“哨兵”衛星家族概覽

據歐洲航天局（ESA）網站2014年5月28日的報道，歐洲哨兵－1A（Sentinel－1A）衛星盡管還沒有正式工作，但已為波黑境內的洪水災情繪圖提供雷達數據，從而為救災提供了支援。

1 引言

“哨兵”系列衛星是歐洲“哥白尼”（Copernicus）計劃[之前稱為“全球環境與安全監測”（GMES）計劃]空間部分（GSC）的專用衛星系列，由歐洲委員會（EC）投資，歐洲航天局研制。“哨兵”系列衛星主要包括2顆哨兵－1衛星、2顆哨兵－2衛星、2顆哨兵－3衛星、2個哨兵－4載荷、2個哨兵－5載荷、1顆哨兵－5的先導星—哨兵－5P，以及1顆哨兵－6衛星。

哨兵－1衛星是全天時、全天候雷達成像任務，用于陸地和海洋觀測，首顆哨兵－1A衛星已于2014年4月3日發射。

哨兵－2衛星是多光譜高分辨率成像任務，用于陸地監測，可提供植被、土壤和水覆蓋、內陸水路及海岸區域等圖像，還可用于緊急救援服務。

哨兵－3衛星攜帶多種有效載荷，用于高精度測量海面地形、海面和地表溫度、海洋水色和土壤特性，還將支持海洋預報系統及環境與氣候監測。

哨兵－4載荷專用于大氣化學成分監測，將搭載在歐洲第三代氣象衛星－S（MTG－S）上。

哨兵－5載荷用于監測大氣環境，將搭載在歐洲第二代“氣象業務”（MetOp）衛星上。

哨兵－5 P衛星用于減小歐洲“環境衛星”（Envisat）和哨兵－5載荷之間的數據缺口。

哨兵－6衛星是賈森－3（Jason－3）海洋衛星的后續任務，將攜帶雷達高度計，用于測量全球海面高度，主要用于海洋科學和氣候研究。

2 哨兵－1衛星

哨兵－1衛星是高分辨率合成孔徑雷達衛星，采用“意大利多用途可重構衛星平臺”（PRIMA），尺寸3900mm×2600mm×2500mm，發射質量約2300kg（包括130kg燃料），設計壽命7.25年，燃料可維持壽命12年。其姿控系統采用三軸穩定方式，姿態控制精度為每軸0.01°。電源分系統（EPS）帶有2副太陽電池翼，每副由5塊太陽電池板組成，壽命末期平均功率為4.8kW，鋰離子電池容量為324A ·h。

哨兵－1衛星采用太陽同步軌道，軌道高度693km，傾角98.18°，軌道周期99min，重訪周期12天。星上數據存儲容量為900Gbit（壽命末期），測控鏈路采用S頻段，上行鏈路數據傳輸率為4kbit/s，下行數據傳輸率為16kbit/s、128kbit/s和512kbit/s；數傳采用X頻段，數據傳輸速率為600Mbit/s。此外，哨兵－1衛星還裝載了一臺激光通信終端（LCT），為光學低軌-靜止軌道通信鏈路。激光通信終端基于“陸地合成孔徑雷達-X”（TerraSAR-X）衛星的設計，功率2.2W，望遠鏡孔徑135mm，通過“歐洲數據中繼衛星”（EDRS）下行傳輸記錄數據。

哨兵－1攜帶的C頻段合成孔徑雷達由阿斯特留姆（Astrium）公司研制，它繼承了“歐洲遙感衛星”（ERS）和“環境衛星”上合成孔徑雷達的優點，具有全天候成像能力，能提供高分辨率和中分辨率陸地、沿海及冰的測量數據。同時，這種全天候成像能力與雷達干涉測量能力相結合，能探測到毫米級或亞毫米級地層運動。該合成孔徑雷達的C頻段中心頻率為5.405GHz，帶寬0～100MHz，峰值功率為4.368kW，脈沖持續時間5～100μs，脈沖重復頻率1000～3000Hz；其天線質量為880kg（約占衛星發射質量的40%），尺寸為12.3m×0.84m。星上合成孔徑雷達有4種操作模式：條帶模式（SM）、干涉測量寬幅模式（IW）、超寬幅模式（EWS）、波模式（WV）。（有關哨兵－1衛星詳情見本刊2014年第5期）

哨兵－2衛星

3 哨兵－2衛星

哨兵－2衛星是高分辨率多光譜成像衛星，主要用于包括陸地植被、土壤以及水資源、內河水道和沿海區在內的全球陸地觀測。該衛星具有高分辨率和高重訪率，因此其數據的連續性比斯波特－5（Spot－5）和陸地衛星－7（Landsat－7）的更強。目前，首顆哨兵－2衛星的發射日期還未確定。

哨兵－2A、2B衛星將運行在高度為786km、傾角為98.5°的太陽同步軌道上，2顆衛星的重訪周期為5天。該衛星設計壽命為7年，尺寸為3400mm×1800mm×2350mm，質量約1000kg，其中多光譜成像儀質量275kg，肼推進劑質量80kg。衛星有一副太陽電池翼，展開面積為7.1m2，壽命初期總功率為2300W，壽命末期為1730W；鋰離子蓄電池的電量為102A·h；星載2Tbit大容量固態存儲器用于有效載荷數據的處理。X頻段下行鏈路有效載荷數據傳輸率為450Mbit/s，測控鏈路采用S頻段天線。

哨兵－2衛星的主要有效載荷是多光譜成像儀（MSI），工作譜段為可見光、近紅外和短波紅外，地面分辨率分別為10m、20m和60m，多光譜圖像的幅寬為290km，每10天更新一次全球陸地表面成像數據，每個軌道周期的平均觀測時間為16.3min，峰值為31min。

哨兵－2衛星多光譜成像儀技術參數

哨兵－3衛星

4 哨兵－3衛星

哨兵－3衛星是全球海洋和陸地監測衛星，主要用于全球陸地、海洋和大氣環境監測。2顆哨兵－3衛星發射后可在2天內實現全球覆蓋，3h內交付實時衛星產品。首顆哨兵－3衛星計劃于2015年發射。

該衛星主要應用范圍包括：①海洋和陸地顏色觀測，保持“環境衛星”星載中分辨率成像光譜儀（MERIS）數據的連續性；②海洋和陸地溫度觀測，保持“環境衛星”星載先進跟蹤掃描輻射計（AATSR）數據的連續性；③海表和陸地冰監測，保持“環境衛星”星載高度計數據的連續性；④海岸帶、內陸水和海冰地形的沿軌合成孔徑雷達觀測；⑤光學儀器數據的融合，生成植被產品。

哨兵－3衛星將運行在高度為814km、傾角為98.6°的太陽同步軌道，衛星尺寸為3890mm×2200mm×2210mm，發射質量為1198kg（包括90kg燃料），設計壽命7.5年。衛星帶有一副太陽電池翼，該翼由3塊太陽電池板組成，展開面積10.5m2，功率約2050W（壽命末期），正常模式下平均功率1100W。測控鏈路采用S頻段；數傳采用X頻段，下行鏈路數據傳輸速率為300Mbit/s。

哨兵－3衛星攜帶的有效載荷包括光學儀器和地形學儀器，光學儀器包括海洋和陸地彩色成像光譜儀（OLCI）與海洋和陸地表面溫度輻射計（SLSTR），提供地球表面的近實時測量數據；地形學儀器包括合成孔徑雷達高度計（SRAL）、微波輻射計（MWR）和精確定軌（POD）系統，提供高精度地球表面（尤其是海洋表面）測高數據。

海洋和陸地彩色成像光譜儀是一種中分辨率線陣推掃成像光譜儀，質量約150kg，幅寬為1300km，視場68.5°，海洋上空的分辨率為1.2km，沿海區和陸地上空的分辨率為0.3km。海洋和陸地表面溫度輻射計質量為90kg，工作在可見光和紅外譜段，幅寬為750km，熱紅外通道的分辨率為1km（天底點），可見光和短波紅外通道的分辨率為500m。合成孔徑雷達高度計是地形學有效載荷的核心儀器，這是一臺雙頻（C和Ku頻段）高度計，質量約為60kg，提供地表高度、海浪高度和海風速度等數據；其雷達采用線性調頻脈沖，地表高度測量的主頻率是Ku頻段（13.575GHz，帶寬350MHz），C頻段（5.41GHz，帶寬320MHz）用于電離層修正，兩個頻段的脈沖持續時間為50ms。該高度計有低分辨率模式（LRM）和合成孔徑雷達（SAR）模式兩種。

哨兵－3合成孔徑雷達高度計兩種模式技術參數

歐洲第三代氣象衛星－S

5 哨兵－4載荷

哨兵－4載荷是一個以高空間分辨率和高時間分辨率觀測大氣化學成分的有效載荷，將安裝在歐洲第三代氣象衛星－S上。首個載有哨兵－4載荷的第三代氣象衛星－S計劃于2018年發射，定點于0°（W）的靜止軌道軌位上。哨兵－4載荷將對臭氧、二氧化氮、二氧化硫、氧化溴、乙二醛、甲醛和氣溶膠等進行觀測，并且能以高時間分辨率（1h）對整個歐洲地區的空氣質量進行監測和預測。

哨兵－4載荷為一臺紫外-可見光-近紅外（UVN）掃描光譜儀，質量162kg，壽命約8.5年。該載荷覆蓋紫外（305～400nm）、可見光（400～500nm）和近紅外譜段（750～775nm），空間分辨率8km，光譜分辨率0.12～0.5nm，平均功率為180W，數據傳輸速率小于30Mbit/s。

6 哨兵－5載荷和哨兵－5P衛星

哨兵－5是一個極軌氣象載荷，它將配合哨兵－4靜止軌道氣象載荷用于全球實時動態環境監測。首個哨兵－5載荷計劃在2020年由第二代“氣象業務”衛星搭載升空。

同時，為彌補“環境衛星”和哨兵－5載荷在服務時間上的不連續，歐洲航天局將在2016年先發射哨兵－5P衛星。該衛星將運行在太陽同步軌道，高度824km，傾角98.742°，重訪周期17天。

哨兵－5P衛星采用Astrobus－L250平臺，三軸姿態穩定。衛星發射質量900kg（含80kg的燃料），設計壽命7年。星上電池容量156A·h，數據存儲采用閃存技術，容量480Gbit（EOL），平均功率430W，壽命末期功率1500W。測控鏈路采用S頻段，上行數據傳輸率為64kbit/s，下行數據傳輸率為128kbit/s；數傳采用X頻段，數據傳輸速率為310Mbit/s。

哨兵－5P衛星將攜帶紫外-可見-近紅外-短波紅外（UV-VIS-NIR-SWIR）推掃式光柵分光計，名為TROPOMI。該儀器將用于優化光譜分辨率、覆蓋范圍、空間采樣點距、信噪比和高優先頻帶，能在較高時間分辨率和空間分辨率情況下進行大氣化學元素測量，加強無云情況下對流層變化的觀測，特別是對臭氧、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳和氣溶膠的測量。

哨兵－5P衛星

哨兵－5P衛星的性能指標

哨兵－5P衛星光譜測量參數

7 結束語

“哨兵”系列衛星是“哥白尼”計劃空間部分的重要組成部分。早在2009年，歐洲航天局就發布了《“哥白尼”系統“哨兵”數據政策的相關原則》[ESA/PB-EO(2009)98]，闡述了“哨兵”系列專用衛星任務的數據政策原則和執行計劃。2010年，歐洲委員會批準了《基于“哨兵”衛星數據“全面、公開獲取”原則的“哥白尼”數據政策決議》，以推動“哨兵”衛星數據使用和服務開發。而且，歐洲授權法案中哥白尼計劃數據與信息政策也即將生效。基于這些政策，將更好地推動公眾對“哨兵”系列衛星數據的免費、全面和公開訪問，從而進一步帶動“哨兵”系列衛星的發展，并發揮出該系列衛星的強大潛在效益。