環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)與技術(shù)創(chuàng)新

白照廣 董筠 朱軍 孫紀(jì)文 馬磊

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星是基于我國《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃(2015-2025年)》[1]，根據(jù)國家防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境保護(hù)等重大應(yīng)用需求，兼顧國土資源、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地震等行業(yè)業(yè)務(wù)需求，由航天東方紅衛(wèi)星有限公司抓總研制的兩顆光學(xué)遙感衛(wèi)星，是在軌超期服役環(huán)境減災(zāi)一號(hào)A/B衛(wèi)星的升級(jí)接續(xù)星，滿足國家在災(zāi)害監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)持續(xù)、穩(wěn)定、高質(zhì)量供給需求。

兩顆衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)相同，于2016年6月同步啟動(dòng)研制，2020年9月27日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心由長征四號(hào)乙運(yùn)載火箭以一箭雙星方式發(fā)射入軌。10月2日，兩星首次成像，之后經(jīng)歷了9個(gè)月的在軌測試，衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間工作穩(wěn)定，成像質(zhì)量良好。衛(wèi)星遙感性能較環(huán)境減災(zāi)一號(hào)A/B衛(wèi)星得到全面提升，突破了多種載荷設(shè)計(jì)新技術(shù)，開展了有利于應(yīng)用數(shù)據(jù)融合的不同載荷間分辨率匹配化設(shè)計(jì)，采用多樣化定標(biāo)、軌道凍結(jié)等技術(shù)手段進(jìn)一步提高了圖像質(zhì)量。本文介紹了兩顆衛(wèi)星主要技術(shù)方案及創(chuàng)新，可為后續(xù)同類衛(wèi)星設(shè)計(jì)提供參考。

1 衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 方案概述

環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命5年，單星質(zhì)量1065 kg，由有效載荷和平臺(tái)兩大部分組成。有效載荷包括16 m相機(jī)、高光譜成像儀、紅外相機(jī)、大氣校正儀和數(shù)據(jù)傳輸5個(gè)分系統(tǒng)；衛(wèi)星平臺(tái)采用CAST2000公用平臺(tái)，包括結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、熱控、姿軌控、星務(wù)、測控、電源、總體電路和天線8個(gè)分系統(tǒng)。衛(wèi)星系統(tǒng)組成如圖1所示。

衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)采用鋁蒙皮蜂窩夾層板結(jié)構(gòu)，分為上艙、下艙兩部分，配置雙太陽翼，每翼由3塊太陽電池板組成，入軌展開后單自由度對日定向。熱控采用以被動(dòng)為主、輔以主動(dòng)熱控的方案，采用分艙、模塊化、隔熱、等溫化設(shè)計(jì)，每種光學(xué)載荷采用獨(dú)立熱控。姿態(tài)控制采用三軸穩(wěn)定、對地定向、整星零動(dòng)量模式，為滿足高精度對地觀測任務(wù)的需求，星上配置2臺(tái)高精度星敏感器。同時(shí)，衛(wèi)星采用“星敏感器+陀螺”聯(lián)合定姿方式，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)高精度確定。采用動(dòng)量輪構(gòu)成零動(dòng)量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高精度高穩(wěn)定度姿態(tài)控制。衛(wèi)星采用單組元推進(jìn)系統(tǒng)，以完成初軌捕獲、軌道維持等軌控任務(wù)。衛(wèi)星采用分散供配電體制，太陽電池陣與100 Ah蓄電池組聯(lián)合供電方案，開關(guān)分流全調(diào)節(jié)母線，升壓式放電控制。衛(wèi)星測控采用統(tǒng)一S頻段測控體制，星上信息網(wǎng)采用分布式兩級(jí)CAN總線網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采取實(shí)傳、記錄、回放、單載荷數(shù)據(jù)直傳等模式將載荷數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)，對地?cái)?shù)傳碼速率為雙通道900 Mbit/s。

16 m相機(jī)由4臺(tái)透射式5譜段CCD相機(jī)組成，星下點(diǎn)地面像元分辨率優(yōu)于16 m，在充分繼承高分一號(hào)衛(wèi)星16 m相機(jī)技術(shù)方案的基礎(chǔ)上[2-3]，增加了對植被生長極為敏感的紅邊譜段(0.69～0.73 μm)。4臺(tái)CCD相機(jī)通過視場拼接實(shí)現(xiàn)地面幅寬大于800 km的成像，如圖2所示。

圖2 16 m相機(jī)組合成像視場設(shè)計(jì)Fig.2 Design of combined imaging field of 16m camera

高光譜成像儀基于Sagnac干涉儀時(shí)空聯(lián)合調(diào)制技術(shù)[4]，獲取215個(gè)譜段、48 m(可見光譜段)/96 m(短波紅外譜段)空間分辨率、96 km幅寬的干涉數(shù)據(jù)立方體，通過擺鏡在穿軌方向±30°范圍內(nèi)進(jìn)行側(cè)擺成像(見圖3)。

圖3 高光譜成像儀主體組成Fig.3 Composition of hyperspectral imager

紅外相機(jī)通過掃描鏡穿軌擺掃獲取短波紅外至長波紅外共9譜段信息。地物經(jīng)掃描鏡引入離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，由視場分離器分成不同的波段，經(jīng)會(huì)聚鏡成像到線列探測器上(見圖4)。

圖4 紅外相機(jī)主體組成Fig.4 Imaging schematic diagram of infrared camera

大氣校正儀通過穿軌圓周掃描探測，在軌同步獲取與16 m相機(jī)同視場的可見近紅外至短波紅外波段大氣多譜段信息，獲得大氣氣溶膠、云和水汽特性參數(shù)，滿足16 m相機(jī)等圖像數(shù)據(jù)產(chǎn)品大氣校正的應(yīng)用需求。光學(xué)載荷星上布局如圖5所示。

圖5 光學(xué)載荷星上布局Fig.5 On-board layout of optical payload

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

兩顆衛(wèi)星以180°相位分布于高度為644.5 km、降交點(diǎn)地方時(shí)為10:30的同一太陽同步軌道面內(nèi)，通過同軌組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)快速獲取地面影像的能力。衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

2 衛(wèi)星技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 遙感性能較環(huán)境減災(zāi)一號(hào)A/B衛(wèi)星全面提升

衛(wèi)星技術(shù)性能大幅提升，星上總譜段數(shù)由環(huán)境減災(zāi)一號(hào)A/B衛(wèi)星的123個(gè)提升到238個(gè)，在保證720～800 km寬視場遙感基礎(chǔ)上，CCD相機(jī)和紅外相機(jī)分辨率提高1～3倍，CCD相機(jī)憑借16 m分辨率800 km幅寬成為國際上同量級(jí)分辨率幅寬最大載荷，極大提高了覆蓋觀測能力。

衛(wèi)星成像效能大幅提升，對地?cái)?shù)傳碼速率由環(huán)境減災(zāi)一號(hào)A/B衛(wèi)星的180 Mbit/s提升到雙星1.8 Gbit/s，單星圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量由14 Gbit提到4 Tbit，雙星與高分一號(hào)、高分六號(hào)衛(wèi)星組網(wǎng)，形成了可見光數(shù)據(jù)1天全國陸地區(qū)域覆蓋觀測的能力。[5-7]

2.2 載荷設(shè)計(jì)新技術(shù)

16 m相機(jī)紅邊譜段采用國產(chǎn)化探測器替代進(jìn)口TH7834C器件，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)12 000像元長線陣CCD探測器首飛。相機(jī)安裝板與衛(wèi)星艙板一體化設(shè)計(jì)，緩解了相機(jī)與衛(wèi)星的質(zhì)量壓力，使整星質(zhì)量減輕20 kg。在多臺(tái)相機(jī)響應(yīng)一致性控制方面，首次采用光學(xué)件同爐鍍膜、探測器篩選分類的手段，同時(shí)采用增益補(bǔ)償方法，將兩顆衛(wèi)星8臺(tái)CCD相機(jī)響應(yīng)一致性控制在2%以內(nèi)。

高光譜成像儀采用圖像數(shù)字積分技術(shù)，大幅提升了能量利用率和圖像信噪比，保證了儀器核心指標(biāo)及應(yīng)用成果。設(shè)計(jì)了集成指向與星上光譜定標(biāo)功能的擺鏡組件，實(shí)現(xiàn)了可見、短波紅外雙通道同步指向成像，單通道星上光譜定標(biāo)。由積分球、定標(biāo)鏡頭、定標(biāo)反射鏡、定標(biāo)電源控制等部件組成的星上光譜定標(biāo)組件，可以實(shí)現(xiàn)可見、短波紅外雙通道分時(shí)定標(biāo)，均可覆蓋全孔徑范圍。

紅外相機(jī)具有多譜段、高分辨、大視場、可快速重復(fù)探測等特點(diǎn)，攻克了高穩(wěn)定大角度長線列多元并掃成像、可見和紅外多光譜濾光片微型集成、寬譜段高集成深低溫紅外焦平面探測器研制、星上多類型高精度自主定標(biāo)等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了720 km幅寬、48 m/96 m空間分辨率且同時(shí)獲取地物可見近紅外、短波及中長波紅外9個(gè)通道多光譜信息的探測能力。

大氣校正儀通過穿軌掃描技術(shù)，在可見近紅外至短波紅外譜段，獲取與16 m相機(jī)同視場的大氣多譜段信息，通過時(shí)間同步和空間覆蓋的探測方式獲取光譜、角度和偏振3個(gè)維度的36個(gè)通道大氣輻射/偏振信息，實(shí)現(xiàn)氣溶膠和水汽的高精度探測及反演。圖6給出了北京大興國際機(jī)場大氣校正前后圖像對比。

圖6 大氣校正前后圖像對比(北京大興國際機(jī)場)Fig.6 Comparison of images before and after atmospheric correction (Beijing Daxing International Airport)

2.3 多載荷匹配設(shè)計(jì)

星上光譜譜段齊全，覆蓋可見光到長波紅外譜段，載荷間分辨率匹配，按照16×N系列設(shè)計(jì)，包括16 m、48 m、96 m，有利于應(yīng)用數(shù)據(jù)融合。光學(xué)載荷譜段分布如圖7所示。

圖7 光學(xué)載荷譜段分布Fig.7 Spectrum distribution of optical payload

大氣校正儀與16 m相機(jī)幅寬匹配，可實(shí)現(xiàn)16 m相機(jī)800 km全視場水汽和氣溶膠參數(shù)校正。

2.4 多樣化定標(biāo)技術(shù)

實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)遙感器本身的光學(xué)響應(yīng)特性是遙感定量化應(yīng)用的必要環(huán)節(jié)[8]。依托衛(wèi)星平臺(tái)強(qiáng)大的姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力，設(shè)計(jì)有輻射校正場定標(biāo)、偏航定標(biāo)、對日定標(biāo)、對月觀測[9]、光譜內(nèi)定標(biāo)和黑體定標(biāo)等17種星地月聯(lián)合、輻譜偏聯(lián)合定標(biāo)手段，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(shù)據(jù)定量化反演精度，確保遙感數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)質(zhì)量。衛(wèi)星定標(biāo)模式設(shè)計(jì)見表2。

表2 環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星定標(biāo)模式設(shè)計(jì)Table 2 Calibration mode of HJ-2A/B satellites

2.5 視覺監(jiān)測技術(shù)

衛(wèi)星采用了基于監(jiān)視相機(jī)的視覺監(jiān)測技術(shù)對衛(wèi)星的星箭分離、太陽翼展開、數(shù)傳天線展開等重要?jiǎng)幼鬟^程進(jìn)行監(jiān)視和測量，獲取了各重要?jiǎng)幼鬟^程的圖像數(shù)據(jù)，圖像清晰，活動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)清楚。圖8為A星太陽翼+Y翼展開圖像，圖9為A星星箭分離圖像。

圖8 太陽翼展開圖像(A星+Y翼)Fig.8 Image of solar wing deployment (A satellite +Y wing)

圖9 星箭分離圖像(A星)Fig.9 Image of satellite-rocket separation (A satellite)

2.6 軌道凍結(jié)技術(shù)

受到地球形狀非均勻球形、質(zhì)量分布不均等因素影響，衛(wèi)星軌道拱線會(huì)在軌道平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，衛(wèi)星近地點(diǎn)幅角、偏心率顯現(xiàn)周期性振蕩變化，導(dǎo)致衛(wèi)星經(jīng)過同緯度地區(qū)的高度不斷變化，影響衛(wèi)星成像效果[10]。A星、B星的偏心率最大達(dá)到了0.002 8和0.003 4，導(dǎo)致紅外相機(jī)掃描條帶搭接像元數(shù)不足。通過對衛(wèi)星軌道偏心率和近地點(diǎn)幅角的控制，將衛(wèi)星軌道調(diào)整為凍結(jié)軌道可消除上述影響。

2021年1月，A星、B星分別經(jīng)過4次和6次變軌操作，均形成了凍結(jié)軌道。兩星形成凍結(jié)軌道后，A星偏心率可穩(wěn)定在0.001 17～0.001 21，近地點(diǎn)幅角穩(wěn)定在90°～92°；B星偏心率可穩(wěn)定在0.001 18～0.001 241，近地點(diǎn)幅角穩(wěn)定在89°～92°。在軌實(shí)測結(jié)果表明：軌道凍結(jié)后紅外相機(jī)掃描條帶搭接像元數(shù)可穩(wěn)定在15個(gè)(B1～B5譜段)和7個(gè)(B6～B9譜段)以上。

3 在軌測試與典型應(yīng)用

3.1 在軌測試

兩顆衛(wèi)星入軌后，為了利用自然漂移達(dá)到節(jié)省燃料、盡快組網(wǎng)的目的，對衛(wèi)星軌道高度進(jìn)行了調(diào)整，使得A星比B星高3.78 km。

2020年10月2日，兩顆衛(wèi)星上搭載的16 m相機(jī)和高光譜成像儀首次開機(jī)成像，成像均紋理清晰，層次分明，光譜信息豐富；10月20日，紅外相機(jī)和大氣校正儀順利完成在軌除氣工作，開始開機(jī)成像，功能均正常。之后對衛(wèi)星的各類成像和定標(biāo)模式進(jìn)行了測試驗(yàn)證，各項(xiàng)測試結(jié)果均滿足要求。

2020年11月10日，兩顆衛(wèi)星漂移達(dá)到目標(biāo)相位，對A星、B星分別進(jìn)行了降軌、升軌調(diào)整，完成了兩星組網(wǎng)，并同步完成了與高分一號(hào)、高分六號(hào)衛(wèi)星的四星地面軌跡均分組網(wǎng)部署。四星組網(wǎng)后首次在國際上形成空間分辨率16 m的可見多光譜數(shù)據(jù)1天覆蓋1次全球南北緯80°以內(nèi)區(qū)域的觀測能力(見圖10)，顯著地提高了數(shù)據(jù)獲取的時(shí)效性。

3.2 典型應(yīng)用

1)災(zāi)害監(jiān)測

衛(wèi)星組網(wǎng)觀測，能夠?yàn)閼?yīng)急管理行業(yè)提供多載荷數(shù)據(jù)支持，具備災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測、災(zāi)害要素監(jiān)測、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測和恢復(fù)重建監(jiān)測能力。

2021年4月5日凌晨3時(shí)許，四川省涼山州木里縣發(fā)生森林火災(zāi)。衛(wèi)星應(yīng)用部門立即安排衛(wèi)星對火災(zāi)發(fā)生地進(jìn)行成像，利用16 m相機(jī)和紅外相機(jī)數(shù)據(jù)獲取了火點(diǎn)、火線及過火面積等災(zāi)情信息。圖11為A星紅外相機(jī)獲取的火災(zāi)遙感監(jiān)測。

圖11 木里縣森林火災(zāi)遙感監(jiān)測Fig.11 Remote sensing image of forest fire in Muli County

2)大型水體水華水質(zhì)監(jiān)測

基于衛(wèi)星16 m相機(jī)數(shù)據(jù)，對2020年11月9日太湖水華情況進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖12所示?？梢钥闯鏊A現(xiàn)象主要分布在太湖西部和北部區(qū)域，呈現(xiàn)不同的空間形態(tài)。16 m相機(jī)影像特征明顯，邊緣較清晰，可滿足水體水華監(jiān)測業(yè)務(wù)應(yīng)用。

圖12 太湖水華分布Fig.12 Image of water bloom distribution in Taihu Lake

基于衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)對太湖的葉綠素a、濁度、透明度、懸浮物等水質(zhì)情況進(jìn)行監(jiān)測，如圖13所示。結(jié)果表明：高光譜成像儀數(shù)據(jù)整體質(zhì)量較好，在測試區(qū)域內(nèi)影像清晰，數(shù)據(jù)噪聲和條帶去除后可滿足水質(zhì)定量遙感監(jiān)測的需求。

圖13 太湖水質(zhì)遙感監(jiān)測圖Fig.13 Remote sensing image of water quality in Taihu Lake

3)土地利用宏觀監(jiān)測

衛(wèi)星攜帶的大幅寬中分辨率載荷16 m相機(jī)可對重大工程用地等大宗新增建設(shè)用地進(jìn)行快速監(jiān)測，為土地利用宏觀監(jiān)測業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐。通過對雄安等地區(qū)土地利用宏觀監(jiān)測遙感解譯，發(fā)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)屬性判譯精度、面積精度較高，能較好地識(shí)別各地表要素。

4)土壤含水量監(jiān)測

利用環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星和高分一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)對山東省聊城市土壤含水量進(jìn)行監(jiān)測，如圖14所示，土壤含水量反演精度分別為2.17%和2.08%，監(jiān)測結(jié)果表明：環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星能夠開展農(nóng)田土壤含水量監(jiān)測，數(shù)據(jù)反演精度與高分一號(hào)衛(wèi)星相一致。

圖14 土壤含水量反演結(jié)果Fig.14 Inversion result of soil water content

5)農(nóng)作物長勢監(jiān)測

利用環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采用紅邊改進(jìn)指數(shù)反演測試區(qū)冬小麥葉面積指數(shù)(見圖15)，與哨兵二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演結(jié)果相比，長勢等級(jí)判定一致性為81.82%，能力相當(dāng)，能夠滿足農(nóng)作物長勢監(jiān)測需求。

圖15 農(nóng)作物頁面積指數(shù)監(jiān)測Fig.15 Monitor image of crop leaf area index

6)森林資源監(jiān)測

基于環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)對東北虎豹國家公園森林類型進(jìn)行識(shí)別。結(jié)果表明：衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以較好地識(shí)別出闊葉林、針葉林、云杉等森林主要樹種。

7)地震次生災(zāi)害監(jiān)測

利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)對云南魯?shù)榈卣鹬貫?zāi)區(qū)滑坡進(jìn)行解譯。結(jié)果表明：衛(wèi)星能夠識(shí)別出絕大多數(shù)大型滑坡和少部分中型滑坡，并且其具有大范圍覆蓋優(yōu)勢，對重大地震極災(zāi)區(qū)范圍快速確定，具有較好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)束語

環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星作為國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中首批啟動(dòng)的業(yè)務(wù)衛(wèi)星，采用公用平臺(tái)研制，兩星載荷配置一致，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，突破了國產(chǎn)12 000像元長線陣CCD探測器首飛、高光譜成像儀雙通道同步成像和分時(shí)定標(biāo)、長線列紅外探測器多元并掃成像、36通道水汽和氣溶膠輻射/偏振信息同步獲取等核心技術(shù)，各載荷間指標(biāo)協(xié)調(diào)匹配。衛(wèi)星設(shè)計(jì)有多樣化的定標(biāo)手段，可為用戶提供高質(zhì)量的遙感數(shù)據(jù)。本文對其系統(tǒng)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新性進(jìn)行了介紹，通過在軌測試和應(yīng)用評(píng)價(jià)，衛(wèi)星各項(xiàng)功能性能符合要求。兩顆衛(wèi)星在軌組網(wǎng)運(yùn)行，有力提升了對地觀測效能，隨著用戶部門衛(wèi)星應(yīng)用工作的進(jìn)一步深入開展，必將為國家防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)業(yè)務(wù)做出更大貢獻(xiàn)，并將更廣泛地應(yīng)用于自然資源、水利、農(nóng)業(yè)農(nóng)村、森林草原、地震等領(lǐng)域。