我国最高“天眼”突破遥感卫星技术5个首次
来源: 人民网    时间:2016/03/20

    备受瞩目的高分四号卫星自2015年12月29日成功发射以来,经历了为期一周的太空旅行,并于近日在距地球36000公里的太空“安营扎寨”,睁开了当今观测地球的最高“天眼”。2016年1月5日,高分四号卫星为祖国发来了亲自拍摄的第一张“明信片”。记者从抓总研制高分四号卫星的航天科技集团公司五院了解到,该卫星在轨正常运行,正在进行载荷测试,成像效果良好,达到预期目标。这代表着,我国突破了地球同步轨道遥感卫星五大关键技术。
    遥感卫星总体设计技术首攀高轨之峰
    总体设计是卫星研制工程的“龙头”。而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。与低轨道相比,高轨道光学遥感卫星设计技术面临着众多新难题。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。与通信、导航卫星领域的“高轨兄弟”相比,高轨道遥感卫星设计又面临着高稳定度的要求,确保在任何时候拍照都不能“发抖”。这一切,都为高分四号的系统设计带来了极大的难度和挑战性。
    面对各种难题,高分四号卫星总指挥兼总设计师李果认为:“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,总体设计人员在没有在轨飞行先例、没有成熟的技术体制可供借鉴的情况下,他们巧妙应对了成像质量保障、卫星构型设计、工作模式设计、微振动等带来的一系列挑战,突破了总体设计关键技术,设计出高水准的卫星总体方案,圆满完成了高分四号卫星的设计工作,并形成了我国首个高轨道遥感卫星平台。高分四号的成功定点和在轨运行表明,我国遥感卫星总体技术首次登上高轨道的山峰,为“站得高、看得广、拍得棒”提供了坚实的系统保障。
    控制技术首次突破高轨“又快又稳”难关
    与地球静止轨道通信卫星处于相对静止状态不同,高分四号在高轨道遥感卫星承担着对地球进行遥感观测的使命。高分四号卫星在瞄准观测目标时既要“动如脱兔”、迅速对准,又要瞬间稳定、“静若处子”般地拍照。因此,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,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,使其得以从容地规划整个拍摄过程,在更短的时间内拍摄更多清晰的照片。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。他们研制成功了“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,使转动平滑了许多。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,从而实现姿态调整。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。
    首次掌握高轨遥感卫星长寿“基因”
    高分四号卫星需满足在轨8年的使用要求,是我国目前设计寿命最长的遥感卫星。为掌握高轨遥感卫星的长寿“基因”,研制人员潜心钻研,全方位助推高分四号“延年益寿”。
    研制人员针对高分四号特有的使用模式,在系统层面上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,提出了一系列设计与验证方法,全面增强高分四号的“抵抗力”。为了让高分四号卫星在午夜时分不受太阳的暴晒,避免相机受晒影响成像功能,设计人员提出了“阳光规避”模式,由控制系统自动躲避太阳,保护相机。为使高分四号卫星具备较强的抗辐照能力,很多原来应用于低轨卫星上的电子学单机以及光学膜系需要重新进行抗辐照设计,提升了空间环境适应能力。
    此外,研制人员严格控制加工精度和质量,精打细磨,开展了一系列星上部件长寿命试验验证,确保高分四号的各样“器官”健康强壮。功夫不负有心人,他们最终突破了地球同步轨道遥感卫星长寿命高可靠技术。
    打造首个高稳定一体化“三脚架”
    高分四号卫星因其“站得高、看得清”,携带的相机口径很大。而“大炮筒”一般的相机如不能安装在合适的“三脚架”上,将会成像模糊。因此,高稳定一体化结构技术成为一项必须突破的关键技术。
    研制人员没有采用传统的分体式,而是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”。这一结构能够给相机提供更稳定的支撑,却给生产厂家制造了难题。首次生产一体化结构,技术流程和工艺方案均不明确。为此,他们精心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。直到图像清晰、质量优越的照片呈现在大家面前时,研制者们才松了一口气。
    首次具备高轨复杂条件下拍摄精品的能力
    为更好地适应高轨恶劣的空间环境,确保成像质量,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”,比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。而高分四号相机,也当之无愧地成为我国首台高轨高分辨率相机。
    与高分一号、高分二号卫星相机相比,能够灵活调整积分时间的高分四号相机更像是一台“单反相机”,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。此外,高分四号卫星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,保证了红外探测器在高轨道上的首次成功应用。
    明眸善睐,四野风云尽在掌握。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。(记者赵竹青、潘晨、杨艳、薛英民)