劉韜 （北京空間科技信息研究所）

首批第三代“災害監(jiān)測星座”
—北京-2星座于7月成功發(fā)射

劉韜 （北京空間科技信息研究所）

2015年北京時間7月11日， 前3顆災害監(jiān)測星座-3（DMC-3）—北京-2星座由印度極軌衛(wèi)星運載火箭-C28 （PSLV-C28）發(fā)射入軌。這3顆衛(wèi)星由英國薩瑞衛(wèi)星技術公司（SSTL）研制，采用薩瑞衛(wèi)星技術公司-300 S1平臺，它們形成了一個新的星座—北京-2星座，其創(chuàng)新衛(wèi)星設計具有巨大的成像潛力，每顆衛(wèi)星攜帶有1m分辨率全色相機和4m分辨率三譜段成像儀，可以執(zhí)行多種不同類型影像的拍攝任務，還能實現(xiàn)對地球給定區(qū)域的每日重訪，這對用于變化監(jiān)測、災難監(jiān)測和響應規(guī)劃至關重要。

1　“災害監(jiān)測星座”項目背景

“災害監(jiān)測星座”（DMC）是1996年英國薩瑞衛(wèi)星技術公司牽頭發(fā)起的國際合作衛(wèi)星項目。經(jīng)過10余年的發(fā)展，“災害監(jiān)測星座”衛(wèi)星系統(tǒng)逐步升級換代，目前已發(fā)展到第三代。“災害監(jiān)測星座”從政策、經(jīng)濟和技術層面都滿足了災害監(jiān)測的需求。在政策層面，災害監(jiān)測是全球性問題，需要各國協(xié)同合作。而“災害監(jiān)測星座”是國際合作項目的典范，參與該項目的國家包括英國、中國、阿爾及利亞、土耳其、尼日利亞和西班牙?！盀暮ΡO(jiān)測星座”于2005年參與了《空間和重大災害國際憲章》（International Charter： Space and Major Disasters）。同時，“災害監(jiān)測星座”通過歐洲航天局（ESA）的第三方合作計劃參與了歐洲的“全球環(huán)境與安全監(jiān)視”計劃（GMES，現(xiàn)改名為“哥白尼”計劃）。在經(jīng)濟層面，構建一個衛(wèi)星星座，難以以一國之力為之。而參與各國負責各自衛(wèi)星研制和發(fā)射費用，負擔較輕，且“災害監(jiān)測星座”采用小衛(wèi)星平臺，成本較低。在技術層面，對洪水、森林大火、水體污染等動態(tài)環(huán)境監(jiān)測需要高質量、短重訪周期（即高時間分辨率）的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。每代“災害監(jiān)測星座”一般都采用詳查衛(wèi)星與普查衛(wèi)星相結合的方式。同時，每代“災害監(jiān)測星座”均有數(shù)顆衛(wèi)星組網(wǎng)運行，能夠提供24h重訪能力，滿足動態(tài)災害監(jiān)測需求。如在第一代“災害監(jiān)測星座”衛(wèi)星中，北京-1衛(wèi)星分辨率4m，是第一代“災害監(jiān)測星座”5顆衛(wèi)星中分辨率最高的，起到高質量詳查的作用；其他衛(wèi)星幅寬大，起到大范圍普查的作用。在第二代“災害監(jiān)測星座”中，尼日利亞衛(wèi)星-2分辨率最高，為2.5m，其他衛(wèi)星進行大范圍普查。在第三代“災害監(jiān)測星座”衛(wèi)星中，中國租賃的3顆災害監(jiān)測星座-3衛(wèi)星，即北京-2星座衛(wèi)星均為詳查衛(wèi)星，分辨率達到1m。其普查任務可能由英國正在研制的NovaSAR衛(wèi)星承擔（分辨率6～30m、幅寬15～750km）。

2　“災害監(jiān)測星座”項目運營方式

作為“災害監(jiān)測星座”這一國際合作衛(wèi)星項目的倡導者，英國薩瑞衛(wèi)星技術公司負責設計并制造所有“災害監(jiān)測星座”衛(wèi)星。在前兩代“災害監(jiān)測星座”中，每顆衛(wèi)星由各國擁有，并獨自負責運控，同時各國承擔衛(wèi)星發(fā)射和研制費用。

為了高效地運管“災害監(jiān)測星座”，由各成員國組建的委員會于2004年創(chuàng)辦了國際圖像有限公司（DMCii），該公司位于英國。災害發(fā)生后，國際圖像有限公司負責衛(wèi)星的協(xié)調工作。在沒有災害發(fā)生時，“災害監(jiān)測星座”獲取的圖像數(shù)據(jù)由國際圖像有限公司負責商業(yè)銷售，為各成員國獲取商業(yè)利潤。如2009年，受美國農(nóng)業(yè)部的邀請，“災害監(jiān)測星座”為其提供農(nóng)業(yè)監(jiān)測方面的數(shù)據(jù)。

在第三代“災害監(jiān)測星座”中，中國占主導地位，同時采用了與前兩代“災害監(jiān)測星座”不同的運營方式。此次合作采用了國際圖像有限公司全新的衛(wèi)星應用模式，中國二十一世紀空間技術有限公司（21AT）是第一個采用該模式的客戶。在傳統(tǒng)上，衛(wèi)星圖像提供商購買并運營自己的衛(wèi)星。但二十一世紀空間技術有限公司這次租賃3顆災害監(jiān)測星座-3衛(wèi)星100%的成像能力，租期7年。衛(wèi)星制造商英國薩瑞衛(wèi)星技術公司在衛(wèi)星星座設計中需滿足二十一世紀空間技術有限公司的觀測需求。在國際圖像有限公司新的衛(wèi)星應用模式下，二十一世紀空間技術有限公司不用負責衛(wèi)星的發(fā)射和運控，可以執(zhí)行災害監(jiān)測星座-3的計劃和編程任務，獲得時效性強、分辨率高的衛(wèi)星圖像，并節(jié)省經(jīng)費。衛(wèi)星數(shù)據(jù)的銷售由二十一世紀空間技術有限公司所屬北京宇視藍圖信息技術有限公司負責。國際圖像有限公司于2011年6月在倫敦與二十一世紀空間技術有限公司簽署了1.1億英鎊的合同。災害監(jiān)測星座-3衛(wèi)星將廣泛用于國土、農(nóng)林、環(huán)保、城市規(guī)劃和災害監(jiān)測等領域，為國內外用戶提供高時間分辨率、高空間分辨率的光學圖像數(shù)據(jù)。

3　“災害監(jiān)測星座”性能

“災害監(jiān)測星座”已發(fā)展了三代，均采用英國薩瑞衛(wèi)星技術公司研制的平臺。第一代衛(wèi)星的空間分辨率大多為32m，第二代衛(wèi)星的分辨率大多為22m，而第三代衛(wèi)星在平臺機動能力和載荷分辨率指標上有大幅度提升，平臺具備了±45°的側擺機動能力，載荷達到全色1m、多光譜4m分辨率。

三代“災害監(jiān)測星座”衛(wèi)星指標

目前，第一代“災害監(jiān)測星座”已經(jīng)退役，其中中國的北京-1在超期服役后于2012年退役。第二代4顆衛(wèi)星全部在軌運行。第三代的前3顆衛(wèi)星—北京-2星座剛剛上天。

續(xù) 表

三代“災害監(jiān)測星座”衛(wèi)星平臺指標

薩瑞衛(wèi)星技術公司-100i平臺

薩瑞衛(wèi)星技術公司-150i平臺

薩瑞衛(wèi)星技術公司-300i平臺

第一代“災害監(jiān)測星座”性能

（1）阿爾及利亞衛(wèi)星-1

阿爾及利亞衛(wèi)星-1的有效載荷采用薩瑞6通道3譜段多光譜線性成像儀（SLIM6），它是薩瑞衛(wèi)星技術公司研制的標準中分辨率多光譜成像儀。

（2）信息技術與電子研究所衛(wèi)星-1

信息技術與電子研究所衛(wèi)星-1的有效載荷包括全色相機（PanCam）、多光譜成像系統(tǒng)（MSIS）和多譜段相機（COBAN）。

其全色相機基于薩瑞大學衛(wèi)星-12（UoSat-12）研制，望遠鏡口徑400mm，空間分辨率12m，幅寬25km，視場300km。全色相機與星相機安裝在同一光學平臺上。

其多光譜成像系統(tǒng)由4臺獨立相機組成，采用凝視型陣列，每臺相機運行在獨立的譜段（紅、藍、綠、近紅外），空間分辨率26m，幅寬55km。

其多譜段相機是土耳其研制的低分辨率多光譜成像儀，由8臺相機組成，空間分辨率為120m。

（3）尼日利亞衛(wèi)星-1

尼日利亞衛(wèi)星-1運行于太陽同步圓軌道，高度686km，傾角98.9°，軌道周期97.7min。衛(wèi)星質量98kg，有效載荷與阿爾及利亞衛(wèi)星-1的相同，為薩瑞6通道3譜段多光譜線性成像儀。

（4）英國-災害監(jiān)測星座-1

英國-災害監(jiān)測星座-1的主要有效載荷與阿爾及利亞衛(wèi)星-1和尼日利亞衛(wèi)星-1衛(wèi)星一樣，為薩瑞6通道3譜段多光譜線性成像儀。

此外，衛(wèi)星還載有數(shù)個試驗型載荷，包括GPS反射計試驗載荷、水電阻加熱推力器試驗載荷、思科公司的低地球軌道路由器、抗網(wǎng)絡延遲和中斷試驗載荷。

（5）北京-1

北京- 1衛(wèi)星質量1 6 6 . 4 k g，外形尺寸900mm×770mm×912mm，運行軌道高度686km，設計壽命5年。北京-1衛(wèi)星采用傾角98.17°的太陽同步軌道，升交點地方時10：45。

北京- 1衛(wèi)星的有效載荷包括1臺較高分辨率的全色相機[又稱為“中國制圖望遠鏡”，（CMT）]和1臺多光譜相機（薩瑞6通道3譜段多光譜線性成像儀）。全色相機的成像模式為推掃式，覆蓋譜段范圍為全色0.5～0.8μm，分辨率4m，幅寬24km，全色相機可以側擺±30°，影像產(chǎn)品的標準景大小為24km×24km；多光譜相機分3個譜段，即0.52～0.66μm、0.63～0.69μm 和0 . 7 6～0 . 9 μ m，每個譜段由兩臺相機成25.2896°交角組合成像，約重疊567個像素，多光譜相機空間分辨率為32m，影像產(chǎn)品的標準景為600km×600km。

據(jù)報道，北京-1衛(wèi)星在土地利用、地質調查、流域水資源調查、洪澇災害、冬小麥播種面積監(jiān)測、森林類型識別、城市規(guī)劃監(jiān)測和考古等方面的應用效果良好。

薩瑞6通道3譜段多光譜線性成像儀參數(shù)表

第二代“災害監(jiān)測星座”性能

（1）英國-災害監(jiān)測星座-2和德莫斯-1衛(wèi)星

英國-災害監(jiān)測星座-2和德莫斯-1衛(wèi)星均攜帶改進型薩瑞6通道3譜段多光譜線性成像儀，分辨率提高到22m。

（2）尼日利亞衛(wèi)星-2、X

尼日利亞衛(wèi)星- 2攜帶甚高分辨率成像儀（VHRI），該載荷提供2.5m分辨率的全色圖像和5m分辨率的4譜段多光譜數(shù)據(jù)，用于繪圖、水資源管理、農(nóng)業(yè)用地監(jiān)測、人口評估、環(huán)境危害監(jiān)測以及防災減災等。甚高分辨率成像儀由薩瑞衛(wèi)星技術公司設計制造，是北京-1的中國制圖望遠鏡的改進型，基于卡塞格林結構，主鏡口徑為385mm，焦距1000mm，幅寬為20km。甚高分辨率成像儀使用低膨脹材料制造，支撐結構使用碳纖維復合材料，光學系統(tǒng)使用微晶玻璃和熔石英，光具座使用低膨脹鋁材料。

尼日利亞衛(wèi)星-2上的另外一個有效載荷是中分辨率成像儀（MRI），它是32m中分辨率4譜段多光譜成像儀，幅寬300km。

尼日利亞衛(wèi)星-X攜帶改進型薩瑞6通道3譜段多光譜線性成像儀，多光譜分辨率22m。

第三代“災害監(jiān)測星座”性能

災害監(jiān)測星座-3衛(wèi)星采用薩瑞衛(wèi)星技術公司-300 S1衛(wèi)星平臺。該衛(wèi)星平臺基于尼日利亞衛(wèi)星-2的薩瑞衛(wèi)星技術公司-300平臺設計，新平臺可承載0.75～1m分辨率光學成像載荷，具有高速數(shù)據(jù)下傳能力，側擺機動范圍達到±45°。它采用100SP-O型飛輪作為姿態(tài)控制執(zhí)行機構，其質量2.6kg，角動量1.5Nms，最大力矩0.11Nm。

災害監(jiān)測星座-3衛(wèi)星運行于高度647km、傾角97.8°的太陽同步軌道，升交點地方時10：30，偏心率0°。衛(wèi)星質量約447kg，設計壽命7年，數(shù)據(jù)量化10bit。前3顆衛(wèi)星—北京-2星座位于同一軌道平面，相互間隔120°星座對地球任意位置重訪周期為1天。其有效載荷為甚高分辨率成像儀-100，全色分辨率1m、多光譜分辨率4m，全色波段范圍450～650nm，有4個多光譜波段，分別為600～670nm（紅）、510～590nm （綠）、440～510nm（藍）、760～910nm（近紅外）。所有成像波段的信噪比大于100，全色波段調制傳遞函數(shù)值（MTF）優(yōu)于0.1，多光譜波段優(yōu)于0.2。幅寬23km，焦平面探測器采用TDI CCD。它具有沿軌、穿軌立體成像能力，單星每日圖像采集面積100000km2，在長條帶成像模式下，條帶成像距離高度4000km。星上存儲能力128GByte，數(shù)傳系統(tǒng)采用X頻段，由高速數(shù)據(jù)記錄器數(shù)據(jù)率（HSDR）、大容量閃存單元（FMMU）、X頻道發(fā)射機和高增益天線指向機構（APM）組成，數(shù)傳速率400Mbit/s。其數(shù)據(jù)采用聯(lián)合圖像專家組無損壓縮（JPEG-LS）。

改進型薩瑞6通道3譜段多光譜線性成像儀參數(shù)表

測試中的3顆北京-2衛(wèi)星

Third Generation Disaster Monitoring Constellation — Beijing-2 Launched in July