返回式遥感卫星有效载荷

第２３卷第３期　２００２年９月　航天返回与遥感　

ＳＰＡＣＥＣＲ　ＡＦＴ　ＲＥＣＯＶＥＲＹ＆ＲＥＭＯＴＥ　ＳＥＮＳＩＮＧ　

返回式遥感卫星有效载荷　杨秉新　（北京空间机电研究所，北京１０００７６）　摘要文章介绍了返回式遥感卫星有效载荷的分类和特点、返回式相机系统组成、返回式国土普查相　机、星相机和测绘相机；重点介绍国土普查相机的设计要求、工作原理，组成及功能等设计考虑。　

关键词　返回式遥感卫星　国土普查相机星相机测绘相机　中图分类号：Ｖ４４７　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—８５１８（２００２）ｏ３—００１１—０８　Ｐａｙｌｏａｄｓ　ｏｆ　Ｒｅｃｏｖｅｒａｂｌｅ　Ｒｅｍｏｔｅ　Ｓｅｎｓｉｎｇ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ　Ｙａｎｇ　Ｂｉｎｇｘｉｎｇ　（Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｚｎｓｔｉｔａｔｅ　Ｓｐａｃｅ　Ｍｉｃｈａｎｉｃｓｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉａｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００７６）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｒｅｃｏｖｅｒａｂｌｅ　ｒｅｍｏｔｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ，ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｎｑｅｒａｓ．Ｉｔ　ａｌｓｏ　ｓｕｍｓ　ｕｐ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ，ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｃｉｎｐａｌ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｒｅｃｏｖｅｒａｂｌｅ　ａｒｅａ－ｓｕｒｖｅｙ　ｅａｎ３一　ｅｒａｓ，ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｃａ．ｒｎｅｒａｓ　ａｎｄ　ｍａｐｐｉｎｇ　ｃａｎ＇ｌｅｒａｓ．　

Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ　Ｒｅｃｏｖｅｒａｂｌｅ　ｒｅｍｏｔｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　Ａｒｅａ－Ｓｕｒｖｅｙ　ｃａｌｎｅｒａ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｃａｎｑｅｒａ　Ｍａｐｐｉｎｇ　ｃａｎｑｅｒａ　

１概述　返回式遥感卫星有效载荷（简称相机）以胶片为　接收器，具有分辨率高、信息量大、拍摄照片直观、容　易判读、技术成熟等特点。由于胶片分辨率高，可达　５００～６ＯＯ对线／ｍｍ，远高于ＣＣＤ的分辨率。ＣＣＤ像　元尺寸为７～１０　，对应极限分辨率为７１．５～５０对　线／ｍｍ，比胶片的分辨率低８～１０倍。因此，要获取　同样的地面分辨率，返回式胶片相机的焦距要比　ＣＣＤ传输相机短几倍。但胶片的回收处理需要一　段时间，实时性差，用卫星多体回收技术可弥补其不　足，可以在３—４天之内得到需要的照片。因此返回　式相机在侦察和测绘中仍具有重要作用。文章介绍　

收稿日期：２００２—０５—２９　

返回式国土普查相机、星相机和测绘相机，重点介绍　国土普查相机。　

２相机的分类和特点　１）按用途分类　可分为３大类：侦察相机、星相机和测绘相机。　侦察或国土普查相机用于对地观测，发现和识别目　标；星相机用于拍摄天空的恒星，确定卫星摄影时的　姿态；测绘相机用于制作地图。　２）按成像方式分类　可分为画幅式相机、全景相机和航线式（缝隙　式）相机３类。　（１）画幅式相机　照相时镜头的光轴指向不变，利用瞬间启闭快　门，使胶片呈画幅形式曝光，其几何尺寸严格，常用　

维普资讯 http://www.cqvip.com １２　杨秉新：返回式遥感卫星有效载荷　于测绘和恒星摄影，也用于军事详查。　（２）全景相机　靠近像面处的曝光缝隙与卫星运动方向平行，　照相时镜头或其它光学零件作扫描运动，其扫描方　向与卫星方向垂直，连续改变镜头的光轴指向，扩大　横向幅宽，实现全景摄影。全景照片的几何尺寸不　严格，具有全景畸变、像移补偿畸变和扫描位置畸　变，用于军事和国土普查。　（３）航线式相机　靠近相机像面处有一个固定缝隙（狭缝），缝隙　方向与卫星运动方向垂直。照相时镜头光轴指向不　变，胶片以掠过焦面处的像速度同步向前运行，通过　缝隙实现连续曝光，从而获取与缝隙宽度对应的地　面条带照片。前苏联军事详查相机采用这种相机。　

３返回式卫星相机系统组成　相机系统由１台地相机（侦察、国土普查或测绘　相机）和１台（或２台）星相机组成。星地相机光轴　垂直或大于９０。角度安装，相机装在返回式卫星的密　封舱中。地相机拍摄地球表面目标，在拍摄每幅地　物照片的同时，星相机同步拍摄１幅恒星照片，相机　空间摄影如图１所示。利用恒星的已知位置和它在　底片所的成像位置，可求得卫星的姿态角，确定地相　机拍摄照片时的光轴准确指向。相机已曝光的胶片　经过暗道，被卷绕到回收片盒中。回收片盒装在卫　星的返回舱中（图２），随返回舱一起返回地面。胶　片经过冲洗、拷贝和纠正处理后提供用户使用。　

图１相机空间摄影示意图　４国土普查相机　４．１相机设计要求　１）谱段范围：０．５～０．７５　

４　图２返回式卫星相机系统布局示意图　１地物相机２星空相机３密封暗道　４回收片盒５返回舱　２）横向幅宽　在轨道高度１７５～２２０　ｋｍ摄影时，横向幅宽大　于２００～３００　ｋｍ，扫描角约６０。～９０ｏ。由用户和卫星　总体确定。　３）装片量　１颗国土普查卫星的总摄影覆盖面积等于国土　的１．５倍以上，即１．５　Ｘ　１０　ｋｍ２，相机的装片量２０００　

～３０００　ｍ。　４）地面摄影分辨率　国土普查相机地面摄影分辨率优于１０　ｍ换成　地面像元分辨优于５　ｍ，军事普查要求地面摄影分　辨率５～３　ｍ。　５）相机焦距　相机焦距通常约１　ｍ。根据摄影比例尺和地面　分辨率确定。　６）镜头视场角　为了满足镜头焦距，选用胶片的片宽或地面覆　盖的要求，视场角通常为１０ｏ～１５ｏ。　４．２相机类型的选择　国土或军事普查相机主要有３种型式的全景相　机供设计者选择。　１）光棒式全景相机　光棒式（分扫描式）全景相机（图３）。照相时，　镜头绕光轴转动，胶片反向同步运动，外形呈棒状，　分辨率较高。美俄都曾用光棒相机作普查相机。　２）节点式全景相机　节点式（或直接扫描）全景相机（图４）。照相　时，镜头绕通过后节点的轴转动。胶片在一个圆弧　的展平板上静止并被展平。节点式全景相机分辨率　

维普资讯 http://www.cqvip.com 杨秉新：返回式遥感卫星有效栽荷　１３　高，无速度同步要求，但其体积较大。美国ＫＨ１～　侦察卫星采用摆动镜头节点式全景相机。　

扫描　２　

图３光棒式全景相机原理图　１扫描反射镜２镜头３焦面反射镜４胶片　

飞行方向　

６　７　

８　９　

图４节点式全景相机原理图　１镜头２导板３导片辊４展平板５帘输片齿轮６快门帘　７供片盒８收片盒９帘输片齿轮１０压辊ｌｌ量片辊　１２导辊１３胶片１４狭缝　３）棱镜式全景相机　棱镜式全景相机（图５），用棱镜运动实现全景　扫描，结构紧凑，照相循环周期短。受棱镜及速度同　步精度的影响，分辨率低于前两种型式的相机。国　土普查地相机采用该型式的相机。　４．３棱镜式全景相机工作原理　如图４所示，为了实现全景摄影，在镜头２的前　面放置两块道威棱镜，其转动轴与卫星飞行方向平　行。照相时，棱镜匀速转动扫描地物，来自景物的光　

线，经过棱镜１进入镜头２，通过狭缝３成像在胶片　６上。狭缝位于胶片前面，狭缝方向与卫星飞行方　向平行。当棱镜扫描到Ａ处时，地面一条景物的开　始被拍摄，随着棱镜的转动，地面景物相继曝光，扫　描到Ｂ处时，地物的光线不再进入镜头，从而拍摄　成一幅全景照片。　为了成像清晰，必须保证棱镜扫描产生的像速　度与胶片运动速度大小相等，方向相同，通常称之为　速度ｌ司步。　

维普资讯 http://www.cqvip.com ｌ４　杨秉新：返回式遥感卫星有效载荷　Ｖｉ：∞　ａ　４　

Ａ　Ｂ　ｆ　图５棱镜式全景相机原理图　１棱镜２镜头３狭缝　４供片盒５收片盒６胶片　式中，　一胶片运动速度，ｒａｍ／ｓ；　棱镜扫描产生的像速度，ｒａｍ／ｓ；　相机焦距，ｒａｍ／ｓ；　∞。一棱镜照相时的转动角速度，１／ｓ。　棱镜匀速转动时照相，不照相时快速转动，棱镜　转动一圈拍摄两幅全景照片。棱镜也可摆动工作，　照相时匀速转动，不照相时快速反向摆回到扫描起　始位置。　该相机的关键技术是速度同步和棱镜的制造和　装调。　４．４主要组成及其功能　国土普查地相机由棱镜、镜头、像移补偿机构、　胶片展平机构、输片机构、曝光控制系统、数据记录　系统和控制系统等主要部分组成。　１）扫描棱镜　扫描棱镜由两块道威棱镜组成，沿棱镜反射面　的边缘垫两条锡箔条，装在棱镜框中，通过传动机构　带动棱镜和胶片同步运动，两者的速度同步精度优　于１／２００，两块棱镜产生的双像小于２”。同步方式　有３种：齿轮传动　摩擦传动和电同步，其中齿轮传　动同步精度较低，电同步精度高。　２）镜头、滤光镜和照相窗口　

２　…一…一　…一　｝｛　图６物镜和滤光镜不意图　１滤光镜２物镜３反射镜　４场镜５像面　镜头和滤光镜是相机光学系统的主体（图６）。　它由滤光镜１、镜头２、反射镜３和场镜４组成。镜　头焦距长，平像场，分辨率高，接近衍射极限。镜筒　通常用铝合金、镁合金和钛合金制成。　滤光镜采用黄色（Ｗ一１２）或深黄色滤光镜，减　少大气烟雾对地面景物的对比度的影响。谱段范围　０．５　０．７５　，可与黑白全色胶片和假彩色红外胶　片配用。　照相窗口（保护玻璃）是平板玻璃，装在卫星的　舱壁上，光学系统的前面，它既对光学系统提供保　护，又起到密封作用。卫星在轨运行时，窗口将曝露　在恶劣多变的空间环境中，它的好坏将直接影响相　机的成像质量。窗口通常采用普通Ｋ９玻璃，要求　高的采用熔石英玻璃。窗口外表面镀特殊的隔热　膜，并采用热控措施保证窗口的温度均匀。　３）像移及其补偿　像移是指相机曝光过程中，由于卫星相对地物　的运动，使被摄景物的像与胶片之间产生相对运动。　全景相机的像移速度随扫描角变化，用下式表示：　Ｖｉ：Ｖ／Ｈｆｃｏｓａ　（２）　式中，　卫星摄影时的向前运动速度，ｋｍ／ｓ；　一摄影高度，ｋｍ；　一速高比，通常为０．０３—０．０４５／ｓ；　

一像移速度，ｍｌｌ３．／ｓ；　

ａ一扫描角，度。　画幅相机的像速度为：　Ｖ；＝　Ｈｉ　（３）　像移使影响模糊，降低了分辨率。必须采用像　移补偿技术将像移的影响减少到允许值。像移补偿　

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