远-隔重洋的跨国航天合作南南高科技合作典范"中巴地球资源卫星"项目

中国空间技术研究院资源卫星项目办公室

远-隔重洋的跨国航天合作南南高科技合作典范"中巴地球资源卫星"项目

中国空间技术研究院资源卫星项目办公室

“中巴地球资源卫星”[CBERS，在我国又称资源－1（ZY－1）]项目是由中国和巴西两个发展中国家在高科技领域开展的合作项目，至今已经走过了26年的传奇路程，被誉为南南高科技合作典范。“中巴地球资源卫星”不仅是我国航天器领域对外合作的标志，在国际上也是堪与美国“陆地卫星”（Landsat）和法国“斯波特”（SPOT）卫星齐名的“世界品牌”。

1 项目合作概况

启程

20世纪80年代中期,随着世界航天技术的快速发展和广泛应用,我国卫星技术的发展也开始从技术验证走向工程应用.1986年我国资源-1卫星开始进行方案研制,在此基础上,中巴两国很快就达成了共同合作的愿望.

1988年3月,两国专家就资源-1卫星的合作进行了讨论,确定了"中巴联合研制资源卫星的工作报告",并就合作事宜明确了以下主要原则:双方同意以平等、互利和互惠的原则联合研制"中巴地球资源卫星",以中国资源-1卫星总体方案为基础,中方承担总经费的70%,巴方承担总经费的30%,总经费包括卫星的研制费用(包括两颗飞行星)、两枚运载火箭的购置费和发射服务费.同时明确了"中巴地球资源卫星"工程的任务目标是:利用先进的空间遥感技术为中国和巴西两国的农业、林业、地质、水文、测绘和环境等资源的调查、开发、管理和检测服务;促进中巴两国遥感和空间技术的发展和应用.

1993年江泽民主席参观巴西空间院

1988年7月6日,中国和巴西两国政府签署了《中华人民共和国政府和巴西联邦共和国政府关于核准研制地球资源卫星的议定书》,议定书规定,在中国"资源"卫星设计方案的基础上,中国空间技术研究院和巴西空间院联合研制"中巴地球资源卫星",卫星发射运行后由两国共同使用."中巴地球资源卫星"的01星的合作从此拉开了序幕,这也是我国首次开展传输型对地观测卫星的研制.

首颗合作卫星实现运行

在合作过程中,该项目得到党中央、国务院的高度重视,得到了外交部、国家发改委、国防科工委、财政部的大力支持.1989年,中巴两国技术人员完成了01星的最初设计方案,卫星采用公用平台技术,同时配置CCD相机和红外相机,光学遥感谱段优于法国斯波特-3卫星,空间分辨率优于美国陆地卫星-5,一步跨越10年,赶上国际水平,消息传出后使世界震惊.

在"中巴地球资源卫星"的01星研制期间,两国领导人高度重视卫星的研制情况,先后互访视察,积极推进卫星的研制工作:1993年11月江泽民主席访问巴西空间院,1995年12月巴西总统卡多佐参观北京卫星制造厂.在两国政府的支持下,双方研制人员同舟共济,携手攻克道道难关,11年充满艰辛和曲折,我国攻克和掌握了一项又一项航天领域的核心技术和关键技术,首次成功研发4谱段红外多光谱扫描仪、5谱段CCD相机、高精度三轴稳定姿轨控、高码速率数传,形成了一大批具有自主知识产权的创新成果,实现了卫星技术的一次次突破,首次实现四大机电部件的国产化:太阳电池翼驱动机构、红外地球敏感器、动量轮、速率积分陀螺仪.

1999年10月14日,"中巴地球资源卫星"的01星成功发射,并正常运行,开创了我国民用遥感的新纪元,结束了我国遥感卫星数据应用长期依赖国外卫星的历史,是我国瞄准世界航天最前沿,勤于探索,敢于超越,用于创新11年收获的硕果.

2004年胡锦涛主席访问巴西期间参观巴西空间院

续写新篇章

进入21世纪,我国再次把目光聚焦在"中巴地球资源卫星"的02星研制项目上.该卫星在充分继承01星技术的基础上对部分技术状态做了改进,提高了卫星的可靠性和稳定性.2003年10月,02星成功发射,从而更加坚定了中巴两国合作的信心.在02星运行服务以来,资源卫星数据应用打开了新的局面,数据用户数量大幅度提高,用户遍布所有省市及大多数县级单位,资源卫星数据基本上占据我国中分辨率遥感数据市场.

2004年11月胡锦涛主席访问巴西,中巴两国签署了关于联合研制"中巴地球资源卫星"的02B星的政府协议书.2005年2月,02B星项目正式启动,卫星增加了2.36m轻型高分辨率相机,取消红外相机,增加了星敏感器和"全球定位系统"(GPS),用固态存储器取代磁带机,研制人员攻克了卫星研制中的诸多难题,实现了我国对地观测遥感卫星的又一次历史性跨越,我国首次在一颗卫星上同时实现高、中、低分辨率观测,大大提升了我国遥感卫星的空间观测能力.2007年9月19日,"中巴地球资源卫星"的02B星发射成功,开辟了新的卫星应用领域.

1995年巴西总统卢多佐访问中国空间技术研究院

2013年11月,在两国副总理见证下,两国航天局签署了《2013-2022年中国航天局与巴西航天局航天合作计划》,明确了空间技术、空间应用、空间科学等7大领域共计16个后续合作项目.2014年7月,国家主席习近平访问巴西,两国签署了《中国和巴西深化全面战略伙伴关系联合声明》,两国元首重申将重点开展空间合作,并于2014年发射"中巴地球资源卫星"的04星,同时对中巴航天合作10年计划(2013-2022年)框架下开展的合作表示赞赏.目前在两国航天局领导下,双方正在就10年计划具体项目进行论证和落实.

"中巴地球资源卫星"的04星双方各自承担项目总经费的50%,双方在研制卫星中提供与这一比例相当的合格产品.双方分工的基本原则包括:①联合进行系统和分系统的定义与技术指标的确定;②联合进行系统和分系统的评审;③联合进行分系统的产品验收工作;④负责各自承担的分系统或部件的研制生产;⑤联合进行卫星系统级装配、测试和试验;⑥如属必要,可对各自负责的分系统中的一部分进行反承包.

未来,中巴两国政府将在资源卫星领域继续合作,形成中、高分辨率光学遥感和微波遥感等系列化民用遥感卫星,实现宽光谱覆盖、高分辨率、全天候、全天时和实时动态监测的能力,进一步提高信息综合利用效率,更好地服务于国内外各应用领域.

三任"中巴地球资源卫星"总设计师合影(左起分别是张庆君、陈宜元、陈钦楠)

2 "中巴地球资源卫星"简介

作为中国和巴西联合研制的地球资源卫星,"中巴地球资源卫星"以当时国际上先进的地球资源卫星为设计目标,瞄准法国斯波特-4卫星的主要技术指标,并在此基础上增加了红外谱段成像能力.第一代"中巴地球资源卫星"最初计划研制2颗飞行星(01星和02星),卫星设计寿命2年,卫星有效载荷包括1台5谱段的CCD相机、1台4谱段的红外多光谱扫描仪(IRMSS),1台2谱段的宽视场成像仪(WFI),以及相应的数据传输与存储系统.在02星成功发射后,由于剩余部分正样备份产品,经两国政府协议,充分利用这些备份产品,调整部分有效载荷,研制发射了02B星.第二代"中巴地球资源卫星"也包括两颗飞行星,即03星和04星,在保持第一代卫星可见光、红外谱段成像特点的基础上,对有效载荷成像的性能指标进行了全面提升.

"中巴地球资源卫星"的01星进行试验

"中巴地球资源卫星"系列在轨运行情况

"中巴地球资源卫星"系列主要技术指标

"中巴地球资源卫星"的02星相机拍摄的全国影像镶嵌图

3 项目应用情况

"中巴地球资源卫星"的01、02、02B星的发射成功并交付使用,实现了资源卫星数据连续稳定服务,卫星共传回图像120多万景,惠及农业、林业、水利、国土资源、城市规划、环境保护、灾害监测等多个领域,为中巴两国及区域的经济建设和社会发展发挥了重要作用,特别是2008年5月12日的汶川地震,02和02B星组网实现双星协同运行,及时向国家相关部门提供第一手数据,为抗震救灾作出了重大贡献.同时,"中巴地球资源卫星"也推动了中巴两国的航天工业发展,低轨遥感卫星的关键部件全部实现国产化.目前,阿根廷、智利、玻利维亚、委内瑞拉、乌拉圭、巴拉圭、秘鲁、印度、意大利、西班牙、加拿大、法国、美国、挪威、澳大利亚等国家均使用了"中巴地球资源卫星"的相关数据并希望卫星数据落地.

国内应用情况

(1)国土资源

中国土地勘测规划院以02B星CCD数据作为土地利用遥感调查信息源,开展应用研究.结果表明,其CCD相机图像能够满足1∶50000和1∶100000基本比例尺的制图要求,分类结果精度达到83.8%.卫星数据在用于土地调查及土地管理方面发挥出重要作用并具有广阔的应用前景.

(2)农业

山西省利用卫星数据进行冬小麦面积、长势、墒情、估产等方面的应用,每年可节省调查经费100万元;在雁门关生态畜牧经济区建设中,利用卫星数据比常规调查方法节约500万元.中国资源卫星应用中心与江苏省遥感中心合作开展农作物长势监测研究,分别应用2004年2-4月星载宽视场成像仪图像数据,编制扬州市小麦绿度指数图.

02星红外相机拍摄的九江南部

01星宽视场成像仪拍摄的华东地区

02星CCD相机拍摄的香港

(3)林业

北京市多年使用"中巴地球资源卫星"图像数据分析北京城区绿地覆盖面积的变化情况,并在2008年为"绿色奥运"的建设提供决策支持.与贵州林业调查规划院和贵州师范大学合作,以02B卫星数据为主要信息源,采用3S技术,首次完成了有"森林之城"誉称的贵阳市1∶100000森林资源调查.

(4)绘图

在绘图领域,"中巴地球资源卫星"可用于1∶5000比例尺地形图的修测.

(5)环境保护

环境保护领域,一方面是对突发环境事件的实时监测,如对太湖水华事件的检测;另一方面是利用长期的观测数据对地面目标进行持续的跟踪,如对毛乌素沙漠地区长期的地表变化情况的监测.

(6)防灾减灾

在重大自然灾害的监测方面,"中巴地球资源卫星"始终发挥着重要的作用.利用02B星CCD和高分辨率相机的融合影像,通过分析四川汶川地震区植被的变化、三维地形和堰塞湖的分布,确定地震灾区滑坡体的影像特征和光谱特性.采用区域增长分析方法,解释北川县全区滑坡、堰塞湖的空间分布位置状况和走向.同样使用"中巴地球资源卫星"数据,对云南安宁森林火灾进行了监测.

(7)城市管理和规划

在城市管理和规划领域重点利用02B星全色、多光谱的数据融合,以提高城市遥感信息的准确度.通过对天津市城区同一区域的高分辨率相机影像和CCD多光谱影像的融合,全色的高分辨率相机遥感影像变成了信息量丰富的假彩色影像,提高了影像的解译精度,可制作细节信息准确的专题图.02B星CCD与高分辨率的融合影像,对于居民地、道路、森林、山地、河流、独立方位物等地物地貌的识别和判读比较准确,可监测城区的扩展,为城市建设和规划提供决策依据,可对精准农业提供决策支持,制作细节信息准确的专题图(如土地利用动态变化图),进行大比例尺地形图的更新.

国外应用情况

在巴西,"中巴地球资源卫星"的应用更加广泛,特别是对亚马逊热带雨林的监测和森林砍伐的控制方面发挥了重要作用.巴西政府要求其空间院每月提交一份亚马逊森林砍伐情况的报告,其数据源主要是"中巴地球资源卫星".据巴方统计,巴方每年的图像接收量达到3万景以上,拥有超过15000个用户,向阿根廷、智利、玻利维亚、委内瑞拉、乌拉圭、巴拉圭、秘鲁、印度、意大利、西班牙、加拿大、法国、美国等国家分发相关数据.巴西空间院曾对3471个用户进行了相关数据分发情况的调查, 99.4%的用户对数据满意并希望长期保持现行的数据分发策略.

2007年底,在南非开普敦召开的国际对地观测组织(GEO)部长级会议上,中国作为会议主席国联合巴西承诺向非洲大陆免费分发"中巴地球资源卫星"的数据,并协助在非洲建立数据接收站.中国政府还以"中巴地球资源卫星"加入了空间和重大灾害国际宪章(CHARTER)机制,体现了中国航天和平利用空间资源、造福人类的意愿和对世界的贡献.

4 成就和影响

"中巴地球资源卫星"系列见证并亲身参与了我国民用实时传输型遥感卫星的发展,在我国遥感卫星的发展历程中具有里程碑式的作用.其01星是我国第一颗实时传输型对地观测卫星,其首发成功被两院院士评为1999年中国十大科技进展之一,国家领导人曾高度评价"中巴地球资源卫星"的合作是南南高科技合作典范.02星是我国第一颗在轨运行超过5年的遥感卫星,02B星是当时国内分辨率最高的民用遥感卫星.

"中把地球资源卫星"的02B星高分辨率数据与02星CCD数据的拉伸融合图像(北京国际机场)

01星研制遵循了研制技术起点高、涉新技术面广、发展潜力大的赶超设计思想,获得了首发成功,首发应用,首发超寿命运行的成果.其成功运行开启了我国长寿命、三轴姿态控制、中低轨道太阳同步对地观测卫星发展应用的新纪元,为后续该系列卫星研制奠定了重要基础."中巴地球资源卫星"在新型高精度对地观测卫星平台设计、制造和总装试验领域,高分辨率可见光/近红外、中高分辨率短波红外和热红外光电成像技术领域打破了国外的技术垄断,大大缩小了我国同国外先进卫星遥感技术水平的差距,也为我国后续同类卫星的发展奠定了坚实的基础.

突破了长寿命光学载荷的关键技术

"中巴地球资源卫星"的有效载荷配置从方案设计时起即紧紧瞄准国际技术发展的前沿,并充分考虑我国自身技术发展的水平和应用的需求.参考了法国"斯波特"卫星和美国"陆地卫星"的技术特点,确定了有效载荷的配置方案.卫星配置了空间分辨率为19.5m的5谱段CCD多光谱推扫式相机,覆盖了0.45~0.89μm的可见光谱段,扫描幅宽为113km;配置了4谱段红外多光谱扫描仪,覆盖了0.50~2.35μm的可见光和近红外以及10.4~12.5μm的远红外谱段,扫描幅宽为119.5km;此外,还配置了扫描幅宽890km、空间分辨率258m的宽视场成像仪,具备0.63~0.69μm和0.77~0.89μm两个谱段.遥感谱段设置与陆地卫星-5相近,但空间分辨率比其高;空间分辨率与斯波特-3卫星相近,但谱段比其多.

形成了一个性能优良、稳定可靠的遥感卫星平台

研制"中巴地球资源卫星"的一个重要指导思想是卫星平台化设计,同时实现卫星重要部件的国产化,推进中巴两国在卫星平台和关键部件研制水平等方面的提升,增强卫星对不同载荷的适应性,从而促进其他空间遥感项目的研制.

1)在国内首次突破了太阳同步回归冻结轨道控制技术,达到了国际先进水平,特别是成功地解决了中低轨道长弧段、大机动和短脉冲以及在一个轨道周期进行2次脉冲控制的高精度轨道控制技术.

2)姿态与轨道控制系统首次采用整星零动量三轴稳定的轮控技术,太阳电池翼驱动机构、敞开式长寿命红外地球敏感器、全视场太阳敏感器、1N小推力发动机、全管理表面张力贮箱、液浮速率积分陀螺、动量轮等均为自主研制产品.

3)国内首次突破了千瓦级太阳电池阵制造和试验技术.太阳电池基板,太阳电池翼展开、锁定机构等均为自主研制产品.

4)突破了短期大功率负载的热控制和地面试验验证技术,充分利用仿真分析确定重要载荷的热设计方案,地面试验和飞行数据有力的证明了整星热设计、热分析和验证技术的正确性.

5)首次在国内采用S频段测控体制和星上数据管理系统(OBDH),提升了星地数据交互与星上数据管理的自主能力.卫星测控和星上数据管理总体设计方案先进,其信道部分采用国际通用的S频段测控体制,其视频部分采用了分布式数据总线管理体制的星载数据管理系统.上述两个系统在国内均是"中巴地球资源卫星"首次使用后推广到其他型号卫星上的.

促进了遥感应用的发展

"中巴地球资源卫星"对于国内应用系统的建设、图像处理方法的发展以及遥感用户的培育都起到了重要的作用.中国资源卫星应用中心在全国共有2000余家用户,长期用户超过了500家.卫星数据广泛应用于农业、林业、国土资源调查、城市规划、应急与减灾以及地矿等领域.特别是在南水北调、青藏铁路、三峡工程以及巴西热带雨林监测和森林砍伐的控制等方面发挥重要作用.

提升了中巴双方的卫星研制与管理水平

20多年来,中巴两国坚持平等互利,技术互补,在合作中进行了管理上的科学探索,实现了技术、管理全方位自我超越,形成了具有中国特色的管理创新成果,研制一颗卫星,培养一支队伍,造就一批人才.通过"中巴地球资源卫星"的研制,造就了一支技术精湛,作风优良的航天人才队伍,一代又一代风华正茂、素质全面的航天人正在承担着我国空间事业继往开来的历史重任,20多年来,我国用技术交流合作,用真情跨越国界,用赤诚珍藏友谊,"中巴地球资源卫星"项目在平等互利、取长补短,共同发展的基础上,增进和加强了空间领域的国际合作,是中国改革开放30年高科技对外合作领域收获的丰硕成果.

中巴两国都没有研制传输型光学遥感卫星的经验,作为首个大型国际合作项目,更缺乏国际合作的经验.为了保证研制的顺利进行,两国研制人员积极寻求、打造有效合作的模式和交流平台,通过引入国际先进的项目管理理念和航天标准提升研制能力和管理水平.

1)创造性地推广使用设计建造规范规定卫星产品的设计与建造标准,创造性地推广使用接口数据单(IDS)来规范单机、分系统的接口,编制了相应的标准.

2)创建了"中巴地球资源卫星"的工作分解结构(WBS),并编制了院标和国军标.

3)采用软件工程化的概念和方法规范软件的开发,参照美国航空航天局和欧洲航天局的软件标准,编制了8个软件标准,并逐步完善为院标和部标.其中姿轨控软件和数管软件还是首次采用在轨可修改的设计理念,为在轨故障处理和软件的完善提供了保证.

4)运用工作陈述(SOW)规范工作项目和管理活动.

5)创建了联合研制项目的产品质量管理方法,大型试验分工协作的模式以及文件体系,同时也逐步把我国航天型号质量和技术管理的先进经验引入到"中巴地球资源卫星"的研制中.

可以说,"中巴地球资源卫星"的研制为中国空间技术研究院规范研制程序,在型号研制中全面实施项目管理奠定了良好的基础.同时,巴西空间院也通过该项目,逐步建立了包括振动台、真空罐、电磁兼容性(EMC)实验室、噪声实验室以及总装测试大厅、飞行控制中心、数据处理中心、地面测控和数据接收站等在内的完整的卫星研制、在轨管理和数据处理分发的基础设施.

5 结束语

"中巴地球资源卫星"定位于执行中等分辨率大观测幅宽的对地遥感任务,从1988年至今已经走过了26年的风雨历程.该项目极大促进了中巴两国对地观测卫星技术的进步,为两国国民经济的发展做出了重要贡献.作为最具延续性的卫星项目之一,"中巴地球资源卫星"也成为国际知名品牌走向了世界,是中巴两国携手高科技领域合作、和平利用外层空间的标志,享有国际声誉.相信随着两国航天领域合作的不断深入,"中巴地球资源卫星"一定能够创造出新的辉煌.