高分二號（GF-2）衛星是我國自主研製的首顆空間解析度優於1米的民用光學遙感衛星，搭載有兩台高解析度1米全色、4米多光譜相機，具有亞米級空間解析度、高定位精度和快速姿態機動能力等特點，有效地提升了衛星綜合觀測效能，達到了國際先進水平。高分二號衛星於2014年8月19日成功發射，8月21日首次開機成像並下傳數據。這是我國目前解析度最高的民用陸地觀測衛星，星下點空間解析度可達0.8米，標誌著我國遙感衛星進入了亞米級“高分時代”。主要用戶為國土資源部、住房和城鄉建設部、交通運輸部和國家林業局等部門，同時還將為其他用戶部門和有關區域提供示範套用服務。
基本介紹
- 中文名：高分二號衛星
- 外文名：Gaofen-2 satellite
- 國家：中華人民共和國
- 研製單位：中國航天科技集團公司
- 發射時間：2014年8月19日11時15分
- 運載火箭：長征四號乙運載火箭
簡介,設計方案,研製歷程,主要用途,技術特點,套用反饋,衛星數據,
簡介
高分二號衛星是國家高解析度對地觀測系統重大專項首批啟動研製的衛星，是迄今為止我國研製的空間解析度最高、觀測幅寬最大、設計壽命最長的民用遙感衛星。其主要目的是突破亞米級高解析度大幅寬成像、長焦距大F數輕小型相機設計、高穩定度快速姿態側擺機動、圖像高精度定位、低軌道遙感衛星長壽命高可靠設計等關鍵技術，大幅提升我國遙感衛星觀測效能，打破高解析度對地觀測數據依賴進口的被動局面，推動我國高解析度對地觀測衛星及套用水平的提升，提高國家高解析度對地觀測系統重大專項工程的社會和經濟效益。
高分二號衛星發射
高分二號衛星發射設計方案
高分二號衛星基於資源衛星CS-L3000A平台開發，重量為2100kg，設計壽命為5-8年，運行軌道為高度631 km、傾角97.9°、降交點地方時上午10:30的太陽同步回歸軌道，裝載兩台1米全色/4米多光譜相機實現拼幅成像，星下點解析度全色為0.81m、多光譜為3.24m，成像幅寬為45km。設計具有180s內側擺35°並穩定的姿態機動能力，能每天成像14圈、每圈最長成像15分鐘，能實現69天內對全球的觀測覆蓋，及5天內對地球表面上任一區域的重複觀測。
星上配置容量為4.9Tbits的大容量固態存儲器，提供全色3:1壓縮、多光譜無損壓縮圖像數據的存貯，可連續存貯不少於20分鐘的圖像數據。採用X波段高速信號調製技術和高增益雙極化點波束天線，實現2×450Mbps對地圖像數據傳輸。
高分二號主要設計指標
高分二號主要設計指標衛星高精度定軌以雙頻GPS為主，配合整星設計的高精度時統，可以實現米級實時定軌。衛星高精度定姿採用“星敏感器+陀螺”聯合定姿和星敏感器直接定姿兩種方案。衛星姿控採用4個動量輪整星零動量控制和3個控制力矩陀螺CMG+動量輪控制的方案實現衛星三軸穩定對地定向和快速側擺機動，穩定度設計為不超過5e-4°/s。衛星高精度定軌、定姿和高穩定度姿控設計確保圖像平面無控制點定位精度可達50m以內。衛星設計了多種靈活的載荷工作模式，包括準實時成像傳輸模式、成像記錄模式、任意時刻回放模式等，方便用戶成像使用，提高衛星套用效能。
高分二號衛星是我國第一顆壽命要求由3年提升到5-8年的低軌道遙感大衛星。設計上大量採用耐受軌道空間嚴酷電離輻射、高能帶電粒子、高低溫交變、高真空環境的元器件，特別是高等級國產元器件和原材料，並對所有元器件、原材料採取了系統的質量保證措施；另外，還套用長壽命評定方法和技術對各關鍵單機設備開展了全面的試驗驗證，保證了蓄電池、陀螺、相機、數傳、固存等成像、圖像采編壓縮、存貯回放等重點單機的可靠性和壽命。同時基於衛星在軌使用和健康監視設計實現了關鍵單機及整星的在軌壽命保證，確保衛星壽命末期可靠度不低於0.6。
研製歷程
高分二號衛星從2010年4月啟動研製，經歷方案設計、初樣研製，於2012年6月進入正樣研製階段。2012年7月，整星正樣產品齊套，開始總裝；2012年8月一2013年8月，先後完成了整星總裝測試、電性能測試、電磁兼容試驗、微振動試驗、力學試驗、熱平衡、熱真空試驗；2013年10月，完成了衛星100小時連續無故障通電考核以及與運載火箭的接口試驗。2013年11月4日，衛星運抵太原衛星發射中心，完成了發射場測試和推進劑加注準備工作，後由於運載火箭原因，高分二號衛星推遲發射，在發射場長期貯存。發射場工作重啟後，高分二號衛星於2014年8月19日成功發射。
研製中的高分二號
研製中的高分二號主要用途
高分二號衛星是高解析度對地觀測系統重大專項首批啟動立項的重要項目之一，是目前我國解析度最高的光學對地觀測衛星，具有米級空間解析度、高輻射精度、高定位精度和快速姿態機動能力，主要用戶為國土資源部、住房和城鄉建設部、交通運輸部、林業局，同時還將為其他用戶部門和有關區域提供示範套用服務。
高分專項工程由國家國防科技工業局組織，聯合有關部門共同實施，現已取得重要階段性成果。該專項實施以來，衛星數據已為國土土地利用調查、礦產資源開發現狀調查與監測、環保大氣環境和水環境監測、農業作物估產和長勢監測、水利洪澇災害監測及水利設施監測、統計農業生產監測、地震災害監測等行業部門套用，以及北京、河北、新疆等城市精細化管理、中小城鎮開發現狀監測、區域經濟作物監測等區域套用發揮了重要作用。
高分二號衛星投入使用後，將與在軌運行的高分一號衛星相互配合，進一步完善我國高分專項建設，推動高解析度衛星數據套用，為土地利用動態監測、礦產資源調查、城鄉規劃監測評價、交通路網規劃、森林資源調查、荒漠化監測等行業和首都圈等區域套用提供服務支撐。
技術特點
高分二號衛星作為我國首顆解析度達到亞米級的寬幅民用遙感衛星，其在設計上具有諸多創新特點，在產品實現上做到完全自主可控，關鍵單機全部自研，是部件、單機國產化程度最高的遙感衛星，國產化率達到98%以上。
- 亞米級、大幅寬成像技術
高分二號衛星配置的兩台相機，採用長焦距、大F數、輕小型化光學系統設計，焦距達到7.8m, F數15，均為我國在軌遙感衛星中最大值；採用全色和多光譜五譜合一的TDI CCD器件，以推掃的方式實現對地面景物成像，以器件拼接方式實現單台相機2.1°的視場角，通過兩台相機拼幅，進一步擴大視場，使星下點地面像元解析度達到全色0. 81m、多光譜3 . 24m，觀測幅寬達到45.3km，在亞米級高解析度衛星中幅寬達到世界最高水平。
兩台相機拼幅成像示意圖
兩台相機拼幅成像示意圖- 寬覆蓋、高重訪率軌道最佳化設計
通過運行軌道、側擺機動等參數最佳化設計，高分二號衛星的傾角為97.9°、回歸周期為69天的運行軌道，可以保證對地球南北緯80°之間廣大區域的觀測覆蓋，一個回歸周期內運行1021圈，可完成全球無縫覆蓋。在衛星側擺±23°的情況下，即可實現全球任意地區重訪周期不大於5天，在衛星側擺±35°的情況下，重訪周期還將進一步縮小。衛星寬覆蓋特性及重訪率均達到我國遙感衛星領先水平。
- 高穩定度快速姿態側擺機動控制技術
高分二號衛星為國內首顆配置全國產化高精度APS星敏感器的衛星，執行機構採用控制力矩陀螺CMG和動量輪的混合配置方式，實現衛星的快速姿態側擺機動和穩定控制。通過星敏感器單機級算法改進、系統級姿態確定算法和控制算法的最佳化設計，首次依靠全國產化部件實現了高精度、高穩定度的姿態控制。在軌實測數據表明，衛星姿態穩定度可以達到1.5e-4°/s，姿態確定精度達到0.0025°。通過設計精確的操控律，採用“儘量避免激勵撓性振動”這一約束下的姿態快速機動、快速穩定控制方法，高分二號衛星在軌實現了150s之內側擺機動35°並穩定，為目前國內遙感衛星的最高水平。
- 圖像高定位精度設計
為滿足用戶定量化套用的要求，高分二號衛星採用了多項提高圖像定位精度的措施，其中整星高精度時統方案確保了時間同步精度誤差不超過50μs，使成像時相機、控制和測控GPS等工作在統一的時間基準下；國產高精度星敏感器直接定姿和星敏感器+陀螺聯合定姿等多種高精度姿態測量方案，以及星敏和相機一體化安裝和高精度溫控，使得能精確獲得衛星成像指向；專門的微振動減隔振裝置抑制微振動影響，確保成像指向穩定性。多種措施使軌道測量、姿態測量等多項與圖像定位精度相關的指標達到國際先進水平，其中軌道測量精度達到在軌實時10m、事後0.5m，姿態測量精度達到0.003°。在軌圖像測試初步評定表明，無控制點定位精度達到20-35m，優於50m設計指標，達到國際先進水平。
- 圖像高輻射質量設計
高分二號衛星針對圖像輻射質量提升採取了多項保證措施，相機光學系統和成像電路進行調製傳遞函式MTF最佳化設計，在小相對口徑情況下實現了高的MTF數，奈奎斯特頻率處，靜態MTF全色譜段不低於0.12、多光譜不低於0.2,在軌動態MTF不低於0.1。在圖像採樣10bit量化的基礎上，首次採用內遮光罩進一步改進雜散光抑制，採用高精度低溫焦面電路和CCD控制等措施降低電子學噪聲，採用格雷碼編碼降低系統噪聲，確保圖像信號噪聲儘可能小，信噪比在各種太陽高角度、地面反照條件下，全色達到23-43dB、多光譜達到25-43dB，均為國內衛星領先水平。
為適應地表不同區域複雜成像光照條件，設計了動態範圍寬、線性度好，成像級數和增益均多檔可調方案，具有5檔調整功能，且各譜段可單獨進行增益調整，積分級數可1-96級調整，使系統動態範圍達到20-800DN值，線性度優於3%。經在軌測試直方圖統計，灰度分層值分布廣、圖像信息豐富，目視效果優異，達到國際同類衛星先進水平。
- 輕小型相機設計技術
高分二號衛星相機光學系統設計首次採用小相對孔徑(F數15)三反同軸方案，相機口徑較大減小，通過主次鏡間距及折鏡角度的最佳化設計，獲得了更大的焦長比(焦距與光學系統長度之比)；首次採用析架支撐+阻尼隔振的主支撐結構設計，確保相機更高的穩定性和火箭主動段抗力學環境能力，使得相機結構更緊湊、體積更小、重量更輕；相機主反射鏡、鏡筒等採用新型陶瓷基碳纖維複合材料，在獲得極低膨脹率保證相機機構穩定的同時，進一步減輕了相機重量；與傳統設計相比，相機體積和重量減小約1/20相機採用三鏡調焦方式以及五譜合一TDI CCD器件的方案，與國外同類相機相比，還使焦面組件、三鏡組件及調焦機構的尺寸及重量較大減小，輕小型狀態達到國際先進水平。
- 高集成度、高動態低噪聲成像電路設計
為適應相機輕小型設計，相機成像電路採用了先進的高動態低噪聲高集成度設計技術。針對相機電子學焦平面多色CCD器件拼接而成、像元數多、行速率高、CCD工作頻率達到10MHz,圖像原始數據率達到2Gbps、信噪比和時統精度要求高、器件功耗大等特點，同時需要適應多模式的工作狀態，相機成像電路採用了定製的高度集成的五譜合一TDI CCD器件，提高了器件光電轉換效率和MTF指標。衛星上首次使用TLK2711高速串列數據接口技術，實現圖像數據高速傳輸，並採用了高效圖像壓縮算法；降噪設計主要採用了低噪聲焦面CCD及讀出電路設計技術、焦面CCD時序控制及驅動設計技術、變速率時序信號產生與控制技術、高動態信號處理技術和自適應圖像處理及傳輸設計技術；為解決CCD器件暗電流變化對圖像像質的影響，同時可以增加系統的動態範圍，提高圖像質量，將CCD工作溫度設定在-5~10度之間，在軌實際溫度在-2~5度之間，使CCD信號中的暗信號部分得到有效的抑制。上述措施實現了成像電路的高集成度、高動態低噪聲設計，大大降低了信號噪聲水平，有效保證了相機成像信號質量。
- 載荷多種靈活工作模式設計
為滿足用戶使用要求，高分二號衛星設計了成像傳輸、成像記錄和數據回放等多種靈活載荷工作模式。在相機成像且衛星可與地面數據接收站進行數據傳輸作業時，衛星進行成像傳輸。成像傳輸模式又可分為準實傳、全色圖像實傳和多光譜圖像實傳三種模式。其中，準實傳模式為高分二號衛星在軌常規成像模式，全色圖像實傳模式和多光譜圖像實傳模式為特殊成像模式，主要用於試驗或存儲系統故障的應急情況。
在數傳無法與地面站進行數據傳輸作業時，衛星可工作在成像記錄模式，將相機成像的圖像數據、輔助數據以及服務系統數據等實時記錄在固態存儲器中。在衛星可與地面數據接收站進行數據傳輸作業時，衛星可將存儲在固態存儲器中的數據回放至地面站。此時衛星工作在數據回放模式，根據回放數據類型的不同，數據回放模式又可分為圖像數據回放模式和服務系統數據回放模式。
對於成像傳輸和數據回放模式，高分二號衛星和地面數據接收站進行數據傳輸作業時，依據地面站情況不同，可以單站接力傳輸、雙站接力傳輸和移動站接收。多種靈活的載荷工作模式方便用戶使用衛星和接收數據，進一步提高了衛星使用效能。
- 智慧型化的在軌健康檢測和故障處理能力
高分二號衛星具有智慧型化的星上自主管理能力，包括蓄電池充電自主控制、蓄電池放電深度安全控制、載荷強制關機、衛星姿態異常應急控制等多種在軌安全控制策略。同時，針對一般、緊急、致命三種不同程度故障分別建立了故障自主處理機制，提高了衛星在軌生存能力和可靠性。高分二號衛星還具備中繼衛星測控能力，天地配合擴大測控覆蓋率近一倍，提高了對衛星的監控能力，有效保證了衛星運行。另外，在軌工作策略的最佳化設計，也使蓄電池、控制系統動量輪、CMG、太陽翼驅動機構、數傳天線等工作強度和應力環境得到合理平衡，避免早期失效問題的發生，確保壽命滿足設計指標要求，使得我國低軌遙感衛星長壽命設計技術首次達到國際先進水平。
套用反饋
- 首批公布衛星影像圖
2014年9月29日中國國家國防科技工業局對外公布中國首批亞米級高解析度衛星影像圖，充分展示了高分二號衛星在國土資源監測、礦產資源開發、城市精細化管理、災區恢復重建等眾多方面的廣泛套用潛力。
據了解，高分二號衛星是中國自主研製的首顆空間分辨優於1米的民用光學遙感衛星，觀測幅寬達到45公里，在亞米級解析度國際衛星中幅寬達到最高水平，同時具備快速機動側擺能力和較高的定位精度，有效地提升了衛星綜合觀測效能。首批高分二號衛星影像圖綜合考慮了地域分布、地物類型、目標關注度和高分二號衛星主要用戶部門測試與示範套用需求等因素，共發布1米全色、4米多光譜、1米全色與4米多光譜融合3類15幅，包括北京市區、上海市區、克拉瑪依市區和崑崙山天池、雲南省魯甸災區等衛星影像。該批圖像紋理清晰、層次分明、信息豐富。
- 協助厄瓜多地震救援
國家航天局宣布，應厄瓜多國防部下屬航天研究院請求，中方在2016年4月20日向其提供了25景高分二號衛星獲取的災區震後影像圖和13景災區震前影像圖，為厄瓜多及時掌握災情，開展救援工作提供了信息支持。
接到厄瓜多方面請求後，國家航天局迅速啟動民用遙感衛星應急觀測與信息支持工作機制，協調中國資源衛星套用中心等部門，緊急調動高分二號衛星對厄瓜多受災地區進行觀測。4月19日，高分二號衛星獲取了25景受災地區影像圖。影像圖圖像清晰，層次分明，清晰反映了震區受災情況。
後續，國家航天局將組織專家對影像圖進行分析研判，協助厄瓜多開展救災活動。國家航天局還將安排高分一號、二號衛星繼續對受災地區再次進行拍攝成像。
民用遙感衛星應急觀測與信息支持工作機制是國家航天局在總結馬航失聯客機衛星遙感搜尋工作基礎上組建的。該機制將充分利用國內外遙感衛星資源，為應急工作快速有效地提供信息服務。
衛星數據
| 參數 | 指標 |
|---|---|
軌道類型 | 太陽同步回歸軌道 |
軌道高度 | 631km |
軌道傾角 | 97.9080° |
降交點地方時 | 10:30 AM |
回歸周期 | 69 天 |
| 載荷 | 普段號 | 普段範圍 (um) | 空間解析度 (m) | 幅寬 (km) | 側擺能力 | 重訪時間 (天) |
|---|---|---|---|---|---|---|
全色多光譜相機 | 1 | 0.45 ~ 0.90 | 1 | 45 (2台相機組合) | 正負 35。 | 5 |
2 | 0.45 ~ 0.52 | 4 | ||||
3 | 0.52 ~ 0.59 | |||||
4 | 0.63 ~ 0.69 | |||||
5 | 0.77 ~ 0.89 |
