與衛(wèi)星“共舞”——讓“自拍”更快、更穩(wěn)、更清、更準

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高分超敏捷動中成像技術(shù)能大幅提升對地觀測衛(wèi)星獲取觀測信息的時效性、精準性，為高分遙感應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)。

文/趙艷彬 徐毅

趙艷彬，上海衛(wèi)星工程研究所研究員、副所長，上海市優(yōu)秀技術(shù)帶頭人，主要從事衛(wèi)星總體設(shè)計、衛(wèi)星動力學(xué)與控制等研究工作。

徐毅，上海衛(wèi)星工程研究所高級工程師、項目主要參與人員。

坐在衛(wèi)星上照相

——給地球來個“自拍”

1957年，蘇聯(lián)發(fā)射了世界第一顆人造衛(wèi)星，徹底改變了千百年來人類只能從地球表面進行局部觀測的歷史。此后，相繼發(fā)展起來的氣象、資源、海洋衛(wèi)星等均以“拍照”為觀察手段，從外部空間對地球進行觀測，簡單來講可以理解為“坐在衛(wèi)星上照相”。這些衛(wèi)星被統(tǒng)稱為對地觀測衛(wèi)星，它們拍攝的一張張“幅員遼闊”的照片蘊含著海量的空間信息。

目前，已有多國建立了面向各種應(yīng)用的多個空間對地觀測系統(tǒng)，構(gòu)成了對陸地、海洋、大氣等各個層面的全方位立體觀測體系，在維護國家安全、促進經(jīng)濟建設(shè)和推動技術(shù)發(fā)展等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展以及對衛(wèi)星影像分辨率更高的追求，太空相機已經(jīng)具備亞米級分辨率的“拍照”能力。近年來，中國加大空間基礎(chǔ)設(shè)施、高分對地觀測專項等的建設(shè)實施，衛(wèi)星影像分辨率已經(jīng)優(yōu)于0.5米，相當(dāng)于從上海佘山看向東方明珠，能夠看清1個乒乓球大小的區(qū)域，與國際最先進的技術(shù)水平相當(dāng)。

“磁懸浮”衛(wèi)星

——地球“自拍”，我們是專業(yè)的

隨著地球“自拍”分辨率不斷提升，對衛(wèi)星的防抖提出了更嚴格的要求。雖然太空本身是非?！鞍察o”的環(huán)境，但是衛(wèi)星正常運行時，往往會存在一些擾動。例如，為了保證正常供電，衛(wèi)星需要配置長長的“翅膀”——太陽能帆板。衛(wèi)星稍微一晃動，“翅膀”就跟著顫顫悠悠地晃。由于太空中不存在空氣阻力，這個顫顫悠悠可能得持續(xù)很久才能安穩(wěn)下來。又如，為了保證衛(wèi)星能夠正常轉(zhuǎn)向，衛(wèi)星需要配置姿態(tài)執(zhí)行機構(gòu)，典型的執(zhí)行機構(gòu)包括“飛輪”“力矩陀螺”等?！帮w輪”顧名思義，就是持續(xù)轉(zhuǎn)動的輪子，它仿佛是一臺正在運轉(zhuǎn)的電動機。大家都知道電動機在運轉(zhuǎn)時，常常會有振動并伴隨“嗡嗡”的響聲?？偠灾?，為了實現(xiàn)更好、更專業(yè)的“自拍”，必須解決衛(wèi)星的振動問題，讓太空相機處于穩(wěn)定的拍照環(huán)境。

傳統(tǒng)衛(wèi)星的穩(wěn)定防抖措施是采用類似給相機支三腳架的方法，這樣可以被動提升拍照的穩(wěn)定性，但依然無法完全隔絕微小抖動對太空相機的影響。為滿足衛(wèi)星防抖的超穩(wěn)定需求，上海衛(wèi)星工程研究所團隊采用“磁懸浮”技術(shù)，巧妙地將抖動源頭與相機分離。拍照時，衛(wèi)星上的振動部件在物理上并不接觸太空相機，各種干擾源被無形的磁場主動隔離，拍照指令和圖像信息都通過無線的方式在衛(wèi)星與相機之間傳遞，衛(wèi)星給地球拍照再也不用擔(dān)心“手抖”了。

衛(wèi)星上的振動部件

振動導(dǎo)致的模糊衛(wèi)星影像（左）與清晰衛(wèi)星影像（右）

具體來講，“磁懸浮”衛(wèi)星采用全新的兩艙可分離式構(gòu)型設(shè)計理念和方法。為實現(xiàn)微振動的有效隔離，需要將衛(wèi)星上除空間相機之外的靜態(tài)和活動部件分艙布局。衛(wèi)星的載荷艙中布置空間相機、光纖陀螺、星敏感器等靜態(tài)部件；衛(wèi)星的服務(wù)艙與傳統(tǒng)衛(wèi)星的設(shè)計方法基本一致，除保證衛(wèi)星的能源以及信息等供應(yīng)外，太陽翼、飛輪等活動部件以及推力器、天線等振動源都統(tǒng)一安裝在其中。在軌穩(wěn)態(tài)運行時，載荷艙與服務(wù)艙在空間上徹底物理分離，呈現(xiàn)出非接觸相對懸浮狀態(tài)，實現(xiàn)載荷艙與服務(wù)艙干擾源的空間隔離，從而有效隔離服務(wù)艙微振動和撓性振動對載荷艙載荷指向控制的干擾。這樣的設(shè)計為空間相機的高精度控制創(chuàng)造優(yōu)越的動力學(xué)條件，使衛(wèi)星在不同任務(wù)階段尤其是在軌穩(wěn)態(tài)運行階段可以很好地適應(yīng)復(fù)雜的動力學(xué)環(huán)境。

采用兩艙可分離式構(gòu)型設(shè)計的“磁懸浮”衛(wèi)星

超敏捷動中成像

——超敏捷、高平穩(wěn)、快速穩(wěn)定的攝影大師

隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，新一代空間信息獲取除了要求具備高分辨率之外，還需要滿足其他新要求，如空間觀測能夠更加靈活、更加高效。傳統(tǒng)衛(wèi)星在成像觀測時，面臨兩個固有的限制，無法適應(yīng)后續(xù)觀測任務(wù)的突發(fā)性和多樣性要求：一是衛(wèi)星姿態(tài)機動過程中無法成像，必須機動到位并穩(wěn)定后才能成像，時間上損失了觀測的時效性；二是成像觀測過程中不能姿態(tài)機動，如推掃成像時，觀測區(qū)域平行于飛行方向，空間上損失了觀測的靈活性。

超敏捷動中成像是針對拍照自由需要所開發(fā)出的一種能夠自由拍照的新技術(shù)。它能夠?qū)崿F(xiàn)姿態(tài)敏捷機動過程中靈巧成像，不再受限于“機動到位才能成像”；其成像方向隨觀測任務(wù)動態(tài)調(diào)整，不再受限于“與飛行方向平行”，真正實現(xiàn)看得快、看得穩(wěn)、看得清、看得準。

上海衛(wèi)星工程研究所團隊在“磁懸浮”衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，還獲得以下進展：提出兩自由度靈巧多模式動中成像衛(wèi)星，突破傳統(tǒng)衛(wèi)星必須姿態(tài)機動到位并穩(wěn)定后才能成像的限制，實現(xiàn)姿態(tài)敏捷機“動”過程“中”高質(zhì)量“成像”（動中成像）；圍繞姿態(tài)機動“快”與“穩(wěn)”相制約、地面全鏈路驗證等效性等瓶頸問題，提出并攻克零剛度無擾式超敏捷穩(wěn)定控制、超敏捷動中成像地面全鏈路閉環(huán)模擬等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計并研制出國際首個大承載雙五自由度氣浮系統(tǒng)，完成全鏈路多層級超敏捷動中成像地面集成試驗驗證；提出結(jié)構(gòu)與慣量分離的高動態(tài)隨動控制架構(gòu)，發(fā)明零剛度無擾式超敏捷穩(wěn)定控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)空間相機與衛(wèi)星“共舞”；解決姿態(tài)機動過程中超平穩(wěn)控制的技術(shù)難題，實現(xiàn)任意軸25°/10秒，最大角速度優(yōu)于6°/秒，機動過程穩(wěn)定度優(yōu)于1×10-4 °/秒的技術(shù)指標(biāo)，達到國際領(lǐng)先水平。

上述成果已在精致高分試驗衛(wèi)星、羲和號衛(wèi)星得到應(yīng)用，對推動我國空間技術(shù)與空間科學(xué)的協(xié)同創(chuàng)新與發(fā)展影響深遠。2022年8月，羲和號衛(wèi)星成果發(fā)布，國際首次在軌獲取太陽Hα譜線、SiI（中性硅原子）譜線和FeI（中性鐵原子）譜線，光譜和時間分辨率均達到國際先進水平。

本文相關(guān)成果“超敏捷動中成像集成驗證技術(shù)”榮獲2022年度上海市技術(shù)發(fā)明獎二等獎。

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