環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星在軌定標(biāo)模式設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

朱軍 姚舜 叢強(qiáng) 白照廣 董筠 馬磊 林軍 呂秋峰 劉振海 柴夢陽 孫劍

(1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)(2 中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京 100094) (3 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094) (4 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，合肥 230031) (5 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083) (6 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，西安 710119)

環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星是環(huán)境減災(zāi)一號A/B衛(wèi)星[1]的后續(xù)衛(wèi)星，也是環(huán)境減災(zāi)二號系列星座的首發(fā)星，于2020年9月27日由長征四號乙運(yùn)載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心，以一箭雙星的方式成功發(fā)射入軌。兩顆星技術(shù)狀態(tài)一致，均搭載了16 m相機(jī)、紅外相機(jī)、高光譜成像儀和大氣校正儀4臺光學(xué)載荷。16 m相機(jī)充分繼承高分一號衛(wèi)星16 m相機(jī)[2]的技術(shù)方案，在保持空間分辨率16 m、幅寬800 km不變的情況下，增加1個(gè)紅邊譜段，提升對地表植被生長特性識別能力[3]；高光譜成像儀在環(huán)境減災(zāi)一號A衛(wèi)星空間調(diào)制型傅里葉變換超光譜成像儀[4]基礎(chǔ)上，采用時(shí)空聯(lián)合調(diào)制干涉光譜成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)空間分辨率為48 m(可見近紅外通道)/96 m(短波紅外通道)、幅寬為96 km、平均光譜分辨率為5 nm(可見近紅外)/10 nm(短波紅外)，擁有215個(gè)譜段；紅外相機(jī)在環(huán)境減災(zāi)一號B衛(wèi)星圓周掃描型紅外相機(jī)[5]的基礎(chǔ)上，采用擺掃成像方式，實(shí)現(xiàn)空間分辨率為48 m(可見至短波紅外)/96 m(中波至長波紅外)、幅寬為720 km，共有可見近紅外至長波紅外9個(gè)譜段；大氣校正儀空間分辨率為6 km、幅寬800 km，包括可見近紅外至短波紅外9個(gè)偏振譜段，可探測與16 m相機(jī)同視場的水汽柱濃度(CWV)和氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)數(shù)據(jù)[6-7]。

目前，國內(nèi)外光學(xué)遙感衛(wèi)星在軌輻射定標(biāo)主要集中于相對輻射定標(biāo)，而絕對輻射定標(biāo)受限于場地、人員、季節(jié)等因素定標(biāo)難度大、過程復(fù)雜、周期長，無法實(shí)現(xiàn)高精度和高頻次的定標(biāo)[8]。通過衛(wèi)星本身的能力在軌進(jìn)行絕對輻射定標(biāo)，可以有效避免上述問題。例如，美國地球觀測衛(wèi)星(EOS)上的中分辨率成像光譜儀(MODIS)就攜帶有漫反射板，通過衛(wèi)星機(jī)動(dòng)能力進(jìn)行對日定標(biāo)[9]；美國的廣角海洋水色觀測任務(wù)系列衛(wèi)星(SeaWifs)和我國的風(fēng)云三號系列衛(wèi)星也設(shè)計(jì)了通過對月觀測監(jiān)視星上載荷輻射響應(yīng)的穩(wěn)定性[10-11]。然而，由于環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星4種載荷成像體制各不相同，同時(shí)由于各載荷在軌成像過程中地表反射率、光照條件等成像輸入條件復(fù)雜，在軌力學(xué)、真空和外熱流等環(huán)境因素動(dòng)態(tài)變化，實(shí)驗(yàn)室條件無法完全模擬各載荷在軌的工作狀態(tài)，造成在各載荷地面預(yù)設(shè)成像參數(shù)無法展現(xiàn)最佳的成像效果[12]，因此需要針對各載荷的定標(biāo)模式整體設(shè)計(jì)和統(tǒng)一規(guī)劃，獲取準(zhǔn)確的輻射、光譜和偏振等定標(biāo)數(shù)據(jù)。

本文介紹了環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星設(shè)計(jì)的對日定標(biāo)、對月定標(biāo)、偏航定標(biāo)和載荷內(nèi)定標(biāo)4種定標(biāo)模式，并通過衛(wèi)星姿態(tài)分析了定標(biāo)模式的執(zhí)行情況，最后對各定標(biāo)模式的定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行了說明。

1 定標(biāo)模式設(shè)計(jì)

1.1 對日定標(biāo)

在大氣層外，選擇太陽作為基準(zhǔn)光源是很理想的定標(biāo)源。通過對日定標(biāo)器將太陽輻射引入星載遙感器并將太陽輻射調(diào)節(jié)到星載遙感器測量的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，對星載遙感器進(jìn)行絕對定標(biāo)，可對星載遙感器性能變化進(jìn)行監(jiān)測和校正[13]。衛(wèi)星紅外相機(jī)和大氣校正儀的可見至短波通道均采用漫反射板進(jìn)行對日定標(biāo)。

紅外相機(jī)上攜帶的漫反射板如圖1(a)所示。紅外相機(jī)對日定標(biāo)選擇在北極附近并即將進(jìn)入陽照區(qū)時(shí)進(jìn)行，通過衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)，使衛(wèi)星的+Z軸、-Y軸、+X軸與星日連線夾角分別成固定角度，衛(wèi)星保持慣性姿態(tài)指向。隨后紅外相機(jī)漫反射板轉(zhuǎn)至特定角度將太陽光引入焦面探測器，獲取太陽定標(biāo)數(shù)據(jù)。隨后改變漫反射板角度，獲取不同角度下的太陽定標(biāo)數(shù)據(jù)。同時(shí)，紅外相機(jī)為了保證衛(wèi)星在軌期間對漫反射板的穩(wěn)定性，避免漫反射板衰減對定標(biāo)的影響，整個(gè)定標(biāo)過程中比輻射計(jì)同時(shí)采集入瞳日光和漫反射板反射光強(qiáng)度，然后通過對比輻射計(jì)數(shù)據(jù)的長期監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)對漫反射板的穩(wěn)定性監(jiān)測。

大氣校正儀上攜帶的漫反射板如圖1(b)所示。

圖1 對日定標(biāo)漫反射板實(shí)物圖Fig.1 Diffuse reflection board for sun-oriented calibration mode

大氣校正儀為了避免漫反射板的衰減，對日定標(biāo)選擇在衛(wèi)星出地影區(qū)約3 min后進(jìn)行，同時(shí)根據(jù)太陽高度角、太陽方位角、定標(biāo)時(shí)刻及衛(wèi)星偏航角度，大氣校正儀對日定標(biāo)設(shè)計(jì)為衛(wèi)星繞偏航軸姿態(tài)機(jī)動(dòng)相應(yīng)角度，使得漫反射板太陽觀測孔對準(zhǔn)太陽矢量，讓陽光快速掃過漫反射板，采集對日漫反射數(shù)據(jù)，在完成在軌絕對輻射定標(biāo)的同時(shí)，也避免了日光對漫反射板的長時(shí)間照射而導(dǎo)致的衰減。

1.2 對月觀測

月球反射率的變化率約為每年10-8，其穩(wěn)定的反射特性使月球非常適合作為衛(wèi)星太陽反射通道的參考輻射基準(zhǔn)源[14]。對月觀測為近年國外光學(xué)遙感衛(wèi)星采取的新型在軌定標(biāo)試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，高分四號衛(wèi)星[15]、高分六號衛(wèi)星和高分一號B/C/D衛(wèi)星[16]均在軌執(zhí)行對月觀測任務(wù)。

環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星針對16 m相機(jī)的5個(gè)可見近紅外譜段以及高光譜成像儀的215個(gè)可見至短波紅外譜段設(shè)計(jì)了對月觀測模式，對月觀測任務(wù)安排在地影區(qū)進(jìn)行。衛(wèi)星對月定標(biāo)流程設(shè)計(jì)如下：首先根據(jù)月相角確定的衛(wèi)星、地球和月球的慣性空間幾何位置關(guān)系，然后通過衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)，使衛(wèi)星+Z軸指向目標(biāo)慣性空間，受限于衛(wèi)星的機(jī)動(dòng)能力，衛(wèi)星隨后繞+Y軸以0.06 (°)/s固定角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，使16 m相機(jī)和高光譜成像儀視場掃過月面，獲取月面過采樣影像。重復(fù)以上過程，在不同月份獲取相同月相角下的月面影像，以分析和修正探測器在軌運(yùn)行期間隨時(shí)間變化的特性。具體過程如圖2所示。

圖2 對月定標(biāo)觀測設(shè)計(jì)Fig.2 Observation design of moon-oriented calibration mode

1.3 偏航定標(biāo)

16 m相機(jī)、紅外相機(jī)、大氣校正儀幅寬為720～800 km，受地面定標(biāo)場地面積限制，衛(wèi)星推掃成像模式下，無法一次獲取全視場輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)。參考高分一號偏航定標(biāo)模式[17]，基于16 m相機(jī)、紅外相機(jī)、大氣校正儀的探測器布局，設(shè)計(jì)三類有效載荷可見至短波紅外譜段的偏航定標(biāo)模式，通過衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)，在單次成像任務(wù)中，獲取全視場地面輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)。

16 m相機(jī)5個(gè)可見近紅外譜段線陣探測器長度為12 000個(gè)像素，沿穿軌方向布局，通過棱鏡分光實(shí)現(xiàn)同時(shí)觀測同一地物。為了滿足偏航定標(biāo)要求，衛(wèi)星繞偏航軸旋轉(zhuǎn)90°，使探測器線陣與飛行方向平行，隨著衛(wèi)星飛行，探測器各像元依次對相同地物進(jìn)行成像，獲取偏航定標(biāo)數(shù)據(jù)，如圖3所示。成像區(qū)域選取了能夠覆蓋相機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的層次比較豐富的景物，如冰川、沙漠、草原等。

圖3 16 m相機(jī)偏航90°定標(biāo)成像原理Fig.3 Imaging mechanism of 16m camera 90°yaw calibration

紅外相機(jī)6個(gè)可見至短波紅外譜段線陣探測器長度為800個(gè)像素，排列方向平行于衛(wèi)星飛行方向。在偏航定標(biāo)時(shí)，衛(wèi)星保持正常飛行姿態(tài)，將紅外相機(jī)的擺鏡定點(diǎn)指向成像區(qū)域，隨著衛(wèi)星飛行，紅外相機(jī)6個(gè)線陣探測器上的所有像元依次分別對同一地物進(jìn)行成像，獲取偏航定標(biāo)數(shù)據(jù)。

1.4 載荷內(nèi)定標(biāo)

為保證載荷在軌成像質(zhì)量的穩(wěn)定性，結(jié)合常規(guī)對地、對日定標(biāo)，大氣校正儀、紅外相機(jī)和高光譜成像儀均設(shè)計(jì)了各自的內(nèi)定標(biāo)模式。

大氣校正儀內(nèi)定標(biāo)包括偏振定標(biāo)和暗參考定標(biāo)，定標(biāo)裝置布局如圖4(a)所示。偏振定標(biāo)是指地物首先經(jīng)過退偏器或偏振器擾偏或起偏成為標(biāo)準(zhǔn)零偏或線偏光，被儀器掃描觀測，以獲得載荷的偏振定標(biāo)系數(shù)[7]。暗參考定標(biāo)是指掃描鏡反射面法線旋轉(zhuǎn)至背向?qū)Φ胤较驎r(shí)，獲取大氣校正儀所需的零輻射信號及直流參考等暗參考數(shù)據(jù)。偏振定標(biāo)和暗參考定標(biāo)流程與正常成像觀測模式相同，與正常成像模式同時(shí)進(jìn)行。

高光譜成像儀內(nèi)定標(biāo)為光譜定標(biāo)。光譜定標(biāo)裝置繼承環(huán)境減災(zāi)一號A衛(wèi)星超光譜成像儀的定標(biāo)方案[18]。通過轉(zhuǎn)動(dòng)擺鏡，分別將具有穩(wěn)定吸收峰的釹玻璃和石英玻璃的定標(biāo)光源引入可見近紅外光譜儀及短波紅外光譜主光路，以監(jiān)測特征吸收峰對應(yīng)的光譜位置變化情況。高光譜成像儀星上光譜定標(biāo)原理如圖4(b)所示。

紅外相機(jī)內(nèi)定標(biāo)指的是針對B7～B9中長波譜段的星上黑體定標(biāo)。相對于環(huán)境減災(zāi)一號B衛(wèi)星紅外相機(jī)采用兩套黑體實(shí)現(xiàn)高低溫兩點(diǎn)定標(biāo)[19]，環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星紅外相機(jī)采用1套黑體實(shí)現(xiàn)低端20 ℃與高端50 ℃兩點(diǎn)定標(biāo)。當(dāng)衛(wèi)星處于陰影區(qū)時(shí)，將黑體加熱升溫至50 ℃，擺鏡轉(zhuǎn)動(dòng)指向黑體，開啟中長波通道焦面電路采集黑體數(shù)據(jù)；停止黑體加熱，待黑體降溫至20 ℃，再次采集黑體數(shù)據(jù)。通過采集兩個(gè)溫度點(diǎn)黑體數(shù)據(jù)確定中長波紅外通道的輻射定標(biāo)系數(shù)。紅外相機(jī)黑體定標(biāo)成像原理如圖4(c)所示。

圖4 內(nèi)定標(biāo)原理示意圖Fig.4 Self-calibration mechanism

2 在軌定標(biāo)驗(yàn)證結(jié)果

2.1 對日定標(biāo)

衛(wèi)星分別于2021年3月11日和2021年3月12日進(jìn)行了紅外相機(jī)和大氣校正儀對日定標(biāo)試驗(yàn)(見圖5)。

圖5 對日定標(biāo)數(shù)據(jù)Fig.5 Sun-oriented calibration data

大氣對日定標(biāo)過程采集的數(shù)據(jù)以及與太陽夾角關(guān)系如圖5(a)所示?？梢钥闯?，大氣對日過程中采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好，可以在后續(xù)定標(biāo)算法中進(jìn)一步的應(yīng)用。紅外相機(jī)對日定標(biāo)獲取的圖像數(shù)據(jù)和比輻射計(jì)采集的數(shù)據(jù)如圖5(b)所示。每顆星單次對日定標(biāo)可以獲得相機(jī)反射譜段B1～B5的4個(gè)掃描行的數(shù)據(jù)，每個(gè)掃描行的視場從左到右可以完整地掃過漫射板，且數(shù)據(jù)質(zhì)量均勻穩(wěn)定。之后結(jié)合實(shí)驗(yàn)室測量得到的漫射板雙向反射分布函數(shù)(BRDF)數(shù)據(jù)，可以用于對紅外相機(jī)反射譜段的絕對輻射定標(biāo)。從圖5(c)比輻射計(jì)采集的數(shù)據(jù)可以看出，比輻射計(jì)的各譜段在入光口、漫反射板和暗電平3個(gè)位置采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，一致性較好，可以作為漫反射板穩(wěn)定性的參考依據(jù)。

2.2 對月定標(biāo)在軌驗(yàn)證結(jié)果

衛(wèi)星于2020年11月28日進(jìn)行了對月定標(biāo)試驗(yàn)。對月定標(biāo)模式中，兩顆衛(wèi)星推掃姿態(tài)穩(wěn)定度見表1，成像過程中整星三軸角度穩(wěn)定度均在0.002°以內(nèi)，滿足成像需求。

表1 對月定標(biāo)衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定度Table 1 Satellite attitude stability in moon-oriented calibration

在對月定標(biāo)中，星上16 m相機(jī)和高光譜成像儀開機(jī)對月進(jìn)行推掃成像，獲取過采樣月球圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過復(fù)原后，月球圖像數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯?6 m相機(jī)獲取的月球圖像完整清晰，高光譜成像儀獲取的月球光譜連續(xù)穩(wěn)定，可以用于對月球輻亮度及光譜的統(tǒng)計(jì)。后續(xù)對月定標(biāo)模式將用以長周期監(jiān)測星上載荷的輻射光譜變化情況。

圖6 對月定標(biāo)圖像數(shù)據(jù)示意Fig.6 Moon-oriented calibration image data

2.3 偏航定標(biāo)在軌驗(yàn)證結(jié)果

衛(wèi)星在2020年11月13日進(jìn)行了偏航定標(biāo)試驗(yàn)。整星姿態(tài)偏航旋轉(zhuǎn)90°后，同時(shí)進(jìn)行偏流角修正，偏流角修正精度達(dá)到0.005°。在偏航定標(biāo)中，16 m相機(jī)和大氣校正儀開機(jī)成像。其中16 m相機(jī)獲取偏航數(shù)據(jù)如圖7所示，16 m相機(jī)獲取的偏航圖像清晰，紋理分明，可以用于后續(xù)16 m相機(jī)相對輻射校正處理。

圖7 16 m相機(jī)偏航定標(biāo)圖像示意(B星相機(jī)2)Fig.7 16m camera captured image data in 90°yaw calibration (B satellite 16 m camera 2)

2.4 載荷內(nèi)定標(biāo)在軌驗(yàn)證結(jié)果

衛(wèi)星在2020年11月25日在軌進(jìn)行了紅外相機(jī)黑體定標(biāo)試驗(yàn)，中長波譜段對加熱前后的定標(biāo)黑體進(jìn)行圖像采集，并對溫度的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)視，結(jié)果如圖8所示。可以看出，紅外相機(jī)黑體在高溫(323K)和低溫(293K)端溫度穩(wěn)定性良好，且高低溫圖像均勻性良好，可以滿足黑體定標(biāo)模式的需求。

衛(wèi)星在2021年3月30日在軌進(jìn)行了高光譜成像儀光譜內(nèi)定標(biāo)試驗(yàn)，其中B星的結(jié)果如圖9所示。從圖9(a)、(b)干涉圖中可以看到，干涉條紋紋理清晰，整個(gè)視場一致性較好；對比發(fā)射前后圖9(c)、(d)的復(fù)原光譜中可以看出，定標(biāo)光譜平滑連續(xù)，無噪聲和毛刺，發(fā)射前后可見近紅外通道和短波紅外通道譜線的平均偏差分別為0.55 nm和0.82 nm，譜線一致性較好，因此高光譜內(nèi)定標(biāo)模式可以用于對高光譜成像儀光譜響應(yīng)穩(wěn)定性的測試依據(jù)。

圖8 紅外相機(jī)在軌黑體定標(biāo)結(jié)果Fig.8 Infrared camera on-orbit blackbody calibration results

圖9 高光譜成像儀光譜內(nèi)定標(biāo)結(jié)果Fig.9 HSI self-calibration results

3 結(jié)束語

本文對環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星的在軌定標(biāo)模式設(shè)計(jì)及驗(yàn)證情況進(jìn)行了介紹，覆蓋了對日定標(biāo)、對月定標(biāo)、偏航定標(biāo)和載荷內(nèi)定標(biāo)全部4種定標(biāo)模式，并對各定標(biāo)模式在軌執(zhí)行過程中整星姿態(tài)機(jī)動(dòng)情況和載荷定標(biāo)數(shù)據(jù)獲取情況進(jìn)行了分析。設(shè)計(jì)的4種在軌輻射定標(biāo)模式，可以有效解決衛(wèi)星上不同成像體制和不同定標(biāo)需求下的各載荷在軌輻射定標(biāo)，實(shí)現(xiàn)各有效載荷互不干涉的情況下高穩(wěn)定度和高精度的獲取各類輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)，滿足了衛(wèi)星長期業(yè)務(wù)化運(yùn)行所需的高質(zhì)量遙感數(shù)據(jù)獲取的需求。從姿態(tài)遙測中可以看出，衛(wèi)星在各定標(biāo)模式姿態(tài)全部按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了機(jī)動(dòng)，且姿態(tài)穩(wěn)定性較好；從各載荷獲取的定標(biāo)數(shù)據(jù)中可以看出，衛(wèi)星各個(gè)定標(biāo)模式設(shè)計(jì)合理可行，滿足各載荷的定標(biāo)需求。因此，環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星的在軌定標(biāo)模式可以為其他衛(wèi)星在軌定標(biāo)模式設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。但由于在軌測試時(shí)間有限，以及衛(wèi)星定標(biāo)模式較多，目前每個(gè)定標(biāo)模式測試次數(shù)較少。因此，后續(xù)仍需要對各模式進(jìn)行多次測試，挖掘各定標(biāo)模式設(shè)計(jì)中可能存在的不足，從而在后續(xù)的定標(biāo)模式設(shè)計(jì)中進(jìn)一步地完善和改進(jìn)。