上海科技獎(jiǎng)勵(lì)研究成果科普化特別報(bào)道

高分超敏捷動(dòng)中成像技術(shù)能大幅提升對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星獲取觀測(cè)信息的時(shí)效性、精準(zhǔn)性，為高分遙感應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)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(zhǎng)，上海市優(yōu)秀技術(shù)帶頭人，主要從事衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)、衛(wèi)星動(dòng)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(jí)工程師、項(xiàng)目主要參與人員。

坐在衛(wèi)星上照相

——給地球來(lái)個(gè)“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(lái)人類只能從地球表面進(jìn)行局部觀測(cè)的歷史。此后，相繼發(fā)展起來(lái)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(duì)地球進(jìn)行觀測(cè)，簡(jiǎn)單來(lái)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(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，它們拍攝的一張張“幅員遼闊”的照片蘊(yùn)含著海量的空間信息。

目前，已有多國(guó)建立了面向各種應(yīng)用的多個(gè)空間對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，構(gòu)成了對(duì)陸地、海洋、大氣等各個(gè)層面的全方位立體觀測(cè)體系，在維護(hù)國(guó)家安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和推動(dòng)技術(shù)發(fā)展等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)衛(wèi)星影像分辨率更高的追求，太空相機(jī)已經(jīng)具備亞米級(jí)分辨率的“拍照”能力。近年來(lái)，中國(guó)加大空間基礎(chǔ)設(shè)施、高分對(duì)地觀測(cè)專項(xiàng)等的建設(shè)實(shí)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(gè)乒乓球大小的區(qū)域，與國(guó)際最先進(jìn)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(duì)衛(wèi)星的防抖提出了更嚴(yán)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(yùn)行時(shí)，往往會(huì)存在一些擾動(dòng)。例如，為了保證正常供電，衛(wèi)星需要配置長(zhǎng)長(zhǎng)的“翅膀”——太陽(yáng)能帆板。衛(wèi)星稍微一晃動(dòng)，“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(gè)顫顫悠悠可能得持續(xù)很久才能安穩(wěn)下來(lái)。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(jī)構(gòu)，典型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括“飛輪”“力矩陀螺”等。“飛輪”顧名思義，就是持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的輪子，它仿佛是一臺(tái)正在運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)。大家都知道電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，常常會(huì)有振動(dòng)并伴隨“嗡嗡”的響聲。總而言之，為了實(shí)現(xiàn)更好、更專業(yè)的“自拍”，必須解決衛(wèi)星的振動(dòng)問(wèn)題，讓太空相機(jī)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(jī)支三腳架的方法，這樣可以被動(dòng)提升拍照的穩(wěn)定性，但依然無(wú)法完全隔絕微小抖動(dòng)對(duì)太空相機(jī)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(tuán)隊(duì)采用“磁懸浮”技術(shù)，巧妙地將抖動(dòng)源頭與相機(jī)分離。拍照時(shí)，衛(wèi)星上的振動(dòng)部件在物理上并不接觸太空相機(jī)，各種干擾源被無(wú)形的磁場(chǎng)主動(dòng)隔離，拍照指令和圖像信息都通過(guò)無(wú)線的方式在衛(wèi)星與相機(jī)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(dòng)部件

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

具體來(lái)講，“磁懸浮”衛(wèi)星采用全新的兩艙可分離式構(gòu)型設(shè)計(jì)理念和方法。為實(shí)現(xiàn)微振動(dòng)的有效隔離，需要將衛(wèi)星上除空間相機(jī)之外的靜態(tài)和活動(dòng)部件分艙布局。衛(wèi)星的載荷艙中布置空間相機(jī)、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(jì)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(yáng)翼、飛輪等活動(dòng)部件以及推力器、天線等振動(dòng)源都統(tǒng)一安裝在其中。在軌穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，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(duì)懸浮狀態(tài)，實(shí)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(dòng)和撓性振動(dòng)對(duì)載荷艙載荷指向控制的干擾。這樣的設(shè)計(jì)為空間相機(jī)的高精度控制創(chuàng)造優(yōu)越的動(dòng)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(yùn)行階段可以很好地適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)環(huán)境。

采用兩艙可分離式構(gòu)型設(shè)計(jì)的“磁懸浮”衛(wèi)星

超敏捷動(dòng)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(jìn)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(cè)能夠更加靈活、更加高效。傳統(tǒng)衛(wèi)星在成像觀測(cè)時(shí)，面臨兩個(gè)固有的限制，無(wú)法適應(yīng)后續(xù)觀測(cè)任務(wù)的突發(fā)性和多樣性要求：一是衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)過(guò)程中無(wú)法成像，必須機(jī)動(dòng)到位并穩(wěn)定后才能成像，時(shí)間上損失了觀測(cè)的時(shí)效性；二是成像觀測(cè)過(guò)程中不能姿態(tài)機(jī)動(dòng)，如推掃成像時(shí)，觀測(cè)區(qū)域平行于飛行方向，空間上損失了觀測(cè)的靈活性。

超敏捷動(dòng)中成像是針對(duì)拍照自由需要所開(kāi)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(jī)動(dòng)過(guò)程中靈巧成像，不再受限于“機(jī)動(dòng)到位才能成像”；其成像方向隨觀測(cè)任務(wù)動(dòng)態(tài)調(diào)整，不再受限于“與飛行方向平行”，真正實(shí)現(xiàn)看得快、看得穩(wěn)、看得清、看得準(zhǔn)。

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

上述成果已在精致高分試驗(yàn)衛(wèi)星、羲和號(hào)衛(wèi)星得到應(yīng)用，對(duì)推動(dòng)我國(guó)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(yuǎn)。2022年8月，羲和號(hào)衛(wèi)星成果發(fā)布，國(guó)際首次在軌獲取太陽(yáng)Hα譜線、SiI（中性硅原子）譜線和FeI（中性鐵原子）譜線，光譜和時(shí)間分辨率均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

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

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