環(huán)境與災害監(jiān)測光學衛(wèi)星技術與發(fā)展

白照廣 汪春濤 董筠 沈中 朱軍 陸春玲 孫紀文 于倩 馬磊

(1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

(2 中國空間技術研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

我國是個自然災害多發(fā)的國家，災害發(fā)生的頻度和覆蓋的范圍都很大，每年的災害損失達2000億元以上，2008年初南方雪災、汶川大地震累計造成了過萬億元的損失，與此同時國家環(huán)境狀況也迫切需要快速、大面積、全天候的監(jiān)測手段。

航天遙感由于高時空、大尺度、長壽命等特點，無疑在災害與環(huán)境監(jiān)測中具有優(yōu)勢。20世紀90年代初，現代小衛(wèi)星呈現蓬勃發(fā)展的勢頭，陳芳允院士提出“用于自然災害監(jiān)測和減災的低費用小衛(wèi)星網”等建議。中國空間技術研究院組織專家配合當時的國家減災委開始了“減災星座”論證。為增加應用效益，加快立項，國家減災委又聯合當時的國家環(huán)保總局共同作為用戶提出項目要求。中國空間技術研究院論證提出了“環(huán)境與災害監(jiān)測小衛(wèi)星星座”項目，該星座由8顆小衛(wèi)星組成，包括4顆光學小衛(wèi)星和4顆合成孔徑雷達小衛(wèi)星(即4+4方案)。兩種衛(wèi)星可分別實現1天對國土重訪觀測，光學星還能實現國土1天的覆蓋觀測。2003年2月，國防科工委、國家計委、財政部聯合批準環(huán)境與災害監(jiān)測預報小衛(wèi)星星座，包括2顆光學小衛(wèi)星(簡稱環(huán)境減災一號A/B衛(wèi)星)和1顆合成孔徑雷達小衛(wèi)星(即2+1方案)。另外A星還作為亞太多邊合作小衛(wèi)星(SMMS)，裝載了泰國的Ka通信試驗載荷，用于通信試驗。

2008年9月6日，環(huán)境減災一號A/B衛(wèi)星采用一箭雙星發(fā)射方式發(fā)射升空，9月8日衛(wèi)星開始成像測試，經過5個多月的在軌測試，2009年3月衛(wèi)星交付運行，自此揭開了我國專用衛(wèi)星數據進行環(huán)境與災害監(jiān)測業(yè)務化的序幕。雙星穩(wěn)定運行，超過了3年考核壽命，至2021年9月已經運行了13年，成為我國壽命最長的遙感衛(wèi)星。

在環(huán)境減災一號衛(wèi)星發(fā)射后，國家減災委就會同國家環(huán)保部開始了后續(xù)項目的論證，中國空間技術研究院航天東方紅衛(wèi)星有限公司繼續(xù)配合進行項目論證，光學星在環(huán)境減災一號基礎上，吸納高分工程科研成果，提出了16 m光學星的項目，論證成果納入到了《國家民用空間基礎設施中長期發(fā)展規(guī)劃》(2015—2025)中，2顆16 m光學業(yè)務衛(wèi)星就是首批啟動的項目(命名為環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星)， 2016年6月17日，國家發(fā)改委、國家財政部、國防科工局聯合下達了衛(wèi)星工程項目可研報告的批復，項目開始研制。2020年8月衛(wèi)星研制完成，2020年9月27日，環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星采用長征四號乙運載一箭雙星發(fā)射升空。目前雙星已經組網，完成在軌測試，并與高分一號、高分六號等組網運行，可實現16 m數據1天全球覆蓋觀測。

1 環(huán)境減災光學遙感星座及衛(wèi)星方案

1.1 環(huán)境減災一號A/B衛(wèi)星

環(huán)境減災一號A/B衛(wèi)星采用CAST968平臺。為保證主要探測要素時效性，雙星裝載3種遙感載荷，包括寬覆蓋多光譜CCD相機(A、B星)、超光譜成像儀(A星)、紅外相機(B星)，在A星中還配置了Ka通信試驗設備，用于泰國方面通信試驗。衛(wèi)星主要技術指標如表1所示[1-2]。

表1 HJ-1A/B衛(wèi)星主要技術指標

整星采用分艙結構形式，平臺的設備與載荷設備分艙布置，發(fā)射時平臺在底部，載荷艙在平臺頂部，入軌后載荷艙對地，平臺對天。載荷艙內布放相機及數據傳輸設備，平臺布放服務系統(tǒng)設備，如圖1所示。兩付太陽翼布放于垂直于軌道面的方面，可單軸轉動，適應于衛(wèi)星對地定向時太陽翼同步對日定向[3]。

圖1 環(huán)境減災一號A/B衛(wèi)星在軌構型

衛(wèi)星采用太陽同步軌道[4]，兩顆光學衛(wèi)星運行在一個軌道面內，呈180°相位差，通過嚴格的軌道構型控制，可形成兩星對地面搭接成像，共同實現對地2天的覆蓋觀測能力。

雙星采用一箭雙星、速度差方式入軌。實際飛行中A星入軌后，軌道高度比標稱值高4 km左右，B星軌道高度比標稱值低1 km左右，與理論軌道有差異，但均在入軌偏差范圍內。期間，由于有其它工程測控任務，制定了以10月10-15日為目標的星座建立軌控優(yōu)化策略，并于9月13日，B星進行了升軌控制，抬高進入到標稱軌道，10月11-13日，對A星進行了先降后升的軌控措施，進入到標稱值，兩星180°相位差已經得到保持，星座得以建立。

1.2 環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星

環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星采用CAST2000平臺。為保證主要探測要素時效性，雙星配置載荷相同，各裝載4種遙感載荷，包括寬覆蓋多光譜CCD相機、高光譜成像儀、紅外相機和大氣校正儀。衛(wèi)星主要技術指標如表2所示。

表2 HJ-2A/B衛(wèi)星主要技術指標

衛(wèi)星結構采用鋁蒙皮蜂窩夾層板結構，分為上艙、下艙兩部分。上艙布放相機及數據傳輸電子設備，下艙布放服務系統(tǒng)設備，4種光學載荷主體分三層安裝，入光口對地，如圖2所示。兩付太陽翼布放于垂直于軌道面的方面，可單軸轉動，適應于衛(wèi)星對地定向時太陽翼同步對日定向。

圖2 環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星在軌構型

雙星采用一箭雙星、速度差方式入軌，變軌方案同環(huán)境減災一號A/B衛(wèi)星。

2 環(huán)境與減災光學星主要技術創(chuàng)新

2.1 環(huán)境與災害監(jiān)測預報小衛(wèi)星星座開創(chuàng)了我國遙感衛(wèi)星星座建設

環(huán)境減災一號A/B衛(wèi)星是我國首個遙感星座，雙星同軌運行，180°相位，在700 km幅寬下保證CCD相機2天可對我國陸地區(qū)域進行覆蓋觀測，如圖3、圖4所示。

圖3 兩星1天觀測覆蓋情況(80%)

圖4 兩星2天觀測覆蓋情況(100%)

為降低軌道衰減，采用高密度布局，裝填密度300 kg/m3左右。為保證相位長時間保持，雙星均衡了衛(wèi)星質量，統(tǒng)一衛(wèi)星構型和布局，面質比相差僅4%，在軌僅調整了3次，如圖5所示。

圖5 星座運行軌道相位差

環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星作為一號的接替星，仍然保持雙星共軌180°相位控制。并且與在軌裝備了16 m相機的高分一號、高分六號衛(wèi)星組網，其中16 m相機可實現1天全球覆蓋，紅外相機可實現2天的覆蓋觀測。由于衛(wèi)星的地方時不同，難以實現相位控制的星座運行，因此提出了按照地面軌跡均分法規(guī)制每顆星成像的區(qū)域，實現了異軌多星對全球的無縫拼接成像。

2.2 遙感器技術指標匹配，多項創(chuàng)新，在環(huán)境減災二號衛(wèi)星實現全面提升

1)多載荷設計匹配

按照環(huán)境減災多要素觀測要求，衛(wèi)星觀測譜段選擇從可見光到長波紅外全部覆蓋。根據探測器及成像分辨率能力，將可見光和紅外分置兩臺相機進行了設計，幅寬均按大于700 km考慮。為了精細化地物觀測，設計了高光譜成像儀?？紤]到數據傳輸能力與提升，一號衛(wèi)星可見光和紅外相機機分別設計有4個譜段，高光譜成像儀主要在可見到近紅外譜段，幅寬50 km，設計了擺鏡可視范圍保持在700 km。二號衛(wèi)星可見光設置了5個譜段，增加一個紅邊譜段利于農作物和森林等的分類監(jiān)測；紅外相機擴展到了9個譜段；高光譜成像儀譜段擴展到短波紅外；增加了大氣校正儀用于其它相機圖像的大氣、水汽同步校正。特別是環(huán)境減災二號分辨率按照16×N系列設計，包括16 m、48 m、96 m，有利于應用數據融合。星上光學載荷譜段分布如圖6所示。

圖6 環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星光學載荷遙感譜段分布

2)同等分辨率下遙感器成像幅寬達國際領先

幅寬越大越實用，可以減少大面積區(qū)域觀測的成像次數，提高成像時間分辨率；用戶還可以減少圖像拼接工作量，提高數據精度。環(huán)境減災衛(wèi)星以應急的快速觀測為目標，在保證成像質量前提下，堅持大幅寬設計特點。大于700 km幅寬的設計既考慮4天快速覆蓋，又考慮地面成像高度角不易過小，避免成像畸變大、成像質量變差問題。環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星的16 m多光譜相機在國際上實現了在同等分辨率下幅寬最大的成像，如表3所示。

表3 相近空間分辨率遙感衛(wèi)星幅寬比較

3)在國際上率先利用空間調制傅里葉型高光譜探測

環(huán)境減災一號A星上裝載了一臺擁有115個探測譜段、平均光譜分辨率為5 nm的超光譜成像儀，它跟蹤了當時國際上的新技術，在國內首先采用了靜態(tài)干涉型成像光譜技術原理，也是繼美國強力小衛(wèi)星之后，國際上第2臺該種原理的相機，具有穩(wěn)定性好、體積小、光譜線性度高、光譜范圍寬等特點，代表了當時光譜成像技術領域的發(fā)展方向。超光譜成像儀“圖譜合一”的寬譜段(0.45～0.95 μm)和精細光譜(5 nm)的探測能力使它對外形相似而質地不同的目標、個體極小而集群的目標、具有明顯特征光譜的目標有很好的辨識能力。

環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星高光譜成像儀改進為時空聯合調制干涉光譜成像技術原理，并根據探測器選用情況，將高光譜成像儀主體劃分為可見光光譜成像儀和短波紅外光譜成像儀。為實現大視野觀測，雙通道共用一個擺鏡，可側擺30°，實現單星4天、雙星2天的重訪觀測。

4)環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星相對一號技術指標全面提升

環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星相對于一號A/B衛(wèi)星技術性能大幅提升，如表4所示，像元空間分辨率提高1～2倍，星上總譜段數由環(huán)境減災一號A/B衛(wèi)星的123個提升到238個，高光譜視場擴展1倍，增加了大氣校正儀用于對其它相機圖像的同步校正和大氣氣溶膠等產品生成。對地數傳碼速率提高了10倍，圖像存儲容量提升了60倍。衛(wèi)星平臺由CAST968升級到CAS2000，姿態(tài)控制精度、供電能力、壽命等也進行了大幅度提升。

表4 環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星與一號技術指標比較

2.3 衛(wèi)星可靠性安全性設計策略完備，運行壽命長

環(huán)境減災一號A/B衛(wèi)星已經成為國內最長壽命的遙感衛(wèi)星。其運行壽命取決于衛(wèi)星可靠性/安全性設計、衛(wèi)星的運行管理。在可靠性安全性設計方面，主要特點衛(wèi)星：

(1)精密的軌道設計要求。首先對初始軌道進行了偏置，確保在壽命期軌道地方時在10：30±30 min內，既保證成像高度角，又保證電池陣的光照條件，實際運行了4年。超壽命后，地方時向早晨漂移，不利于電池陣發(fā)電，2014年3月11日開始對星座實施了衛(wèi)星傾角調整，增加0.305 6°，使得衛(wèi)星降交點地方時開始向正午漂移，如圖7所示，確保星上電源發(fā)電，保證了衛(wèi)星仍具有成像能力。

圖7 軌道降交點地方時變化

(2)選用成熟產品。環(huán)境減災一號A/B衛(wèi)星的平臺部分與海洋一號B衛(wèi)星相同，A、B類的產品分別占整星的88.2%、89.3%。

(3)軟硬件融合的高可靠設計。應答機、計算機等關鍵單機實施雙機冗余設計；電池組實施n+1備份策略；推力器采用6+2冗余方式；無冗余的太陽電池陣驅動機構等實施足夠裕度設計，在研制過程設計關鍵控制點進行過程檢查確認。星務主機對全星下位機通信進行監(jiān)控，對有問題單機可實施復位、切機等自主策略。姿控主機等關鍵單機運行信息實施異地存儲，復位或切機后可重新讀取，達到自主功能恢復的能力。

(4)多級安全模式設計。按照整星最低功耗模式設計策略，設計了姿態(tài)、電源、BAPTA及星務中心計算機等主要異常事件時星上自主安全對策，確保異常下整星能工作12 h以上；對短期負載和短壽命部件進行工作時間限制控制，防止其對整星供電帶來過大負荷或過早消耗設備壽命的現象，從而有效保障了整星的安全運行能力。

(5)國內首次采用相對時間程控指令等技術簡化操控風險。通過設計只上注開機時間和時長的相對時間程控指令，將以往載荷與數傳設備開關機的數十條指令，壓縮到一條指令中，簡化了衛(wèi)星操作，提高了過境測控弧段的利用率，同時降低了操作風險。

(6)為加強對衛(wèi)星關鍵動作判斷的可靠性，環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星采用可視化遙測實現太陽翼展開等實時、直觀監(jiān)測。采用低成本工業(yè)相機，監(jiān)測了拋罩、星箭分離、太陽翼展開、數傳天線展開等動作，并通過測控信道實時下傳圖像，如圖8所示。

圖8 可視化遙測監(jiān)測拋罩、星箭分離、太陽翼展開

2.4 采用新型圖像壓縮技術和異源數據編碼技術

環(huán)境減災一號A/B衛(wèi)星是國內最早開始使用多源數據數據壓縮技術，圖像處理中采用了圖像壓縮技術，其中CCD圖像采用4：1壓縮技術，超光譜成像儀采用光譜密集度分布壓縮的技術，實現1.64：1的光譜壓縮技術，不但確保了數據傳輸技術可行，而且保證了圖像質量。

環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星實施了高低壓縮比壓縮策略，高壓縮比適應于多載荷同時成像和快速下傳，低壓縮比針對確保圖像質量。

2.5 多樣化定標技術

依托衛(wèi)星平臺強大的姿態(tài)機動能力，環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星增強了星上自主定標能力，設計有偏航定標、對日定標、對月觀測、光譜內定標、黑體定標等17種星地月聯合、輻譜偏聯合定標手段，如表5所示，以及大氣氣溶膠和水汽同步探測校正模式，提高可見多光譜數據定量化反演精度，確保遙感數據輻射精度和幾何精度的穩(wěn)定、可靠，保證衛(wèi)星在軌長期、穩(wěn)定、高精度的遙感數據質量。

表5 環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星定標模式設計

2.6 衛(wèi)星數據廣泛應用

環(huán)境與減災部門開展了大量環(huán)境與減災應用[5-12]。在環(huán)境減災一號衛(wèi)星數據支撐下，國家減災中心建立了較為完備的災害遙感業(yè)務體系，建立日常監(jiān)測和應急監(jiān)測兩種業(yè)務模式、災害遙感監(jiān)測業(yè)務工作流程、災害遙感業(yè)務產品體系、災害監(jiān)測業(yè)務標準，開展了融雪性洪澇、洪澇災害、滑坡和泥石流、旱情、雪災、森林火災、海冰、河流冰凌、溢油九種災害特征參數反演，進行了災害范圍、災害損失實物量評估等工作，實現了災害遙感業(yè)務從無到有并逐步完善的過程，應急觀測時效平均2～3天。環(huán)保部依托衛(wèi)星數據建立了衛(wèi)星環(huán)境應用中心，并開展了衛(wèi)星遙感數據在環(huán)境監(jiān)測領域關鍵技術研究，建立了水、汽、生態(tài)及環(huán)境應急事件監(jiān)測產品體系，逐步完善了環(huán)境監(jiān)測業(yè)務化體系，為天地一體化的環(huán)境監(jiān)測預警體系提供了技術和信息的支撐。在國防科工局推動下，環(huán)境減災衛(wèi)星數據在國內各個行業(yè)得到了應用，環(huán)境減災一號A/B星在前10年即發(fā)放數據490萬景，除在環(huán)保部和前民政部國家減災中心外，還在國土、農業(yè)、林業(yè)、水利、氣象等多個業(yè)務部門及多所大學研究機構合計數十家單位應用，很好地踐行了“小衛(wèi)星大作為”的能力，如圖9所示。

圖9 環(huán)境減災一號A/B衛(wèi)星數據發(fā)放業(yè)務

環(huán)境減災衛(wèi)星數據應外國政府及國內相關機構要求，先后針對澳大利亞火災、海地地震、緬甸洪澇、委內瑞拉洪澇、“非洲之角”旱災等30余場國外重大自然災害提供災情專題產品服務[8,13]，服務對象擴大到全球6大洲20多個國家，得到相關國家及國際組織的高度評價，稱贊我國衛(wèi)星數據和產品及時有效?；诃h(huán)境減災衛(wèi)星系統(tǒng)的全球災害監(jiān)測服務，已經成為我國“減災”外交的重要紐帶和橋梁。

環(huán)境減災二號衛(wèi)星立項時除環(huán)境與災害監(jiān)測需求外，還兼顧了國土資源、水利、農業(yè)、林業(yè)、地震等其他行業(yè)業(yè)務需求，雙星目前已通過在軌測試，衛(wèi)星的數據也已開始在這些行業(yè)中得到示范應用。

3 環(huán)境減災衛(wèi)星后續(xù)發(fā)展建議

3.1 后續(xù)發(fā)展主要策略

高時間分辨率、高空間分辨率的災害應急監(jiān)測，需要由天基、空基、地基、城市網格化等系統(tǒng)共同構建達成，而由遙感、通信、導航衛(wèi)星組成的天基系統(tǒng)是整個應急災害監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分。天基系統(tǒng)中環(huán)境減災遙感衛(wèi)星的后續(xù)發(fā)展主要策略如下。

(1)提高時間分辨率到分鐘級[14-15]。應急觀測最迫切的是能夠第一時間獲得應急地區(qū)的遙感信息，同時也期望獲得災害發(fā)生前最近時刻的遙感數據，通過比較獲得災情影響信息，輔助地面應急處理決策。目前環(huán)境減災星座僅能實現2天的時間分辨率，即使考慮國內各類遙感衛(wèi)星，最短時間也只能達到6.5 h[16]，且時長不可控。因此實現實時遙感是應急觀測長期的目標。低軌要達到實時遙感需要的衛(wèi)星數量多，需要根據國家能力和商業(yè)衛(wèi)星聯合，循序漸進的實現。

(2)提高空間分辨率到分米級[14-15]。目前環(huán)境減災星座16 m的觀測能力，對洪澇、冰雪、干旱等大面積災害監(jiān)測非常實用，但用于房屋倒損、道路損壞監(jiān)測等還不夠精細。國內空間分辨率達0.5 m的遙感數據量有限，而要進行更精細的災情觀測，空間分辨率至少要達到0.1 m。

(3)提高圖像定位精度到分米級[15]。圖像定位精度事關災前災后信息變化對災情危害程度的判定，特別對橋梁、房屋等的損失、變形程度至關重要。達到分米級與空間分辨率匹配，才能真正實現單像元應該發(fā)揮的作用。

(4)增強星上智能設計[17-19]。根據用戶特定任務要求，聚合處理各種星座信息，實時為用戶提供所需信息、知識。衛(wèi)星的智能化設計包括遙感器數據校正、任務規(guī)劃、圖像處理與信息提取、信息發(fā)放等環(huán)節(jié)。

(5)通導遙一體化設計實現遙感信息快速獲取。應急事件發(fā)生后，應能夠立即向衛(wèi)星發(fā)送成像任務指令，并在衛(wèi)星成像后，能夠立即向災區(qū)或地面指導區(qū)域發(fā)送圖像或災情信息，這就需要地面與衛(wèi)星隨時都有直達的通信信道，就是要將目前的通導遙衛(wèi)星有機的協同起來。

(6)加強國際合作[20-21]。遙感技術已經成為應急與環(huán)境監(jiān)測不可缺少的技術手段和數據資源，聯合國在2015年3月通過的“2015—2030年仙臺減輕災害風險框架”中，將天基技術作為第一優(yōu)先領域理解風險的重要手段，明確提出在區(qū)域和全球層面通過國際合作，加強天基技術的減災技術應用和服務，強化衛(wèi)星遙感地球觀測和災害監(jiān)測能力。

3.2 后續(xù)發(fā)展主要項目

(1)持續(xù)保持現有環(huán)境減災星座建設[14，21]。按照空間基礎設施規(guī)劃，研制發(fā)射環(huán)境減災二號C/D衛(wèi)星，構建在軌“4星”運行模式，并將地方時調整到下午，聯合在軌的高分衛(wèi)星，可形成一天1次、重點地區(qū)1天2次的成像能力。后續(xù)應持續(xù)維護，確保中分遙感數據的獲取與地面業(yè)務的持續(xù)開展。

(2)增加高分辨率遙感星座[14-15，21]。增加高分辨率遙感星座，近期可將分辨率設定在0.5 m，遠期瞄準0.1 m分辨率。星座規(guī)模與時間分辨率對應，近期可建4顆實現1天的重訪，協同高景一號商業(yè)衛(wèi)星等，實現優(yōu)于12 h的重訪觀測能力。遠期瞄準優(yōu)于1～10 min的設計開展星座設計。

(3)增加環(huán)境監(jiān)測要素衛(wèi)星系統(tǒng)[18，21]。針對隨機性、動態(tài)性、綜合性環(huán)境突發(fā)事件，發(fā)展快速多體制光學綜合探測衛(wèi)星系統(tǒng)，實現遙感多體制、全天時及快速機動、快速重訪、快速響應、快速處理能力，提高我國環(huán)境監(jiān)測執(zhí)法能力，并應對應急事件。針對科學治污、精準治污、依法治污的新形勢和新要求，瞄準碳排放、臭氧監(jiān)測、土地污染監(jiān)測等急需，發(fā)展激光探測、超光譜探測、傅里葉轉換紅外光譜(FTIR)、極軌多角度多光譜偏振及微光成像等新技術，形成與高軌衛(wèi)星協同的動靜結合的環(huán)境衛(wèi)星觀測體系。

(4)建設高中低軌協同工作衛(wèi)星系統(tǒng)[14，21]。利用高中軌衛(wèi)星對同地物長時間駐留觀測的能力與低軌衛(wèi)星高空間分辨率能力，開展衛(wèi)星協同設計，補缺必要的衛(wèi)星系統(tǒng)，形成聯合發(fā)現應急事件、聯合觀測的新模式，極大的提升空間系統(tǒng)任務效能。

4 結束語

環(huán)境與災害監(jiān)測關系國計民生和社會穩(wěn)定，是我國國民經濟可持續(xù)發(fā)展的一項迫切需求。環(huán)境減災衛(wèi)星成功應用不但提升了我國小衛(wèi)星技術水平和遙感器設計水平，而且提升了我國衛(wèi)星環(huán)境與災害監(jiān)測及預報能力，促進了衛(wèi)星在其他行業(yè)的應用。環(huán)境減災衛(wèi)星采用小衛(wèi)星及星座技術，符合環(huán)境減災特殊需求，同時兼顧國家經濟能力，是“好、快、省”實踐的典范，符合國情，應保持持續(xù)發(fā)展。