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高分7号卫星相机在轨开机 成像区域纵贯南海细节清晰

环球时报

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11月5日10时44分,北京空间机电研究所研制的高分七号卫星主载荷双线阵相机首次在轨开机成像。成像区域斜跨东经114度与东经127度,依次过境东北平原、辽东半岛、山东半岛、东南沿海,并纵贯南海。目前获取的图像细节清晰,层次丰富,达到预期水平。

北京空间机电研究所在轨支持团队已开启在轨测试各项工作,为优质图像获取保驾护航。

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功能各异的“双胞胎” 地球的专属 “摄影师”

——解码高分七号卫星双线阵相机

11月3日11时22分,我国高分辨率对地观测系统重大专项(简称高分专项)的收官之作——高分七号卫星在太原卫星发射中心顺利发射入轨,开启了精准测绘之旅,也拼上了高分专项这幅宏伟拼图的最后一块。

北京空间机电研究所相机项目负责人杨居奎介绍到,高分专项是2006年列入《国家中长期科学与技术发展规划纲要(2006-2020年)》的16个重大专项之一。高分七号卫星是我国首颗民用亚米级高分辨率传输型立体测绘卫星,卫星上搭载的双线阵相机由北京空间机电研究所研制,任务是进行1:10000精确比例尺立体测图和数字影像制作,在未来的8年寿命期间,将为地球绘制彩色立体的精准图像,服务于测图生产及更大比例尺基础地理信息产品的更新。

功能各异的“双胞胎”

——绘“站”起来的地图

承担高分七号卫星高分辨率测绘成像主任务的是北京空间机电研究所研制的双线阵相机。双线阵相机,顾名思义,就是两台线阵推扫成像相机,位置一前一后,分别称为前视相机和后视相机,为地球拍摄出清晰立体的图像。

杨居奎介绍说,前后视相机的成像光机主体,相当于单反相机的长焦镜头,设计完全相同,从外观看上去一模一样,就像一对双胞胎。为什么要在一台相机上装这样一对“双胞胎”呢?主要是立体成像需求。另外,两台相机采用相同的光机主体设计,可以大大减少设计和后期相机镜头装调的工作量,缩短研制周期和成本;同时,两台相机在装调阶段产生的数据,还可以互相比对印证,提高效率。所以说,这俩兄弟也是工作上的好搭档。

那么,相机是如何协助卫星测绘得到立体的影像效果的呢?直白地说,就是一颗卫星上,携带两台或三台相机,从不同的角度先后拍摄同一目标区的景物,然后依靠极高精度的处理,达到3D立体观测效果。

随着高分七号卫星的稳定飞行,前、后视相机以推扫方式,分别从前后两个方向对地面同一景物进行不同角度的观测,先从后面拍摄,前行到它前方时再对其拍摄,这两张前后一定角度的成像,结合卫星的精确定轨参数,经过大量数据处理和坐标转换等,能够反演出平面数据和高程数据。同时,卫星携带的激光测高仪测出来的高程数据能够对前面提供的高程数据进行标定,高精度立体影像就出炉了。

但双胞胎的工作模式还有些不同,其中后视相机比前视相机另外多设计了4个多光谱谱段成像功能,用来制作彩色地图。从506公里的轨道高度,前视相机对地角度取值26°,后视相机对地角度为5°。这样取值的优点是,既能够得到立体的成像效果,而且后视相机对地拍照角度设计接近0°正视,可以得到近似于正视地球的效果。正视及接近于正视的遥感图像,还可以满足除测绘外的国土普查、地物辨别、农作物种植等方面的需求。

地球的专属“摄影师”——拍更高清的大片

比例尺1:10000,字面上看,是一个比较大的比例数字,但是对于给地球进行表面成像并且编制详细地图来说,是一个相当高精度的指标了。如此高精度成像的高分七号双线阵相机就像是地球的专属“摄影师”,专门为其拍摄高清画面立体大片。

贴身“摄影师”,清晰度不能差!

高分七号双线阵相机两台“双胞胎”相机分辨率是亚米级的:前视相机分辨率为0.8米左右,后视相机出图有两种分辨率,全色谱段(黑白照片)分辨率为0.64米,多光谱谱段(彩色照片)分辨率为2.6米左右。

作为测绘卫星,高分七号卫星的主要任务是为地球做精细的表面详查并忠实绘制成立体地图,即包含地物高度信息的地图。为了这个“测绘功能”的特殊性,高分七号双线阵相机的设计不同于其他高分辨率相机。

据双线阵相机的技术负责人王长杰介绍,对地面的高分辨率成像,如今已不是什么新鲜事儿了。0.8米左右的分辨率,也并非我国自行研制的遥感相机最高分辨率水平。但是,测绘遥感相机有其特殊要求:成像系统除了需要提供优异的像质外,还需要极高的系统稳定性,对地摄影效果的稳定性要求特别苛刻。为建立地物点像方和物方坐标之间的准确几何对应关系,前后视两台相机主距、相机畸变及前后视相机光轴指向等指标要求,均比普通遥感相机要高得多,需要提交的性能测试数据也更多。

专业“摄影师”,镜头不能差!

要实现上述所说的高分辨率成像,对相机结构稳定性要求极高。为了达到1:1万的测绘需求,相机结构和光学设计人员在对比了若干设计方案的基础上,采用了一种离轴三反消畸变的光学系统设计方案。离轴光学系统对比同轴光学系统,在F数相同的条件下,离轴光学系统容易实现较高的传函和较大的视场,畸变小、能量足且无遮拦,可以更好地实现高分辨率遥感测绘相机在大视场、低畸变、高稳定和高像质等方面的需求。

杨居奎谈到,高分七号双线阵相机光学镜头组件面形及稳定性的保证难度很大,没有任何装调经验可以借鉴。同时,各组件装调公差均需保证在10秒以内,装调精度要求极为苛刻。研制团队提早做工作,优化装调和测试流程,编制高效详实的测试细则,大量采用自动化或者半自动化的测试手段,测试方法更科学合理高效。

有了合适指标的光学系统,只是迈出了长征的第一步。为了实现此光学系统,在具体光机设计方面,研制人员比对了若干种方案后,选择了一种盒式主框架结构设计,来力争达到最大的稳定性效果。主框架的材料,选择了碳碳化硅材料,这种材料膨胀系数小,热稳定性能好,湿膨胀小,而且比刚度高,利于轻量化设计和复杂构型设计。

高分七号双线阵相机不仅分辨率高,图像层次细节更多,成像幅宽还达到了20公里,为制图的高效性奠定基础。

专属“摄影师”,细节不能差!

温度环境控制得好。高分辨率近似于零畸变的相机镜头在离地500多公里的轨道上工作,需要一个极为稳定的温度场环境,才能达到设计的高稳定性效果。实现这种稳定的温度场环境,相机研制团队双管齐下,做到了合体的热控设计以及精细的控温实现。不但实现了温度波动范围仅1℃,而且还能保证稳定度控制在0.2℃范围内。

前视相机配了把“遮阳伞”。仿真阶段,设计团队发现前视相机在轨工作时,存在太阳光从一定角度照入镜头的时间段。这种情况会导致相机镜头内局部温度急升,破坏相机镜头内部的温度稳定状态,从而影响相机成像效果和内方位元素稳定性,从而降低相机测绘制图精度。同时,受体积、外形等因素的影响,传统的固定式遮光罩无法满足各方面的要求,为此,设计团队创造性地提出了可展开遮光罩的设计,就相当于为相机定制了一把“遮阳伞”,在发射阶段是收起来的,相机顺利入轨后,地面会发出指令让伞打开,为前视相机的成像质量保驾护航,保证测绘图像的精度。

“从资源三号三线阵测绘相机到高分七号双线阵测绘相机,我国测绘相机又上了一个台阶。双线阵相机已经顺利入轨,为地球定制的大片我们拭目以待,测绘相机研制团队也将继续前进,为国家测绘发展贡献航天力量,为我国遥感领域发展再立新功。”杨居奎说。

来源:北京空间机电研究所

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