中巴地球资源卫星与应用


************ 中国空间技术研究院中巴地球资源卫星总师 陈宜元 ************

　　中巴地球资源卫星是以我国为主研制的第一代传输型地球资源卫星，其主要任务是用先进的空间遥感技术，为调查、开发、利用和管理国土资源服务，其成果可广泛应用于农、林、牧、水利、地矿、测绘、海洋、环境监测、灾害监测、气象、交通选线等国民经济众多领域。
　　1999年10月14日11时16分，在我国太原卫星发射中心，长征四号乙运载火箭顺利升空，将我国和巴西联合研制的第一颗地球资源卫星送入轨道，卫星顺利地展开太阳电池阵，建立了正确的对地指向和正常的轨道运行工作状态。第二天，我国地面站接收到良好的地面图像。到2000年12月底，卫星已在空间运行了一年多，中国3个地面站和应用中心获取了该卫星9万多景遥感数据，经处理后得到了我国许多地区的各级遥感产品，供有关应用部门分析使用。资源卫星的发射成功，标志着使用我国研制的卫星获取实时遥感数据的开始，特别是首次直接获取了我国西部边陲地区的遥感图像资料，为开发大西部作出了一定的贡献。
　　一、概 况
　　中巴地球资源卫星的国内名称为资源一号卫星。早在1987年进行可行性论证时就按照当时先进的地球资源卫星，即法国斯波特-3和美国陆地卫星-5的技术指标为设计依据，汲取了它们的优点，在遥感谱段设置上与陆地卫星相近，但空间分辨率比陆地卫星-5高。它在空间分辨率上与斯波特相近（全色谱段较低），但谱段数比斯波特多。此外资源一号卫星设计的另一指导思想是卫星平台的高水平，卫星的重要部件由国内研制，实现国产化。巴西空间研究院在1987年了解到中国的空间计划后，提出希望进行地球资源卫星方面的合作。1988年7月6日两国政府签署联合议定书。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（CBERS），中方承担总经费的70％，巴西承担30％，卫星发射运行后由两国共同使用。1989年两国技术人员对中国资源卫星方案进行讨论和补充，形成了现今发射的中巴地球资源卫星的方案。
　　这是中国首次在空间技术领域进行的全面国际合作。在合作中遇到许多新问题，包括两国研制经费的困难，巴西承制卫星项目的ESCA公司破产，以及两国相距太远，技术协调、语言障碍等许多困难，致使1990～1994年合作处于停顿状态。两国政府后来分别在1993年、1996年签订补充协议，一再重申中巴地球资源卫星合作的重要意义，坚持合作，克服困难，这种合作被两国领导人誉为“南南高技术领域合作的典范”。但由于进度推迟，使广大用户受到影响，也使卫星赶超世界先进水平的步伐受到影响。中巴地球资源卫星没有经过试验星阶段，首发成功，首发即能有效使用，使国内外同行专家认为中巴地球资源卫星的成功，代表中国卫星研制水平上了一个新台阶。
　　二、卫星关键技术水平及与国外同类卫星的比较
　　卫星由公用服务平台和有效载荷舱两个舱段构成，舱段内采用分小舱设计，以形成分系统之间电磁和热方面的隔离。卫星采用778km高度的太阳同步轨道，倾角 98.5 ，偏心率1.1×10-3，设计寿命2年，电源系统的末期输出功率为1100W。
　　卫星的主要关键技术分述如下：
　　1.多谱段和不同分辨率的遥感器配置
　　20世纪80年代美国陆地卫星已发射数颗，运行多年。为尽快赶上国外技术水平，我国资源一号卫星综合了陆地卫星-4、5和法国斯波特-1、2的优点，并比它们具有更大的应用范围。为此设置了3台遥感器，即20m分辨率的五谱段CCD相机、80m和160m分辨率的四谱段红外扫描仪及256m分辨率的二谱段宽视场成像仪。卫星遥感系统共有11个谱段，4种不同分辨率，以及26天、5天的重复观测周期，用CCD相机侧摆镜可3天对重点地物进行重复观测，分别解决多谱段、高分辨率和短的观测周期的难题。这种配置方式目前国外还未有过，具有自身特色。
　　2.高精度、高性能的太阳同步轨道公用平台
　　资源一号卫星公用平台能适应多用途太阳同步轨道卫星，具有较高的自主能力和高精度的姿态控制系统以及适应变轨能力的轨道控制系统。太阳电池帆板可单翼，也可双翼，以适应不同需求的能源系统。平台中心承力筒能适应500～1000kg的有效载荷。该星采用了S波段统一测控和超短波测控，星载数据管理系统能适应不同卫星的整星信息管理要求，并能改变远置单元的数目，满足不同卫星测控的需要。
　　3.五谱段 CCD相机
　　该星采用CCD器件推扫式成像方式。尽管在引进CCD器件上受到了限制，加大了技术实现的难度，但我们还是成功地解决了五谱段CCD器件拼接、配准和共焦面成像等问题。相机具有±32 侧摆和定标功能，并且在电子线路低电平漂移、低噪声、一致性等方面有严格要求。现经过中国资源卫星应用中心对CCD相机遥感数据处理后的图片分析，认为和斯波特-3卫星CCD相机多光谱部分图片相当。
　　4.四谱段红外多光谱扫描仪
　　采用多元探测器扫描成像，利用扫描镜作±4.4 摆动扫描，通过高精度的控制回路进行同步补偿，实现双向扫描成像。热红外、短波红外探测器低温环境由先进的辐射致冷器提供，在轨测试期间一级温度低于147K，二级温度低于97K，且相当稳定，经分析，不需要再次进行加热去污，达到了世界先进水平。
　　5.高码速率数传和高密度磁记录器
　　国内首次研制了多载波、X波段高码速率传输系统，采用了QPSK、BPSK调制技术，分别传送CCD相机、红外扫描仪、宽视场成像仪的数据，总码速率为113Mb/s。高密度磁记录器采用42个磁道，记录重放码速率为53Mb/s，数据总容量大于50Gb，数据线路中采用先进的R-S码进行纠错，解决了磁带录放抖动的影响。通过数传系统（包括磁带机）获取了大量的国内外清晰的图像。
　　6.轨道设计及控制调整技术
　　1999年10月14日资源一号卫星准确进入预定轨道后，同年11月4～9日进行了7次轨道调整，在国内第一次实现了具有极高稳定性的太阳同步、回归、冻结轨道，并在其后每2～3个月对卫星进行精确的轨道调整保持。该技术达到了国际先进水平。
　　7.高精度姿态控制系统及四大机电部件国产化
　　首次在星上采用以4个偏置动量轮组成的整星零动量的三轴稳定对地定向和单翼太阳帆板对日定向控制技术，姿控系统具有高度的星上自主故障诊断和系统重构以及程序修改的能力。
　　首次研制了为高精度控制用的1N单组元肼小型推力器以及全管理型表面张力贮箱。
　　帆板驱动机构、红外地球敏感器、动量轮以及一组速率积分陀螺仪均采用国内研制产品。尤其是帆板驱动机构技术达到了国际先进水平。
　　8.星载数据管理系统
　　国内首先设计和研制的星载数据管理系统，由中央处理单元、远置单元、串行数据总线、遥控单元、命令译码单元组成，具有采集近千个参数及发送近400条指令的能力，同时具有整星信息和控制管理、星地校时、分系统间信息交换等能力。尽管只能采用空间级的80C86系列器件，但在设计中采取了软硬件防护以及纠错电路刷新数据等措施，避免了空间单粒子翻转效应的影响。
　　9.千瓦级太阳电池阵电源系统
　　采用三块单翼大面积太阳电池阵，并首次采用国内研制的展开机构以及帆板展开试验和装调技术，采用降压式充放电调节器和开关式分流调节器，使输出电源母线电压稳定在28V。
　　10.卫星热控制技术
　　由于资源一号卫星轨道及遥感设备的特点，卫星内部和外部热流变化大。针对热控这一大热流瞬变问题，采用了“分段周期循环法”解决整星瞬态热网络分析问题，替代了传统的稳态分析设计方法。第一次使用了100多台程控电源模拟卫星在轨飞行的各种工作模式，在卫星出厂前，圆满完成了卫星瞬态热平衡试验。在轨运行期间，星上各处温度均保持在规范值内。
　　中巴地球资源卫星的主要技术参数和国外同类卫星的比较如表所示。
　　三、卫星应用情况简介
　　中巴地球资源卫星的研制和发射成功，结束了长期以来我国没有自已的资源卫星的历史，标志着我国的空间遥感应用进入了一个新的阶段。这是我国第一次研制地球资源卫星，星上主要遥感器也是第一次研制，缺少飞行试验和与应用结合的经验。卫星上天后，各用户开展了对卫星数据的检验和评价，其中包括对图像的空间分辨率、几何精度、配准精度、辐射精度、动态范围以及信噪比等重要参数进行了评价。尤其是对CCD相机的遥感数据进行了评价，得出的主要结论有：
　　1.CCD相机遥感图像的地面分辨率达到了设计的19.5m的指标，在地物细节的空间特征表达及其可分性方面均优于美国陆地卫星TM相应波段的数据；
　　2.经处理纠正的图像信息产品具有较好的清晰度和较高的几何精度，可满足1∶100000比例尺的制图要求；
　　3.经综合分析，可为我国重要的资源环境数据库的更新提供信息基础，其最大比例尺可到 1∶50000；
　　4.应用评价表明，该卫星的数据可以在农业、林业、土地、城市、环境、灾害、地质、海洋、测绘等领域推广应用；
　　5.图像尚存在一定程度的条纹、数据错位、信噪比和动态范围不够等缺陷，因此在综合图像质量上与美国陆地卫星TM数据相比仍有一定差距，有待于改进和提高。
　　下面介绍几个应用实例：
　　1.在黄河三角洲可持续发展中的应用研究
　　利用1999年12月22日黄河口地区CCD数据，得出的应用分析评价结论如下：
　　（1）图像对植被反映明显，能基本准确划分出植被的分布；
　　（2）图像对水体反映明显，易于识别，能反映不同水深、水质、沙洲、水下地形；
　　（3）与高分辨率的卫星数据进行复合，清晰地反映了城镇结构、公路交通、盐场和渔塘、滩涂分布等情况；
　　（4）图像反映出不同长势的冬小麦状况、不同盐碱化程度的盐碱地和农田的不同状况；
　　（5）图像反映出黄河口淤积物堆积和扩散情况，反映出小清河污染的严重状况。
　　2.在辽东区域环境监测中的应用研究
　　利用1999年12月31日辽东地区CCD数据，得出的应用分析评价结论如下：
　　通过各种地物的对比分析表明，卫星空间分辨率为19.5m，明显高于TM指标。分析表明，卫星数据可以为农、林、水利、国土资源和海洋等多个领域服务，并在环境领域具有广阔的应用潜力。该资源卫星数据可对空气烟尘污染监测与空气污染带分布的划分、海洋和内陆水体污染、海域和河段划分与监督管理等提供科学依据。它同时也可为流域生态环境监控、开发和综合利用提供科学依据，为近海海域和内陆环境灾害的监控及为环境规划和大区域环境分区研究服务。特别需要指出的是，对空气烟尘污染、水体污染图像反映均比TM图像明显突出。
　　3.济南地区地表水资源调查和农业需水量估算
　　采用1999年11月20日济南地区CCD多光谱影像，得出的应用分析评价结论如下：
　　（1）影像光谱区分度较好，对水体反映明显，通过分类可以准确地区分出水体、农业用地、居民地等各类地物；
　　（2）卫星影像提取信息结果与目视解译基本吻合，水体提取精度高，在南水北调东线（江苏－山东）段地表水量和河流分布所需空间信息获取上具有实际可用性；
　　（3）在清晰度(纹理质量）、抗大气干扰能力方面较TM差。
　　4.长、株、潭城市群规划开发中的应用研究
　　采用1999年12月14日湖南地区CCD数据，得出的应用分析评价结论如下：
　　（l）实测分辨率接近19.5m，高于TM图像。卫星遥感数据几何性能良好，经精校正和图像增强后，可生成地理编码产品，卫星遥感数据可与多种栅格和矢量数据配准，制作专题图和影像地图，并能融入地理信息系统(GIS)，实现3S集成；
　　（2）由于数据量丰富，获取周期短，对城市规划、城市扩展监测、城市数据库的添加与更新、建立三维立体模型都具有很好的应用前景和明显的应用效益；
　　（3）在清晰度、噪声方面稍逊于TM图像。
　　5.在灾害监测评估中的应用
　　2000年4月9日，我国西藏自治区波密县易贡地区发生了罕见的大滑坡，堵塞了雅鲁藏布江的支流易贡藏布河的河道，形成堰塞湖，淹没了公路、易贡农场和居民点。为了赶在雨季前，把堰塞湖中的水尽量安全地排放到下游，避免大灾难的发生，需要精确地了解滑坡体和堰塞湖的情况，尤其是被堵的水量、滑坡体的大小以及是否会继续发展，堰塞湖下游的河道坡降等等。水利部遥感中心从中国资源卫星应用中心获取了1月26日、4月13日、5月9日的遥感数字图像，反映了滑坡发生前、发生后几天以及发生后一个月的情况。随后又获取了6月27日雅鲁藏布江下游的图像，这是专门为此次任务通过卫星CCD相机的侧摆镜侧摆所获得的云层比较少的图像。
　　几次监测获得的信息一方面提供了灾情，另一方面也为减灾救灾决策提供了科学依据。在易贡滑坡这一地质灾害连带造成的洪水灾害发生与发展的全过程中，空间遥感技术发挥了重要的作用。
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