1 背景介紹

“陸地衛(wèi)星”系列衛(wèi)星是美國(guó)從1972年開始研制和發(fā)射的地球觀測(cè)衛(wèi)星，由美國(guó)航空航天局（NASA）和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）聯(lián)合研制，其數(shù)據(jù)可用于農(nóng)業(yè)、水文管理、災(zāi)害響應(yīng)、科學(xué)研究和國(guó)家安全等各領(lǐng)域。目前共有2顆“陸地衛(wèi)星”在軌運(yùn)行，分別是1984年發(fā)射的陸地衛(wèi)星－5和1999年發(fā)射的陸地衛(wèi)星－7，其中陸地衛(wèi)星－7是唯一的業(yè)務(wù)運(yùn)行衛(wèi)星，但已處于超期服役狀態(tài)，而且星載遙感器已經(jīng)出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集質(zhì)量有所下降；而陸地衛(wèi)星－5僅能通過(guò)多光譜掃描儀采集到有限的數(shù)據(jù)。因而研制和發(fā)射下一代“陸地衛(wèi)星”的任務(wù)就非常緊急。

美國(guó)政府曾探討了多種替代方案，結(jié)果導(dǎo)致“陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”的研制被迫推遲。目前的方案是研制和發(fā)射一顆專用“陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”，它稱為“自由飛行器”。2005年末，總統(tǒng)行政部門宣布由美國(guó)航空航天局和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局通過(guò)合作的形式共同執(zhí)行該方案。隨后，這兩家機(jī)構(gòu)參照陸地衛(wèi)星－7的研制和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，就合作達(dá)成了一致意見。美國(guó)航空航天局負(fù)責(zé)“陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”系統(tǒng)空間段的研制、發(fā)射和初始檢查，以及整個(gè)任務(wù)集成的監(jiān)督；美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局負(fù)責(zé)地面段的研制，并將在檢驗(yàn)階段后，負(fù)責(zé)衛(wèi)星和地面系統(tǒng)的運(yùn)行。盡管在近期的一系列測(cè)試中，衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷均出現(xiàn)了不同程度的技術(shù)問(wèn)題，但這兩家機(jī)構(gòu)表示爭(zhēng)取在2012年12月發(fā)射“陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”，并在2013年早期，北半球生長(zhǎng)季之前，進(jìn)入衛(wèi)星業(yè)務(wù)化運(yùn)行。

與美國(guó)法律和政府政策一致，“陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”的目標(biāo)是連續(xù)收集、存檔和分發(fā)多光譜圖像，為地球陸地表面提供全球、重復(fù)性覆蓋，以監(jiān)測(cè)、區(qū)分、描繪和監(jiān)測(cè)自然與人類引起的變化。作為“陸地衛(wèi)星”系列的后續(xù)任務(wù)，“陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”的主要任務(wù)是保持“陸地衛(wèi)星”數(shù)據(jù)的連續(xù)性，主要包括：①中分辨率多光譜數(shù)據(jù)（地面分辨率約30m）的采集與存檔，連續(xù)提供全球大陸季節(jié)性覆蓋5年以上；②確?！瓣懙匦l(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”的數(shù)據(jù)與之前“陸地衛(wèi)星”任務(wù)內(nèi)在的一致性，根據(jù)采集方式、校準(zhǔn)、覆蓋特征、光譜特征、輸出產(chǎn)品質(zhì)量以及數(shù)據(jù)可用性，在未來(lái)進(jìn)行陸地覆蓋和陸地使用變化情況的研究；③基于無(wú)歧視和免費(fèi)原則向公眾發(fā)布“陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”數(shù)據(jù)產(chǎn)品。該任務(wù)將通過(guò)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地球資源觀測(cè)與科學(xué)中心（EROS）向美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局國(guó)家衛(wèi)星陸地遙感數(shù)據(jù)檔案中心（NSLRSDA）提供“陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”數(shù)據(jù)產(chǎn)品至少5年。該檔案中心擁有世界最大的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄，是一個(gè)了解地球表面變化、氣候變化、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和國(guó)家安全影響的重要資源。

2 衛(wèi)星系統(tǒng)概況

“陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”由衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷組成。該衛(wèi)星將運(yùn)行在高約705km的太陽(yáng)同步近圓軌道，降交點(diǎn)地方時(shí)為10：00至10：15，與第三代“陸地衛(wèi)星”軌道相同。衛(wèi)星采用SA－200HP平臺(tái)，發(fā)射質(zhì)量2623kg，干質(zhì)量1512kg，設(shè)計(jì)壽命5年，帶有386kg肼燃料，可滿足衛(wèi)星10年的運(yùn)行需求。衛(wèi)星帶有單邊太陽(yáng)電池翼，對(duì)太陽(yáng)單軸定向，采用三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，帶有125Ah的氫鎳電池，電源系統(tǒng)壽命末期提供功率4500W。

“陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”采用三軸穩(wěn)定控制方式，姿態(tài)敏感設(shè)備為3臺(tái)星跟蹤器、1臺(tái)比例慣性參考單元（SIRU）、12臺(tái)粗太陽(yáng)敏感器和2個(gè)三軸磁強(qiáng)計(jì)組件；姿態(tài)控制設(shè)備為6臺(tái)反作用飛輪和3個(gè)磁力矩棒。姿態(tài)敏感精度46μrad（3σ），姿態(tài)敏感穩(wěn)定度0.12μrad/2.5s，控制精度30μrad（3σ），姿態(tài)控制穩(wěn)定度0.21μrad/0.5s。衛(wèi)星俯仰向側(cè)擺180°并且穩(wěn)定的時(shí)間小于14min，滾動(dòng)向側(cè)擺15°并且穩(wěn)定的時(shí)間小于4.5min。衛(wèi)星帶有8臺(tái)22N推力器，可提供的總速度變化△V為334m/s。星上存儲(chǔ)容量4Tbit，壽命末期為3.1Tbit。

2008年4月，美國(guó)通用動(dòng)力先進(jìn)信息系統(tǒng)公司（GDAIS）獲得了“陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”合同。該合同包括衛(wèi)星的組裝和測(cè)試，產(chǎn)生接口控制文件、有效載荷和整個(gè)衛(wèi)星集成；測(cè)試、運(yùn)載至發(fā)射場(chǎng)、運(yùn)載火箭集成支持與在軌測(cè)試。

“陸地衛(wèi)星”發(fā)展歷史

“陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”的性能參數(shù)

2010年4月，軌道科學(xué)公司（OSC）收購(gòu)了通用動(dòng)力先進(jìn)信息系統(tǒng)公司旗下的衛(wèi)星信息系統(tǒng)部。隨后，由軌道科學(xué)公司負(fù)責(zé)“陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”平臺(tái)設(shè)計(jì)與組裝，以及有效載荷集成、衛(wèi)星級(jí)測(cè)試、衛(wèi)星在軌檢查和在軌技術(shù)支持，此外他們還將提供一個(gè)衛(wèi)星模擬器。2009年10月，衛(wèi)星順利通過(guò)關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審。衛(wèi)星裝有一個(gè)3.14Tbit的固態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和X頻段天線。X頻段天線將實(shí)時(shí)傳輸業(yè)務(wù)陸地成像儀（OLI）和熱紅外探測(cè)器（TIRS）數(shù)據(jù)或回傳存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)。衛(wèi)星平臺(tái)的組裝在設(shè)計(jì)評(píng)審后啟動(dòng)。

3 有效載荷

“陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”的2個(gè)主要有效載荷為實(shí)時(shí)傳輸業(yè)務(wù)陸地成像儀和熱紅外探測(cè)器。衛(wèi)星平臺(tái)和實(shí)時(shí)傳輸業(yè)務(wù)陸地成像儀通過(guò)私人供應(yīng)商采購(gòu)，美國(guó)航空航天局負(fù)責(zé)研制熱紅外探測(cè)器。2個(gè)有效載荷將同時(shí)收集全球陸地表面多光譜圖像，包括沿海區(qū)域、極地冰、群島和大陸地區(qū)，然后將其存儲(chǔ)至星載存儲(chǔ)器上，并將數(shù)據(jù)傳輸至地面接收站。

實(shí)時(shí)傳輸業(yè)務(wù)陸地成像儀

2007年7月，美國(guó)航空航天局授予鮑爾宇航與技術(shù)公司實(shí)時(shí)傳輸業(yè)務(wù)陸地成像儀的研制合同。實(shí)時(shí)傳輸業(yè)務(wù)陸地成像儀包括9個(gè)短波譜段，幅寬185km，全色分辨率15m，其他譜段30m。實(shí)時(shí)傳輸業(yè)務(wù)陸地成像儀是1臺(tái)推掃式相機(jī)，成像譜段與陸地衛(wèi)星－7上的增強(qiáng)改進(jìn)型專題制圖儀（ETM+）相似，但增加了1個(gè)海岸氣溶膠譜段（1號(hào)譜段）和1個(gè)卷云探測(cè)譜段（9號(hào)譜段），用于探測(cè)卷云圖像，因成本原因取消了熱紅外譜段。實(shí)時(shí)傳輸業(yè)務(wù)陸地成像儀量化值為12bit，數(shù)據(jù)信噪比較高。

實(shí)時(shí)傳輸業(yè)務(wù)陸地成像儀為多光譜成像儀，它沿用了地球觀測(cè)（EO－1）衛(wèi)星（美國(guó)航空航天局于2000年11月21日發(fā)射）上搭載的先進(jìn)陸地成像儀（ALI），采用推掃式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包含一個(gè)由長(zhǎng)陣列光敏探測(cè)器組成的焦平面組件（FPA）。焦平面組件由14個(gè)焦平面模塊（FPM）組成。不同于小型焦平面和掃描鏡，14個(gè)焦平面模塊能覆蓋整個(gè)“陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”衛(wèi)星穿軌視場(chǎng)。每個(gè)焦平面模塊在沿軌方向含9個(gè)譜段。沿軌方向的譜段分離能在前后譜段之間產(chǎn)生約0.96s的時(shí)間延遲。雖然這個(gè)時(shí)間延遲不長(zhǎng)，但能在譜段之間產(chǎn)生顯著的地形視差效應(yīng)，這對(duì)多光譜圖像譜段配準(zhǔn)將是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

實(shí)時(shí)傳輸業(yè)務(wù)陸地成像儀性能參數(shù)

陸地衛(wèi)星－7的增強(qiáng)改進(jìn)型專題制圖儀成像性能參數(shù)

實(shí)時(shí)傳輸業(yè)務(wù)陸地成像儀飽和輻射亮度和信噪比參數(shù)

熱紅外探測(cè)器

2009年12月，美國(guó)航空航天局在取消了實(shí)時(shí)傳輸業(yè)務(wù)陸地成像儀上的熱紅外譜段后，又安排了戈達(dá)德航天飛行中心（GSFC）研制專用于熱紅外譜段成像的熱紅外探測(cè)器。熱紅外探測(cè)器是一臺(tái)推掃式遙感器，由長(zhǎng)陣列光敏感探測(cè)器焦平面組成。它也是一臺(tái)基于量子阱紅外探測(cè)器（QWIP）的遙感器，分為3個(gè)640×512的面陣沿焦平面中心線交替排列，工作溫度為43K。熱紅外探測(cè)器上的2個(gè)紅外通道的中心波長(zhǎng)為10800nm和12000nm，這2個(gè)譜段通過(guò)覆蓋焦平面組件的干涉濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

實(shí)時(shí)傳輸業(yè)務(wù)陸地成像儀結(jié)構(gòu)圖

實(shí)時(shí)傳輸業(yè)務(wù)陸地成像儀主要參數(shù)

熱紅外探測(cè)器載荷性能指標(biāo)

熱紅外探測(cè)器飽和度輻射亮度和等效噪聲溫差參數(shù)

熱紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

4 地面系統(tǒng)

“陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”衛(wèi)星地面系統(tǒng)主要由以下部分組成：

· 任務(wù)運(yùn)行單元（MOE），由鐵錘（Hammer）公司研制，負(fù)責(zé)指令與控制、任務(wù)計(jì)劃與進(jìn)度安排、長(zhǎng)期趨勢(shì)分析以及飛行動(dòng)力分析。

· 采集活動(dòng)計(jì)劃單元（CAPE），負(fù)責(zé)開發(fā)一組圖像采集與成像儀的定標(biāo)活動(dòng)。

· 地面網(wǎng)單元（GNE），由2個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，分別位于阿拉斯加州礦業(yè)中心和南達(dá)科他州蘇福爾斯市。每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)地面站，負(fù)責(zé)接收“陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”衛(wèi)星的X頻段數(shù)據(jù)。此外，每個(gè)地面站提供S頻段上行和下行數(shù)據(jù)傳輸。地面網(wǎng)單位負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理和存檔系統(tǒng)（DPAS）。

“陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”衛(wèi)星地面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

· 數(shù)據(jù)處理和存檔系統(tǒng)，包括獲取、存檔、校準(zhǔn)和分發(fā)“陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”數(shù)據(jù)與產(chǎn)品。另外數(shù)據(jù)處理和存檔系統(tǒng)還將數(shù)據(jù)傳送給用戶。數(shù)據(jù)處理和存檔系統(tǒng)將位于美國(guó)地質(zhì)堪調(diào)局的地球資源觀測(cè)與科學(xué)中心。

除任務(wù)運(yùn)行單元外，其他單元均由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局依據(jù)其支持服務(wù)合同研制。

美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局及其相關(guān)的支持與研發(fā)機(jī)構(gòu)將負(fù)責(zé)：

· 研制地面系統(tǒng)（由飛行運(yùn)行和數(shù)據(jù)處理與存檔段組成），不包括任務(wù)運(yùn)行單元的采購(gòu)。

· 提供所有任務(wù)段的地面系統(tǒng)功能區(qū)域?qū)I(yè)技術(shù)。

· 領(lǐng)導(dǎo)、投資和管理陸地衛(wèi)星科學(xué)小組。

· 獲取飛行運(yùn)行小組（FOT）并生產(chǎn)飛行運(yùn)行小組產(chǎn)品。

· 在完成在軌檢查后，管理和運(yùn)行“陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”衛(wèi)星。

· 根據(jù)美國(guó)航空航天局授予的“陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性任務(wù)”系統(tǒng)在軌接收和管理合同，接收并執(zhí)行所有與實(shí)時(shí)傳輸業(yè)務(wù)陸地成像儀有效載荷、熱紅外探測(cè)器有效載荷、衛(wèi)星平臺(tái)以及任務(wù)運(yùn)行單元相關(guān)的轉(zhuǎn)移行為。

· 提供美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局管理部分的系統(tǒng)工程。