文 | 陸春玲 白照廣 胡志勇 邸國(guó)棟 竇毅芳 許鵬
航天東方紅衛(wèi)星有限公司
高分六號(hào)(GF-6)是一顆高分辨率寬覆蓋衛(wèi)星,也被稱為“農(nóng)業(yè)衛(wèi)星”,于2018年6月2日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射,2019年3月21 正式投入使用。GF-6 衛(wèi)星是一顆三軸穩(wěn)定的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星,運(yùn)行在軌道高度約645km 的太陽(yáng)同步回歸軌道上,降交點(diǎn)地方時(shí)10:30AM。衛(wèi)星具有高分辨率、寬覆蓋、高質(zhì)量成像、高效能成像、國(guó)產(chǎn)化率高等特點(diǎn),設(shè)計(jì)壽命8年,配置了一臺(tái)高分相機(jī)和一臺(tái)寬幅相機(jī)。高分相機(jī)采用全色和藍(lán)、綠、紅、近紅外五譜合一的TDICCD 探測(cè)器,全色分辨率2m,多光譜分辨率8m,全色及多光譜共用一套光學(xué)系統(tǒng),采用干涉濾光片進(jìn)行光譜分光,兩者推掃幅寬均為95km;寬幅相機(jī)采用8 譜段國(guó)產(chǎn)化CMOS 探測(cè)器,在常用的藍(lán)、綠、紅、近紅外四個(gè)譜段基礎(chǔ)上,首次增加了兩個(gè)能夠有效反映作物特有光譜特性的紅邊譜段,以及海岸藍(lán)和黃譜段。以星下點(diǎn)16m 的分辨率一次推掃成像860km 的幅寬,收集8 個(gè)譜段的圖像信息,是世界先進(jìn)的超寬遙感器,可以用于大范圍的陸地覆蓋觀測(cè)。
目前衛(wèi)星已與在軌的其他2m/8m 和16m 衛(wèi)星形成7 星組網(wǎng)星座,將單星全球重訪周期4 天提升為星座重訪周期1 天。采用軌跡占位原理對(duì)各星觀測(cè)任務(wù)進(jìn)行協(xié)同分配,使得2m/8m 相機(jī)能夠全球1天重訪和11 天無側(cè)擺覆蓋,16m 相機(jī)實(shí)現(xiàn)1 天全球覆蓋。真正實(shí)現(xiàn)了空間分辨率、時(shí)間分辨率和光譜分辨率的優(yōu)化組合,滿足多種空間分辨率、多種光譜分辨率、多源遙感數(shù)據(jù)需求。截至2020年底,GF-6 衛(wèi)星已在軌穩(wěn)定運(yùn)行2.5年。GF-6 衛(wèi)星參數(shù)見表1。
表1 GF-6 衛(wèi)星參數(shù)
GF-6衛(wèi)星載有一臺(tái)高分相機(jī)和一臺(tái)寬幅相機(jī),并載有三臺(tái)艙外監(jiān)視相機(jī)和一臺(tái)健康監(jiān)測(cè)單元。在一顆衛(wèi)星上同時(shí)具有高分辨率成像和寬覆蓋成像能力,是首顆設(shè)計(jì)壽命8年的低軌光學(xué)小衛(wèi)星。
衛(wèi)星設(shè)計(jì)理念是打造小衛(wèi)星長(zhǎng)壽命、高可靠衛(wèi)星平臺(tái),突破超大視場(chǎng)離軸相機(jī)成像技術(shù),以精致為用的高質(zhì)量、高精度成像質(zhì)量樹立品牌,以多模式、組網(wǎng)觀測(cè)的好用、易用性服務(wù)于業(yè)務(wù)化應(yīng)用。區(qū)別于以往多相機(jī)、多角度視場(chǎng)拼接形成大幅寬觀測(cè)的衛(wèi)星,該衛(wèi)星首次以單相機(jī)體制實(shí)現(xiàn)超大視場(chǎng)成像。因此,衛(wèi)星緊密圍繞載荷高性能成像的核心,在總體設(shè)計(jì)、載荷研制、長(zhǎng)壽命高可靠設(shè)計(jì)及星地一體化提高成像質(zhì)量方面都采取了相應(yīng)的措施,采用了大量的優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真、試驗(yàn)方法,創(chuàng)新性地增加了雙紅邊等4 個(gè)譜段,應(yīng)用了對(duì)月成像、對(duì)月相對(duì)輻射定標(biāo)成像、可視化成像及自主健康管理等新模式,為后續(xù)業(yè)務(wù)應(yīng)用型對(duì)地觀測(cè)小衛(wèi)星奠定了基礎(chǔ)。
衛(wèi)星可獲取硅探測(cè)器所能覆蓋的0.4~0.9μm可見至近紅外譜段內(nèi)的全色及多光譜數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)全球的高頻次覆蓋觀測(cè)。在常用的實(shí)傳、記錄、回放模式基礎(chǔ)上,針對(duì)兩種相機(jī)覆蓋特性及我國(guó)國(guó)土區(qū)域和地面接收站接收區(qū)域特性,增加了以下高頻使用模式:
①實(shí)傳+記錄模式:1 個(gè)相機(jī)成像實(shí)傳,另1個(gè)相機(jī)成像記錄;
②回放+記錄模式:先回放已記錄的圖像,再雙相機(jī)開機(jī)成像記錄。
以上模式的雙相機(jī)開關(guān)機(jī)時(shí)間及數(shù)傳時(shí)間都是解耦設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)模板。如圖1 所示,數(shù)傳地面站在衛(wèi)星未進(jìn)入國(guó)境但與衛(wèi)星可見時(shí),開始回放星上存儲(chǔ)的已拍攝圖像(綠色區(qū)域?yàn)榛胤艜r(shí)段);當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入我國(guó)境內(nèi)后,再開啟雙相機(jī)對(duì)國(guó)土區(qū)域成像(黃色區(qū)域?yàn)橛涗洉r(shí)段);這些模式使成像區(qū)域與接收弧段解耦,可充分利用地面站數(shù)傳接收弧段,并雙相機(jī)同時(shí)對(duì)我國(guó)區(qū)域成像,使針對(duì)國(guó)土的數(shù)據(jù)有效性顯著提高。
圖1 成像區(qū)域(黃色)與接收弧段(綠色)解耦的模式
GF-6 是首顆設(shè)計(jì)壽命為8年的小衛(wèi)星,優(yōu)化配置了整星姿控、電源、測(cè)控系統(tǒng),對(duì)影響壽命的單機(jī)均進(jìn)行了地面加速壽命試驗(yàn)。整星系統(tǒng)加強(qiáng)同構(gòu)、異構(gòu)冗余設(shè)計(jì);長(zhǎng)期工作的單機(jī)均有切機(jī)瞬時(shí)斷電措施,以消除單粒子效應(yīng)影響。軟硬件配合,基于星務(wù)主機(jī)實(shí)現(xiàn)了整星系統(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)及單機(jī)級(jí)的多級(jí)故障檢測(cè)、隔離和恢復(fù)的自主安全模式控制。衛(wèi)星具有高分辨率和寬覆蓋的載荷配置,12bit 量化,輻射性能比10bit 量化提高了4 倍;相機(jī)系統(tǒng)具有信噪比高、動(dòng)態(tài)范圍寬、傳函高、內(nèi)部幾何精度高的優(yōu)異性能;加之兩臺(tái)相機(jī)采用高比剛度、低熱畸變、高體份鋁基碳化硅材料做框架,采用鉸鏈支撐進(jìn)行隔振、隔熱;整星按轉(zhuǎn)動(dòng)部件微振動(dòng)傳遞特性進(jìn)行部件布局精細(xì)優(yōu)化,使相機(jī)、星敏在穩(wěn)定的力、熱環(huán)境下工作。衛(wèi)星在軌組網(wǎng)觀測(cè),實(shí)現(xiàn)高分相機(jī)和寬幅相機(jī)高效全球觀測(cè)。
8 片傳感器5 個(gè)譜段、全反全透“一字”拼接的高分相機(jī)采用無畸變、全反射式離軸光學(xué)系統(tǒng),從設(shè)計(jì)原理上保證了相機(jī)成像具有光學(xué)系統(tǒng)像差小、內(nèi)部幾何精度高、配準(zhǔn)精度高的特點(diǎn)。星敏感器與高分相機(jī)一體化安裝,有效減小了星敏感器對(duì)指向精度的影響以及在軌力、熱環(huán)境引起的星敏光軸與相機(jī)光軸夾角變化,提高了相機(jī)的外方位元素準(zhǔn)確度。
8 片傳感器8 個(gè)譜段的寬幅相機(jī)采用世界先進(jìn)的自由曲面、全反射式離軸光學(xué)系統(tǒng),65.6°超大視場(chǎng)。采用自由曲面設(shè)計(jì)使得光學(xué)系統(tǒng)的空間布局大為壓縮,產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能得到優(yōu)化,成像質(zhì)量極大改善,得以用單相機(jī)體制實(shí)現(xiàn)超大幅寬成像。從視場(chǎng)中心到邊緣的地面像元分辨率連續(xù)變化,照度均勻性好,畸變得到最大限度的控制。首次采用國(guó)產(chǎn)化CMOS 成像探測(cè)器,全數(shù)字輸出,低功耗;相機(jī)增加星上像元級(jí)均勻性校正功能,且在軌可修改系數(shù)。寬幅相機(jī)還具有“抗黑太陽(yáng)”功能,對(duì)亮雪等高反目標(biāo)成像不會(huì)出現(xiàn)飽和翻轉(zhuǎn)、溢出、污染其他像元的現(xiàn)象。
具備雙通道450Mbit/s,共計(jì)900Mbit/s 星地?cái)?shù)傳速率;采用巧妙的載荷通道分配方法,均衡化不同譜段載荷數(shù)據(jù)流,使記入固存的空幀率顯著減少,載荷記放比提高了30%。衛(wèi)星的固存容量增至2T,主備共4T 容量開放使用,且可隨時(shí)擦除已回放的文件,即使半個(gè)文件的空間也可隨時(shí)釋放,使固存工作在“記不滿”狀態(tài),增大了境外數(shù)據(jù)獲取效能。
以往衛(wèi)星的遙測(cè)都是數(shù)據(jù)形式展示,GF-6 衛(wèi)星增設(shè)了三臺(tái)以圖像形式實(shí)時(shí)播報(bào)±Y 太陽(yáng)翼展開、數(shù)傳天線展開的可視化遙測(cè)單元。在軌后,可對(duì)星外狀態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)期在軌監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)可視化遙測(cè)判讀。
具有監(jiān)聽、統(tǒng)計(jì)、分析整星總線數(shù)據(jù)的能力,可星上統(tǒng)計(jì)載荷、數(shù)傳工作時(shí)間、次數(shù)、燃料余量、電池放電深度等生成新的遙測(cè)信息。具有參數(shù)超限報(bào)警等功能,為長(zhǎng)壽命衛(wèi)星的自主監(jiān)測(cè)提供了手段。
目前遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示,寬幅相機(jī)的成像時(shí)間和次數(shù)大于高分相機(jī)。在2019年第4 季度成像數(shù)據(jù)量達(dá)到高峰,寬幅相機(jī)每日數(shù)據(jù)獲取量為3600 萬平方千米;高分相機(jī)每日數(shù)據(jù)獲取量為300 萬平方千米。
寬幅相機(jī)860km 超大覆蓋寬度的效能是普通百千米量級(jí)遙感器的8 倍。一景面積約為34 萬平方千米,特別適合省級(jí)尺度的大范圍遙感監(jiān)測(cè)。雙相機(jī)數(shù)據(jù)每日更新,全球覆蓋。圖2 為高分相機(jī)2m 彩色融合圖像西班牙巴塞羅那港,圖3 為寬幅相機(jī)一景圖像860km 視野橫跨英吉利海峽。
圖2 高分相機(jī)2m 彩色融合圖像西班牙巴塞羅那港
圖3 寬幅相機(jī)一景圖像860km 視野橫跨英吉利海峽,西至英國(guó)威爾士,東至比利時(shí)布魯塞爾
新增的紅邊譜段是介于紅和近紅外譜段之間、綠色植物的反射率快速增加的一個(gè)譜段區(qū)間,約為680 ~780nm[1],紅邊譜段是綠色植被光譜最明顯的特征之一。GF-6 衛(wèi)星在此范圍內(nèi)設(shè)置了兩個(gè)紅邊譜段,即B5、B6 譜段。由于植被反射率在紅邊譜段躍變,且紅邊譜段對(duì)病害脅迫也較為敏感。因此紅邊遙感引入了更豐富的光譜、顏色信息,對(duì)植被類型的區(qū)分大幅改善,分類精度明顯提高。特別適用于地表類型識(shí)別、作物參數(shù)計(jì)算、作物養(yǎng)分含量、作物病害或環(huán)境脅迫監(jiān)測(cè)等方面。如圖4(b)所示,寬幅相機(jī)4、6、5 紅邊譜段組合圖像比傳統(tǒng)的藍(lán)綠紅譜段合成的真彩色圖像,見圖4(a),能更清楚地看清作物生長(zhǎng)情況。目前已有軟件可將寬幅相機(jī)和高分相機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,可形成2m 8譜段數(shù)據(jù)集。這樣的圖像產(chǎn)品既將寬幅相機(jī)圖像紋理信息增強(qiáng)了8 倍,又給2m 分辨率圖像賦能了8 個(gè)譜段的光譜信息,如圖4(c)所示。
圖4 寬幅相機(jī)不同譜段組合圖像
新增的黃譜段對(duì)土壤、泥沙敏感,基于近紅外和黃譜段建立的差值植被指數(shù)比應(yīng)用近紅外和紅波段建立歸一化植被指數(shù)更能有效反映擾動(dòng)信息變化情況[2]。采用新增譜段信息,分類總體精度比采用傳統(tǒng)的可見光-近紅外影像提高10%~30%。其中道路的識(shí)別精度從55%提高到80%;水體的識(shí)別精度從85%~90%提高到95%~98%;耕地相對(duì)于其他植被覆蓋的分類精度也有類似的提高[3-4]。
GF-6 衛(wèi)星是具有業(yè)務(wù)應(yīng)用特點(diǎn)的科研星,高分辨率和寬幅成像能力結(jié)合,可滿足多種空間分辨率、多種光譜分辨率、多源遙感數(shù)據(jù)需求,16m 分辨率8譜段寬幅相機(jī)數(shù)據(jù)更適合敏感譜段組合應(yīng)用。高分相機(jī)和寬幅相機(jī)數(shù)據(jù)已成為“國(guó)土資源一張圖”、“全國(guó)水利一張圖”、“農(nóng)業(yè)一張圖”等“一張圖”工程的重要數(shù)據(jù)源,在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、防災(zāi)減災(zāi)、國(guó)土、環(huán)保、水利等領(lǐng)域,取得了可觀的效益。
2019年12月,國(guó)家航天局推出GF-6 衛(wèi)星16m 分辨率數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)(CNSA-GEO 平臺(tái)),正式面向全球開放共享16m 數(shù)據(jù)[5]。2020年,中國(guó)科技部與歐洲航天局(ESA)的重大國(guó)際科技合作項(xiàng)目—中歐“龍計(jì)劃5”項(xiàng)目,利用共享的16m數(shù)據(jù),中歐雙方將開展廣泛深入的遙感應(yīng)用合作研究、技術(shù)培訓(xùn)、學(xué)術(shù)交流等工作。
GF-6衛(wèi)星及其星座組網(wǎng)觀測(cè)的時(shí)間頻率增加,使得月度、乃至天的監(jiān)測(cè)成為可能;譜段數(shù)量增加,尤其是紅邊譜段、海岸藍(lán)、黃譜段等敏感譜段應(yīng)用,對(duì)水體、植被的監(jiān)測(cè)更加到位,地物區(qū)分度更加精準(zhǔn),有利于地物分類識(shí)別;量化位數(shù)增加,輻射分辨率、信噪比提高,圖像直方圖展寬,灰度分層更加細(xì)膩,使光照條件差的高緯度極區(qū)探測(cè)成為可能;高、中空間分辨率結(jié)合,可提取違建等小目標(biāo);采用單相機(jī)體制,內(nèi)部幾何畸變很??;通過后期算法加工,可以將16m 寬幅和2m 融合,得到2m 8 譜段增強(qiáng)產(chǎn)品。
經(jīng)過兩年多的在軌應(yīng)用,高分相機(jī)數(shù)據(jù)已完成多遍全國(guó)覆蓋,寬幅相機(jī)數(shù)據(jù)已完成多遍全球覆蓋,數(shù)據(jù)也已全球共享。GF-6 衛(wèi)星與其他衛(wèi)星組網(wǎng)協(xié)同觀測(cè),在時(shí)間分辨率、光譜分辨率、輻射分辨率和空間分辨率上優(yōu)勢(shì)明顯,高性能、高效能的用戶體驗(yàn)出色。特別是雙紅邊譜段、海岸藍(lán)和黃譜段的應(yīng)用,進(jìn)一步增強(qiáng)了衛(wèi)星的特色應(yīng)用效果,為遙感產(chǎn)品定量化和高精度遙感應(yīng)用開拓了新方向。與其他在軌國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星相互配合,將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的深入應(yīng)用。