一種觀測(cè)我國(guó)海岸線和近海的小衛(wèi)星編隊(duì)飛行方案

林來(lái)興

（北京控制工程研究所，北京 100190）

1 引言

我國(guó)已成功發(fā)射了3顆海洋衛(wèi)星，今后8年還計(jì)劃發(fā)射8顆海洋衛(wèi)星。無(wú)論是陸地衛(wèi)星，還是海洋衛(wèi)星，其重訪時(shí)間（對(duì)同一地點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)的時(shí)間間隔）都是幾天，最短也只有一天［1］。這僅能應(yīng)對(duì)一般正常情況，但是對(duì)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(guó)海域和某些島嶼主權(quán)受到侵犯時(shí)，則需要重訪時(shí)間為幾小時(shí)的空間遙感衛(wèi)星。

本文計(jì)劃釆用小衛(wèi)星（4～6顆），沿航向編隊(duì)飛行組成一個(gè)條帶，對(duì)我國(guó)海岸線和近海（渤海、黃海、東海、南海）進(jìn)行觀測(cè)，其重訪時(shí)間為4～6小時(shí)，重訪時(shí)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(shí)間縮短。

除此以外，本文還討論了對(duì)海岸線、海域和陸地（近海島嶼）的各種觀測(cè)的時(shí)間、空間和光譜的分辨率要求，這對(duì)海洋衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)與遙感器選取都是重要的設(shè)計(jì)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(mǎn)足要求［2］。采用此小衛(wèi)星編隊(duì)飛行方案，對(duì)我國(guó)近海和海岸線500多萬(wàn)平方千米面積的區(qū)域，每相隔幾小時(shí)就能觀測(cè)一次。若有需要，對(duì)關(guān)鍵地區(qū)可采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行更詳細(xì)、更精確的觀測(cè)。目前無(wú)人機(jī)先進(jìn)遙感器成像分辨率為幾厘米，續(xù)航時(shí)間幾十小時(shí)［3］。衛(wèi)星和無(wú)人機(jī)結(jié)合起來(lái)完全能滿(mǎn)足所有突發(fā)事件的觀測(cè)需求。

本文提供的是一個(gè)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(duì)飛行的方法，則對(duì)其他地區(qū)同樣可以提高觀測(cè)時(shí)間分辨率（縮短重訪時(shí)間），具有普遍的應(yīng)用意義。

2 對(duì)陸地與海洋觀測(cè)的時(shí)間和空間分辨率要求

對(duì)空間遙感要求有4個(gè)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(shí)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(shí)視場(chǎng)，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(shí)能分辨的最小波長(zhǎng)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(hào)時(shí)，能分辨的最小輻射度差。時(shí)間分辨率指對(duì)同一地點(diǎn)進(jìn)行遙感采樣的時(shí)間間隔，即采樣的時(shí)間頻率，也稱(chēng)重訪時(shí)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(shí)間分辨率的要求［5］。空間分辨率要求從千米到幾厘米不等，這是一個(gè)相當(dāng)巨大的差異。時(shí)間分辨率（重訪時(shí)間）從不到1小時(shí)到10年不等。

圖1 對(duì)地觀測(cè)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(duì)陸地與海洋觀測(cè)空間分辨率和時(shí)間分辨率的要求Fig．2 Earth observation requirements：spatial resolution and revisit time

通過(guò)對(duì)圖1分析得知：多光譜的空間分辨率要求達(dá)到優(yōu)于10cm，例如對(duì)城市開(kāi)發(fā)需求，目前空間遙感器還存在一定困難。用于情報(bào)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(mǎn)足。除此以外，目前全世界絕大部分空間遙感器都可以滿(mǎn)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(cè)繪和地形觀測(cè)，但是時(shí)間分辨率很低。這可以通過(guò)多次觀測(cè)，不斷提升時(shí)間分辨率，以滿(mǎn)足任務(wù)要求。關(guān)于時(shí)間分辨率要求半小時(shí)或幾小時(shí)，可通過(guò)星座或編隊(duì)飛行來(lái)解決。

關(guān)于空間分辨率要求幾厘米的觀測(cè)，一方面可通過(guò)開(kāi)發(fā)高分辨率遙感器，另一方面可通過(guò)降低衛(wèi)星軌道高度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 對(duì)海岸線和近海觀測(cè)的時(shí)間與空間分辨率要求

陸地與海洋交接線，稱(chēng)為海岸線，由彼此相互強(qiáng)烈影響的近岸海域和濱海陸地組成，實(shí)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(zhǎng)約44萬(wàn)千米，我國(guó)海岸線長(zhǎng)達(dá)1．8萬(wàn)千米，加上島嶼海岸線為1．4 萬(wàn)千米，共約3．2萬(wàn)千米；在漫長(zhǎng)的海岸帶蘊(yùn)藏豐富的礦產(chǎn)、生物、能源、土地等自然資源。它不僅是國(guó)防前哨，而且是海陸交通的樞紐和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基地，為此對(duì)海岸線觀測(cè)十分重要。

我國(guó)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(wàn)平方千米。

不同觀測(cè)任務(wù)對(duì)海岸線空間遙感的空間和時(shí)間分辨率要求如圖3所示［7］。圖3中包括人們對(duì)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(mǎn)足［6］。但是時(shí)間分辨率從半小時(shí)到幾年，此跨度很大，關(guān)鍵是半小時(shí)到十幾小時(shí)的時(shí)間分辨率，特別是某些需要長(zhǎng)期觀測(cè)的任務(wù)，需要專(zhuān)門(mén)研究，提出具體的實(shí)施方案。

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

對(duì)近海空間遙感的空間分辨率和時(shí)間分辨率要求比較復(fù)雜，因?yàn)榻３撕Ｓ蛞酝猓€有大量島嶼，我國(guó)大小島嶼共有5500 多個(gè)，最大臺(tái)灣島約3．6萬(wàn)平方千米 其次海南島約3．2萬(wàn)平方千米 就是我們關(guān)注的釣魚(yú)島陸地面積也有6．3平方千米。為此，對(duì)它們空間遙感的空間分辨率和時(shí)間分辨率需要有一個(gè)系統(tǒng)和全面的要求。

4 編隊(duì)飛行的軌道設(shè)計(jì)要求

海洋觀測(cè)的軌道設(shè)計(jì)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(shí)間對(duì)同一區(qū)域觀測(cè)；多顆衛(wèi)星輪流對(duì)指定的同一地區(qū)實(shí)施連續(xù)觀測(cè)，如每天觀測(cè)1次、2次……；從目標(biāo)分辨率和視場(chǎng)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(duì)不同任務(wù)設(shè)計(jì)不同軌道：?jiǎn)涡擒壍溃嘈墙M網(wǎng)，衛(wèi)星編隊(duì)。其中編隊(duì)還有多種方式。比較常用的有：串聯(lián)編隊(duì)飛行（兩星前后同一個(gè)軌道飛行）、沿航向編隊(duì)飛行（不同時(shí)間覆蓋同一個(gè)地區(qū)）、繞飛編隊(duì)飛行（在同一個(gè)軌道平面飛行，隊(duì)形為橢圓形）、空間圓形編隊(duì)飛行、星下點(diǎn)圓形編隊(duì)飛行等［8-9］。

軌道設(shè)計(jì)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(jìn)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(guó)東海、南海實(shí)施多顆衛(wèi)星1天內(nèi)輪番觀測(cè)為例，說(shuō)明軌道參數(shù)選擇方法。不失為一般性假設(shè)，被觀測(cè)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(diǎn)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(diǎn)能夠達(dá)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(diǎn)軌跡由紅線表示，觀測(cè)圖升交點(diǎn)為東經(jīng)115°（可以推導(dǎo)出相應(yīng)升交點(diǎn)赤經(jīng)）。

圖5 方案A 星下點(diǎn)軌跡Fig．5 Satellite ground track of scheme A

此方案特點(diǎn)：覆蓋我國(guó)大部分海岸線和近海海域，且對(duì)全球南北兩極可一天多次觀測(cè)。這對(duì)了解南北兩極動(dòng)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(chǎng)，覆蓋寬度為1500多千米，一般寬視場(chǎng)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(guò)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(yáng)同步軌道。

方案B：傾角選為55°～60°，觀測(cè)圖升交點(diǎn)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(diǎn)為東經(jīng)110°的星下點(diǎn)軌跡。此方案特點(diǎn)：可通過(guò)調(diào)整升交點(diǎn)赤經(jīng)、選擇軌道傾角，達(dá)到需要覆蓋的面積最大。

圖6 由6顆小衛(wèi)星組成星下點(diǎn)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(chǎng)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(chǎng)用普通海洋衛(wèi)星遙感器都能滿(mǎn)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(mǎn)足每天都要經(jīng)過(guò)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(duì)于近圓形軌道，回歸軌道的半長(zhǎng)軸和高度如表1所示。

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

回歸軌道的特點(diǎn)是1天以后星下點(diǎn)軌跡重復(fù)。為了有一圈經(jīng)過(guò)預(yù)定區(qū)域，需要進(jìn)行工作軌道捕獲控制，即調(diào)整軌道周期，到達(dá)一定的升交點(diǎn)地理經(jīng)度時(shí)進(jìn)入表中規(guī)定的半長(zhǎng)軸。

4．3 衛(wèi)星組網(wǎng)

當(dāng)一天一次經(jīng)過(guò)指定海域不能滿(mǎn)足任務(wù)需要時(shí)，可以通過(guò)多顆衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。多顆衛(wèi)星有相同的星下點(diǎn)軌跡，以不同時(shí)間（相隔時(shí)間為重訪時(shí)間）覆蓋同一個(gè)地區(qū)。也就是說(shuō)，它們升交點(diǎn)赤經(jīng)不相同，升交點(diǎn)赤經(jīng)之差（ΔΩ）是用來(lái)補(bǔ)償?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)引起星下點(diǎn)軌跡的變化；ΔΩ＝tω，其中t為通過(guò)升交點(diǎn)的時(shí)間差（也稱(chēng)重訪時(shí)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(diǎn)赤經(jīng)，每顆衛(wèi)星可以以相同的重訪時(shí)間，相繼觀測(cè)指定區(qū)域［10］。例如2 顆衛(wèi)星組網(wǎng)，每天2 次經(jīng)過(guò)指定區(qū)域，間隔約12h；3顆衛(wèi)星組網(wǎng)，每天3次經(jīng)過(guò)指定區(qū)域，間隔8h，……，它們的升交點(diǎn)赤經(jīng)差分別為180°，120°，……。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要提出了一個(gè)針對(duì)敏感區(qū)域或者關(guān)鍵地域的空間遙感設(shè)計(jì)方案，采用方法為小衛(wèi)星沿航向編隊(duì)飛行。相隔幾小時(shí)就可以對(duì)敏感區(qū)域或者關(guān)鍵地域普查一次；若發(fā)現(xiàn)疑點(diǎn)，則采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行詳查，兩者結(jié)合起來(lái)，完全能滿(mǎn)足所有突發(fā)事件觀測(cè)的要求。當(dāng)采用4顆小衛(wèi)星組網(wǎng)，則重訪時(shí)間為6h。

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