哨兵-2A光學(xué)成像衛(wèi)星發(fā)射升空

龔燃 （北京空間科技信息研究所）

2015年6月23日，哨兵-2A（Sentinel-2A）衛(wèi)星從庫(kù)魯航天發(fā)射中心由“織女星”（Vega）運(yùn)載火箭發(fā)射升空。該衛(wèi)星為“哥白尼”計(jì)劃下多光譜成像任務(wù)中的首顆衛(wèi)星，此后還將發(fā)射相同的哨兵-2B衛(wèi)星。這2顆衛(wèi)星由歐洲委員會(huì)（EC）和歐洲航天局（ESA）共同實(shí)施，用于全球高分辨率和高重訪能力的陸地觀測(cè)、生物物理變化制圖、監(jiān)測(cè)海岸和內(nèi)陸水域，以及風(fēng)險(xiǎn)和災(zāi)害制圖等，以支持歐洲斯波特-5（SPOT-5）和美國(guó)陸地衛(wèi)星-7（Landsat-7）衛(wèi)星數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

目前，ESA已公布哨兵-2A衛(wèi)星于2015年6月27日傳回的首批衛(wèi)星圖像。可以看到，圖中的地球充滿著各種色彩，儼然斑斕的仙境一般。ESA曾將哨兵-2A衛(wèi)星攜帶的多光譜成像儀描述為“一個(gè)創(chuàng)新的寬幅高分辨率多光譜成像儀”，并宣稱它將以一個(gè)全新的視角展現(xiàn)我們的地球和植被。

哨兵-2A拍攝的首張多光譜圖像，波河流域（位于意大利西北部，法國(guó)南部）

意大利北部

意大利米蘭

法國(guó)沿海城市里維埃拉

1 衛(wèi)星簡(jiǎn)介

哨兵-2A運(yùn)行在高度為786km、傾角為98.5°的太陽(yáng)同步軌道上，降交點(diǎn)10：30。衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為7年（燃料可維持12年），尺寸為3400mm×1800mm×2350mm，發(fā)射質(zhì)量1200kg，其中多光譜成像儀質(zhì)量275kg，肼推進(jìn)劑質(zhì)量80kg。

哨兵-2A采用天體平臺(tái)-L（AstroBus-L），該平臺(tái)為歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織（ECSS）標(biāo)準(zhǔn)模塊化平臺(tái)，在軌壽命長(zhǎng)達(dá)10年。衛(wèi)星采用三軸姿態(tài)控制，無(wú)地面控制點(diǎn)圖像定位精度20m，星敏感器直接安裝在相機(jī)上，可獲得更優(yōu)的精度和穩(wěn)定性。姿態(tài)與軌道控制分系統(tǒng)（AOCS）由雙頻GPS接收機(jī)（L1/L2碼）、星跟蹤器（STR）組件、速率測(cè)量單元（RMU）、冗余精確慣性測(cè)量單元（IMU）、磁強(qiáng)計(jì)（MAG）、粗地球太陽(yáng)敏感器（CESS）、4個(gè)反作用輪（RW）、3個(gè)磁力矩（MTQ）、反作用控制系統(tǒng)（RCS）和單組元推進(jìn)系統(tǒng)組成。星上裝有1副太陽(yáng)電池翼，展開(kāi)面積為7.1m2，壽命初期總功率為2300W，壽命末期為1700W；鋰離子蓄電池的電量為102A·h。下行鏈路采用X頻段，速率為560Mbit/s，另外，其數(shù)據(jù)還可通過(guò)“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（EDRS）激光鏈路傳回地面。星上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量為2.4Tbit，遙測(cè)、跟蹤和控制采用S頻段天線。

哨兵-2A由ESA成員國(guó)與歐盟（EU）投資，空客防務(wù)與航天德國(guó)公司負(fù)責(zé)提供衛(wèi)星平臺(tái)，空客防務(wù)與航天法國(guó)公司負(fù)責(zé)提供有效載荷，同時(shí)，研制小組成員還包括德國(guó)耶拿光電公司（Jena Optronik）、法國(guó)Boostec公司、西班牙能源工程建設(shè)公司（Sener and GMV）。此外，法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）負(fù)責(zé)衛(wèi)星在軌試運(yùn)行期間的圖像質(zhì)量?jī)?yōu)化，德國(guó)航空航天中心（DLR）負(fù)責(zé)提供激光通信有效載荷，美國(guó)航空航天局（NASA）負(fù)責(zé)與其陸地衛(wèi)星-8進(jìn)行交叉定標(biāo)。

哨兵-2A展開(kāi)示意圖

哨兵-2A基本性能參數(shù)

哨兵-2任務(wù)專用于全面和系統(tǒng)覆蓋陸地表面（包括主要島嶼），目標(biāo)是提供歐洲和非洲地區(qū)每15～30天的無(wú)云產(chǎn)品。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，提高任務(wù)有效性，需要運(yùn)行由2顆衛(wèi)星組成的星座，即哨兵-2A和2B，實(shí)現(xiàn)5天的幾何重訪時(shí)間。其中1顆哨兵-2衛(wèi)星的重訪時(shí)間為10天（陸地衛(wèi)星-7為16天，“斯波特”系列衛(wèi)星為26天）。哨兵-2B將于2016年7月由俄羅斯隆聲號(hào)（ROCKOT）運(yùn)載火箭從俄羅斯普列謝茨克發(fā)射場(chǎng)發(fā)射。

2 主要有效載荷—多光譜成像儀

多光譜成像儀（MSI）采用推掃式成像模式，含13個(gè)通道，工作譜段為可見(jiàn)光、近紅外（VNIR）和短波紅外（SWIR），每10天更新一次全球陸地表面成像數(shù)據(jù)，每個(gè)軌道周期的平均觀測(cè)時(shí)間為16.3min，峰值為31min。光譜分辨率為15～180nm，空間分辨率為10m（可見(jiàn)光）、20m（近紅外）和60m（短波紅外），成像幅寬為290km，每軌最大成像時(shí)間為40min。

多光譜成像儀機(jī)械結(jié)構(gòu)由3個(gè)反射鏡、分光鏡設(shè)備、2個(gè)焦平面和3個(gè)星敏感器組成。多光譜成像儀利用3個(gè)螺栓兩腳架固定在衛(wèi)星上，主結(jié)構(gòu)尺寸為1.4m（長(zhǎng)）×0.93m（寬）×0.62m（高），質(zhì)量?jī)H44kg。光學(xué)系統(tǒng)采用三鏡消像散（TMA）設(shè)計(jì)，望遠(yuǎn)鏡口徑150mm，利用碳化硅（SiC）材料制成，可減少光學(xué)系統(tǒng)熱變形。可見(jiàn)光和近紅外焦平面基于單片集成互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）探測(cè)器制成，短波紅外焦平面基于碲鎘汞（MCT）探測(cè)器制成，兩者混合在CMOS讀出電路中。近紅外和短波紅外譜段的過(guò)濾，通過(guò)安裝在探測(cè)器頂部的縫隙濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些濾波器還可提供所需的光譜分離。

多光譜成像儀還包括一臺(tái)太陽(yáng)校準(zhǔn)與快門裝置（CSM）。1.4Tbit的圖像視頻流獲取后，在儀器內(nèi)部進(jìn)行數(shù)字化壓縮。多光譜成像儀帶有1臺(tái)外部傳感器組件，可以供姿態(tài)與指向參考，確保在圖像校準(zhǔn)前實(shí)現(xiàn)20m地面指向精度。

哨兵-2的多光譜成像儀有13個(gè)譜段，從可見(jiàn)光到近紅外至短波紅外，空間分辨率為10～60m，可實(shí)現(xiàn)前所未有的陸地監(jiān)測(cè)水平。

多光譜成像儀

望遠(yuǎn)鏡機(jī)械結(jié)構(gòu)

多光譜成像儀基本性能參數(shù)

多光譜成像儀的13個(gè)譜段的應(yīng)用領(lǐng)域

3 激光通信

與哨兵-1一樣，哨兵-2也搭載了1臺(tái)激光通信終端（LCT），并成為“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”的固定用戶。激光通信終端為低軌-靜軌光學(xué)通信鏈路，基于“X頻段陸地合成孔徑雷達(dá)”（TerraSAR-X）衛(wèi)星搭載的激光通信終端設(shè)計(jì)，功率2.2W，光學(xué)孔徑為135mm，通過(guò)“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”下行傳輸記錄數(shù)據(jù)。ESA和歐洲空客防務(wù)與航天公司已于2015年2月簽訂協(xié)議，“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”將于2015-2021年為哨兵-1和2提供高速通信服務(wù)，該協(xié)議可能持續(xù)至2028年。

“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”類似于光纖技術(shù)，其作為“空間數(shù)據(jù)高速公路”將會(huì)提供高達(dá)1.8Gbit/s的空間激光通信速度。通過(guò)該衛(wèi)星將能提供從對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)和飛行器到地球的近實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)將能為ESA提供更安全、更快速地下載大量圖像數(shù)據(jù)的能力，幫助ESA發(fā)展環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害響應(yīng)和危機(jī)管理的能力。

“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”的首個(gè)載荷將于2015年發(fā)射，而在此之前，ESA則通過(guò)一個(gè)搭載在“阿爾法衛(wèi)星”（Alphasat）上的有效載荷實(shí)現(xiàn)通信，該有效載荷由德國(guó)航空航天中心提供。“阿爾法衛(wèi)星”于2013年7月發(fā)射，是歐洲最大的通信衛(wèi)星，通過(guò)ESA與國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星公司（INMARSAT）間的公私合營(yíng)方式研發(fā)。激光通信終端證明了激光技術(shù)從擁擠的低軌道收集信息，繼而從位于36000km高的地球靜止軌道上將信息傳回地球的可行性。該終端于2013年11月在ESA位于特內(nèi)里費(fèi)島（Tenerife）的光學(xué)地面站進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明其性能良好，可以使用。

激光通信與傳統(tǒng)的無(wú)線電通信相比，可以通過(guò)更高的速率傳輸更多的信息，這可以滿足人類日益增長(zhǎng)的對(duì)衛(wèi)星通信服務(wù)的需求。由于“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”響應(yīng)時(shí)間更快，一次性所接收的信息量更大，它將應(yīng)用于“哨兵”系列衛(wèi)星以及其他環(huán)境監(jiān)測(cè)和減災(zāi)衛(wèi)星上。據(jù)估計(jì)，“哥白尼”系統(tǒng)要求其空間數(shù)據(jù)高速公路每天要向地面?zhèn)鬏?000Mbyte的數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有星地激光通信，其系統(tǒng)要求將很難得到滿足。

這個(gè)新通道同時(shí)解決了低軌道衛(wèi)星無(wú)法傳輸關(guān)鍵時(shí)間的信息問(wèn)題，這些低軌衛(wèi)星只有在臨近地面站時(shí)才能夠傳輸數(shù)據(jù)，而在其他時(shí)間里只能將有效信息存儲(chǔ)下來(lái)。這意味著在每個(gè)軌道上只有10min左右向地面?zhèn)鬏數(shù)臅r(shí)間，這只占了每個(gè)軌道上總持續(xù)時(shí)間的1/10，而“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”將把通信時(shí)間延長(zhǎng)5倍。

“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”將提供一個(gè)快速、可靠、無(wú)縫的電信網(wǎng)絡(luò)，可根據(jù)需要在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)和適當(dāng)時(shí)間從衛(wèi)星實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)。“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”的組織方式是ESA和空客防務(wù)與航天公司間的公私伙伴關(guān)系。在其組件于2015年和2016年完成發(fā)射后，將會(huì)為全世界用戶提供完全的商業(yè)服務(wù)。屆時(shí)，“哨兵”系列衛(wèi)星將會(huì)證明空間激光通信的效力。

有效載荷數(shù)據(jù)地面段地面站分布圖

位于意大利馬特拉齊的核心地面站

4 地面段

對(duì)于“哥白尼”計(jì)劃的運(yùn)行，ESA定義了“哥白尼”核心地面段的概念和框架，包括飛行運(yùn)行段（FOS）和有效載荷數(shù)據(jù)地面段（PDGS）。哨兵-1和2的飛行運(yùn)行與任務(wù)控制由歐洲空間運(yùn)行中心（ESOC，位于德國(guó)達(dá)姆施塔特）負(fù)責(zé)，哨兵-3衛(wèi)星和哨兵-4、5載荷由歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）負(fù)責(zé)。

地面段包括以下2個(gè)部分：

1）飛行運(yùn)行段：該段負(fù)責(zé)哨兵-2的所有飛行運(yùn)行，包括監(jiān)測(cè)與控制，執(zhí)行所有平臺(tái)活動(dòng)和有效載荷進(jìn)度指令。飛行運(yùn)行段的工作由位于德國(guó)達(dá)姆施塔特的歐洲空間運(yùn)行中心完成，該中心包括地面站和通信網(wǎng)、飛行運(yùn)行控制中心和通用通信網(wǎng)絡(luò)。

2）有效載荷數(shù)據(jù)地面段：該段負(fù)責(zé)哨兵-2有效載荷和數(shù)據(jù)下傳計(jì)劃，數(shù)據(jù)獲取、處理、存儲(chǔ)和交付，用于與飛行運(yùn)行段協(xié)調(diào)過(guò)程中的有效載荷和平臺(tái)全面監(jiān)測(cè)。

有效載荷數(shù)據(jù)地面段主要由以下4個(gè)部分組成：

1）4個(gè)核心地面站（CGS），分別位于意大利馬泰拉（Matera）、西班牙馬斯帕洛馬斯省（Maspalomas）、挪威斯瓦爾巴特群島（Svalbard）和美國(guó)阿拉斯加（Alaska）；

2）2個(gè)冗余處理/存檔中心（PAC），分別位于英國(guó)法恩伯勒（Farnborough)和西班牙馬德里（Madrid）；

3）1個(gè)任務(wù)執(zhí)行中心（MPC），位置待定；

4）1個(gè)有效載荷數(shù)據(jù)管理中心（PDMC），位于意大利弗拉斯卡蒂（Frascati）的ESA對(duì)地觀測(cè)中心（ESRIN）。

5 數(shù)據(jù)產(chǎn)品

根據(jù)“哨兵”數(shù)據(jù)政策，哨兵-2A衛(wèi)星數(shù)據(jù)將全面和公開(kāi)向用戶提供。

哨兵-2A衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品