● 文|北京空間科技信息研究所 祁首冰
技術進展 TECHNOLOGY PROGRESS
韓國遙感衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展及應用現(xiàn)狀
● 文|北京空間科技信息研究所 祁首冰
>>> KOMPSAT-3衛(wèi)星拍攝的土耳其伊斯坦布爾
遙感衛(wèi)星及應用是韓國航天發(fā)展的重點領域,韓國遙感衛(wèi)星能力處于國際先進水平,遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣泛應用于國土資源管理、環(huán)境監(jiān)測、災害管理和國家安全等領域,并且實現(xiàn)國內(nèi)外商業(yè)銷售。本文將介紹韓國遙感衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及遙感衛(wèi)星的應用情況。
1.空間段
遙感衛(wèi)星是韓國衛(wèi)星領域的發(fā)展重點,自1994年啟動韓國多用途衛(wèi)星-1(KOMPSAT-1)首個遙感衛(wèi)星項目以來,迄今共發(fā)展了低地球軌道(LEO)的“韓國多用途衛(wèi)星”(KOMPSAT)和靜止軌道(GEO)的“靜止軌道多用途衛(wèi)星”(GEO KOMPSAT)兩大系列,形成了高低軌結合、高分辨率光學成像和雷達成像結合的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)。
(1)低軌道韓國多用途衛(wèi)星(KOMPSAT)系列
韓國低軌KOMPSAT系列衛(wèi)星包括光學和雷達成像兩類衛(wèi)星。其中,光學成像系列已發(fā)射KOMPSAT-1/2/3 共3顆衛(wèi)星,KOMPSAT-3A即將發(fā)射。雷達成像系列已發(fā)射KOMPSAT-5,后續(xù)型號KOMPSAT-6目前在研。
KOMPSAT-1衛(wèi)星是低軌道光學成像衛(wèi)星,于1999 年12月21日由美國軌道科學公司的“金牛座”運載火箭發(fā)射,衛(wèi)星設計壽命3年,實際運行超過8年。KOMPSAT-1衛(wèi)星由美國湯普森-拉莫-伍爾德里奇(TRW)公司(現(xiàn)并入諾思羅普-格魯曼公司)研制,衛(wèi)星搭載的主要載荷為全色分辨率6.6m、幅寬17km的“光電相機”(EOC)和6通道、光譜范圍0.4—0.9μm、地面分辨率1km、幅寬800km的“海洋多光譜掃描成像儀”。
KOMPSAT-2衛(wèi)星是低軌道光學成像衛(wèi)星,于2006 年7月28日由俄羅斯“隆聲”運載火箭發(fā)射,衛(wèi)星設計壽命3年,目前仍在超期服役中。KOMPSAT-2衛(wèi)星平臺由韓國研制,主要有效載荷“多光譜相機”(MSC)由韓國和以色列合作研制,MSC具有自動標稱成像模式和立體成像模式。該星發(fā)射使韓國成為世界第7個具備1m分辨率光學成像能力的國家。
KOMPSAT-3衛(wèi)星用于接替KOMPSAT-2衛(wèi)星,執(zhí)行高分辨率成像和測繪任務,于2012年5月17日由日本H-2A運載火箭發(fā)射,衛(wèi)星設計壽命4年。衛(wèi)星有效載荷由阿斯特里姆德國公司協(xié)助研制,是1臺名為“先進地球成像系統(tǒng)”(AEISS)的高分辨率推掃成像儀,全色和多光譜分辨率分別達到0.7m和2.8m。
KOMPSAT-5衛(wèi)星是韓國首顆合成孔徑雷達(SAR)成像衛(wèi)星,于2013年8月由俄羅斯“第聶伯”運載火箭發(fā)射,衛(wèi)星設計壽命5年。該星發(fā)射使韓國具備全天時、全天候地球觀測能力,并使韓國成為世界第7個具備1m分辨率空間雷達成像能力的國家。衛(wèi)星主有效載荷“合成孔徑雷達儀”(COSI)由泰雷茲-阿萊尼亞空間公司研制,采用聚束、條帶和掃描SAR三種模式對地成像,最高分辨率1m,幅寬5—100km。
此外,KOMPSAT-3衛(wèi)星的增強版KOMPSAT-3A衛(wèi)星將于2015年3月發(fā)射,將是KOMPSAT系列中首顆具備紅外成像能力的衛(wèi)星,KOMPSAT-3A衛(wèi)星全色、多光譜和紅外分辨率將分別達到0.55m、2.2m和5.5m。KOMPSAT-5的后續(xù)星KOMPSAT-6目前在研,計劃于2019年發(fā)射,分辨率將優(yōu)于0.7m。
KOMPSAT系列衛(wèi)星性能指標見表1,圖1為KOMPSAT-2/3衛(wèi)星圖像對比。
表1 KOMPSAT系列衛(wèi)星性能指標
圖1 KOMPSAT-2/3衛(wèi)星圖像對比(北京故宮及周邊)(上圖:KOMPSAT-2衛(wèi)星于2009年4月16日拍攝,下圖:KOMPSAT-3衛(wèi)星于2013年9月14日拍攝)
(2)靜止軌道多用途衛(wèi)星(GEO KOMPSAT)系列
除了低軌道的KOMPSAT系列衛(wèi)星,韓國還發(fā)展了GEO KOMPSAT系列,用于提供朝鮮半島及周邊區(qū)域的氣象和海洋監(jiān)測。GEO KOMPSAT系列的首顆衛(wèi)星是“通信、海洋和氣象衛(wèi)星”(COMS,又名“千里眼”衛(wèi)星),于2010年6月26日由阿里安-5運載火箭發(fā)射(圖2)。其后續(xù)的靜止軌道多用途衛(wèi)星-2(GEO KOMPSAT-2)項目已啟動研制,包含2顆衛(wèi)星,分別是一顆靜止軌道氣象衛(wèi)星GEO KOMPSAT-2A和一顆靜止軌道海洋與環(huán)境衛(wèi)星GEO KOMPSAT-2B,計劃分別于2018年和2019年發(fā)射。
COMS衛(wèi)星采用歐洲星-E3000平臺,發(fā)射質(zhì)量約2460kg,設計壽命7年,定點在東經(jīng)128.2°。COMS衛(wèi)星共搭載Ka頻段通信載荷、地球靜止海洋水色成像儀(GOCI)和氣象成像儀(MI)三個有效載荷。GOCI和MI由阿斯特里姆公司研制,GOCI是世界首臺靜止軌道海洋水色成像儀,空間分辨率為500m×500m,覆蓋范圍不小于2500km×2500km,譜段為0.4—0.9μm。GOCI可監(jiān)測朝鮮半島周邊海洋環(huán)境和海洋生態(tài),還可提供海岸帶資源管理和漁業(yè)信息等(每小時獲取一次信息)。MI可提供5個通道的圖像和地球表面云層輻射資料,每隔15min可傳送高清晰氣象資料,惡劣氣象和災害天氣時,最快可每隔8 min發(fā)送有關信息。
圖2 COMS衛(wèi)星在軌示意圖
2.地面段
韓國遙感衛(wèi)星的地面設施主要包括衛(wèi)星運營控制站、遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收與處理站、定標與驗證場等。KOMPSAT和GEO KOMPSAT系列衛(wèi)星的主運營控制站和KOMPSAT系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收與處理站都設于位于韓國大田廣域市的韓國航空宇宙研究院(KARI)內(nèi);韓國國家氣象衛(wèi)星中心(MSC)、韓國海洋衛(wèi)星中心(KOSC)分別負責接收和處理氣象數(shù)據(jù)和海洋數(shù)據(jù)。同時,韓國使用挪威康斯貝格衛(wèi)星服務公司(KSAT)位于斯瓦爾巴特群島(Svalbard)的地面接收站;韓國在蒙古國境內(nèi)使用一處定標與驗證場。
1.遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)政策及管理、分發(fā)與應用體系
KOMPSAT-1發(fā)射后,韓國科技部于2001年3月發(fā)布了《衛(wèi)星數(shù)據(jù)保安管理規(guī)定》(科技部令第71號),將衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)分為非公開、限制公開和公開3類;KOMPSAT-2發(fā)射前,韓國于2004年7月制定了《KOMPSAT-2衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)分發(fā)與應用計劃》。
此后,韓國教育科技部發(fā)布《衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)與應用規(guī)定》,明確了韓國遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收、處理和分發(fā)部門等。根據(jù)《規(guī)定》,KOMPSAT系列的衛(wèi)星數(shù)據(jù)由韓國未來創(chuàng)造科學部(簡稱“未來部”)所屬KARI負責接收和處理,并由KARI向韓國政府部門、地方行政機構和科研機構等進行數(shù)據(jù)分發(fā),此外,KOMPSAT系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)由選定的代理商面向國內(nèi)外企業(yè)和機構等進行商業(yè)銷售。COMS衛(wèi)星的氣象載荷數(shù)據(jù)由韓國氣象廳所屬MSC負責接收和處理,并由其面向韓國政府部門、科研機構、企業(yè)和個人進行數(shù)據(jù)分發(fā);COMS衛(wèi)星海洋載荷數(shù)據(jù)由韓國海洋水產(chǎn)部所屬KOSC負責接收和處理,并由其面向韓國政府部門、科研機構、企業(yè)和個人進行數(shù)據(jù)分發(fā)(圖3)。
圖3 韓國遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理、分發(fā)與應用體系
2.主要業(yè)務應用
韓國遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣泛應用于制圖、國土資源管理、環(huán)境監(jiān)測和災害管理、國家安全等領域。通過在軌的KOMPSAT-2、3和5衛(wèi)星,可實現(xiàn)對朝鮮半島區(qū)域每天3~4次觀測;通過在軌運營的COMS衛(wèi)星,可實現(xiàn)對朝鮮半島及周邊國家的氣象觀測和海洋環(huán)境監(jiān)視。
目前,韓國政府部門對遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的業(yè)務應用主要集中在以下領域:
災害管理領域,由韓國安全行政部及其所屬國立災難安全研究院,以及相關政府部門和機構共同負責,主要應用包括山林火災、洪澇、干旱、雪暴、沙塵暴風、赤潮等方面的自然災害監(jiān)測與應對管理等;
國土與資源管理領域,韓國國土交通部應用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行地圖繪制和更新,韓國環(huán)境部應用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)繪制土地覆蓋圖,韓國統(tǒng)計廳負責利用遙感技術進行耕地面積調(diào)查,韓國農(nóng)林水產(chǎn)食品部所屬農(nóng)村振興廳負責應用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行農(nóng)作物估產(chǎn)和農(nóng)作物受災分析等;
氣象與海洋觀測領域,持續(xù)進行氣象觀測,持續(xù)監(jiān)測朝鮮半島周邊海洋環(huán)境和海洋生態(tài),提供海岸帶資源管理和漁業(yè)信息等。
(1)耕地面積調(diào)查
KOMPSAT-2衛(wèi)星成功發(fā)射后,韓國政府進一步推進本國遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的業(yè)務化應用。農(nóng)業(yè)統(tǒng)計領域,韓國于2008年6月制定了《基于遙感技術的農(nóng)業(yè)統(tǒng)計中長期規(guī)劃》,《規(guī)劃》指出,為促進農(nóng)業(yè)調(diào)查統(tǒng)計方法的現(xiàn)代化,提高農(nóng)業(yè)統(tǒng)計的效率和準確性,將采用遙感技術,利用航空影像和衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)開展耕地面積調(diào)查等業(yè)務。韓國于2008年、2009年和2010年分別就美國、中國和歐洲利用遙感技術及遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(耕地面積調(diào)查、農(nóng)作物栽培面積調(diào)查、農(nóng)作物估產(chǎn)等)的情況進行了調(diào)研。韓國統(tǒng)計廳推進應用遙感技術開展耕地面積調(diào)查的示范項目,包括:2008年12月完成對韓國京畿道金浦市、忠清南道燕岐郡、全羅北道金堤市三個市郡的耕地面積調(diào)查;2009年12月完成對韓國京畿道龍仁市、全羅北道扶安郡、慶尚南道昌原市等五個市郡的耕地面積調(diào)查。圖4為金浦市的衛(wèi)星影像圖和分類圖(衛(wèi)星數(shù)據(jù)判讀結果)。金浦市分類圖中,黃色區(qū)域代表水田,淺綠色代表旱田,深綠色代表山林,等等。
圖4 金浦市衛(wèi)星影像圖和分類圖
2012年,韓國統(tǒng)計廳首次組織實施了基于衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)的全國范圍的耕地面積調(diào)查,主要利用KARI提供的KOMPSAT-2衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)以及部分國外遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)。
(2)赤潮監(jiān)測
2013年7至8月間,韓國南部沿海發(fā)生了較為嚴重的赤潮災害。在此期間,韓國相關部門利用COMS衛(wèi)星進行監(jiān)測,KOSC、韓國國立水產(chǎn)科學院和行政安全部所屬國立災難安全研究院共同利用COMS衛(wèi)星GOCI拍攝的圖像數(shù)據(jù)進行分析,判斷赤潮災害的程度及移動趨勢等,及時向相關政府部門提供決策信息。7月18日,韓國國立水產(chǎn)科學院發(fā)布了赤潮預警,涉及海域包括全羅南道麗水市附近海域和慶尚南道統(tǒng)營市附近海域等南海岸一帶;之后于20日將涉及海域擴大到高興郡和巨濟市;7月23日,將赤潮預警升級為赤潮警報。
利用COMS衛(wèi)星海洋水色成像儀(3個通道譜段中心波長分別為680μm、555μm和443μm)測量海水葉綠素濃度及異常變化,繪制紅綠藍(RGB)合成圖像。圖5中,藍色、紅色標識區(qū)域分別代表7月22日和8月6日的赤潮災害發(fā)生區(qū)域,赤潮發(fā)生面積從7月22日的291.5km2擴大至8月6日的350.49km2,赤潮從南海岸向東海岸移動。
圖5 利用COMS衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)進行赤潮災害分析
(3)山林火災監(jiān)測
氣象衛(wèi)星除了可以觀測氣象,而且在非氣象領域的應用也非常廣泛,包括山林火災、洪澇、干旱、雪暴、沙塵暴風等方面的自然災害監(jiān)測。應用氣象衛(wèi)星對熱源具有探測能力的特點開展山林火災監(jiān)測工作,是氣象衛(wèi)星在非氣象領域應用的一個重要方面。韓國利用COMS衛(wèi)星的氣象載荷進行了山林火災監(jiān)測。
由于百年一遇的高溫及大風氣象條件,2013年3月9日至10日,韓國全境發(fā)生了多起山林火災。在此期間,韓國相關部門利用COMS衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行了山林火災監(jiān)測,為發(fā)現(xiàn)火情、制定撲火方案、具體指導撲火,提供了大量準確、可靠的信息。圖6左圖和右圖分別為COMS衛(wèi)星于2013年3月9日14時16分和10日13時16分拍攝的圖像,左圖顯示當時韓國境內(nèi)慶尚北道奉化郡、浦項市和慶尚南道陜川郡三個地區(qū)發(fā)生山林火情,右圖顯示當時韓國境內(nèi)慶尚北道青松郡和慶尚南道居昌郡兩個地區(qū)發(fā)生山林火情。
圖6 利用COMS衛(wèi)星圖像監(jiān)測山林火災
3.商業(yè)化發(fā)展
韓國政府及相關機構在積極促進本國遙感衛(wèi)星業(yè)務化應用的同時,積極促進衛(wèi)星遙感應用的商業(yè)化、國際化發(fā)展。KOMPSAT-2發(fā)射后,2007年,韓國選取KAI Image Ltd公司為KOMPSAT-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)在韓國國內(nèi)及美國、中東地區(qū)商業(yè)銷售的總代理,選取SPOT IMAGE Ltd.公司為除美國和中東地區(qū)以外的全球銷售總代理。2007 年6月至2013年6月,KOMPSAT-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)銷售收入約合1361萬美元。2012年底,在上述代理協(xié)議期滿后,KARI選取韓國SI公司為KOMPSAT系列衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)的全球獨家代理銷售商。
此外,韓國政府還積極推進企業(yè)應用本國遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)。2013年6月5日,KARI與KT Skylive公司簽署“利用衛(wèi)星影像制作廣播電視內(nèi)容”的業(yè)務合作諒解備忘錄,KT Skylive公司利用KARI提供的KOMPSAT-2/3衛(wèi)星的高分辨率圖像數(shù)據(jù)制作“從太空看地球”系列超高清(UHD)的電視節(jié)目。該電視節(jié)目的第1、2、3篇——《天與地》、《人與城市》和《美麗的地球與韓半島》已分別于2013年6月、8月和12月在KT Skylive電視臺播出。
4.國際合作
隨著遙感衛(wèi)星技術與能力的不斷提升,韓國政府更為自信地參與航天國際組織活動,積極履行國際義務,提升韓國航天的影響力。韓國于2010年申請加入空間與重大災害國際憲章(CHARTER),2011年10月,KARI 攜KOMPSAT-2衛(wèi)星正式加入該機制。在該機制下,韓國與多個國家空間機構開展合作,為海地地震、日本大地震、新西蘭貨輪漏油事故等重大災害救援工作提供了衛(wèi)星數(shù)據(jù)支持。
根據(jù)韓國政府于2013年底出臺的《航天發(fā)展中長期規(guī)劃(2014—2040)》,未來韓國遙感衛(wèi)星領域,除了持續(xù)研制并發(fā)射低軌道KOMPSAT系列高分辨率光學成像和雷達成像衛(wèi)星以及靜止軌道的氣象衛(wèi)星和海洋與環(huán)境衛(wèi)星之外,還將發(fā)展500千克級的“下一代中型衛(wèi)星”,構建載荷多樣的低軌道中小型遙感衛(wèi)星星座,以提高時間分辨率并更好滿足多樣化的對地觀測需求。隨著韓國政府于2014年5月出臺韓國首個《衛(wèi)星應用綜合規(guī)劃(2014—2018年)》,韓國政府將進一步推進遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的業(yè)務化應用,以及面向企業(yè)和個人的應用,促進衛(wèi)星遙感應用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。