一种观测我国海岸线和近海的小卫星编队飞行方案

林来兴

（北京控制工程研究所，北京 100190）

1 引言

我国已成功发射了3颗海洋卫星，今后8年还计划发射8颗海洋卫星。无论是陆地卫星，还是海洋卫星，其重访时间（对同一地点进行观测的时间间隔）都是几天，最短也只有一天［1］。这仅能应对一般正常情况，但是对突发事件，例如自然灾害、地震、海啸 油污等 以及政治军事需要 特别是当前我国海域和某些岛屿主权受到侵犯时，则需要重访时间为几小时的空间遥感卫星。

本文计划釆用小卫星（4～6颗），沿航向编队飞行组成一个条带，对我国海岸线和近海（渤海、黄海、东海、南海）进行观测，其重访时间为4～6小时，重访时间可均匀分布，也可以任意根据需要设置为非均匀分布。卫星数量增加，重访时间缩短。

除此以外，本文还讨论了对海岸线、海域和陆地（近海岛屿）的各种观测的时间、空间和光谱的分辨率要求，这对海洋卫星总体设计与遥感器选取都是重要的设计依据。

现代小卫星成本低、重量轻、研制周期短，其技术性能完全可以满足要求［2］。采用此小卫星编队飞行方案，对我国近海和海岸线500多万平方千米面积的区域，每相隔几小时就能观测一次。若有需要，对关键地区可采用无人机进行更详细、更精确的观测。目前无人机先进遥感器成像分辨率为几厘米，续航时间几十小时［3］。卫星和无人机结合起来完全能满足所有突发事件的观测需求。

本文提供的是一个新方案设想，若采用这种1天回归轨道卫星沿航向编队飞行的方法，则对其他地区同样可以提高观测时间分辨率（缩短重访时间），具有普遍的应用意义。

2 对陆地与海洋观测的时间和空间分辨率要求

对空间遥感要求有4个关键技术指标：空间分辨率、光谱分辨率、辐射分辨率和时间分辨率。

空间分辨率指像素所代表的地面范围的大小，即扫描仪的瞬时视场，或是地面物体能分辨的最小单元。光谱分辨率是指遥感器在接收目标辐射的光谱时能分辨的最小波长间隔，间隔越小，分辨率越高。辐射分辨率是指遥感器接收波谱信号时，能分辨的最小辐射度差。时间分辨率指对同一地点进行遥感采样的时间间隔，即采样的时间频率，也称重访时间。

图1表示空间遥感在不同应用领域对空间分辨率和光谱分辨率的要求［4］。

图2表示空间遥感在不同应用领域对空间分辨率和时间分辨率的要求［5］。空间分辨率要求从千米到几厘米不等，这是一个相当巨大的差异。时间分辨率（重访时间）从不到1小时到10年不等。

图1 对地观测空间分辨率和光谱分辨率的要求Fig．1 Earth observation requirements：spatial resolution and spectral resolution

图2 对陆地与海洋观测空间分辨率和时间分辨率的要求Fig．2 Earth observation requirements：spatial resolution and revisit time

通过对图1分析得知：多光谱的空间分辨率要求达到优于10cm，例如对城市开发需求，目前空间遥感器还存在一定困难。用于情报服务等的全色、多光谱的空间分辨率优于1m，目前空间遥感器基本可以满足。除此以外，目前全世界绝大部分空间遥感器都可以满足图2所示的任务要求［6］。

虽然有的空间分辨率要求几厘米，例如测绘和地形观测，但是时间分辨率很低。这可以通过多次观测，不断提升时间分辨率，以满足任务要求。关于时间分辨率要求半小时或几小时，可通过星座或编队飞行来解决。

关于空间分辨率要求几厘米的观测，一方面可通过开发高分辨率遥感器，另一方面可通过降低卫星轨道高度来实现。

3 对海岸线和近海观测的时间与空间分辨率要求

陆地与海洋交接线，称为海岸线，由彼此相互强烈影响的近岸海域和滨海陆地组成，实际是一条海岸带。海岸带是地球四大圈层（水圈、岩石圈、大气圈和生物圈）共同作用，相互影响的地带。

全世界海岸线长约44万千米，我国海岸线长达1．8万千米，加上岛屿海岸线为1．4 万千米，共约3．2万千米；在漫长的海岸带蕴藏丰富的矿产、生物、能源、土地等自然资源。它不仅是国防前哨，而且是海陆交通的枢纽和经济发展的重要基地，为此对海岸线观测十分重要。

我国近海包括渤海、黄海、东海和南海。近海东西横跨25°经度，南北纵贯40°纬度，近海总面积为470多万平方千米。

不同观测任务对海岸线空间遥感的空间和时间分辨率要求如图3所示［7］。图3中包括人们对海岸线环境所关注的主要内容，不同应用领域对空间分辨率要求由1米到几千米，这种要求目前空间遥感器全部可以满足［6］。但是时间分辨率从半小时到几年，此跨度很大，关键是半小时到十几小时的时间分辨率，特别是某些需要长期观测的任务，需要专门研究，提出具体的实施方案。

图3 不同观测任务对海岸线空间遥感的空间分辨率和时间分辨率要求Fig．3 Spatial and time resolution requirements for coastal studies

对近海空间遥感的空间分辨率和时间分辨率要求比较复杂，因为近海除了海域以外，还有大量岛屿，我国大小岛屿共有5500 多个，最大台湾岛约3．6万平方千米 其次海南岛约3．2万平方千米 就是我们关注的钓鱼岛陆地面积也有6．3平方千米。为此，对它们空间遥感的空间分辨率和时间分辨率需要有一个系统和全面的要求。

4 编队飞行的轨道设计要求

海洋观测的轨道设计是总体任务分析的重要内容，必须符合总任务的需求。例如，任务需要多颗卫星在同一时间对同一区域观测；多颗卫星轮流对指定的同一地区实施连续观测，如每天观测1次、2次……；从目标分辨率和视场分析，观察期间卫星的高度范围；观察期间，地面的光照条件要求等。

针对不同任务设计不同轨道：单星轨道，多星组网，卫星编队。其中编队还有多种方式。比较常用的有：串联编队飞行（两星前后同一个轨道飞行）、沿航向编队飞行（不同时间覆盖同一个地区）、绕飞编队飞行（在同一个轨道平面飞行，队形为椭圆形）、空间圆形编队飞行、星下点圆形编队飞行等［8-9］。

轨道设计步骤：被观察区域的确定；轨道高度范围确定；轨道参数的选择确定；进入工作飞行程序；发射窗口确定；轨道特性维持等。本文仅就我国东海、南海实施多颗卫星1天内轮番观测为例，说明轨道参数选择方法。不失为一般性假设，被观测区域：北纬0°～55°，东经105°～132°。

图4 海岸线和近海遥感器覆盖星下点轨迹（示意图）Fig．4 Satellite ground track of coastline and near sea remote sensor coverage（schematic）

4．1 轨道倾角的选择

卫星星下点能够达到的最高纬度是其轨道倾角。

方案A：倾角为90°～99°。这里先考虑倾角为90°的情况 如图5所示 小卫星遥感器覆盖星下点轨迹由红线表示，观测图升交点为东经115°（可以推导出相应升交点赤经）。

图5 方案A 星下点轨迹Fig．5 Satellite ground track of scheme A

此方案特点：覆盖我国大部分海岸线和近海海域，且对全球南北两极可一天多次观测。这对了解南北两极动态变化与全球海洋和气候变化均有很大帮助，但要求遥感器具有较大视场，覆盖宽度为1500多千米，一般宽视场的遥感器还需要左右侧摆。选择适当的周期可能每天有两次经过预定区域，一次从南向北，一次从北向南，这有利于选择太阳同步轨道。

方案B：倾角选为55°～60°，观测图升交点为东经105°～110°。图6中红线表示第1颗小卫星倾角为60°，升交点为东经110°的星下点轨迹。此方案特点：可通过调整升交点赤经、选择轨道倾角，达到需要覆盖的面积最大。

图6 由6颗小卫星组成星下点轨迹Fig．6 Satellite ground tracks of six small satellites

上述两方案比较结果：A 方案需要遥感器视场较大，而且还要左右侧摆，从而降低了左右两侧的成像分辨率，并增加了遥感器结构复杂性；B方案遥感器的视场用普通海洋卫星遥感器都能满足，而且其能够覆盖的面积与需要覆盖的面积比较吻合，因此B方案较好。

4．2 回归轨道参数

为了满足每天都要经过预定区域的要求，一般选择回归轨道，回归周期为1天。对于近圆形轨道，回归轨道的半长轴和高度如表1所示。

表1 近圆形轨道的半长轴和高度Table 1 Semi-major axis and height of near circular orbit

回归轨道的特点是1天以后星下点轨迹重复。为了有一圈经过预定区域，需要进行工作轨道捕获控制，即调整轨道周期，到达一定的升交点地理经度时进入表中规定的半长轴。

4．3 卫星组网

当一天一次经过指定海域不能满足任务需要时，可以通过多颗卫星组网实现。多颗卫星有相同的星下点轨迹，以不同时间（相隔时间为重访时间）覆盖同一个地区。也就是说，它们升交点赤经不相同，升交点赤经之差（ΔΩ）是用来补偿地球自转引起星下点轨迹的变化；ΔΩ＝tω，其中t为通过升交点的时间差（也称重访时间），ω为地球自转角速度，而其他轨道根数完全相同。均匀分布升交点赤经，每颗卫星可以以相同的重访时间，相继观测指定区域［10］。例如2 颗卫星组网，每天2 次经过指定区域，间隔约12h；3颗卫星组网，每天3次经过指定区域，间隔8h，……，它们的升交点赤经差分别为180°，120°，……。

5 结束语

本文主要提出了一个针对敏感区域或者关键地域的空间遥感设计方案，采用方法为小卫星沿航向编队飞行。相隔几小时就可以对敏感区域或者关键地域普查一次；若发现疑点，则采用无人机进行详查，两者结合起来，完全能满足所有突发事件观测的要求。当采用4颗小卫星组网，则重访时间为6h。

（References）

［1］杨保华．建构中国海洋卫星体系提升海洋环境与灾害监测能力［J］．中国空间科学技术，2011，31（5）：1-8

Yang Baohua．Constructing China’s ocean satellite sys-tem to enhance the capability of ocean environment and disaster monitoring［J］．Chinese Space Science and Technology，2011，31（5）：1-8（in Chinese）

［2］Mercier M，Roser X，Terrenoire P．Toward small earth observation constellation for environment，security and defence［C］／／10th 4SSymposium，Paris：CNES，2012

［3］徐毅，罗君．无人机——未来战场的主力武器［J］．电子科学技术评论，2005（5）：1-6

Xu Yi，Luo Jun．UAV—the main weapon of the future battlefield［J］．Review of Electronic Science and Technology，2005（5）：1-6（in Chinese）

［4］Elachi C．Introduction to the physics and techniques of remote sensing［M］．Hoboken：John Wiley ＆ Sons，1987

［5］Konecny G．Geoinformation-remote sensing，photogrammetry and geographic information systems［M］．London：Taylor ＆Francis，2003

［6］林来兴．小卫星高分辨率成像系统［J］．上海航天，2011，28（6）：54-57

Lin Laixing．High-resolution imaging system of small satellite［J］．Aerospace Shanghai，2011，28（6）：54-57（in Chinese）

［7］Rainer S．Satellite earth observation and surveillance payloads，RTO-EN-SCI-209［R］．Stuttgart：German Aerospace Center，2008

［8］Leitner J A．Spacecraft formation flying-an overview of mission and technology challenges，AAS 07-031［R］．Washington D．C．：AAS，2007

［9］林来兴，车汝才．航天器编队飞行轨道构型研究［J］．航天器工程，2009，18（1）：21-29

Lin Laixing，Che Rucai．Study on orbital configuration for spacecraft formation flying［J］．Spacecraft Engineering，2009，18（1）：21-29（in Chinese）

［10］Sabol C，Burns R，Craig A．Mclaughin satellite formation flying design and evolution［J］．Journal of Spacecraft and Rockets V，2001（2）：11