高分四號衛(wèi)星運行策略及災害監(jiān)測應用

文|莊超然 史小金 曾湧 王靜巧

中國資源衛(wèi)星應用中心

一、前言

我國大部分極軌民用陸地觀測衛(wèi)星軌道位于400~800km范圍內(nèi)，回歸周期較長，雖然衛(wèi)星可通過姿態(tài)調(diào)整，快速機動至目標區(qū)域。但受衛(wèi)星運行軌跡及側擺能力的限制，難以滿足災害監(jiān)測的時效性需求。高分四號（GF-4）衛(wèi)星為地球同步軌道衛(wèi)星，具備較高空間分辨率、載荷類型多、機動性強、幅寬范圍大、成像迅速等特點，可在災害前期預警、災時輔助決策等業(yè)務開展上提供重要支撐。以林火、臺風等監(jiān)測任務為例，在林火監(jiān)測任務中GF-4 衛(wèi)星的可見近紅外通道可以較好地反映植被覆蓋、過火區(qū)域和煙區(qū)等信息，同時中波紅外波段對熱輻射信息敏感，可以較好地應用于著火點的提取判別、火勢狀況分析。在臺風監(jiān)測任務中，GF-4 衛(wèi)星通過可見近紅外通道對風眼處持續(xù)監(jiān)測，輔助判斷臺風大小變化及運動趨勢。

目前GF-4衛(wèi)星在軌運行穩(wěn)定，中國資源衛(wèi)星應用中心通過在各類自然災害應用實踐，逐步構建了衛(wèi)星的運行策略及災害監(jiān)測應用體系，形成與業(yè)務需求聯(lián)動、以需求為導向的成像特點，本文根據(jù)衛(wèi)星載荷及軌道特點，介紹GF-4衛(wèi)星在軌運行策略，針對衛(wèi)星應用實踐情況，圍繞災害監(jiān)測、應急管理的要求，提出未來GF-4衛(wèi)星的應用方向和發(fā)展建議。

二、高分四號衛(wèi)星性能

GF-4衛(wèi)星于2015年12月29日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，是我國第一顆地球同步軌道遙感衛(wèi)星，通過指向控制，實現(xiàn)對中國及周邊地區(qū)的觀測。作為世界首顆地球靜止軌道中高空間分辨率光學遙感衛(wèi)星，兼具地球同步觀測、中高空間分辨率成像優(yōu)勢，具有全色、藍、綠、紅、近紅外、中波紅外 6 個波段，星下點空間分辨率達 50m（可見光近紅外波段）、400m（中波紅外波段），可提供快速、高頻次、中空間分辨率、大幅寬對地觀測光學遙感數(shù)據(jù)，在支撐日常條件數(shù)據(jù)獲取基礎上，憑借其快速響應能力強的優(yōu)勢，在應急數(shù)據(jù)獲取中發(fā)揮作用。

GF-4衛(wèi)星為我國減災、林業(yè)、地震、氣象等應用提供了快速、可靠、穩(wěn)定的光學遙感數(shù)據(jù)，為災害風險預警預報、林火災害監(jiān)測、地震構造信息提取、氣象天氣監(jiān)測等業(yè)務補充了全新的技術手段，開辟了我國地球同步軌道高分辨率對地觀測的新領域。其載荷見表1，衛(wèi)星覆蓋范圍如圖1所示。

圖1 GF-4衛(wèi)星覆蓋范圍示意圖

表1 GF-4衛(wèi)星載荷相關參數(shù)

三、高分四號衛(wèi)星運行策略

GF-4衛(wèi)星常規(guī)觀測模式主要有定點凝視、巡查模式、區(qū)域成像模式。定點凝視可實現(xiàn)對一個目標多次監(jiān)視；巡查模式對不同位置的兩個點目標，通過側擺實現(xiàn)輪巡監(jiān)視；區(qū)域模式為對區(qū)域范圍超過一景衛(wèi)星圖像的大區(qū)域?qū)崿F(xiàn)觀測。常規(guī)情況時，衛(wèi)星可實現(xiàn)兩天對全國覆蓋，定期對全國廣域監(jiān)測。在森林火災易發(fā)季節(jié)，針對火災易發(fā)區(qū)域進行輪巡監(jiān)測。突發(fā)災害監(jiān)測時，采用GF-4衛(wèi)星快速調(diào)度及高低軌衛(wèi)星聯(lián)合拍攝等策略。

1.常規(guī)任務觀測

常規(guī)任務中，綜合各類用戶的成像需求，提高衛(wèi)星成像效率，進行全國區(qū)域成像。全國成像覆蓋示意圖如圖2所示。實際運行過程中會結合衛(wèi)星使用約束，在無特殊任務時，每天采用可見光近紅外+中波紅外模式拍攝全國的絕大部分區(qū)域，兩天聯(lián)合實現(xiàn)對全國區(qū)域完整成像。

圖2 GF-4衛(wèi)星全國成像覆蓋示意圖

2.輪巡拍攝

在森林火災易發(fā)季節(jié)，針對火災易發(fā)區(qū)（如大興安嶺地區(qū)、云南森林地區(qū)等），將全國分為東北、華北及東南火險監(jiān)測區(qū)域，結合全國森林火險氣象預報圖，根據(jù)衛(wèi)星成像約束，GF-4衛(wèi)星每日對高風險區(qū)域進行輪巡拍攝，一天安排5～6次高頻密集拍攝。在每天的4時、10時、13時、16時、20時左右進行高風險區(qū)域成像。其中凌晨和傍晚（4時、20時）時使用中波紅外模式進行成像，白天時間段采用可見光近紅外+中波紅外模式進行成像，在滿足高風險區(qū)域輪巡拍攝的基礎上，剩余拍攝資源繼續(xù)進行全國區(qū)域成像。以2021年4月末為例，GF-4衛(wèi)星成像安排如圖3所示。

圖3 GF-4衛(wèi)星成像安排示意圖

通過GF-4衛(wèi)星對高風險區(qū)域進行輪巡拍攝，可針對性地對潛在森林火災區(qū)域定時獲取數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)災情，為救災提供依據(jù)。同時在森林火災發(fā)生時還可根據(jù)衛(wèi)星使用約束進行加密觀測。通過在軌民用陸地觀測衛(wèi)星資源，實現(xiàn)對災害事件全過程跟蹤監(jiān)測。

3.快速調(diào)度

現(xiàn)階段各行業(yè)各用戶均對自然災害監(jiān)測提出了大量的需求，而自然災害具備突發(fā)性和不可預知性。災害發(fā)生后需要及時做好應急資源的整合和籌劃，以滿足應急任務的實際要求。

以臺風這類能初步預知的災害為例，可提前預留合適的成像窗口，確定任務觀測策略（模式、頻率、時長）。調(diào)整常規(guī)成像任務，提前通知測控和接收單位做好應急上注和數(shù)據(jù)接收準備工作。該情況可以最快調(diào)度衛(wèi)星資源，及時成像，充分發(fā)揮衛(wèi)星使用效能。應急任務當天，成像前30分鐘至1小時獲取點位經(jīng)緯度信息，制定應急成像計劃。

突發(fā)事件（森林火災等）時，需要與星上已有任務相結合，快速定位空余時間段，判斷是否具備合適的空余時間段進行應急指令插入成像。若具備，可直接進行應急任務成像，確認可以拍攝的頻次、時長等，與用戶溝通，制定應急成像計劃；若不具備，則需要分析衛(wèi)星工作狀態(tài)。如果衛(wèi)星在關機狀態(tài)，可直接生成刪除指令。如果衛(wèi)星在成像期間，定位無成像時間點，生成精確的時間點刪除指令后，確認衛(wèi)星指向正常，制定應急成像計劃。

GF-4衛(wèi)星災害監(jiān)測快速調(diào)度中需求分析包括：①確定觀測目標類型，包括單點、多點、區(qū)域等目標類型；②確定觀測模式，包括單譜段、全譜段、紅外等模式；③確定觀測頻次和多次成像的時間間隔。

災害監(jiān)測快速調(diào)度全流程鏈路如圖4所示。

圖4 GF-4衛(wèi)星災害監(jiān)測快速調(diào)度全流程示意圖

4.高低軌衛(wèi)星聯(lián)合拍攝

災害發(fā)生前（災前歷史數(shù)據(jù)）：氣象條件良好時使用光學衛(wèi)星成像，氣象條件較差或夜間時，采用合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星成像，積累數(shù)據(jù)。

災害開始時：結合已積累的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，使用GF-4衛(wèi)星對區(qū)域進行大范圍、高頻次、多譜段持續(xù)成像，及時獲取目標的中低分辨率影像及粗定位。

災害過程中：根據(jù)GF-4衛(wèi)星已獲得的粗定位信息，極軌衛(wèi)星在特定時間窗口對目標區(qū)域獲取高分辨率遙感影像。及時生產(chǎn)標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品，同時可根據(jù)不同需求生成特定產(chǎn)品。

災害過程中：根據(jù)極軌衛(wèi)星已獲得的信息，GF-4衛(wèi)星進行補充或加密觀測，高頻次、長時間、大范圍成像。動態(tài)監(jiān)測事件發(fā)展情況，引導極軌衛(wèi)星拍攝，為應急救災決策提供輔助支撐。

根據(jù)災害的進行程度，高低軌衛(wèi)星可以適時、多次相互引導，聯(lián)合拍攝。展現(xiàn)民用陸地觀測衛(wèi)星信息在災害支援方面的作用。

四、典型案例

1.輪巡拍攝應用案例

2019年3月29日下午，山西省長治市沁源縣發(fā)生森林火災，著火區(qū)域為山地地形，植被以油松為主，茂密易燃，因春季氣溫升高、氣候干燥且風速較大（風力最大達8級左右），對滅火撲救工作造成困難。災害發(fā)生前，中國資源衛(wèi)星應用中心已結合全國森林火險氣象預報圖，對重點區(qū)域進行輪巡拍攝。拍攝當天根據(jù)獲取的影像第一時間判斷出著火目標區(qū)域。從2019年3月29日16:10獲取的GF-4衛(wèi)星圖像中可以明顯看出沁源縣森林著火區(qū)域上空有濃煙冒出（圖5）。

圖5 山西沁源縣森林火災GF-4衛(wèi)星影像

2.高分四號衛(wèi)星快速調(diào)度案例

2020年8月26日，第8號臺風“巴威”位于黃海南部海面，8月27日在遼寧省丹東市登陸。受此影響，遼寧、山東等地區(qū)遭受大風和強降雨侵襲，導致部分區(qū)域內(nèi)澇嚴重，威脅當?shù)鼐用裆柏敭a(chǎn)安全。中國資源衛(wèi)星應用中心獲悉后立即啟動重大自然災害應急響應機制，進行GF-4衛(wèi)星快速調(diào)度，緊急安排對災區(qū)進行觀測（圖6）。數(shù)據(jù)第一時間提供給相關用戶。

圖6 “巴威”臺風GF-4衛(wèi)星影像

3.高低軌衛(wèi)星聯(lián)合拍攝案例

2021年2月20日下午，山西省晉中市左權縣發(fā)生森林火災，并蔓延至河北省邯鄲市境內(nèi)。由于當?shù)馗珊瞪儆?，山上草木密布，且受風力影響，火勢迅速蔓延。中國資源衛(wèi)星應用中心使用GF-4衛(wèi)星對左權縣及周邊進行大范圍成像，及時獲取火災區(qū)域的中低分辨率影像。并根據(jù)GF-4衛(wèi)星獲取的位置信息，安排GF-1衛(wèi)星對目標區(qū)域獲取高分辨率遙感影像（圖7）。獲取極軌衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)后，GF-4衛(wèi)星仍高頻次、長時間對左權縣及周邊進行成像，動態(tài)監(jiān)測事件發(fā)展情況，及時獲取災區(qū)有效數(shù)據(jù)提供給有關部門。

圖7 根據(jù)GF-4衛(wèi)星獲取的位置信息，GF-1衛(wèi)星拍攝的山西省左權縣火災影像

五、總結

目前GF-4衛(wèi)星在不同時期，可以根據(jù)用戶的需求，差異化執(zhí)行常規(guī)任務觀測、輪巡拍攝等衛(wèi)星運行策略，既保障常規(guī)日常需求，又能在特定時期針對重點區(qū)域巡查，發(fā)現(xiàn)火點。同時在災害監(jiān)測時衛(wèi)星可應急快速調(diào)度、高低軌衛(wèi)星相互引導聯(lián)動拍攝，為相關部門救災提供輔助決策。

針對災害監(jiān)測、應急管理的要求，GF-4衛(wèi)星目前仍存在優(yōu)化的空間，后續(xù)中國資源衛(wèi)星應用中心會繼續(xù)以用戶需求為導向，除常規(guī)任務觀測、輪巡拍攝等之外，嘗試其他合適的觀測策略，充分挖掘衛(wèi)星潛力，最大化發(fā)揮衛(wèi)星效能。