郝建波

（中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院，河北 石家莊 050081）

0 引 言

遙感衛(wèi)星主要通過對地面實現(xiàn)有效覆蓋來獲得遙感信息，并將信息轉(zhuǎn)化成圖片，幫助應(yīng)用部門來掌握所需要了解的情況。遙感衛(wèi)星的地面覆蓋與軌道控制需要根據(jù)不同的空間性質(zhì)來處理不同的地面勘測，從而完成各式各樣的遙感信息任務(wù)。對于日常所用的通信設(shè)備、平時出行用的導(dǎo)航設(shè)備，包括平時的氣象預(yù)報、地球資源分布的勘測乃至整個宇宙的探索都離不開遙感衛(wèi)星的地面勘測與軌道控制。日常通信設(shè)備和導(dǎo)航設(shè)備主要是運用遙感衛(wèi)星的地面覆蓋來獲取信息，遙感衛(wèi)星的運行軌道通常與太陽是同步的。選取對遙感衛(wèi)星有利的運行軌道對遙感衛(wèi)星來說至關(guān)重要，可以幫助衛(wèi)星在執(zhí)行任務(wù)的過程中更好地獲取任務(wù)信息。

遙感衛(wèi)星軌道選取中一個主要參考因素是運行軌道的高度情況，這就要求全面地了解和掌握軌道選取的理論和現(xiàn)實依據(jù)，只有這樣才能選取出適合衛(wèi)星運行的軌道高度。不同功能的遙感衛(wèi)星有不同的選擇依據(jù)，需要根據(jù)每一個遙感衛(wèi)星所需要具備的功能來決定。除此之外，還需要研究遙感衛(wèi)星的質(zhì)量和運載能力之間的匹配問題，包括遙感衛(wèi)星地面覆蓋的工作模式、衛(wèi)星運行的能量損耗、衛(wèi)星星點下的軌跡、衛(wèi)星的載荷、測控天線對地面覆蓋的周期、以及指定地區(qū)的迅速反應(yīng)能力等。本文針對遙感衛(wèi)星運行軌道的地面覆蓋及運行軌跡的保持問題，對遙感衛(wèi)星運行軌道高度的選擇和運行軌跡的控制工作進(jìn)行初步探究。

1 遙感衛(wèi)星的基本情況

1.1 遙感衛(wèi)星地面覆蓋的研究意義

遙感衛(wèi)星對社會進(jìn)步與國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大，遙感衛(wèi)星的探索和研究時刻都不能松懈。國家將遙感衛(wèi)星的研發(fā)與國家的經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略相結(jié)合，這也為遙感衛(wèi)星的生存和發(fā)展?fàn)I造了良好的發(fā)展與生存環(huán)境。眾所周知，遙感衛(wèi)星很早就出現(xiàn)在了人們的視野中，但是遙感衛(wèi)星的技術(shù)一直沒有得到很好的推廣，因此發(fā)展比較緩慢。隨著社會的進(jìn)步、互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和計算機的應(yīng)用，為遙感衛(wèi)星地面覆蓋工作的發(fā)展提供了有利的條件。通過對信息的捕捉和傳導(dǎo)，實現(xiàn)信息的可處理與可使用。在信息化時代的背景下，遙感衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展之路越來越廣闊。

1.2 遙感衛(wèi)星地面覆蓋與軌跡控制現(xiàn)狀

雖然目前全球市場中的遙感衛(wèi)星功能種類繁多，過去的數(shù)據(jù)也多種多樣，但是絕大多數(shù)的國家仍在努力地研發(fā)屬于自己的遙感衛(wèi)星。因為國外的遙感衛(wèi)星所獲取的數(shù)據(jù)并不能與我國用戶的實際需求相吻合，根據(jù)自身的需求來研發(fā)屬于自己的遙感衛(wèi)星是至關(guān)重要的。通過對遙感衛(wèi)星的研究和探索可知，小型遙感衛(wèi)星更實用一些。小型遙感衛(wèi)星的制作成本比較低，研發(fā)制造的周期比較短，而且比較靈活，還可以根據(jù)需要組成星座來滿足應(yīng)用者的各種觀測需求。

1.3 遙感衛(wèi)星的分類

1.3.1 氣象衛(wèi)星

遙感衛(wèi)星通過對氣象數(shù)據(jù)的搜集和處理，幫助應(yīng)用部門提供所需要的數(shù)據(jù)，像日常生活中的天氣預(yù)報就來源于氣象衛(wèi)星的監(jiān)測。目前的氣象衛(wèi)星分為兩種，分別是太陽同步衛(wèi)星和地球靜止衛(wèi)星。太陽同步衛(wèi)星是繞地球南北極附近與跨越赤道上空運行，而地球靜止衛(wèi)星在赤道上空相對于地球處于靜止?fàn)顟B(tài)。

1.3.2 地球衛(wèi)星

地球衛(wèi)星主要是以獲取地球上的資源和環(huán)境為主要的信息?！白有亲碧栞d人軌道飛船上拍攝的地面照片，發(fā)現(xiàn)其中具有豐富的地球資源和環(huán)境信息后就開始發(fā)展“地球資源衛(wèi)星計劃”，1972年發(fā)射了第一顆“地球資源技術(shù)衛(wèi)星”，后改名為“陸地衛(wèi)星”1號。20世紀(jì)70年代中后期和80年代前期，又相繼發(fā)射“陸地衛(wèi)星”2、3、4、5號。“陸地衛(wèi)星”能提供周期性相對廉價的遙感數(shù)據(jù)，因而得到廣泛應(yīng)用?！瓣懙匦l(wèi)星”的遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于土地森林和水資源調(diào)查、農(nóng)作物估產(chǎn)、礦產(chǎn)和石油勘探、海岸勘察、地質(zhì)與測繪、自然災(zāi)害監(jiān)視、農(nóng)業(yè)區(qū)劃、重大工程建設(shè)的前期工作以及對環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測等。到1984年，中國等許多國家都已經(jīng)或正在建立陸地衛(wèi)星地面站，這些地面站幾乎覆蓋了全部陸地面積。

1.3.3 陸地衛(wèi)星

陸地衛(wèi)星是繞地球南北極附近運行的太陽同步衛(wèi)星，具有接近圓形的軌道，在上午9時30分左右從913 km或804 km（陸地衛(wèi)星4、5號）的高空跨越赤道。陸地衛(wèi)星1、2、3號每隔18天覆蓋地球一遍，陸地衛(wèi)星4、5號每隔16天覆蓋地球一遍，相鄰條帶相隔的日期為7～9天。衛(wèi)星裝載的多光譜掃描儀、返束視像管攝像機和專題制圖儀等遙感器從北向南每次可掃描185 km寬的地面條帶。用兩個返束光導(dǎo)管攝像機（Return Beam Vidicon，RBV）相配合來拍攝地面的全色圖像，其分辨率比用多波段掃描儀（Multi-Spectral Scanner，MSS）提高一倍。專題繪圖儀（Thematic Mapper，TM）的圖像數(shù)據(jù)量為MSS的11倍，由于包含紅外波段，并且?guī)缀尉群洼椛渚榷急萂SS的高，因此TM的信息和圖像質(zhì)量都比MSS的好得多。對于裝有寬帶磁帶錄像機的陸地衛(wèi)星，根據(jù)航天中心的指令可錄取世界上任何地方的MSS和RBV圖像數(shù)據(jù)，當(dāng)衛(wèi)星運行到地面接收站上空時便回放收取。衛(wèi)星還裝載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以收集遙測數(shù)據(jù)并把它轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)處理中心。衛(wèi)星也可以不裝載錄像機，在地面接收站接收范圍以外收集到的遙感圖像數(shù)據(jù)，將通過跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)傳輸?shù)降孛娼邮仗幚碚具M(jìn)行處理。

1.3.4 海洋衛(wèi)星

顧名思義，海洋衛(wèi)星就是用來勘測海洋信息的。通過遙感衛(wèi)星對海洋的地面覆蓋與軌道控制，可以從中獲取有關(guān)海洋方面的各種信息。海洋對人們的生存起著至關(guān)重要的作用，而且海洋的面積是非常大的，這就需要運用遙感衛(wèi)星的地面覆蓋來捕捉有關(guān)海洋的信息。由于海洋面積比較大，保護(hù)的過程中難以全面掌握其信息，遙感衛(wèi)星的地面覆蓋可以很好地解決這一難題，更加方便快捷地獲取海洋的有關(guān)信息，幫助人們更好地保護(hù)海洋環(huán)境，這對海洋的研究和保護(hù)有著深刻的意義[1]。

2 遙感衛(wèi)星運行軌道的地面覆蓋工作原理

2.1 運行軌道的高度與衛(wèi)星載荷地面覆蓋的聯(lián)系

遙感衛(wèi)星的運行軌道需要依據(jù)衛(wèi)星的應(yīng)用需要和衛(wèi)星載荷觀測區(qū)域地面覆蓋的情況選取。截至目前，我國遙感衛(wèi)星有效載荷種類主要包括光學(xué)遙感器和微波遙感器，相當(dāng)于天基的攝影儀和雷達(dá)。圖1為衛(wèi)星軌道高度對衛(wèi)星載荷觀測區(qū)域地面覆蓋的影響，圖2為其側(cè)視圖。

圖1 軌道高度與有效載荷地面覆蓋的關(guān)系

圖2 側(cè)視示意圖

當(dāng)有效載荷為側(cè)視時，地面覆蓋的示意圖見圖2，可得地面覆蓋寬度d：

式中：A為有效載荷半視場角；R為地球平均半徑；h為衛(wèi)星軌道高度。

如以入射角來表示，則：

從上述的公式中看出，當(dāng)有效載荷視角固定時，運行軌道的高度越高，遙感衛(wèi)星地面覆蓋的帶寬越大。

2.2 遙感衛(wèi)星運行軌跡的“特定地區(qū)”回歸周期

對于一部分的遙感衛(wèi)星，他們有效載荷的視角具備可變的功能與作用。不僅需要遙感衛(wèi)星完成每一項任務(wù)的具體要求，還需要具備迅速的反應(yīng)能力和“特定地區(qū)”回歸周期。

2.3 遙感衛(wèi)星地面軌跡漂移與控制

衛(wèi)星的運行會受到大氣阻力的干擾，導(dǎo)致自然狀態(tài)下遙感衛(wèi)星運行過程中平均軌道高度在不斷的下降，回歸周期也在隨之縮短。這樣會使得遙感衛(wèi)星的地面軌跡變得漂移，出現(xiàn)勘測盲區(qū)。部分遙感衛(wèi)星對地面覆蓋的要求很高，需要對衛(wèi)星的運行軌道進(jìn)行實時的調(diào)整，這樣才能確保遙感衛(wèi)星更加保質(zhì)保量地完成遙感任務(wù)。遙感衛(wèi)星在工作的過程中，也由于平均高度的逐漸降低，會引發(fā)軌跡漂移。

2.4 遙感衛(wèi)星運行軌道的保持

遙感衛(wèi)星的工作原理主要是通過對整個地球的覆蓋，在特定的空間里來完成特定的任務(wù)。在遙感衛(wèi)星工作的同時，選取適合的衛(wèi)星運行軌道是非常重要的，它可以幫助遙感衛(wèi)星更好地完成信息獲取任務(wù)，并且可以根據(jù)需要來調(diào)整軌道的運行。當(dāng)遙感衛(wèi)星的高度值在限制的范圍中，可以選取適合遙感衛(wèi)星運行的軌道周期，從而為獲取所需應(yīng)用數(shù)據(jù)提供足夠的遙感衛(wèi)星有效載荷觀測覆蓋區(qū)域。遙感衛(wèi)星軌道的運行周期需要與其地面高度相結(jié)合，且主要是由地面高度來決定的。遙感衛(wèi)星的地面高度需要將載荷的工作模式考慮在內(nèi)，還需要將衛(wèi)星的回歸周期考慮在內(nèi)，隱形軌道的覆蓋模式也是需要進(jìn)行綜合考慮的。遙感衛(wèi)星在工作的過程中，也由于平均高度的逐漸降低會引發(fā)軌跡漂移的問題，進(jìn)而對地面覆蓋產(chǎn)生一定的影響。在對遙感衛(wèi)星運行軌跡漂移進(jìn)行控制的同時，需要合理地調(diào)整遙感衛(wèi)星運行軌道的半長徑來控制它的軌道[2]。

3 遙感衛(wèi)星地面覆蓋在生活中的應(yīng)用

遙感衛(wèi)星的成像光譜儀器可以精確地獲取光譜信息，應(yīng)用者運用實驗室中的光譜數(shù)據(jù)可以對地球上的地質(zhì)和水進(jìn)行研究和分析。合成孔徑雷達(dá)不僅能夠穿透云霧，還可以對部分土壤進(jìn)行監(jiān)測，光譜儀與合成孔徑雷達(dá)的應(yīng)用使遙感衛(wèi)星的發(fā)展邁上了新的臺階。

3.1 遙感衛(wèi)星的地面覆蓋可以用于繪制圖

遙感衛(wèi)星獲取的圖像可以非常便利地應(yīng)用到識別和定位中，還可以應(yīng)用到地物的繪制當(dāng)中，像地質(zhì)結(jié)構(gòu)的繪制、建筑物的繪制等。這些繪制圖還可以應(yīng)用到地質(zhì)勘測當(dāng)中去，其中城市規(guī)劃也會用到繪制圖，極大地方便了人們的建造工作。通過遙感衛(wèi)星對地面的覆蓋，運用圖像處理，可以完成多圖繪圖，遙感衛(wèi)星的覆蓋可以將圖像進(jìn)行分類，并應(yīng)用到地域規(guī)劃中去[3]。

3.2 遙感衛(wèi)星的地面覆蓋可以用于三維模型的建設(shè)

在全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）圖形處理系統(tǒng)中，遙感衛(wèi)星獲取的圖形可以被應(yīng)用，通過處理來形成三維景觀。這種三維景觀可以讓用戶真真切切地看到大大小小的山脈等，可以用于建筑物體的規(guī)劃和設(shè)計以及地質(zhì)學(xué)者對地質(zhì)的勘測和研究。

3.3 遙感衛(wèi)星的地面覆蓋可以用于地圖的矢量更新

許許多多的軟件都有地圖的標(biāo)記，遙感衛(wèi)星獲取的圖像是最佳的地圖。它會對其實時的更新，對于人們交通的出行有很大的便利，用戶可以在軟件中查看到街道的圖像，為野外工作人員提供生存的參考條件[4]。

3.4 遙感衛(wèi)星的地面覆蓋可以用于土地的利用和規(guī)劃

遙感衛(wèi)星通過對地面的覆蓋，將地面的土地進(jìn)行分類，如耕地和住房的應(yīng)用、規(guī)劃和工廠和商業(yè)區(qū)的設(shè)置、布局等。遙感衛(wèi)星的地面覆蓋還可以運用到建筑物的設(shè)計開發(fā)中，如房地產(chǎn)的開發(fā)、城市的規(guī)劃、以及工程師的設(shè)計中等，為人們的建造提供了很大的便利。

3.5 遙感衛(wèi)星的地面覆蓋可以用于監(jiān)測變化

遙感衛(wèi)星通過對地面的覆蓋，可以完成對地面信息的捕捉和獲取，可以及時地發(fā)現(xiàn)地面發(fā)生的各類的變化。如環(huán)境保護(hù)機構(gòu)可以運用這個功能來發(fā)現(xiàn)砍伐森林的不法分子，方便環(huán)境保護(hù)機構(gòu)更輕松地獲取森林損壞的位置。這種對于變化的監(jiān)測還可以運用到城市建設(shè)和規(guī)劃中去，幫助城市實現(xiàn)更加合理的優(yōu)化和配置。

4 結(jié) 論

遙感衛(wèi)星可以幫助人們更好地研究自然資源和環(huán)境保護(hù)等工作。遙感衛(wèi)星捕獲的數(shù)據(jù)具有社會性的意義，它在氣象、地質(zhì)勘測方面發(fā)揮了不可估量的作用，為社會的進(jìn)步提供了支持和幫助，為人們的生活帶來了便利。我國的地域遼闊，物質(zhì)資源豐富，不僅資源的合理開發(fā)與利用需要用到遙感衛(wèi)星技術(shù)，自然災(zāi)害的隱患更是需要時刻關(guān)注的問題，遙感衛(wèi)星技術(shù)可以幫助人們進(jìn)行氣象預(yù)測，幫助人們提前獲取天氣狀況，為人們更加幸福的生活提供了幫助。