第39卷第4期航天返回与遥感2018年8月SPACECRAFT RECOVERY & REMOTE SENSING55静止轨道高分辨率光学成像卫星发展概况李果孔祥皓（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）摘要近年来，随着光学载荷成像技术和卫星姿态控制技术的发展，出现了在地球静止轨道实现几百至几米分辨率光学成像卫星的相关研究，此类卫星运行在地球静止轨道上，可长期驻留于固定区域上空，具有实时任务规划与响应能力，在灵活的任务编排、实时动态监测、多任务适应的工作模式等方面具有低轨卫星不可比拟的优势，能够实现“同时具有高空间分辨率和高时间分辨率”的天基光学遥感能力。
文章调研了世界各国静止轨道高分辨率光学成像卫星的发展现状，进一步分析了适合静止轨道成像的新型成像技术及静止轨道高分辨率光学成像卫星载荷与平台一体化设计技术的发展趋势，并在此基础提出了中国发展静止轨道高分辨率光学成像卫星的启示和建议。
关键词地球静止轨道光学成像卫星新型成像技术中图分类号: TP7文献标志码: A 文章编号: 1009-8518(2018)04-0055-09DOI: 10.3969/j.issn.1009-8518.2018.04.007Overview and Development Trends of High-resolution OpticalImaging Satellite at Geostationary OrbitLI Guo KONG Xianghao（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China）Abstract Recently, with the developments of optical imaging and satellite attitude control technologies, studies on high-resolution (from hundreds to a few meters) optical imaging satellite at geostationary orbit have caught more and more attentions. At the geostationary orbit, the advantage in long integral time can be utilized adequately to meet the demands of military and civilian users. This paper presented the development status of global new imaging technology and high-resolution optical imaging satellite at high orbit. And then, the development trends of these technologies were further discussed. In the end, based on this analysis, inspirations and suggestions were depicted on how to develop the high-resolution optical imaging satellite at high orbit in China.Key words geostationary orbit; optical imaging satellite; new imaging technology0引言地球静止轨道对地观测技术非常适合于对地球进行长期的连续监视。
但由于轨道高度高，成像物距是近地轨道的数十倍，早期在光学成像载荷技术能力的限制下，难以获得高空间分辨率探测图像，因此其发展多在对空间分辨率要求不高的气象卫星和导弹预警卫星领域。
21世纪初，随着大口径主镜成像技术、可展开式光学成像技术、光学合成孔径成像技术以及衍射望收稿日期：2018-06-1956航天返回与遥感2018年第39卷远镜技术等新型成像技术的发展，静止轨道高分辨率光学成像技术开始蓬勃发展，各国纷纷提出了各自的静止轨道高分辨率光学成像卫星计划[1-3]。
本文从典型国家的发展计划和专项技术的发展趋势两个维度对静止轨道高分辨率光学成像卫星发展情况和发展方向进行调研和分析，并基于调研和分析的结果，提出我国静止轨道光学成像卫星发展的建议和启示。
1发展概况1.1 美国美国在“锁眼”侦察卫星（KH-12）、“哈勃望远镜”（Hubble）等卫星上早已实现主镜口径2.4~3m，据推测，目前具备在地球静止轨道实现5m左右分辨率的技术能力。
但由于美国各类可以用于军事侦察的低轨光学卫星数量非常多，天基之外的侦察手段也很完备，对地球静止轨道低于5m分辨率的需求并不强烈。
因此美国并未在基于整体式主镜的静止轨道光学遥感卫星方面开展实质性工作。
美国从上世纪80年代末便制定了对于整体式主镜之外的新型光学系统的研究发展规划，从研究进程来看，美国正力图通过大型空间望远镜James Webb项目（JWST）的发展。
逐步解决可展开式成像技术，提高技术成熟度，随后应用到静止轨道对地观测领域[4-5]。
JWST望远镜如图1所示，采用三反同轴消像散光学系统，焦距131.4m，主镜口径约6.5m，主镜面积为25m2。
系统中加入快速像稳定镜提高光轴稳定度。
图1 James Webb望远镜设计Fig.1 Design of “James Webb”此外，在光学合成孔径光学系统方面，美国的其它研究包括：美国麻省理工学院空间系统实验室（MIT）基于Golay-3布局的自适应侦察光学卫星项目（ARGOS）、波音公司基于Golay-6布局的静止轨道对地光学遥感器项目等等。
目前，光学合成孔径成像的理论研究已经较为成熟，并针对需要解决的关键技术进行了一些地面试验。
总体来说，距离工程应用还有非常大的差距。
1.2欧洲发展相比于美国，欧洲的静止轨道光学遥感卫星发展起步略晚，开始于21世纪初。
欧洲的新型光学成像技术大多参考美国，在技术攻坚的过程中，欧洲同样难以攻克稀疏孔径成像技术和基于编队飞行的光学干涉合成孔径成像技术，相关例子如达尔文（DARWIN）计划被取消。
但另一方面，欧洲单体大口径反射成像系统发展较为顺利，曾在2009年发射了口径达3.5m的赫歇第4期 李果 等: 静止轨道高分辨率光学成像卫星发展概况 57尔空间天文望远镜（Herschel ），欧洲以此为技术基础积极发展静止轨道光学遥感卫星成像载荷，同时发展具有高姿态控制精度和高敏捷性能的静止轨道光学遥感卫星平台。
欧空局在2005年4月召开的第一届欧洲AAAI 军事空间国际会议上，初步确定了实现静止轨道高分辨率对地观测的技术路线和技术途径，如图2所示[6-7]：图2 欧空局静止轨道高分辨率对地观测技术路线 Fig.2 Technical route of high-resolution observation at GEO orbit by ESA在静止轨道高分辨率光学成像技术领域，欧洲阿斯特留姆（Astrium ）公司实力最强，开展了一系列卫星的研制，表1所示为欧洲Astrium 公司面向地球静止轨道（GEO ）高分卫星工程化的发展计划。
表1 欧洲Astrium 公司面向GEO 高分卫星工程化的发展计划Tab.1 The development plans of Astrium company on high-resolution observation project at GEO orbit卫星 空间分辨率/m 相机装配的主反射镜口径/m备注 COMS-1 500 0.14已于2010年发射，法国帮助韩国研制。
有效载荷设计为Geo-Oculus 进行了技术铺垫。
Geo-Africa 25 0.92010年完成预研，并宣布完全有能力制造 Geo-Oculus 10 1.52009年完成预研，目前部分技术尚不成熟 HRGeo 34 计划2020年后发射，于2013年4月对应用需求进行了论证1.3 韩国发展韩国航空航天研究所（KARI ）和阿斯特留姆公司（Astrium ）合作研制了首颗静止轨道海洋观测卫星COMS ，COMS 卫星通过Ariane5 V195火箭发射成功。
其上搭载了地球静止轨道海洋水色成像仪（GOCI ），可用来监测朝鲜半岛周边海域水色情况。
GOCI 载荷地面像元分辨率500m ，幅宽500km ，共8个谱段，光谱分辨率10~40nm ，平均信噪比优于1 000。
GOCI 载荷质量83.3kg ，峰值功耗106W ，是COMS 卫星的3个载荷之一[8]。
在GOCI 载荷取得成功的同时，韩国宇航局提出了GOCI-2载荷的研制计划，其地面像元分辨率提高到250m ，谱段数增加到13个[9-10]。
2 成像技术发展趋势分析通过目前的技术跟踪情况来看，静止轨道高分辨率光学成像技术对于新型成像技术、载荷与平台一体化设计技术的要求越来越高，图3为静止轨道高分辨率光学成像技术发展趋势。
58航天返回与遥感2018年第39卷图3 静止轨道高分辨率光学成像技术发展趋势Fig.3 Development trends of high-resolution optical imaging satellite at geostationary orbit2.1新型成像技术由于受发射平台载荷舱体积和质量、光学材料、制造工艺、机械结构、成本等诸多因素的限制，光学系统口径大于3~4m后已经无法进一步增大。
因此，为在地球静止轨道发展分辨率高于5m的对地观测系统，必须寻求传统的整体式主镜之外的技术途径。
为此，欧、美从20世纪90年代开始，开始开展各种新型成像系统的研究，以满足静止轨道高分辨率成像的需要。
先后提出的研究方案种类繁多，主要包括空间可展开光学系统、光学合成孔径成像系统、衍射成像光学系统等。
美、欧等国采用的静止轨道光学成像技术的发展概况如表2所示。
（1）空间可展开光学技术在众多的新技术中，可展开光学系统是实现大口径空间光学系统的主要技术途径之一。
可展开光学系统是指在发射时折叠为一个可接受的尺寸，到达预定轨道后再展开的光学系统；光学系统的主镜由一些较小尺寸的超轻、主动控制的分块镜组成，发射后在轨道上按要求的方式展开、锁定，在自适应光学系统的控制下“拼接”成一个共相位主镜。
可展开光学系统有效地解决了整体式大口径光学系统研制和发射中难以克服的种种问题，使轻量化、大口径遥感器的实现成为可能[11]。