林來興

（北京控制工程研究所，北京 100190）

1 引言

我國已成功發(fā)射了3顆海洋衛(wèi)星，今后8年還計劃發(fā)射8顆海洋衛(wèi)星。無論是陸地衛(wèi)星，還是海洋衛(wèi)星，其重訪時間（對同一地點進行觀測的時間間隔）都是幾天，最短也只有一天［1］。這僅能應(yīng)對一般正常情況，但是對突發(fā)事件，例如自然災(zāi)害、地震、海嘯 油污等 以及政治軍事需要 特別是當(dāng)前我國海域和某些島嶼主權(quán)受到侵犯時，則需要重訪時間為幾小時的空間遙感衛(wèi)星。

本文計劃釆用小衛(wèi)星（4～6顆），沿航向編隊飛行組成一個條帶，對我國海岸線和近海（渤海、黃海、東海、南海）進行觀測，其重訪時間為4～6小時，重訪時間可均勻分布，也可以任意根據(jù)需要設(shè)置為非均勻分布。衛(wèi)星數(shù)量增加，重訪時間縮短。

除此以外，本文還討論了對海岸線、海域和陸地（近海島嶼）的各種觀測的時間、空間和光譜的分辨率要求，這對海洋衛(wèi)星總體設(shè)計與遙感器選取都是重要的設(shè)計依據(jù)。

現(xiàn)代小衛(wèi)星成本低、重量輕、研制周期短，其技術(shù)性能完全可以滿足要求［2］。采用此小衛(wèi)星編隊飛行方案，對我國近海和海岸線500多萬平方千米面積的區(qū)域，每相隔幾小時就能觀測一次。若有需要，對關(guān)鍵地區(qū)可采用無人機進行更詳細、更精確的觀測。目前無人機先進遙感器成像分辨率為幾厘米，續(xù)航時間幾十小時［3］。衛(wèi)星和無人機結(jié)合起來完全能滿足所有突發(fā)事件的觀測需求。

本文提供的是一個新方案設(shè)想，若采用這種1天回歸軌道衛(wèi)星沿航向編隊飛行的方法，則對其他地區(qū)同樣可以提高觀測時間分辨率（縮短重訪時間），具有普遍的應(yīng)用意義。

2 對陸地與海洋觀測的時間和空間分辨率要求

對空間遙感要求有4個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：空間分辨率、光譜分辨率、輻射分辨率和時間分辨率。

空間分辨率指像素所代表的地面范圍的大小，即掃描儀的瞬時視場，或是地面物體能分辨的最小單元。光譜分辨率是指遙感器在接收目標(biāo)輻射的光譜時能分辨的最小波長間隔，間隔越小，分辨率越高。輻射分辨率是指遙感器接收波譜信號時，能分辨的最小輻射度差。時間分辨率指對同一地點進行遙感采樣的時間間隔，即采樣的時間頻率，也稱重訪時間。

圖1表示空間遙感在不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)臻g分辨率和光譜分辨率的要求［4］。

圖2表示空間遙感在不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)臻g分辨率和時間分辨率的要求［5］?？臻g分辨率要求從千米到幾厘米不等，這是一個相當(dāng)巨大的差異。時間分辨率（重訪時間）從不到1小時到10年不等。

圖1 對地觀測空間分辨率和光譜分辨率的要求Fig．1 Earth observation requirements：spatial resolution and spectral resolution

圖2 對陸地與海洋觀測空間分辨率和時間分辨率的要求Fig．2 Earth observation requirements：spatial resolution and revisit time

通過對圖1分析得知：多光譜的空間分辨率要求達到優(yōu)于10cm，例如對城市開發(fā)需求，目前空間遙感器還存在一定困難。用于情報服務(wù)等的全色、多光譜的空間分辨率優(yōu)于1m，目前空間遙感器基本可以滿足。除此以外，目前全世界絕大部分空間遙感器都可以滿足圖2所示的任務(wù)要求［6］。

雖然有的空間分辨率要求幾厘米，例如測繪和地形觀測，但是時間分辨率很低。這可以通過多次觀測，不斷提升時間分辨率，以滿足任務(wù)要求。關(guān)于時間分辨率要求半小時或幾小時，可通過星座或編隊飛行來解決。

關(guān)于空間分辨率要求幾厘米的觀測，一方面可通過開發(fā)高分辨率遙感器，另一方面可通過降低衛(wèi)星軌道高度來實現(xiàn)。

3 對海岸線和近海觀測的時間與空間分辨率要求

陸地與海洋交接線，稱為海岸線，由彼此相互強烈影響的近岸海域和濱海陸地組成，實際是一條海岸帶。海岸帶是地球四大圈層（水圈、巖石圈、大氣圈和生物圈）共同作用，相互影響的地帶。

全世界海岸線長約44萬千米，我國海岸線長達1．8萬千米，加上島嶼海岸線為1．4 萬千米，共約3．2萬千米；在漫長的海岸帶蘊藏豐富的礦產(chǎn)、生物、能源、土地等自然資源。它不僅是國防前哨，而且是海陸交通的樞紐和經(jīng)濟發(fā)展的重要基地，為此對海岸線觀測十分重要。

我國近海包括渤海、黃海、東海和南海。近海東西橫跨25°經(jīng)度，南北縱貫40°緯度，近海總面積為470多萬平方千米。

不同觀測任務(wù)對海岸線空間遙感的空間和時間分辨率要求如圖3所示［7］。圖3中包括人們對海岸線環(huán)境所關(guān)注的主要內(nèi)容，不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)臻g分辨率要求由1米到幾千米，這種要求目前空間遙感器全部可以滿足［6］。但是時間分辨率從半小時到幾年，此跨度很大，關(guān)鍵是半小時到十幾小時的時間分辨率，特別是某些需要長期觀測的任務(wù)，需要專門研究，提出具體的實施方案。

圖3 不同觀測任務(wù)對海岸線空間遙感的空間分辨率和時間分辨率要求Fig．3 Spatial and time resolution requirements for coastal studies

對近海空間遙感的空間分辨率和時間分辨率要求比較復(fù)雜，因為近海除了海域以外，還有大量島嶼，我國大小島嶼共有5500 多個，最大臺灣島約3．6萬平方千米 其次海南島約3．2萬平方千米 就是我們關(guān)注的釣魚島陸地面積也有6．3平方千米。為此，對它們空間遙感的空間分辨率和時間分辨率需要有一個系統(tǒng)和全面的要求。

4 編隊飛行的軌道設(shè)計要求

海洋觀測的軌道設(shè)計是總體任務(wù)分析的重要內(nèi)容，必須符合總?cè)蝿?wù)的需求。例如，任務(wù)需要多顆衛(wèi)星在同一時間對同一區(qū)域觀測；多顆衛(wèi)星輪流對指定的同一地區(qū)實施連續(xù)觀測，如每天觀測1次、2次……；從目標(biāo)分辨率和視場分析，觀察期間衛(wèi)星的高度范圍；觀察期間，地面的光照條件要求等。

針對不同任務(wù)設(shè)計不同軌道：單星軌道，多星組網(wǎng)，衛(wèi)星編隊。其中編隊還有多種方式。比較常用的有：串聯(lián)編隊飛行（兩星前后同一個軌道飛行）、沿航向編隊飛行（不同時間覆蓋同一個地區(qū)）、繞飛編隊飛行（在同一個軌道平面飛行，隊形為橢圓形）、空間圓形編隊飛行、星下點圓形編隊飛行等［8-9］。

軌道設(shè)計步驟：被觀察區(qū)域的確定；軌道高度范圍確定；軌道參數(shù)的選擇確定；進入工作飛行程序；發(fā)射窗口確定；軌道特性維持等。本文僅就我國東海、南海實施多顆衛(wèi)星1天內(nèi)輪番觀測為例，說明軌道參數(shù)選擇方法。不失為一般性假設(shè)，被觀測區(qū)域：北緯0°～55°，東經(jīng)105°～132°。

圖4 海岸線和近海遙感器覆蓋星下點軌跡（示意圖）Fig．4 Satellite ground track of coastline and near sea remote sensor coverage（schematic）

4．1 軌道傾角的選擇

衛(wèi)星星下點能夠達到的最高緯度是其軌道傾角。

方案A：傾角為90°～99°。這里先考慮傾角為90°的情況 如圖5所示 小衛(wèi)星遙感器覆蓋星下點軌跡由紅線表示，觀測圖升交點為東經(jīng)115°（可以推導(dǎo)出相應(yīng)升交點赤經(jīng)）。

圖5 方案A 星下點軌跡Fig．5 Satellite ground track of scheme A

此方案特點：覆蓋我國大部分海岸線和近海海域，且對全球南北兩極可一天多次觀測。這對了解南北兩極動態(tài)變化與全球海洋和氣候變化均有很大幫助，但要求遙感器具有較大視場，覆蓋寬度為1500多千米，一般寬視場的遙感器還需要左右側(cè)擺。選擇適當(dāng)?shù)闹芷诳赡苊刻煊袃纱谓?jīng)過預(yù)定區(qū)域，一次從南向北，一次從北向南，這有利于選擇太陽同步軌道。

方案B：傾角選為55°～60°，觀測圖升交點為東經(jīng)105°～110°。圖6中紅線表示第1顆小衛(wèi)星傾角為60°，升交點為東經(jīng)110°的星下點軌跡。此方案特點：可通過調(diào)整升交點赤經(jīng)、選擇軌道傾角，達到需要覆蓋的面積最大。

圖6 由6顆小衛(wèi)星組成星下點軌跡Fig．6 Satellite ground tracks of six small satellites

上述兩方案比較結(jié)果：A 方案需要遙感器視場較大，而且還要左右側(cè)擺，從而降低了左右兩側(cè)的成像分辨率，并增加了遙感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜性；B方案遙感器的視場用普通海洋衛(wèi)星遙感器都能滿足，而且其能夠覆蓋的面積與需要覆蓋的面積比較吻合，因此B方案較好。

4．2 回歸軌道參數(shù)

為了滿足每天都要經(jīng)過預(yù)定區(qū)域的要求，一般選擇回歸軌道，回歸周期為1天。對于近圓形軌道，回歸軌道的半長軸和高度如表1所示。

表1 近圓形軌道的半長軸和高度Table 1 Semi-major axis and height of near circular orbit

回歸軌道的特點是1天以后星下點軌跡重復(fù)。為了有一圈經(jīng)過預(yù)定區(qū)域，需要進行工作軌道捕獲控制，即調(diào)整軌道周期，到達一定的升交點地理經(jīng)度時進入表中規(guī)定的半長軸。

4．3 衛(wèi)星組網(wǎng)

當(dāng)一天一次經(jīng)過指定海域不能滿足任務(wù)需要時，可以通過多顆衛(wèi)星組網(wǎng)實現(xiàn)。多顆衛(wèi)星有相同的星下點軌跡，以不同時間（相隔時間為重訪時間）覆蓋同一個地區(qū)。也就是說，它們升交點赤經(jīng)不相同，升交點赤經(jīng)之差（ΔΩ）是用來補償?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)引起星下點軌跡的變化；ΔΩ＝tω，其中t為通過升交點的時間差（也稱重訪時間），ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，而其他軌道根數(shù)完全相同。均勻分布升交點赤經(jīng)，每顆衛(wèi)星可以以相同的重訪時間，相繼觀測指定區(qū)域［10］。例如2 顆衛(wèi)星組網(wǎng)，每天2 次經(jīng)過指定區(qū)域，間隔約12h；3顆衛(wèi)星組網(wǎng)，每天3次經(jīng)過指定區(qū)域，間隔8h，……，它們的升交點赤經(jīng)差分別為180°，120°，……。

5 結(jié)束語

本文主要提出了一個針對敏感區(qū)域或者關(guān)鍵地域的空間遙感設(shè)計方案，采用方法為小衛(wèi)星沿航向編隊飛行。相隔幾小時就可以對敏感區(qū)域或者關(guān)鍵地域普查一次；若發(fā)現(xiàn)疑點，則采用無人機進行詳查，兩者結(jié)合起來，完全能滿足所有突發(fā)事件觀測的要求。當(dāng)采用4顆小衛(wèi)星組網(wǎng)，則重訪時間為6h。

（References）

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