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哨兵卫星(一个非常不错的遥感卫星影像)

“哨兵”卫星家族概览


据欧洲航天局网站2014年5月28日的报道,欧洲哨兵-1A(Sentinel-1A)卫星尽管还没有正式工作,但已为波黑境内的洪水灾情绘图提供雷达数据,从而为救灾提供了支援。

1  引言

“哨兵”系列卫星是欧洲哥白尼(Copernicus)计划[之前称为“全球环境与安全监测”(GMES)计划]空间部分(GSC)的专用卫星系列,由欧洲委员会(EC)投资,欧洲航天局(ESA)研制。“哨兵”系列卫星主要包括2颗哨兵-1卫星、2颗哨兵-2卫星、2颗哨兵-3卫星、2个哨兵-4载荷、2个哨兵-5载荷、1颗哨兵-5的先导星——哨兵-5P,以及1颗哨兵-6卫星。

·哨兵-1卫星是全天时、全天候雷达成像任务,用于陆地和海洋观测,首颗哨兵-1A卫星已于2014年4月3日发射。

·哨兵-2卫星是多光谱高分辨率成像任务,用于陆地监测,可提供植被、土壤和水覆盖、内陆水路及海岸区域等图像,还可用于紧急救援服务。

·哨兵-3卫星携带多种有效载荷,用于高精度测量海面地形、海面和地表温度、海洋水色和土壤特性,还将支持海洋预报系统及环境与气候监测。

·哨兵-4载荷专用于大气化学成分监测,将搭载在第三代气象卫星-S(MTG-S)上。

·哨兵-5载荷用于监测大气环境,将搭载在欧洲第二代“气象业务”(MetOp)卫星上。

·哨兵-5P卫星用于减小欧洲“环境卫星”(Envisat)和哨兵-5载荷之间的数据缺口。

·哨兵-6卫星是贾森-3(Jason-3)海洋卫星的后续任务,将携带雷达高度计,用于测量全球海面高度,主要用于海洋科学和气候研究。

2 哨兵-1卫星

哨兵-1卫星是高分辨率合成孔径雷达卫星,采用“意大利多用途可重构卫星平台”(PRIMA),尺寸3900mm×2600mm×2500mm,发射质量约2300kg(包括130kg燃料),设计寿命7.25年,燃料可维持寿命12年。其姿控系统采用三轴稳定方式,姿态控制精度为每轴0.01°。电源分系统(EPS)带有2副太阳电池翼,每副由5块太阳电池板组成,寿命末期平均功率为4.8kW,锂离子电池容量为324A·h。

哨兵-1卫星采用太阳同步轨道,轨道高度693km,倾角98.18°,轨道周期99min,重访周期12天。星上数据存储容量为900Gbit(寿命末期),测控链路采用S频段,上行链路数据传输率为4kbit/s,下行数据传输率为16kbit/s、128kbit/s和512kbit/s;数传采用X频段,数据传输速率为600Mbit/s。此外,哨兵-1卫星还装载了一台激光通信终端(LCT),为光学低轨-静止轨道通信链路。激光通信终端基于“陆地合成孔径雷达-X”(TerraSAR-X)卫星的设计,功率2.2W,望远镜孔径135mm,通过“欧洲数据中继卫星”(EDRS)下行传输记录数据。

哨兵-1携带的C频段合成孔径雷达由阿斯特留姆(Astrium)公司研制,它继承了“欧洲遥感卫星”(ERS)和“环境卫星”上合成孔径雷达的优点,具有全天候成像能力,能提供高分辨率和中分辨率陆地、沿海及冰的测量数据。同时,这种全天候成像能力与雷达干涉测量能力相结合,能探测到毫米级或亚毫米级地层运动。该合成孔径雷达的C频段中心频率为5.405GHz,带宽0~100MHz,峰值功率为4.368kW,脉冲持续时间5~100μs,脉冲重复频率1000~3000Hz;其天线质量为880kg(约占卫星发射质量的40%),尺寸为12.3m ×0.84m。星上合成孔径雷达有4种操作模式:条带模式(SM)、干涉测量宽幅模式(IW)、超宽幅模式(EWS)、波模式(WV)。(有关哨兵-1卫星详情见本刊2014年第5期)

3 哨兵-2卫星

哨兵-2卫星是高分辨率多光谱成像卫星,主要用于包括陆地植被、土壤以及水资源、内河水道和沿海区在内的全球陆地观测。该卫星具有高分辨率和高重访率,因此其数据的连续性比斯波特-5(Spot-5)和陆地卫星-7(Landsat-7)的更强。目前,首颗哨兵-2卫星的发射日期还未确定。

哨兵-2A、2B卫星将运行在高度为786km、倾角为98.5°的太阳同步轨道上,2颗卫星的重访周期为5天。该卫星设计寿命为7年,尺寸为3400mm×1800mm×2350mm,质量约1000kg,其中多光谱成像仪质量275kg,肼推进剂质量80kg。卫星有一副太阳电池翼,展开面积为7.1m2,寿命初期总功率为2300W,寿命末期为1730W;锂离子蓄电池的电量为102A·h;星载2Tbit大容量固态存储器用于有效载荷数据的处理。X频段下行链路有效载荷数据传输率为450Mbit/s,测控链路采用S频段天线。

哨兵-2卫星的主要有效载荷是多光谱成像仪(MSI),工作谱段为可见光、近红外和短波红外,地面分辨率分别为10m、20m和60m,多光谱图像的幅宽为290km,每10天更新一次全球陆地表面成像数据,每个轨道周期的平均观测时间为16.3min,峰值为31min。

哨兵-2卫星多光谱成像仪技术参数

参  数

指  标

光谱范围/μm

0.4~2.4 (可见光、近红外、短波红外)

望远镜镜面尺寸

440mm×190mm(M1)、145mm×118mm(M2)、

550mm×285mm(M3)

空间分辨率/m

10(4个谱段)、20(6个谱段)、60(3个谱段)

幅宽/km

290

视场/(º)

20.6

质量/kg

<275

功率/W

266

数据传输率/(Mbit/s)

450

4  哨兵-3卫星

哨兵-3卫星是全球海洋和陆地监测卫星,主要用于全球陆地、海洋和大气环境监测。2颗哨兵-3卫星发射后可在2天内实现全球覆盖,3h内交付实时卫星产品。首颗哨兵-3卫星计划于2015年发射。

该卫星主要应用范围包括:①海洋和陆地颜色观测,保持“环境卫星”星载中分辨率成像光谱仪(MERIS)数据的连续性;②海洋和陆地温度观测,保持“环境卫星”星载先进跟踪扫描辐射计(AATSR)数据的连续性;③海表和陆地冰监测,保持“环境卫星”星载高度计数据的连续性;④海岸带、内陆水和海冰地形的沿轨合成孔径雷达观测;⑤光学仪器数据的融合,生成植被产品。

哨兵-3卫星将运行在高度为814km、倾角为98.6°的太阳同步轨道,卫星尺寸为3890mm×2200mm×2210mm,发射质量为1198kg(包括90kg燃料),设计寿命7.5年。卫星带有一副太阳电池翼,该翼由3块太阳电池板组成,展开面积10.5m2,功率约2050W(寿命末期),正常模式下平均功率1100W。测控链路采用S频段;数传采用X频段,下行链路数据传输速率为300Mbit/s。

哨兵-3卫星携带的有效载荷包括光学仪器和地形学仪器,光学仪器包括海洋和陆地彩色成像光谱仪(OLCI)与海洋和陆地表面温度辐射计(SLSTR),提供地球表面的近实时测量数据;地形学仪器包括合成孔径雷达高度计(SRAL)、微波辐射计(MWR)和精确定轨(POD)系统,提供高精度地球表面(尤其是海洋表面)测高数据。

海洋和陆地彩色成像光谱仪是一种中分辨率线阵推扫成像光谱仪,质量约150kg,幅宽为1300km,视场68.5°,海洋上空的分辨率为1.2km,沿海区和陆地上空的分辨率为0.3km。海洋和陆地表面温度辐射计质量为90kg,工作在可见光和红外谱段,幅宽为750km,热红外通道的分辨率为1km(天底点),可见光和短波红外通道的分辨率为500m。合成孔径雷达高度计是地形学有效载荷的核心仪器,这是一台双频(C和Ku频段)高度计,质量约为60kg,提供地表高度、海浪高度和海风速度等数据;其雷达采用线性调频脉冲,地表高度测量的主频率是Ku频段(13.575GHz,带宽350MHz),C频段(5.41GHz,带宽320MHz)用于电离层修正,两个频段的脉冲持续时间为50ms。该高度计有低分辨率模式(LRM)和合成孔径雷达(SAR)模式两种。

哨兵-3合成孔径雷达高度计两种雷达模式技术参数

参  数

低分辨率模式

合成孔径雷达模式

功率/W

87

99

数据传输率/(Mbit/s)

0.1

12

探测表面类型

海洋、冰盖中部

沿海区、海冰、冰盖边缘、河流及湖泊

5  哨兵-4载荷

哨兵-4载荷是一个以高空间分辨率和高时间分辨率观测大气化学成分的有效载荷,将安装在欧洲第三代气象卫星-S上。首个载有哨兵-4载荷的第三代气象卫星-S计划于2018年发射,定点于0°(W)的静止轨道轨位上。哨兵-4载荷将对臭氧、二氧化氮、二氧化硫、氧化溴、乙二醛、甲醛和气溶胶等进行观测,并且能以高时间分辨率(1h)对整个欧洲地区的空气质量进行监测和预测。

哨兵-4载荷为一台紫外-可见光-近红外(UVN)扫描光谱仪,质量162kg,寿命约8.5年。该载荷覆盖紫外(305~400nm)、可见光(400~500nm)和近红外谱段(750~775nm),空间分辨率8km,光谱分辨率0.12~0.5nm,平均功率为180W,数据传输速率小于30Mbit/s。

6  哨兵5载荷和哨兵-5P卫星

哨兵-5是一个极轨气象载荷,它将配合哨兵-4静止轨道气象载荷用于全球实时动态环境监测。首个哨兵-5载荷计划在2020年由第二代“气象业务”卫星搭载升空。

同时,为弥补“环境卫星”和哨兵-5载荷在服务时间上的不连续,欧洲航天局将在2016年先发射哨兵-5P卫星。该卫星将运行在太阳同步轨道,高度824km,倾角98.742°,重访周期17天。

哨兵-5P卫星采用Astrobus-L250平台,三轴姿态稳定。卫星发射质量900kg(含80kg的燃料),设计寿命7年。星上电池容量156A·h,数据存储采用闪存技术,容量480Gbit(EOL),平均功率430W,寿命末期功率1500W。测控链路采用S频段,上行数据传输率为64kbit/s,下行数据传输率为128kbit/s;数传采用X频段,数据传输速率为310Mbit/s。

哨兵-5P卫星将携带紫外-可见-近红外-短波红外(UV-VIS-NIR-SWIR)推扫式光栅分光计,名为TROPOMI。该仪器将用于优化光谱分辨率、覆盖范围、空间采样点距、信噪比和高优先频带,能在较高时间分辨率和空间分辨率情况下进行大气化学元素测量,加强无云情况下对流层变化的观测,特别是对臭氧、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳和气溶胶的测量。

哨兵-5P卫星的性能指标

参数

指标

平台

特定极轨道平台

平台质量/kg

540(最大)

功率

1kW(平台平均最大功率),170W(载荷)

载荷质量/kg

200

载荷尺寸

1400mm×650mm×750mm

空间分辨率/km

7

光谱范围/nm

270~495,710~775,2314~2382

光谱分辨率/nm

0.25~0.55

辐射测量精度

2%

在轨数据量/Gbit

140

哨兵-5P卫星光谱测量参数

谱段

谱段范围/nm

光谱分辨率/nm

光谱采样/nm

空间采样范围/km2

信噪比(SNR)

紫外1

270~300

0.5

0.065

21×28

100

紫外2

300~320

0.5

0.065

7×7

100~1000

紫外-可见光

310~405

0.55

0.2

7×7

1000~1500

可见光

405~500

0.55

0.2

7×7

1500

近红外1

675~725

0.5

0.1

7×7

500

近红外2

725~775

0.5

0.1

7×1.8

100~500

短波红外

2305~2385

0.25

<0.1

7×7

100~120

7  结束语

“哨兵”系列卫星是哥白尼计划空间部分的重要组成部分。早在2009年,欧洲航天局就发布了《哥白尼系统“哨兵”数据政策的联合原则》[ESA/PB-EO(2009)98],阐述了“哨兵”系列专用卫星任务的数据政策原则和执行计划。2010年,欧洲委员会批准了《基于“哨兵”卫星数据“全面、公开获取”原则的哥白尼数据政策决议》,以推动“哨兵”卫星数据使用和服务开发。而且,欧洲授权法案中哥白尼计划数据与信息政策也即将生效。基于这些政策,将更好地推动公众对“哨兵”系列卫星数据的免费、全面和公开访问,从而进一步带动“哨兵”系列卫星的发展,并发挥出该系列卫星的强大潜在效益。


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