劉韜 （北京空間科技信息研究所）

首批第三代“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”
—北京-2星座于7月成功發(fā)射

劉韜 （北京空間科技信息研究所）

2015年北京時(shí)間7月11日， 前3顆災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座-3（DMC-3）—北京-2星座由印度極軌衛(wèi)星運(yùn)載火箭-C28 （PSLV-C28）發(fā)射入軌。這3顆衛(wèi)星由英國(guó)薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司（SSTL）研制，采用薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司-300 S1平臺(tái)，它們形成了一個(gè)新的星座—北京-2星座，其創(chuàng)新衛(wèi)星設(shè)計(jì)具有巨大的成像潛力，每顆衛(wèi)星攜帶有1m分辨率全色相機(jī)和4m分辨率三譜段成像儀，可以執(zhí)行多種不同類型影像的拍攝任務(wù)，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)地球給定區(qū)域的每日重訪，這對(duì)用于變化監(jiān)測(cè)、災(zāi)難監(jiān)測(cè)和響應(yīng)規(guī)劃至關(guān)重要。

1　“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”項(xiàng)目背景

“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”（DMC）是1996年英國(guó)薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司牽頭發(fā)起的國(guó)際合作衛(wèi)星項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)10余年的發(fā)展，“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”衛(wèi)星系統(tǒng)逐步升級(jí)換代，目前已發(fā)展到第三代?！盀?zāi)害監(jiān)測(cè)星座”從政策、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)層面都滿足了災(zāi)害監(jiān)測(cè)的需求。在政策層面，災(zāi)害監(jiān)測(cè)是全球性問(wèn)題，需要各國(guó)協(xié)同合作。而“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”是國(guó)際合作項(xiàng)目的典范，參與該項(xiàng)目的國(guó)家包括英國(guó)、中國(guó)、阿爾及利亞、土耳其、尼日利亞和西班牙。“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”于2005年參與了《空間和重大災(zāi)害國(guó)際憲章》（International Charter： Space and Major Disasters）。同時(shí)，“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”通過(guò)歐洲航天局（ESA）的第三方合作計(jì)劃參與了歐洲的“全球環(huán)境與安全監(jiān)視”計(jì)劃（GMES，現(xiàn)改名為“哥白尼”計(jì)劃）。在經(jīng)濟(jì)層面，構(gòu)建一個(gè)衛(wèi)星星座，難以以一國(guó)之力為之。而參與各國(guó)負(fù)責(zé)各自衛(wèi)星研制和發(fā)射費(fèi)用，負(fù)擔(dān)較輕，且“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”采用小衛(wèi)星平臺(tái)，成本較低。在技術(shù)層面，對(duì)洪水、森林大火、水體污染等動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)需要高質(zhì)量、短重訪周期（即高時(shí)間分辨率）的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。每代“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”一般都采用詳查衛(wèi)星與普查衛(wèi)星相結(jié)合的方式。同時(shí)，每代“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”均有數(shù)顆衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行，能夠提供24h重訪能力，滿足動(dòng)態(tài)災(zāi)害監(jiān)測(cè)需求。如在第一代“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”衛(wèi)星中，北京-1衛(wèi)星分辨率4m，是第一代“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”5顆衛(wèi)星中分辨率最高的，起到高質(zhì)量詳查的作用；其他衛(wèi)星幅寬大，起到大范圍普查的作用。在第二代“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”中，尼日利亞衛(wèi)星-2分辨率最高，為2.5m，其他衛(wèi)星進(jìn)行大范圍普查。在第三代“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”衛(wèi)星中，中國(guó)租賃的3顆災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座-3衛(wèi)星，即北京-2星座衛(wèi)星均為詳查衛(wèi)星，分辨率達(dá)到1m。其普查任務(wù)可能由英國(guó)正在研制的NovaSAR衛(wèi)星承擔(dān)（分辨率6～30m、幅寬15～750km）。

2　“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)方式

作為“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”這一國(guó)際合作衛(wèi)星項(xiàng)目的倡導(dǎo)者，英國(guó)薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)并制造所有“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”衛(wèi)星。在前兩代“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”中，每顆衛(wèi)星由各國(guó)擁有，并獨(dú)自負(fù)責(zé)運(yùn)控，同時(shí)各國(guó)承擔(dān)衛(wèi)星發(fā)射和研制費(fèi)用。

為了高效地運(yùn)管“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”，由各成員國(guó)組建的委員會(huì)于2004年創(chuàng)辦了國(guó)際圖像有限公司（DMCii），該公司位于英國(guó)。災(zāi)害發(fā)生后，國(guó)際圖像有限公司負(fù)責(zé)衛(wèi)星的協(xié)調(diào)工作。在沒(méi)有災(zāi)害發(fā)生時(shí)，“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”獲取的圖像數(shù)據(jù)由國(guó)際圖像有限公司負(fù)責(zé)商業(yè)銷售，為各成員國(guó)獲取商業(yè)利潤(rùn)。如2009年，受美國(guó)農(nóng)業(yè)部的邀請(qǐng)，“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”為其提供農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)方面的數(shù)據(jù)。

在第三代“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”中，中國(guó)占主導(dǎo)地位，同時(shí)采用了與前兩代“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”不同的運(yùn)營(yíng)方式。此次合作采用了國(guó)際圖像有限公司全新的衛(wèi)星應(yīng)用模式，中國(guó)二十一世紀(jì)空間技術(shù)有限公司（21AT）是第一個(gè)采用該模式的客戶。在傳統(tǒng)上，衛(wèi)星圖像提供商購(gòu)買并運(yùn)營(yíng)自己的衛(wèi)星。但二十一世紀(jì)空間技術(shù)有限公司這次租賃3顆災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座-3衛(wèi)星100%的成像能力，租期7年。衛(wèi)星制造商英國(guó)薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司在衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)中需滿足二十一世紀(jì)空間技術(shù)有限公司的觀測(cè)需求。在國(guó)際圖像有限公司新的衛(wèi)星應(yīng)用模式下，二十一世紀(jì)空間技術(shù)有限公司不用負(fù)責(zé)衛(wèi)星的發(fā)射和運(yùn)控，可以執(zhí)行災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座-3的計(jì)劃和編程任務(wù)，獲得時(shí)效性強(qiáng)、分辨率高的衛(wèi)星圖像，并節(jié)省經(jīng)費(fèi)。衛(wèi)星數(shù)據(jù)的銷售由二十一世紀(jì)空間技術(shù)有限公司所屬北京宇視藍(lán)圖信息技術(shù)有限公司負(fù)責(zé)。國(guó)際圖像有限公司于2011年6月在倫敦與二十一世紀(jì)空間技術(shù)有限公司簽署了1.1億英鎊的合同。災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座-3衛(wèi)星將廣泛用于國(guó)土、農(nóng)林、環(huán)保、城市規(guī)劃和災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，為國(guó)內(nèi)外用戶提供高時(shí)間分辨率、高空間分辨率的光學(xué)圖像數(shù)據(jù)。

3　“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”性能

“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”已發(fā)展了三代，均采用英國(guó)薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司研制的平臺(tái)。第一代衛(wèi)星的空間分辨率大多為32m，第二代衛(wèi)星的分辨率大多為22m，而第三代衛(wèi)星在平臺(tái)機(jī)動(dòng)能力和載荷分辨率指標(biāo)上有大幅度提升，平臺(tái)具備了±45°的側(cè)擺機(jī)動(dòng)能力，載荷達(dá)到全色1m、多光譜4m分辨率。

三代“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”衛(wèi)星指標(biāo)

目前，第一代“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”已經(jīng)退役，其中中國(guó)的北京-1在超期服役后于2012年退役。第二代4顆衛(wèi)星全部在軌運(yùn)行。第三代的前3顆衛(wèi)星—北京-2星座剛剛上天。

續(xù) 表

三代“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”衛(wèi)星平臺(tái)指標(biāo)

薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司-100i平臺(tái)

薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司-150i平臺(tái)

薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司-300i平臺(tái)

第一代“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”性能

（1）阿爾及利亞衛(wèi)星-1

阿爾及利亞衛(wèi)星-1的有效載荷采用薩瑞6通道3譜段多光譜線性成像儀（SLIM6），它是薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司研制的標(biāo)準(zhǔn)中分辨率多光譜成像儀。

（2）信息技術(shù)與電子研究所衛(wèi)星-1

信息技術(shù)與電子研究所衛(wèi)星-1的有效載荷包括全色相機(jī)（PanCam）、多光譜成像系統(tǒng)（MSIS）和多譜段相機(jī)（COBAN）。

其全色相機(jī)基于薩瑞大學(xué)衛(wèi)星-12（UoSat-12）研制，望遠(yuǎn)鏡口徑400mm，空間分辨率12m，幅寬25km，視場(chǎng)300km。全色相機(jī)與星相機(jī)安裝在同一光學(xué)平臺(tái)上。

其多光譜成像系統(tǒng)由4臺(tái)獨(dú)立相機(jī)組成，采用凝視型陣列，每臺(tái)相機(jī)運(yùn)行在獨(dú)立的譜段（紅、藍(lán)、綠、近紅外），空間分辨率26m，幅寬55km。

其多譜段相機(jī)是土耳其研制的低分辨率多光譜成像儀，由8臺(tái)相機(jī)組成，空間分辨率為120m。

（3）尼日利亞衛(wèi)星-1

尼日利亞衛(wèi)星-1運(yùn)行于太陽(yáng)同步圓軌道，高度686km，傾角98.9°，軌道周期97.7min。衛(wèi)星質(zhì)量98kg，有效載荷與阿爾及利亞衛(wèi)星-1的相同，為薩瑞6通道3譜段多光譜線性成像儀。

（4）英國(guó)-災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座-1

英國(guó)-災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座-1的主要有效載荷與阿爾及利亞衛(wèi)星-1和尼日利亞衛(wèi)星-1衛(wèi)星一樣，為薩瑞6通道3譜段多光譜線性成像儀。

此外，衛(wèi)星還載有數(shù)個(gè)試驗(yàn)型載荷，包括GPS反射計(jì)試驗(yàn)載荷、水電阻加熱推力器試驗(yàn)載荷、思科公司的低地球軌道路由器、抗網(wǎng)絡(luò)延遲和中斷試驗(yàn)載荷。

（5）北京-1

北京- 1衛(wèi)星質(zhì)量1 6 6 . 4 k g，外形尺寸900mm×770mm×912mm，運(yùn)行軌道高度686km，設(shè)計(jì)壽命5年。北京-1衛(wèi)星采用傾角98.17°的太陽(yáng)同步軌道，升交點(diǎn)地方時(shí)10：45。

北京- 1衛(wèi)星的有效載荷包括1臺(tái)較高分辨率的全色相機(jī)[又稱為“中國(guó)制圖望遠(yuǎn)鏡”，（CMT）]和1臺(tái)多光譜相機(jī)（薩瑞6通道3譜段多光譜線性成像儀）。全色相機(jī)的成像模式為推掃式，覆蓋譜段范圍為全色0.5～0.8μm，分辨率4m，幅寬24km，全色相機(jī)可以側(cè)擺±30°，影像產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)景大小為24km×24km；多光譜相機(jī)分3個(gè)譜段，即0.52～0.66μm、0.63～0.69μm 和0 . 7 6～0 . 9 μ m，每個(gè)譜段由兩臺(tái)相機(jī)成25.2896°交角組合成像，約重疊567個(gè)像素，多光譜相機(jī)空間分辨率為32m，影像產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)景為600km×600km。

據(jù)報(bào)道，北京-1衛(wèi)星在土地利用、地質(zhì)調(diào)查、流域水資源調(diào)查、洪澇災(zāi)害、冬小麥播種面積監(jiān)測(cè)、森林類型識(shí)別、城市規(guī)劃監(jiān)測(cè)和考古等方面的應(yīng)用效果良好。

薩瑞6通道3譜段多光譜線性成像儀參數(shù)表

第二代“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”性能

（1）英國(guó)-災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座-2和德莫斯-1衛(wèi)星

英國(guó)-災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座-2和德莫斯-1衛(wèi)星均攜帶改進(jìn)型薩瑞6通道3譜段多光譜線性成像儀，分辨率提高到22m。

（2）尼日利亞衛(wèi)星-2、X

尼日利亞衛(wèi)星- 2攜帶甚高分辨率成像儀（VHRI），該載荷提供2.5m分辨率的全色圖像和5m分辨率的4譜段多光譜數(shù)據(jù)，用于繪圖、水資源管理、農(nóng)業(yè)用地監(jiān)測(cè)、人口評(píng)估、環(huán)境危害監(jiān)測(cè)以及防災(zāi)減災(zāi)等。甚高分辨率成像儀由薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司設(shè)計(jì)制造，是北京-1的中國(guó)制圖望遠(yuǎn)鏡的改進(jìn)型，基于卡塞格林結(jié)構(gòu)，主鏡口徑為385mm，焦距1000mm，幅寬為20km。甚高分辨率成像儀使用低膨脹材料制造，支撐結(jié)構(gòu)使用碳纖維復(fù)合材料，光學(xué)系統(tǒng)使用微晶玻璃和熔石英，光具座使用低膨脹鋁材料。

尼日利亞衛(wèi)星-2上的另外一個(gè)有效載荷是中分辨率成像儀（MRI），它是32m中分辨率4譜段多光譜成像儀，幅寬300km。

尼日利亞衛(wèi)星-X攜帶改進(jìn)型薩瑞6通道3譜段多光譜線性成像儀，多光譜分辨率22m。

第三代“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”性能

災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座-3衛(wèi)星采用薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司-300 S1衛(wèi)星平臺(tái)。該衛(wèi)星平臺(tái)基于尼日利亞衛(wèi)星-2的薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司-300平臺(tái)設(shè)計(jì)，新平臺(tái)可承載0.75～1m分辨率光學(xué)成像載荷，具有高速數(shù)據(jù)下傳能力，側(cè)擺機(jī)動(dòng)范圍達(dá)到±45°。它采用100SP-O型飛輪作為姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其質(zhì)量2.6kg，角動(dòng)量1.5Nms，最大力矩0.11Nm。

災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座-3衛(wèi)星運(yùn)行于高度647km、傾角97.8°的太陽(yáng)同步軌道，升交點(diǎn)地方時(shí)10：30，偏心率0°。衛(wèi)星質(zhì)量約447kg，設(shè)計(jì)壽命7年，數(shù)據(jù)量化10bit。前3顆衛(wèi)星—北京-2星座位于同一軌道平面，相互間隔120°星座對(duì)地球任意位置重訪周期為1天。其有效載荷為甚高分辨率成像儀-100，全色分辨率1m、多光譜分辨率4m，全色波段范圍450～650nm，有4個(gè)多光譜波段，分別為600～670nm（紅）、510～590nm （綠）、440～510nm（藍(lán)）、760～910nm（近紅外）。所有成像波段的信噪比大于100，全色波段調(diào)制傳遞函數(shù)值（MTF）優(yōu)于0.1，多光譜波段優(yōu)于0.2。幅寬23km，焦平面探測(cè)器采用TDI CCD。它具有沿軌、穿軌立體成像能力，單星每日?qǐng)D像采集面積100000km2，在長(zhǎng)條帶成像模式下，條帶成像距離高度4000km。星上存儲(chǔ)能力128GByte，數(shù)傳系統(tǒng)采用X頻段，由高速數(shù)據(jù)記錄器數(shù)據(jù)率（HSDR）、大容量閃存單元（FMMU）、X頻道發(fā)射機(jī)和高增益天線指向機(jī)構(gòu)（APM）組成，數(shù)傳速率400Mbit/s。其數(shù)據(jù)采用聯(lián)合圖像專家組無(wú)損壓縮（JPEG-LS）。

改進(jìn)型薩瑞6通道3譜段多光譜線性成像儀參數(shù)表

測(cè)試中的3顆北京-2衛(wèi)星

Third Generation Disaster Monitoring Constellation — Beijing-2 Launched in July