環境與災害監測預報小衛星星座A/B衛星運行與發展展望

白照廣

(航天東方紅衛星有限公司，北京 100094)

20世紀90年代，基于災害監測高時效需求，我國陳芳允院士提出了利用小衛星星座的應對方案。中國國際減災十年委員會聯合國家環境保護總局、中國航天科技集團公司組織了小衛星星座項目論證，并上報科工局“關于建立災害與環境監測預報小衛星星座立項報告”，即“4+4”方案。基于技術基礎、未來技術發展、財政支撐等，2003年國家國防科技工業局、國家計劃委員會和財政部批復立項“2+1”項目(簡稱環境減災一號) ，即2顆光學星(HJ-1A、HJ-1B)、1顆合成孔徑雷達(SAR)衛星(HJ-1C)。HJ-1A同時作為亞太空間技術多邊合作小衛星(SMMS)。衛星由航天東方紅衛星有限公司負責研制。

2008年9月6日，環境與災害監測預報小衛星星座A/B衛星，簡稱環境減災一號A/B(HJ-1A/1B)在太原衛星發射中心由長征二號丙火箭發射升空，至2018年9月6日，已整整運行十年[1-4]。在民政部衛星減災應用中心的精心運營管理下，目前，雙星仍在按業務需求開展遙感任務，成為我國壽命最長的遙感衛星。衛星在軌構型如圖1所示。衛星的主要技術指標見表1。

技術指標HJ-1AHJ-1B軌道高度(軌道類型)/km649.093(太陽同步軌道)質量/kg473496寬覆蓋多光譜CCD相機譜段數/個44地面像元分辨率/m3030幅寬/km769769超光譜成像儀譜段數/個115-地面像元分辨率/m99.5-幅寬/km52.8-紅外相機譜段數-4地面像元分辨率/m-149.5/298幅寬/km-732衛星設計壽命/a3

1 雙星在軌運行情況[5-7]

1.1 星座軌道運行情況

HJ-1A/1B衛星入軌后，于2008年10月13日完成雙星軌道控制，形成180°相位星座布設(見圖2)。形成的成像覆蓋能力如圖3所示。

為維持兩星覆蓋特性，按照相位差(180°±11.8°)的要求，2010年5月22日、2012年3月7日至3月10日分別對星座相位維持實施了二次軌控，保持雙星運行期間48 h重復覆蓋的要求。

2014年，衛星降交點地方時已由標稱值10：30漂移到9：20左右，電池陣太陽入射角β角增大，整星發電能力受到較為嚴重的影響。2014年3月11日開始對星座實施了衛星傾角的調整，增加0.305 6°，使得衛星降交點地方時開始向正午漂移。2016年以后，衛星相位差拉大，考慮到衛星處于壽命末期、星上能源狀態等因素，雙星以保壽命運行為主，未再進一步軌道調整。雙星軌道半長軸、降交點地方時、兩顆星的相位差等十年變化分別見圖4～6。

圖2 雙星在軌運行示意Fig.2 Artist’s concept of HJ-1A/1B satellites

圖3 雙星成像覆蓋情況Fig.3 Image coverage of HJ-1A/1B satellites

圖4 HJ-1A/1B衛星軌道半長軸變化Fig.4 Semi-major axis of HJ-1A/1B satellites

圖5 HJ-1A/1B衛星軌道降交點地方時變化Fig.5 Local time of descending node of HJ-1A/1B satellites

圖6 入軌以來HJ-1A/1B兩顆衛星的相位差Fig.6 Phase difference of HJ-1A/1B satellites

1.2 能源供電情況

經過十年運行，A星太陽電池陣輸出電流相對入軌初期已衰減0.6 A左右，B星太陽電池陣電流相對入軌初期已衰減1.8 A左右。雙星在軌太陽電池陣輸出電流與太陽入射角關系如圖7所示。太陽電池陣輸出電流在軌波動主要是太陽入射角β角變化引起的。

圖7 HJ-1A/1B太陽電池陣輸出電流與太陽入射角變化關系Fig.7 Output current of the solar array and the solar incident angle of HJ-1A/1B satellites

經對未來3年趨勢分析(見圖8)，A星在2020年底，β角會增大到44°，此時太陽電池陣輸出電流與最大負載持平；在2021年初，β角會增大到49°，電源供電當圈無法平衡。B星在2019年初，β角會增大到40.4°，太陽電池陣輸出電流與最大負載持平；在2020年底，β角會增大到45.7°，電源供電當圈無法平衡。按照當圈能量平衡考慮，維持正常任務的供電A星可維持到2021年初，B星可維持到2020年底。

太陽電池陣最大輸出電流和蓄電池放電終壓見表2和表3。目前,衛星能源仍滿足負載運行要求。

圖8 HJ-1A/1B衛星未來3年β角變化預測Fig.8 β in the coming 3 years of HJ-1A/1B satellites

項目最大輸出電流/AHJ-1AHJ-1B2008年23.5223.882018年21.2421.24電流減少2.282.62電池片退化1.801.80

表3 HJ-1A/1B蓄電池放電終壓

1.3 衛星其他功能

衛星運行姿態穩定，整體工況良好。姿態指向精度始終維持在0.1°以內，姿態穩定精度維持在0.008 1(°)/s以內。

星上溫度環境適宜，蓄電池組采用主動溫控，溫度水平一直保持在3.3～8.8 ℃正常范圍內,其他艙內設備保持在0～30 ℃以內，隨時間整體上呈微微上漲趨勢，平均每年長0.5 ℃,A星主要設備溫度變化見圖9。

衛星星務、測控等主要功能正常，具備支持遙感業務持續運行的能力。

運行十年期間，A星使用燃料12.03 kg，剩余燃料9.989 kg；B星使用燃料9.775 kg，剩余燃料10.776 kg。仍有一定能力實施軌控。

1.4 星座成像及應用情況[8-13]

截至2018年7月31日，雙星成像16 620軌，其中A星成像1 067 285景，分發3 458 439景，B星生產圖像333 134景，分發1 446 413景。衛星遙感數據廣泛應用于多個應用領域，用戶遍布全國各省市，取得了巨大的經濟效益和社會效益。

國家衛星減災應用中心利用HJ-1A/1B衛星遙感數據，生成了災害背景環境、災害特征參數、災害風險監測、災情動態監測、災情綜合評估、災害范圍評估、恢復重建監測評估和決策支持產品等一整套的系統產品，制作數百期衛星減災應用產品，在地震、洪澇、旱災、雪災、冰凌、冰凍、泥石流、沙塵、火災等方面開展了大量遙感數據服務。典型業務如西藏藏南雪災(2008年10月)、北方地區旱災(2008年10月至2009年11月)、內蒙古沙塵暴(2009年3月)、黃河凌汛(2010年3月)、青海玉樹地震(2010年4月)、甘肅舟曲泥石流(2010年8月)、洪澤湖冰凍災害(2011年1月)、云南玉溪市易門縣森林火災(2012年2月)、渤海灣海冰(2013年2月)、新疆阿勒泰試融雪性洪澇(2016年6月)、內蒙古烏拉特前旗南昌村洪澇(2018年7月)等新發災害，先后完成災害特征信息、災害影響范圍、受災程度、居民點、交通線等災情信息提取、監測與評估工作，制作救災決策支持產品百余期，為救災工作提供了重要的決策支持依據。

環境保護部衛星環境應用中心以HJ-1A/1B衛星為主要數據源構建了水環境、環境空氣、生態環境業務化應用系統，積極分發環境衛星數據，創新開展衛星遙感等監測及應用工作，在環境監測、環境執法、環境應急、生態保護等方面發揮遙感技術大范圍、快速、動態觀測的特點，為環境監測、管理和決策提供了重要技術支持和信息服務。典型應用如定期對太湖、巢湖、滇池、三峽庫區等大型水體、水質進行動態監測預警，及時有效反映水體藍藻水華發生、發展變化，為國家環境監測、污染防治等部門宏觀管理提供了有效的技術支持；對飲用水源地水質、二氧化硫、氮氧化物、灰霾等進行遙感監測工作；及時監測上海世博會環境空氣質量；自2010年4月起，每日對長三角地區秸稈焚燒情況進行動態監測；針對國家及自然保護區、重要生態功能保護區、重點礦區、大型工程環境影響進行評價等；先后對我國多個擬建核電項目和廠址進行了遙感監測，為客觀、迅速核查核電項目建設進展提供了重要支持。

環境與災害監測預報小衛星星座A、B衛星發射成功后，不僅支撐了國內環保和減災多個業務系統的日常運行，提高了我國對重大突發災害的綜合保障和應急能力，為我國環境管理提供了重要技術支持和信息服務，還陸續向亞太空間合作組織成員國提供了部分圖像，為空間與重大災害國際憲章(CHARTER)、聯合國災害管理與應急反應天基信息平臺(UN-SPIDER)等國際合作機制和機構提供了大量數據支持，體現了我國和平利用外空間的大國形象，取得較好的反響。國際典型業務如澳大利亞森林大火(2009年2～3月)、加拿大火災(2009年7月)、海地地震(2010年1月)、墨西哥灣溢油(2010年4月)、冰島火山爆發(2010年5月)、緬甸水災(2015年7～8月)、斯里蘭卡水災(2017年5月)等提供了及時的數據產品服務。

2 成果與經驗

2.1 主要成果

作為環境減災首組衛星，HJ-1A/1B衛星的成功超壽命運行開創了民用遙感衛星新系列。雙星不僅很好完成科研星的新技術驗證任務，而且圓滿完成3年任務要求，超壽命運行，極大提升了衛星使用價值，為我國空間基礎建設節約了成本，實現了科研與業務成功并舉，在我國新型衛星系列首組衛星運行壽命表現上難得一見。十年積累的衛星遙感數據，已成為我國基礎遙感數據的重要組成，可為后續歷史數據分析提供強有力支撐。雙星具體成果與創新如下。

(1)由A、B星組成的環境與災害監測預報小衛星星座是我國首個應用型光學星座，擁有可見光、紅外探測等手段，具備多光譜及超光譜探測能力，通過整體發揮效用，實現減災與環境監測的大廣域、高時效觀測，星座綜合觀測能力在國際上具有創新。HJ-1A/1B是我國首個設計就立足組網、整體發揮效用的光學星座，其組網壽命、重復覆蓋觀測能力有明確的要求。延壽衛星與后續衛星組網，重復覆蓋能力往往并非最優。中分辨率光學遙感星座中，英國組織多個國家實施了5個小衛星的星座，其主要靠3個譜段、32 m分辨率、600 km幅寬來實現探測，衛星的組網能力受不同國家管制能力有限，體裝式太陽電池陣限制了其成像時間。HJ-1A/1B衛星嚴格相位控制，融可見光、紅外等探測能力，在國際上也是領先的設計。

(2)采用嚴格的相位控制和星座保持技術，突破了雙星成像視場匹配的難題，實現了2天國土的快速覆蓋，提高了災害和環境監測的時效性，在國際上具有創新。兩顆衛星要共同實現2天無縫覆蓋觀測，采取了一系列創新的設計措施：①在軌道設計方面，按照相機幅寬實現能力與邊緣視場精度綜合要求等，確定2天內的相鄰軌跡星下點間距要小于700 km要求，通過軌道優化，確定了649 km高度的太陽同步軌道，兩星在同一個軌道面內按照180°分布；②基于雙星主、副載荷使用差異，雙星采用了差異化配置載荷，共同實現多遙感要素能力；③通過優化構型與布局，使兩星迎風面積與衛星質量(面質比)比基本一致(相差約4%)，確保了兩星相位差的長期穩定；④設計俯仰、偏航180°的姿態機動，實施軌道升降和傾角控制，確保了星座所需的衛星軌控能力。

(3)采用不同探測譜段、不同分辨率的綜合方案和視場優化配置等技術，解決了中等分辨率下的高時間重訪率和寬覆蓋綜合兼顧難題，實現了災害和環境兼容監測應用的目的，在國際上具有創新：①針對探測需求進行了譜段的選擇與譜段數的優化設計。針對環境與災害監測的需求，設計多光譜可見光進行地面大范圍景物直觀性監測，用于獲取大多數災害與環境變化要素需要的信息。設計紅外譜段探測干旱、火災、地震監測、農業等，并具有夜間監測能力，特別在中波設計500 K的探測溫度，適合監測火災，可為火點位置的精度定位提供有利信息。提出多于110個譜段、平均光譜分辨率5 nm的超光譜探測能力，利于其精細化辨識探測區域特征能力；②在衛星探測視場與探測分辨率方面進行了權衡，結合工程研制能力，在星座2天覆蓋觀測要求下，確定單星觀測視場大于700 km，及相適應的空間分辨率；③在雙星載荷設備配置上，基于任務要求和保證能力，合理地均衡了每星設計復雜性，降低了研制難度。國際上在小衛星設計中很少有多種譜段監測，且具有大視場的探測能力。可見光探測30 m水平上，國際上最大視場185 km，16天覆蓋；國際上紅外探測有30 m、60 m分辨率185 km的探測能力和500 m、1000 m分辨率2000多千米幅寬的探測能力。

(4)采用傅立葉型超光譜成像儀技術，突破高信噪比、高靈敏度等難題，在國際上率先利用空間調制傅立葉型超光譜探測手段實現了對地物光譜特性精細探測的業務應用。超光譜成像儀跟蹤了國際上的新技術，在國內首先采用了靜態干涉型成像光譜技術原理，也是繼美國強力小衛星(試驗型，在軌運行不到1年)之后，國際上第二臺在軌對地觀測的該種原理的光譜成像儀，具有成像時無轉動部件、可靠性高、穩定性好、光譜線性度高、光譜范圍寬(0.45～0.95 μm)、信噪比高、靈敏度高等特點，代表了當前星載可見光波段光譜成像對地遙感的發展方向。

(5)采用小像元探測器及阻尼減振、高信噪比和大視場消雜光等技術，突破中等分辨率多光譜CCD相機輕型、寬覆蓋設計難題，實現30 m分辨率、大于700 km幅寬的多光譜觀測。CCD相機具有大視場、高動態范圍、4個譜段、小型化輕量化的特點，使我國在30 m尺度對地觀測衛星處于世界領先水平。每臺視場角接近30°，兩臺組合后單星實際幅寬可達769 km以上。寬覆蓋多光譜CCD相機在國內首次采用6.5 μm的小像元器件；充分利用CCD器件抗彌散功能，消除了圖像拖尾；首次在航天相機中采用了阻尼減振技術，減小了焦面組件因振動產生的橫向位移，使振動的振幅得到有效控制；在大視場下采取復合消雜光設計，大大降低了雜光對圖像的影響；采取了小型化、輕量化措施，兩臺組合后為70 kg，適合裝載在小衛星平臺。設計有4個譜段，可以形成真彩色圖像，適宜于災害和環境的監測預報。

(6)按空間數據標準咨詢委員會(CCSDS)標準，采用不同圖像數據壓縮技術和異源數據編碼技術，解決了高數據碼速率數據傳輸和不同數據融合難題，實現多遙感器數據的實時傳輸，保證了遙感數據的快速獲得能力。

針對干涉光譜圖像數據的特點進行衛星在軌壓縮處理，國內首次采用對光譜主極大條紋附近的56個像元不進行壓縮、對后200個像元的光譜信息進行壓縮方案，保證了光譜解析的真實性。在國內首次將4∶1壓縮技術用于遙感衛星圖像設計，該壓縮方案采用基于小波變換的多級樹集合分裂(SPIHT)改進算法，可較完整地對30 m分辨率可見光圖像進行數據壓縮，峰值信噪比高、失真度小。單星多種壓縮技術的采用解決了當時衛星圖像原始數據碼速率近300 Mbit/s而無法直接下傳的難題，既確保了數據傳輸工程可實現性，又保證了圖像質量。

衛星使用單數傳通道進行3臺不同碼速率相機圖像數據的傳輸，解決了時序、接口相容性及輔助數據與圖像數據的融合難題。在國內數傳設備設計中采用了設備高集成度體制，使用X頻段微波直接調制技術，減少了本振源、上變頻器等設備，將基帶設備全部集成在一個設備中，解決了電磁兼容、單位面積發熱量大等問題，壓縮了分系統設備數量，使體積和質量降低，達到國外同類產品的先進水平，更適合于小衛星平臺。

(7)采用雙面鏡機構、多元探測器并掃、機械制冷等技術，突破紅外遙感需要的高信噪比、大視場觀測、小型化、輕量化難題，實現中分辨率、700 km幅寬紅外探測能力，最高探測溫度達500 K。紅外相機地面像元分辨率150 m/300 m，幅寬大于720 km。相機采用雙面鏡機構，有效增加了觀測時機，并通過20像元并掃的設計，兼顧探測采樣時間和大視場探測要求，并采用機械制冷方式，實現熱紅外譜段探測器的制冷，最低溫度可達80 K。其中中波紅外(3.5～3.9 μm)可以探測到地表500 K的溫度，這是國內衛星上該波段可探測地表溫度最高的相機，非常適合于監測森林火災、火山爆發等災害的發生、發展和火災后期的評估。該譜段對火災的獨特應用已經得到相關部門和澳大利亞2009年初森林火災好評。

(8)立足星上網信息處理和比例積分閉環熱控技術，提高了整星安全性控制及相機溫度控制精度，保證了高質量成像和長壽命運行能力。按照整星最低功耗模式設計策略，設計了姿態、電源、軸承和功率傳輸組件(BAPTA)及星務中心計算機等主要異常事件時星上自主安全對策，有效保障了整星的安全運行能力。

國內首次采用相對時間程控指令等技術，將以往載荷與數傳設備開關機的數十條指令壓縮到一條指令中，減化衛星業務測控工作量，降低了操作風險。國內首次采用比例積分熱控技術，有效解決了遙感器光學鏡頭溫度梯度控制等難題，將光學系統溫度控制在±1 ℃以內，為遙感器高質量成像奠定了基礎。

(9)開創了亞太空間技術合作新模式。A星又稱為亞太多任務小衛星(Small Multi-Mission Satellite，SMMS)，裝載了泰國負責的亞太合作項目Ka頻段通信試驗分系統(KABES)，成功開展了在軌通信試驗任務，加強了亞太國際空間組織合作，為后續亞太空間技術合作與開發開創了新模式。

2.2 主要經驗

(1)面質比差是星座相位穩定的重要因素。通過優化構型與布局，使兩星迎風面積與衛星質量(面質比)比基本一致(相差約4%)，同時實現了緊湊的衛星布局，其最大裝填密度近300 kg/m3，保證兩星軌道衰減特性基本一致，確保了兩星相位差的長期穩定，大大減少了衛星軌道控制次數。

(2)精細化電量計充放電控制有利于降低電池退化，精細管理有利于延長壽命。

(3)衛星使用了計算機進行蓄電池組充放電精準控制，降低了傳統電源溫度(VT)帶來的電池記憶效應引起的電池退化，蓄電池組十年經歷53 800多次充放電，初估雙星電池容量29 Ah(初期33 Ah)。直到2018年6月，為保證可充電性，才將B星調整到VT充電機制，將電池終壓提高到1.46 V。基于全局多層次冗余策略，實現整星低配置高可靠。基于系統、分系統、單機的多級冗余與故障監測的低配置高可靠的小衛星平臺長壽命設計技術得到在軌驗證，充分利用軟件可更改，實現了衛星可靠性增長和在軌多起異常處理，確保了衛星高可靠性。基于能源安全、功能安全、部件安全、指令安全的多級容錯或安全模式設計，確保了衛星運行穩定及故障安全規避，保障了衛星長壽命運行。采用適度冗余策略，即保證可靠，又簡化配置。采用8個推力器的控制方案，利用6個推力器實現3個姿態方向的正負機動控制，2個推力器斜裝產生不同方向的姿態控制力矩。數傳射頻通道采用“3取2”的設計策略實現冗余。充分使用軟件冗余設計。蓄電池組充電除采用傳統的VT曲線控制外，增加計算機控制，實現蓄電池充放電控制，嚴格控制充電與放電量，既保證了足夠的放電深度，又確保蓄電池組安全可靠。采用軟時鐘實現高精度時間控制替代專用的硬件時鐘單元，通過采用集中校時、均勻校時等策略，在不增加硬件資源情況下，實現中高時間精度控制。

(4)面向使用的可用性設計是簡化操作、提高衛星運行效率和安全的重要保證。面向用戶所關心的成像位置對應成像開始時刻、成像時長設計了帶參數的相對時間程控指令，將以往載荷與數傳設備開關機的數十條指令壓縮到一條指令中，大大減化了衛星業務測控上注工作量，提高測控效率，降低了操作風險。

3 發展與展望

基于我國環境與災害面臨的嚴峻形勢，環境與災害監測一直是我國政府持久關注的事業，環境減災后續衛星已經納入《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃》中。新一代環境減災衛星將在遙感性能、圖像質量、成像效能、衛星可靠性上進一步提升能力，主要包括：

(1)首批雙星載荷配置相同，仍按同軌180°相位組網，可實現可見光、紅外2天的覆蓋觀測，高光譜可實現2天重訪觀測或14天的覆蓋觀測。

(2)多光譜可見光遙感譜段增加到5個，在保持720 km大視場遙感同時，將空間分辨率提升到16 m。

(3)紅外遙感譜段將擴展到9個，在保持720 km大視場遙感同時，空間分辨率提升到48 m(短波)/96 m(中長波)。

(4)高光譜遙感譜段擴展到短波，譜段數增加到220個，空間分辨率提升到48 m，視場擴展到96 km。

(5)雙星提升了數據傳輸碼速率和成像時間，加大了星上數據存儲空間，可支持境外成像能力的擴展或境外數據站接收能力的提升。

(6)衛星將采用更高姿態指向與姿態穩定精度平臺，實現角秒級姿態測量和每秒優于0.001°量級的姿態穩定能力，可實現圖像無控制定位精度達百米以內。

(7)衛星設計壽命將提升到5年以上。

(8)雙星可與已在軌的高分一號、高分六號衛星組網協同運行，有效避免任務重疊，進一步實現16 m遙感數據1天覆蓋觀測能力，極大地提升衛星遙感效能。

隨著我國人民對美好生活追求的新需求及“一帶一路”倡議等的推進，環境減災衛星技術與水平將得到不斷的提升，衛星遙感數據不但在我國國民經濟建設中發揮重要作用，也會在國際環境與減災事務中發揮重要作用。