環境減災二號A/B衛星成像模式設計與效能評價

馬磊 白照廣 董筠 朱軍 叢強 姚舜 李志武 林軍 莊超然

(1 航天東方紅衛星有限公司，北京 100094)(2 中國資源衛星應用中心，北京 100094)

環境減災二號A/B衛星均配置有16 m相機、高光譜成像儀、紅外相機、大氣校正儀4種光學載荷，具備可見光、高光譜和紅外對地成像能力，以及在軌大氣同步探測功能。兩星通過同軌組網實現快速獲取地面影像的能力。相對環境減災一號A/B衛星[1]，以及美國陸地衛星(Landsat)系列和歐洲航天局的哨兵(Sentinel)系列衛星[2-5]，星上譜段齊全、功能匹配，具有更高的空間分辨率、更大的觀測幅寬、更全的觀測要素、更短的覆蓋周期。而環境減災二號A/B衛星有效載荷類型多、數量多、數據量大、各載荷成像條件和約束不同，為滿足衛星不同用戶的使用需求，使得衛星成像模式設計復雜。

為更好地發揮衛星成像效能，在充分調研國內外光學衛星成像模式設計的基礎上[6-8]，結合衛星成像特點，完成了環境減災二號A/B衛星成像模式設計。本文闡述了各載荷成像原理和流程，成像需求及約束條件，對設計的常規成像、應急成像、特殊成像等各類成像模式進行了詳細論述。衛星在軌測試結果表明了成像模式設計的正確性和合理性，并從全國陸地區域覆蓋觀測和全球南北緯80°間任一目標觀測兩方面進行了觀測效能評價。

1 載荷成像原理及流程

1.1 16 m相機

16 m相機采用折射式光學系統[9]，地物輻射信息經過相機鏡頭和9塊分光棱鏡后，分成藍、綠、紅、近紅外和紅邊5個譜段分別成像在5片12 000像元長線陣CCD探測器上，如圖1所示。在積分時間內，CCD探測器完成光電信號轉換，數據經過A/D轉換等處理后，輸出至數傳分系統。

圖1 16 m相機光學系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical system of 16m camera

16 m相機熱控組件在軌處于長期工作狀態，其他部件為短期工作狀態。每次成像時，相機控制器首先加電，用時2 s完成初始化，在接收到開始成像指令后，并行接通4臺相機視頻電路電源，每套視頻電路分為3步加電、每步加電間隔約為2 s。視頻電路完全加電并完成初始化后，進入成像工作狀態，開始向數傳分系統發送數據。

1.2 高光譜成像儀

高光譜成像儀采用時空聯合調制干涉光譜成像技術原理[10]，利用推掃成像的方式，通過干涉儀、光學成像鏡獲取目標輻射信息，由面陣探測器同時獲取地面目標的空間圖像信息和光譜干涉信息，并將帶有干涉影像信息的圖像光信號轉換成電信號，再經信號處理電路和數據壓縮電路后輸出至星上數傳分系統，通過數傳分系統傳到地面，最后經地面反演后生成光譜影像圖。時空聯合調制光譜成像原理如圖2所示。

在高光譜成像儀成像時，衛星平臺通過直接指令對高光譜成像儀控制器加電，之后控制器根據CAN總線接收的遙控指令，實現可見光成像電路/短波紅外成像電路的加斷電和參數設置。由于短波紅外探測器需要在150 K的低溫環境下工作，因此控制器和成像電路加電工作前需要對短波紅外制冷機進行降溫。

1.3 紅外相機

紅外相機通過掃描鏡穿軌擺掃，同時獲取地物可見近紅外、短波及中長波紅外9個通道的多光譜信息。地物經掃描鏡引入離軸三反光學系統，由視場分離器分成不同的波段，經會聚鏡成像到線列探測器上，如圖3所示。探測器輸出的電信號經模擬放大、A/D轉換等操作后形成數字信號，連同輔助數據信息進行格式編排后，傳至數傳分系統。

圖3 紅外相機光學系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of optical system of infrared camera

紅外相機制冷機在軌處于長期工作狀態，無需在每次成像時進行加斷電。紅外相機未設置獨立的熱控單元，由下位機負責記錄和傳輸在軌長期工作的熱控組件相關參數，因此下位機在軌處于長加電運行狀態。紅外相機每次成像時，先后對輔助數據通道、掃描消角驅動電路和成像電路進行加電和設置。

1.4 大氣校正儀

大氣校正儀采用分孔徑與分振幅結合的同時偏振測量方法，通過穿軌掃描的方式同步獲取與16 m相機成像區域上空的大氣多譜段信息。目標信號經反射鏡被望遠系統準直入射到渥拉斯頓棱鏡后，分解為兩束振動方向垂直的線偏振光，經聚焦透鏡聚焦于兩個像點，如圖4所示。通過采用兩路完全相同光路，在渥拉斯頓棱鏡方位互成45°情況下，可獲得0°、90°、45°、135°四個不同振動方向的線偏振光。

圖4 大氣校正儀偏振測量原理圖Fig.4 Schematic diagram of polarization measurement of atmospheric corrector

大氣校正儀短波紅外探測器需要工作在較低的溫度來降低熱噪聲和暗電流以達到較好的性能，為了達到-50 ℃的工作溫度，需要對探測器進行主動制冷。制冷采用半導體制冷，制冷時間約為5 min。每次開機成像時，首先開啟探測器溫控單元，并啟動制冷工作，5 min后對成像電路進行加電和參數設置，然后開啟掃描電機驅動單元進行數據采集。

2 成像需求及約束

2.1 成像需求分析

環境減災二號A/B衛星在軌以180°相位分布于高度為644.5 km、降交點地方時為上午10:30的同一太陽同步軌道面內，每星每天有2至3個軌道圈次降軌經過國境上空。衛星用戶多，行業應用領域廣泛，各用戶對星上配置的16 m相機、高光譜成像儀、紅外相機、大氣校正儀等4種光學有效載荷數據的需求側重點不同。為最大限度滿足各用戶對衛星不同圖像數據的迫切需求，星上4種載荷應盡量同時開機成像，特別是國境內區域。根據軌道特性，衛星每晚升軌經過國境上空，為應對突發應急事件，提高衛星觀測數據獲取的實時性，星上紅外相機可在夜間經過國境上空時開機成像，并實時下傳。

2.2 載荷數據率分析

16 m相機由4臺相同的相機“一”字拼接構成，每臺相機具有5個可見光譜段的成像能力，總原始數據率達到1.28 Gbit/s；高光譜成像儀包含可見光和短波紅外兩個成像通道，可見光通道115譜段，短波紅外通道110譜段，在644.5 km標稱軌道高度下，可見光通道成像幀頻為143幀/秒，原始數據率為900.042 Mbit/s，短波紅外通道成像幀頻為71.5幀/秒，原始數據率為219.84 Mbit/s；紅外相機采用多元并掃成像方案，通過掃描鏡穿軌擺掃獲取可見近紅外至長波紅外共9譜段的地物信息，原始數據率為170 Mbit/s；大氣校正儀通過穿軌圓周掃描探測，獲取可見近紅外至短波紅外共9譜段的大氣參數信息，原始數據率為0.2 Mbit/s。4種載荷總原始數據率為2.57 Gbit/s，同時各載荷數據率差異極大。

2.3 數據下傳分析

衛星數傳分系統采用第三代數傳技術，具備2×450 Mbit/s的雙通道高速傳輸能力，即載荷數據經數傳天線進行雙極化復用輸出至地面站。由于載荷總原始數據率大，需要對圖像數據進行壓縮才能實現實時下傳的需求。因大氣校正儀原始數據率較低，不再進行壓縮。16 m相機、高光譜成像儀、紅外相機數據分別設置為高壓縮比和低壓縮比兩種模式，低壓縮比模式用于獲取高質量圖像數據，高壓縮比模式可以滿足用戶實時傳輸的需求。對于紅外相機單載荷夜間成像，可使用無壓縮模式，進行單通道數據實傳。

衛星上配置有星務數據存儲模塊，負責對星上產生的實時遙測等數據進行全天時存儲，受測控通道下傳碼速率低的限制，該數據通過數傳通道下傳。根據星務數據存儲模塊每天存儲的數據量，以及其與數傳間傳輸的實際有效碼速率，經計算，每天存儲的遙測數據需2至3個數傳弧段完成下傳。

2.4 成像時段約束

星上4種載荷中，16 m相機、高光譜成像儀、大氣校正儀只在白天開機，紅外相機可在白天和夜間開機。

高光譜成像儀受短波紅外譜段探測器讀出電路工藝、制冷機壽命限制，制冷機在軌開關機次數和工作總時間均存在上限。考慮發射前地面開關機次數、時間，以及衛星在軌5年壽命，高光譜成像儀制冷機在軌期間可每天開機一次，關機一次，且連續開機時長不大于10軌。

紅外相機紅外譜段探測器真空杜瓦、可見光組件、銦鎵砷(InGaAs)組件及定標裝置，大氣校正儀紅外譜段探測器組件在入軌后需要進行加熱除氣，此段時間內兩種載荷不能開機成像。

3 成像模式設計

3.1 成像準則

綜合考慮衛星軌道特性、平臺配置情況、各載荷成像特點等因素，確定衛星成像準則如下。

1)長條帶成像

星上載荷16 m相機、高光譜成像儀、紅外相機、大氣校正儀的成像幅寬分別為800 km、96 km、720 km、800 km，均具有成像幅寬大的特點，若側擺成像時，邊緣視場圖像光學畸變較大，因此主推星下點長條帶成像模式。以16 m相機為例，成像10 min，則觀測區域的面積可以達到326 4000 km2。

2)多載荷協同工作

按照環境減災多要素觀測要求，衛星觀測譜段從可見光到長波紅外全部覆蓋，地面分辨率按照16×N系列設計，包括16 m、48 m、96 m，特別有利于應用數據融合。為提高圖像產品質量，配置的大氣校正儀可獲取16 m相機相同觀測區域上空的大氣參數信息，與相機數據同步下傳，用于圖像數據的大氣校正處理。在軌運行過程中，4種載荷應盡可能同時成像，進行協同工作。

3)成像任務參數化

將各類成像模式以相對程控指令組的形式提前固化到星上，在進行每次成像任務時，只需上注開機時間、時長和少數必要的成像參數即可。

4)應急響應成像

只要衛星白天降軌經過國內區域就會開機成像，因此應急響應成像主要針對夜間過境，以及境外成像情況。需要在國內外夜間成像時，可安排紅外相機單獨開機成像。針對境外白天突發事件，基于星上固化的成像用多組相對程控指令，衛星具備一鍵式清除現有成像任務，并快速接收和啟動新上注成像任務的能力。

5)集約化成像

綜合考慮衛星功耗、設備壽命、操作安全性等，以“國內區域覆蓋性觀測、境外區域確保應急觀測”為基礎，開展集約化成像。

3.2 數據通道劃分

衛星16 m相機數據通過數傳壓縮編碼器進行壓縮，高光譜成像儀和紅外相機數據自行壓縮后傳至數傳，大氣校正儀和星務存儲模塊數據不壓縮，直接傳至數傳。根據各載荷原始數據量大小以及壓縮特點，兼顧數傳雙通道數據平衡設計，將16 m相機數據分配至通道一，其他數據分配至通道二。經數傳高級在軌系統(AOS)格式編排后，兩通道數據率相當，且均滿足小于數傳單通道450 Mbit/s的傳輸能力，可以進行數據實時對地傳輸。兩個通道傳輸的數據類型和數據量的分配見表1。

表1 兩通道數據類型和數據量分配Table 1 Data type and data volume allocation of two channel

3.3 常規成像模式

常規成像模式主要是4種有效載荷設備按任務要求進行工作，以獲取用戶所要求信息的工作模式，主要包括4種：實傳模式(含星務數據存儲模塊下傳)、記錄模式、回放模式、邊記邊放模式。此外同一軌道圈內還可以進行境外陽照區記錄、境內陰影區回放的組合模式，只影響整星能量平衡，對載荷而言，是獨立模式的組合。

1)實傳模式

在地面站可視范圍內，衛星處于正常飛行姿態，有效載荷成像，數傳將圖像、輔助數據等實時發送至地面站。星務數據存儲模塊數據在此模式下下傳。

2)記錄模式

在地面站可視范圍外，衛星處于正常飛行姿態，有效載荷成像，數傳將接收到的數據處理后送至固存記錄。

3)回放模式

在境內地面站可視范圍內，衛星處于正常飛行姿態，有效載荷不成像，固存記錄的數據以2×450 Mbit/s速率回放至地面站。

4)邊記邊放模式

在境內地面站可視范圍內，衛星處于正常飛行姿態，有效載荷成像，數傳工作在高/低壓縮比條件下，壓縮后數據送固存記錄的同時可從固存讀取已存數據，該模式可獲得高質量境內圖像數據，同時又可進行前期數據的回放，可提高衛星在軌的數據獲取能力。

根據載荷成像時段約束、壓縮比設置情況、數傳天線使用情況，常規成像模式設計見表2，共計9種。

表2 常規成像模式設計Table 2 Conventional imaging mode design

在實傳、記錄、邊記邊放模式中，4種光學載荷均開機工作，根據前文所述4種載荷從開始加電至圖像輸出用時不同，為最大可能節約衛星能源，采取分時啟動加電和各圖像同時輸出的成像加電策略，即加電過程耗時長載荷先加電，加電過程耗時短載荷后加電，通過加電間隔控制，使得各載荷開始輸出圖像的時刻基本一致，具體如圖5所示。

圖5 載荷加電時序圖Fig.5 Load power on sequence diagram

在各載荷加電過程中，為減少星上總線傳輸的指令條數，減小總線資源占用率，同時提高操作簡潔性，各載荷控制器將自身加電用指令進行高度封裝，如將4臺16 m相機各三步的加電指令按指令順序和時間間隔封裝在“16 m相機成像開”指令中。16 m相機控制器在收到“16 m相機成像開”指令后，自主執行各臺相機的加電操作。

3.4 應急成像模式

紅外相機成像譜段含中長波紅外譜段，與其它三載荷不同，其具備夜間觀測能力。為應對火災等應急事件，提高觀測效率，設計了紅外相機夜間單獨成像的工作模式。對于境內夜間應急事件，進行實傳成像，由于此時數傳信道帶寬充足，紅外相機數據可以無壓縮下傳；對于境外夜間應急事件，進行紅外相機境外記錄數據、境內回放數據。具體工作模式見表3。

表3 紅外相機單獨成像模式設計Table 3 Design of separate imaging mode of infrared camera

3.5 特殊成像組合

針對紅外相機和大氣校正儀在軌初期除氣、無法開機成像的情況，為有效利用在軌時間，提高在軌測試效率，設計了16 m相機和高光譜成像儀兩種載荷的組合成像模式，見表4。雙載荷的數據回放使用常規成像模式的回放模式進行。

根據高光譜成像儀制冷機開關機次數和總工作時間的限制，兼顧壽命需求，制定了高光譜制冷機每天開機一次，即在每天進行第一次境內實傳時開機，連續工作10軌后關機的策略，并且要求衛星降軌過國境時高光譜成像儀需開機成像。在境外高光譜成像儀不開機成像的情況下，設計16 m相機、紅外相機和大氣校正儀的組合成像模式，境外記錄數據，境內進行數據回放。

表4 16 m相機和高光譜成像儀組合成像模式設計Table 4 Design of combined imaging mode of 16m camera and hyperspectral imager

3.6 成像安全模式

為保證衛星能源安全，設計了載荷成像時間和成像電流安全模式。

每種載荷每軌單次最長連續成像時間默認為20 min，該最大值可通過衛星上注帶參指令修改；如果單次連續成像時間超過最大值，則載荷管理控制器自動執行關機指令序列，停止本次成像任務。

星務中心計算機對每種載荷開機工作電流進行判斷，如果出現電流異常增加，即當工作電流遙測值連續兩次大于設定的安全值時，則認為進入載荷電流安全模式，自動執行關停該載荷的指令序列。

4 成像效能評價

4.1 成像模式驗證

2020年10月2日，在兩星相位逐步擴大、星座建立過程中，按在軌測試工作安排，兩星16 m相機和高光譜成像儀首次開機成像，成像區域為內蒙古、北京、海南島等地區，成像效果均為圖像清晰，層次豐富，光譜信息豐富，如圖6所示。

10月20日，兩星紅外相機、大氣校正儀在軌除氣工作完成，達到預期目標，由在軌除氣模式轉為在軌正常溫度工作模式。隨后進行了4種光學載荷開機成像測試，模式包括所設計的直傳、記錄、回放、邊記邊放、單紅外陰影區直傳等所有模式，各類模式均工作正常，功能性能滿足要求，能夠高效正確完成用戶各類任務。

成像安全模式是在衛星出現異常情況下自主進入的保護模式，衛星入軌運行期間，工作穩定，未進入該模式。但是，衛星出廠前在整星電性能測試階段對該模式進行了充分的驗證。

圖6 兩星16 m相機首次成像圖Fig.6 First image of 16m camera of two satellites

4.2 全國陸地覆蓋觀測能力

基于16 m相機、紅外相機的大幅寬觀測能力，以國境內的密云、三亞、喀什為數傳接收站，在衛星實傳模式下，根據中國資源衛星應用中心提供的在軌實測數據，兩星組網運行一天降軌觀測的全國陸地范圍覆蓋率為76%～80%，如圖7所示；連續兩天降軌觀測的全國陸地范圍覆蓋率為99%，如圖8所示。

圖7 兩星組網運行一天的全國陸地范圍覆蓋Fig.7 National land coverage of two satellites in one day

圖8 兩星組網運行兩天的全國陸地范圍覆蓋Fig.8 National land coverage of two satellites in two days

考慮紅外相機可在升軌段成像，則兩顆衛星兩天時間內可對全國陸地區域進行全覆蓋觀測。以2022年3月11日、12日為例，兩天時間內A、B星各進行5次降軌成像，A星進行兩軌升軌成像，可以完成全國陸地區域的覆蓋觀測和數據實時下傳，如圖9所示。

圖9 兩顆衛星兩天時間內對全國陸地區域進行覆蓋性觀測Fig.9 National land area coverage observation by two satellites in two days

4.3 全球陸地目標觀測能力

根據衛星軌道特性，單顆衛星一天內16 m相機的實際觀測覆蓋如圖10所示。

圖10 單星一天內16 m相機的實際覆蓋Fig.10 Coverage of 16m camera in a single satellite in one day

赤道上衛星每圈西退的距離約為2700 km；第二天軌道與第一天軌道之間的間距約663.41 km。16 m相機800 km、紅外相機720 km、大氣校正儀800 km的幅寬可以覆蓋兩天之間的間距，衛星軌道傾角為98°，因此單星16 m相機、紅外相機、大氣校正儀均可保證4天對全球南北緯80°內任一目標進行觀測，如圖11所示，兩顆衛星16 m相機、紅外相機、大氣校正儀可保證2天對全球南北緯80°內任一目標進行觀測。高光譜成像儀成像幅寬為96 km，大于一個軌道回歸周期(41天)內的軌道間距66.34 km，因此單星高光譜成像儀可保證41天對全球南北緯80°內任一目標進行觀測，兩顆衛星高光譜成像儀可保證20.5天對全球南北緯80°內任一目標進行觀測。

兩顆衛星在軌完成了與同樣配置了800 km幅寬16 m相機的高分一號、高分六號衛星的組網部署。四星組網后可保證16 m相機1天對全球南北緯80°內任一目標進行觀測，大幅提高了數據獲取時效性。

圖11 單星16 m相機4天全球南北緯80°內覆蓋示意圖Fig.11 Schematic diagram of within 80°of global north-south coverage of single satellite 16m camera in 4 days

5 結束語

環境減災二號A/B衛星成像模式設計以提高衛星應用效能為目標，在充分考慮各載荷成像制約因素、高速載荷數據下傳的基礎上，本文設計了常規成像模式即四載荷同時開機成像模式，實現了多類型數據的同步獲取能力，滿足了不同用戶的數據使用需求；設計了紅外相機夜間成像模式，數據可以不經壓縮下傳，在圖像質量提高的同時，增強了對應急事件的觀測效率；針對紅外相機和大氣校正儀需在軌除氣，以及高光譜成像儀制冷機壽命制約，設計了兩類特殊成像模式，提高了數據獲取時效性，保證了載荷使用壽命，且未影響國內數據獲取的完整性。同時，從全國陸地覆蓋觀測能力和全球陸地目標觀測能力兩方面對衛星的成像效能進行了評價。

通過在軌測試和業務運行，全面驗證了環境減災二號A/B衛星成像模式設計的正確性，各載荷成像質量優異。目前衛星各載荷圖像產品已在自然災害監測、大型水體水華水質監測、森林資源監測、農作物長勢監測等多個領域應用，發揮了重要作用，展現出了重要價值。