美国“陆地卫星数据连续性任务”卫星拟于今年发射

1 背景介绍

“陆地卫星”系列卫星是美国从1972年开始研制和发射的地球观测卫星，由美国航空航天局（NASA）和美国地质调查局（USGS）联合研制，其数据可用于农业、水文管理、灾害响应、科学研究和国家安全等各领域。目前共有2颗“陆地卫星”在轨运行，分别是1984年发射的陆地卫星－5和1999年发射的陆地卫星－7，其中陆地卫星－7是唯一的业务运行卫星，但已处于超期服役状态，而且星载遥感器已经出现问题，导致数据采集质量有所下降；而陆地卫星－5仅能通过多光谱扫描仪采集到有限的数据。因而研制和发射下一代“陆地卫星”的任务就非常紧急。

美国政府曾探讨了多种替代方案，结果导致“陆地卫星数据连续性任务”的研制被迫推迟。目前的方案是研制和发射一颗专用“陆地卫星数据连续性任务”，它称为“自由飞行器”。2005年末，总统行政部门宣布由美国航空航天局和美国地质调查局通过合作的形式共同执行该方案。随后，这两家机构参照陆地卫星－7的研制和运行经验，就合作达成了一致意见。美国航空航天局负责“陆地卫星数据连续性任务”系统空间段的研制、发射和初始检查，以及整个任务集成的监督；美国地质调查局负责地面段的研制，并将在检验阶段后，负责卫星和地面系统的运行。尽管在近期的一系列测试中，卫星平台和有效载荷均出现了不同程度的技术问题，但这两家机构表示争取在2012年12月发射“陆地卫星数据连续性任务”，并在2013年早期，北半球生长季之前，进入卫星业务化运行。

与美国法律和政府政策一致，“陆地卫星数据连续性任务”的目标是连续收集、存档和分发多光谱图像，为地球陆地表面提供全球、重复性覆盖，以监测、区分、描绘和监测自然与人类引起的变化。作为“陆地卫星”系列的后续任务，“陆地卫星数据连续性任务”的主要任务是保持“陆地卫星”数据的连续性，主要包括：①中分辨率多光谱数据（地面分辨率约30m）的采集与存档，连续提供全球大陆季节性覆盖5年以上；②确保“陆地卫星数据连续性任务”的数据与之前“陆地卫星”任务内在的一致性，根据采集方式、校准、覆盖特征、光谱特征、输出产品质量以及数据可用性，在未来进行陆地覆盖和陆地使用变化情况的研究；③基于无歧视和免费原则向公众发布“陆地卫星数据连续性任务”数据产品。该任务将通过美国地质调查局地球资源观测与科学中心（EROS）向美国地质调查局国家卫星陆地遥感数据档案中心（NSLRSDA）提供“陆地卫星数据连续性任务”数据产品至少5年。该档案中心拥有世界最大的对地观测数据记录，是一个了解地球表面变化、气候变化、经济、社会和国家安全影响的重要资源。

2 卫星系统概况

“陆地卫星数据连续性任务”由卫星平台和有效载荷组成。该卫星将运行在高约705km的太阳同步近圆轨道，降交点地方时为10：00至10：15，与第三代“陆地卫星”轨道相同。卫星采用SA－200HP平台，发射质量2623kg，干质量1512kg，设计寿命5年，带有386kg肼燃料，可满足卫星10年的运行需求。卫星带有单边太阳电池翼，对太阳单轴定向，采用三结砷化镓太阳电池，带有125Ah的氢镍电池，电源系统寿命末期提供功率4500W。

“陆地卫星数据连续性任务”采用三轴稳定控制方式，姿态敏感设备为3台星跟踪器、1台比例惯性参考单元（SIRU）、12台粗太阳敏感器和2个三轴磁强计组件；姿态控制设备为6台反作用飞轮和3个磁力矩棒。姿态敏感精度46µrad（3σ），姿态敏感稳定度0.12µrad/2.5s，控制精度30µrad（3σ），姿态控制稳定度0.21µrad/0.5s。卫星俯仰向侧摆180°并且稳定的时间小于14min，滚动向侧摆15°并且稳定的时间小于4.5min。卫星带有8台22N推力器，可提供的总速度变化△V为334m/s。星上存储容量4Tbit，寿命末期为3.1Tbit。

2008年4月，美国通用动力先进信息系统公司（GDAIS）获得了“陆地卫星数据连续性任务”合同。该合同包括卫星的组装和测试，产生接口控制文件、有效载荷和整个卫星集成；测试、运载至发射场、运载火箭集成支持与在轨测试。

“陆地卫星”发展历史

“陆地卫星数据连续性任务”的性能参数

2010年4月，轨道科学公司（OSC）收购了通用动力先进信息系统公司旗下的卫星信息系统部。随后，由轨道科学公司负责“陆地卫星数据连续性任务”平台设计与组装，以及有效载荷集成、卫星级测试、卫星在轨检查和在轨技术支持，此外他们还将提供一个卫星模拟器。2009年10月，卫星顺利通过关键设计评审。卫星装有一个3.14Tbit的固态数据存储器和X频段天线。X频段天线将实时传输业务陆地成像仪（OLI）和热红外探测器（TIRS）数据或回传存储器数据。卫星平台的组装在设计评审后启动。

3 有效载荷

“陆地卫星数据连续性任务”的2个主要有效载荷为实时传输业务陆地成像仪和热红外探测器。卫星平台和实时传输业务陆地成像仪通过私人供应商采购，美国航空航天局负责研制热红外探测器。2个有效载荷将同时收集全球陆地表面多光谱图像，包括沿海区域、极地冰、群岛和大陆地区，然后将其存储至星载存储器上，并将数据传输至地面接收站。

实时传输业务陆地成像仪

2007年7月，美国航空航天局授予鲍尔宇航与技术公司实时传输业务陆地成像仪的研制合同。实时传输业务陆地成像仪包括9个短波谱段，幅宽185km，全色分辨率15m，其他谱段30m。实时传输业务陆地成像仪是1台推扫式相机，成像谱段与陆地卫星－7上的增强改进型专题制图仪（ETM+）相似，但增加了1个海岸气溶胶谱段（1号谱段）和1个卷云探测谱段（9号谱段），用于探测卷云图像，因成本原因取消了热红外谱段。实时传输业务陆地成像仪量化值为12bit，数据信噪比较高。

实时传输业务陆地成像仪为多光谱成像仪，它沿用了地球观测（EO－1）卫星（美国航空航天局于2000年11月21日发射）上搭载的先进陆地成像仪（ALI），采用推扫式结构设计，包含一个由长阵列光敏探测器组成的焦平面组件（FPA）。焦平面组件由14个焦平面模块（FPM）组成。不同于小型焦平面和扫描镜，14个焦平面模块能覆盖整个“陆地卫星数据连续性任务”卫星穿轨视场。每个焦平面模块在沿轨方向含9个谱段。沿轨方向的谱段分离能在前后谱段之间产生约0.96s的时间延迟。虽然这个时间延迟不长，但能在谱段之间产生显著的地形视差效应，这对多光谱图像谱段配准将是一个很大的挑战。

实时传输业务陆地成像仪性能参数

陆地卫星－7的增强改进型专题制图仪成像性能参数

实时传输业务陆地成像仪饱和辐射亮度和信噪比参数

热红外探测器

2009年12月，美国航空航天局在取消了实时传输业务陆地成像仪上的热红外谱段后，又安排了戈达德航天飞行中心（GSFC）研制专用于热红外谱段成像的热红外探测器。热红外探测器是一台推扫式遥感器，由长阵列光敏感探测器焦平面组成。它也是一台基于量子阱红外探测器（QWIP）的遥感器，分为3个640×512的面阵沿焦平面中心线交替排列，工作温度为43K。热红外探测器上的2个红外通道的中心波长为10800nm和12000nm，这2个谱段通过覆盖焦平面组件的干涉滤波器来实现。

实时传输业务陆地成像仪结构图

实时传输业务陆地成像仪主要参数

热红外探测器载荷性能指标

热红外探测器饱和度辐射亮度和等效噪声温差参数

热红外探测器结构图

4 地面系统

“陆地卫星数据连续性任务”卫星地面系统主要由以下部分组成：

· 任务运行单元（MOE），由铁锤（Hammer）公司研制，负责指令与控制、任务计划与进度安排、长期趋势分析以及飞行动力分析。

· 采集活动计划单元（CAPE），负责开发一组图像采集与成像仪的定标活动。

· 地面网单元（GNE），由2个节点组成，分别位于阿拉斯加州矿业中心和南达科他州苏福尔斯市。每个节点包含一个地面站，负责接收“陆地卫星数据连续性任务”卫星的X频段数据。此外，每个地面站提供S频段上行和下行数据传输。地面网单位负责将数据发送至数据处理和存档系统（DPAS）。

“陆地卫星数据连续性任务”卫星地面系统结构图

· 数据处理和存档系统，包括获取、存档、校准和分发“陆地卫星数据连续性任务”数据与产品。另外数据处理和存档系统还将数据传送给用户。数据处理和存档系统将位于美国地质堪调局的地球资源观测与科学中心。

除任务运行单元外，其他单元均由美国地质调查局依据其支持服务合同研制。

美国地质调查局及其相关的支持与研发机构将负责：

· 研制地面系统（由飞行运行和数据处理与存档段组成），不包括任务运行单元的采购。

· 提供所有任务段的地面系统功能区域专业技术。

· 领导、投资和管理陆地卫星科学小组。

· 获取飞行运行小组（FOT）并生产飞行运行小组产品。

· 在完成在轨检查后，管理和运行“陆地卫星数据连续性任务”卫星。

· 根据美国航空航天局授予的“陆地卫星数据连续性任务”系统在轨接收和管理合同，接收并执行所有与实时传输业务陆地成像仪有效载荷、热红外探测器有效载荷、卫星平台以及任务运行单元相关的转移行为。

· 提供美国地质调查局管理部分的系统工程。