美國“陸地衛星數據連續性任務”衛星擬于今年發射

1 背景介紹

“陸地衛星”系列衛星是美國從1972年開始研制和發射的地球觀測衛星，由美國航空航天局（NASA）和美國地質調查局（USGS）聯合研制，其數據可用于農業、水文管理、災害響應、科學研究和國家安全等各領域。目前共有2顆“陸地衛星”在軌運行，分別是1984年發射的陸地衛星－5和1999年發射的陸地衛星－7，其中陸地衛星－7是唯一的業務運行衛星，但已處于超期服役狀態，而且星載遙感器已經出現問題，導致數據采集質量有所下降；而陸地衛星－5僅能通過多光譜掃描儀采集到有限的數據。因而研制和發射下一代“陸地衛星”的任務就非常緊急。

美國政府曾探討了多種替代方案，結果導致“陸地衛星數據連續性任務”的研制被迫推遲。目前的方案是研制和發射一顆專用“陸地衛星數據連續性任務”，它稱為“自由飛行器”。2005年末，總統行政部門宣布由美國航空航天局和美國地質調查局通過合作的形式共同執行該方案。隨后，這兩家機構參照陸地衛星－7的研制和運行經驗，就合作達成了一致意見。美國航空航天局負責“陸地衛星數據連續性任務”系統空間段的研制、發射和初始檢查，以及整個任務集成的監督；美國地質調查局負責地面段的研制，并將在檢驗階段后，負責衛星和地面系統的運行。盡管在近期的一系列測試中，衛星平臺和有效載荷均出現了不同程度的技術問題，但這兩家機構表示爭取在2012年12月發射“陸地衛星數據連續性任務”，并在2013年早期，北半球生長季之前，進入衛星業務化運行。

與美國法律和政府政策一致，“陸地衛星數據連續性任務”的目標是連續收集、存檔和分發多光譜圖像，為地球陸地表面提供全球、重復性覆蓋，以監測、區分、描繪和監測自然與人類引起的變化。作為“陸地衛星”系列的后續任務，“陸地衛星數據連續性任務”的主要任務是保持“陸地衛星”數據的連續性，主要包括：①中分辨率多光譜數據（地面分辨率約30m）的采集與存檔，連續提供全球大陸季節性覆蓋5年以上；②確保“陸地衛星數據連續性任務”的數據與之前“陸地衛星”任務內在的一致性，根據采集方式、校準、覆蓋特征、光譜特征、輸出產品質量以及數據可用性，在未來進行陸地覆蓋和陸地使用變化情況的研究；③基于無歧視和免費原則向公眾發布“陸地衛星數據連續性任務”數據產品。該任務將通過美國地質調查局地球資源觀測與科學中心（EROS）向美國地質調查局國家衛星陸地遙感數據檔案中心（NSLRSDA）提供“陸地衛星數據連續性任務”數據產品至少5年。該檔案中心擁有世界最大的對地觀測數據記錄，是一個了解地球表面變化、氣候變化、經濟、社會和國家安全影響的重要資源。

2 衛星系統概況

“陸地衛星數據連續性任務”由衛星平臺和有效載荷組成。該衛星將運行在高約705km的太陽同步近圓軌道，降交點地方時為10：00至10：15，與第三代“陸地衛星”軌道相同。衛星采用SA－200HP平臺，發射質量2623kg，干質量1512kg，設計壽命5年，帶有386kg肼燃料，可滿足衛星10年的運行需求。衛星帶有單邊太陽電池翼，對太陽單軸定向，采用三結砷化鎵太陽電池，帶有125Ah的氫鎳電池，電源系統壽命末期提供功率4500W。

“陸地衛星數據連續性任務”采用三軸穩定控制方式，姿態敏感設備為3臺星跟蹤器、1臺比例慣性參考單元（SIRU）、12臺粗太陽敏感器和2個三軸磁強計組件；姿態控制設備為6臺反作用飛輪和3個磁力矩棒。姿態敏感精度46μrad（3σ），姿態敏感穩定度0.12μrad/2.5s，控制精度30μrad（3σ），姿態控制穩定度0.21μrad/0.5s。衛星俯仰向側擺180°并且穩定的時間小于14min，滾動向側擺15°并且穩定的時間小于4.5min。衛星帶有8臺22N推力器，可提供的總速度變化△V為334m/s。星上存儲容量4Tbit，壽命末期為3.1Tbit。

2008年4月，美國通用動力先進信息系統公司（GDAIS）獲得了“陸地衛星數據連續性任務”合同。該合同包括衛星的組裝和測試，產生接口控制文件、有效載荷和整個衛星集成；測試、運載至發射場、運載火箭集成支持與在軌測試。

“陸地衛星”發展歷史

“陸地衛星數據連續性任務”的性能參數

2010年4月，軌道科學公司（OSC）收購了通用動力先進信息系統公司旗下的衛星信息系統部。隨后，由軌道科學公司負責“陸地衛星數據連續性任務”平臺設計與組裝，以及有效載荷集成、衛星級測試、衛星在軌檢查和在軌技術支持，此外他們還將提供一個衛星模擬器。2009年10月，衛星順利通過關鍵設計評審。衛星裝有一個3.14Tbit的固態數據存儲器和X頻段天線。X頻段天線將實時傳輸業務陸地成像儀（OLI）和熱紅外探測器（TIRS）數據或回傳存儲器數據。衛星平臺的組裝在設計評審后啟動。

3 有效載荷

“陸地衛星數據連續性任務”的2個主要有效載荷為實時傳輸業務陸地成像儀和熱紅外探測器。衛星平臺和實時傳輸業務陸地成像儀通過私人供應商采購，美國航空航天局負責研制熱紅外探測器。2個有效載荷將同時收集全球陸地表面多光譜圖像，包括沿海區域、極地冰、群島和大陸地區，然后將其存儲至星載存儲器上，并將數據傳輸至地面接收站。

實時傳輸業務陸地成像儀

2007年7月，美國航空航天局授予鮑爾宇航與技術公司實時傳輸業務陸地成像儀的研制合同。實時傳輸業務陸地成像儀包括9個短波譜段，幅寬185km，全色分辨率15m，其他譜段30m。實時傳輸業務陸地成像儀是1臺推掃式相機，成像譜段與陸地衛星－7上的增強改進型專題制圖儀（ETM+）相似，但增加了1個海岸氣溶膠譜段（1號譜段）和1個卷云探測譜段（9號譜段），用于探測卷云圖像，因成本原因取消了熱紅外譜段。實時傳輸業務陸地成像儀量化值為12bit，數據信噪比較高。

實時傳輸業務陸地成像儀為多光譜成像儀，它沿用了地球觀測（EO－1）衛星（美國航空航天局于2000年11月21日發射）上搭載的先進陸地成像儀（ALI），采用推掃式結構設計，包含一個由長陣列光敏探測器組成的焦平面組件（FPA）。焦平面組件由14個焦平面模塊（FPM）組成。不同于小型焦平面和掃描鏡，14個焦平面模塊能覆蓋整個“陸地衛星數據連續性任務”衛星穿軌視場。每個焦平面模塊在沿軌方向含9個譜段。沿軌方向的譜段分離能在前后譜段之間產生約0.96s的時間延遲。雖然這個時間延遲不長，但能在譜段之間產生顯著的地形視差效應，這對多光譜圖像譜段配準將是一個很大的挑戰。

實時傳輸業務陸地成像儀性能參數

陸地衛星－7的增強改進型專題制圖儀成像性能參數

實時傳輸業務陸地成像儀飽和輻射亮度和信噪比參數

熱紅外探測器

2009年12月，美國航空航天局在取消了實時傳輸業務陸地成像儀上的熱紅外譜段后，又安排了戈達德航天飛行中心（GSFC）研制專用于熱紅外譜段成像的熱紅外探測器。熱紅外探測器是一臺推掃式遙感器，由長陣列光敏感探測器焦平面組成。它也是一臺基于量子阱紅外探測器（QWIP）的遙感器，分為3個640×512的面陣沿焦平面中心線交替排列，工作溫度為43K。熱紅外探測器上的2個紅外通道的中心波長為10800nm和12000nm，這2個譜段通過覆蓋焦平面組件的干涉濾波器來實現。

實時傳輸業務陸地成像儀結構圖

實時傳輸業務陸地成像儀主要參數

熱紅外探測器載荷性能指標

熱紅外探測器飽和度輻射亮度和等效噪聲溫差參數

熱紅外探測器結構圖

4 地面系統

“陸地衛星數據連續性任務”衛星地面系統主要由以下部分組成：

· 任務運行單元（MOE），由鐵錘（Hammer）公司研制，負責指令與控制、任務計劃與進度安排、長期趨勢分析以及飛行動力分析。

· 采集活動計劃單元（CAPE），負責開發一組圖像采集與成像儀的定標活動。

· 地面網單元（GNE），由2個節點組成，分別位于阿拉斯加州礦業中心和南達科他州蘇福爾斯市。每個節點包含一個地面站，負責接收“陸地衛星數據連續性任務”衛星的X頻段數據。此外，每個地面站提供S頻段上行和下行數據傳輸。地面網單位負責將數據發送至數據處理和存檔系統（DPAS）。

“陸地衛星數據連續性任務”衛星地面系統結構圖

· 數據處理和存檔系統，包括獲取、存檔、校準和分發“陸地衛星數據連續性任務”數據與產品。另外數據處理和存檔系統還將數據傳送給用戶。數據處理和存檔系統將位于美國地質堪調局的地球資源觀測與科學中心。

除任務運行單元外，其他單元均由美國地質調查局依據其支持服務合同研制。

美國地質調查局及其相關的支持與研發機構將負責：

· 研制地面系統（由飛行運行和數據處理與存檔段組成），不包括任務運行單元的采購。

· 提供所有任務段的地面系統功能區域專業技術。

· 領導、投資和管理陸地衛星科學小組。

· 獲取飛行運行小組（FOT）并生產飛行運行小組產品。

· 在完成在軌檢查后，管理和運行“陸地衛星數據連續性任務”衛星。

· 根據美國航空航天局授予的“陸地衛星數據連續性任務”系統在軌接收和管理合同，接收并執行所有與實時傳輸業務陸地成像儀有效載荷、熱紅外探測器有效載荷、衛星平臺以及任務運行單元相關的轉移行為。

· 提供美國地質調查局管理部分的系統工程。