资源一号业务卫星发展综述

2020-12-25 07:13李一凡韩波王啸虎张宏宇雷勇张明磊
航天器工程 2020年6期
关键词:光谱研制卫星

李一凡 韩波 王啸虎 张宏宇 雷勇 张明磊

(中国空间技术研究院遥感卫星总体部,北京 100094)

基于《国家民用空间基础设施中长期发展规划》和国务院批复的《陆海观测卫星业务发展规划(2011—2020)》,资源一号02D卫星(又称为5米光学业务卫星)作为陆地资源调查监测卫星业务一期建设内容,重点满足国土资源地形、地貌、地表覆盖调查,土地用途、位置、品质变化监测,矿产资源调查等方面的紧迫需求。以资源一号卫星系列的成熟技术为基础,选择可见近红外相机和高光谱相机为主载荷,在接替资源一号02C卫星业务的同时,为1∶10万~1∶25万国土资源的调查、监测和监管等主体业务提供国产数据保障,并服务于应急、生态、住建、交通、农业农村、林草局和中科院等政府部门的业务应用。面向新时期用户需求,卫星配置了先进的高几何精度、高光谱精度以及大幅宽可见近红外和高光谱载荷,并对卫星平台的姿态机动能力、姿态测量、时间同步精度、对地数据传输以及结构热稳定性等方面进行了升级改进,图像质量和卫星图像获取效能大幅提升。本文系统梳理了资源一号系列卫星的发展历程,介绍了资源一号02D卫星的功能组成、研制历程、各研制阶段的重点工作;最后结合在轨应用情况和资源一号卫星系列发展历程,给出了有序发展业务卫星的建议。

1 资源一号系列卫星发展历程

在陆地资源卫星将近50年的发展过程中,最具代表性的有中巴地球资源卫星(China Brazil Earth Resource Satellite,CBERS)系列[1](如表1和图1所示)、美国的陆地卫星(Landsat)系列、世界观测卫星(WorldView)系列,法国的地球观测卫星(SPOT/Pleiades)系列,印度遥感卫星(IRS)系列等。此外,欧盟、日本、以色列、俄罗斯也都有各自的资源卫星。从资源卫星发展的历史来看,各国都非常注意卫星的系列化,形成相对独立且比较完善的对地观测系统。

表1 资源一号系列卫星发射时间及主要特点Table 1 Launch time and characteristic of ZY-1 satellite family

图1 资源一号卫星系列发展历程概览Fig.1 Progress of ZY-1 satellites

资源一号02D卫星属于资源平台系列卫星,1999年发射的资源一号01卫星,是资源一号系列的首颗卫星,由中国和巴西联合研制,也是我国第一颗传输型遥感卫星[2]。在01卫星的研制基础上,后续研制并发射了多颗资源一号系列卫星,如图1所示,通过三代、7颗卫星的成功研制,实现了卫星研制模式从试验应用型向业务服务型的转变。其中的资源一号02C卫星是我国第一颗由用户订制建造的业务卫星,成功探索出了一条业务卫星发展的新模式,为后续的“陆海规划”等业务卫星发展规划的提出奠定了基础。资源一号02D卫星作为资源一号02C卫星的接续星,在保证数据连续的同时提升了光谱分辨率和幅宽,满足观测要素多样化、精细化的需求。

2 研制策略

2.1 研制目标

资源一号02D卫星的研制目标是实现1∶10万~1∶25万的国土资源主体业务光学卫星数据国产化率达到50%以上。卫星数据主要用于开展土地利用动态监测、基础地质调查、成矿带矿产资源调查、资源开发现状监测、地质灾害调查与监测、生态地质环境调查、境外矿产资源调查等,并及时提供公益性及社会化共享服务,包括农作物长势监测、林业森林变化、交通选线规划、水土流失调查、海岛海岸带监测、灾害背景及风险监测、地理国情监测、环境空气质量监测等。

资源一号02D卫星是我国陆地中分光学星座的重要组成部分,除满足各行业迫切业务需求外,还肩负建设我国中等几何分辨率、高光谱分辨率、大幅宽高效覆盖的遥感卫星体系,牵引并提升我国空间遥感定量化应用能力的使命。

根据我国人口分布情况,可以将国内分为四类地区(图2),其中一类区主要包括155个50万以上人口城市的市辖区,以及长三角、珠三角地区,面积约58万平方千米,属于遥感监测重点地区;二类区包括除一类区外的50万以上人口城市的所辖县(市),面积约162万平方千米;三类区包括除一、二类区以外的中、东部地区,以及西部地区的重点区县,面积约554万平方千米;四类区主要为西部沙漠、戈壁和无人区,面积约186万平方千米,该地区多为高山、高原、沙漠、戈壁,人口稀少。中分光学星座面向自然资源部定义的我国二、三类地区(如图2中绿色及橙色区域)的快速覆盖,与高分星座相互配合,有助于完善我国遥感观测体系,提高观测效率并降低系统建设成本[3]。

2.2 研制策略

1)有效载荷研制策略——“小步快跑”

有效载荷是实现用户任务和决定卫星研制难度的关键。尤其对于业务类卫星,用户一方面要求卫星系统研制难度、进度、风险可控,同时希望卫星在任务能力、技术指标方面尽可能提升,最大限度满足用户未来业务需求,因此业务类卫星的有效载荷选择需要综合考虑技术指标先进性和其工程可实现性。

资源一号02D卫星可见近红外相机的谱段配置、分辨率、幅宽等主要技术指标相比02C卫星有大幅提升,同时充分继承“十二五”预研课题成果,在其工程样机的基础上投产了局部鉴定产品和部分电性产品,用于进行必要的测试验证。高光谱相机在充分继承了高分专项同类产品研制基础上,对谱段设置、定标方式、温控环境等方面进行了大量的技术改进和提升,其光谱分辨率、几何分辨率和幅宽等主要技术指标达到了世界先进水平。资源一号02D卫星的研制经验表明,业务卫星有效载荷可以采取“小步快跑”的策略,即在满足进度、风险和成本的工程可实现性基础上,尽可能优选或提升载荷指标,仅针对关键风险环节开展局部鉴定验证,多渠道多手段保证载荷研制满足卫星任务需求。

2)卫星平台研制策略——“成熟选优”

资源一号02D卫星平台基线选择和产品研制坚持“成熟选优”的原则,在载荷适应性分析和任务需求的基础上,优先选用成熟的平台型谱和产品体系,对于平台、设备接口或其它不满足要求的部分进行局部更改或增加适配转换,尽可能避免新研产品或较大技术状态更改。整个研制过程中,重点围绕载荷平台接口以及有更动的环节进行针对性的分析、测试验证以及数据比对分析。资源一号02D卫星平台产品中A类产品(完全继承)占比84%,B类产品(适应性更改,无需鉴定试验验证)占比16%,无C、D类产品,通过选取成熟的平台产品体系,有效保证了卫星的研制进度和质量。

3)卫星系统研制策略——“一步正样”

卫星系统采用“一步正样”的研制模式,仅包括方案和正样两个研制阶段。方案阶段主要完成卫星方案论证、产品选用与技术状态确定、技术风险分析与识别以及必要的接口试验验证等工作。通过前移的接口验证试验,有效降低了正样阶段的研制风险。正样阶段除完成系统正样设计和产品研制生产外,重点在正样总装、集成与测试(AIT)开始前,围绕有效载荷在产品级、分系统级以及分系统间开展了必要的测试验证和接口联试工作,提早发现和解决了接口问题。在整星AIT阶段,重点开展了系统集成过程控制、测试数据比对与一致性分析、测试覆盖性检查等工作。通过识别和把控不同研制阶段的关键点,在高指标、短周期、高质量的约束条件下,实现了资源一号02D卫星的成功研制。

3 卫星功能和组成

3.1 卫星技术特点

资源一号02D卫星主要用于获取全球5 m/10 m分辨率、115 km大幅宽的全色和8谱段细分多光谱影像,获取全球30 m分辨率、60 km幅宽、10 nm光谱分辨率、166个谱段的高光谱影像,卫星具有幅宽大、光谱分辨率高的突出特点。海岸蓝、黄、红边等多光谱谱段以及高光谱影像数据可提供丰富的地物光谱信息,在物质分类、目标识别和定量遥感等方面的价值体现尤为突出,在大气环境、农业、林业、流域调查和海岸地区分析等领域具有广泛的应用前景[4-5]。

卫星的硬件产品直接选用了成熟的平台和单机产品体系,但在系统层面围绕提高图像定位精度、增强卫星好用易用性、提升数据获取能力等用户关心的核心指标和性能,开展了一系列专项设计和改进。通过有效载荷像方远心无畸变的光学系统设计、星敏感器与有效载荷共基准设计、星敏感器与有效载荷一体化高精度温控设计、整星高精度时间系统设计以及结构热变形专项设计等方法,将图像无控定位精度控制在50 m(Circle Error 90%,CE90)以内。采用了面向用户任务的星上自主管理方案,设计了双天线双站接力、固存主备份存储区自主切换、成像圈次全时星务数据自动下传等应用策略,提升了卫星的好用易用性和数据获取效能,极大简化了用户操作,提高了卫星使用效率。

3.2 卫星组成

资源一号02D卫星工程包括应用系统、卫星系统、运载火箭系统、测控系统、发射场系统和地面系统6部分。卫星采用资源ZY1000型中大型遥感卫星平台,采用双太阳翼构形,卫星系统由11个分系统构成,如图3所示。卫星发射状态的尺寸、星表设备的布局如图4所示,发射后太阳翼和数据传输天线均在轨展开,在轨飞行状态示意如图5所示。

图4 卫星发射状态及星表设备布局Fig.4 Satellite layout in launching status

图5 卫星在轨状态示意图Fig.5 Satellite in orbit status

4 研制历程及工作重点

4.1 研制历程

资源一号02D卫星于2015年开始进行概念研究和项目申报,卫星工程采用可行性研究报告(代建议书)的申报形式,通过可行性研究评审、经济技术可行性评估、初步设计评审等形式,确定了卫星项目的工程方案,通过《用户使用要求》和《工程研制总要求》相结合的方式明确了卫星的顶层设计输入,历经5年的论证和研制过程,最终于2019年9月12日发射入轨,研制历程如图6所示。

图6 研制历程Fig.6 Progress of ZY-1-02D satellite development

4.2 卫星各阶段重点工作

1)立项阶段

在立项阶段,根据用户需求,结合资源一号02C卫星22个月完成业务研制的经验,深入与用户交流,并针对用户提出的谱段信息、视场拼接精度、图像定位精度等需要提升的技术指标开展业务卫星的设计。在维持图像分辨率的基础上,将谱段数量由02C卫星的4个扩展为8个,进一步提升图像辐射质量;同时通过采用光学拼接、星敏感器载荷一体化安装、结构热变形控制和高精度时间系统等技术,将整星无控定位精度提升至50 m(CE90)。结合我国高分专项卫星获取的先期技术经验,选择适用于用户需求的高光谱相机载荷产品进行定制优化,提升图像信噪比、获取长时间条带高光谱数据,实现业务数据的高效获取。在卫星产品选择方面,通过中国空间技术研究院遥感卫星总体部中低轨中型平台基本型(ZY1000)及相应的型谱化产品批量投产,减少设备的研制和试验成本,有效缩短研制周期。同时,卫星采用一步正样研制策略,卫星不投产电性模型、结构模型或者辐射模型星,直接进入正样阶段研制,实现“高质量、高效益、高效率”的业务卫星研制。

2)方案阶段

在方案阶段研制过程中,强化卫星系统级设计迭代和系统级分析验证工作。在卫星研制程序规定的质量控制点基础上,增加整星重要技术评审,联合多个单位的36位遥感卫星各专业领域专家,对整星方案正确性和合理性进行把关。共计提出了189条专家意见,并严格跟踪闭环落实,确保了整星系统设计正确。同时通过分系统技术要求和分系统方案设计的先期迭代,开展了各分系统的方案阶段设计把关,对卫星11个分系统的详细设计方案、产品选定和任务适应性等进行逐一分析确认。方案阶段系统的开展了风险分析,对载荷成像指标进行分解并制定保障条件,对各分系统未验证接口开展分析。制定了整星方案阶段联试验证策划,对高光谱相机的数据传输、时间同步、星上数据管理、供配电等待验证接口,通过借用电性验证件改造,进行逐一联试确认。在确保了整星方案正确性同时,最大程度优化流程、节约研制经费。

3)正样阶段

在系统设计层,开展成像质量、定位精度、机动能力、数据平衡、能量平衡、数据传输天线使用策略、羽流影响等多轮复核复算,确保正样设计可满足用户研制要求,能够在轨稳定运行。在产品详细设计和投产阶段,系统级通过总体、结构和热控三维协同设计,提升了设计效率和设计质量,并在投产件开展了结构、热控、电缆网等复核复审,确保实物产品一次合格。

单机产品严格质量保证,在分系统完成转阶段后,通过分系统级全生命周期研制策划审定、生产准备评审、软件代码走查、生产过程产保要素管控、产品工艺实物检查、供配电安全实物检查等,多角度、多层面、多采样点对正样产品研制过程进行管理,保证了正样产品研制质量。

整星AIT阶段为确保卫星按时发射并及时提供满足用户要求的图像,通过制定卫星全生命周期技术、计划、产品保证和技术安全流程,有效识别和管控了高光谱相机载荷研制短线并全程跟踪。在整星正样AIT和正样大型试验过程中,提前开展专项策划,对人、机、料、法、环、测(5M1E)进行识别梳理,形成了整星大型试验保障方案,避免在执行环节中出现断点,有效保障了整星研制周期。

4)在轨应用

高光谱相机数据处理和使用属于行业的前沿应用,高光谱相机参数调整和在轨参数标定需要积累大量的地面测试基础数据和先期准备。在地面试验阶段,卫星系统联合研制单位,开展了不同侧视角度光谱特性测量、大气定标装置外场试验、相机杂光测试等关键地面验证环节,结合整星真空热试验,对高光谱相机在轨成像温度参数进行多轮参数调优,确保了载荷成像参数地面获取的充分可靠。提前积累了大量实验室数据服务于在轨参数标定,缩短在轨参数调整周期。同时为确保将一颗质量过硬、高效稳定的卫星按期交付用户使用,自然资源部联合卫星系统、资源卫星应用中心、上海技物所和各行业用户等,积极开展高光谱相机在轨定标方法和图像预处理研究,牵引数据处理和应用,为加速高光谱相机的在轨参数调优和尽早应用夯实基础。

5 在轨应用效果

资源一号02D卫星影像在农作物与渔业资源遥感监测、农作物种植结构调整、高标准农田建设工程管理和农村人居环境监测等领域开展了多项示范应用,应用效果良好,具有巨大的潜力。资源一号02D卫星多光谱影像可以有效提取我国南方和北方陆地渔业的养殖水面空间分布,实现养殖水面面积和空间分布调查,2.5 m融合影像的大于100公顷水面的调查面积吻合度达到97%以上;高光谱影像可以定量反演陆地养殖水体叶绿素含量总悬浮物浓度、透明度和营养状态指数等参数,结果层次明显,可用于水体质量综合评价,如图7所示。

图7 渔业资源遥感应用情况Fig.7 Applications of remote sensing in fishery resources

资源一号02D卫星多光谱和高光谱能够有效识别和提取测试区不同类型大田作物种植区,量算作物种植面积。多光谱影像增加了海岸蓝、黄、红边和修正的近红外4个波段,作物识别精度在此4波段基础上进一步提高,用于全年农作物种植面积监测,测试区作物识别精度优于92.3%。利用高光谱影像光谱特征曲线能够快速有效识别和提取测试区不同类型大田作物种植区,如图 8所示。

图8 农作物种植结构监测Fig.8 Applications of crop distribution monitoring

矿产资源调查方面,资源一号02D卫星可见近红外相机全色加8个谱段的多光谱设置,在反映岩性信息能力方面较之前国产遥感数据有较大提升,可识别典型的闭合地质体、块状地质体以及线状地质体,能较好的区分岩浆岩、沉积岩和变质岩等岩性信息[6],能满足1∶5万遥感地质工作的要求,将在地质矿产遥感调查应用中发挥更大作用。高光谱数据在矿物填图方面最能发挥优势,它使遥感地质由识别岩性发展到识别单矿物以至矿物的化学成分及晶体结构(见图9)。在岩性识别方面,高光谱数据对碳酸盐岩和侵入岩识别准确率非常高,方解石、白云石矿物信息均能准确提取,绢云母、褐铁矿及针铁矿等蚀变矿物信息提取效果较好。高光谱相机166个谱段数据含有丰富的谱段信息,会在地质矿产勘查工作中起到不可替代的作用。

图9 冷湖镇东示范区矿物分布图Fig.9 Mineral distribution map of East Lenghu town

图9采用混合调谐匹配滤波法和光谱角法进行矿物信息提取,结果显示矿物遥感信息与其分布范围高度吻合,资源一号02D卫星数据在提取造岩矿物信息方面有较高准确性。

地理国情监测方面,资源一号02D卫星影像纹理清晰,与其它遥感卫星影像相比,波段信息更丰富,光谱信息符合实际地物,采集特征明显,识别度高。生成数字正射影像的几何精度、影像配准误差、融合质量满足精度要求,在地理国情监测数据更新方面能发挥很大作用,如图10、图11所示。

图10 基于资源一号02D卫星数据的道路信息更新Fig.10 Road information update based on ZY-1-02D satellite data

图11 基于资源一号02D卫星数据的植被信息更新Fig.11 Vegetation information update based on ZY-1-02D satellite data

此外,资源一号02D卫星数据在应急管理、生态环境保护、森林、草原资源调查、住建行业、土地利用变更调查、海洋典型生态系统监测方面都取得了良好的应用效果。

6 发展建议

6.1 业务卫星体系发展

陆地资源卫星已进入快车道,国内外民用商业遥感卫星呈现蓬勃发展的态势,我国资源卫星从满足图像获取的需求,向图像获取的质、量并重转变。

建议各有关部门联合推动资源卫星体系化建设论证工作,构建中分、高分卫星星座的联合运行体系,中分辨率大幅宽普查和高分辨率详查搭配使用,实现数据的高效获取。在稳步提升空间分辨率的同时,发展细分多光谱和高光谱观测的业务卫星体系,拓展光谱遥感的应用能力,逐步完善满足各行业业务应用的地物光谱库,推动我国遥感业务卫星进入定量化遥感时代[7]。

统筹规划卫星运行轨道,实现高轨快速覆盖、中轨快速重访、低轨精细观测的卫星网络体系,在保证光谱类卫星稳定获取地面光谱数据的基础上,对轨道进行顶层设计,获取不同时相地物信息并充分利用数字地球站资源。在业务数据获取方面,以业务卫星作为行业用户的批量、稳定、高质量数据源,利用商业卫星数据进行高效补充,快速实现高时效遥感数据获取。

在业务卫星应用中,除继续应用可见光、多光谱、高光谱卫星数据外,还可综合红外、微波、偏振、激光等多种观测手段,开展多元数据融合应用,实现自然资源“全球、全天候、全天时、全要素、全尺度”的观测目标。

6.2 加强天地一体化设计提升卫星遥感能力

发展陆地资源卫星的目的是迅速将图像数据转化为应用,在当前应用卫星和卫星应用正在由试验应用型向业务服务型转变的形势下,提升遥感能力是卫星研制方、地面运控、地面数据处理以及卫星用户共同的目标。卫星遥感能力涉及遥感卫星设计、遥感数据处理、地面定标检校、地面反演以及专题图像产品生产等,遥感卫星只是其中的一环,因此在遥感系统论证初期就应该强调天地一体化设计,统筹考虑分配卫星运控管理[8-9]、星地指标分配、星地接口界面以及地面处理应用的功能、性能、接口需求,加强顶层设计,转变以往仅重视卫星研制,忽视其它环节的现状,从产业链的各个环节最大化提升卫星遥感能力和效能[10]。

6.3 优化体系、提升系统验证效果

随着陆地资源卫星技术的发展和数据应用水平的逐步成熟,对卫星数据获取的时效性要求越来越强烈,这就要求民用业务卫星在满足一定技术指标的前提下必须做到规模化部署。对于卫星设计制造而言,必须要进一步探索建设通用化的产品体系和通用化的接口标准,以及快速生产制造和集成测试技术,不断提升民用业务卫星的费效比,真正实现“降本增效”的目的。

7 结束语

资源一号02D卫星具有成像幅宽大,几何精度、光谱分辨率高等显著特点,目前已完成在轨测试并投入业务使用。在轨测试期间,自然资源部、应急管理部、生态环境部、住房和城市建设部、交通运输部、农业农村部、国家林业和草原局和中国科学院等部门开展了大量的测试工作,试验结果表明:卫星动态范围大、颜色层次丰富、信噪比高,数据质量良好,可以满足1∶2.5万~1∶25万制图精度要求,各项技术指标国际领先。资源一号02D卫星所获取的数据,开启了同时相数据融合处理算法、大气模型构建、定标数据获取、地面真实性检验、混合像元解算、光谱定量化分析及应用等多个研究领域的大门,使我国遥感卫星光谱定量化应用进入新的时代。同时呼吁上级部门,加快我国本底光谱数据库的建设,构建天-地-应用一体化数据机制,深入开展定量化应用技术攻关,保持在轨精细谱段数据的连续性,维持住这来之不易的国际领先水平,继续引领光谱定量化遥感应用的发展。

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