與衛(wèi)星“共舞”——讓“自拍”更快、更穩(wěn)、更清、更準

上海科技獎勵研究成果科普化特別報道

高分超敏捷動中成像技術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，為高分遙感應用奠定堅實的基礎。

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)秀技術帶頭人，主要從事衛(wèi)星總體設計、衛(wèi)星動力學與控制等研究工作。

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用的多個空間對地觀測系統(tǒng)，構成了對陸地、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、促進經濟建設和推動技術發(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，太空相機已經具備亞米級分辨率的“拍照”能力。近年來，中國加大空間基礎設施、高分對地觀測專項等的建設實施，衛(wèi)星影像分辨率已經優(yōu)于0.5米，相當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水平相當。

“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。雖然太空本身是非常“安靜”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)星能夠正常轉向，衛(wèi)星需要配置姿態(tài)執(zhí)行機構，典型的執(zhí)行機構包括“飛輪”“力矩陀螺”等。“飛輪”顧名思義，就是持續(xù)轉動的輪子，它仿佛是一臺正在運轉的電動機。大家都知道電動機在運轉時，常常會有振動并伴隨“嗡嗡”的響聲。總而言之，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，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心“手抖”了。

衛(wèi)星上的振動部件

振動導致的模糊衛(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型設計理念和方法。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)星的服務艙與傳統(tǒng)衛(wèi)星的設計方法基本一致，除保證衛(wèi)星的能源以及信息等供應外，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)載荷艙與服務艙干擾源的空間隔離，從而有效隔離服務艙微振動和撓性振動對載荷艙載荷指向控制的干擾。這樣的設計為空間相機的高精度控制創(chuàng)造優(yōu)越的動力學條件，使衛(wèi)星在不同任務階段尤其是在軌穩(wěn)態(tài)運行階段可以很好地適應復雜的動力學環(huán)境。

采用兩艙可分離式構型設計的“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，無法適應后續(xù)觀測任務的突發(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。它能夠實現(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動態(tài)調整，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)模擬等關鍵技術，設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；提出結構與慣量分離的高動態(tài)隨動控制架構，發(fā)明零剛度無擾式超敏捷穩(wěn)定控制方法，能夠實現(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 °/秒的技術指標，達到國際領先水平。

上述成果已在精致高分試驗衛(wèi)星、羲和號衛(wèi)星得到應用，對推動我國空間技術與空間科學的協(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。

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

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