环境减灾二号A/B卫星系统设计与技术创新

白照广 董筠 朱军 孙纪文 马磊

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

环境减灾二号A/B卫星是基于我国《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015-2025年)》[1]，根据国家防灾减灾、环境保护等重大应用需求，兼顾国土资源、水利、农业、林业、地震等行业业务需求，由航天东方红卫星有限公司抓总研制的两颗光学遥感卫星，是在轨超期服役环境减灾一号A/B卫星的升级接续星，满足国家在灾害监测、生态环境监测等领域的数据持续、稳定、高质量供给需求。

两颗卫星技术状态相同，于2016年6月同步启动研制，2020年9月27日在太原卫星发射中心由长征四号乙运载火箭以一箭双星方式发射入轨。10月2日，两星首次成像，之后经历了9个月的在轨测试，卫星在轨运行期间工作稳定，成像质量良好。卫星遥感性能较环境减灾一号A/B卫星得到全面提升，突破了多种载荷设计新技术，开展了有利于应用数据融合的不同载荷间分辨率匹配化设计，采用多样化定标、轨道冻结等技术手段进一步提高了图像质量。本文介绍了两颗卫星主要技术方案及创新，可为后续同类卫星设计提供参考。

1 卫星系统设计

1.1 方案概述

环境减灾二号A/B卫星设计寿命5年，单星质量1065 kg，由有效载荷和平台两大部分组成。有效载荷包括16 m相机、高光谱成像仪、红外相机、大气校正仪和数据传输5个分系统；卫星平台采用CAST2000公用平台，包括结构与机构、热控、姿轨控、星务、测控、电源、总体电路和天线8个分系统。卫星系统组成如图1所示。

卫星主结构采用铝蒙皮蜂窝夹层板结构，分为上舱、下舱两部分，配置双太阳翼，每翼由3块太阳电池板组成，入轨展开后单自由度对日定向。热控采用以被动为主、辅以主动热控的方案，采用分舱、模块化、隔热、等温化设计，每种光学载荷采用独立热控。姿态控制采用三轴稳定、对地定向、整星零动量模式，为满足高精度对地观测任务的需求，星上配置2台高精度星敏感器。同时，卫星采用“星敏感器+陀螺”联合定姿方式，实现姿态高精度确定。采用动量轮构成零动量控制系统，实现高精度高稳定度姿态控制。卫星采用单组元推进系统，以完成初轨捕获、轨道维持等轨控任务。卫星采用分散供配电体制，太阳电池阵与100 Ah蓄电池组联合供电方案，开关分流全调节母线，升压式放电控制。卫星测控采用统一S频段测控体制，星上信息网采用分布式两级CAN总线网络。数据传输系统采取实传、记录、回放、单载荷数据直传等模式将载荷数据传输到地面系统，对地数传码速率为双通道900 Mbit/s。

16 m相机由4台透射式5谱段CCD相机组成，星下点地面像元分辨率优于16 m，在充分继承高分一号卫星16 m相机技术方案的基础上[2-3]，增加了对植被生长极为敏感的红边谱段(0.69～0.73 μm)。4台CCD相机通过视场拼接实现地面幅宽大于800 km的成像，如图2所示。

图2 16 m相机组合成像视场设计Fig.2 Design of combined imaging field of 16m camera

高光谱成像仪基于Sagnac干涉仪时空联合调制技术[4]，获取215个谱段、48 m(可见光谱段)/96 m(短波红外谱段)空间分辨率、96 km幅宽的干涉数据立方体，通过摆镜在穿轨方向±30°范围内进行侧摆成像(见图3)。

图3 高光谱成像仪主体组成Fig.3 Composition of hyperspectral imager

红外相机通过扫描镜穿轨摆扫获取短波红外至长波红外共9谱段信息。地物经扫描镜引入离轴三反光学系统，由视场分离器分成不同的波段，经会聚镜成像到线列探测器上(见图4)。

图4 红外相机主体组成Fig.4 Imaging schematic diagram of infrared camera

大气校正仪通过穿轨圆周扫描探测，在轨同步获取与16 m相机同视场的可见近红外至短波红外波段大气多谱段信息，获得大气气溶胶、云和水汽特性参数，满足16 m相机等图像数据产品大气校正的应用需求。光学载荷星上布局如图5所示。

图5 光学载荷星上布局Fig.5 On-board layout of optical payload

1.2 主要技术指标

两颗卫星以180°相位分布于高度为644.5 km、降交点地方时为10:30的同一太阳同步轨道面内，通过同轨组网实现快速获取地面影像的能力。卫星主要技术指标见表1。

2 卫星技术创新点

2.1 遥感性能较环境减灾一号A/B卫星全面提升

卫星技术性能大幅提升，星上总谱段数由环境减灾一号A/B卫星的123个提升到238个，在保证720～800 km宽视场遥感基础上，CCD相机和红外相机分辨率提高1～3倍，CCD相机凭借16 m分辨率800 km幅宽成为国际上同量级分辨率幅宽最大载荷，极大提高了覆盖观测能力。

卫星成像效能大幅提升，对地数传码速率由环境减灾一号A/B卫星的180 Mbit/s提升到双星1.8 Gbit/s，单星图像数据存储容量由14 Gbit提到4 Tbit，双星与高分一号、高分六号卫星组网，形成了可见光数据1天全国陆地区域覆盖观测的能力。[5-7]

2.2 载荷设计新技术

16 m相机红边谱段采用国产化探测器替代进口TH7834C器件，实现了国产12 000像元长线阵CCD探测器首飞。相机安装板与卫星舱板一体化设计，缓解了相机与卫星的质量压力，使整星质量减轻20 kg。在多台相机响应一致性控制方面，首次采用光学件同炉镀膜、探测器筛选分类的手段，同时采用增益补偿方法，将两颗卫星8台CCD相机响应一致性控制在2%以内。

高光谱成像仪采用图像数字积分技术，大幅提升了能量利用率和图像信噪比，保证了仪器核心指标及应用成果。设计了集成指向与星上光谱定标功能的摆镜组件，实现了可见、短波红外双通道同步指向成像，单通道星上光谱定标。由积分球、定标镜头、定标反射镜、定标电源控制等部件组成的星上光谱定标组件，可以实现可见、短波红外双通道分时定标，均可覆盖全孔径范围。

红外相机具有多谱段、高分辨、大视场、可快速重复探测等特点，攻克了高稳定大角度长线列多元并扫成像、可见和红外多光谱滤光片微型集成、宽谱段高集成深低温红外焦平面探测器研制、星上多类型高精度自主定标等技术难题，实现了720 km幅宽、48 m/96 m空间分辨率且同时获取地物可见近红外、短波及中长波红外9个通道多光谱信息的探测能力。

大气校正仪通过穿轨扫描技术，在可见近红外至短波红外谱段，获取与16 m相机同视场的大气多谱段信息，通过时间同步和空间覆盖的探测方式获取光谱、角度和偏振3个维度的36个通道大气辐射/偏振信息，实现气溶胶和水汽的高精度探测及反演。图6给出了北京大兴国际机场大气校正前后图像对比。

图6 大气校正前后图像对比(北京大兴国际机场)Fig.6 Comparison of images before and after atmospheric correction (Beijing Daxing International Airport)

2.3 多载荷匹配设计

星上光谱谱段齐全，覆盖可见光到长波红外谱段，载荷间分辨率匹配，按照16×N系列设计，包括16 m、48 m、96 m，有利于应用数据融合。光学载荷谱段分布如图7所示。

图7 光学载荷谱段分布Fig.7 Spectrum distribution of optical payload

大气校正仪与16 m相机幅宽匹配，可实现16 m相机800 km全视场水汽和气溶胶参数校正。

2.4 多样化定标技术

实时评价遥感器本身的光学响应特性是遥感定量化应用的必要环节[8]。依托卫星平台强大的姿态机动能力，设计有辐射校正场定标、偏航定标、对日定标、对月观测[9]、光谱内定标和黑体定标等17种星地月联合、辐谱偏联合定标手段，以及大气气溶胶和水汽同步探测校正模式，提高可见多光谱数据定量化反演精度，确保遥感数据辐射精度和几何精度的稳定、可靠，保证卫星在轨长期、稳定、高精度的遥感数据质量。卫星定标模式设计见表2。

表2 环境减灾二号A/B卫星定标模式设计Table 2 Calibration mode of HJ-2A/B satellites

2.5 视觉监测技术

卫星采用了基于监视相机的视觉监测技术对卫星的星箭分离、太阳翼展开、数传天线展开等重要动作过程进行监视和测量，获取了各重要动作过程的图像数据，图像清晰，活动机构运动细节清楚。图8为A星太阳翼+Y翼展开图像，图9为A星星箭分离图像。

图8 太阳翼展开图像(A星+Y翼)Fig.8 Image of solar wing deployment (A satellite +Y wing)

图9 星箭分离图像(A星)Fig.9 Image of satellite-rocket separation (A satellite)

2.6 轨道冻结技术

受到地球形状非均匀球形、质量分布不均等因素影响，卫星轨道拱线会在轨道平面内转动，卫星近地点幅角、偏心率显现周期性振荡变化，导致卫星经过同纬度地区的高度不断变化，影响卫星成像效果[10]。A星、B星的偏心率最大达到了0.002 8和0.003 4，导致红外相机扫描条带搭接像元数不足。通过对卫星轨道偏心率和近地点幅角的控制，将卫星轨道调整为冻结轨道可消除上述影响。

2021年1月，A星、B星分别经过4次和6次变轨操作，均形成了冻结轨道。两星形成冻结轨道后，A星偏心率可稳定在0.001 17～0.001 21，近地点幅角稳定在90°～92°；B星偏心率可稳定在0.001 18～0.001 241，近地点幅角稳定在89°～92°。在轨实测结果表明：轨道冻结后红外相机扫描条带搭接像元数可稳定在15个(B1～B5谱段)和7个(B6～B9谱段)以上。

3 在轨测试与典型应用

3.1 在轨测试

两颗卫星入轨后，为了利用自然漂移达到节省燃料、尽快组网的目的，对卫星轨道高度进行了调整，使得A星比B星高3.78 km。

2020年10月2日，两颗卫星上搭载的16 m相机和高光谱成像仪首次开机成像，成像均纹理清晰，层次分明，光谱信息丰富；10月20日，红外相机和大气校正仪顺利完成在轨除气工作，开始开机成像，功能均正常。之后对卫星的各类成像和定标模式进行了测试验证，各项测试结果均满足要求。

2020年11月10日，两颗卫星漂移达到目标相位，对A星、B星分别进行了降轨、升轨调整，完成了两星组网，并同步完成了与高分一号、高分六号卫星的四星地面轨迹均分组网部署。四星组网后首次在国际上形成空间分辨率16 m的可见多光谱数据1天覆盖1次全球南北纬80°以内区域的观测能力(见图10)，显著地提高了数据获取的时效性。

3.2 典型应用

1)灾害监测

卫星组网观测，能够为应急管理行业提供多载荷数据支持，具备灾害应急监测、灾害要素监测、灾害风险监测和恢复重建监测能力。

2021年4月5日凌晨3时许，四川省凉山州木里县发生森林火灾。卫星应用部门立即安排卫星对火灾发生地进行成像，利用16 m相机和红外相机数据获取了火点、火线及过火面积等灾情信息。图11为A星红外相机获取的火灾遥感监测。

图11 木里县森林火灾遥感监测Fig.11 Remote sensing image of forest fire in Muli County

2)大型水体水华水质监测

基于卫星16 m相机数据，对2020年11月9日太湖水华情况进行监测，结果如图12所示。可以看出水华现象主要分布在太湖西部和北部区域，呈现不同的空间形态。16 m相机影像特征明显，边缘较清晰，可满足水体水华监测业务应用。

图12 太湖水华分布Fig.12 Image of water bloom distribution in Taihu Lake

基于卫星高光谱数据对太湖的叶绿素a、浊度、透明度、悬浮物等水质情况进行监测，如图13所示。结果表明：高光谱成像仪数据整体质量较好，在测试区域内影像清晰，数据噪声和条带去除后可满足水质定量遥感监测的需求。

图13 太湖水质遥感监测图Fig.13 Remote sensing image of water quality in Taihu Lake

3)土地利用宏观监测

卫星携带的大幅宽中分辨率载荷16 m相机可对重大工程用地等大宗新增建设用地进行快速监测，为土地利用宏观监测业务提供技术支撑。通过对雄安等地区土地利用宏观监测遥感解译，发现影像数据属性判译精度、面积精度较高，能较好地识别各地表要素。

4)土壤含水量监测

利用环境减灾二号A/B卫星和高分一号卫星数据对山东省聊城市土壤含水量进行监测，如图14所示，土壤含水量反演精度分别为2.17%和2.08%，监测结果表明：环境减灾二号A/B卫星能够开展农田土壤含水量监测，数据反演精度与高分一号卫星相一致。

图14 土壤含水量反演结果Fig.14 Inversion result of soil water content

5)农作物长势监测

利用环境减灾二号A/B卫星数据，采用红边改进指数反演测试区冬小麦叶面积指数(见图15)，与哨兵二号卫星数据反演结果相比，长势等级判定一致性为81.82%，能力相当，能够满足农作物长势监测需求。

图15 农作物页面积指数监测Fig.15 Monitor image of crop leaf area index

6)森林资源监测

基于环境减灾二号A/B卫星数据对东北虎豹国家公园森林类型进行识别。结果表明：卫星数据可以较好地识别出阔叶林、针叶林、云杉等森林主要树种。

7)地震次生灾害监测

利用卫星数据对云南鲁甸地震重灾区滑坡进行解译。结果表明：卫星能够识别出绝大多数大型滑坡和少部分中型滑坡，并且其具有大范围覆盖优势，对重大地震极灾区范围快速确定，具有较好的应用前景。

4 结束语

环境减灾二号A/B卫星作为国家民用空间基础设施中首批启动的业务卫星，采用公用平台研制，两星载荷配置一致，技术指标先进，突破了国产12 000像元长线阵CCD探测器首飞、高光谱成像仪双通道同步成像和分时定标、长线列红外探测器多元并扫成像、36通道水汽和气溶胶辐射/偏振信息同步获取等核心技术，各载荷间指标协调匹配。卫星设计有多样化的定标手段，可为用户提供高质量的遥感数据。本文对其系统设计和创新性进行了介绍，通过在轨测试和应用评价，卫星各项功能性能符合要求。两颗卫星在轨组网运行，有力提升了对地观测效能，随着用户部门卫星应用工作的进一步深入开展，必将为国家防灾减灾、生态环境保护业务做出更大贡献，并将更广泛地应用于自然资源、水利、农业农村、森林草原、地震等领域。