戴舒穎（北京控制工程研究所）

2006年1月24日，日本發(fā)射了先進(jìn)陸地觀測衛(wèi)星-1（ALOS-1）。到2011年5月12日該衛(wèi)星與地面失去聯(lián)系為止，衛(wèi)星在軌運(yùn)行5年3個(gè)月，取得了一系列成果，令設(shè)計(jì)隊(duì)伍、開發(fā)人員和用戶都比較滿意。然而，這依然無法滿足廣大用戶對(duì)高精度地球觀測衛(wèi)星日益增長的需求，同時(shí)也使決策者、設(shè)計(jì)和開發(fā)人員清楚地認(rèn)識(shí)到，日本在大型對(duì)地觀測衛(wèi)星的總體設(shè)計(jì)水平上與美國、法國等尚存在一定差距，特別是在分辨率和廣域觀測等技術(shù)水平方面。為扭轉(zhuǎn)這一局面，使對(duì)地觀測衛(wèi)星盡快進(jìn)入市場，贏得更多用戶，經(jīng)一系列研究和調(diào)整，日本最后決定研制并計(jì)劃于2014年和2015年初先后發(fā)射ALOS-2雷達(dá)衛(wèi)星和ALOS-3光學(xué)衛(wèi)星。

1 ALOS-1及其取得的主要成果

ALOS-1是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、日本電氣公司（NEC）為主承包商開發(fā)的先進(jìn)的對(duì)地觀測衛(wèi)星，取得了不少的研究、開發(fā)和應(yīng)用成果，為設(shè)計(jì)和開發(fā)其后繼星和采用先進(jìn)的航天觀測平臺(tái)—“具備新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的先進(jìn)觀測衛(wèi)星”（ASNARO）的系列衛(wèi)星及制定和完成海洋監(jiān)視的衛(wèi)星計(jì)劃等積累了經(jīng)驗(yàn)。

衛(wèi)星概況

A LOS-1是一顆以執(zhí)行地球資源勘測與環(huán)境觀測、全色立體測繪和地圖繪制、災(zāi)情觀測（監(jiān)視地震、洪水、火山活動(dòng)狀況、海嘯和火災(zāi)等），以及確認(rèn)未來地球觀測所需的高精度定位、精確姿態(tài)確定技術(shù)等任務(wù)的衛(wèi)星。

ALOS-1及其有效載荷配置圖

ALOS-1的主要性能、參數(shù)

運(yùn)行成果

JAXA認(rèn)為，ALOS-1在軌運(yùn)行期間，充分地驗(yàn)證了地球觀測所需的高精度定位、精確姿態(tài)確定等多項(xiàng)技術(shù)：衛(wèi)星短期姿態(tài)穩(wěn)定度±0.00002°/0.37m s，長期姿態(tài)穩(wěn)定度±0.0002°/5s，姿態(tài)測量精度±0.00014°，指向測量精度±0.0002°，并確認(rèn)注重高精度總體軌道控制系統(tǒng)可在ALOS-1的后繼星—ALOS-2、3等衛(wèi)星上應(yīng)用，同時(shí)也為ASNARO系列衛(wèi)星和未來開發(fā)地球資源、海洋觀測監(jiān)視、災(zāi)害預(yù)報(bào)監(jiān)測等衛(wèi)星的設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)。此外，ALOS-1還取得以下主要應(yīng)用成果。

1）利用A LOS-1成功地進(jìn)行了全球觀測，5年間共拍攝了650萬幅高清晰度的圖像[法國的“斯波特”（SPOT）系列的5顆衛(wèi)星在長達(dá)25年間的運(yùn)行過程中也僅拍攝了約1000萬幅這種高清晰度圖像]。

2）驗(yàn)證并證明了地球觀測衛(wèi)星在災(zāi)害預(yù)報(bào)、防災(zāi)、減災(zāi)和災(zāi)害對(duì)策等領(lǐng)域能夠發(fā)揮重要作用，這些應(yīng)用手段不僅應(yīng)該固定化，還必須設(shè)法確保常態(tài)化，以便進(jìn)一步拓展地球觀測衛(wèi)星的應(yīng)用領(lǐng)域，發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

3）日本國土地理院利用ALOS-1配置的PRISM獲取的大量圖像信息，繪制了1∶25000的全色立體地圖，并及時(shí)更新，為亞洲、非洲以及各國繪制高分辨率的全色立體地圖提供了技術(shù)支持。

4）日本通過相關(guān)渠道向聯(lián)合國提供ALOS-1獲取的分布世界各地與違反國際公約的有關(guān)信息，如發(fā)生在巴西等國家和地區(qū)的亂砍濫伐森林等場景，以及監(jiān)視氣候變化（與世界銀行等合作）等有關(guān)的信息，對(duì)其影響或危害進(jìn)行分析，為確定處罰尺度和確定對(duì)策提供依據(jù)，為保護(hù)人類賴以生存的地球環(huán)境做出了貢獻(xiàn)。

2 ALOS-2和3的研制背景

2005年，JAXA在制定長期發(fā)展規(guī)劃（2006-2015年）時(shí)提出：要“實(shí)現(xiàn)安全、富裕社會(huì)”，“建立地球資源觀測/環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星系統(tǒng)”，“建立并完善災(zāi)害和危機(jī)預(yù)測、預(yù)報(bào)和管理系統(tǒng)”，把開發(fā)領(lǐng)先于世界的高分辨率光學(xué)遙感器和合成孔徑雷達(dá)，并在ALOS-1的后繼星等衛(wèi)星上應(yīng)用作為首要目標(biāo)。

相關(guān)省廳和機(jī)關(guān)針對(duì)計(jì)劃開發(fā)的ALOS-1后續(xù)星提出的具體要求

2008年，日本頒布新航天基本法，并依據(jù)這一法案于2009年和2013年兩度公布了航天基本計(jì)劃，在這兩個(gè)基本計(jì)劃中都把研制、發(fā)射和應(yīng)用地球觀測衛(wèi)星ALOS-1及其后繼星置于重要地位，認(rèn)為無論是從國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、勘察發(fā)現(xiàn)和保護(hù)資源、確保國家安全、監(jiān)視/保護(hù)環(huán)境，還是滿足社會(huì)需求，確保航天產(chǎn)業(yè)沿著好、快、省地有序發(fā)展，且?guī)?dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，乃至整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的角度考慮，都必須研制和發(fā)射ALOS-1的后繼星。

而內(nèi)閣中的一些省廳，如內(nèi)閣府、文部科學(xué)省、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省、農(nóng)林水產(chǎn)省、運(yùn)輸省、國土地理院，以及防衛(wèi)省、警視廳等，也都向內(nèi)閣總理大臣或航天開發(fā)戰(zhàn)略本部提出“進(jìn)一步完善地球資源/觀測/環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星系統(tǒng)”的要求，他們認(rèn)為：ALOS-1無論對(duì)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，發(fā)現(xiàn)、保護(hù)和開發(fā)國家急需資源，以及國家安全等都有著且發(fā)揮了極其重要的不可替代的作用；從保障公共安全考慮，必須實(shí)時(shí)監(jiān)視、預(yù)測、預(yù)報(bào)并掌握地殼變動(dòng)和災(zāi)害信息；“站在國土安全管理高度，急需積累國土資源等信息”；“從確保糧食生產(chǎn)和順利地執(zhí)行進(jìn)出口計(jì)劃，以及確保魚類繁衍、養(yǎng)殖、計(jì)劃捕撈和供應(yīng)的角度考慮，迫切需要地球觀測衛(wèi)星提供相關(guān)的信息”；“從確保及時(shí)尋找資源、填補(bǔ)能源奇缺，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)、合理安排開采/制定進(jìn)口陸地和海底石油以及其他礦產(chǎn)資源等需求，離不開地球觀測衛(wèi)星”；“從危機(jī)管理和確保國家安全等考慮，必須及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取相關(guān)領(lǐng)域信息”。此外，許多省廳和機(jī)關(guān)還就計(jì)劃開發(fā)的ALOS-1后續(xù)衛(wèi)星在技術(shù)指標(biāo)等方面提出了各自的要求或建議。

3 ALOS-2衛(wèi)星

概況

ALOS-2采用了經(jīng)ALOS-1在軌飛行驗(yàn)證的以姿態(tài)控制為主，集姿態(tài)控制、遙測指令等數(shù)據(jù)處理和衛(wèi)星綜合管理等多種功能于一體、以星載計(jì)算機(jī)為核心部件的高精度姿態(tài)軌道確定系統(tǒng)，其關(guān)鍵部件是64bit星載計(jì)算機(jī)，星載計(jì)算機(jī)最先是在A LOS-1上應(yīng)用，后經(jīng)多顆衛(wèi)星飛行驗(yàn)證，證明其性能強(qiáng)、可靠性高、抗輻射能力強(qiáng)。A LOS-2上采用以這種星載計(jì)算機(jī)為核心的姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)，不僅可確保高精度的地球指向控制，實(shí)現(xiàn)整個(gè)衛(wèi)星可在±30°范圍內(nèi)進(jìn)行側(cè)擺，對(duì)軌道兩側(cè)成像，達(dá)到高精度的地球觀測，提高分辨率，強(qiáng)化其重訪功能，還可以確保及時(shí)、準(zhǔn)確地提供對(duì)地震、海嘯、臺(tái)風(fēng)、大暴雨等災(zāi)害監(jiān)視所需的各種信息，以及持續(xù)提供地球資源勘測和環(huán)境監(jiān)測等所需的數(shù)據(jù)。采用這種集多種功能于一體的高精度姿態(tài)軌道確定方式（僅采用1臺(tái)星載計(jì)算機(jī)），還可以大幅度地減輕衛(wèi)星公用艙的質(zhì)量，降低開發(fā)成本，提高有效載荷比和系統(tǒng)的可靠性。

ALOS-2雷達(dá)成像模式

ALOS-2的主要性能、參數(shù)

PALSAR-2與PALSAR的性能比較

根據(jù)A LOS-1在軌工作情況，對(duì)A LOS-1上所用的PA LSAR進(jìn)行了一系列改進(jìn)，A LOS-2上所搭載的PA LSAR-2的中心頻率達(dá)1257.5MH z，入射角提高到8°～70°，增加了聚束模式，使分辨率可達(dá)1m×3m，幅寬達(dá)25km。

與PALSAR相比，ALOS-2上的PALSAR-2無論是在數(shù)據(jù)傳輸速率、觀測頻率，還是在觀測范圍和分辨率等方面都有顯著提高。

ALOS-2搭載的PALSAR-2成像性能

（1）數(shù)據(jù)傳輸速率明顯加快

ALOS-1從衛(wèi)星直接向地面?zhèn)鬏敚╔頻段）的速率為138Mbit/s（QPSK）；ALOS-2的為800Mbit/s（16QAM）/400M b it/s（QPSK）/200M b it/s（QPSK），并且可根據(jù)地球站的規(guī)格任意切換使用。

ALOS-1系列衛(wèi)星的一個(gè)顯著特點(diǎn)是從衛(wèi)星上向地面?zhèn)鬏數(shù)母呔葓D像量非常大，如此大容量的數(shù)據(jù)傳輸就必須經(jīng)由數(shù)據(jù)中繼技術(shù)衛(wèi)星。ALOS-2和ALOS-1一樣，從衛(wèi)星向地面?zhèn)鬏敚↘a頻段）的大量數(shù)據(jù)也要經(jīng)由數(shù)據(jù)中繼技術(shù)衛(wèi)星，不過其速率與ALOS-1一樣為278Mbit/s（QPSK）。

ALOS-2雷達(dá)成像衛(wèi)星外觀圖

PALSAR與PALSAR-2分辨率對(duì)比

（2）觀測頻率（緊急觀測時(shí)）明顯加快

ALOS-1是每5天才能觀測1次，而ALOS-2則是每1～2天就能夠觀測1次。

（3）可觀測范圍明顯變大

A LOS-1的可觀測服務(wù)范圍僅為870km，且只能夠從右側(cè)進(jìn)行觀測，A LOS-2的可觀測范圍可達(dá)2320km，而且不僅可從右側(cè)，還能從左側(cè)進(jìn)行觀測。

（4）分辨率大幅度提高

ALOS-1的分辨率只有10m×10m（高分辨率模式），而ALOS-2備有3種觀測模式，即高分辨率、廣域觀測和聚束模式。其中，高分辨率模式的分辨率為3m×3m，觀測幅寬為50～70km，可實(shí)現(xiàn)50m in連續(xù)攝影；廣域觀測模式的分辨率為100m，觀測幅寬達(dá)350km；而新增加的采用新標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的局部聚束模式的分辨率可達(dá)1m×3m，觀測幅寬為25km。

用PALSAR-2進(jìn)行觀測的制約條件

用ALOS-2上的PALSAR-2進(jìn)行觀測有3個(gè)制約條件：

1）按照觀測原理，合成孔徑雷達(dá)（SAR）的星下點(diǎn)附近是無法觀測的，而ALOS-2所搭載的SAR的不可觀測范圍僅為星下點(diǎn)之左向和右向約80km的范圍；

2）無論是從左側(cè)切換到右側(cè)，還是從右側(cè)切換到左側(cè)進(jìn)行觀測，所需的時(shí)間均非常短，僅需3m in（換算成地表面距離約為1200km）；

3）無論是從右側(cè)還是從左側(cè)變更觀測范圍，都可在數(shù)秒時(shí)間內(nèi)完成。

4 ALOS-3衛(wèi)星

ALOS-3的主要性能、參數(shù)

概況

JAXA計(jì)劃2015年初發(fā)射ALOS-3，它與ALOS-2采用相同的公用平臺(tái)，配備2種有效載荷—在ALOS-1搭載的PR ISM基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的PR ISM；以開發(fā)先進(jìn)的可見光和近紅外輻射計(jì)取得的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)開發(fā)的多光譜和超光譜遙感器。衛(wèi)星入軌后與2014年5月發(fā)射的ALOS-2配合應(yīng)用，完成災(zāi)情監(jiān)視與預(yù)報(bào)、地圖繪制、區(qū)域性地球觀測，以及資源調(diào)查等飛行任務(wù)。

ALOS-3采用ALOS-2所采用的三軸控制公用平臺(tái)，其姿態(tài)和軌道控制精度等也與ALOS-2基本相同，發(fā)射質(zhì)量控制在2000kg以內(nèi)，設(shè)計(jì)壽命5年，衛(wèi)星的運(yùn)行軌道比ALOS-2低10km，即在618km的太陽同步圓軌道上運(yùn)行，整星可以側(cè)擺±60°成像。這樣設(shè)計(jì)的主要目的是大幅度地縮短重訪時(shí)間，提高運(yùn)行效率。

ALOS-3光學(xué)成像衛(wèi)星外觀圖

ALOS-1（左）和ALOS-3（右）搭載的光學(xué)遙感器的分辨率能力對(duì)比

ALOS-3與ALOS-1搭載的光學(xué)遙感器的性能比較

ALOS-3上搭載了PR ISM以及多光譜和超光譜（含可見光與近紅外和短波紅外）遙感器，分別由JAXA和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省研制。

與ALOS-1相比，ALOS-3上搭載的有效載荷無論是在數(shù)據(jù)壓縮能力、傳輸能力，還是在可觀測范圍、分辨率和立體觀測水平上都有了大幅度的提高。

（1）增強(qiáng)了數(shù)據(jù)壓縮能力

ALOS-1數(shù)據(jù)壓縮是采用JPEG方式，而ALOS-3數(shù)據(jù)壓縮采用的是JPEG2000方式。與ALOS相比，ALOS-3甚至可以做到無間歇噪聲，而且增強(qiáng)了對(duì)數(shù)據(jù)的壓縮和判讀能力。

（2）加快、加大了數(shù)據(jù)傳輸能力

ALOS-3仍與ALOS-1、2一樣，采用2種傳輸方式，即衛(wèi)星直接傳輸和經(jīng)由數(shù)據(jù)中繼技術(shù)衛(wèi)星向地球站傳輸。

1）衛(wèi)星直接傳送到地球站（X頻段）：ALOS-1采用的是138M b it/s（QPSK）；而A LOS-3和A LOS-2一樣，采用的是800M b it/s（16QAM）/400Mbit/s（QPSK）/200Mbit/s（QPSK），具體采用哪種方式要根據(jù)地球站和實(shí)際需求確定后進(jìn)行切換。

2）從衛(wèi)星經(jīng)由數(shù)據(jù)中繼技術(shù)衛(wèi)星傳送（Ka頻段）：A LOS-1采用的是278M b it/s（QPSK）；而A LOS-3和A LOS-2一樣，采用的是278M b it/s（QPSK）；不過ALOS-3還在研究并很可能實(shí)現(xiàn)寬帶化。

（3）增大了可觀測范圍

ALOS-1的可觀測范圍約為1420km，不僅可以從左側(cè)觀測，而且還可以從右側(cè)進(jìn)行觀測；而ALOS-3的可觀測范圍幾乎翻倍，約為2600km，也采用同樣的觀測模式。

（4）提高了分辨率

A LOS-1上所配置的是PR ISM（其分辨率為2.5m）和AVN IR-2；而ALOS-3上配置的是改進(jìn)型AVN IR-2，雖然也只有1個(gè)頻段，不過卻大幅度地提高了其分辨率，可達(dá)0.8m。另外，ALOS-3上還配備了多光譜和超光譜頻段。多光譜頻段為4通道，其分辨率為5m，幅寬為90km；超光譜頻段為包括57通道可見光與近紅外頻段和128通道的短波紅外頻段，其中，可見光與近紅外頻段（硅CCD）的分辨率均為30m，幅寬均為30km，短波紅外頻段（碲鎘汞）的分辨率為30m，幅寬為30km。

ALOS-2搭載的PALSAR-2成像性能

（5）提高了立體觀測水平

ALOS-1采用的是三方向觀測，而ALOS-3實(shí)現(xiàn)了雙向觀測。

5 由搭載多遙感器的ALOS變?yōu)橛?顆衛(wèi)星分別搭載成像雷達(dá)和光學(xué)遙感器方式好處多多

由多遙感器的ALOS-1變?yōu)樵诿款w星上只搭載一種（類）遙感器：ALOS-2僅搭載了PALSAR-2；ALOS-3搭載了高分辨率的光學(xué)遙感器（PR ISM和改進(jìn)型AVNIR-2），不僅大幅度地降低了系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，有效地解耦兩類有效載荷間的條件約束，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了開發(fā)成本和衛(wèi)星的運(yùn)行效率（觀測時(shí)段翻番），同時(shí)也是日本注重投入產(chǎn)出比，開始研制低成本、執(zhí)行單一飛行任務(wù)的中型遙感衛(wèi)星，推進(jìn)航天開發(fā)沿著“好、快、省”路線發(fā)展的又一次嘗試。

ALOS-1采用1顆星上配置2種遙感器，其觀測時(shí)段只有上午6：00，而將L頻段相控陣?yán)走_(dá)和高分辨率的光學(xué)遙感器分別配置在ALOS-2、3上，通過2顆衛(wèi)星配合應(yīng)用，則可使其觀測時(shí)段增加1倍，即中午12：00和下午1：30，使獲取信息量成倍增加；這樣也就可以使“一定要在距災(zāi)害等重大事件發(fā)生的最短時(shí)間內(nèi)迅速地執(zhí)行觀測和監(jiān)視任務(wù)，并獲取盡量多的災(zāi)情等信息”的愿望由夢(mèng)想變成了現(xiàn)實(shí)，從而可確保相關(guān)省廳及其下屬職能部門能夠在盡量短的時(shí)間內(nèi)不僅能夠獲取信息，而且能夠采取積極、有效對(duì)策，將災(zāi)害所造成的損失降至最低。

此外，JAXA還根據(jù)航天開發(fā)戰(zhàn)略室的決定：在構(gòu)建起的“內(nèi)閣統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、指揮，合理、有效地共用ALOS-2、3的綜合管控系統(tǒng)”，利用同一套地面系統(tǒng)，對(duì)在軌運(yùn)行的2顆衛(wèi)星進(jìn)行一體化控制、操作，這樣不僅可以大幅度地減少管控設(shè)備的采購，還可以有效地減少管控人員，并減少或杜絕人為差錯(cuò)，提高可靠性，降低開發(fā)成本。