“高分四号”发射成功 突破多项关键技术

今天0时4分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射高分四号卫星。至此,我国2015年19次航天发射任务全部成功,中国航天“十二五”发射任务圆满收官。

作为我国高分辨率对地观测民用系列卫星的重要组成部分,由航天科技集团五院抓总研制的高分四号卫星是一颗高轨道(即地球同步轨道)高分辨率光学遥感卫星。这是我国高分辨率光学遥感卫星研制领域第一次向高轨道进军,填补了我国乃至世界高轨道高分辨率光学遥感卫星的空白。

近年来,欧洲也在进行高轨道遥感卫星的技术论证,但由于国土面积较小,他们对于“站得更高、看的更广”的需求并不迫切。我国由于国土面积幅员辽阔,气象观测、抢险救灾、环境保护、国土普查等等对高轨道光学遥感卫星需求非常强烈,由此催生了地球同步轨道光学遥感卫星研制工程的实施——高分四号卫星,高轨道光学遥感卫星的“首发星”。

“五大不同”辨高低

据研制人员介绍,与低轨道遥感卫星相比,“高分四号”卫星具有五个不同之处。

一是空间环境不同。以往发射应用的遥感卫星都是运行在距地球500千米左右的低轨道和1000千米左右的中轨道,而高分四号卫星则运行在距地球36000千米高的高轨道。高轨道电磁环境恶劣,温差变化大,对卫星抗辐照能力和热控设计提出了更高的要求。

二是成像体制不同。以往我国发射的低轨遥感卫星采取的是线阵推扫方式,就像复印机一样,以一条线推扫出画面来。而高分四号卫星采取的是面阵凝视方式,拍照时就像家用照相机,“咔嚓”一声就拍出一张整幅照片。采用面阵凝视方式,易于实现“机动—凝视”的工作模式,可在短时间内对目标区域进行高频重复凝视观测,时间分辨率高,从而获取目标区域的动态变化过程数据,这一能力对于遥感卫星应用而言是全新的。

三是工作模式不同。针对多方面的任务需求和全新的载荷成像方式,高分四号卫星设计了单景凝视、区域拼接、机动巡查等多种与中低轨道遥感卫星完全不同的全新工作模式,通过采用我国自主研发的高精度敏感器和大力矩输出执行机构,实现整星快速机动和高稳定控制,完成对运动目标持续监视、大范围区域目标快速成像以及多个热点地区的交替巡查。

四是相机规模不同。高分四号卫星配置目前我国口径最大的面阵凝视相机,首次采用可见光近红外与中波红外共口径技术,首次采用国产脉冲管制冷机,首次在工程上实现大口径静止轨道遥感相机热控方案,保证图像质量。

五是设计寿命不同。以往遥感卫星一般要求设计寿命三至五年,而高分四号卫星则要求整星设计寿命长达八年,是我国目前设计寿命最长的遥感卫星。

高低轨遥感卫星协同工作时代来临

一部精美的电影,需要多机位协同拍摄——广角、微距等镜头各司其职,才能为观众呈现震撼的“大片”。遥感卫星作为太空中的“摄影师”,也需要这种协作,以便将大现象和小细节均完美呈现于用户。高分四号卫星的成功发射,开启了高低轨遥感卫星协同工作的时代。

由于距离地面更高,高轨道光学遥感卫星的视野更为开阔,在拍摄“大场面”时更具优势。“在地球同步轨道,高分四号卫星可利用长期驻留固定区域上空、快速指向调整能力等优势,在第一时间、持续高频率获取观测数据。”高分四号卫星总指挥兼总设计师李果介绍。

低轨道遥感卫星由于运行速度快,其灵活性和细节拍摄能力更强。当高低轨遥感卫星“强强联合”,就能使用户既能迅速地“见森林”,又能准确地“见树木”。

例如,对灾害的观测,低轨道卫星由于轨道高度低,过境时间短,回归周期长,对感兴趣的地区持续观测能力有限。自然灾害瞬息万变,等卫星再次回归观测,灾害的发展态势可能已发生了变化。而“高分四号”卫星由于运行在地球同步轨道,则可以连续的提供灾害发展变化的信息,为有关部门应对灾害事件、减灾救灾提供实时数据支持。

最高“天眼”突破我国遥感卫星技术五个“首次”

由航天科技集团公司五院抓总研制的“高分四号”卫星运行在距地球36000公里的太空,被誉为当今观测地球的最高“太空眼”。这意味着,我国有望突破地球同步轨道遥感卫星总体设计、控制技术、长时间在轨运行、高稳定一体化结构以及高轨高分辨率相机等五大关键技术。

总体设计是卫星研制工程的“龙头”。进行高轨道高分辨率光学遥感卫星设计,在世界上尚没有工程实施的先例,面临着众多新难题。例如,如何应对空间辐照、百度温差等温度交变的轨道环境考验,与低轨道卫星相比如何在距地球几十倍远的太空保持“好视力”等等。李果认为:“巩固传统遥感领域优势,勇于开拓高轨遥感新方向,同步提升系统总体设计与项目管理能力,一直是我们研制团队的目标。”在他的带领下,来自五院总体部的总体设计人员在没有成熟技术可供借鉴的情况下,突破了总体设计关键技术,设计出高水准的卫星总体方案。

而姿态快速机动与高稳定控制是该卫星的关键技术之一。为此,五院502所的技术人员突破了“小角度快速机动技术”,为“高分四号”安装了四个大力矩动量轮。研制人员还采取了全方位的“维稳”措施,从卫星平台的两大活动部件飞轮和太阳帆板驱动机构着手,把振动减到了最小。同时,“微步细分”太阳帆板驱动机构,以小步快跑避免了大跨步前进引起的振动干扰,使转动更加平滑。而为了实现快速机动,新研制了“大力矩飞轮”,通过加速或者减速产生反作用力,实现姿态调整。大力矩飞轮因其具有输出力矩大、控制精度高、寿命长、重量轻、使用便捷等特点,为我国航天器实现长寿命、高精度、快速机动提供了新的技术途径。

为“高分四号”卫星需满足在轨8年的使用要求,研制人员潜心钻研,全方位助推其“延年益寿”。五院研制人员深入分析了对卫星平台、有效载荷寿命和可靠性的影响,并对地球同步轨道卫星的空间环境进行了深入研究,全面增强“高分四号”的“抵抗力”。例如,为应对午夜时分太阳暴晒,设计人员提出了“阳光规避”模式,由控制系统自动躲避太阳;为应对辐照,研制人员对原来应用于低轨卫星上的电子学单机以及光学膜系进行了抗辐照设计,提升了空间环境适应能力。

由于“高分四号”卫星携带相机口径大,为避免成像模糊,高稳定一体化结构技术也是一项必须突破的关键技术。五院总体部研制人员首次采用了一体化结构,创新设计了一个在太空中“零变形”的“三脚架”。在生产过程中,五院529厂设计出一套新型组合式工装,不仅可以一次成型复杂的结构,而且能够同时保证异型结构每一个平面的精度。此外,他们首次采用冷热交变的方式,释放复合材料结构内部的应力,使“三脚架”更加稳固。

在成像质量方面,为更好地适应高轨恶劣的空间环境,负责“高分四号”卫星相机研制的508所在高分相机家族中创造了多个“第一”,如第一次采用亿级像元数的可见光器件以及百万级像元的中波红外器件,第一次采用大面阵凝视成像体制,第一次采用中波红外与可见光共口径的光学设计等,使“高分四号”相机,当之无愧地成为我国首台高轨高分辨率相机。能够灵活调整积分时间的“高分四号”相机可实现大动态范围成像和使用长积分时间实现对暗目标的观测,还可以对动态目标的运行轨迹、趋势进行捕获,成为一个“准摄像机”。

为此,研制人员根据高轨道遥感卫星成像特点,梳理成像链路中对图像质量产生影响的因素,分析各类因素的影响机理,并通过仿真方法分析各因素对图像质量的影响。此外,开展了卫星成像参数优化、高轨道图像辅助数据设计等一系列,突破了复杂成像条件下高轨遥感卫星的成像质量保障技术。

此外,大面阵红外探测器,系我国首次研制。研制人员开展了一系列高轨道红外探测器的关键技术攻关,确保红外探测器即将在高轨道上的首次成功应用。

在研制人员们看来,“高分四号”卫星在太空中睁开“慧眼”,不仅可以满足减灾、气象、地震、林业等应用需求,还将为我国“同时具有高空间分辨率和高时间分辨率光学遥感”技术发展开启新征程。(通讯员 潘晨 杨艳、薛英民 本报记者 甘晓)


文章来自: 科学网
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