黃宇民 范一大 馬駿 侯宇葵 蒙靜

（1 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，長沙 410073）（2 錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室，北京 100094）（3 民政部國家減災(zāi)中心，北京 100124）（4 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

1 引言

中國地域遼闊，氣候、地形環(huán)境復(fù)雜，處于多個地質(zhì)板塊交匯處，是地震、臺風(fēng)、洪水、干旱、冰雪、森林（草原）火災(zāi)、泥石流、滑坡、農(nóng)林病蟲害、海洋災(zāi)害等多種自然災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)。中國70%以上的大城市，50%以上的人口，75%以上的工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值分布在災(zāi)害風(fēng)險區(qū)，是世界上自然災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一。中國自然災(zāi)害特點為：災(zāi)害種類多、分布地域廣、發(fā)生頻率高、區(qū)域性季節(jié)性強、造成損失重，自然災(zāi)害已經(jīng)成為影響中國經(jīng)濟發(fā)展和社會安全的重要因素。

隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，空間系統(tǒng)在災(zāi)害監(jiān)測、減災(zāi)方面的應(yīng)用越來越受到人們的重視，并展現(xiàn)出了它巨大的應(yīng)用潛力，并逐漸成為人類對抗各種自然和人為災(zāi)害的有效手段，而遙感衛(wèi)星系統(tǒng)是應(yīng)用于災(zāi)害監(jiān)測、減災(zāi)方面的最主要空間系統(tǒng)［1］。

遙感衛(wèi)星系統(tǒng)是用于觀測地球及其大氣層的人造地球衛(wèi)星系統(tǒng)的總稱，中國目前雖已有氣象衛(wèi)星系列、海洋衛(wèi)星系列、資源衛(wèi)星系列、環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星系列等遙感衛(wèi)星系統(tǒng)，但受目前的技術(shù)基礎(chǔ)限制，這些系統(tǒng)還只能獲得中等或較高分辨率的對地觀測數(shù)據(jù)，有效載荷種類也存在缺項，尚未形成完整的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)體系，造成系統(tǒng)能力配置的不足；同時，由于中國的對地遙感衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)采用部門所有制，這些已有的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)在能力配置、載荷搭配等方面，在國家層面的統(tǒng)籌規(guī)劃和能力配置不足，造成在某些方面存在能力配置的缺失，而在某些方面還存在能力配置的優(yōu)化問題［2-5］。

本文針對中國面臨的主要九類自然災(zāi)害的空間監(jiān)測需求，繪出這九類自然災(zāi)害在時間分辨率軸和空間分辨率軸上的二維分布圖；同時，以這兩個維度為基準(zhǔn)，在圖上定位我國已在軌運行的遙感衛(wèi)星，繪制其能力包線；研究分析對這些自然災(zāi)害的監(jiān)測能力；依據(jù)災(zāi)害監(jiān)測的要求，分析配置中國未來發(fā)展的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)對這些自然災(zāi)害的監(jiān)測能力包線，并據(jù)此提出了相應(yīng)的系統(tǒng)發(fā)展建議。

2 需求分析

由于災(zāi)害與環(huán)境的多樣性與復(fù)雜性，不同的災(zāi)害和環(huán)境監(jiān)測與預(yù)報的對象對衛(wèi)星遙感能力的需求不盡相同，但總的來說對時間分辨率、光譜譜段、空間分辨率和全天候、全天時觀測的能力都有較高要求，結(jié)合上述需求，中國的主要災(zāi)害種類空間監(jiān)測的時間分辨率和空間分辨率的需求分布如圖1所示［6-8］。

圖1中，深色的部分表示災(zāi)害事件正在發(fā)生時的空間遙感的需求；淺色部分表示災(zāi)害發(fā)生后續(xù)影響的空間遙感的需求（注：本文中只考慮可見光（含紅外）的空間遙感，未考慮SAR 的情況）。

從圖1中可以看出，在中國主要災(zāi)害的空間遙感監(jiān)測需求中，對臺風(fēng)、冰雪災(zāi)害、干旱、森林／草原火災(zāi)、洪水和病蟲害及其后續(xù)影響都基本屬于中低分辨率的空間遙感監(jiān)測需求，而山洪、地震和地質(zhì)災(zāi)害等屬于高分辨率空間遙感監(jiān)測需求；山洪、地震和地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生時的遙感監(jiān)測同時需要高空間分辨率、高時間分辨率，而其災(zāi)后的影響，需要高空間分辨率和中低時間分辨率的遙感監(jiān)測需求。

圖1 主要種類災(zāi)害對空間遙感的需求分布Fig.1 Requirements for the space remote sensor of disaster monitoring

3 中國遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

從20世紀(jì)80年代開始，中國一直將空間遙感技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用列為國家科技攻關(guān)重大項目，已經(jīng)初步建成了氣象、資源、海洋和環(huán)境減災(zāi)等系列衛(wèi)星，初步具備了一定的空間災(zāi)害監(jiān)測能力。其中，氣象衛(wèi)星建成了高（地球靜止軌道）、低（太陽同步軌道）搭配運行的完整體系，相關(guān)衛(wèi)星列入了世界氣象組織“全球氣象衛(wèi)星觀測網(wǎng)”，成為值班系統(tǒng)的組成部分；高分一號衛(wèi)星正式成為“空間與重大災(zāi)害國際憲章”的中方憲章值班衛(wèi)星；為國際空間災(zāi)害監(jiān)測作出了重要貢獻。

3.1 發(fā)展概況

目前，我國正在接收數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)遙感衛(wèi)星有4類9顆，試驗衛(wèi)星有2類4顆，如表1所示［9-11］。因高分2號衛(wèi)星于2014年8月19日發(fā)射，目前僅知其空間分辨率優(yōu)于1m，幅寬為45km，沒有其它的公開軌道參數(shù)，故本文研究未涉及高分2號衛(wèi)星。

表1 中國的遙感衛(wèi)星系列Table 1 Actuality of the Chinese remote satellite system

3.2 主要衛(wèi)星系統(tǒng)性能

中國正在接收數(shù)據(jù)的遙感衛(wèi)星主要性能如表2所示［12-13］。

表2 中國遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的主要性能Table 2 Capability of Chinese remote satellite system

3.3 中國遙感衛(wèi)星系統(tǒng)空間災(zāi)害監(jiān)測能力分析

依據(jù)表2，以時間分辨率和空間分辨率這兩個維度為基準(zhǔn)，在圖1的相應(yīng)的位置上分別填上這些正在工作衛(wèi)星，用幾條曲線分別擬合連接起來（實線和虛線），如圖2所示，即繪出我國遙感衛(wèi)星系統(tǒng)對自然災(zāi)害的監(jiān)測能力包線。

圖2中，定義曲線的右側(cè)（曲線的方向為逆時針方向）為系統(tǒng)能力滿足區(qū)，我國目前的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)可以滿足此區(qū)域內(nèi)的空間災(zāi)害監(jiān)測的需求。曲線的左側(cè)為能力不滿足區(qū)域，說明我國目前的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)尚不能滿足此區(qū)域中空間災(zāi)害監(jiān)測的需求。

依照時間順序，在圖2中分別用實線、虛線、點虛線，擬合出了中國遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的空間災(zāi)害監(jiān)測能力的三個發(fā)展階段。

實線是資源1號02B 衛(wèi)星發(fā)射后（2007年，資源1號02C衛(wèi)星是接替02B 衛(wèi)星的），我國的衛(wèi)星遙感系統(tǒng)能力包線示意，自此，我國的衛(wèi)星遙感系統(tǒng)具備了滿足對雪災(zāi)、干旱、臺風(fēng)（熱帶氣旋）、森林／草原火災(zāi)的部分空間災(zāi)害監(jiān)視的應(yīng)用需求。

虛線是隨著我國的“環(huán)境減災(zāi)”衛(wèi)星的發(fā)射入軌后（2008年）的國家空間災(zāi)害監(jiān)測能力包線示意，可見我國的國家空間災(zāi)害監(jiān)測能力在中分辨率應(yīng)用能力上有了很大的提高。

點虛線是高分1號衛(wèi)星發(fā)射入軌后（2013年）的國家空間災(zāi)害監(jiān)測能力包線示意，高分1號為我國第一顆高分辨率遙感衛(wèi)星。

圖2 中國遙感衛(wèi)星系統(tǒng)空間災(zāi)害監(jiān)測能力包線Fig.2 Enveloping curve of ability of CRSS for disaster monitoring

4 未來發(fā)展設(shè)想

依據(jù)圖1和表2，在圖2中提出了我國遙感衛(wèi)星系統(tǒng)基于空間分辨率和時間分辨率的對主要自然災(zāi)害的監(jiān)測能力包線的概念，用以整體表征我國遙感衛(wèi)星系統(tǒng)對主要自然災(zāi)害的監(jiān)測能力。未來的能力發(fā)展設(shè)想，就是基于這個概念，以全面滿足對主要自然災(zāi)害監(jiān)測的能力包線為基礎(chǔ)，提出我國遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的能力配置。由于這一能力配置要求超出了我國目前可以預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟能力，因此，又提出了基于體系能力分配的發(fā)展設(shè)想。

4.1 目前的能力分析

由圖2中可以看出，目前我國的國家空間災(zāi)害監(jiān)測能力存在著很大的能力缺項，不完全具備對地震、地質(zhì)災(zāi)害、山洪、洪澇災(zāi)害的空間災(zāi)害監(jiān)測能力，這方面是未來我國國家空間災(zāi)害監(jiān)測能力建設(shè)的重點。

目前，我國的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的載荷主要為光學(xué)（含紅外等）載荷，從我國國家空間災(zāi)害監(jiān)測能力全天時、全天候的工作要求來看，目前的全天候的工作能力嚴(yán)重不足。因此，發(fā)展SAR 空間災(zāi)害監(jiān)測能力也是未來我國國家空間災(zāi)害監(jiān)測能力建設(shè)的重點之一。

因此，未來我國國家空間災(zāi)害監(jiān)測能力建設(shè)一方面要提高遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的時間分辨率，另一方面也要提高空間分辨率；此外，還需要發(fā)展SAR 空間災(zāi)害監(jiān)測能力。

4.2 遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的特性

在目前的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)中，GEO／MEO（地球靜止軌道／中軌道）系統(tǒng)因其衛(wèi)星軌道較高，觀測范圍大，時間分辨率相對較高，但空間分辨率相對較低；LEO（低軌道）衛(wèi)星系統(tǒng)的軌道較低，空間分辨率較高，但因其軌道較低，時間分辨率較低。簡單地提高衛(wèi)星系統(tǒng)軌道高度，可以提高衛(wèi)星觀測范圍，提高時間分辨率，但降低了衛(wèi)星的空間分辨率，使高分辨率的衛(wèi)星遙感無法實現(xiàn)；而簡單地降低衛(wèi)星系統(tǒng)軌道高度，可以提高衛(wèi)星的空間分辨率，縮小了衛(wèi)星的觀測范圍，降低了時間分辨率。

解決這一矛盾的技術(shù)途徑主要有：

（1）發(fā)展多星座組網(wǎng)的、高分辨率的低軌遙感衛(wèi)星星座系統(tǒng)，實現(xiàn)高時間分辨率的時間覆蓋；

（2）突破中高軌米級分辨率遙感技術(shù)，發(fā)展中高軌道的米級分辨率的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)，實現(xiàn)高時間分辨率的區(qū)域監(jiān)視；

（3）發(fā)展各個軌道的SAR 遙感衛(wèi)星系統(tǒng)，實現(xiàn)全天候的工作要求。

4.3 未來能力配置設(shè)想

圖3的能力包線示意圖展示了滿足對這九類重大自然災(zāi)害的全天時、全天候的空間監(jiān)測能力的配置。理論上，理想的我國遙感衛(wèi)星系統(tǒng)對九大自然災(zāi)害的監(jiān)測能力包線應(yīng)該由圖3中的紅實線所示，即：中高軌道衛(wèi)星配置應(yīng)達到米級，具備實時連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)的監(jiān)測能力；中低軌道衛(wèi)星配置應(yīng)達到優(yōu)于0.4m，時間分辨率達到小時級以上。因此，發(fā)展優(yōu)于0.5m的高分辨率來滿足對主要災(zāi)害的空間監(jiān)測需求，是我國遙感衛(wèi)星系統(tǒng)未來發(fā)展的一項緊迫任務(wù)。

圖3 未來中國遙感衛(wèi)星系統(tǒng)對自然災(zāi)害的監(jiān)測能力配置Fig.3 Designing of disaster monitoring ability for future CRSS

從圖3中可以看出，如果我國完全依賴遙感衛(wèi)星系統(tǒng)滿足對九大主要災(zāi)害的空間監(jiān)測需求，以我國目前的技術(shù)、經(jīng)濟水平，在可見的未來10～15年內(nèi)（除非出現(xiàn)一個全新的、“顛覆性”的（指全新成像機理）遙感技術(shù)），我國的中高軌道遙感衛(wèi)星不可能達到米級空間分辨率。同時，低軌衛(wèi)星要達到小時級以上的時間分辨率需要數(shù)十顆衛(wèi)星才能實現(xiàn)。因此，依據(jù)實線的配置要求，我國的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)在系統(tǒng)規(guī)模、技術(shù)水平上必須實現(xiàn)極大的提高，這是我國目前的經(jīng)濟、科技水平所不能承受的。

較為合理的方法是，針對這些需求用相對經(jīng)濟、合理的系統(tǒng)和手段分別予以滿足。如：臺風(fēng)、冰雪災(zāi)害、干旱、森林／草原火災(zāi)、洪水和病蟲害及其后續(xù)影響等空間范圍大、持續(xù)時間長的中低分辨率的空間監(jiān)測需求，可以通過我國遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的能力發(fā)展予以滿足；而山洪、地震和地質(zhì)災(zāi)害等空間范圍相對較小、發(fā)生時間過程短的高空間分辨率和高時間分辨率的空間監(jiān)測需求，則可以通過空基、近空間飛行器結(jié)合遙感衛(wèi)星系統(tǒng)予以滿足。

綜上所述，在可見的未來10～15年內(nèi)，中國未來的對地觀測系統(tǒng)的空間災(zāi)害監(jiān)測能力應(yīng)采用圖3中的紅虛線所示配置。

依據(jù)圖3中的紅虛線的能力配置，我們提出其中的一種系統(tǒng)配置建議：

（1）LEO 衛(wèi)星配置優(yōu)于0.5m 空間分辨率、1d時間分辨率的衛(wèi)星星座系統(tǒng)；

（2）GEO 衛(wèi)星配置20m 空間分辨率、10min時間分辨率的系統(tǒng)，以實現(xiàn)對區(qū)域目標(biāo)的持續(xù)監(jiān)視；

（3）MEO 衛(wèi)星配置優(yōu)于10m 空間分辨率、6h時間分辨率的星座系統(tǒng)，以實現(xiàn)對區(qū)域目標(biāo)的接力持續(xù)監(jiān)視；

（4）在MEO、LEO 配置相對應(yīng)要求的寬幅SAR 衛(wèi)星星座，以滿足全天時、全天候的工作要求。

5 結(jié)論

我國的空間災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)是一個綜合空間遙感體系，必須由一個高（GEO）、中（MEO）、低（LEO）軌配置、能力綜合分布的、滿足對我國主要災(zāi)害空間遙感觀測要求的對地觀測衛(wèi)星體系和空基／近空間遙感系統(tǒng)組成一體化、綜合系統(tǒng)，各個系統(tǒng)任務(wù)合理分工，協(xié)同工作。我國必須發(fā)展高分辨率空間遙感技術(shù)，其中，未來的十年內(nèi)，在GEO 系統(tǒng)中必須發(fā)展優(yōu)于20m 的空間分辨率的遙感技術(shù)；而LEO 系統(tǒng)必須發(fā)展優(yōu)于0.5m 的空間分辨率的遙感技術(shù)，才能滿足對我國主要災(zāi)害的空間遙感觀測要求。我國空間災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)必須具有足夠規(guī)模，以保證時間分辨率要求；其中，GEO 衛(wèi)星系統(tǒng)未來發(fā)展具有凝視功能的遙感技術(shù)；LEO 衛(wèi)星系統(tǒng)必須是多星星座組網(wǎng)工作模式，系統(tǒng)時間分辨率小于天的量級。中軌空間遙感系統(tǒng)是我國未來對地觀測衛(wèi)星體系中的重要組成部分，它在空間分辨率和時間分辨率上有其獨特的優(yōu)勢，因此，必須開發(fā)MEO、10 m 以下空間分辨率的遙感技術(shù)，且采用多星星座組網(wǎng)工作模式，系統(tǒng)時間分辨率小于6h量級，可以極大提高我國空間遙感系統(tǒng)對災(zāi)害的應(yīng)急響應(yīng)能力。SAR 衛(wèi)星系統(tǒng)必不可少，如要達到全天時、全天候的對我國主要災(zāi)害的空間遙感觀測要求，必須開發(fā)MEO、LEO 的寬幅SAR 成像遙感衛(wèi)星星座系統(tǒng)。

（References）

［1］陳世平.對地觀測衛(wèi)星遙感系統(tǒng)頂層設(shè)計的若干思考［J］.航天器工程，2013，22（3）：1-7 Chen Shiping.Some considerations about top-level design of satellite remote sensing system for earth observations［J］.Spacecraft Engineering，2013，22（3）：1-7（in Chinese）

［2］陳宜元，陳欽楠.中巴地球資源衛(wèi)星［J］.航天器工程，2001，10（3）：1-9 Chen Yiyuan，Chen Qinnan.China Brazil earth resource satellite［J］.Spacecraft Engineering，2001，10（3）：1-9（in Chinese）

［3］Eastwood I，Stephen L Durdcn，Simone Tanelli.Cloud-Sat：The cloud proffiing radar mission［C］／／2006CIE International Conference on Radar.New York：IEEE，2006：1326-1328

［4］葛榜軍.世界地球資源衛(wèi)星現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.航天器工程，2002，11（2／3）：144-150 Ge Bangjun.The actuality and developing trend for earth resource satellites in the world［J］.Spacecraft Engineering，2002，11（2／3）：144-150（in Chinese）

［5］劉三超，范一大，高懋芳.遙感數(shù)據(jù)在自然災(zāi)害救助中的應(yīng)用［J］.航天器工程，2012，21（6）：136-141 Liu Sanchao，F(xiàn)an Yida，Gao Maofang.Application of remote sensing data in natural disaster relief［J］.Spacecraft Engineering，2012，21（6）：136-141（in Chinese）

［6］黃河，王明志，楊思全，等.環(huán)境減災(zāi)-1B衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在干旱監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.航天器工程，2012，21（4）：123-128 Huang He，Wang Mingzhi，Yang Siquan，et al.Application of HJ-1Bsatellite remote sensing data in drought monitoring［J］.Spacecraft Engineering，2012，21（4）：123-128（in Chinese）

［7］岳濤，黃宇民，劉品雄，等.未來中國空間遙感器的發(fā)展分析［J］.航天器工程，2008，17（4）：77-83 Yue Tao，Huang Yumin，Liu Pinxiong，et al.Analysis of China’s future satellite remote sensor development［J］.Spacecraft Engineering，2008，17（4）：77-83（in Chinese）

［8］中國氣象局.中國風(fēng)云氣象衛(wèi)星及其應(yīng)用的回顧與展望［J］.衛(wèi)星應(yīng)用，2007，15（4）：18-22 China Meteorological Administ ration.The retrospect and expectation for China’s Fengyun（FY）meteorological satellite［J］.Satellite Application，2007，15（4）：18-22（in Chinese）

［9］白照廣，李一凡，楊文濤.中國海洋衛(wèi)星技術(shù)成就與展望［J］.航天器工程，2008，17（4）：17-23 Bai Zhaoguang，Li Yifan，Yang Wentao.Achievements and prospect of China ocean satellite Technology［J］.Spacecraft Engineering，2008，17（4）：17-23 （in Chinese）

［10］楊軍.我國“風(fēng)云”氣象衛(wèi)星及其應(yīng)用的回顧與展望［J］.航天器工程，2008，17（3）：23-28 Yang Jun.Development and application of China’s Fengyun（FY）meteorological satellite［J］.Spacecraft Engineering，2008，17（3）：23-28（in Chinese）

［11］寧蔚，張潤寧，李芳，等.面向地震應(yīng)用的SAR 衛(wèi)星及星座總體研究［J］.航天器工程，2010，19（6）：26-32 Ning Wei，Zhang Running，Li Fang，et al.Study of SAR satellites and constellation on earthquake ［J］.Spacecraft Engineering，2010，19（6）：26-32（in Chinese）

［12］白照廣，陸春玲，李長俊，等.高分一號衛(wèi)星方案與技術(shù)特點［J］.航天器工程，2014，23（z1）：1-6 Bai Zhaoguang，Lu Chunling，Li Changjun，et al.GF-1 satellite design and technology characteristics［J］.Spacecraft Engineering，2014，23（z1）：1-6 （in Chinese）

［13］王勁強，王巧霞，汪巧萍，等.高分一號衛(wèi)星高分辨率全色多光譜相機設(shè)計與驗證［J］.航天器工程，2014，23（z1）：40-45 Wang Jingqiang，Wang Qiaoxia，Wang Qiaoping，et al.Design and verification of high resolution camera for GF-1satellite［J］.Spacecraft Engineering，2014，23（z1）：40-45（in Chinese）