資源一號業務衛星發展綜述

李一凡 韓波 王嘯虎 張宏宇 雷勇 張明磊

(中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094)

基于《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃》和國務院批復的《陸海觀測衛星業務發展規劃(2011—2020)》，資源一號02D衛星(又稱為5米光學業務衛星)作為陸地資源調查監測衛星業務一期建設內容，重點滿足國土資源地形、地貌、地表覆蓋調查，土地用途、位置、品質變化監測，礦產資源調查等方面的緊迫需求。以資源一號衛星系列的成熟技術為基礎，選擇可見近紅外相機和高光譜相機為主載荷，在接替資源一號02C衛星業務的同時，為1∶10萬～1∶25萬國土資源的調查、監測和監管等主體業務提供國產數據保障，并服務于應急、生態、住建、交通、農業農村、林草局和中科院等政府部門的業務應用。面向新時期用戶需求，衛星配置了先進的高幾何精度、高光譜精度以及大幅寬可見近紅外和高光譜載荷，并對衛星平臺的姿態機動能力、姿態測量、時間同步精度、對地數據傳輸以及結構熱穩定性等方面進行了升級改進，圖像質量和衛星圖像獲取效能大幅提升。本文系統梳理了資源一號系列衛星的發展歷程，介紹了資源一號02D衛星的功能組成、研制歷程、各研制階段的重點工作；最后結合在軌應用情況和資源一號衛星系列發展歷程，給出了有序發展業務衛星的建議。

1 資源一號系列衛星發展歷程

在陸地資源衛星將近50年的發展過程中，最具代表性的有中巴地球資源衛星(China Brazil Earth Resource Satellite，CBERS)系列[1](如表1和圖1所示)、美國的陸地衛星(Landsat)系列、世界觀測衛星(WorldView)系列，法國的地球觀測衛星(SPOT/Pleiades)系列，印度遙感衛星(IRS)系列等。此外，歐盟、日本、以色列、俄羅斯也都有各自的資源衛星。從資源衛星發展的歷史來看，各國都非常注意衛星的系列化，形成相對獨立且比較完善的對地觀測系統。

表1 資源一號系列衛星發射時間及主要特點Table 1 Launch time and characteristic of ZY-1 satellite family

圖1 資源一號衛星系列發展歷程概覽Fig.1 Progress of ZY-1 satellites

資源一號02D衛星屬于資源平臺系列衛星，1999年發射的資源一號01衛星，是資源一號系列的首顆衛星，由中國和巴西聯合研制，也是我國第一顆傳輸型遙感衛星[2]。在01衛星的研制基礎上，后續研制并發射了多顆資源一號系列衛星，如圖1所示，通過三代、7顆衛星的成功研制，實現了衛星研制模式從試驗應用型向業務服務型的轉變。其中的資源一號02C衛星是我國第一顆由用戶訂制建造的業務衛星，成功探索出了一條業務衛星發展的新模式，為后續的“陸海規劃”等業務衛星發展規劃的提出奠定了基礎。資源一號02D衛星作為資源一號02C衛星的接續星，在保證數據連續的同時提升了光譜分辨率和幅寬，滿足觀測要素多樣化、精細化的需求。

2 研制策略

2.1 研制目標

資源一號02D衛星的研制目標是實現1∶10萬～1∶25萬的國土資源主體業務光學衛星數據國產化率達到50%以上。衛星數據主要用于開展土地利用動態監測、基礎地質調查、成礦帶礦產資源調查、資源開發現狀監測、地質災害調查與監測、生態地質環境調查、境外礦產資源調查等，并及時提供公益性及社會化共享服務，包括農作物長勢監測、林業森林變化、交通選線規劃、水土流失調查、海島海岸帶監測、災害背景及風險監測、地理國情監測、環境空氣質量監測等。

資源一號02D衛星是我國陸地中分光學星座的重要組成部分，除滿足各行業迫切業務需求外，還肩負建設我國中等幾何分辨率、高光譜分辨率、大幅寬高效覆蓋的遙感衛星體系，牽引并提升我國空間遙感定量化應用能力的使命。

根據我國人口分布情況，可以將國內分為四類地區(圖2)，其中一類區主要包括155個50萬以上人口城市的市轄區，以及長三角、珠三角地區，面積約58萬平方千米，屬于遙感監測重點地區；二類區包括除一類區外的50萬以上人口城市的所轄縣(市)，面積約162萬平方千米；三類區包括除一、二類區以外的中、東部地區，以及西部地區的重點區縣，面積約554萬平方千米；四類區主要為西部沙漠、戈壁和無人區，面積約186萬平方千米，該地區多為高山、高原、沙漠、戈壁，人口稀少。中分光學星座面向自然資源部定義的我國二、三類地區(如圖2中綠色及橙色區域)的快速覆蓋，與高分星座相互配合，有助于完善我國遙感觀測體系，提高觀測效率并降低系統建設成本[3]。

2.2 研制策略

1)有效載荷研制策略——“小步快跑”

有效載荷是實現用戶任務和決定衛星研制難度的關鍵。尤其對于業務類衛星，用戶一方面要求衛星系統研制難度、進度、風險可控，同時希望衛星在任務能力、技術指標方面盡可能提升，最大限度滿足用戶未來業務需求，因此業務類衛星的有效載荷選擇需要綜合考慮技術指標先進性和其工程可實現性。

資源一號02D衛星可見近紅外相機的譜段配置、分辨率、幅寬等主要技術指標相比02C衛星有大幅提升，同時充分繼承“十二五”預研課題成果，在其工程樣機的基礎上投產了局部鑒定產品和部分電性產品，用于進行必要的測試驗證。高光譜相機在充分繼承了高分專項同類產品研制基礎上，對譜段設置、定標方式、溫控環境等方面進行了大量的技術改進和提升，其光譜分辨率、幾何分辨率和幅寬等主要技術指標達到了世界先進水平。資源一號02D衛星的研制經驗表明，業務衛星有效載荷可以采取“小步快跑”的策略，即在滿足進度、風險和成本的工程可實現性基礎上，盡可能優選或提升載荷指標，僅針對關鍵風險環節開展局部鑒定驗證，多渠道多手段保證載荷研制滿足衛星任務需求。

2)衛星平臺研制策略——“成熟選優”

資源一號02D衛星平臺基線選擇和產品研制堅持“成熟選優”的原則，在載荷適應性分析和任務需求的基礎上，優先選用成熟的平臺型譜和產品體系，對于平臺、設備接口或其它不滿足要求的部分進行局部更改或增加適配轉換，盡可能避免新研產品或較大技術狀態更改。整個研制過程中，重點圍繞載荷平臺接口以及有更動的環節進行針對性的分析、測試驗證以及數據比對分析。資源一號02D衛星平臺產品中A類產品(完全繼承)占比84%，B類產品(適應性更改，無需鑒定試驗驗證)占比16%，無C、D類產品，通過選取成熟的平臺產品體系，有效保證了衛星的研制進度和質量。

3)衛星系統研制策略——“一步正樣”

衛星系統采用“一步正樣”的研制模式，僅包括方案和正樣兩個研制階段。方案階段主要完成衛星方案論證、產品選用與技術狀態確定、技術風險分析與識別以及必要的接口試驗驗證等工作。通過前移的接口驗證試驗，有效降低了正樣階段的研制風險。正樣階段除完成系統正樣設計和產品研制生產外，重點在正樣總裝、集成與測試(AIT)開始前，圍繞有效載荷在產品級、分系統級以及分系統間開展了必要的測試驗證和接口聯試工作，提早發現和解決了接口問題。在整星AIT階段，重點開展了系統集成過程控制、測試數據比對與一致性分析、測試覆蓋性檢查等工作。通過識別和把控不同研制階段的關鍵點，在高指標、短周期、高質量的約束條件下，實現了資源一號02D衛星的成功研制。

3 衛星功能和組成

3.1 衛星技術特點

資源一號02D衛星主要用于獲取全球5 m/10 m分辨率、115 km大幅寬的全色和8譜段細分多光譜影像，獲取全球30 m分辨率、60 km幅寬、10 nm光譜分辨率、166個譜段的高光譜影像，衛星具有幅寬大、光譜分辨率高的突出特點。海岸藍、黃、紅邊等多光譜譜段以及高光譜影像數據可提供豐富的地物光譜信息，在物質分類、目標識別和定量遙感等方面的價值體現尤為突出，在大氣環境、農業、林業、流域調查和海岸地區分析等領域具有廣泛的應用前景[4-5]。

衛星的硬件產品直接選用了成熟的平臺和單機產品體系，但在系統層面圍繞提高圖像定位精度、增強衛星好用易用性、提升數據獲取能力等用戶關心的核心指標和性能，開展了一系列專項設計和改進。通過有效載荷像方遠心無畸變的光學系統設計、星敏感器與有效載荷共基準設計、星敏感器與有效載荷一體化高精度溫控設計、整星高精度時間系統設計以及結構熱變形專項設計等方法，將圖像無控定位精度控制在50 m(Circle Error 90%，CE90)以內。采用了面向用戶任務的星上自主管理方案，設計了雙天線雙站接力、固存主備份存儲區自主切換、成像圈次全時星務數據自動下傳等應用策略，提升了衛星的好用易用性和數據獲取效能，極大簡化了用戶操作，提高了衛星使用效率。

3.2 衛星組成

資源一號02D衛星工程包括應用系統、衛星系統、運載火箭系統、測控系統、發射場系統和地面系統6部分。衛星采用資源ZY1000型中大型遙感衛星平臺，采用雙太陽翼構形，衛星系統由11個分系統構成，如圖3所示。衛星發射狀態的尺寸、星表設備的布局如圖4所示，發射后太陽翼和數據傳輸天線均在軌展開，在軌飛行狀態示意如圖5所示。

圖4 衛星發射狀態及星表設備布局Fig.4 Satellite layout in launching status

圖5 衛星在軌狀態示意圖Fig.5 Satellite in orbit status

4 研制歷程及工作重點

4.1 研制歷程

資源一號02D衛星于2015年開始進行概念研究和項目申報，衛星工程采用可行性研究報告(代建議書)的申報形式，通過可行性研究評審、經濟技術可行性評估、初步設計評審等形式，確定了衛星項目的工程方案，通過《用戶使用要求》和《工程研制總要求》相結合的方式明確了衛星的頂層設計輸入，歷經5年的論證和研制過程，最終于2019年9月12日發射入軌，研制歷程如圖6所示。

圖6 研制歷程Fig.6 Progress of ZY-1-02D satellite development

4.2 衛星各階段重點工作

1)立項階段

在立項階段，根據用戶需求，結合資源一號02C衛星22個月完成業務研制的經驗，深入與用戶交流，并針對用戶提出的譜段信息、視場拼接精度、圖像定位精度等需要提升的技術指標開展業務衛星的設計。在維持圖像分辨率的基礎上，將譜段數量由02C衛星的4個擴展為8個，進一步提升圖像輻射質量；同時通過采用光學拼接、星敏感器載荷一體化安裝、結構熱變形控制和高精度時間系統等技術，將整星無控定位精度提升至50 m(CE90)。結合我國高分專項衛星獲取的先期技術經驗，選擇適用于用戶需求的高光譜相機載荷產品進行定制優化，提升圖像信噪比、獲取長時間條帶高光譜數據，實現業務數據的高效獲取。在衛星產品選擇方面，通過中國空間技術研究院遙感衛星總體部中低軌中型平臺基本型(ZY1000)及相應的型譜化產品批量投產，減少設備的研制和試驗成本，有效縮短研制周期。同時，衛星采用一步正樣研制策略，衛星不投產電性模型、結構模型或者輻射模型星，直接進入正樣階段研制，實現“高質量、高效益、高效率”的業務衛星研制。

2)方案階段

在方案階段研制過程中，強化衛星系統級設計迭代和系統級分析驗證工作。在衛星研制程序規定的質量控制點基礎上，增加整星重要技術評審，聯合多個單位的36位遙感衛星各專業領域專家，對整星方案正確性和合理性進行把關。共計提出了189條專家意見，并嚴格跟蹤閉環落實，確保了整星系統設計正確。同時通過分系統技術要求和分系統方案設計的先期迭代，開展了各分系統的方案階段設計把關，對衛星11個分系統的詳細設計方案、產品選定和任務適應性等進行逐一分析確認。方案階段系統的開展了風險分析，對載荷成像指標進行分解并制定保障條件，對各分系統未驗證接口開展分析。制定了整星方案階段聯試驗證策劃，對高光譜相機的數據傳輸、時間同步、星上數據管理、供配電等待驗證接口，通過借用電性驗證件改造，進行逐一聯試確認。在確保了整星方案正確性同時，最大程度優化流程、節約研制經費。

3)正樣階段

在系統設計層，開展成像質量、定位精度、機動能力、數據平衡、能量平衡、數據傳輸天線使用策略、羽流影響等多輪復核復算，確保正樣設計可滿足用戶研制要求，能夠在軌穩定運行。在產品詳細設計和投產階段，系統級通過總體、結構和熱控三維協同設計，提升了設計效率和設計質量，并在投產件開展了結構、熱控、電纜網等復核復審，確保實物產品一次合格。

單機產品嚴格質量保證，在分系統完成轉階段后，通過分系統級全生命周期研制策劃審定、生產準備評審、軟件代碼走查、生產過程產保要素管控、產品工藝實物檢查、供配電安全實物檢查等，多角度、多層面、多采樣點對正樣產品研制過程進行管理，保證了正樣產品研制質量。

整星AIT階段為確保衛星按時發射并及時提供滿足用戶要求的圖像，通過制定衛星全生命周期技術、計劃、產品保證和技術安全流程，有效識別和管控了高光譜相機載荷研制短線并全程跟蹤。在整星正樣AIT和正樣大型試驗過程中，提前開展專項策劃，對人、機、料、法、環、測(5M1E)進行識別梳理，形成了整星大型試驗保障方案，避免在執行環節中出現斷點，有效保障了整星研制周期。

4)在軌應用

高光譜相機數據處理和使用屬于行業的前沿應用，高光譜相機參數調整和在軌參數標定需要積累大量的地面測試基礎數據和先期準備。在地面試驗階段，衛星系統聯合研制單位，開展了不同側視角度光譜特性測量、大氣定標裝置外場試驗、相機雜光測試等關鍵地面驗證環節，結合整星真空熱試驗，對高光譜相機在軌成像溫度參數進行多輪參數調優，確保了載荷成像參數地面獲取的充分可靠。提前積累了大量實驗室數據服務于在軌參數標定，縮短在軌參數調整周期。同時為確保將一顆質量過硬、高效穩定的衛星按期交付用戶使用，自然資源部聯合衛星系統、資源衛星應用中心、上海技物所和各行業用戶等，積極開展高光譜相機在軌定標方法和圖像預處理研究，牽引數據處理和應用，為加速高光譜相機的在軌參數調優和盡早應用夯實基礎。

5 在軌應用效果

資源一號02D衛星影像在農作物與漁業資源遙感監測、農作物種植結構調整、高標準農田建設工程管理和農村人居環境監測等領域開展了多項示范應用，應用效果良好，具有巨大的潛力。資源一號02D衛星多光譜影像可以有效提取我國南方和北方陸地漁業的養殖水面空間分布，實現養殖水面面積和空間分布調查，2.5 m融合影像的大于100公頃水面的調查面積吻合度達到97%以上；高光譜影像可以定量反演陸地養殖水體葉綠素含量總懸浮物濃度、透明度和營養狀態指數等參數，結果層次明顯，可用于水體質量綜合評價，如圖7所示。

圖7 漁業資源遙感應用情況Fig.7 Applications of remote sensing in fishery resources

資源一號02D衛星多光譜和高光譜能夠有效識別和提取測試區不同類型大田作物種植區，量算作物種植面積。多光譜影像增加了海岸藍、黃、紅邊和修正的近紅外4個波段，作物識別精度在此4波段基礎上進一步提高，用于全年農作物種植面積監測，測試區作物識別精度優于92.3%。利用高光譜影像光譜特征曲線能夠快速有效識別和提取測試區不同類型大田作物種植區，如圖 8所示。

圖8 農作物種植結構監測Fig.8 Applications of crop distribution monitoring

礦產資源調查方面，資源一號02D衛星可見近紅外相機全色加8個譜段的多光譜設置，在反映巖性信息能力方面較之前國產遙感數據有較大提升，可識別典型的閉合地質體、塊狀地質體以及線狀地質體，能較好的區分巖漿巖、沉積巖和變質巖等巖性信息[6]，能滿足1∶5萬遙感地質工作的要求，將在地質礦產遙感調查應用中發揮更大作用。高光譜數據在礦物填圖方面最能發揮優勢，它使遙感地質由識別巖性發展到識別單礦物以至礦物的化學成分及晶體結構(見圖9)。在巖性識別方面，高光譜數據對碳酸鹽巖和侵入巖識別準確率非常高，方解石、白云石礦物信息均能準確提取，絹云母、褐鐵礦及針鐵礦等蝕變礦物信息提取效果較好。高光譜相機166個譜段數據含有豐富的譜段信息，會在地質礦產勘查工作中起到不可替代的作用。

圖9 冷湖鎮東示范區礦物分布圖Fig.9 Mineral distribution map of East Lenghu town

圖9采用混合調諧匹配濾波法和光譜角法進行礦物信息提取，結果顯示礦物遙感信息與其分布范圍高度吻合，資源一號02D衛星數據在提取造巖礦物信息方面有較高準確性。

地理國情監測方面，資源一號02D衛星影像紋理清晰，與其它遙感衛星影像相比，波段信息更豐富，光譜信息符合實際地物，采集特征明顯，識別度高。生成數字正射影像的幾何精度、影像配準誤差、融合質量滿足精度要求，在地理國情監測數據更新方面能發揮很大作用，如圖10、圖11所示。

圖10 基于資源一號02D衛星數據的道路信息更新Fig.10 Road information update based on ZY-1-02D satellite data

圖11 基于資源一號02D衛星數據的植被信息更新Fig.11 Vegetation information update based on ZY-1-02D satellite data

此外，資源一號02D衛星數據在應急管理、生態環境保護、森林、草原資源調查、住建行業、土地利用變更調查、海洋典型生態系統監測方面都取得了良好的應用效果。

6 發展建議

6.1 業務衛星體系發展

陸地資源衛星已進入快車道，國內外民用商業遙感衛星呈現蓬勃發展的態勢，我國資源衛星從滿足圖像獲取的需求，向圖像獲取的質、量并重轉變。

建議各有關部門聯合推動資源衛星體系化建設論證工作，構建中分、高分衛星星座的聯合運行體系，中分辨率大幅寬普查和高分辨率詳查搭配使用，實現數據的高效獲取。在穩步提升空間分辨率的同時，發展細分多光譜和高光譜觀測的業務衛星體系，拓展光譜遙感的應用能力，逐步完善滿足各行業業務應用的地物光譜庫，推動我國遙感業務衛星進入定量化遙感時代[7]。

統籌規劃衛星運行軌道，實現高軌快速覆蓋、中軌快速重訪、低軌精細觀測的衛星網絡體系，在保證光譜類衛星穩定獲取地面光譜數據的基礎上，對軌道進行頂層設計，獲取不同時相地物信息并充分利用數字地球站資源。在業務數據獲取方面，以業務衛星作為行業用戶的批量、穩定、高質量數據源，利用商業衛星數據進行高效補充，快速實現高時效遙感數據獲取。

在業務衛星應用中，除繼續應用可見光、多光譜、高光譜衛星數據外，還可綜合紅外、微波、偏振、激光等多種觀測手段，開展多元數據融合應用，實現自然資源“全球、全天候、全天時、全要素、全尺度”的觀測目標。

6.2 加強天地一體化設計提升衛星遙感能力

發展陸地資源衛星的目的是迅速將圖像數據轉化為應用，在當前應用衛星和衛星應用正在由試驗應用型向業務服務型轉變的形勢下，提升遙感能力是衛星研制方、地面運控、地面數據處理以及衛星用戶共同的目標。衛星遙感能力涉及遙感衛星設計、遙感數據處理、地面定標檢校、地面反演以及專題圖像產品生產等，遙感衛星只是其中的一環，因此在遙感系統論證初期就應該強調天地一體化設計，統籌考慮分配衛星運控管理[8-9]、星地指標分配、星地接口界面以及地面處理應用的功能、性能、接口需求，加強頂層設計，轉變以往僅重視衛星研制，忽視其它環節的現狀，從產業鏈的各個環節最大化提升衛星遙感能力和效能[10]。

6.3 優化體系、提升系統驗證效果

隨著陸地資源衛星技術的發展和數據應用水平的逐步成熟，對衛星數據獲取的時效性要求越來越強烈，這就要求民用業務衛星在滿足一定技術指標的前提下必須做到規模化部署。對于衛星設計制造而言，必須要進一步探索建設通用化的產品體系和通用化的接口標準，以及快速生產制造和集成測試技術，不斷提升民用業務衛星的費效比，真正實現“降本增效”的目的。

7 結束語

資源一號02D衛星具有成像幅寬大，幾何精度、光譜分辨率高等顯著特點，目前已完成在軌測試并投入業務使用。在軌測試期間，自然資源部、應急管理部、生態環境部、住房和城市建設部、交通運輸部、農業農村部、國家林業和草原局和中國科學院等部門開展了大量的測試工作，試驗結果表明：衛星動態范圍大、顏色層次豐富、信噪比高，數據質量良好，可以滿足1∶2.5萬～1∶25萬制圖精度要求，各項技術指標國際領先。資源一號02D衛星所獲取的數據，開啟了同時相數據融合處理算法、大氣模型構建、定標數據獲取、地面真實性檢驗、混合像元解算、光譜定量化分析及應用等多個研究領域的大門，使我國遙感衛星光譜定量化應用進入新的時代。同時呼吁上級部門，加快我國本底光譜數據庫的建設，構建天-地-應用一體化數據機制，深入開展定量化應用技術攻關，保持在軌精細譜段數據的連續性，維持住這來之不易的國際領先水平，繼續引領光譜定量化遙感應用的發展。