高分四號衛星及應用概況

劉鳳晶1 李果1 于登云2 王麗俐1 李響1

一、高分四號衛星發射概況

2015年12月29日，高分四號衛星（GF-4）在西昌衛星發射基地采用CZ-3B運載火箭發射升空，衛星經過4次變軌后進入預定的工作軌道。從2016年1月開始，進行了為期6個月的在軌測試，測試結果表明，衛星各項指標滿足研制總要求。目前已經在軌穩定運行近三年，為各行業用戶提供了42萬余景圖像數據，有力支持了多個行業和我國國防建設工作。

高分四號衛星是“國家高分辨率對地觀測系統重大專項”中唯一一顆高軌遙感衛星，也是我國首顆地球靜止軌道高分辨率光學遙感衛星。衛星具有全色、多光譜和中波紅外譜段成像能力，利用長期駐留固定區域上空和快速指向調整的優勢，可快速對中國及周邊地區的觀測任務進行響應，實現高時間分辨率和較高空間分辨率的結合，為減災、氣象、地震和林業等多個行業的應用提供遙感數據服務，并為海洋、國土和水利等行業以及國防提供遙感數據支持，實現我國民用高分衛星研制和衛星遙感應用領域的新突破。

高分四號衛星在研制過程中突破了高軌光學遙感衛星總體設計技術、高軌衛星姿態快速機動與高穩定控制技術、高軌遙感衛星長壽命高可靠技術、高穩定一體化結構技術、復雜成像條件下高軌遙感衛星成像質量保障技術等多項關鍵技術。高分四號衛星的研制填補了我國乃至世界高軌道高分辨率遙感衛星的空白，為后續該領域的發展奠定了基礎。

高分四號衛星采用新研制的高軌遙感衛星平臺，衛星結構構形采用中心承力筒加壁板形式，外形為八面柱體，分為推進艙、服務艙、載荷艙3個艙段。衛星平臺通過一體化結構承載相機，衛星采用全三軸穩定控制及雙組元統一推進系統，配置4個0.5N·m大力矩動量輪實現衛星姿態快速機動，能夠在30s內實現整星機動0.64°并穩定；采用星敏+陀螺組合定姿方式，實現姿態穩定度優于5E-4 °/s；衛星測控采用USB+擴頻測控體制完成數據傳輸，采用擴頻通道實現三站同時測軌，測軌精度優于200m，測速精度優于2cm/s。整星采用42V單一母線分散供電，配置兩個可展開式單軸對日定向太陽翼和氫鎳蓄電池組分別在陽照區和地影區為整星供電；采用數管計算機通過1553B標準串行數據總線進行通信和數管管理，并具有自主能源、自主熱控、故障檢測與處理等功能。

衛星有效載荷配置1臺可見光和中波紅外共口徑的光學相機，星下點像元分辨率達到可見光譜段50m /中波紅外譜段400m，可見光通道幅面大于500km×500km；共6個譜段，譜段范圍是0.45μm～0.9μm、3.5μm～4.1μm，無控制點目標定位精度優于4km。采用高速信號調制技術和750mm口徑的高增益點波束天線，實現300Mbit/s數據傳輸速率，配置固態存儲器對數據進行存貯。

作為一顆任務主導型衛星，需要具備近全天時成像能力，通過對星上數據的信息融合，星上信息系統具備高度自主管理能力，實現了能源自主管理、熱控自主管理、載荷任務自主管理以及整星自主應急安全設計。其中載荷任務自主管理為提升用戶的好用性而設計，用戶只需要通過衛星定義的“宏指令”接口將必要的任務信息上注至衛星，數管計算機將根據任務信息自主生成星上的姿態控制流、相機、數傳設備控制流以及天線控制流，并按照時序通過總線分發到各下位機，完成對應的成像任務。相比傳統的逐條執行設備加斷電設置指令完成任務的方式，任務自主管理機制對用戶屏蔽了設備一級的復雜操作，并大大降低了上注數據量，提升了衛星的使用效能。

衛星的工作模式主要分為八大類，其中定點前采用發射入軌模式和入軌狀態建立模式，入軌后，衛星主要工作在正常運行模式、等待模式、成像模式、陽光規避模式。成像模式中包括相機成像和數據下傳模式，相機的三種成像方式——凝視成像、區域成像、巡查成像與數據傳輸的四種模式——實時傳輸、邊記邊放、記錄、回放模式，可以組合使用。各模式間的切換關系見圖1所示。

圖1 衛星各工作模式間的轉換關系

從圖1中可以看出，衛星在軌成像模式的核心工作方式為“步進+凝視”，采取這種成像方式是與衛星的軌道和面陣成像的探測器特點相匹配的。衛星日平均成像72景，獲取我國7000km×7000km的大陸全色譜段圖像只需要4個小時。從設計角度，衛星紅外通道每天可工作時段為除去午夜前后的4h，可達20h。可見光由于自然光照條件限制，可成像時間為白天的8個小時。因此衛星的“測控實時可見+工作時間長”這兩個特點，充分體現了任務主導型衛星的優勢，可以對用戶的成像任務近實時地響應，從衛星接收到指令到完成一幀全色圖像，最短時間為10s，這給用戶提供了極大的便利，在緊急災情下發揮巨大作用。

二、高分四號衛星在各行業的應用

1.減災救災應用

洪澇災害是影響我國和周邊國家的重要災種之一，具有突發性強、發展速度快、影響范圍廣的特點，自從高分四號衛星發射后，為洪澇災害監測提供了新型的數據源，利用高分四號衛星配置的綠、近紅外譜段以及衛星持續監測的優勢，為歸一化差異水體指數的構建提供基礎數據。

2017年5月24日，強風和暴雨襲擊了斯里蘭卡西部和南部14個地區，連降暴雨引發洪澇及山體滑坡，這是斯里蘭卡自2003年以來遭遇的最嚴重的自然災害。高分四號衛星于5月31日獲得受災地區圖像，國家減災中心通過水體指數監測法對水體面積進行提取，計算洪水范圍為115km2（如圖2中深藍色所示），為當地的救援工作提供了支持。與圖3的環境減災衛星（HJ-1）的災前圖像相比，可以明顯看到圖像中水體的特征。

圖2 高分四號衛星獲取的斯里蘭卡Galle地區災后圖像

圖3 環境減災衛星獲取的斯里蘭卡Galle地區災前圖像

只有對水體范圍的準確提取，才可以對洪澇災害范圍進行監測，并對風險進行實時評估，為救災工作提供數據支持。為此國家減災中心采用高分四號衛星對水體分布進行研究，包括洪澤湖、太湖、珠江、黃河等，并與同期的中分辨率成像光譜儀（MODIS）觀測數據進行比對。相比于MODIS紅、近紅外250m的空間分辨率，高分四號衛星在空間分辨率上具有明顯的優勢，對空間尺度在50m～250m的水體能夠較好地識別。

利用高分四號多時相連續觀測、大范圍和中分辨率成像特點，除成功應用到我國南方大范圍洪澇災害監測（圖4所示）、潰壩型洪澇災害監測外，在我國的植被干旱區域范圍測量、積雪災害的監測中也提供了大量的數據，有力支持了防災減災救災的決策工作。

圖4 高分四號衛星獲取的湖北省天門市洪澇災害遙感監測圖（2016-07-23）

2.氣象應用

我國的東南沿海地區，受臺風影響較大，平均每年有7次臺風登陸，同時臺風也會引發洪澇、滑坡、泥石流、塌陷、風暴潮等次生災害，因此對臺風等極端天氣的監視非常重要。高分四號衛星發射后，對氣象觀測的分辨率從千米級提升到百米內，有效提升我國臺風應急氣象服務能力。在對臺風“尼伯特”、“瑪利亞”、“妮妲”的觀測中，采用高分四號衛星的秒級高頻次視頻成像，可以清晰觀測到臺風眼區精細化結構特征，為提升臺風路徑和強度預報準確率提供重要參考，如圖5所示。

高時間分辨率結合較高空間分辨率，使高分四號衛星能夠觀測到云系的快速變化，如云的細微紋理結構、垂直風切變、積云線排列等方面。為氣象分析提供了全新的觀測手段和數據，幫助預報員更好地、更深入地理解中小尺度對流系統的發生、發展、演變過程和機理。并且借助高分四號衛星中波紅外圖像，可以在夜間觀察天氣系統的變化情況，提高短臨天氣預報效率。在沙塵暴監測、霧霾污染源查找等領域，高分四號衛星也發揮了重要作用（圖6）。

圖5 高分四號衛星臺風“尼伯特”影像

圖6 高分四號衛星北京霧霾影像

3.地震災害監測

2014年8月3日，我國云南省魯甸地區發生了Ms6.5 級地震，地震造成多處地震地質災害，2016年5月11日，利用高分四號衛星影像對部分災害信息進行了識別和分析，如圖7所示。可以看到在震后近兩年的時間，仍可以識別出沿牛欄江河谷的多處地震地質災害，尤其典型的是位于紅石巖村的巨型滑坡體。滑坡體在影像上色調呈高亮白色，是牛欄江東西岸的對沖型崩塌滑坡體導致河谷堰塞（標識1）。該處堰塞體位于紅石巖水電站的水壩和電站機組中間，在震后造成巨型堰塞湖，堰塞湖水面沒過水壩壩頂，現在的壩址庫區未再蓄水。此外，位于壩址附近的另一處滑坡體在高分四號衛星影像上也清晰可見（標識2）。

圖7 高分四號衛星獲取的魯甸Ms6.5級地震震后大型滑坡的圖像

從衛星影像對發生在川滇高山峽谷區的中強地震的震區顯示影像來看，利用高分四號衛星震后影像，可以從空間上識別大型地震地質災害的空間分布位置，結合生命線工程（大型水電站、干線公路）與災害在空間上的分布關系，能夠為震后的應急指揮決策提供及時有效的信息。

4.林火監測

從20世紀80年代初開始，我國開始利用衛星影像提取林火燃燒信息，中國林業科學研究院資源信息研究所在該領域也開展了大量的研究，并應用于多次森林火災的監測中。利用高分四號衛星配置的可見光和近紅外譜段的數據，進行增強處理后，可以清晰區別影像中的煙區和火燒跡地，而在中波紅外譜段影像上，著火像元的亮溫值明顯高于非燃點像元，利用其間的差異可以識別和計算火點位置和過火面積。圖8為高分四號衛星2017年5月1日獲取的內蒙古自治區新巴爾虎左旗森林大火圖像，經過計算，過火面積約為8400公頃。一些森林火災與地理位置相連的國家災情相關，如我國內蒙古發生的多次火災就是蒙古國的草場火災入侵導致，甚至威脅到我國珍貴樹木示范基地，因此一旦獲得邊境的火警情報，需要進行實時監測，根據天氣、火勢的蔓延情況設立隔離帶，阻止大火越入我國境內。因此實時地對我國及周邊區域的火情進行日常監測，可以減少很大的經濟損失，切實保護我國生態環境和森林資源。

圖8 高分四號衛星獲取的內蒙古新巴爾虎左旗森林大火圖像

5.其他應用

高分四號衛星的相機具有超大動態范圍、長積分時間、多光譜大視場成像特點，除了可以對地觀測外，還拓展了在天文觀測領域的應用。2018年，中國空間技術研究院開展了多次的對月觀測，借鑒國外月球定標方面的經驗及數據模型，可以對相機進行相對輻射定標和遙感器輻射響應穩定性跟蹤。通過對月球正面進行成像觀測，可以測量月球的反射光強和自身的熱輻射強度，得到月表在可見光和中波譜段的反照率、溫度變化等信息，進一步開展表面成分與熱特征，深化月球科學研究（見圖9、圖10）。

圖9 高分四號衛星紅外譜段對月成像圖像

圖10 高分四號衛星可見光譜段合成的偽彩色月球圖像

三、結束語

高分四號衛星在軌已經穩定運行三年時間，首次從36000km的軌道高度上獲取高分辨率對地觀測影像，開辟了我國靜止軌道對地觀測新途徑，利用其覆蓋范圍大、響應迅速等特點與低軌衛星配合使用，為我國的減災、賑災工作提供快捷有效的支持。高分四號衛星研制過程中攻克的關鍵技術以及工程經驗，為后續我國研制高時間分辨率、高空間分辨率的遙感衛星奠定了基礎。