与卫星“共舞”——让“自拍”更快、更稳、更清、更准

上海科技奖励研究成果科普化特别报道

高分超敏捷动中成像技术能大幅提升对地观测卫星获取观测信息的时效性、精准性，为高分遥感应用奠定坚实的基础。

文/赵艳彬 徐毅

赵艳彬，上海卫星工程研究所研究员、副所长，上海市优秀技术带头人，主要从事卫星总体设计、卫星动力学与控制等研究工作。

徐毅，上海卫星工程研究所高级工程师、项目主要参与人员。

坐在卫星上照相

——给地球来个“自拍”

1957年，苏联发射了世界第一颗人造卫星，彻底改变了千百年来人类只能从地球表面进行局部观测的历史。此后，相继发展起来的气象、资源、海洋卫星等均以“拍照”为观察手段，从外部空间对地球进行观测，简单来讲可以理解为“坐在卫星上照相”。这些卫星被统称为对地观测卫星，它们拍摄的一张张“幅员辽阔”的照片蕴含着海量的空间信息。

目前，已有多国建立了面向各种应用的多个空间对地观测系统，构成了对陆地、海洋、大气等各个层面的全方位立体观测体系，在维护国家安全、促进经济建设和推动技术发展等方面发挥着越来越重要的作用。

随着卫星技术的发展以及对卫星影像分辨率更高的追求，太空相机已经具备亚米级分辨率的“拍照”能力。近年来，中国加大空间基础设施、高分对地观测专项等的建设实施，卫星影像分辨率已经优于0.5米，相当于从上海佘山看向东方明珠，能够看清1个乒乓球大小的区域，与国际最先进的技术水平相当。

“磁悬浮”卫星

——地球“自拍”，我们是专业的

随着地球“自拍”分辨率不断提升，对卫星的防抖提出了更严格的要求。虽然太空本身是非常“安静”的环境，但是卫星正常运行时，往往会存在一些扰动。例如，为了保证正常供电，卫星需要配置长长的“翅膀”——太阳能帆板。卫星稍微一晃动，“翅膀”就跟着颤颤悠悠地晃。由于太空中不存在空气阻力，这个颤颤悠悠可能得持续很久才能安稳下来。又如，为了保证卫星能够正常转向，卫星需要配置姿态执行机构，典型的执行机构包括“飞轮”“力矩陀螺”等。“飞轮”顾名思义，就是持续转动的轮子，它仿佛是一台正在运转的电动机。大家都知道电动机在运转时，常常会有振动并伴随“嗡嗡”的响声。总而言之，为了实现更好、更专业的“自拍”，必须解决卫星的振动问题，让太空相机处于稳定的拍照环境。

传统卫星的稳定防抖措施是采用类似给相机支三脚架的方法，这样可以被动提升拍照的稳定性，但依然无法完全隔绝微小抖动对太空相机的影响。为满足卫星防抖的超稳定需求，上海卫星工程研究所团队采用“磁悬浮”技术，巧妙地将抖动源头与相机分离。拍照时，卫星上的振动部件在物理上并不接触太空相机，各种干扰源被无形的磁场主动隔离，拍照指令和图像信息都通过无线的方式在卫星与相机之间传递，卫星给地球拍照再也不用担心“手抖”了。

卫星上的振动部件

振动导致的模糊卫星影像（左）与清晰卫星影像（右）

具体来讲，“磁悬浮”卫星采用全新的两舱可分离式构型设计理念和方法。为实现微振动的有效隔离，需要将卫星上除空间相机之外的静态和活动部件分舱布局。卫星的载荷舱中布置空间相机、光纤陀螺、星敏感器等静态部件；卫星的服务舱与传统卫星的设计方法基本一致，除保证卫星的能源以及信息等供应外，太阳翼、飞轮等活动部件以及推力器、天线等振动源都统一安装在其中。在轨稳态运行时，载荷舱与服务舱在空间上彻底物理分离，呈现出非接触相对悬浮状态，实现载荷舱与服务舱干扰源的空间隔离，从而有效隔离服务舱微振动和挠性振动对载荷舱载荷指向控制的干扰。这样的设计为空间相机的高精度控制创造优越的动力学条件，使卫星在不同任务阶段尤其是在轨稳态运行阶段可以很好地适应复杂的动力学环境。

采用两舱可分离式构型设计的“磁悬浮”卫星

超敏捷动中成像

——超敏捷、高平稳、快速稳定的摄影大师

随着技术的进一步发展，新一代空间信息获取除了要求具备高分辨率之外，还需要满足其他新要求，如空间观测能够更加灵活、更加高效。传统卫星在成像观测时，面临两个固有的限制，无法适应后续观测任务的突发性和多样性要求：一是卫星姿态机动过程中无法成像，必须机动到位并稳定后才能成像，时间上损失了观测的时效性；二是成像观测过程中不能姿态机动，如推扫成像时，观测区域平行于飞行方向，空间上损失了观测的灵活性。

超敏捷动中成像是针对拍照自由需要所开发出的一种能够自由拍照的新技术。它能够实现姿态敏捷机动过程中灵巧成像，不再受限于“机动到位才能成像”；其成像方向随观测任务动态调整，不再受限于“与飞行方向平行”，真正实现看得快、看得稳、看得清、看得准。

上海卫星工程研究所团队在“磁悬浮”卫星的基础上，还获得以下进展：提出两自由度灵巧多模式动中成像卫星，突破传统卫星必须姿态机动到位并稳定后才能成像的限制，实现姿态敏捷机“动”过程“中”高质量“成像”（动中成像）；围绕姿态机动“快”与“稳”相制约、地面全链路验证等效性等瓶颈问题，提出并攻克零刚度无扰式超敏捷稳定控制、超敏捷动中成像地面全链路闭环模拟等关键技术，设计并研制出国际首个大承载双五自由度气浮系统，完成全链路多层级超敏捷动中成像地面集成试验验证；提出结构与惯量分离的高动态随动控制架构，发明零刚度无扰式超敏捷稳定控制方法，能够实现空间相机与卫星“共舞”；解决姿态机动过程中超平稳控制的技术难题，实现任意轴25°/10秒，最大角速度优于6°/秒，机动过程稳定度优于1×10-4 °/秒的技术指标，达到国际领先水平。

上述成果已在精致高分试验卫星、羲和号卫星得到应用，对推动我国空间技术与空间科学的协同创新与发展影响深远。2022年8月，羲和号卫星成果发布，国际首次在轨获取太阳Hα谱线、SiI（中性硅原子）谱线和FeI（中性铁原子）谱线，光谱和时间分辨率均达到国际先进水平。

本文相关成果“超敏捷动中成像集成验证技术”荣获2022年度上海市技术发明奖二等奖。

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