高分四號(hào)衛(wèi)星運(yùn)行策略及災(zāi)害監(jiān)測(cè)應(yīng)用

文|莊超然 史小金 曾湧 王靜巧

中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心

一、前言

我國(guó)大部分極軌民用陸地觀測(cè)衛(wèi)星軌道位于400~800km范圍內(nèi)，回歸周期較長(zhǎng)，雖然衛(wèi)星可通過(guò)姿態(tài)調(diào)整，快速機(jī)動(dòng)至目標(biāo)區(qū)域。但受衛(wèi)星運(yùn)行軌跡及側(cè)擺能力的限制，難以滿足災(zāi)害監(jiān)測(cè)的時(shí)效性需求。高分四號(hào)（GF-4）衛(wèi)星為地球同步軌道衛(wèi)星，具備較高空間分辨率、載荷類型多、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、幅寬范圍大、成像迅速等特點(diǎn)，可在災(zāi)害前期預(yù)警、災(zāi)時(shí)輔助決策等業(yè)務(wù)開展上提供重要支撐。以林火、臺(tái)風(fēng)等監(jiān)測(cè)任務(wù)為例，在林火監(jiān)測(cè)任務(wù)中GF-4 衛(wèi)星的可見近紅外通道可以較好地反映植被覆蓋、過(guò)火區(qū)域和煙區(qū)等信息，同時(shí)中波紅外波段對(duì)熱輻射信息敏感，可以較好地應(yīng)用于著火點(diǎn)的提取判別、火勢(shì)狀況分析。在臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)任務(wù)中，GF-4 衛(wèi)星通過(guò)可見近紅外通道對(duì)風(fēng)眼處持續(xù)監(jiān)測(cè)，輔助判斷臺(tái)風(fēng)大小變化及運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

目前GF-4衛(wèi)星在軌運(yùn)行穩(wěn)定，中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心通過(guò)在各類自然災(zāi)害應(yīng)用實(shí)踐，逐步構(gòu)建了衛(wèi)星的運(yùn)行策略及災(zāi)害監(jiān)測(cè)應(yīng)用體系，形成與業(yè)務(wù)需求聯(lián)動(dòng)、以需求為導(dǎo)向的成像特點(diǎn)，本文根據(jù)衛(wèi)星載荷及軌道特點(diǎn)，介紹GF-4衛(wèi)星在軌運(yùn)行策略，針對(duì)衛(wèi)星應(yīng)用實(shí)踐情況，圍繞災(zāi)害監(jiān)測(cè)、應(yīng)急管理的要求，提出未來(lái)GF-4衛(wèi)星的應(yīng)用方向和發(fā)展建議。

二、高分四號(hào)衛(wèi)星性能

GF-4衛(wèi)星于2015年12月29日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，是我國(guó)第一顆地球同步軌道遙感衛(wèi)星，通過(guò)指向控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)中國(guó)及周邊地區(qū)的觀測(cè)。作為世界首顆地球靜止軌道中高空間分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星，兼具地球同步觀測(cè)、中高空間分辨率成像優(yōu)勢(shì)，具有全色、藍(lán)、綠、紅、近紅外、中波紅外 6 個(gè)波段，星下點(diǎn)空間分辨率達(dá) 50m（可見光近紅外波段）、400m（中波紅外波段），可提供快速、高頻次、中空間分辨率、大幅寬對(duì)地觀測(cè)光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，在支撐日常條件數(shù)據(jù)獲取基礎(chǔ)上，憑借其快速響應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在應(yīng)急數(shù)據(jù)獲取中發(fā)揮作用。

GF-4衛(wèi)星為我國(guó)減災(zāi)、林業(yè)、地震、氣象等應(yīng)用提供了快速、可靠、穩(wěn)定的光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，為災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)、林火災(zāi)害監(jiān)測(cè)、地震構(gòu)造信息提取、氣象天氣監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)補(bǔ)充了全新的技術(shù)手段，開辟了我國(guó)地球同步軌道高分辨率對(duì)地觀測(cè)的新領(lǐng)域。其載荷見表1，衛(wèi)星覆蓋范圍如圖1所示。

圖1 GF-4衛(wèi)星覆蓋范圍示意圖

表1 GF-4衛(wèi)星載荷相關(guān)參數(shù)

三、高分四號(hào)衛(wèi)星運(yùn)行策略

GF-4衛(wèi)星常規(guī)觀測(cè)模式主要有定點(diǎn)凝視、巡查模式、區(qū)域成像模式。定點(diǎn)凝視可實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)目標(biāo)多次監(jiān)視；巡查模式對(duì)不同位置的兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，通過(guò)側(cè)擺實(shí)現(xiàn)輪巡監(jiān)視；區(qū)域模式為對(duì)區(qū)域范圍超過(guò)一景衛(wèi)星圖像的大區(qū)域?qū)崿F(xiàn)觀測(cè)。常規(guī)情況時(shí)，衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)兩天對(duì)全國(guó)覆蓋，定期對(duì)全國(guó)廣域監(jiān)測(cè)。在森林火災(zāi)易發(fā)季節(jié)，針對(duì)火災(zāi)易發(fā)區(qū)域進(jìn)行輪巡監(jiān)測(cè)。突發(fā)災(zāi)害監(jiān)測(cè)時(shí)，采用GF-4衛(wèi)星快速調(diào)度及高低軌衛(wèi)星聯(lián)合拍攝等策略。

1.常規(guī)任務(wù)觀測(cè)

常規(guī)任務(wù)中，綜合各類用戶的成像需求，提高衛(wèi)星成像效率，進(jìn)行全國(guó)區(qū)域成像。全國(guó)成像覆蓋示意圖如圖2所示。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中會(huì)結(jié)合衛(wèi)星使用約束，在無(wú)特殊任務(wù)時(shí)，每天采用可見光近紅外+中波紅外模式拍攝全國(guó)的絕大部分區(qū)域，兩天聯(lián)合實(shí)現(xiàn)對(duì)全國(guó)區(qū)域完整成像。

圖2 GF-4衛(wèi)星全國(guó)成像覆蓋示意圖

2.輪巡拍攝

在森林火災(zāi)易發(fā)季節(jié)，針對(duì)火災(zāi)易發(fā)區(qū)（如大興安嶺地區(qū)、云南森林地區(qū)等），將全國(guó)分為東北、華北及東南火險(xiǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，結(jié)合全國(guó)森林火險(xiǎn)氣象預(yù)報(bào)圖，根據(jù)衛(wèi)星成像約束，GF-4衛(wèi)星每日對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行輪巡拍攝，一天安排5～6次高頻密集拍攝。在每天的4時(shí)、10時(shí)、13時(shí)、16時(shí)、20時(shí)左右進(jìn)行高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域成像。其中凌晨和傍晚（4時(shí)、20時(shí)）時(shí)使用中波紅外模式進(jìn)行成像，白天時(shí)間段采用可見光近紅外+中波紅外模式進(jìn)行成像，在滿足高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域輪巡拍攝的基礎(chǔ)上，剩余拍攝資源繼續(xù)進(jìn)行全國(guó)區(qū)域成像。以2021年4月末為例，GF-4衛(wèi)星成像安排如圖3所示。

圖3 GF-4衛(wèi)星成像安排示意圖

通過(guò)GF-4衛(wèi)星對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行輪巡拍攝，可針對(duì)性地對(duì)潛在森林火災(zāi)區(qū)域定時(shí)獲取數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)災(zāi)情，為救災(zāi)提供依據(jù)。同時(shí)在森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)還可根據(jù)衛(wèi)星使用約束進(jìn)行加密觀測(cè)。通過(guò)在軌民用陸地觀測(cè)衛(wèi)星資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害事件全過(guò)程跟蹤監(jiān)測(cè)。

3.快速調(diào)度

現(xiàn)階段各行業(yè)各用戶均對(duì)自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)提出了大量的需求，而自然災(zāi)害具備突發(fā)性和不可預(yù)知性。災(zāi)害發(fā)生后需要及時(shí)做好應(yīng)急資源的整合和籌劃，以滿足應(yīng)急任務(wù)的實(shí)際要求。

以臺(tái)風(fēng)這類能初步預(yù)知的災(zāi)害為例，可提前預(yù)留合適的成像窗口，確定任務(wù)觀測(cè)策略（模式、頻率、時(shí)長(zhǎng)）。調(diào)整常規(guī)成像任務(wù)，提前通知測(cè)控和接收單位做好應(yīng)急上注和數(shù)據(jù)接收準(zhǔn)備工作。該情況可以最快調(diào)度衛(wèi)星資源，及時(shí)成像，充分發(fā)揮衛(wèi)星使用效能。應(yīng)急任務(wù)當(dāng)天，成像前30分鐘至1小時(shí)獲取點(diǎn)位經(jīng)緯度信息，制定應(yīng)急成像計(jì)劃。

突發(fā)事件（森林火災(zāi)等）時(shí)，需要與星上已有任務(wù)相結(jié)合，快速定位空余時(shí)間段，判斷是否具備合適的空余時(shí)間段進(jìn)行應(yīng)急指令插入成像。若具備，可直接進(jìn)行應(yīng)急任務(wù)成像，確認(rèn)可以拍攝的頻次、時(shí)長(zhǎng)等，與用戶溝通，制定應(yīng)急成像計(jì)劃；若不具備，則需要分析衛(wèi)星工作狀態(tài)。如果衛(wèi)星在關(guān)機(jī)狀態(tài)，可直接生成刪除指令。如果衛(wèi)星在成像期間，定位無(wú)成像時(shí)間點(diǎn)，生成精確的時(shí)間點(diǎn)刪除指令后，確認(rèn)衛(wèi)星指向正常，制定應(yīng)急成像計(jì)劃。

GF-4衛(wèi)星災(zāi)害監(jiān)測(cè)快速調(diào)度中需求分析包括：①確定觀測(cè)目標(biāo)類型，包括單點(diǎn)、多點(diǎn)、區(qū)域等目標(biāo)類型；②確定觀測(cè)模式，包括單譜段、全譜段、紅外等模式；③確定觀測(cè)頻次和多次成像的時(shí)間間隔。

災(zāi)害監(jiān)測(cè)快速調(diào)度全流程鏈路如圖4所示。

圖4 GF-4衛(wèi)星災(zāi)害監(jiān)測(cè)快速調(diào)度全流程示意圖

4.高低軌衛(wèi)星聯(lián)合拍攝

災(zāi)害發(fā)生前（災(zāi)前歷史數(shù)據(jù)）：氣象條件良好時(shí)使用光學(xué)衛(wèi)星成像，氣象條件較差或夜間時(shí)，采用合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星成像，積累數(shù)據(jù)。

災(zāi)害開始時(shí)：結(jié)合已積累的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，使用GF-4衛(wèi)星對(duì)區(qū)域進(jìn)行大范圍、高頻次、多譜段持續(xù)成像，及時(shí)獲取目標(biāo)的中低分辨率影像及粗定位。

災(zāi)害過(guò)程中：根據(jù)GF-4衛(wèi)星已獲得的粗定位信息，極軌衛(wèi)星在特定時(shí)間窗口對(duì)目標(biāo)區(qū)域獲取高分辨率遙感影像。及時(shí)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，同時(shí)可根據(jù)不同需求生成特定產(chǎn)品。

災(zāi)害過(guò)程中：根據(jù)極軌衛(wèi)星已獲得的信息，GF-4衛(wèi)星進(jìn)行補(bǔ)充或加密觀測(cè)，高頻次、長(zhǎng)時(shí)間、大范圍成像。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)事件發(fā)展情況，引導(dǎo)極軌衛(wèi)星拍攝，為應(yīng)急救災(zāi)決策提供輔助支撐。

根據(jù)災(zāi)害的進(jìn)行程度，高低軌衛(wèi)星可以適時(shí)、多次相互引導(dǎo)，聯(lián)合拍攝。展現(xiàn)民用陸地觀測(cè)衛(wèi)星信息在災(zāi)害支援方面的作用。

四、典型案例

1.輪巡拍攝應(yīng)用案例

2019年3月29日下午，山西省長(zhǎng)治市沁源縣發(fā)生森林火災(zāi)，著火區(qū)域?yàn)樯降氐匦危脖灰杂退蔀橹?，茂密易燃，因春季氣溫升高、氣候干燥且風(fēng)速較大（風(fēng)力最大達(dá)8級(jí)左右），對(duì)滅火撲救工作造成困難。災(zāi)害發(fā)生前，中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心已結(jié)合全國(guó)森林火險(xiǎn)氣象預(yù)報(bào)圖，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行輪巡拍攝。拍攝當(dāng)天根據(jù)獲取的影像第一時(shí)間判斷出著火目標(biāo)區(qū)域。從2019年3月29日16:10獲取的GF-4衛(wèi)星圖像中可以明顯看出沁源縣森林著火區(qū)域上空有濃煙冒出（圖5）。

圖5 山西沁源縣森林火災(zāi)GF-4衛(wèi)星影像

2.高分四號(hào)衛(wèi)星快速調(diào)度案例

2020年8月26日，第8號(hào)臺(tái)風(fēng)“巴威”位于黃海南部海面，8月27日在遼寧省丹東市登陸。受此影響，遼寧、山東等地區(qū)遭受大風(fēng)和強(qiáng)降雨侵襲，導(dǎo)致部分區(qū)域內(nèi)澇嚴(yán)重，威脅當(dāng)?shù)鼐用裆柏?cái)產(chǎn)安全。中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心獲悉后立即啟動(dòng)重大自然災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，進(jìn)行GF-4衛(wèi)星快速調(diào)度，緊急安排對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行觀測(cè)（圖6）。數(shù)據(jù)第一時(shí)間提供給相關(guān)用戶。

圖6 “巴威”臺(tái)風(fēng)GF-4衛(wèi)星影像

3.高低軌衛(wèi)星聯(lián)合拍攝案例

2021年2月20日下午，山西省晉中市左權(quán)縣發(fā)生森林火災(zāi)，并蔓延至河北省邯鄲市境內(nèi)。由于當(dāng)?shù)馗珊瞪儆?，山上草木密布，且受風(fēng)力影響，火勢(shì)迅速蔓延。中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心使用GF-4衛(wèi)星對(duì)左權(quán)縣及周邊進(jìn)行大范圍成像，及時(shí)獲取火災(zāi)區(qū)域的中低分辨率影像。并根據(jù)GF-4衛(wèi)星獲取的位置信息，安排GF-1衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)區(qū)域獲取高分辨率遙感影像（圖7）。獲取極軌衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)后，GF-4衛(wèi)星仍高頻次、長(zhǎng)時(shí)間對(duì)左權(quán)縣及周邊進(jìn)行成像，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)事件發(fā)展情況，及時(shí)獲取災(zāi)區(qū)有效數(shù)據(jù)提供給有關(guān)部門。

圖7 根據(jù)GF-4衛(wèi)星獲取的位置信息，GF-1衛(wèi)星拍攝的山西省左權(quán)縣火災(zāi)影像

五、總結(jié)

目前GF-4衛(wèi)星在不同時(shí)期，可以根據(jù)用戶的需求，差異化執(zhí)行常規(guī)任務(wù)觀測(cè)、輪巡拍攝等衛(wèi)星運(yùn)行策略，既保障常規(guī)日常需求，又能在特定時(shí)期針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域巡查，發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)。同時(shí)在災(zāi)害監(jiān)測(cè)時(shí)衛(wèi)星可應(yīng)急快速調(diào)度、高低軌衛(wèi)星相互引導(dǎo)聯(lián)動(dòng)拍攝，為相關(guān)部門救災(zāi)提供輔助決策。

針對(duì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、應(yīng)急管理的要求，GF-4衛(wèi)星目前仍存在優(yōu)化的空間，后續(xù)中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心會(huì)繼續(xù)以用戶需求為導(dǎo)向，除常規(guī)任務(wù)觀測(cè)、輪巡拍攝等之外，嘗試其他合適的觀測(cè)策略，充分挖掘衛(wèi)星潛力，最大化發(fā)揮衛(wèi)星效能。