高分四號衛(wèi)星及應(yīng)用概況

劉鳳晶1 李果1 于登云2 王麗俐1 李響1

一、高分四號衛(wèi)星發(fā)射概況

2015年12月29日，高分四號衛(wèi)星（GF-4）在西昌衛(wèi)星發(fā)射基地采用CZ-3B運(yùn)載火箭發(fā)射升空，衛(wèi)星經(jīng)過4次變軌后進(jìn)入預(yù)定的工作軌道。從2016年1月開始，進(jìn)行了為期6個月的在軌測試，測試結(jié)果表明，衛(wèi)星各項(xiàng)指標(biāo)滿足研制總要求。目前已經(jīng)在軌穩(wěn)定運(yùn)行近三年，為各行業(yè)用戶提供了42萬余景圖像數(shù)據(jù)，有力支持了多個行業(yè)和我國國防建設(shè)工作。

高分四號衛(wèi)星是“國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)”中唯一一顆高軌遙感衛(wèi)星，也是我國首顆地球靜止軌道高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星。衛(wèi)星具有全色、多光譜和中波紅外譜段成像能力，利用長期駐留固定區(qū)域上空和快速指向調(diào)整的優(yōu)勢，可快速對中國及周邊地區(qū)的觀測任務(wù)進(jìn)行響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高時間分辨率和較高空間分辨率的結(jié)合，為減災(zāi)、氣象、地震和林業(yè)等多個行業(yè)的應(yīng)用提供遙感數(shù)據(jù)服務(wù)，并為海洋、國土和水利等行業(yè)以及國防提供遙感數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)我國民用高分衛(wèi)星研制和衛(wèi)星遙感應(yīng)用領(lǐng)域的新突破。

高分四號衛(wèi)星在研制過程中突破了高軌光學(xué)遙感衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)技術(shù)、高軌衛(wèi)星姿態(tài)快速機(jī)動與高穩(wěn)定控制技術(shù)、高軌遙感衛(wèi)星長壽命高可靠技術(shù)、高穩(wěn)定一體化結(jié)構(gòu)技術(shù)、復(fù)雜成像條件下高軌遙感衛(wèi)星成像質(zhì)量保障技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。高分四號衛(wèi)星的研制填補(bǔ)了我國乃至世界高軌道高分辨率遙感衛(wèi)星的空白，為后續(xù)該領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

高分四號衛(wèi)星采用新研制的高軌遙感衛(wèi)星平臺，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)構(gòu)形采用中心承力筒加壁板形式，外形為八面柱體，分為推進(jìn)艙、服務(wù)艙、載荷艙3個艙段。衛(wèi)星平臺通過一體化結(jié)構(gòu)承載相機(jī)，衛(wèi)星采用全三軸穩(wěn)定控制及雙組元統(tǒng)一推進(jìn)系統(tǒng)，配置4個0.5N·m大力矩動量輪實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)快速機(jī)動，能夠在30s內(nèi)實(shí)現(xiàn)整星機(jī)動0.64°并穩(wěn)定；采用星敏+陀螺組合定姿方式，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定度優(yōu)于5E-4 °/s；衛(wèi)星測控采用USB+擴(kuò)頻測控體制完成數(shù)據(jù)傳輸，采用擴(kuò)頻通道實(shí)現(xiàn)三站同時測軌，測軌精度優(yōu)于200m，測速精度優(yōu)于2cm/s。整星采用42V單一母線分散供電，配置兩個可展開式單軸對日定向太陽翼和氫鎳蓄電池組分別在陽照區(qū)和地影區(qū)為整星供電；采用數(shù)管計(jì)算機(jī)通過1553B標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信和數(shù)管管理，并具有自主能源、自主熱控、故障檢測與處理等功能。

衛(wèi)星有效載荷配置1臺可見光和中波紅外共口徑的光學(xué)相機(jī)，星下點(diǎn)像元分辨率達(dá)到可見光譜段50m /中波紅外譜段400m，可見光通道幅面大于500km×500km；共6個譜段，譜段范圍是0.45μm～0.9μm、3.5μm～4.1μm，無控制點(diǎn)目標(biāo)定位精度優(yōu)于4km。采用高速信號調(diào)制技術(shù)和750mm口徑的高增益點(diǎn)波束天線，實(shí)現(xiàn)300Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸速率，配置固態(tài)存儲器對數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯。

作為一顆任務(wù)主導(dǎo)型衛(wèi)星，需要具備近全天時成像能力，通過對星上數(shù)據(jù)的信息融合，星上信息系統(tǒng)具備高度自主管理能力，實(shí)現(xiàn)了能源自主管理、熱控自主管理、載荷任務(wù)自主管理以及整星自主應(yīng)急安全設(shè)計(jì)。其中載荷任務(wù)自主管理為提升用戶的好用性而設(shè)計(jì)，用戶只需要通過衛(wèi)星定義的“宏指令”接口將必要的任務(wù)信息上注至衛(wèi)星，數(shù)管計(jì)算機(jī)將根據(jù)任務(wù)信息自主生成星上的姿態(tài)控制流、相機(jī)、數(shù)傳設(shè)備控制流以及天線控制流，并按照時序通過總線分發(fā)到各下位機(jī)，完成對應(yīng)的成像任務(wù)。相比傳統(tǒng)的逐條執(zhí)行設(shè)備加斷電設(shè)置指令完成任務(wù)的方式，任務(wù)自主管理機(jī)制對用戶屏蔽了設(shè)備一級的復(fù)雜操作，并大大降低了上注數(shù)據(jù)量，提升了衛(wèi)星的使用效能。

衛(wèi)星的工作模式主要分為八大類，其中定點(diǎn)前采用發(fā)射入軌模式和入軌狀態(tài)建立模式，入軌后，衛(wèi)星主要工作在正常運(yùn)行模式、等待模式、成像模式、陽光規(guī)避模式。成像模式中包括相機(jī)成像和數(shù)據(jù)下傳模式，相機(jī)的三種成像方式——凝視成像、區(qū)域成像、巡查成像與數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃姆N模式——實(shí)時傳輸、邊記邊放、記錄、回放模式，可以組合使用。各模式間的切換關(guān)系見圖1所示。

圖1 衛(wèi)星各工作模式間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

從圖1中可以看出，衛(wèi)星在軌成像模式的核心工作方式為“步進(jìn)+凝視”，采取這種成像方式是與衛(wèi)星的軌道和面陣成像的探測器特點(diǎn)相匹配的。衛(wèi)星日平均成像72景，獲取我國7000km×7000km的大陸全色譜段圖像只需要4個小時。從設(shè)計(jì)角度，衛(wèi)星紅外通道每天可工作時段為除去午夜前后的4h，可達(dá)20h?？梢姽庥捎谧匀还庹諚l件限制，可成像時間為白天的8個小時。因此衛(wèi)星的“測控實(shí)時可見+工作時間長”這兩個特點(diǎn)，充分體現(xiàn)了任務(wù)主導(dǎo)型衛(wèi)星的優(yōu)勢，可以對用戶的成像任務(wù)近實(shí)時地響應(yīng)，從衛(wèi)星接收到指令到完成一幀全色圖像，最短時間為10s，這給用戶提供了極大的便利，在緊急災(zāi)情下發(fā)揮巨大作用。

二、高分四號衛(wèi)星在各行業(yè)的應(yīng)用

1.減災(zāi)救災(zāi)應(yīng)用

洪澇災(zāi)害是影響我國和周邊國家的重要災(zāi)種之一，具有突發(fā)性強(qiáng)、發(fā)展速度快、影響范圍廣的特點(diǎn)，自從高分四號衛(wèi)星發(fā)射后，為洪澇災(zāi)害監(jiān)測提供了新型的數(shù)據(jù)源，利用高分四號衛(wèi)星配置的綠、近紅外譜段以及衛(wèi)星持續(xù)監(jiān)測的優(yōu)勢，為歸一化差異水體指數(shù)的構(gòu)建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2017年5月24日，強(qiáng)風(fēng)和暴雨襲擊了斯里蘭卡西部和南部14個地區(qū)，連降暴雨引發(fā)洪澇及山體滑坡，這是斯里蘭卡自2003年以來遭遇的最嚴(yán)重的自然災(zāi)害。高分四號衛(wèi)星于5月31日獲得受災(zāi)地區(qū)圖像，國家減災(zāi)中心通過水體指數(shù)監(jiān)測法對水體面積進(jìn)行提取，計(jì)算洪水范圍為115km2（如圖2中深藍(lán)色所示），為當(dāng)?shù)氐木仍ぷ魈峁┝酥С帧Ｅc圖3的環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星（HJ-1）的災(zāi)前圖像相比，可以明顯看到圖像中水體的特征。

圖2 高分四號衛(wèi)星獲取的斯里蘭卡Galle地區(qū)災(zāi)后圖像

圖3 環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星獲取的斯里蘭卡Galle地區(qū)災(zāi)前圖像

只有對水體范圍的準(zhǔn)確提取，才可以對洪澇災(zāi)害范圍進(jìn)行監(jiān)測，并對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)時評估，為救災(zāi)工作提供數(shù)據(jù)支持。為此國家減災(zāi)中心采用高分四號衛(wèi)星對水體分布進(jìn)行研究，包括洪澤湖、太湖、珠江、黃河等，并與同期的中分辨率成像光譜儀（MODIS）觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。相比于MODIS紅、近紅外250m的空間分辨率，高分四號衛(wèi)星在空間分辨率上具有明顯的優(yōu)勢，對空間尺度在50m～250m的水體能夠較好地識別。

利用高分四號多時相連續(xù)觀測、大范圍和中分辨率成像特點(diǎn)，除成功應(yīng)用到我國南方大范圍洪澇災(zāi)害監(jiān)測（圖4所示）、潰壩型洪澇災(zāi)害監(jiān)測外，在我國的植被干旱區(qū)域范圍測量、積雪災(zāi)害的監(jiān)測中也提供了大量的數(shù)據(jù)，有力支持了防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)的決策工作。

圖4 高分四號衛(wèi)星獲取的湖北省天門市洪澇災(zāi)害遙感監(jiān)測圖（2016-07-23）

2.氣象應(yīng)用

我國的東南沿海地區(qū)，受臺風(fēng)影響較大，平均每年有7次臺風(fēng)登陸，同時臺風(fēng)也會引發(fā)洪澇、滑坡、泥石流、塌陷、風(fēng)暴潮等次生災(zāi)害，因此對臺風(fēng)等極端天氣的監(jiān)視非常重要。高分四號衛(wèi)星發(fā)射后，對氣象觀測的分辨率從千米級提升到百米內(nèi)，有效提升我國臺風(fēng)應(yīng)急氣象服務(wù)能力。在對臺風(fēng)“尼伯特”、“瑪利亞”、“妮妲”的觀測中，采用高分四號衛(wèi)星的秒級高頻次視頻成像，可以清晰觀測到臺風(fēng)眼區(qū)精細(xì)化結(jié)構(gòu)特征，為提升臺風(fēng)路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提供重要參考，如圖5所示。

高時間分辨率結(jié)合較高空間分辨率，使高分四號衛(wèi)星能夠觀測到云系的快速變化，如云的細(xì)微紋理結(jié)構(gòu)、垂直風(fēng)切變、積云線排列等方面。為氣象分析提供了全新的觀測手段和數(shù)據(jù)，幫助預(yù)報(bào)員更好地、更深入地理解中小尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展、演變過程和機(jī)理。并且借助高分四號衛(wèi)星中波紅外圖像，可以在夜間觀察天氣系統(tǒng)的變化情況，提高短臨天氣預(yù)報(bào)效率。在沙塵暴監(jiān)測、霧霾污染源查找等領(lǐng)域，高分四號衛(wèi)星也發(fā)揮了重要作用（圖6）。

圖5 高分四號衛(wèi)星臺風(fēng)“尼伯特”影像

圖6 高分四號衛(wèi)星北京霧霾影像

3.地震災(zāi)害監(jiān)測

2014年8月3日，我國云南省魯?shù)榈貐^(qū)發(fā)生了Ms6.5 級地震，地震造成多處地震地質(zhì)災(zāi)害，2016年5月11日，利用高分四號衛(wèi)星影像對部分災(zāi)害信息進(jìn)行了識別和分析，如圖7所示?？梢钥吹皆谡鸷蠼鼉赡甑臅r間，仍可以識別出沿牛欄江河谷的多處地震地質(zhì)災(zāi)害，尤其典型的是位于紅石巖村的巨型滑坡體?；麦w在影像上色調(diào)呈高亮白色，是牛欄江東西岸的對沖型崩塌滑坡體導(dǎo)致河谷堰塞（標(biāo)識1）。該處堰塞體位于紅石巖水電站的水壩和電站機(jī)組中間，在震后造成巨型堰塞湖，堰塞湖水面沒過水壩壩頂，現(xiàn)在的壩址庫區(qū)未再蓄水。此外，位于壩址附近的另一處滑坡體在高分四號衛(wèi)星影像上也清晰可見（標(biāo)識2）。

圖7 高分四號衛(wèi)星獲取的魯?shù)镸s6.5級地震震后大型滑坡的圖像

從衛(wèi)星影像對發(fā)生在川滇高山峽谷區(qū)的中強(qiáng)地震的震區(qū)顯示影像來看，利用高分四號衛(wèi)星震后影像，可以從空間上識別大型地震地質(zhì)災(zāi)害的空間分布位置，結(jié)合生命線工程（大型水電站、干線公路）與災(zāi)害在空間上的分布關(guān)系，能夠?yàn)檎鸷蟮膽?yīng)急指揮決策提供及時有效的信息。

4.林火監(jiān)測

從20世紀(jì)80年代初開始，我國開始利用衛(wèi)星影像提取林火燃燒信息，中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所在該領(lǐng)域也開展了大量的研究，并應(yīng)用于多次森林火災(zāi)的監(jiān)測中。利用高分四號衛(wèi)星配置的可見光和近紅外譜段的數(shù)據(jù)，進(jìn)行增強(qiáng)處理后，可以清晰區(qū)別影像中的煙區(qū)和火燒跡地，而在中波紅外譜段影像上，著火像元的亮溫值明顯高于非燃點(diǎn)像元，利用其間的差異可以識別和計(jì)算火點(diǎn)位置和過火面積。圖8為高分四號衛(wèi)星2017年5月1日獲取的內(nèi)蒙古自治區(qū)新巴爾虎左旗森林大火圖像，經(jīng)過計(jì)算，過火面積約為8400公頃。一些森林火災(zāi)與地理位置相連的國家災(zāi)情相關(guān)，如我國內(nèi)蒙古發(fā)生的多次火災(zāi)就是蒙古國的草場火災(zāi)入侵導(dǎo)致，甚至威脅到我國珍貴樹木示范基地，因此一旦獲得邊境的火警情報(bào)，需要進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，根據(jù)天氣、火勢的蔓延情況設(shè)立隔離帶，阻止大火越入我國境內(nèi)。因此實(shí)時地對我國及周邊區(qū)域的火情進(jìn)行日常監(jiān)測，可以減少很大的經(jīng)濟(jì)損失，切實(shí)保護(hù)我國生態(tài)環(huán)境和森林資源。

圖8 高分四號衛(wèi)星獲取的內(nèi)蒙古新巴爾虎左旗森林大火圖像

5.其他應(yīng)用

高分四號衛(wèi)星的相機(jī)具有超大動態(tài)范圍、長積分時間、多光譜大視場成像特點(diǎn)，除了可以對地觀測外，還拓展了在天文觀測領(lǐng)域的應(yīng)用。2018年，中國空間技術(shù)研究院開展了多次的對月觀測，借鑒國外月球定標(biāo)方面的經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)模型，可以對相機(jī)進(jìn)行相對輻射定標(biāo)和遙感器輻射響應(yīng)穩(wěn)定性跟蹤。通過對月球正面進(jìn)行成像觀測，可以測量月球的反射光強(qiáng)和自身的熱輻射強(qiáng)度，得到月表在可見光和中波譜段的反照率、溫度變化等信息，進(jìn)一步開展表面成分與熱特征，深化月球科學(xué)研究（見圖9、圖10）。

圖9 高分四號衛(wèi)星紅外譜段對月成像圖像

圖10 高分四號衛(wèi)星可見光譜段合成的偽彩色月球圖像

三、結(jié)束語

高分四號衛(wèi)星在軌已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行三年時間，首次從36000km的軌道高度上獲取高分辨率對地觀測影像，開辟了我國靜止軌道對地觀測新途徑，利用其覆蓋范圍大、響應(yīng)迅速等特點(diǎn)與低軌衛(wèi)星配合使用，為我國的減災(zāi)、賑災(zāi)工作提供快捷有效的支持。高分四號衛(wèi)星研制過程中攻克的關(guān)鍵技術(shù)以及工程經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)我國研制高時間分辨率、高空間分辨率的遙感衛(wèi)星奠定了基礎(chǔ)。