大力矩姿态执行部件，使卫星平台具备绕任意欧拉轴(含滚动、俯仰、偏航)大范围频繁快速姿态机动并且快速稳定的能力，与高分辨率光学载荷结合，借助整星敏捷姿态机动的性能，实现高空间分辨率成像和快速的系统响应性能，并且还可实现包括同轨多条带拼接成像、同轨立体成像和任意航迹成像等多种主动及被动成像模式，将图像遥感和测绘制图融为一体，具有多功能、高效率的特点。高空间分辨率一直是遥感卫星追求的重要指标之一，但由于光学系统设计限制，高分辨率相机幅宽都不可能太大，将敏捷卫星平台与高分辨率相机相结合可以很好的解决高分辨率相机成像幅宽窄的问题，因此，亚米级高分辨率光学卫星从问世开始就是敏捷卫星特质。

自从1999年美国成功发射商业高分辨率敏捷卫星伊克诺斯-2(IKONOS-2)以来，具有高敏捷姿态机动特性的卫星得到了蓬勃发展，如美国的快鸟-2(QuickBird-2)、轨道观测-3(OrbView-3)、地球眼-1(GeoEye-1)、世界观测-3/4(WorldView-3/4)、法国的昴宿星(Pleiades)等遥感卫星全部具备敏捷机动，且敏捷机动能力、稳定度也在逐步提升，工作模式也随着机动能力提升逐步多样化[1]。

我国敏捷卫星虽然研发起步较晚，但在短时间内获得了大量技术突破，能力水平迅速提升，“十二五”期间，以CAST3000平台为代表的第一代敏捷卫星平台获得突破，CAST3000平台实现星下点45°半锥角范围内的姿态快速指向和稳定，具备任意方向25°/30 s的机动能力，支持优于0.5 m的高分辨率[2]，其技术水平跟法国Pleiades卫星相当[3]。2021年6月11日基于CAST3000E平台(增强型敏捷卫星平台)的北京三号卫星的成功发射，使我国光学遥感卫星首次具有沿任意航迹成像能力，标志着遥感卫星技术水平实现了重大技术跨越。第二代敏捷卫星CAST3000E平台具有“超高敏捷、超高稳定、超高精度”的标志性技术特点，拥有自主任务规划和自主图像处理的功能，实现了我国遥感卫星领域的控制新体制、操控新体制、应用新体制等方面的技术跨越，技术水平达到国际领先，同时对遥感卫星技术的发展具有极强的技术引领和推动作用。

1 第一代敏捷卫星技术创新

1.1 CAST3000平台技术特征

随着航天遥感应用的不断深入，用户对图像信息提取的要求越来越高，需要遥感卫星提供更高空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率、辐射分辨率以及高定位精度的图像以适应遥感信息提取的需要。CAST3000卫星平台是根据国内外未来高分辨率小卫星应用需求和技术发展趋势而提出的新一代小卫星平台。CAST3000平台基本型以高分辨光学成像对地观测应用为主要目标，重点突破以高精度、高敏捷、长寿命、高可靠为特征的小卫星平台相关技术，为今后在高分辨率对地观测领域发展奠定平台技术基础。

CAST3000平台开创性地提出了我国敏捷卫星全功能全要素总体设计方法和敏捷卫星技术指标体系，采用了敏捷卫星运行模式、六棱柱构型的平台载荷一体化设计。CAST3000平台除了支持同轨多目标、连续条带等传统成像模式外，还第一次实现同轨多条带拼接、同轨多角度立体、同轨多角度等典型敏捷成像模式，成像模式如图1所示。

图1 CAST3000平台敏捷卫星成像模式

CAST3000平台典态机动指标典型值为25°/30 s和90°/70 s，实现了一轨26个点目标成像、同轨4条带拼接成像、同轨8视立体成像、单条带或者双条带两视及三视立体等丰富的成像模式。其被动推扫的成像模式效率是非敏捷卫星的3倍以上，与此同时，CAST3000平台的图像绝对定位精度(无控制点)优于10 m(r.m.s)。

1.2 CAST3000平台技术创新

(1)提出了敏捷卫星总体设计方法、技术指标体系和成像测绘一体的光学遥感卫星系统解决方案。特别是定义了适应敏捷机动的整星高刚度特定惯量比和新型的敏捷卫星运行模式。为此攻克了国际首创基于三压紧点单臂支撑式高刚度轻量化太阳翼、基于全空间任意指向和分类式散热面设计的整星高度热稳定、适应敏捷机动的小相对口径长焦距轻量化高分辨率载荷、小惯量单臂二维转动横向槽波纹喇叭高增益数传天线等关键技术。突破了空间任意姿态快速机动及快速稳定技术难题。

(2)提出了一种小相对孔径长焦距轻量化相机星地一体全链路系统设计方法，攻克了兼顾主动段及在轨成像条件下的自适应变频阻尼桁架和去耦合技术、相机镜头组件消应力和基于毛细泵两相流体体制的柔性环路热管等关键技术，实现平台和载荷全力/热解耦，解决了快速机动高刚度与相机高精度成像力热稳定性矛盾的难题，实现了高质量成像。

(3)提出了敏捷卫星空间任意姿态快速机动快速稳定的全控制力矩陀螺(Control Moment Gyro，CMG)群高带宽实时控制方法，突破了任意方向大角度姿态机动控制和最优构型的CMG群高精度控制、实时快速路径规划和全CMG力矩动态分配耦合补偿等关键技术，解决了大惯量半刚性敏捷卫星的大角度快速姿态机动与高精度快速稳定成像等难题。同时，引入零运动规律和鲁棒奇异规避操纵规律，解决了大角度快速姿态机动与CMG群奇异点实时规避相互约束问题。从而第一次实现了中国航天器空间任意姿态25°/30 s的快速机动和快速稳定(0.0005°/s)的敏捷卫星核心能力。

(4)提出了一种无地面控制点的敏捷卫星高精度定位技术方案，突破了具有选星预报的导航星跟踪和高精度多通道联合快速定轨、与导航星定位解耦的高精度时间系统、相机和星敏感器双光轴力热解耦和柔性对称卸载等关键技术；解决了导航星快速捕获算法、相机和星敏感器几何稳定等难题，实现无地面控制点定位精度优于10 m[4]。

(5)提出了一种基于元任务概念的卫星在轨任务管理方法，建立了非时间索引的任务模型，突破了在轨数据块生成机制和实时解译、敏捷模式下数据源积分时间动态可调等关键技术，解决了敏捷卫星复杂模式无穷观测窗口任务级管理难题，实现了敏捷成像动作序列和成像模式随意组合等自主操控的技术跨越[5-6]。

2 第二代敏捷卫星技术创新

2.1 CAST3000E平台技术特征

增强型敏捷卫星平台CAST3000E是在CAST3000基础上，瞄准国际最先进的敏捷卫星平台技术指标和成像新模式而研制开发，平台具有“超高敏捷、超高稳定、超高精度、自主任务规划、自主图像处理”的技术特点。CAST3000E平台成像模式除了覆盖同轨多点目标、两视立体、三视立体、同轨多角度、多条带拼接等被动推扫的典型敏捷成像模式外，还具有任意航迹成像即动中成像和反向推扫成像能力，在轨实际完成了任意航迹单斜条带、任意航迹斜条带拼接、东西方向斜条带拼幅(正反向)、正南正北(正反向)成像等主动推扫的敏捷成像新模式，如图2～图4所示，这些基于“三超”平台的成像新模式极大丰富了用户的应用和使用效率，其主要技术指标超过WorldView-4卫星[7]，标志着我国敏捷卫星技术水平达到国际领先。

图2 斜条带拼接成像模式

图3 斜条带拼幅成像模式

图4 反向推扫成像模式

CAST3000E在轨实现的敏捷姿态机动典型值已达到25°/10 s和90°/20 s，是第一代敏捷卫星的3倍以上；整星姿态角速度稳定度优于2×10-5(°)/s，提高了一个数量级以上；主动指向成像期间短期稳定度优于0.003″。在500 km轨道高度，同轨多点目标成像一轨可获取多达70个以上目标，多条带拼接数目达12条，CAST3000E平台在轨实测的图像绝对定位精度(无控制点)达到3 m(r.m.s)，进入国际一流水平。

2.2 CAST3000E平台技术创新

1)“三超”控制技术

CAST3000E的核心技术就是“超精超稳超敏捷”的三超控制技术，通过采用振动隔离精确指向和主动调节机构(Vibration Isolation Precise Pointing and Steering，VIPPS)支撑主载荷高分辨率相机，VIPPS与相机、卫星结构一体化安装。攻克了聚合分离“三超”控制系统架构、基于主动指向超静平台的多级协同控制方法、主被一体挠性作动器和“三超”控制技术的全物理仿真验证方法等关键技术，解决了复杂系统“快、稳、准”相互制约和“宽频、多点、多源”扰动消除与航天器精稳敏捷指标跨代提升的难题，满足了CAST3000E平台对高性能控制的需求。CAST3000E平台在轨实现了复杂敏捷动中成像、姿态角速度最高达10(°)/s，显著提升了卫星的机动成像效率与动中成像稳定度，跨代提升我国高分辨率遥感卫星数据供给能力。

2)任意航迹成像(动中成像)技术

CAST3000E平台的一个重要技术目标是要实现沿任意航迹成像，即动中成像。“三超”控制技术只是支持动中成像的必要条件，为了真正实现动中成像，攻克了沿任意航迹指向的姿态运动规划技术、适应动中成像的自主任务规划技术、适应动中成像的稳像控制技术、适应动中成像的积分时间调整技术等关键技术[8-12]。为了保证沿任意航迹成像时的图像质量，CAST3000E平台设计了三级减震系统，北京三号卫星在任意航迹成像时角速度达到2(°)/s姿态机动时，动中成像期间短期稳定度依然保持在0.003″，就是说“三超”平台进入主动指向模式时，主动推扫成像跟被动推扫成像图像质量没有区别。

3)星上自主任务规划技术

将传统地面任务规划的任务预处理、任务优化编排、指令序列生成等全部功能由星上自主实现，大幅提升卫星的好用易用性。用户只要给出需要拍摄任务的经纬度、数据传输窗口、地面接收站位置，星上可以自主生成供各分系统执行的指令序列，并由星务主机将指令及指令执行时间发送到相关分系统下位机执行。可支持被动推扫成像和主动推扫成像的所有13种成像模式；支持不小于24 h的规划窗口，任务数量500个；最大规划耗时小于3 min。

4)星上实时图像处理技术

星上实现了图像实时几何校正、辐射校正和云判，开发了基于地理位置的感兴趣区域(ROI)提取和基于目标检测的ROI提取并可切片下传，并可根据地面机器学习和训练状态扩展实时处理功能。同时CAST3000E平台在图像处理相关的硬件设计、软件架构设计以及上行通信链路设计上支持大数据量软件的在轨上注更新，即不仅支持对当前在轨图像处理算法的修改，还支持后续上注新的在轨图像处理算法，并开展在轨试验验证。

5)全新优化的卫星系统

采用全星综合电子设计理念，将传统的多个单机进行了功能集成、性能提升和设计优化，6台综合电子单机完成原来19台电子单机的功能；采用承力筒+箱板式结构、以及载荷平台一体化设计，高分辨率相机光机主体(500 kg质量)通过指向隔振机构和相机解锁装置安装为国内首次实现；与第一代敏捷平台CAST3000卫星相比，在敏捷能力、稳定度、指向精度等性能指标大幅提升的前提下，卫星载重比由35.4%提升至44.7%，整星电子学质量占比从16%降至8%，卫星结构质量占比从14.8%降至11.3%，把更多的星上资源提供给了有效载荷、控制执行部件，卫星系统设计得到极大提升优化。

3 敏捷卫星应用实践

第一代敏捷卫星首发星高分九号卫星自2015年9月14日发射以来，已稳定运行超过6年。CAST3000平台已成功发射9颗卫星，创造了重大社会和经济效益。

第二代敏捷卫星首发星北京三号卫星于2021年6月11日成功发射升空，经过在轨初期测试和验证，三超平台复合控制、沿任意航迹成像、自主任务规划等技术均已实现，CAST3000E平台的技术水平已经处于国际领先。

3.1 任意航迹成像应用情况

2021年6月15日，首次完成了任意航迹4斜条带拼接成像，92 s内获得对长江流域360 km长度的影像数据，是中国首次沿任意航迹的推扫成像卫星图片，如图5所示。

图5 北京三号对长江4斜条带覆盖图(蓝色细线条是长江)

3.2 正南正北正反扫成像应用情况

2021年6月15日，首次完成了正南正北正反向推扫成像，56 s内获得温哥华地区影像数据，其中第二个反扫条带俯仰角速度达到1.5(°)/s，成像面积达到6300 km2。图6为北京三号卫星对温哥华地区三条带正南正北覆盖图。图7为三条带正南正北其中反扫(中间)条带局部。

图6 北京三号对温哥华地区三条带正南正北覆盖图

图7 北京三号对温哥华地区三条带正南正北其中反扫(中间)条带局部图

3.3 垂直轨道方向正反扫成像应用情况

2021年6月16日，首次完成了垂直轨道方向的东西方向正反扫成像测试，42 s内获得旧金山地区影像数据，成像时，滚动和俯仰角速度同时达到0.8(°)/s，偏航角速度达到0.3(°)/s，成像面积达到3800 km2。图8为北京三号对旧金山地区三条带东西方向正反向推扫缩略图。图9为北京三号对旧金山地区正扫图，即从西向东正向推扫，推扫速度达1.5(°)/s，与被动推扫稳定成像没有区别。图10为北京三号对旧金山地区反扫图，即从东向西反向推扫，推扫速度达1.5(°)/s，正反扫没有任何区别。

图8 北京三号对旧金山地区三条带东西方向正反向推扫缩略图

图9 北京三号对旧金山地区正扫图的局部

图10 北京三号对旧金山地区反扫图的局部

3.4 多条带拼幅成像应用情况

2021年6月22日，哈萨克斯坦7条带拼幅推扫成像(4条正扫+3条反扫)，一次成像幅宽达170 km，面积达15 300 km2，创造了国内商业高分辨率遥感卫星单次成像幅宽最高纪录，如图11所示。

图11 北京三号7条带拼幅推扫成像的哈萨克斯坦覆盖缩略图

3.5 星上自主任务规划技术应用情况

在飞控期间完成相机调焦和姿控调参之后，2021年6月15-18日全部使用星上自主任务规划，完成所有传统敏捷成像模式和沿任意航迹成像新模式的成像任务规划，且13种成像工作模式任意组合，全部成功。图12为北京三号卫星利用星上任务规划实现一轨40点目标观测成像任务。

图12 北京三号基于星上任务规划的一轨40点目标成像

4 达到的技术水平

4.1 技术指标国际对标情况

CAST3000平台突破了以高精度、高敏捷、高自主、长寿命、高可靠为特征的敏捷小卫星相关技术，该平台对标法国Pleiades卫星平台，在国际上具有竞争力，如表1所示。

表1 CAST3000平台卫星国际对标

2019年前后，国际宇航市场光学遥感卫星平台开始升级，美国升级为WorldView-4平台(2019年)，法国Pleiades卫星平台升级为Pleiades NEO卫星平台(2021年4月)。同样，CAST3000平台升级为CAST3000E平台，2021年6月11日平台首飞成功。通过持续的技术创新，CAST3000E卫星平台的敏捷机动能力和稳像水平达到国际领先，如表2所示。

表2 CAST3000E平台卫星国际对标

4.2 实际能力国际对标情况

除了平台指标外，实际应用能力代表了卫星综合能力，在卫星遥感应用市场上实际意义更大。CAST3000E平台首发星北京三号在传统敏捷成像即被动推扫成像能力和任意航迹成像即主动推扫成像能力两方面都独占鳌头。

1)传统敏捷成像能力

由于CAST3000E平台的应用，使北京三号卫星传统敏捷成像能力跨代提升。传统敏捷成像模式包括同轨多点目标、两视立体、三视立体、同轨多角度成像、多条带拼接等被动推扫模式。

北京三号卫星传统敏捷成像图像获取能力全面超过WorldView-4卫星，WorldView-4姿态机动能力为3.5(°)/s，北京三号为6(°)/s(最高角速度测试达到10(°)/s，接近其2倍，推测同轨多点目标、同轨多角度成像、多条带拼接成像能力是WorldView-4的近2倍。公开资料显示，WorldView-4一轨获得图像面积为50 000 km2左右。2021年6月16日，北京三号卫星在轨完成4个5条带传统敏捷成像测试，成像区域分别是俄罗斯、沙特、津巴布韦和坦桑尼亚，每次约112 s影像面积约8900 km2。以此推算，北京三号卫星实际一轨15 min内可完成8个5条带成像，成像面积8900 km2×8=71 200 km2。

2)任意航迹动中成像新模式

CAST3000E平台是国际上第二款具备任意航迹成像的遥感卫星平台，北京三号卫星首次全面完成了任意航迹单斜条带、任意航迹斜条带拼接、东西方向斜条带拼幅(正反向)、正南正北(正反向)成像等主动推扫成像新模式，这些基于CAST3000E平台的成像新模式极大丰富了用户的应用和使用效率。由于“三超”平台的使用，真正实现了运动中超稳定超精度，所有主动推扫成像跟被动推扫成像图像质量没有区别。由于具备正反推扫能力，动中成像新模式图像获取能力极大增加。

任意航迹斜条带拼接可达7条带以上，长度700 km以上(如沿长江流域、G7京新高速等成像)。正南正北(正反向)成像一轨15 min可进行6次7条带成像，每个条带长100 km，宽22 km，成像面积达100 km×22 km×7×6=92 400 km2的图像。

5 结束语

敏捷卫星的技术水平是高分辨率光学遥感卫星技术水平重要体现。经历10年发展，以CAST3000平台和CAST3000E平台为代表的两代敏捷卫星技术水平实现了从跟跑到赶超，跨代提升中国高分辨率遥感卫星数据供给能力，对中国航天遥感技术的发展具有极强的技术引领和推动作用。