多种遥感器组合的卫星遥感技术

<P>2005年8月26日,俄罗斯的地球遥感卫星“监测者”E射升空。这是俄罗斯最新的地球遥感卫星系统的第一颗卫星。该系统将至少由E、I、S、O、R等5颗卫星组成轨道群。这些卫星采用低成本、标准化的“快艇”小卫星平台,其上将装载多种类型(可见光、红外、微波)的遥感器,具有高空间分辨率和高时间分辨率,还将采用干涉测量和星上智能等新技术。</P>
<P>“监测者”系统不仅将极大地提高俄罗斯在世界遥感应用市场的竞争力,同时也再次表明:在高技术飞速发展的21世纪,为了满足遥感信息应用领域对遥感信息获取技术高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、宽刈幅、全天时和全天候功能的需要,多种遥感器组合的卫星遥感技术正成为世界航天遥感技术领域的一个发展热点。 </P>
<P><BR>多种卫星遥感器组合技术是指由多种不同性质和类型的遥感器共同组合为一个相互协调工作、功能互补、多种资源共享的遥感观测系统的技术。此系统可以分为三类:集若干个遥感器的功能于一身的单个遥感器系统;集多种不同性质和类型的遥感器于单一卫星平台上,完成多种观测功能的遥感系统;由分别装载于相同或不同规格的卫星平台上的多种遥感器组成的轨道群、星座、编队或组网的遥感系统,利用系统中多种遥感器的功能互补、信号相干和相互校正等特性,经地面数据接收站系统的融合处理后,完成虚拟大卫星的探测功能。 <BR><BR>一、多种遥感器组合的卫星遥感技术 <BR><BR>1.集若干个遥感器的功能于一身的单个遥感器系统技术 <BR>由中国制造并装载于神舟4号和神舟5号飞船上的多模态微波遥感器(M3RS)是集辐射计、高度计和散射计三种微波遥感器的功能于一体的综合性微波遥感器。这种集主动式(雷达高度计和雷达散射计)和被动式(多频段微波辐射计)微波遥感于一体的多功能微波遥感系统属世界首创。它减小了载荷质量、缩小了体积、降低了功耗,可以获得对同一观测区域的不同遥感器的观测数据。通过对这些数据的融合处理,可以获得更多的观测信息。同时,M3RS又是我国第一个试验性的星载微波遥感器系统,实现了在一个系统中对3种主要微波遥感器进行技术试验,为进一步发展我国业务型微波遥感器创造了条件。 </P>
<P><BR>神舟4号和神舟5号上的多模态微波遥感器主要用来对海洋进行观测,同时兼顾陆地遥感观测。 <BR>对航天系统而言,实现有效载荷系统的模块化、集成化,降低系统的质量、体积和成本的优化性技术尤为重要。单机遥感器组合模式的设计思想是基于对各个模态所要用到的资源进行优化配置,并通过时分复用方式进行资源共享,在保证各模态的逻辑功能完整性的前提下,尽量减少物理实现所用的资源。神舟号飞船的多模态微波遥感系统的成功填补了我国航天微波遥感的空白,实现了一次技术跨越,也代表了近代微波遥感技术的发展趋势。 </P>
<P><BR>2.集多种不同性质类型的遥感器于单一卫星平台上,完成多种观测功能的遥感系统技术 <BR>为了同时完成“定性、定位、定量”的任务,满足卫星遥感对地观测的时效性、准确性以及全球或区域能力的需求,仅靠以往获取经周围环境影响、大气传输影响、大气反射影响、遥感器自身性能的影响后变形的、且不完整的地物电磁波能量信息的单台遥感器是不够的,也是以往“定性”靠遥感器、“定位”靠地面测量技术的遥感信息处理技术所不能完成的,需要在卫星观测平台上增加各种辅助遥感器以便进行修正和校正,同时还要增加测量位置、姿态、高度或距离的遥感器,尤其需要依靠来自包括紫外、可见光、红外、微波等各种波谱段的多种遥感器的多源信息,并发挥其各自的优势、相互补充,共同构筑遥感对地观测系统。 <BR>世界上已发射的多功能综合遥感卫星“环境卫星”1、“先进地球观测卫星”(ADEOS)1和</P>
<P>2、“水”卫星和“土”卫星均属集多种不同性质和类型的遥感器于单一卫星平台上,完成多种观测功能的遥感系统,如表所示。 <BR>以2002年3月发射升空的欧洲多功能综合遥感卫星“环境卫星”1为例,该卫星上装载了10台遥感器,代表了上世纪末和本世纪初世界航天遥感领域的先进技术水平。10台遥感器协调工作,共同完成对大气、海洋和陆地的全球综合观测任务。10台遥感器分别为:先进合成孑L径雷达(ASAR)、雷达高度计(RA-2)、微波辐射计(MWR)、先进沿轨迹扫描辐射计(AAT-SR)、中分辨率成像光谱仪(MERIS)、掩星式全球臭氧监测仪(GOMOS)、扫描成像大气吸收光谱仪(SCIAMACHY)、被动式大气探测密歇尔松干涉仪(MIPAS)、卫星激光测距(LRR)、多普勒测轨和无线电定位卫星集成系统(DORIS)。 <BR><IMG src="http://qkzz.net/images/m/zght/376926-1.jpg"> <BR>“环境卫星”1能监测诸如海平面高度、海洋重力场、海面浪场、风场、流场、潮汐、温度场和海冰等海洋动力环境以及海洋水色环境和海岸带,测量大气化学成分、恒星光谱、大气臭氧层和温室效应,并能显示气体以及气溶胶浓度分布。此外,“环境卫星”1上的合成孔径雷达、中分辨率成像光谱仪和沿轨迹扫描辐射计等,既能用于海洋和冰盖探测,还能用于陆地遥感,如植被、土地、地质、水灾及水文参数测量。 <BR></P>
<P>3. 分别装载于相同或不同规格的卫星平台上的多种遥感器组成的星座、编队或组网的遥感系统技术 <BR>目前,世界上最典型的卫星遥感系统即是以美国为首、多国参与的大型国际合作项目“地球观测系统”(EOS)。EOS计划旨在对陆地、海洋和大气进行综合的、全方位的、长时期的观测研究,通过在全球性和区域性范围内观察和研究地球的变化,了解全球环境的变化规律,从而为保护地球环境而采取更大的行动和为实现人类社会的可持续发展创造条件。 <BR>要从全球的角度来系统地研究地球环境问题,需要获取大量的大气、陆地和海洋的信息,并要深入了解它们之间的复杂关系。在观测数据的采集方面需要: </P>
<P><BR>(1)在时间上是长期的(10年以上)、连续的,有时要求是同时的(各种遥感器); <BR>(2)在空间上要全球覆盖,有些区域要求短时间重复覆盖; <BR>(3)在观测谱段上要求从可见光到微波各类遥感器的多种类型数据。</P>
<P> <BR>为达到上述目的,必须统一考虑对地观测系统的卫星平台、有效载荷、地面接收及数据处理和应用系统,即建立星座、编队及组网中的多遥感器组合模式的遥感观测系统。 <BR>EOS系统复杂,卫星数量和遥感器种类繁多。该系统利用不同轨道的众多卫星上所装载的不同类型的20多种遥感器进行协同观测,由统一指挥和控制的多座地面接收站进行统一接收,并通过地球观测系统的数据与信息 <BR>系统(EOSDIS)将所获得的数据进行数据存档、处理、分发和信息管理服务等工作,之后再由动态的分发网络统一分发,供用户从多角度进行多学科的长期研究。 </P>
<P><BR>具有国际合作特点的EOS系统各个阶段的卫星任务和星载遥感器各有不同。它们有机地联成一体,共同构筑地球观测系统的整体框架。EOS系统卫星有几个特点,这些特点充分体现了星座、编队及组网中的多遥感器组合模式的优越性:其一是以EOS-AM上午星和EOS-PM下午星为代表的全球综合性半日周期观测形成系列;其二是即时观测卫星、半日周期卫星、数周周期卫星形成系列;其三是对陆地、海洋和大气以及对极地和热带的观测卫星形成系列;其四是卫星分阶段不断发射,使EOS系统可连续工作达十几年,保障了EOS系统科学目标的实现。 </P>
<P><BR>EOS系统第一系列(1999~2003年)的卫星包括美国(包括与日本、欧空局合作发射)、俄罗斯、日本和欧空局的卫星。它们分别承担了对大气、水、海洋、生物和陆地等地球综合圈层的测量和信息获取任务。 </P>
<P><BR>从2004年开始,EOS计划进入跟踪系列阶段。在这个阶段,“土”卫星、“水”卫星、大气化学观测卫星(EOS-CHEM)和“陆地卫星”7等系列卫星将陆续发射后续星。卫星的任务仍将集中在以下主要科学目标的实现上,包括大气化学、大气物理和大气循环、全球水循环及水文、海洋地理及极地研究、土地覆盖、土地利用、陆地生态系统、动态地球过程和地质及自然灾害等。 </P>
<P><BR>除EOS系统外,国外已列入今后几年发展计划,并开始组建的地球观测卫星星座或编队系统还有: <BR><a href="http://www.pcc.cn" target="_blank" >(1)地球资源观测卫星(EROS)星座 <BR>以色列国际图像卫星公司的EROS星座,至少包括一颗EROS-A(于2000年12月发射,地面分辨率为1.8米,重访周期为1.8天,最大覆盖间隔4天),和5颗EROS-B(计划在今后几;年发射)。卫星星座组成后,对覆盖范围内的任何位置,一天至少成像两次,星座可全球覆盖。 </A></P>
<P><BR>(2) “地球观测”(EO)卫星和“陆地卫星”编队飞行 <BR>EO-1卫星于2000年11月发射,轨道与“陆地卫星”7相同(高度700千米、倾角98.7度的太阳同步轨道)。EO-1不仅与“陆地卫星”7编队飞行,还加入了EOS星座。 </P>
<P><BR>(3) “雷达卫星”2和3编队飞行 <BR>由加拿大航天局和麦克唐纳.德特威勒公司联合投资研制的,“雷达卫星”2和3一前一后编队飞行,执行干涉测量任务,收集全球地形和地表特征的超高精度详细数据。 </P>
<P><BR>(4)用户定义卫星协同星座(COCONUDS) <BR>该星座是由法国地理系统公司、NRI、SSSL和荷兰国家宇航实验室等共同设计,在欧盟框架内实施的计划。星座包括9颗卫星,运行于近地轨道,分辨率为30米,4个光谱段,幅宽为350千米。星座能每天覆盖全球,满足高时间分辨率的要求。 </P>
<P><BR>(5)“快眼”(RapidEye)星座 <BR>“快眼”是商业小卫星星座,由德国戴姆勒.克莱斯勒宇航公司(DASA)和OHB系统公司研制,计划发射4颗或8～10颗,用于全球遥感和三维测绘。每颗卫星质量小于600千克。星座能提供6.5米分辨率的宽幅多光谱图像,重访周期约为一天。星座的每颗卫星都装载CCD相机,成像幅宽约150千米,侧视角为±22度,确保每天全球覆盖;卫星将等距离分布在太阳同步轨道上,每颗卫星都具有偏航能力,还可通过遥测、跟踪和控制器件,在任何时刻改变航向。卫星具有星载数据处理和存储器件以及可下传所需图像的高速X波段通信系统。 </P>
<P><BR>(6)“灾害监测星座”(DMC) <BR>英国萨里卫星技术有限公司研制的“灾害监测星座”(DMC)包括5颗微型卫星,监测全球自然和人为灾害,还进行动态地球观测。每颗星上装有由两个CCD相机组成的地球成像系统,有6个谱段(包括可见光、近红外和全色),可生成分辨率为6.5米的150千米×1000千米的图像。星座卫星平台采用星敏感器、反作用飞轮和磁力矩器等进行三轴稳定。轨道测定和控制采用GPS接收机和氮气喷射系统(星座的第一、二颗卫星由阿尔及利亚和英国联合研制)。 </P>
<P><BR>(6)观测地中海周边地区的小卫星星座系统“地中海天宇”(COSMO-Skymed) <BR>由意大利航天局投资,阿列尼亚公司研制的“地中海天宇”小卫星星座系统包括7颗小卫星,其中有4颗各重140千克、X波段、分辨率为3米、4天覆盖全球、区域重访周期为12小时的合成孔径雷达小卫星,主要用于地中海周边地区的险情处理、沿海地带监测和海洋污染治理。 </P>
<P><BR>(7)“对流层和平流层水汽”(WATS)卫星星座 <BR>WATS卫星星座由12颗小卫星组成,用,于监测全球大气水汽分布变化,每6颗星组成一个编队,两个编队分别位于650千米和850千米高的不同轨道,编队的每颗卫星位于相同倾角的不同轨道面上。 </P>
<P><BR>(8)“中华卫星”3/业务气象预报、太空天气和气候观测的卫星星座观测系统(ROCSAT-3/COSMIC) <BR>ROCSAT-3/COSMIC是美国航宇局和中国台湾正在组建的一个由6颗微型卫星组成的星座,主要用于气象、电离层、气候和重力数据收集。该项目已改称“福卫”3。 <BR><BR>二、多种遥感器组合的关键卫星遥感技术 <BR><BR>任何系统的最佳设计准则均应该是做出各种性能参数和质量指标的综合权益和合理搭配,并采用相关的高新单元技术,设计出高性能、高应用效益的系统。遥感系统设计的优劣不仅决定着最终获取的图像质量是否满足用户的需求,还决定着成本、进度、可靠性、风险和整体优化的实现。从而在更高层面上影响着最终任务的完成。 遥感器多模态体制的关键技术包括:遥感器的配置、卫星平台的轨道与姿态控制、星上信息处理技术、遥感数据/图像融合技术等。 <BR><BR>三、结束语 <BR><BR>目前,国际上卫星遥感对地观测系统的发展进入了一个技术全面升级的阶段。卫星系列的空间分辨率正在以每10年一个数量级的速度提高,高分辨率/超高分辨率信息已经成为本世纪前10年新一代遥感卫星空间分辨率的基本发展方向;对同一地面目标进行重复观测的时间间隔日益缩短,具有中空间分辨率遥感卫星的重复观测周期已经小于1天;光谱分辨率也已经从上世纪70年代的50～100微米发展到目前的5～10纳米。遥感已具备了探查地表物体的性质以及不受天气影响全天候对地观测的能力。 <BR>未来,随着遥感在全球变化研究和区域资源、环境动态监测领域应用的不断深化以及社会需求的牵引,卫星遥感对地观测技术的星座/组网/编队技术、星上遥感器自主式导航和控制技术、在轨图像处理技术、红外图像/可见光图像/超光谱图像盾达图像的融合处理技术以及“智能”遥感系统等遥感技术必将得到更大的发展。 <BR></P>

<a href="http://www.pcc.cn/" target="_blank" ><FONT color=#000000><FONT color=#f70909>(1)地球资源观测卫星(EROS)星座 <BR>以色列国际图像卫星公司的EROS星座,至少包括一颗EROS-A(于2000年12月发射,地面分辨率为1.8米,重访周期为1.8天,最大覆盖间隔4天),和5颗EROS-B(计划在今后几;年发射)。卫星星座组成后,对覆盖范围内的任何位置,一天至少成像两次,星座可全球覆盖。</FONT> </FONT></A>详情