水利小卫星星座总体构想

张艳军 罗 兰 张 过 沈 欣 邓 青 刘 攀 史良胜 蒋永华 汪韬阳 景茂强

（1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉 430079；3.山东锋士信息技术有限公司，济南 250101；4.武汉大学遥感信息工程学院，武汉 430070）

1 研究背景

21 世纪以来，随着世界各国水利等行业的深入发展，急需对水利开展全覆盖、更加细致和深入的监测，然而，受限于人力物力财力，全面大规模地建设水文站、水质站和植保站带来的建设成本、维护费用、人工支出均难以承受。与此同时，卫星遥感技术在水文[1]、水环境[2]和农业[3]等领域得到了蓬勃发展，在水位监测、水质监测、排污口检测、水下地形测量、水位测量、洪灾监测、工程安全评估、地质灾害评估、农作物估产、水土保持能力评估、河湖违章监控等方面均获取了丰硕的成果。

卫星遥感技术具有宏观、快速、动态、经济等优势，可实现对大范围的地表状态全天候全天时的动态监测[4]。自20 世纪50 年代开始通过卫星对地观测以来，美国、欧盟、俄罗斯、中国等国家和地区相继发射了一系列遥感卫星，包括大气、海洋和陆地资源观测系列卫星等[5]。自20 世纪70 年代起，我国相继发射了气象、资源、海洋、环境等遥感卫星[6]。20 世纪80 年代，我国将遥感技术引入到水利事业中来，开启了遥感技术应用于水利的新篇章[7]。近年来，随着国产卫星遥感数据源不断丰富，特别是高分水利应用示范系统建设项目的实施，我国在水利遥感的基础保障、能力建设和业务应用等方面都取得了显著成效。但是，高分卫星数量有限，对地观测能力远远不能满足水利事业发展的需求。以2021年郑州“7·20”特大暴雨灾害为例，我国现有的卫星数量远远不能满足需求，对暴雨洪水灾害的遥感监测和预警预报技术也有待进一步发展[8]。且目前专门针对水利行业的卫星星座还存在空缺，对部分业务支撑能力不足。因此，充分挖掘水利等行业的遥感应用需求，研发针对这些行业的卫星星座，丰富卫星影像数据、提高资源利用率，对于水利遥感的发展来说至关重要。

经过50年的建设，我国已经形成了陆地资源卫星、气象卫星、海洋卫星三大民用遥感卫星系列及环境减灾小卫星星座。风云卫星系列实现了对台风、雨涝、森林与草原火灾、干旱、沙尘暴等灾害的有效监测，气象预报和气候变化监测能力明显提升。目前世界上已有80 多个国家在使用风云卫星的监测数据，其中风云三号C 星于2014 年4 月被纳入空间与重大灾害国际宪章值班卫星。海洋卫星系列实现了对中国海域和全球重点海域的监测和应用，对海冰、海温、风场等的预报精度和灾害性海况的监测时效显著提高。资源卫星系列在土地、地质矿产、农业、林业、水利等资源及地质灾害调查、监测与管理和城市规划中发挥了重要作用。我国形成了软硬件一体、不同档次配置的遥感数据服务一体机产品，使用户可以直接对接全部国产陆地观测卫星数据，并可利用一体机内置的“遥感加工厂”软件平台便捷有效地完成数据预处理，为进一步应用遥感数据服务各行业业务提供了强力支撑。

我国的小卫星星座建设目前存在产业化发展数据政策不健全、商业化模式不健全、卫星组网效率不高等问题，无法充分挖掘行业应用潜力，严重抑制了卫星市场可持续发展能力。因此，本文提出水利小卫星星座构想，通过三期建设，逐步建成从实验星座到区域星座，最终到全球星座的卫星星座体系，重点构建面向水利及其相关的农业、环保和减灾领域的小卫星星座管理与服务平台。同时，以小卫星星座建设为契机，整合传统水文站、水质站等地面测站和无人机群，推动天空地数据协同、共享和融合，实现全天候、全天时、全覆盖、高精度和高可靠性的天空地一体化监测感知，最终为全国乃至全球用户提供多样化、多层级、定制化、高质量的行业服务和产品。

2 星座总体构想

遥感卫星星座建设推动着商业遥感卫星制造及服务业的发展，也在一定程度上反映着卫星遥感产业发展状况。目前，全球大约有15个国家和地区正在建设或计划建设遥感卫星星座，表1列出了全球范围内已经建成或者正在建设中的星座及相关计划。

表1 主要国家或地区遥感星座计划

水利小卫星星座是专为水利行业设计的卫星星座，可为水利行业及其相关的农业和环保等行业提供定制化、专业化的服务。

2.1 水利小卫星星座任务

（1）洪水防治减灾。根据遥感对地观测的功能，可获取水库、提防、居民地、耕地、水体、道路、林地和草地等土地利用信息，利用遥感技术对灾情发展进行评估。特别是在灾前调度决策时，对各类预案可能会造成的损失和影响进行比较和评估，为水灾害防御提供决策支撑。

（2）水资源监测及评价。遥感技术可为水资源监测和水资源调查提供良好的支撑条件。以地表水体为监测对象，利用同一区域不同时相遥感影像数据，开展地表水体动态监测，了解地表水体空间分布和水面面积变化情况。基于多源、多尺度、多时相的遥感观测数据，在对河湖水域范围提取的基础上，利用枯水期测量的数字高程模型（DEM）数据，依据多期水域面积遥感监测结果和相应时段的水面高程值，建立水域面积高程-蓄水量变化曲线，连续获取湖泊蓄水量的年、月动态变化信息，可为流域水资源评价管理提供重要依据。

（3）水土保持及生态建设监测。通过遥感技术快速获取小流域土地利用、坡度、植被覆盖等基础信息，叠加小流域治理措施数据，利用空间分析技术辅助专家审核措施设计的合理性。利用多期遥感数据，开展生态建设工程实施效果遥感监测，了解工程区动态变化状况，比对规划与现状，了解规划落实情况，辅助水土保持措施监管。

（4）水工程监管。利用遥感监测和无人机监测技术相互补充、相互配合的方式，观测水利工程的形变。根据需求开展水利工程全过程动态监测，对工程基础、工程施工、运行管理进行全过程监控，随时调取现场图片。

（5）水文监测与信息化。针对偏远地区和省界的水文观测问题，特别是通过SAR（Synthetic Aperture Radar）卫星开展对水流流速和流量的观测，推进卫星遥感技术在水文监测中的实际应用，提高水文监测的现代化水平和数据采集能力，积极构建天空地一体化的立体水文监测体系，通过模型算法取代部分位置偏远、维护困难、投入偏大的水文站，与地面的骨干水文站构成新一代的水文监测站网。

（6）水环境监测。基于多源、多尺度、多时相的遥感观测数据，在水环境遥感特征参数光谱测定的基础上，构建悬浮物浓度、叶绿素a浓度、可溶性黄色物质等水环境参数的遥感反演模型，并通过水质模型推算总氮、总磷等水环境管理关键指标，以实现水环境参数时空分布反演，为流域的水环境评价提供技术支撑。

2.2 星座系统构成

水利小卫星星座系统主要包括遥感卫星星座、通信传输系统、地面测控与地面数据处理系统和应用服务系统等，如图1所示。

图1 水利小卫星星座的系统组成

遥感卫星星座包括多光谱遥感卫星、SAR 遥感卫星、红外遥感卫星、高光谱遥感卫星。通信传输系统包括遥感卫星与地面站通信传输、遥感卫星与中继卫星通信传输及地面通信传输功能，搭建遥感卫星、服务中心、移动终端用户信息传输通道，实现遥测、遥控指令和遥感数据传输。地面测控与数据处理系统包括卫星测运控管理和数据地面处理系统，服务于卫星系统，并为应用服务系统提供数据基础。应用服务系统可为应急响应（包括自然灾害、社会安全事故、公共卫生事件等）、典型行业应用（包括输电线路走廊巡视、基建现场管控、交通拥堵治理、海洋环境检测等）和大众遥感直播用户（包括个人用户、商业/专业用户、直播平台）提供个性化服务。

2.3 星座轨道方案

水利小卫星星座建设分3个阶段，第一阶段为试验阶段，发射1颗高分辨率多光谱卫星，覆盖黄河流域、长江流域及一带一路地区，可与珞珈二号组网运行；第二阶段为区域应用示范阶段，实现12颗高分辨率多光谱卫星、12颗SAR 卫星组网，对黄河流域、长江流域及一带一路地区实现时间分辨率优于1 h，空间分辨率优于1 m；第三阶段为全球应用阶段，发射100 颗左右高分辨率多光谱、SAR、高光谱、红外四类卫星，实现全球覆盖。

第一阶段光学卫星考虑以下设计要素：

（1）轨道形状：为保证影像获取不同区域的分辨率一致，采用偏心率为零的圆轨道。

（2）轨道倾角：按照区域覆盖要求（黄河和长江流域），目标集中在中低纬度地区（27°～41°），采用41°倾角轨道；

（3）轨道高度：500 km。

根据上述约束，卫星轨道参数选择为：卫星轨道高度为500 km，偏心率为0，轨道倾角为41°。卫星全球和局部覆盖情况如图2、图3所示。

图3 光学卫星局部覆盖情况

与珞珈二号（太阳同步轨道）组网运行，覆盖情况如图4所示。

图4 光学卫星与珞珈二号组网覆盖情况

第二阶段24颗卫星组网，考虑采用41°轨道倾角的24/6/1构型的Walker 星座，即6个轨道面（升交点赤经均匀分布，相差60°），每个轨道面等相位分布4 颗卫星（相位差90°）。星座覆盖情况如图5所示。

图5 24/6/1构型星座覆盖情况

2.4 星座业务流程

水利小卫星星座以数据获取、传输、处理、应用服务为基本业务链，以运控应用与服务为核心，以星地及地面网络为传输通道，保障遥感卫星、测控数传站、数据处理中心与应用服务终端之间的数据与信息畅通，实现天基信息实时智能服务，总体业务流程如图6所示。

图6 总体业务流程图

3 卫星方案

3.1 光学卫星方案

光学卫星主要由有效载荷（高分辨率光学相机、图像处理单机）、结构与机构分系统（用于承受和传递地面测试及上升段期间飞行器负载，提供各单机安装空间及机械接口及飞行器与运载火箭的机械连接。释放机构用于与运载火箭连接，以及卫星释放任务）、热控分系统（提供任务阶段的热防护及控制，并满足在轨期间各单机正常工作的温度要求）、姿轨控分系统（实现卫星从入轨后变轨到所需星座布局要求及提供卫星在轨期间的各种姿态指向功能）、星务分系统（完成卫星在轨运控管理与数据采集、存储、处理、控制、定位数据接收与处理、地面遥控指令处理等功能）、电源分系统（提供卫星地面测试、发射入轨、变轨、数据传输等在轨任务周期内的能源供应，以及电源控制与分配）、测控数传分系统（提供飞行器运行阶段的遥测数据下传、遥控指令上注及测量数据对地传输功能）组成，具体指标设计见表2。

表2 光学卫星指标设计

3.2 SAR卫星方案

SAR 卫星技术不受云雾等恶劣天气的影响，可全天时、全天候地成像，突破了光学影像的局限性[9]。SAR 卫星由有效载荷和卫星平台组成。其中，有效载荷包括SAR 电子设备和平板相控阵天线；卫星平台包括结构分系统、姿态管理分系统、星务管理分系统、能源分系统、射频分系统和热控分系统。SAR卫星具体指标设计如表3所示。

表3 SAR卫星指标设计

4 水利星座建设及应用关键技术

4.1 星座建设关键技术

（1）多载荷集成的一体化卫星平台。为实现“一星多用，多星组网”[10]，系统中的卫星平台需要集成不同类型的有效载荷，满足用户增强导航、影像（视频）获取等多种需求。星座系统通过高效集成多种有效载荷，实现卫星功能密度大幅提高，这需要智能卫星平台能够根据任务需求，适应不同载荷配置。为实现快速多任务适应能力，系统卫星平台应具有统一的、小型化、标准化硬件构架，软硬件均具有强大的可重构功能。

（2）多源成像数据在轨处理技术。针对卫星影像（视频）数据量大，星上数据存储、处理与传输能力受限的问题，通过星地资源协同调度与优化，提升数据处理和信息提取效率。多源数据在轨处理作为系统中的关键技术之一，是整个系统从数据获取到信息生成的中心环节。多源数据在轨处理需要解决任务驱动的遥感数据星地协同处理机制和遥感数据星地协同智能实时处理方法两大关键技术。

（3）天基信息智能服务技术。卫星星座系统除向专业用户（行业、部门）提供服务外，还需面向其他移动终端提供定制化的智能天基信息服务[11]。天基信息智能服务是天基网络与军民用户互通互联的技术通道，是天基信息快速、准确、智能化服务军民用户的技术手段，是系统服务于终端军民用户的“出入口”。通过接受用户发出的特定任务，聚合处理各种异构天基和地基信息，实时智能地为用户提供所需信息、知识。其具体服务技术流程为：在接收到用户指定的需求时，通过语义理解抽象出规范化的任务空间，进行任务分解和聚合；将时变空变的信息资源抽象为规范化的资源空间，进行统一描述与高效组织；通过任务与资源的匹配映射，实现资源与信息的自组织，得到满足各种任务需求的聚焦服务链；通过遥感信息的处理服务，得到满足应用任务需要的数据、信息或者知识；最终将数据、信息、知识传达给用户的各类终端。

4.2 减灾监测关键技术

（1）高时空分辨率监测。监测范围广，时间分辨率达到1 h，空间分辨率达到1 m，可以呈现水体在空间上的完整分布，可实现监测范围内的空间全覆盖。

（2）快速遥感数据处理技术。遥感数据及分发时间不大于30 min，平台对数据的处理时间不超过10 min。

（3）高精度灾害预警。预警时效在30～60 min，实现灾害影响范围从范围预测到动态监测，灾难中心位置从事后分析到在轨检测，灾难原因从事后模拟推演到事故现场再现。

（4）天空地遥感公共卫生事件应急监测与管理系统。在原有的社会服务与管理信息平台基础上研制天空地遥感公共卫生事件应急监测与管理系统，增强现有网格化社会管理系统的快速、精准和智能服务能力，提高城乡社区防控的遥感情报信息服务保障水平，为社会应急治理的科学化、精准化和智能化水平提供理论技术支撑。

4.3 智慧农业关键技术

（1）智慧农业大数据平台。提供实时环境数据、气象数据及固定相机数据的查询服务，响应延迟小于1 s。

（2）智能农业管理子系统。提供近实时基于无人机遥感数据及卫星遥感数据的农田诊断服务。用户上载无人机遥感数据后，三维重建订单响应时间小于30 min，卫星数据预处理响应时间小于30 min。农情诊断服务响应时间小于1 min。提供用户终端数码照片诊断服务，响应时间小于2 s。作物长势估测服务中作物生理参数估测精度的相对均方根误差小于15%，病虫害诊断精度准确率大于90%。

4.4 太空水文站关键技术

（1）面向水利小卫星星座的太空水尺研究。基于投影放大原理，利用遥感影像识别水尺上的不同颜色网格数量及位置，通过网格水位关系计算获得水位数据，构建可通过卫星遥感识别水位的水尺。

（2）基于卫星遥感水体面积的水位和流量推测技术研究。构建归一化差异水体指数模型等多种水体遥感观测模型，提取水体面积；基于圣维南方程组和曼宁公式，推求河湖水体的面积-水位-流速-流量等水力特征联系，确定水面面积-水位-流量关系曲线，发展利用遥感的水面面积推求水位和流量的技术方法。

（3）基于流域水系统水量平衡的流量校正技术研究。为减小遥感推求水位和流量的误差，基于流域地形和河道形状，系统分析流域水系统中河流和湖库的上下游、干支流和水力坡度关系，比较流域水系统中不同空间位置的水位和流量，根据流域水系统的水量平衡原理，提出系统地校正流域水位和流量的方法。

4.5 太空水质站关键技术

（1）非水色水质指标遥感监测方法。通过水利小卫星星座获得的多光谱影像数据，利用统计理论和智能算法，提出叶绿素a、黄色可溶性物质和总悬浮物等水色指标的遥感定量模型。以遥感反演得到的水色指标为输入条件，利用正则化方法求解该反问题，最终计算得到总氮、总磷的时空分布，实现对重点水质考核指标的全区域覆盖。

（2）基于卫星遥感与水流线的污染溯源技术。基于水动力模型生成流场，沿着水体流线对遥感反演的水质指标进行聚类合并，得到污染源位置和排污量，实现缺资料地区的污染源估算。

（3）基于遥感水质耦合模型的水质预测预警方法。将遥感反演的浓度分布作为水质模型输入的初始条件，将水污染溯源结果作为模型的边界条件，融合遥感反演和水质模型，进行水质数值模拟，提高水质模拟的时空精度，实现全流域所有水体的高精度预测预警功能。

5 讨论与展望

国内目前虽处于遥感卫星的密集发射期，但卫星种类多数为试验卫星或者首发卫星，数量上难以满足未来的需求，特别是开展卫星互联网或卫星物联网的商业应用，卫星数量远远不够。目前在水利等领域虽见卫星遥感的应用，但卫星数量及卫星影像时空分辨率不足以满足水利等行业应用，水利的时间分辨率应达到1 h，目前常用的卫星远远不能满足要求，如Landsat 的时间分辨率为16 d。因此急需研发针对水利行业的卫星星座，其可产生巨大体量、类型丰富的天对地观测数据，覆盖区域广、空间连续，对国家乃至全球的自然环境和社会系统动态监测皆能提供直接有效的超宏观信息。

本文提出了水利小卫星星座的总体构想，期望研发专为水利及相关领域设计的小卫星星座，为水利、农业、环保等行业提供定制化、专业化的服务。减少云雨对卫星感知的影响，保障全天候全天时全覆盖的卫星遥感数据获取。同时，基于卫星星座对地观测网，结合低空无人机组网，整合传统地面监测站，所构成的天空地一体化平台可成为时空两维立体、多尺度、多分辨率、多源异构的超级大数据源，为智慧水利、智慧农业、智慧减灾打下坚实的大数据基础，支撑国家重大发展战略。