北京三号B卫星相机设计及技术特点

北京三号B卫星搭载的高分辨率相机是我国成像原始分辨率最高的商业光学遥感相机。文章介绍了相机采用的星地一体化总体设计、高稳定光机系统设计、相机与卫星一体化设计、相机支撑及减振、杂光抑制、电路、精密热控制等技术的特点,在轨验证表明:北京三号B卫星相机成像质量优良,设计有效可行,可为后续高分辨率大口径相机的研制提供参考。

北京三号B卫星海量数据传输处理系统设计与实现

海量数据传输与处理技术是高分辨率遥感卫星系统的关键技术,北京三号B卫星作为高分辨率光学遥感卫星其图像传输速率高达几十吉比特每秒,因此设计了一种基于万兆网接口与高速串行收发器GTX/GTH接口的数据传输与处理系统。该系统使用万兆网接口接收前端相机载荷数据,使用GTX/GTH接口实现产品内数据互联,并基于超大规模现场可编程门阵列(FPGA)作为核心处理芯片实现海量数据路由分发、编解码和处理。测试结果表明:可实现36.04 Gbit/s数据接收和60 Gbit/s数据传输处理能力,并具有可靠性高、系统延时小、通用性强的优点。与传统数传方案相比,系统数据处理能力提高了一倍以上,且显著降低了硬件成本。

北京三号B卫星构型布局设计与优化

北京三号A/B卫星是国内首次采用三超平台技术,具有超高精度、超稳定、超敏捷成像能力的新一代敏捷遥感卫星。文章以北京三号B卫星为例,结合其任务特点,对构型布局进行了设计与优化,开展了载荷、平台、指向隔振机构的一体化设计,并完成了平台解耦的设计分析,提出了适配三超平台的新一代敏捷遥感卫星构型。经北京三号B卫星在轨飞行验证:卫星构型设计合理可靠,满足任务需求,可为后续装备三超平台的同类卫星构型布局设计提供参考。

北京三号B卫星相机在轨自动调焦方法

提出利用面阵凝视成像的方式通过在轨成像电路与综合电子控制单元协同配合完成相机在轨自动调焦的方法。对比自动调焦方法中常用的平均灰度梯度法、点锐度法、平均边缘强度法和平均边缘宽度法4种图像清晰度评价算法,并结合实际应用进行仿真,最终确定基于均值作为阈值的平均灰度梯度法。平均灰度梯度法在连续帧成像的前提下具备较好的单峰性,对运算的资源需求适中,并且具备很高的可靠性。文章提出的在轨自动调焦方法在北京三号B相机中实现应用,在无云的地物丰富场景下能有效完成范围内搜索最佳焦面的工作,可为其他遥感相机的自动调焦提供参考。

北京三号B卫星数据处理与传输分系统设计与验证

针对北京三号B卫星高速数据和在轨智能处理需求,设计数据处理与传输分系统。提出标准化、智能化、模块化的设计思路,开发路由、高速存储、通用处理、电源等标准单元的智能处理器,实现数传产品对数据流向灵活可控、功能高集成、在轨可重构的需求。配置高性能FPGA和智能计算芯片,系统实时图像压缩、处理速度达到20 Gbit/s。采用云检测、辐射校正、目标识别、目标提取、目标定位等星上数据智能处理技术,可为在轨图像智能处理建立指标体系提供参考。数据处理与传输分系统通过在轨验证,测试结果满足用户需求。

北京三号B卫星相机光学系统波前探测技术

介绍了一种波前探测技术在北京三号B卫星相机光学系统地面高精度测试中的应用,通过计算传感器接收到的相位差异信息进行波前反演,可以获得稳定且精度较高的波前信息。相位差异(PD)法是其中一种波前探测技术,在北京三号B卫星项目中进行了初步尝试,文章对其进行了介绍、分析和评估,该方法具有较好的稳定性和可靠性,并有潜在的应用前景。研究结果解决了现有国外商业测量软件对复杂结构的相机光学系统波前测量计算不足的问题,具有较高的工程应用价值。

北京三号A/B卫星沿斜条带成像姿态机动规划方法

针对沿着与星下点轨迹成一定夹角的条带成像姿态机动问题,提出沿斜条带成像的3轴姿态机动规划方法。建立斜条带的几何模型,提出摄影点沿斜条带以恒定地速滑动的规划方法,建立带偏航补偿的成像姿态机动模型,并推导得出3轴姿态及姿态跟踪角速度的计算公式。该方法在北京三号A/B卫星上进行了应用验证,卫星成像能力得到大幅提升,在轨成像质量良好。沿斜条带机动中成像模式成为北京三号A/B卫星常规任务运行模式,可为遥感卫星开展新的业务应用提供参考。

北京三号A/B卫星星地一体协同任务规划设计及实现

自主任务规划技术能够充分发挥卫星在轨使用效能,提高卫星紧急任务响应能力,大幅减少对地面测控的依赖,支持多星自主协同配合执行任务。北京三号A/B卫星具备完全星上自主规划能力,包括星上自主任务规划、地面规划及星地协同规划等多种任务模式,同时具备任务数据校验、保存、恢复、删除、插入应急任务等功能。地面规划系统根据需求进行任务筛选、核对和规划,确保任务满足要求;星上利用专用处理器实现规划运算、指令编排和任务保存与执行。星地一体协同任务规划设计实现了地面和星上规划的一致性,既保证了任务的准确性和灵活性,又减少了卫星对地面测控的需求。

北京三号A/B卫星控制分系统设计与仿真验证

北京三号A/B卫星采用的超高敏捷、超高稳定、超高精度的三超平台对控制分系统的设计和系统验证提出更高的设计需求。文章根据三超平台的特点,对控制分系统系统组成和主要工作模式进行了概述,重点介绍基于传输确认机制的高可靠SpaceWire总线通信方法,搭建多级复合控制仿真验证平台,并详细阐述系统时间同步设计,有力保障了控制分系统指标的测试与验证,助力卫星控制分系统软件可靠稳定的在轨运行。

北京三号A/B卫星高精度影像优化压缩编码技术

针对北京三号A/B卫星载荷特点、工作模式、功能要求,文章设计了一种采用无损或近无损图像压缩标准(JPEG-LS)的图像压缩算法,基于现场可编程门阵列(FPGA)的多路并行联合工作图像压缩系统,使得对超高分辨率、高输入数据率的光学遥感影像可以进行实时无损或近无损压缩。该系统采用一种灵活的图像缓存机制,不需要片外存储器来缓存图像,节约了硬件成本,单片FPGA处理能力高达8 Gbit/s;采用一种先进的码率控制算法,优化失真量化参数调整策略,多路并行压缩核参数统一更新,使得快速逼近目标码率,恢复影像的整体质量更加均匀平滑,峰值信噪比(PSNR)值相比传统算法提升了0.2 dB以上。

北京三号A/B卫星热设计及验证

针对北京三号A/B卫星频繁姿态机动带来局部热流剧烈波动且变化不确定的问题,以及主动指向超静平台高精度温度控制和卫星结构力热解耦设计需求,文章提出了基于姿态动态函数的机动全过程外热流仿真方法,散热面离散优化设计、高热流抑制多级隔热技术、主动指向超静平台核心设备超精、超稳以及和卫星结构力热解耦的卫星热设计方法,并对北京三号A/B卫星热性能进行了验证。北京三号A/B两颗卫星温度处于最佳工作范围内,为圆满完成任务提供了良好的保障,可以为对地对日频繁姿态变化卫星的热设计提供参考。

北京三号A/B卫星星务分系统信息处理技术

介绍了北京三号A/B卫星星务分系统的信息处理技术。星务分系统提高测温精度,优化控温算法,利用比例-积分-微分(PID)控制系统,实现对卫星关键部件的高精度控温功能;设计专用的协处理器,实现星上完全自主任务规划,用户只需要挑选期望观测的目标,星上自主任务规划软件就能根据目标信息完成所有观测任务的编排。借助星上全球导航卫星系统(GNSS)接收机,设计高精度时间管理系统,使得任意时刻卫星的时间同步精度优于0.1 ms,保证卫星姿态机动时的成像精度。同时,给出了综合电子技术、软件构件库和数字卫星技术在卫星上的应用情况,可为后续卫星星务分系统的研制提供参考。

北京三号A/B卫星供配电分系统设计

北京三号A/B卫星供配电分系统为满足卫星敏捷机动及高功率的特点与需求,将传统电源控制器与配电器合为1台电源调控器单机(PCDU)。它采用42.0 V半调节母线拓扑结构,选用容量衰降速度更低、寿命循环性能更好的高比能量镍钴铝(NCA)锂离子蓄电池单体,以及平均效率不低于32%的太阳电池片,大大减小了质量。此外,任务规划软件中还加入了卫星电源系统仿真计算模型,为规划任务的可行性提供决策依据。供配电分系统在轨运行稳定,在轨数据与仿真计算模型运行结果相符,其设计可为类似功率等级的卫星提供参考。