環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星成像模式設(shè)計與效能評價

馬磊 白照廣 董筠 朱軍 叢強(qiáng) 姚舜 李志武 林軍 莊超然

(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)

環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星均配置有16 m相機(jī)、高光譜成像儀、紅外相機(jī)、大氣校正儀4種光學(xué)載荷，具備可見光、高光譜和紅外對地成像能力，以及在軌大氣同步探測功能。兩星通過同軌組網(wǎng)實現(xiàn)快速獲取地面影像的能力。相對環(huán)境減災(zāi)一號A/B衛(wèi)星[1]，以及美國陸地衛(wèi)星(Landsat)系列和歐洲航天局的哨兵(Sentinel)系列衛(wèi)星[2-5]，星上譜段齊全、功能匹配，具有更高的空間分辨率、更大的觀測幅寬、更全的觀測要素、更短的覆蓋周期。而環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星有效載荷類型多、數(shù)量多、數(shù)據(jù)量大、各載荷成像條件和約束不同，為滿足衛(wèi)星不同用戶的使用需求，使得衛(wèi)星成像模式設(shè)計復(fù)雜。

為更好地發(fā)揮衛(wèi)星成像效能，在充分調(diào)研國內(nèi)外光學(xué)衛(wèi)星成像模式設(shè)計的基礎(chǔ)上[6-8]，結(jié)合衛(wèi)星成像特點，完成了環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星成像模式設(shè)計。本文闡述了各載荷成像原理和流程，成像需求及約束條件，對設(shè)計的常規(guī)成像、應(yīng)急成像、特殊成像等各類成像模式進(jìn)行了詳細(xì)論述。衛(wèi)星在軌測試結(jié)果表明了成像模式設(shè)計的正確性和合理性，并從全國陸地區(qū)域覆蓋觀測和全球南北緯80°間任一目標(biāo)觀測兩方面進(jìn)行了觀測效能評價。

1 載荷成像原理及流程

1.1 16 m相機(jī)

16 m相機(jī)采用折射式光學(xué)系統(tǒng)[9]，地物輻射信息經(jīng)過相機(jī)鏡頭和9塊分光棱鏡后，分成藍(lán)、綠、紅、近紅外和紅邊5個譜段分別成像在5片12 000像元長線陣CCD探測器上，如圖1所示。在積分時間內(nèi)，CCD探測器完成光電信號轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換等處理后，輸出至數(shù)傳分系統(tǒng)。

圖1 16 m相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical system of 16m camera

16 m相機(jī)熱控組件在軌處于長期工作狀態(tài)，其他部件為短期工作狀態(tài)。每次成像時，相機(jī)控制器首先加電，用時2 s完成初始化，在接收到開始成像指令后，并行接通4臺相機(jī)視頻電路電源，每套視頻電路分為3步加電、每步加電間隔約為2 s。視頻電路完全加電并完成初始化后，進(jìn)入成像工作狀態(tài)，開始向數(shù)傳分系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)。

1.2 高光譜成像儀

高光譜成像儀采用時空聯(lián)合調(diào)制干涉光譜成像技術(shù)原理[10]，利用推掃成像的方式，通過干涉儀、光學(xué)成像鏡獲取目標(biāo)輻射信息，由面陣探測器同時獲取地面目標(biāo)的空間圖像信息和光譜干涉信息，并將帶有干涉影像信息的圖像光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)信號處理電路和數(shù)據(jù)壓縮電路后輸出至星上數(shù)傳分系統(tǒng)，通過數(shù)傳分系統(tǒng)傳到地面，最后經(jīng)地面反演后生成光譜影像圖。時空聯(lián)合調(diào)制光譜成像原理如圖2所示。

在高光譜成像儀成像時，衛(wèi)星平臺通過直接指令對高光譜成像儀控制器加電，之后控制器根據(jù)CAN總線接收的遙控指令，實現(xiàn)可見光成像電路/短波紅外成像電路的加斷電和參數(shù)設(shè)置。由于短波紅外探測器需要在150 K的低溫環(huán)境下工作，因此控制器和成像電路加電工作前需要對短波紅外制冷機(jī)進(jìn)行降溫。

1.3 紅外相機(jī)

紅外相機(jī)通過掃描鏡穿軌擺掃，同時獲取地物可見近紅外、短波及中長波紅外9個通道的多光譜信息。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)會聚鏡成像到線列探測器上，如圖3所示。探測器輸出的電信號經(jīng)模擬放大、A/D轉(zhuǎn)換等操作后形成數(shù)字信號，連同輔助數(shù)據(jù)信息進(jìn)行格式編排后，傳至數(shù)傳分系統(tǒng)。

圖3 紅外相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of optical system of infrared camera

紅外相機(jī)制冷機(jī)在軌處于長期工作狀態(tài)，無需在每次成像時進(jìn)行加斷電。紅外相機(jī)未設(shè)置獨立的熱控單元，由下位機(jī)負(fù)責(zé)記錄和傳輸在軌長期工作的熱控組件相關(guān)參數(shù)，因此下位機(jī)在軌處于長加電運行狀態(tài)。紅外相機(jī)每次成像時，先后對輔助數(shù)據(jù)通道、掃描消角驅(qū)動電路和成像電路進(jìn)行加電和設(shè)置。

1.4 大氣校正儀

大氣校正儀采用分孔徑與分振幅結(jié)合的同時偏振測量方法，通過穿軌掃描的方式同步獲取與16 m相機(jī)成像區(qū)域上空的大氣多譜段信息。目標(biāo)信號經(jīng)反射鏡被望遠(yuǎn)系統(tǒng)準(zhǔn)直入射到渥拉斯頓棱鏡后，分解為兩束振動方向垂直的線偏振光，經(jīng)聚焦透鏡聚焦于兩個像點，如圖4所示。通過采用兩路完全相同光路，在渥拉斯頓棱鏡方位互成45°情況下，可獲得0°、90°、45°、135°四個不同振動方向的線偏振光。

圖4 大氣校正儀偏振測量原理圖Fig.4 Schematic diagram of polarization measurement of atmospheric corrector

大氣校正儀短波紅外探測器需要工作在較低的溫度來降低熱噪聲和暗電流以達(dá)到較好的性能，為了達(dá)到-50 ℃的工作溫度，需要對探測器進(jìn)行主動制冷。制冷采用半導(dǎo)體制冷，制冷時間約為5 min。每次開機(jī)成像時，首先開啟探測器溫控單元，并啟動制冷工作，5 min后對成像電路進(jìn)行加電和參數(shù)設(shè)置，然后開啟掃描電機(jī)驅(qū)動單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2 成像需求及約束

2.1 成像需求分析

環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星在軌以180°相位分布于高度為644.5 km、降交點地方時為上午10:30的同一太陽同步軌道面內(nèi)，每星每天有2至3個軌道圈次降軌經(jīng)過國境上空。衛(wèi)星用戶多，行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，各用戶對星上配置的16 m相機(jī)、高光譜成像儀、紅外相機(jī)、大氣校正儀等4種光學(xué)有效載荷數(shù)據(jù)的需求側(cè)重點不同。為最大限度滿足各用戶對衛(wèi)星不同圖像數(shù)據(jù)的迫切需求，星上4種載荷應(yīng)盡量同時開機(jī)成像，特別是國境內(nèi)區(qū)域。根據(jù)軌道特性，衛(wèi)星每晚升軌經(jīng)過國境上空，為應(yīng)對突發(fā)應(yīng)急事件，提高衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)獲取的實時性，星上紅外相機(jī)可在夜間經(jīng)過國境上空時開機(jī)成像，并實時下傳。

2.2 載荷數(shù)據(jù)率分析

16 m相機(jī)由4臺相同的相機(jī)“一”字拼接構(gòu)成，每臺相機(jī)具有5個可見光譜段的成像能力，總原始數(shù)據(jù)率達(dá)到1.28 Gbit/s；高光譜成像儀包含可見光和短波紅外兩個成像通道，可見光通道115譜段，短波紅外通道110譜段，在644.5 km標(biāo)稱軌道高度下，可見光通道成像幀頻為143幀/秒，原始數(shù)據(jù)率為900.042 Mbit/s，短波紅外通道成像幀頻為71.5幀/秒，原始數(shù)據(jù)率為219.84 Mbit/s；紅外相機(jī)采用多元并掃成像方案，通過掃描鏡穿軌擺掃獲取可見近紅外至長波紅外共9譜段的地物信息，原始數(shù)據(jù)率為170 Mbit/s；大氣校正儀通過穿軌圓周掃描探測，獲取可見近紅外至短波紅外共9譜段的大氣參數(shù)信息，原始數(shù)據(jù)率為0.2 Mbit/s。4種載荷總原始數(shù)據(jù)率為2.57 Gbit/s，同時各載荷數(shù)據(jù)率差異極大。

2.3 數(shù)據(jù)下傳分析

衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)采用第三代數(shù)傳技術(shù)，具備2×450 Mbit/s的雙通道高速傳輸能力，即載荷數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)傳天線進(jìn)行雙極化復(fù)用輸出至地面站。由于載荷總原始數(shù)據(jù)率大，需要對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮才能實現(xiàn)實時下傳的需求。因大氣校正儀原始數(shù)據(jù)率較低，不再進(jìn)行壓縮。16 m相機(jī)、高光譜成像儀、紅外相機(jī)數(shù)據(jù)分別設(shè)置為高壓縮比和低壓縮比兩種模式，低壓縮比模式用于獲取高質(zhì)量圖像數(shù)據(jù)，高壓縮比模式可以滿足用戶實時傳輸?shù)男枨?。對于紅外相機(jī)單載荷夜間成像，可使用無壓縮模式，進(jìn)行單通道數(shù)據(jù)實傳。

衛(wèi)星上配置有星務(wù)數(shù)據(jù)存儲模塊，負(fù)責(zé)對星上產(chǎn)生的實時遙測等數(shù)據(jù)進(jìn)行全天時存儲，受測控通道下傳碼速率低的限制，該數(shù)據(jù)通過數(shù)傳通道下傳。根據(jù)星務(wù)數(shù)據(jù)存儲模塊每天存儲的數(shù)據(jù)量，以及其與數(shù)傳間傳輸?shù)膶嶋H有效碼速率，經(jīng)計算，每天存儲的遙測數(shù)據(jù)需2至3個數(shù)傳弧段完成下傳。

2.4 成像時段約束

星上4種載荷中，16 m相機(jī)、高光譜成像儀、大氣校正儀只在白天開機(jī)，紅外相機(jī)可在白天和夜間開機(jī)。

高光譜成像儀受短波紅外譜段探測器讀出電路工藝、制冷機(jī)壽命限制，制冷機(jī)在軌開關(guān)機(jī)次數(shù)和工作總時間均存在上限?？紤]發(fā)射前地面開關(guān)機(jī)次數(shù)、時間，以及衛(wèi)星在軌5年壽命，高光譜成像儀制冷機(jī)在軌期間可每天開機(jī)一次，關(guān)機(jī)一次，且連續(xù)開機(jī)時長不大于10軌。

紅外相機(jī)紅外譜段探測器真空杜瓦、可見光組件、銦鎵砷(InGaAs)組件及定標(biāo)裝置，大氣校正儀紅外譜段探測器組件在入軌后需要進(jìn)行加熱除氣，此段時間內(nèi)兩種載荷不能開機(jī)成像。

3 成像模式設(shè)計

3.1 成像準(zhǔn)則

綜合考慮衛(wèi)星軌道特性、平臺配置情況、各載荷成像特點等因素，確定衛(wèi)星成像準(zhǔn)則如下。

1)長條帶成像

星上載荷16 m相機(jī)、高光譜成像儀、紅外相機(jī)、大氣校正儀的成像幅寬分別為800 km、96 km、720 km、800 km，均具有成像幅寬大的特點，若側(cè)擺成像時，邊緣視場圖像光學(xué)畸變較大，因此主推星下點長條帶成像模式。以16 m相機(jī)為例，成像10 min，則觀測區(qū)域的面積可以達(dá)到326 4000 km2。

2)多載荷協(xié)同工作

按照環(huán)境減災(zāi)多要素觀測要求，衛(wèi)星觀測譜段從可見光到長波紅外全部覆蓋，地面分辨率按照16×N系列設(shè)計，包括16 m、48 m、96 m，特別有利于應(yīng)用數(shù)據(jù)融合。為提高圖像產(chǎn)品質(zhì)量，配置的大氣校正儀可獲取16 m相機(jī)相同觀測區(qū)域上空的大氣參數(shù)信息，與相機(jī)數(shù)據(jù)同步下傳，用于圖像數(shù)據(jù)的大氣校正處理。在軌運行過程中，4種載荷應(yīng)盡可能同時成像，進(jìn)行協(xié)同工作。

3)成像任務(wù)參數(shù)化

將各類成像模式以相對程控指令組的形式提前固化到星上，在進(jìn)行每次成像任務(wù)時，只需上注開機(jī)時間、時長和少數(shù)必要的成像參數(shù)即可。

4)應(yīng)急響應(yīng)成像

只要衛(wèi)星白天降軌經(jīng)過國內(nèi)區(qū)域就會開機(jī)成像，因此應(yīng)急響應(yīng)成像主要針對夜間過境，以及境外成像情況。需要在國內(nèi)外夜間成像時，可安排紅外相機(jī)單獨開機(jī)成像。針對境外白天突發(fā)事件，基于星上固化的成像用多組相對程控指令，衛(wèi)星具備一鍵式清除現(xiàn)有成像任務(wù)，并快速接收和啟動新上注成像任務(wù)的能力。

5)集約化成像

綜合考慮衛(wèi)星功耗、設(shè)備壽命、操作安全性等，以“國內(nèi)區(qū)域覆蓋性觀測、境外區(qū)域確保應(yīng)急觀測”為基礎(chǔ)，開展集約化成像。

3.2 數(shù)據(jù)通道劃分

衛(wèi)星16 m相機(jī)數(shù)據(jù)通過數(shù)傳壓縮編碼器進(jìn)行壓縮，高光譜成像儀和紅外相機(jī)數(shù)據(jù)自行壓縮后傳至數(shù)傳，大氣校正儀和星務(wù)存儲模塊數(shù)據(jù)不壓縮，直接傳至數(shù)傳。根據(jù)各載荷原始數(shù)據(jù)量大小以及壓縮特點，兼顧數(shù)傳雙通道數(shù)據(jù)平衡設(shè)計，將16 m相機(jī)數(shù)據(jù)分配至通道一，其他數(shù)據(jù)分配至通道二。經(jīng)數(shù)傳高級在軌系統(tǒng)(AOS)格式編排后，兩通道數(shù)據(jù)率相當(dāng)，且均滿足小于數(shù)傳單通道450 Mbit/s的傳輸能力，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)實時對地傳輸。兩個通道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)量的分配見表1。

表1 兩通道數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)量分配Table 1 Data type and data volume allocation of two channel

3.3 常規(guī)成像模式

常規(guī)成像模式主要是4種有效載荷設(shè)備按任務(wù)要求進(jìn)行工作，以獲取用戶所要求信息的工作模式，主要包括4種：實傳模式(含星務(wù)數(shù)據(jù)存儲模塊下傳)、記錄模式、回放模式、邊記邊放模式。此外同一軌道圈內(nèi)還可以進(jìn)行境外陽照區(qū)記錄、境內(nèi)陰影區(qū)回放的組合模式，只影響整星能量平衡，對載荷而言，是獨立模式的組合。

1)實傳模式

在地面站可視范圍內(nèi)，衛(wèi)星處于正常飛行姿態(tài)，有效載荷成像，數(shù)傳將圖像、輔助數(shù)據(jù)等實時發(fā)送至地面站。星務(wù)數(shù)據(jù)存儲模塊數(shù)據(jù)在此模式下下傳。

2)記錄模式

在地面站可視范圍外，衛(wèi)星處于正常飛行姿態(tài)，有效載荷成像，數(shù)傳將接收到的數(shù)據(jù)處理后送至固存記錄。

3)回放模式

在境內(nèi)地面站可視范圍內(nèi)，衛(wèi)星處于正常飛行姿態(tài)，有效載荷不成像，固存記錄的數(shù)據(jù)以2×450 Mbit/s速率回放至地面站。

4)邊記邊放模式

在境內(nèi)地面站可視范圍內(nèi)，衛(wèi)星處于正常飛行姿態(tài)，有效載荷成像，數(shù)傳工作在高/低壓縮比條件下，壓縮后數(shù)據(jù)送固存記錄的同時可從固存讀取已存數(shù)據(jù)，該模式可獲得高質(zhì)量境內(nèi)圖像數(shù)據(jù)，同時又可進(jìn)行前期數(shù)據(jù)的回放，可提高衛(wèi)星在軌的數(shù)據(jù)獲取能力。

根據(jù)載荷成像時段約束、壓縮比設(shè)置情況、數(shù)傳天線使用情況，常規(guī)成像模式設(shè)計見表2，共計9種。

表2 常規(guī)成像模式設(shè)計Table 2 Conventional imaging mode design

在實傳、記錄、邊記邊放模式中，4種光學(xué)載荷均開機(jī)工作，根據(jù)前文所述4種載荷從開始加電至圖像輸出用時不同，為最大可能節(jié)約衛(wèi)星能源，采取分時啟動加電和各圖像同時輸出的成像加電策略，即加電過程耗時長載荷先加電，加電過程耗時短載荷后加電，通過加電間隔控制，使得各載荷開始輸出圖像的時刻基本一致，具體如圖5所示。

圖5 載荷加電時序圖Fig.5 Load power on sequence diagram

在各載荷加電過程中，為減少星上總線傳輸?shù)闹噶顥l數(shù)，減小總線資源占用率，同時提高操作簡潔性，各載荷控制器將自身加電用指令進(jìn)行高度封裝，如將4臺16 m相機(jī)各三步的加電指令按指令順序和時間間隔封裝在“16 m相機(jī)成像開”指令中。16 m相機(jī)控制器在收到“16 m相機(jī)成像開”指令后，自主執(zhí)行各臺相機(jī)的加電操作。

3.4 應(yīng)急成像模式

紅外相機(jī)成像譜段含中長波紅外譜段，與其它三載荷不同，其具備夜間觀測能力。為應(yīng)對火災(zāi)等應(yīng)急事件，提高觀測效率，設(shè)計了紅外相機(jī)夜間單獨成像的工作模式。對于境內(nèi)夜間應(yīng)急事件，進(jìn)行實傳成像，由于此時數(shù)傳信道帶寬充足，紅外相機(jī)數(shù)據(jù)可以無壓縮下傳；對于境外夜間應(yīng)急事件，進(jìn)行紅外相機(jī)境外記錄數(shù)據(jù)、境內(nèi)回放數(shù)據(jù)。具體工作模式見表3。

表3 紅外相機(jī)單獨成像模式設(shè)計Table 3 Design of separate imaging mode of infrared camera

3.5 特殊成像組合

針對紅外相機(jī)和大氣校正儀在軌初期除氣、無法開機(jī)成像的情況，為有效利用在軌時間，提高在軌測試效率，設(shè)計了16 m相機(jī)和高光譜成像儀兩種載荷的組合成像模式，見表4。雙載荷的數(shù)據(jù)回放使用常規(guī)成像模式的回放模式進(jìn)行。

根據(jù)高光譜成像儀制冷機(jī)開關(guān)機(jī)次數(shù)和總工作時間的限制，兼顧壽命需求，制定了高光譜制冷機(jī)每天開機(jī)一次，即在每天進(jìn)行第一次境內(nèi)實傳時開機(jī)，連續(xù)工作10軌后關(guān)機(jī)的策略，并且要求衛(wèi)星降軌過國境時高光譜成像儀需開機(jī)成像。在境外高光譜成像儀不開機(jī)成像的情況下，設(shè)計16 m相機(jī)、紅外相機(jī)和大氣校正儀的組合成像模式，境外記錄數(shù)據(jù)，境內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)回放。

表4 16 m相機(jī)和高光譜成像儀組合成像模式設(shè)計Table 4 Design of combined imaging mode of 16m camera and hyperspectral imager

3.6 成像安全模式

為保證衛(wèi)星能源安全，設(shè)計了載荷成像時間和成像電流安全模式。

每種載荷每軌單次最長連續(xù)成像時間默認(rèn)為20 min，該最大值可通過衛(wèi)星上注帶參指令修改；如果單次連續(xù)成像時間超過最大值，則載荷管理控制器自動執(zhí)行關(guān)機(jī)指令序列，停止本次成像任務(wù)。

星務(wù)中心計算機(jī)對每種載荷開機(jī)工作電流進(jìn)行判斷，如果出現(xiàn)電流異常增加，即當(dāng)工作電流遙測值連續(xù)兩次大于設(shè)定的安全值時，則認(rèn)為進(jìn)入載荷電流安全模式，自動執(zhí)行關(guān)停該載荷的指令序列。

4 成像效能評價

4.1 成像模式驗證

2020年10月2日，在兩星相位逐步擴(kuò)大、星座建立過程中，按在軌測試工作安排，兩星16 m相機(jī)和高光譜成像儀首次開機(jī)成像，成像區(qū)域為內(nèi)蒙古、北京、海南島等地區(qū)，成像效果均為圖像清晰，層次豐富，光譜信息豐富，如圖6所示。

10月20日，兩星紅外相機(jī)、大氣校正儀在軌除氣工作完成，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，由在軌除氣模式轉(zhuǎn)為在軌正常溫度工作模式。隨后進(jìn)行了4種光學(xué)載荷開機(jī)成像測試，模式包括所設(shè)計的直傳、記錄、回放、邊記邊放、單紅外陰影區(qū)直傳等所有模式，各類模式均工作正常，功能性能滿足要求，能夠高效正確完成用戶各類任務(wù)。

成像安全模式是在衛(wèi)星出現(xiàn)異常情況下自主進(jìn)入的保護(hù)模式，衛(wèi)星入軌運行期間，工作穩(wěn)定，未進(jìn)入該模式。但是，衛(wèi)星出廠前在整星電性能測試階段對該模式進(jìn)行了充分的驗證。

圖6 兩星16 m相機(jī)首次成像圖Fig.6 First image of 16m camera of two satellites

4.2 全國陸地覆蓋觀測能力

基于16 m相機(jī)、紅外相機(jī)的大幅寬觀測能力，以國境內(nèi)的密云、三亞、喀什為數(shù)傳接收站，在衛(wèi)星實傳模式下，根據(jù)中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心提供的在軌實測數(shù)據(jù)，兩星組網(wǎng)運行一天降軌觀測的全國陸地范圍覆蓋率為76%～80%，如圖7所示；連續(xù)兩天降軌觀測的全國陸地范圍覆蓋率為99%，如圖8所示。

圖7 兩星組網(wǎng)運行一天的全國陸地范圍覆蓋Fig.7 National land coverage of two satellites in one day

圖8 兩星組網(wǎng)運行兩天的全國陸地范圍覆蓋Fig.8 National land coverage of two satellites in two days

考慮紅外相機(jī)可在升軌段成像，則兩顆衛(wèi)星兩天時間內(nèi)可對全國陸地區(qū)域進(jìn)行全覆蓋觀測。以2022年3月11日、12日為例，兩天時間內(nèi)A、B星各進(jìn)行5次降軌成像，A星進(jìn)行兩軌升軌成像，可以完成全國陸地區(qū)域的覆蓋觀測和數(shù)據(jù)實時下傳，如圖9所示。

圖9 兩顆衛(wèi)星兩天時間內(nèi)對全國陸地區(qū)域進(jìn)行覆蓋性觀測Fig.9 National land area coverage observation by two satellites in two days

4.3 全球陸地目標(biāo)觀測能力

根據(jù)衛(wèi)星軌道特性，單顆衛(wèi)星一天內(nèi)16 m相機(jī)的實際觀測覆蓋如圖10所示。

圖10 單星一天內(nèi)16 m相機(jī)的實際覆蓋Fig.10 Coverage of 16m camera in a single satellite in one day

赤道上衛(wèi)星每圈西退的距離約為2700 km；第二天軌道與第一天軌道之間的間距約663.41 km。16 m相機(jī)800 km、紅外相機(jī)720 km、大氣校正儀800 km的幅寬可以覆蓋兩天之間的間距，衛(wèi)星軌道傾角為98°，因此單星16 m相機(jī)、紅外相機(jī)、大氣校正儀均可保證4天對全球南北緯80°內(nèi)任一目標(biāo)進(jìn)行觀測，如圖11所示，兩顆衛(wèi)星16 m相機(jī)、紅外相機(jī)、大氣校正儀可保證2天對全球南北緯80°內(nèi)任一目標(biāo)進(jìn)行觀測。高光譜成像儀成像幅寬為96 km，大于一個軌道回歸周期(41天)內(nèi)的軌道間距66.34 km，因此單星高光譜成像儀可保證41天對全球南北緯80°內(nèi)任一目標(biāo)進(jìn)行觀測，兩顆衛(wèi)星高光譜成像儀可保證20.5天對全球南北緯80°內(nèi)任一目標(biāo)進(jìn)行觀測。

兩顆衛(wèi)星在軌完成了與同樣配置了800 km幅寬16 m相機(jī)的高分一號、高分六號衛(wèi)星的組網(wǎng)部署。四星組網(wǎng)后可保證16 m相機(jī)1天對全球南北緯80°內(nèi)任一目標(biāo)進(jìn)行觀測，大幅提高了數(shù)據(jù)獲取時效性。

圖11 單星16 m相機(jī)4天全球南北緯80°內(nèi)覆蓋示意圖Fig.11 Schematic diagram of within 80°of global north-south coverage of single satellite 16m camera in 4 days

5 結(jié)束語

環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星成像模式設(shè)計以提高衛(wèi)星應(yīng)用效能為目標(biāo)，在充分考慮各載荷成像制約因素、高速載荷數(shù)據(jù)下傳的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了常規(guī)成像模式即四載荷同時開機(jī)成像模式，實現(xiàn)了多類型數(shù)據(jù)的同步獲取能力，滿足了不同用戶的數(shù)據(jù)使用需求；設(shè)計了紅外相機(jī)夜間成像模式，數(shù)據(jù)可以不經(jīng)壓縮下傳，在圖像質(zhì)量提高的同時，增強(qiáng)了對應(yīng)急事件的觀測效率；針對紅外相機(jī)和大氣校正儀需在軌除氣，以及高光譜成像儀制冷機(jī)壽命制約，設(shè)計了兩類特殊成像模式，提高了數(shù)據(jù)獲取時效性，保證了載荷使用壽命，且未影響國內(nèi)數(shù)據(jù)獲取的完整性。同時，從全國陸地覆蓋觀測能力和全球陸地目標(biāo)觀測能力兩方面對衛(wèi)星的成像效能進(jìn)行了評價。

通過在軌測試和業(yè)務(wù)運行，全面驗證了環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星成像模式設(shè)計的正確性，各載荷成像質(zhì)量優(yōu)異。目前衛(wèi)星各載荷圖像產(chǎn)品已在自然災(zāi)害監(jiān)測、大型水體水華水質(zhì)監(jiān)測、森林資源監(jiān)測、農(nóng)作物長勢監(jiān)測等多個領(lǐng)域應(yīng)用，發(fā)揮了重要作用，展現(xiàn)出了重要價值。