孫允珠,蔣光偉,李云端,楊 勇,代海山,何 軍,王 琦，葉擎昊,曹 瓊

(1.上海航天技術研究院,上海 201109; 2.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109； 3.國家國防科技工業(yè)局 重大專項工程中心，北京 100048)

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高光譜觀測衛(wèi)星及應用前景

孫允珠1,蔣光偉1,李云端2,楊 勇2,代海山2,何 軍2,王 琦3，葉擎昊2,曹 瓊2

(1.上海航天技術研究院,上海 201109; 2.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109； 3.國家國防科技工業(yè)局 重大專項工程中心，北京 100048)

介紹了我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項中第一顆實現(xiàn)高光譜分辨率觀測的高光譜觀測衛(wèi)星(GF-5)衛(wèi)星及其應用前景。該衛(wèi)星設計運行于高度705 km的太陽同步軌道，裝載可見短波紅外高光譜相機、全譜段光譜成像儀、大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀、大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、大氣氣溶膠多角度偏振探測儀、大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測儀共6臺有效載荷。衛(wèi)星的光譜分辨率高且譜段全，具備高光譜與多光譜對地成像、大氣掩星與天底觀測、大氣多角度偏振探測、海洋耀斑觀測等多種觀測模式，獲取從紫外至長波紅外(0.24～13.3 μm)高光譜分辨率遙感數據；數據輻射分辨率高，載荷的光譜分辨率最高0.03 cm-1，具備在軌定標功能，絕對輻射定標精度優(yōu)于5%，光譜定標精度最高0.008 cm-1；長波紅外空間分辨率高；高碼速率數傳；高可靠長壽命設計。衛(wèi)星入軌后將在環(huán)境綜合監(jiān)測、國土資源調查和氣候變化研究等方面發(fā)揮重要作用。其典型應用有陸表環(huán)境綜合觀測、陸表局地高溫及城市熱島效應監(jiān)測、礦物填圖、大氣成分全球遙感監(jiān)測和大氣污染氣體監(jiān)測等。

遙感衛(wèi)星； 高光譜觀測衛(wèi)星(GF-5)； 高光譜載荷； 大氣探測； 對地成像； 偏振探測； 掩星觀測； 高光譜應用

0 引言

高光譜遙感融合了成像與光譜技術，可實現(xiàn)空間信息、光譜信息和輻射信息的綜合觀測，提升了遙感觀測的信息維度，極大地推動了遙感技術發(fā)展，目前其應用領域已涵蓋了地球科學的很多方面，在地質制圖、植被調查、海洋遙感、農業(yè)遙感、大氣研究、環(huán)境監(jiān)測等領域發(fā)揮了重要作用[1]。高光譜遙感利用目標的不同光譜特性，通過獲取高光譜分辨率的觀測數據實現(xiàn)對目標的精確識別與定量反演，可彌補多光譜或全色成像遙感定量應用的局限和不足，成為各國競相發(fā)展的重要技術。美國于2000年7月和11月發(fā)射了EO-1衛(wèi)星和MightySat II衛(wèi)星，分別搭載了光柵分光式的Hyperion和空間干涉式的FTHSI高光譜成像儀，開創(chuàng)了星載高光譜對地成像技術在軌應用先河[2-3]。針對大氣環(huán)境及成分探測需求，美國已實現(xiàn)大氣探測高光譜載荷的業(yè)務化運行，如美國的Aura衛(wèi)星的OMI和TES、Aqua衛(wèi)星的AIRS等載荷[4-5]。此外，歐空局在2002年發(fā)射的ENVISAT衛(wèi)星上也裝載了MERIS，SCIAMACHY，MIPAS等高光譜遙感載荷，在軌運行約10年，實現(xiàn)了對陸地、大氣、海洋及冰蓋的連續(xù)觀測及業(yè)務監(jiān)測[6]。目前國內尚未實現(xiàn)對陸表環(huán)境的高光譜成像業(yè)務觀測，且對大氣痕量氣體、溫室氣體、污染氣體等大氣成分的總量及其空間分布缺乏綜合探測能力，亟需發(fā)展相關高光譜對地成像及大氣探測載荷。

高光譜觀測衛(wèi)星(GF-5衛(wèi)星)是我國第一顆高光譜綜合觀測衛(wèi)星，該衛(wèi)星設計運行于太陽同步軌道，軌道高度705 km，主要用于獲取從紫外到長波紅外譜段的高光譜分辨率遙感數據產品，是實現(xiàn)高分專項“形成高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率和高精度觀測的時空協(xié)調、全天候、全天時的對地觀測系統(tǒng)”目標的重要組成部分，是實現(xiàn)國家高分辨率對地觀測能力的重要標志之一。發(fā)展高光譜觀測衛(wèi)星，掌握高光譜遙感信息資源的自主權，擺脫對國外高光譜遙感數據的依賴，是國家的緊迫需求，具有重大戰(zhàn)略意義。高光譜觀測衛(wèi)星研制的主要目的是利用衛(wèi)星裝載的各類高光譜遙感儀器，面向國家污染減排、環(huán)境質量監(jiān)管、大氣成分與氣候變化監(jiān)測、國土資源調查等重大需求，開展污染氣體、溫室氣體、區(qū)域環(huán)境空氣質量、水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境、大氣成分、氣候變化、地礦資源調查等高光譜遙感監(jiān)測應用示范。推進在農業(yè)、減災、國安、公安、城市建設、水利、交通、林業(yè)、地震、海洋、測繪、統(tǒng)計等部門的應用。本文介紹了高光譜觀測衛(wèi)星及其應用前景。

1 目標任務

高光譜觀測衛(wèi)星研制的主要目標是提升我國星載高光譜對地遙感能力，實現(xiàn)對大氣環(huán)境、水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的綜合監(jiān)測。衛(wèi)星主要任務為：

a)對內陸水體和陸表生態(tài)環(huán)境進行綜合監(jiān)測，以滿足環(huán)境保護、監(jiān)測、監(jiān)管、應急、評價、規(guī)劃等領域的需求。

b)對CO2，CH4，O3，NO2，SO2等大氣成分和氣溶膠進行監(jiān)測，以滿足大氣環(huán)境監(jiān)測和氣候變化研究的需求。

c)對地質找礦典型蝕變礦物以及主要巖石類型等進行勘測，以滿足資源調查和地質填圖等需求。

d)為農業(yè)、減災、國安、公安、城市建設、交通、林業(yè)、地震、海洋、測繪、統(tǒng)計等部門提供監(jiān)測服務，提高行業(yè)應用的能力。

高光譜觀測衛(wèi)星在軌飛行如圖1所示。

2 主要技術特點

高光譜觀測衛(wèi)星具備滾動機動和偏流角補償能力，探測譜段涵蓋紫外至長波紅外波段，星上多項技術填補了國內空白，技術指標達到國際先進。

a)光譜分辨率高且譜段全

國際首次具備紫外-可見-紅外(短波、中波、長波)全譜段的高光譜觀測能力，觀測光譜分辨率最高0.03 cm-1，光譜定標精度最高0.008 cm-1。配置的對地成像載荷可獲取地表目標的可見-短波紅外譜段高光譜和多光譜圖像，幅寬可達60 km，與國外同類載荷(如Hyperion)相比，其幅寬更大且具備短波-中波-長波紅外多光譜觀測能力，填補國內地表高光譜-多光譜綜合觀測空白。配置大氣探測載荷可獲取紫外-可見-紅外譜段大氣成分吸收譜線數據，反演后可獲取CO2，CH4，O3，NO2，SO2等大氣成分濃度及云和氣溶膠參數產品，結合地表高光譜成像數據產品，可實現(xiàn)大氣環(huán)境、水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境綜合觀測，為用戶提供全譜段、高精度的高光譜觀測產品。

b)衛(wèi)星觀測和定標模式多

國內首次應用高光譜-多光譜對地成像觀測模式，以及天底觀測、掩星觀測、海洋耀斑觀測等多種大氣探測模式，采用大幅寬高光譜成像、高分辨率長波紅外分裂窗觀測、多角度偏振探測、在軌光譜定標及輻射定標等技術，實現(xiàn)對大氣及地表目標的高光譜綜合觀測。

c)衛(wèi)星數據輻射分辨率高

可見短波紅外高光譜相機可見近紅外通道的信噪比大于200，短波紅外通道的信噪比大于100。在軌采用漫反射板+比輻射計方案進行輻射定標，絕對輻射定標精度優(yōu)于5%，相對輻射定標精度優(yōu)于3%。

全譜段光譜成像儀可見近紅外譜段信噪比大于200，短波紅外譜段信噪比大于150，中長波紅外譜段噪聲等效溫差小于0.2 K?？梢娭炼滩t外通道采用漫反射板+比輻射計方案進行在軌輻射定標，絕對輻射定標精度優(yōu)于5%，相對輻射定標精度優(yōu)于3%；中、長波紅外通道采用變溫黑體進行在軌輻射定標，定標精度優(yōu)于1 K(300 K)。

大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀采用4路高通量、一體化空間外差干涉儀，可實現(xiàn)CO2，CH4通道信噪比大于250。在軌采用漫射板+光陷阱+比輻射計方案進行輻射定標，絕對輻射定標精度優(yōu)于5%，相對輻射定標精度優(yōu)于2%。

大氣痕量氣體差分吸收光譜儀的紫外譜段信噪比大于200，可見譜段信噪比大于1 300。在軌采用燈+漫透射板和太陽+漫反射板方案進行輻射定標，絕對輻射定標精度優(yōu)于5%，相對輻射定標精度優(yōu)于3%。

大氣氣溶膠多角度偏振探測儀信噪比大于500。通過地面實驗室大口徑積分球+TRAP探測器實現(xiàn)輻射定標，結合在軌場地定標可實現(xiàn)輻射定標精度優(yōu)于5%。利用實驗室高精度偏振光源對其偏振探測精度進行測試和驗證，偏振探測精度優(yōu)于2%。

d)長波紅外空間分辨率高

全譜段光譜成像儀配置了長波紅外分裂窗通道(10.3～11.3，11.4～12.5 μm)，保證分裂窗通道噪聲等效溫差小于0.2 K，且空間分辨率40 m，幅寬60 km，可實現(xiàn)溫排水監(jiān)測、旱情/洪澇監(jiān)測、地表能量平衡評估等紅外遙感定量應用。

e)高碼速率數傳技術

衛(wèi)星裝載了多臺高光譜分辨率有效載荷，輸入碼速率高達2.27 Gb/s，對數傳碼速率及可靠性提出了極高要求。為此，數傳綜合處理器采用新型的FLASH存儲技術，可實現(xiàn)內部讀寫處理速率5.12 Gb/s；采用高速串行傳輸技術(TLK2711)，數據傳輸速率2.0 Gb/s。采用雙通道混合傳輸模式，提高了星地數據傳輸利用率，最大化利用星地傳輸信道；采用極化復用二維驅動點波束天線，可實現(xiàn)450 Mb/s×2的對地數據傳輸能力。

f)高可靠長壽命設計

衛(wèi)星設計壽命8年，是目前國內設計壽命最長的光學遙感衛(wèi)星。長壽命要求衛(wèi)星在空間環(huán)境效應、活動部件的轉動圈數、消耗性原料等方面采用高可靠設計。在繼承已有成熟設計方案的基礎上，高光譜觀測衛(wèi)星針對各壽命薄弱環(huán)節(jié)開展了方案優(yōu)化設計，采取改進措施，并開展長壽命專項試驗驗證，加嚴產品過程測試和控制，確保衛(wèi)星達到8年設計壽命要求。

3 衛(wèi)星設計方案

高光譜觀測衛(wèi)星發(fā)射總質量不大于2 850 kg，采用太陽同步軌道，標稱高度705 km，升交點地方時13：30。衛(wèi)星發(fā)射與飛行狀態(tài)如圖2所示。根據用戶需求及目標任務，高光譜觀測衛(wèi)星共裝載有效載荷6臺，如圖3所示。其中：對地成像載荷2臺，分別為可見短波紅外高光譜相機(AHSI)和全譜段光譜成像儀(VIMI)，光譜通道及空間分辨率特性如圖4所示，其對地成像譜段覆蓋可見、短波、中波以及長波紅外，空間分辨率20～40 m，可滿足我國在環(huán)境綜合監(jiān)測和國土資源勘查等方面的應用需求；大氣探測載荷4臺，分別為大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀(GMI)、大氣痕量氣體差分吸收光譜儀(EMI)、大氣氣溶膠多角度偏振探測儀(DPC)和大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測儀(AIUS)，光譜通道及空間分辨率特性如圖5所示，依據大氣成分的吸收譜線特征、云及氣溶膠的吸收散射特性，大氣探測載荷譜段覆蓋紫外、可見、短波至長波紅外，可滿足我國對大氣環(huán)境監(jiān)測、空氣質量遙感、氣候變化研究等方面的應用需求。

高光譜觀測衛(wèi)星的6臺有效載荷包含了對地成像載荷和大氣探測載荷，既要保證對地成像載荷足夠的空間分辨率，也要考慮大氣探測載荷的全球覆蓋及快速重訪，對衛(wèi)星軌道綜合優(yōu)化設計提出了更高要求。經優(yōu)化，高光譜觀測衛(wèi)星選擇高度705 km的太陽同步回歸凍結軌道。該軌道的準回歸周期7 d，每隔7 d的星下點軌跡向西漂移53.9 km，保證兩臺窄視場的相機(可見短波高光譜相機和全譜段光譜成像儀)的刈幅(60 km)無縫搭接，配合衛(wèi)星±25°側擺能力，可實現(xiàn)5 d我國領土及近海周邊重訪，同時該軌道高度可保證大視場的大氣探測載荷在1～2 d內全球覆蓋，還能與美國A-TRAIN衛(wèi)星星座(軌道高度705 km)的相關載荷數據進行比對，相互驗證數據精度，提升數據質量。

3.1 衛(wèi)星主要技術指標

高光譜觀測衛(wèi)星具備滾動機動和偏流角補償能力，其探測譜段涵蓋了紫外至長波紅外的光學波段，在國際上首次實現(xiàn)寬幅(60 km)、可見短波紅外高光譜(5～10 nm)對地觀測能力，在國內首次采用太陽掩星模式探測大氣成分，在國際上首次采用星載空間外差一體化干涉儀探測溫室氣體，采用的多角度偏振技術將填補國內天基大氣氣溶膠探測領域的空白，光譜分辨率、靈敏度、定標精度等指標具備國際領先水平。衛(wèi)星主要性能指標見表1。

表1 高光譜觀測衛(wèi)星主要性能指標

3.2 衛(wèi)星組成

高光譜觀測衛(wèi)星繼承SAST-ML1(SAST 3000)公用平臺方案。衛(wèi)星由服務平臺和有效載荷艙兩部分組成，如圖6所示。

其中：載荷艙采用兩艙階梯布局增大對地安裝面，通過合理優(yōu)化布局確保滿足各載荷視場要求。姿軌控分系統(tǒng)采用零動量控制，同時具備偏置動量控制的能力，實現(xiàn)衛(wèi)星長期在軌姿態(tài)穩(wěn)定控制、偏航導引和姿態(tài)機動控制。電源分系統(tǒng)采用太陽電池陣和2組70 A·h鎘鎳蓄電池聯(lián)合供電、28V全調節(jié)直流母線，二次電源采用分散式供電；太陽電池陣使用三結砷化鎵貼片，總面積22.46 m2。太陽電池陣分系統(tǒng)采用單翼偏置構型太陽翼、一維對日定向跟蹤的驅動。測控分系統(tǒng)采用統(tǒng)一S波段(USB)體制+GPS的測控。數管分系統(tǒng)由星上數管計算機(CTU)和1553B總線組成。數管計算機(CTU)使用TSC695F CPU，總線通信協(xié)議采用基于1553B總線的二級拓撲結構：數管計算機為一級主控制器，各有效載荷、GPS接收機、數傳綜合信息處理器等單機為二級管理單元。數傳分系統(tǒng)采用極化復用技術，通過二維點波束天線下傳信號，碼速率2×450 Mb/s，固存容量2 Tb，數據格式符合CCSDS AOS傳輸協(xié)議。

3.3 衛(wèi)星程控

高光譜觀測衛(wèi)星采用作業(yè)表結合延時注數的方式完成在軌業(yè)務程控。地面系統(tǒng)在衛(wèi)星對地面站可見時，將業(yè)務程控周期內的延時注數內容一次性上注，并存儲入衛(wèi)星數管分系統(tǒng)。當延時注數的時間參數發(fā)送滿足條件后，數管單元自動將注數內容發(fā)送至相應RT號終端，完成注數。作業(yè)表及延時注數的數據流程如圖7所示。數傳分系統(tǒng)通過作業(yè)表規(guī)定數傳工作模式、數傳站站號、作業(yè)開始時刻、作業(yè)持續(xù)時間等內容。星上根據上注作業(yè)表中的內容，在開始進行數傳前解釋作業(yè)表，生成天線開始計算指令，輸出天線驅動角，自主進行天線驅動并執(zhí)行數傳工作模式和數據下傳；有效載荷分系統(tǒng)通過延時注數及載荷內部指令結合的方式對有效載荷進行控制。通過衛(wèi)星作業(yè)表及延時注數，可使高光譜觀測衛(wèi)星在全球任意位置均可對有效載荷的作業(yè)參數進行設定，不再受限于地面站。

3.4 微振動抑制

高光譜觀測衛(wèi)星裝載的大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測儀核心部件是具備8倍光程放大能力的傅里葉變換干涉儀，其對振動環(huán)境較敏感，為此設計了專用的高性能隔振裝置。該裝置主要由隔振單元4個、壓緊釋放單元4個和直屬件若干構成，如圖8所示?？蓪⒏鞣较虻念l率20～500 Hz擾動衰減至10mg級以下。

3.5 有效載荷

可見短波紅外高光譜相機采用離軸三反望遠鏡，經基于高效凸面閃耀光柵的Offner光譜儀進行精細分光，實現(xiàn)幅寬60 km、譜段范圍400～2 500 nm、共330個通道的高光譜成像；設置星上定標裝置，可實現(xiàn)在軌光譜及輻射定標；可進行光譜在軌實時編程并選擇任意譜段下傳。

可見短波紅外高光譜相機如圖9所示。該載荷獲取的高光譜數據可用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、飲用水源地污染源監(jiān)測、礦物識別、高光譜礦產資源調查與評價、高光譜地質環(huán)境調查與監(jiān)測等。可見短波紅外高光譜相機VNIR，SWIR譜段的外景成像合成圖如圖10所示。

全譜段光譜成像儀采用離軸三反主光學系統(tǒng)，利用組合濾光片方式實現(xiàn)譜段12個、幅寬60 km、空間分辨率20 m(VIS，SWIR)/40 m(MWIR，LWIR)的多光譜對地成像；采用漫反射板組件和黑體實現(xiàn)不同譜段高精度在軌輻射定標。

全譜段光譜成像儀如圖11所示。該載荷獲取多光譜對地成像數據，可用于獲取水體、植被、冰川、生態(tài)、礦產資源等分布信息，通過設置紅外分裂窗譜段提高紅外探測精度，反演高精度陸表、水表溫度，提升我國在環(huán)境監(jiān)測及資源調查等領域的能力。全譜段光譜成像儀外場成像圖如圖12所示。

大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀利用二維指向鏡獲取來自地球的反射太陽光，經主光學、4個獨立的一體化空間外差干涉儀獲取干涉數據；在軌定標由漫反射板、比輻射計、光陷阱和擋門機構共同實現(xiàn)。

大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀如圖13所示。該載荷獲取的高光譜數據，可用于定量反演CO2，CH4等氣體的平均柱濃度，監(jiān)測大尺度范圍內大氣主要溫室氣體的全球變化。2015年2月，利用外場塔吊在室外定標場完成外場試驗，獲得反演結果，用GOSAT衛(wèi)星2014年產品推算當月XCO2，XCH4濃度，結果表明：外場試驗的XCO2反演結果與GOSAT產品偏差<1%；XCH4反演結果與GOSAT產品偏差<2%(如圖14所示)[8]。

大氣痕量氣體差分吸收光譜儀采用推掃方式及4路光柵光譜儀獲取紫外至可見波段高光譜大氣探測數據；可通過星上定標裝置實現(xiàn)在軌光譜及輻射定標。

大氣痕量氣體差分吸收光譜儀如圖15所示。該載荷將用于定量監(jiān)測全球/區(qū)域痕量污染氣體成分的分布和變化，監(jiān)測我國上空及全球空氣質量變化與污染氣體的分布輸運過程，分析人類活動排放和自然排放過程對大氣組成成分和全球氣候變化的影響。該載荷對合肥某電廠外場探測試驗的反演結果如圖16所示。

大氣氣溶膠多角度偏振探測儀采用超廣角鏡頭實現(xiàn)畫幅式成像，通過檢偏/濾光組件轉動，獲取大氣氣溶膠和云的多角度、多波段偏振輻射信息。

大氣氣溶膠多角度偏振探測儀如圖17所示。利用該載荷獲取的沿軌9個角度、3個偏振方向的多光譜偏振輻射數據，可提供全球大氣氣溶膠和云特性產品，同時為其他載荷提供大氣校正數據。該載荷的490 nm通道3個偏振方向外場成像如圖18所示。

大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測儀通過自動跟蹤太陽完成掩星觀測，獲取在750～4 100 cm-1光譜范圍內的目標光譜的干涉信號。

大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測儀如圖19所示。該載荷獲取的不同高度(20～100 km)高光譜分辨率、高信噪比和寬波段的大氣精細吸收光譜，可用于分析大氣成分的切向分布，為氣候變化研究和大氣環(huán)境監(jiān)測提供科學依據。

大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測儀采用CO，CH4氣體池進行光譜定標驗證試驗。通過激光光譜定標系數，對氣體吸收峰進行校正，得到CO，CH4兩種氣體吸收峰的校正曲線，通過與HITRAN數據庫進行比對，InSb通道光譜定標精度優(yōu)于0.002 9 cm-1，MCT通道光譜定標精度優(yōu)于0.000 6 cm-1。

4 衛(wèi)星應用前景

高光譜觀測衛(wèi)星主要實現(xiàn)對大氣環(huán)境、水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的高光譜綜合觀測，其觀測目標及應用見表2。

表2 高光譜觀測衛(wèi)星觀測目標及應用

高光譜觀測衛(wèi)星發(fā)射入軌后將在污染氣體、溫室氣體、大氣氣溶膠遙感監(jiān)測、重點城市群空氣質量及城市熱島效應監(jiān)測、農林評估、飲用水源地監(jiān)測、礦產資源調查等方面首先開展應用。典型應用如下。

a)陸表環(huán)境綜合觀測

利用全譜段光譜成像儀長波紅外譜段實現(xiàn)對陸表溫度、火點監(jiān)測，全天時監(jiān)測環(huán)境突發(fā)事件；結合可見短波紅外高光譜相機在可見-短波紅外譜段內的高光譜數據，實現(xiàn)對陸表生態(tài)、植被破環(huán)、農作物長勢等的高精度監(jiān)測，如圖20所示。圖20中：底圖用NPP衛(wèi)星的VIIRS圖像作為替代數據[7]。

b)礦物填圖

用可見短波紅外高光譜相機生成目標區(qū)域可見-短波紅外(0.4～2.5 μm)的高光譜數據立方圖如圖21所示，并對典型蝕變礦物進行識別，根據蝕變礦物填圖可確定礦物分布和成礦靶區(qū)。

c)局地高溫及城市熱島效應監(jiān)測

全譜段光譜成像儀的長波紅外地表溫度(LST)產品具有40 m的空間分辨能力，如圖22所示。與MODIS 1 000 m LST產品相比，可更好地用于陸表局地高溫分析與城市熱島監(jiān)測[8]。

d)大氣成分全球遙感監(jiān)測

用大氣痕量氣體差分吸收光譜儀和大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀的高光譜遙感數據可獲取NO2，SO2，CO2，O3，CH4等大氣成分濃度的全球分布，為大氣環(huán)境監(jiān)測、氣候變化研究提供基礎數據，如圖23所示。圖23中：用FY-3衛(wèi)星臭氧總量探測儀(TOU)、ENVISAT/SCHIAMACHY的數據產品

作為替代數據[6，9-10]。

e)大氣污染氣體監(jiān)測

用大氣痕量氣體差分吸收光譜儀獲取邊界層NO2，SO2柱總量產品，評價全國空氣污染情況；根據NO2，SO2柱總量分布情況，確定2010年7月華北地區(qū)燃煤電廠污染等級，如圖24、25所示。圖24、25中：用Aura/OMI的數據作為替代數據進行應用示范展示[11]。

我國地域廣博，資源豐富，但隨著國民經濟的高速發(fā)展，資源現(xiàn)狀與需求的矛盾日趨突出，且由于大部分重點成礦區(qū)帶地處西部偏遠地區(qū)和境外，為此，必須加強資源勘探能力，科學準確地掌握、管理和評價我國的自然資源。高光譜觀測衛(wèi)星獲取的寬幅、高光譜-多光譜對地成像數據可顯著縮短前期勘探過程，減少區(qū)域性地面調查評價工作，極大節(jié)省相關資源勘探成本。

此外，氣候變化已成為當今國際社會普遍關心的全球性問題。高光譜觀測衛(wèi)星可獲取全球大氣成分數據，形成對主要溫室氣體(CO2，CH4等)、主要化學反應氣體(O3，NO2，SO2等)、大氣氣溶膠等主要氣候因子的全球、長期、定量和綜合觀測能力。為提高氣候預估的準確率、減緩和適應氣候變化的影響、監(jiān)測與控制區(qū)域大氣成分污染等方面的國家決策提供科學支持。

綜上，發(fā)展高光譜觀測衛(wèi)星，對地物目標及大氣成分、云和氣溶膠進行高光譜綜合觀測，可滿足我國在污染減排、生態(tài)和環(huán)境安全、天地一體化監(jiān)測體系構建、礦產資源調查、地質填圖、農作物分類與估產等領域對高光譜遙感數據的迫切需求，填補我國在大氣環(huán)境、水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境高光譜綜合觀測領域空白。高光譜觀測衛(wèi)星投入業(yè)務運行后，將使我國掌握高光譜遙感信息資源的自主權，擺脫對國外高光譜遙感數據的依賴，滿足國家對高光譜數據的緊迫需求，對發(fā)展我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)有重要的意義。

5 結束語

高光譜觀測衛(wèi)星具備可見至短波紅外高光譜成像、可見至長波紅外多光譜成像、紫外至短波紅外高光譜大氣探測、可見至近紅外多角度偏振成像、紅外掩星高光譜大氣探測、海洋耀斑觀測等多種觀測能力，星上多項技術填補了國內空白，技術指標國際先進，獲取的紫外-可見-紅外譜段的高光譜探測數據，將實現(xiàn)對大氣環(huán)境、水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境的綜合觀測，為我國各部門提供急需的各類高光譜遙感數據，進一步提升我國高光譜遙感信息獲取能力。面向國家各行業(yè)迫切的業(yè)務需求，依托高光譜觀測衛(wèi)星遙感技術，后續(xù)將大力發(fā)展大氣環(huán)境監(jiān)測、水資源及生態(tài)環(huán)境觀測衛(wèi)星，逐步發(fā)展高軌高光譜觀測衛(wèi)星，形成面向多用戶、高-低軌聯(lián)合觀測的高光譜衛(wèi)星綜合觀測體系。

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Hyper-Spectral Observation Satellite and It’s Application Prospects

SUN Yun-zhu1, JIANG Guang-wei1, LI Yun-duan2, YANG Yong2, DAI Hai-shan2,HE Jun2, WANG Qi3, YE Qing-hao2, CAO Qiong2

(1. Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China; 2. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China; 3. Major and Special Engineering Center, State Administration of Science, Technology and Industry for National Defense, Beijing 100048, China)

The characteristics and its application prospects of Hyper-Spectral Observation Satellite (GF-5) are presented in this paper, which will be the first satellite to achieve hyper-spectral observation in National Key Projects of High Resolution Earth Observation System in China. It was designed to run on sun-synchronous orbit. The orbit altitude was 705 km and local time of ascending node was 13∶ 30. Six payloads were carried on it, which were Advanced Hyper-spectral Imager (AHSI), Visual and Infrared Multispectral Imager (VIMI), Greenhouse-gases Monitoring Instrument (GMI), Environmental trace gases Monitoring Instrument (EMI), Directional Polarization Camera (DPC) and Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder (AIUS). By using them, the satellite has high resolution and hyperspectral band. The satellite can obtain the hyper-spectral remote sensing data from ultraviolet to long wave infrared bands. The various observation modes of hyper-spectral and multi-spectral earth imaging, occultation and nadir observation for atmosphere, multi-angular polarization observation and ocean sun-glint observation are adopted. The highest spectral resolution is 0.03 cm-1and on-board calibration is provided. The radiometric calibration accuracy is better than 5% and the spectral calibration accuracy is up to 0.008 cm-1. The satellite has high spatial resolution of long wave infrared band, high code rate of data transmission and long life design. When in orbit, the satellite will play an important role in atmospheric environment monitoring, land and resources survey, and climate changing research. The typical applications include land surface environment comprehensive observation, monitoring of land surface local high temperature and heat island effect, mineral mapping, remote sensing monitoring of global distribution of atmosphere contents and air pollution monitoring of SO2and NO2.

remote sensing satellite; Hyper-Spectral Observation Satellite; hyper-spectral instrument; atmosphere sounding; land imaging; polarization observation; occultation observation; hyper-spectral data application

1006-1630(2017)03-0001-13

2017-01-15；

2017-06-07

高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(民用部分)科研項目資助(50-Y20A38-0509-15/16)

孫允珠(1961—)，女，研究員，GF-5衛(wèi)星總設計師，中國航天科技集團公司學術帶頭人，主要從事氣象與環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星系統(tǒng)研究。

O433.1； P27； P414

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.03.001