龔燃 （北京空間科技信息研究所）

2015年6月23日，哨兵-2A（Sentinel-2A）衛(wèi)星從庫魯航天發(fā)射中心由“織女星”（Vega）運載火箭發(fā)射升空。該衛(wèi)星為“哥白尼”計劃下多光譜成像任務中的首顆衛(wèi)星，此后還將發(fā)射相同的哨兵-2B衛(wèi)星。這2顆衛(wèi)星由歐洲委員會（EC）和歐洲航天局（ESA）共同實施，用于全球高分辨率和高重訪能力的陸地觀測、生物物理變化制圖、監(jiān)測海岸和內(nèi)陸水域，以及風險和災害制圖等，以支持歐洲斯波特-5（SPOT-5）和美國陸地衛(wèi)星-7（Landsat-7）衛(wèi)星數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

目前，ESA已公布哨兵-2A衛(wèi)星于2015年6月27日傳回的首批衛(wèi)星圖像?？梢钥吹剑瑘D中的地球充滿著各種色彩，儼然斑斕的仙境一般。ESA曾將哨兵-2A衛(wèi)星攜帶的多光譜成像儀描述為“一個創(chuàng)新的寬幅高分辨率多光譜成像儀”，并宣稱它將以一個全新的視角展現(xiàn)我們的地球和植被。

哨兵-2A拍攝的首張多光譜圖像，波河流域（位于意大利西北部，法國南部）

意大利北部

意大利米蘭

法國沿海城市里維埃拉

1 衛(wèi)星簡介

哨兵-2A運行在高度為786km、傾角為98.5°的太陽同步軌道上，降交點10：30。衛(wèi)星設計壽命為7年（燃料可維持12年），尺寸為3400mm×1800mm×2350mm，發(fā)射質(zhì)量1200kg，其中多光譜成像儀質(zhì)量275kg，肼推進劑質(zhì)量80kg。

哨兵-2A采用天體平臺-L（AstroBus-L），該平臺為歐洲空間標準化合作組織（ECSS）標準模塊化平臺，在軌壽命長達10年。衛(wèi)星采用三軸姿態(tài)控制，無地面控制點圖像定位精度20m，星敏感器直接安裝在相機上，可獲得更優(yōu)的精度和穩(wěn)定性。姿態(tài)與軌道控制分系統(tǒng)（AOCS）由雙頻GPS接收機（L1/L2碼）、星跟蹤器（STR）組件、速率測量單元（RMU）、冗余精確慣性測量單元（IMU）、磁強計（MAG）、粗地球太陽敏感器（CESS）、4個反作用輪（RW）、3個磁力矩（MTQ）、反作用控制系統(tǒng)（RCS）和單組元推進系統(tǒng)組成。星上裝有1副太陽電池翼，展開面積為7.1m2，壽命初期總功率為2300W，壽命末期為1700W；鋰離子蓄電池的電量為102A·h。下行鏈路采用X頻段，速率為560Mbit/s，另外，其數(shù)據(jù)還可通過“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（EDRS）激光鏈路傳回地面。星上數(shù)據(jù)存儲容量為2.4Tbit，遙測、跟蹤和控制采用S頻段天線。

哨兵-2A由ESA成員國與歐盟（EU）投資，空客防務與航天德國公司負責提供衛(wèi)星平臺，空客防務與航天法國公司負責提供有效載荷，同時，研制小組成員還包括德國耶拿光電公司（Jena Optronik）、法國Boostec公司、西班牙能源工程建設公司（Sener and GMV）。此外，法國國家空間研究中心（CNES）負責衛(wèi)星在軌試運行期間的圖像質(zhì)量優(yōu)化，德國航空航天中心（DLR）負責提供激光通信有效載荷，美國航空航天局（NASA）負責與其陸地衛(wèi)星-8進行交叉定標。

哨兵-2A展開示意圖

哨兵-2A基本性能參數(shù)

哨兵-2任務專用于全面和系統(tǒng)覆蓋陸地表面（包括主要島嶼），目標是提供歐洲和非洲地區(qū)每15～30天的無云產(chǎn)品。為實現(xiàn)這一目標，提高任務有效性，需要運行由2顆衛(wèi)星組成的星座，即哨兵-2A和2B，實現(xiàn)5天的幾何重訪時間。其中1顆哨兵-2衛(wèi)星的重訪時間為10天（陸地衛(wèi)星-7為16天，“斯波特”系列衛(wèi)星為26天）。哨兵-2B將于2016年7月由俄羅斯隆聲號（ROCKOT）運載火箭從俄羅斯普列謝茨克發(fā)射場發(fā)射。

2 主要有效載荷—多光譜成像儀

多光譜成像儀（MSI）采用推掃式成像模式，含13個通道，工作譜段為可見光、近紅外（VNIR）和短波紅外（SWIR），每10天更新一次全球陸地表面成像數(shù)據(jù)，每個軌道周期的平均觀測時間為16.3min，峰值為31min。光譜分辨率為15～180nm，空間分辨率為10m（可見光）、20m（近紅外）和60m（短波紅外），成像幅寬為290km，每軌最大成像時間為40min。

多光譜成像儀機械結(jié)構由3個反射鏡、分光鏡設備、2個焦平面和3個星敏感器組成。多光譜成像儀利用3個螺栓兩腳架固定在衛(wèi)星上，主結(jié)構尺寸為1.4m（長）×0.93m（寬）×0.62m（高），質(zhì)量僅44kg。光學系統(tǒng)采用三鏡消像散（TMA）設計，望遠鏡口徑150mm，利用碳化硅（SiC）材料制成，可減少光學系統(tǒng)熱變形?？梢姽夂徒t外焦平面基于單片集成互補金屬氧化物半導體（CMOS）探測器制成，短波紅外焦平面基于碲鎘汞（MCT）探測器制成，兩者混合在CMOS讀出電路中。近紅外和短波紅外譜段的過濾，通過安裝在探測器頂部的縫隙濾波器來實現(xiàn)。這些濾波器還可提供所需的光譜分離。

多光譜成像儀還包括一臺太陽校準與快門裝置（CSM）。1.4Tbit的圖像視頻流獲取后，在儀器內(nèi)部進行數(shù)字化壓縮。多光譜成像儀帶有1臺外部傳感器組件，可以供姿態(tài)與指向參考，確保在圖像校準前實現(xiàn)20m地面指向精度。

哨兵-2的多光譜成像儀有13個譜段，從可見光到近紅外至短波紅外，空間分辨率為10～60m，可實現(xiàn)前所未有的陸地監(jiān)測水平。

多光譜成像儀

望遠鏡機械結(jié)構

多光譜成像儀基本性能參數(shù)

多光譜成像儀的13個譜段的應用領域

3 激光通信

與哨兵-1一樣，哨兵-2也搭載了1臺激光通信終端（LCT），并成為“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”的固定用戶。激光通信終端為低軌-靜軌光學通信鏈路，基于“X頻段陸地合成孔徑雷達”（TerraSAR-X）衛(wèi)星搭載的激光通信終端設計，功率2.2W，光學孔徑為135mm，通過“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”下行傳輸記錄數(shù)據(jù)。ESA和歐洲空客防務與航天公司已于2015年2月簽訂協(xié)議，“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”將于2015-2021年為哨兵-1和2提供高速通信服務，該協(xié)議可能持續(xù)至2028年。

“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”類似于光纖技術，其作為“空間數(shù)據(jù)高速公路”將會提供高達1.8Gbit/s的空間激光通信速度。通過該衛(wèi)星將能提供從對地觀測衛(wèi)星、無人機和飛行器到地球的近實時數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)將能為ESA提供更安全、更快速地下載大量圖像數(shù)據(jù)的能力，幫助ESA發(fā)展環(huán)境監(jiān)測、災害響應和危機管理的能力。

“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”的首個載荷將于2015年發(fā)射，而在此之前，ESA則通過一個搭載在“阿爾法衛(wèi)星”（Alphasat）上的有效載荷實現(xiàn)通信，該有效載荷由德國航空航天中心提供。“阿爾法衛(wèi)星”于2013年7月發(fā)射，是歐洲最大的通信衛(wèi)星，通過ESA與國際移動衛(wèi)星公司（INMARSAT）間的公私合營方式研發(fā)。激光通信終端證明了激光技術從擁擠的低軌道收集信息，繼而從位于36000km高的地球靜止軌道上將信息傳回地球的可行性。該終端于2013年11月在ESA位于特內(nèi)里費島（Tenerife）的光學地面站進行了測試，測試結(jié)果表明其性能良好，可以使用。

激光通信與傳統(tǒng)的無線電通信相比，可以通過更高的速率傳輸更多的信息，這可以滿足人類日益增長的對衛(wèi)星通信服務的需求。由于“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”響應時間更快，一次性所接收的信息量更大，它將應用于“哨兵”系列衛(wèi)星以及其他環(huán)境監(jiān)測和減災衛(wèi)星上。據(jù)估計，“哥白尼”系統(tǒng)要求其空間數(shù)據(jù)高速公路每天要向地面?zhèn)鬏?000Mbyte的數(shù)據(jù)，如果沒有星地激光通信，其系統(tǒng)要求將很難得到滿足。

這個新通道同時解決了低軌道衛(wèi)星無法傳輸關鍵時間的信息問題，這些低軌衛(wèi)星只有在臨近地面站時才能夠傳輸數(shù)據(jù)，而在其他時間里只能將有效信息存儲下來。這意味著在每個軌道上只有10min左右向地面?zhèn)鬏數(shù)臅r間，這只占了每個軌道上總持續(xù)時間的1/10，而“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”將把通信時間延長5倍。

“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”將提供一個快速、可靠、無縫的電信網(wǎng)絡，可根據(jù)需要在適當?shù)攸c和適當時間從衛(wèi)星實時獲取數(shù)據(jù)。“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”的組織方式是ESA和空客防務與航天公司間的公私伙伴關系。在其組件于2015年和2016年完成發(fā)射后，將會為全世界用戶提供完全的商業(yè)服務。屆時，“哨兵”系列衛(wèi)星將會證明空間激光通信的效力。

有效載荷數(shù)據(jù)地面段地面站分布圖

位于意大利馬特拉齊的核心地面站

4 地面段

對于“哥白尼”計劃的運行，ESA定義了“哥白尼”核心地面段的概念和框架，包括飛行運行段（FOS）和有效載荷數(shù)據(jù)地面段（PDGS）。哨兵-1和2的飛行運行與任務控制由歐洲空間運行中心（ESOC，位于德國達姆施塔特）負責，哨兵-3衛(wèi)星和哨兵-4、5載荷由歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）負責。

地面段包括以下2個部分：

1）飛行運行段：該段負責哨兵-2的所有飛行運行，包括監(jiān)測與控制，執(zhí)行所有平臺活動和有效載荷進度指令。飛行運行段的工作由位于德國達姆施塔特的歐洲空間運行中心完成，該中心包括地面站和通信網(wǎng)、飛行運行控制中心和通用通信網(wǎng)絡。

2）有效載荷數(shù)據(jù)地面段：該段負責哨兵-2有效載荷和數(shù)據(jù)下傳計劃，數(shù)據(jù)獲取、處理、存儲和交付，用于與飛行運行段協(xié)調(diào)過程中的有效載荷和平臺全面監(jiān)測。

有效載荷數(shù)據(jù)地面段主要由以下4個部分組成：

1）4個核心地面站（CGS），分別位于意大利馬泰拉（Matera）、西班牙馬斯帕洛馬斯?。∕aspalomas）、挪威斯瓦爾巴特群島（Svalbard）和美國阿拉斯加（Alaska）；

2）2個冗余處理/存檔中心（PAC），分別位于英國法恩伯勒（Farnborough)和西班牙馬德里（Madrid）；

3）1個任務執(zhí)行中心（MPC），位置待定；

4）1個有效載荷數(shù)據(jù)管理中心（PDMC），位于意大利弗拉斯卡蒂（Frascati）的ESA對地觀測中心（ESRIN）。

5 數(shù)據(jù)產(chǎn)品

根據(jù)“哨兵”數(shù)據(jù)政策，哨兵-2A衛(wèi)星數(shù)據(jù)將全面和公開向用戶提供。

哨兵-2A衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品