日本ALOS-3衛(wèi)星技術(shù)特點分析

劉韜 鄧剛

（1北京空間科技信息研究所 2中國航天科技國際交流中心）

2023年2月16日，日本先進(jìn)陸地觀測衛(wèi)星－3（ALOS－3）搭乘最新研制的H3運載火箭嘗試發(fā)射，但首次嘗試因火箭點火失敗未離開發(fā)射臺。3月7日，日本再次發(fā)射ALOS－3衛(wèi)星，但因火箭二級未能正常點火導(dǎo)致衛(wèi)星未能進(jìn)入軌道。

雖然ALOS－3衛(wèi)星發(fā)射失敗，但該星代表了大幅寬高分辨率光學(xué)成像技術(shù)的較高水平。本文將概述ALOS－3的項目進(jìn)展情況，分析其技術(shù)特點，并得出相關(guān)啟示。

1 ALOS－3衛(wèi)星發(fā)展歷程

在2006年發(fā)射ALOS－1衛(wèi)星之后，日本原計劃在2020年發(fā)射接替星ALOS－3。ALOS－3衛(wèi)星將攜帶高分辨率大幅寬成像相機(jī)，提升日本災(zāi)害監(jiān)測能力。ALOS－3衛(wèi)星是日本首顆亞米級民用光學(xué)成像衛(wèi)星，兼顧一定的測繪能力，但從測繪角度來看，ALOS－3衛(wèi)星由于取消了概念設(shè)計中的雙線陣測繪專用載荷，其測繪能力落后于ALOS－1衛(wèi)星。

2008年,日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）開始ALOS－3衛(wèi)星的需求分析，2009年開始ALOS－3衛(wèi)星的概念設(shè)計，2010年，JAXA提出ALOS－3衛(wèi)星攜帶3臺載荷，立體測繪載荷、1臺4通道多光譜載荷和1臺高光譜載荷，其中立體測繪載荷采用雙線陣相機(jī)體制。2012年完成全色立體制圖遙感器－2（PRISM－2）雙線陣測繪相機(jī)的概念設(shè)計。2016年,JAXA放棄雙線陣測繪相機(jī)方案，轉(zhuǎn)而發(fā)展大幅寬高分辨率光學(xué)成像載荷，旨在滿足應(yīng)急災(zāi)害監(jiān)測需求，同時結(jié)合傳統(tǒng)的異軌成像方式，兼顧一定的測繪能力。同年，ALOS－3轉(zhuǎn)入工程研制階段。

2018年3月，JAXA發(fā)布《第四期中長期發(fā)展規(guī)劃》（2018－2025年），于2018年4月1日開始正式實施。該規(guī)劃提出在遙感衛(wèi)星方面，與政府和民營機(jī)構(gòu)就衛(wèi)星數(shù)據(jù)的開發(fā)與利用開展合作，特別是在防災(zāi)減災(zāi)和國土管理等領(lǐng)域，促進(jìn)研究成果轉(zhuǎn)化。研制并部署ALOS－3衛(wèi)星、ALOS－4衛(wèi)星、溫室氣體觀測衛(wèi)星－2（GOSAT－2）、“地球云和氣溶膠輻射探測/測云雷達(dá)”（EarthCare/CPR）和先進(jìn)掃描微波輻射計－2（AMSR－2）衛(wèi)星后繼任務(wù)。該規(guī)劃還提出研發(fā)大容量、隱蔽性強(qiáng)的衛(wèi)星光通信技術(shù)，并利用ALOS－3衛(wèi)星進(jìn)行在軌驗證，構(gòu)建高速空間通信網(wǎng)絡(luò)，滿足地球觀測大容量、高分解能力要求和防災(zāi)減災(zāi)實際需求。

先進(jìn)陸地觀測衛(wèi)星－3

2 ALOS－3衛(wèi)星基本情況

ALOS－3衛(wèi)星設(shè)計方案出現(xiàn)較大變化，原為以雙線陣光學(xué)測繪為主，后來該方案被取消，轉(zhuǎn)而成為1顆民用資源觀測和災(zāi)害監(jiān)測類陸地衛(wèi)星，兼顧一定的測繪能力。

衛(wèi)星技術(shù)指標(biāo)

ALOS－3衛(wèi)星原計劃部署在高度669km、傾角97.9°的太陽同步軌道，降交點地方時為10：30±15min。軌道重復(fù)周期為35天。

三菱電子公司（Mitsubishi Electric）負(fù)責(zé)衛(wèi)星平臺和載荷研制。平臺基于ALOS－2平臺的設(shè)計，主要區(qū)別在機(jī)動能力和數(shù)據(jù)存儲量不同。衛(wèi)星能夠在任意方向側(cè)擺60°，能夠用于應(yīng)急觀測需求和異軌測繪。衛(wèi)星尺寸5m×16m×3.5m，發(fā)射質(zhì)量2900kg，設(shè)計壽命7年。該衛(wèi)星還具備激光數(shù)據(jù)中繼能力，可通過日本“光學(xué)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（JDRS）進(jìn)行激光數(shù)據(jù)中繼，其速率為1.8Gbit/s。對地數(shù)傳X和Ka頻段，速率分別為0.9Gbit/s和1.8Gbit/s。星上存儲量達(dá)到950Gbyte。

該衛(wèi)星全色分辨率0.8m；有6個多光譜譜段，分辨率3.2m，幅寬70km。全色譜段調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）為0.1，信噪比200；多光譜譜段MTF為0.2，信噪比200。數(shù)據(jù)量化值11bit。全色圖像星上壓縮比1：4，多光譜為1：3。無地面控制點圖像定位精度5m。載荷情況如下。

（1）“大幅寬高分辨率光學(xué)成像儀”（WISH）

ALOS－3衛(wèi)星新的載荷方案是搭載“大幅寬高分辨率光學(xué)成像儀”（WISH）。WISH采用了離軸四鏡消像散反射式望遠(yuǎn)鏡設(shè)計，使視場角達(dá)到了6°，從而實現(xiàn)了70km大幅寬。WISH焦距6.86m，等效口徑0.55m，F(xiàn)數(shù)12.7。相比傳統(tǒng)的三反射鏡消像散系統(tǒng),采用微曲率第四反射鏡后，光學(xué)系統(tǒng)的長度縮小了30%。離軸成像系統(tǒng)比同軸系統(tǒng)體積大，但MTF更好，可實現(xiàn)更好的成像質(zhì)量。

ALOS－3衛(wèi)星具備7個譜段，包括1個全色和6個多光譜譜段。多光譜譜段新配備了兩個適合監(jiān)測水區(qū)（海岸藍(lán)）和植被（紅邊）的特征譜段。這兩個譜段的數(shù)據(jù)將在實際使用和研究領(lǐng)域得到廣泛利用，海岸藍(lán)譜段是比藍(lán)色譜段更短的譜段，對水的吸收最少，在水深分析中非常有用。紅色邊緣譜段可反應(yīng)葉片反射率的急劇變化，能夠分析植被狀況。

（2）雙波長紅外探測器

雙波長紅外探測器保密程度很高，技術(shù)指標(biāo)不詳。據(jù)報道該載荷由日本防衛(wèi)省牽頭研發(fā)，為導(dǎo)彈預(yù)警試驗型載荷，為日本的天基導(dǎo)彈預(yù)警能力進(jìn)行技術(shù)鋪墊。該載荷可以使用中紅外線以及遠(yuǎn)紅外線兩個譜段來提高探測識別能力，還可以將兩個譜段的圖像相融合，從而清晰地捕捉燃燒后產(chǎn)生的一氧化碳和二氧化碳等氣體，能夠明確地判斷導(dǎo)彈實體的形狀和排放出的氣體。防衛(wèi)省將會對研究數(shù)據(jù)進(jìn)行積累，并將飛行物的紅外線特性等進(jìn)行數(shù)據(jù)庫化。

衛(wèi)星成像模式

ALOS－3衛(wèi)星具有5種成像模式。

1）長條帶模式。該模式為默認(rèn)成像模式，每條軌道覆蓋寬70km，沿軌道方向4000km。4000km意味著ALOS－3衛(wèi)星一軌可連續(xù)成像10min。

2）點/區(qū)域成像模式。如果用戶對某一點或區(qū)域感興趣，可使用指向功能在所有方向與衛(wèi)星最低點成60°角度觀測。

3）變向成像模式?？稍谟脩籼峤簧暾?4小時內(nèi)響應(yīng)，通過控制衛(wèi)星的姿態(tài)和改變觀察方向，連續(xù)觀察超過1500km長的區(qū)域。

4）大區(qū)域成像模式。在軌道路徑期間通過多次掃描觀測覆蓋超過200km×100km的廣域。

5）立體成像模式。為了獲得立體像對，JAXA提出了兩種方法。①同軌立體成像。②結(jié)合天底觀測和3天后相鄰軌道的后向機(jī)動觀測進(jìn)行異軌立體成像。然而，對于ALOS－3衛(wèi)星，方法一沒有足夠的基高比（B/H）得出地形信息。方法二的優(yōu)點是可以設(shè)置合適的基高比，并且可以獲取大面積的圖像。然而，在短時間內(nèi)成功獲取立體圖像取決于天氣條件。最后，衛(wèi)星采用了第2種方法，即采用異軌立體成像進(jìn)行測繪。

長條帶模式

點/區(qū)域成像模式

變向成像模式

大區(qū)域成像模式

立體成像模式

產(chǎn)品與應(yīng)用

（1）商業(yè)銷售產(chǎn)品

根據(jù)JAXA的合同，日本博思科公司（PASCO）負(fù)責(zé)ALOS－3衛(wèi)星圖像的商業(yè)銷售。實際上，早在2014年11月，JAXA就與PASCO公司合作，委托其開展ALOS－2雷達(dá)衛(wèi)星圖像的商業(yè)銷售。PASCO公司原計劃負(fù)責(zé)銷售ALOS－3衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，包括L1B1、L1B2和L1C數(shù)據(jù)。

1）L1B1數(shù)據(jù)：對L1A數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校準(zhǔn)，并加入絕對校準(zhǔn)系數(shù)。數(shù)據(jù)是以場景為單位提供。

2）L1B2數(shù)據(jù)：是經(jīng)過幾何校正的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，它提供有理多項式系數(shù)（RPC）?？梢蕴峁┤魏沃付ǚ秶鷥?nèi)的數(shù)據(jù)（需要購買一定的數(shù)量）。

3）L1C數(shù)據(jù)：正射校正，包括數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)（DSM）和日本地理測量研究所的數(shù)字地圖等。可以提供任何指定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)（需要購買一定的數(shù)量）。

（2）民用產(chǎn)品

ALOS－3衛(wèi)星在民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在防災(zāi)減災(zāi)方面，該衛(wèi)星獲取災(zāi)前和災(zāi)后數(shù)據(jù)的能力，原本將成為日本有關(guān)部門防災(zāi)和預(yù)警的必要技術(shù)手段之一。衛(wèi)星獲得的觀測數(shù)據(jù)也可用于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的各個領(lǐng)域，例如高精度地理空間信息的維護(hù)和更新、沿海和陸地環(huán)境監(jiān)測的研究和應(yīng)用。

ALOS－3在分辨率和幅寬方面與其他陸地衛(wèi)星的對比

3 特點分析

兼顧高分辨率和大幅寬，綜合水平達(dá)到世界領(lǐng)先

ALOS－3衛(wèi)星的分辨率達(dá)到亞米級，在亞米級衛(wèi)星中，盡管分辨率未達(dá)到0.5m或更高水平，但幅寬在目前的高分辨率光學(xué)衛(wèi)星中是最大的，達(dá)到70km。與世界觀測－1/2/3（WorldView－1/2/3）衛(wèi)星、“新系統(tǒng)架構(gòu)先進(jìn)觀測”衛(wèi)星（ASNARO）、“昴宿星”（Pleiades）、“天空衛(wèi)星”（Skysat）、地球眼－1（Geoeye－1）、“伊克諾斯”（IKONOS）、災(zāi)害監(jiān)測星座－3（DMC－3）、快鳥－2（QuickBird－2）、多用途衛(wèi)星－2（KOMPSAT－2）、斯波特－6/7（SPOT－6/7）、“對地觀測系統(tǒng)”（THEOS）衛(wèi)星、福衛(wèi)－2（FormoSat－2）衛(wèi)星等高分辨率衛(wèi)星在分辨率和幅寬方面的對比如圖中所示。ALOS－3衛(wèi)星的空間相機(jī)使用離軸四反式消像散光學(xué)形式，采用長焦距、大相對孔徑數(shù)、大視場、小型化的設(shè)計理念，在保證高分辨率的同時，擴(kuò)大了幅寬。

連續(xù)成像能力強(qiáng)于美國高分辨率成像衛(wèi)星

日本在連續(xù)成像距離方面達(dá)到世界先進(jìn)水平。ALOS－3衛(wèi)星一軌可連續(xù)成像距離達(dá)到4000km，相當(dāng)于連續(xù)成像時間達(dá)到10min。即便是美國能力十分強(qiáng)大的WorldView－3高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星連續(xù)成像距離也僅為360km。

一星多用，兼顧資源、環(huán)境與災(zāi)害的監(jiān)測和測繪

ALOS－3衛(wèi)星具備任意方向的側(cè)擺能力，能夠在24h內(nèi)，響應(yīng)災(zāi)害監(jiān)測需求。該星具有6個多光譜譜段，在植被監(jiān)測、海岸帶監(jiān)測等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

盡管ALOS－3衛(wèi)星異軌測繪效率低于同軌測繪，但在天氣情況較好的情況下，仍然可在3天內(nèi)制作可覆蓋地區(qū)的測繪產(chǎn)品，兼顧了一定的測繪能力。

4 小結(jié)

高分辨率大幅寬光學(xué)成像載荷技術(shù)成為重要發(fā)展趨勢

日本ALOS－3衛(wèi)星創(chuàng)新性地采用了離軸四反射鏡消像散相機(jī)構(gòu)型，使單臺相機(jī)視場角達(dá)到6°，并保持了0.8m的高分辨率，而傳統(tǒng)高分辨率成像衛(wèi)星視場一般在1°~2°，對應(yīng)幅寬超過10km。ALOS－3衛(wèi)星代表的高分辨率大幅寬光學(xué)成像是未來光學(xué)成像衛(wèi)星的一個重要發(fā)展趨勢，在提升偵察監(jiān)視效率和重訪能力方面有重要應(yīng)用價值。

日本發(fā)掘市場契機(jī)，

關(guān)注民用衛(wèi)星測繪產(chǎn)品的商業(yè)化銷售

日本在商業(yè)遙感市場競爭力雖然不及歐美，但在國際市場也具有一定的影響力，特別在全球測繪市場擁有獨到的產(chǎn)品。例如：NTT數(shù)據(jù)公司（NTT DATA）和日本遙感技術(shù)中心主要基于ALOS－1衛(wèi)星制作了AW3D測繪產(chǎn)品，并進(jìn)行商業(yè)銷售。AW3D系列產(chǎn)品已經(jīng)成為具有高度影響力的航天測繪產(chǎn)品。此外，JAXA與PASCO公司簽署合同，負(fù)責(zé)ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的商業(yè)銷售。