美國“陸地衛星”系列最新發展情況

龔燃 趙晨露 牛慶鋒（北京空間科技信息研究所 中國空間技術研究院）

Landsat－9衛星在軌示意圖

2021年9月27日，美國“陸地衛星”（Landsat）系列中的最新一顆衛星——Landsat－9從加利福尼亞州范登堡空軍基地搭乘宇宙神－5（Atlas－5）運載火箭發射升空。Landsat－9衛星屬于美國國家航空航天局（NASA）開展的“可持續陸地成像”（SLI）計劃，將取代1999年發射的Landsat－7衛星，與2013年發射的Landsat－8衛星編隊飛行，繼續為全球用戶提供高質量、連續的陸地成像衛星數據。

1 任務背景

Landsat系列衛星是美國從1972年開始發展的民用陸地資源衛星，由NASA和美國地質調查局（USGS）合作研制，是美國綜合對地觀測體系中不可或缺的重要組成部分。長期以來，Landsat系列衛星創建了海量免費的存檔數據，在資源普查、農業、水文管理、災害響應、科學研究、測繪制圖等領域持續發揮關鍵作用。

Landsat衛星共發展了四代：第一代為Landsat－1～3衛星，第二代為Landsat－4和5衛星，第三代為Landsat－6和7衛星，第四代為Landsat－8和9衛星。

2015年3月，NASA和USGS啟 動 了Landsat－9項目的開發工作，衛星原計劃于2023年發射。2016年，NASA和負責監督美國地質調查局的內政部（DOI）簽訂了一份諒解備忘錄（MOU），正式啟動“可持續陸地成像計劃”（2016－2035年），開發Landsat－9衛星為該計劃最緊迫和重要的事項。該諒解備忘錄還呼吁美國開發小型化載荷等創新系統，并進行技術研究、商業模式研究以及其他用戶需求與技術調查，以降低Landsat－9后續任務的成本與風險。

Landsat系列衛星發射情況

2 基本情況

衛星及有效載荷

Landsat－9衛星運行在高度705km，傾角98.2°的太陽同步軌道（SSO），軌道周期99min，與Landsat－8衛星位于同一軌道面，相距180°飛行，雙星重訪周期為8天，其中Landsat－8、9單星重訪周期為16天。

Landsat－9衛星很大程度上復制了目前在軌運行的Landsat－8衛星，旨在減少陸地成像數據斷檔的風險，提供連續、長期的陸地衛星數據，以支持對陸地特征的變化進行長期、精細的對比分析。盡管如此，總體上衛星成像能力更高，壽命更長，定標精度更高。

Landsat－9衛星也攜帶2臺有效載荷儀器，包括業務陸地成像儀－2（OLI－2）和熱紅外遙感器－2（TIRS－2）。OLI－2和TIRS－2設計壽命均為5年，衛星攜帶燃料可維持約10年以上。

OLI－2與Landsat－8衛星星載OLI基本一樣，為一臺推掃式成像儀，用于獲取可見光、近紅外和短波紅外圖像數據，具有9個光譜譜段，其中全色譜段的空間分辨率為15m，其他譜段為30m，視場角15°，幅寬仍保持185km。主要技術改進包括兩點：①OLI－2的數據量化由OLI的12位增加到14位，整體信噪比有所提高；②OLI－2可提供內部校準源，以確保輻射測量的準確性與穩定性，以及進行對日和對月校準的能力。

TIRS－2在Landsat－8衛星星載TIRS的基礎上進行了升級，主要包括采用了新的光學組件，在設計方面可最大限度減少雜散光，保護儀器免受雜散光的影響，且開發了冗余電子設備。簡化了制造和組裝的過程，將儀器壽命延長至5年以上（之前為3年）。此外，TIRS－2也提供了內部黑體校準源以提高輻射測量分辨率。TIRS－2與TIRS一樣，可采集2個熱紅外譜段（長波紅外）的地表輻射圖像，以測量地表溫度并跟蹤陸地和水資源的使用情況，熱紅外分辨率100m，視場角和幅寬也分別為15°和185km，與OLI－2保持匹配。

OLI－2和TIRS－2譜段參數

地面段

Landsat－9衛星運行架構與Landsat－8衛星相同，均由任務運行中心（MOC）、運行飛行團隊、數據處理和存儲系統（DPAS）、地面網絡單元（GNE）組成。

盡管如此，Landsat－9衛星地面段主要對NASA戈達德空間飛行中心（GSFC）和USGS地球資源觀測與科學中心（EROS）之間的遙測與指令進行了改進和一系列“地面準備測試”（GRT）。NASA戈達德空間飛行中心采用了全新的陸地衛星多衛星運行中心（LMOC），雖然使用了一些Landsat－8衛星的地面軟件系統，EROS中心的地面網絡單元（GNE）也對其硬件、軟件和網絡進行了升級，以提高LMOC系統和GNE系統相互對話的能力，向衛星發送運行指令，同時確保遙測數據傳輸的健康與安全。

數據分發

根據2008年發布的陸地衛星數據分發政策，EROS中心的所有Landsat數據均可免費下載且不受限制。每年，USGS都會向成千上萬的用戶分發數百萬幅Landsat衛星圖像。Landsat－9衛星發射后，其收集的數據產品也將通過EROS中心免費下載。Landsat－9數據產品將與之前Landsat任務數據在采集方式、采集數據、數據校準、譜段與分辨率、幅寬、產品質量和數據可用性方面保持一致，幫助用戶持續研究幾十年來陸地覆蓋和陸地利用變化情況。

3 應用情況

在早期的Landsat任務中，USGS依靠由合作國家運營的國際地面站網絡來下行鏈路和存儲Landsat圖像。2006年，USGS認識到外部用戶擁有的Landsat數據量（估計有400萬幅圖像）已遠遠超過EROS的USGS Landsat檔案（估計有190萬幅圖像）。2010年，USGS 啟動了美國“陸地衛星全球檔案整合”（LGAC）計劃，該計劃到2019年12月已獲取并重新處理了超過500萬幅圖像，大幅擴展了Landsat檔案的覆蓋范圍，這相當于啟動了一項額外的Landsat任務并擴大了其歷史存檔空間。

2008年，USGS宣布其檔案中的所有Landsat圖像均可免費訪問。這一政策顯著增加了Landsat數據的使用量，并不斷促進了新的應用。2009年，在這項政策免費開放訪問的第一年，用戶下載了近100萬幅圖片。2014年，美國政府開展了一項對國家民用地球觀測計劃的評估，將Landsat評為美國最重要的系統之一。盡管分辨率不高，但其數據廣泛用于美國和全球其他國家在農業、林業和牧場資源、土地利用和測繪、地質、水文、沿海資源、環境監測、災害響應和國家安全等領域的決策支持與研究。此外，也用于商業應用與衍生產品。USGS研究人員估計Landsat圖像在2017年為美國用戶帶來的收益為20.6億美元，為國際用戶帶來的收益為13.9億美元。若將云供應商從EROS下載的圖像數量納入計算，2017年國內和國際用戶收益估計為41.8億美元。

Landsat衛星數據主要應用領域（2019年10月1日－2020月6月30日）

當前，Landsat衛星用戶已經轉向商業云計算供應商，在云中下載和處理數據。根據2018年美國政府的云計算戰略，USGS在2020年將其Landsat衛星全球數據庫的副本放入了商業云中。Landsat的云架構采用了一種混合方案，包括USGS的云管理和現有的EROS中心私有云服務。對于一些用戶來說，商業云可能比傳統的下載方式更方便、更劃算，可以重新處理Landsat衛星數據。傳統下載流程可能要耗費整個工作時間的80%來下載和處理文件，使用云計算則無需下載、本地存儲和處理數據，節省了大量時間。云計算還允許用戶訪問空間或臨時數據子集，而不必在本地下載整個映像和數據子集。

4 結束語

作為美國最重要的空間對地觀測資產之一，Landsat衛星項目的重中之重一直是保持觀測數據的連續性。觀測時間越長，可分析對比的不同階段的數據越豐富，可從中獲取和理解的現象越多，越有利于研究幾十年來地球系統發生的細微變化，應用于地表監測的各個領域，因此，Landsat系列衛星長期、連續的數據具有豐富的潛在價值。迄今，該系列衛星創建了最長的對地觀測連續數據集，擁有在空間分辨率、校準能力和光譜特征方面近50年長期一致的高質量科學數據。Landsat－9衛星和SLI計劃將推動該項目進入下一個50年的全球觀測，將陸地成像數據記錄延長至2035年甚至之后數年，為監測地球健康的國際戰略作出重要貢獻。