日本即將發射先進陸地觀測衛星-2

戴舒穎（北京控制工程研究所）

2006年1月24日，日本發射了先進陸地觀測衛星-1（ALOS-1）。到2011年5月12日該衛星與地面失去聯系為止，衛星在軌運行5年3個月，取得了一系列成果，令設計隊伍、開發人員和用戶都比較滿意。然而，這依然無法滿足廣大用戶對高精度地球觀測衛星日益增長的需求，同時也使決策者、設計和開發人員清楚地認識到，日本在大型對地觀測衛星的總體設計水平上與美國、法國等尚存在一定差距，特別是在分辨率和廣域觀測等技術水平方面。為扭轉這一局面，使對地觀測衛星盡快進入市場，贏得更多用戶，經一系列研究和調整，日本最后決定研制并計劃于2014年和2015年初先后發射ALOS-2雷達衛星和ALOS-3光學衛星。

1 ALOS-1及其取得的主要成果

ALOS-1是日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）負責設計、日本電氣公司（NEC）為主承包商開發的先進的對地觀測衛星，取得了不少的研究、開發和應用成果，為設計和開發其后繼星和采用先進的航天觀測平臺—“具備新系統結構的先進觀測衛星”（ASNARO）的系列衛星及制定和完成海洋監視的衛星計劃等積累了經驗。

衛星概況

A LOS-1是一顆以執行地球資源勘測與環境觀測、全色立體測繪和地圖繪制、災情觀測（監視地震、洪水、火山活動狀況、海嘯和火災等），以及確認未來地球觀測所需的高精度定位、精確姿態確定技術等任務的衛星。

ALOS-1及其有效載荷配置圖

ALOS-1的主要性能、參數

運行成果

JAXA認為，ALOS-1在軌運行期間，充分地驗證了地球觀測所需的高精度定位、精確姿態確定等多項技術：衛星短期姿態穩定度±0.00002°/0.37m s，長期姿態穩定度±0.0002°/5s，姿態測量精度±0.00014°，指向測量精度±0.0002°，并確認注重高精度總體軌道控制系統可在ALOS-1的后繼星—ALOS-2、3等衛星上應用，同時也為ASNARO系列衛星和未來開發地球資源、海洋觀測監視、災害預報監測等衛星的設計提供了經驗。此外，ALOS-1還取得以下主要應用成果。

1）利用A LOS-1成功地進行了全球觀測，5年間共拍攝了650萬幅高清晰度的圖像[法國的“斯波特”（SPOT）系列的5顆衛星在長達25年間的運行過程中也僅拍攝了約1000萬幅這種高清晰度圖像]。

2）驗證并證明了地球觀測衛星在災害預報、防災、減災和災害對策等領域能夠發揮重要作用，這些應用手段不僅應該固定化，還必須設法確保常態化，以便進一步拓展地球觀測衛星的應用領域，發揮其應有的作用。

3）日本國土地理院利用ALOS-1配置的PRISM獲取的大量圖像信息，繪制了1∶25000的全色立體地圖，并及時更新，為亞洲、非洲以及各國繪制高分辨率的全色立體地圖提供了技術支持。

4）日本通過相關渠道向聯合國提供ALOS-1獲取的分布世界各地與違反國際公約的有關信息，如發生在巴西等國家和地區的亂砍濫伐森林等場景，以及監視氣候變化（與世界銀行等合作）等有關的信息，對其影響或危害進行分析，為確定處罰尺度和確定對策提供依據，為保護人類賴以生存的地球環境做出了貢獻。

2 ALOS-2和3的研制背景

2005年，JAXA在制定長期發展規劃（2006-2015年）時提出：要“實現安全、富裕社會”，“建立地球資源觀測/環境監測衛星系統”，“建立并完善災害和危機預測、預報和管理系統”，把開發領先于世界的高分辨率光學遙感器和合成孔徑雷達，并在ALOS-1的后繼星等衛星上應用作為首要目標。

相關省廳和機關針對計劃開發的ALOS-1后續星提出的具體要求

2008年，日本頒布新航天基本法，并依據這一法案于2009年和2013年兩度公布了航天基本計劃，在這兩個基本計劃中都把研制、發射和應用地球觀測衛星ALOS-1及其后繼星置于重要地位，認為無論是從國家經濟發展、勘察發現和保護資源、確保國家安全、監視/保護環境，還是滿足社會需求，確保航天產業沿著好、快、省地有序發展，且帶動相關產業發展，乃至整個國民經濟持續發展的角度考慮，都必須研制和發射ALOS-1的后繼星。

而內閣中的一些省廳，如內閣府、文部科學省、經濟產業省、農林水產省、運輸省、國土地理院，以及防衛省、警視廳等，也都向內閣總理大臣或航天開發戰略本部提出“進一步完善地球資源/觀測/環境監測衛星系統”的要求，他們認為：ALOS-1無論對國民經濟發展，發現、保護和開發國家急需資源，以及國家安全等都有著且發揮了極其重要的不可替代的作用；從保障公共安全考慮，必須實時監視、預測、預報并掌握地殼變動和災害信息；“站在國土安全管理高度，急需積累國土資源等信息”；“從確保糧食生產和順利地執行進出口計劃，以及確保魚類繁衍、養殖、計劃捕撈和供應的角度考慮，迫切需要地球觀測衛星提供相關的信息”；“從確保及時尋找資源、填補能源奇缺，確保及時發現、合理安排開采/制定進口陸地和海底石油以及其他礦產資源等需求，離不開地球觀測衛星”；“從危機管理和確保國家安全等考慮，必須及時、準確地獲取相關領域信息”。此外，許多省廳和機關還就計劃開發的ALOS-1后續衛星在技術指標等方面提出了各自的要求或建議。

3 ALOS-2衛星

概況

ALOS-2采用了經ALOS-1在軌飛行驗證的以姿態控制為主，集姿態控制、遙測指令等數據處理和衛星綜合管理等多種功能于一體、以星載計算機為核心部件的高精度姿態軌道確定系統，其關鍵部件是64bit星載計算機，星載計算機最先是在A LOS-1上應用，后經多顆衛星飛行驗證，證明其性能強、可靠性高、抗輻射能力強。A LOS-2上采用以這種星載計算機為核心的姿態軌道控制系統，不僅可確保高精度的地球指向控制，實現整個衛星可在±30°范圍內進行側擺，對軌道兩側成像，達到高精度的地球觀測，提高分辨率，強化其重訪功能，還可以確保及時、準確地提供對地震、海嘯、臺風、大暴雨等災害監視所需的各種信息，以及持續提供地球資源勘測和環境監測等所需的數據。采用這種集多種功能于一體的高精度姿態軌道確定方式（僅采用1臺星載計算機），還可以大幅度地減輕衛星公用艙的質量，降低開發成本，提高有效載荷比和系統的可靠性。

ALOS-2雷達成像模式

ALOS-2的主要性能、參數

PALSAR-2與PALSAR的性能比較

根據A LOS-1在軌工作情況，對A LOS-1上所用的PA LSAR進行了一系列改進，A LOS-2上所搭載的PA LSAR-2的中心頻率達1257.5MH z，入射角提高到8°～70°，增加了聚束模式，使分辨率可達1m×3m，幅寬達25km。

與PALSAR相比，ALOS-2上的PALSAR-2無論是在數據傳輸速率、觀測頻率，還是在觀測范圍和分辨率等方面都有顯著提高。

ALOS-2搭載的PALSAR-2成像性能

（1）數據傳輸速率明顯加快

ALOS-1從衛星直接向地面傳輸（X頻段）的速率為138Mbit/s（QPSK）；ALOS-2的為800Mbit/s（16QAM）/400M b it/s（QPSK）/200M b it/s（QPSK），并且可根據地球站的規格任意切換使用。

ALOS-1系列衛星的一個顯著特點是從衛星上向地面傳輸的高精度圖像量非常大，如此大容量的數據傳輸就必須經由數據中繼技術衛星。ALOS-2和ALOS-1一樣，從衛星向地面傳輸（Ka頻段）的大量數據也要經由數據中繼技術衛星，不過其速率與ALOS-1一樣為278Mbit/s（QPSK）。

ALOS-2雷達成像衛星外觀圖

PALSAR與PALSAR-2分辨率對比

（2）觀測頻率（緊急觀測時）明顯加快

ALOS-1是每5天才能觀測1次，而ALOS-2則是每1～2天就能夠觀測1次。

（3）可觀測范圍明顯變大

A LOS-1的可觀測服務范圍僅為870km，且只能夠從右側進行觀測，A LOS-2的可觀測范圍可達2320km，而且不僅可從右側，還能從左側進行觀測。

（4）分辨率大幅度提高

ALOS-1的分辨率只有10m×10m（高分辨率模式），而ALOS-2備有3種觀測模式，即高分辨率、廣域觀測和聚束模式。其中，高分辨率模式的分辨率為3m×3m，觀測幅寬為50～70km，可實現50m in連續攝影；廣域觀測模式的分辨率為100m，觀測幅寬達350km；而新增加的采用新標準開發的局部聚束模式的分辨率可達1m×3m，觀測幅寬為25km。

用PALSAR-2進行觀測的制約條件

用ALOS-2上的PALSAR-2進行觀測有3個制約條件：

1）按照觀測原理，合成孔徑雷達（SAR）的星下點附近是無法觀測的，而ALOS-2所搭載的SAR的不可觀測范圍僅為星下點之左向和右向約80km的范圍；

2）無論是從左側切換到右側，還是從右側切換到左側進行觀測，所需的時間均非常短，僅需3m in（換算成地表面距離約為1200km）；

3）無論是從右側還是從左側變更觀測范圍，都可在數秒時間內完成。

4 ALOS-3衛星

ALOS-3的主要性能、參數

概況

JAXA計劃2015年初發射ALOS-3，它與ALOS-2采用相同的公用平臺，配備2種有效載荷—在ALOS-1搭載的PR ISM基礎上進行改進的PR ISM；以開發先進的可見光和近紅外輻射計取得的經驗為基礎開發的多光譜和超光譜遙感器。衛星入軌后與2014年5月發射的ALOS-2配合應用，完成災情監視與預報、地圖繪制、區域性地球觀測，以及資源調查等飛行任務。

ALOS-3采用ALOS-2所采用的三軸控制公用平臺，其姿態和軌道控制精度等也與ALOS-2基本相同，發射質量控制在2000kg以內，設計壽命5年，衛星的運行軌道比ALOS-2低10km，即在618km的太陽同步圓軌道上運行，整星可以側擺±60°成像。這樣設計的主要目的是大幅度地縮短重訪時間，提高運行效率。

ALOS-3光學成像衛星外觀圖

ALOS-1（左）和ALOS-3（右）搭載的光學遙感器的分辨率能力對比

ALOS-3與ALOS-1搭載的光學遙感器的性能比較

ALOS-3上搭載了PR ISM以及多光譜和超光譜（含可見光與近紅外和短波紅外）遙感器，分別由JAXA和經濟產業省研制。

與ALOS-1相比，ALOS-3上搭載的有效載荷無論是在數據壓縮能力、傳輸能力，還是在可觀測范圍、分辨率和立體觀測水平上都有了大幅度的提高。

（1）增強了數據壓縮能力

ALOS-1數據壓縮是采用JPEG方式，而ALOS-3數據壓縮采用的是JPEG2000方式。與ALOS相比，ALOS-3甚至可以做到無間歇噪聲，而且增強了對數據的壓縮和判讀能力。

（2）加快、加大了數據傳輸能力

ALOS-3仍與ALOS-1、2一樣，采用2種傳輸方式，即衛星直接傳輸和經由數據中繼技術衛星向地球站傳輸。

1）衛星直接傳送到地球站（X頻段）：ALOS-1采用的是138M b it/s（QPSK）；而A LOS-3和A LOS-2一樣，采用的是800M b it/s（16QAM）/400Mbit/s（QPSK）/200Mbit/s（QPSK），具體采用哪種方式要根據地球站和實際需求確定后進行切換。

2）從衛星經由數據中繼技術衛星傳送（Ka頻段）：A LOS-1采用的是278M b it/s（QPSK）；而A LOS-3和A LOS-2一樣，采用的是278M b it/s（QPSK）；不過ALOS-3還在研究并很可能實現寬帶化。

（3）增大了可觀測范圍

ALOS-1的可觀測范圍約為1420km，不僅可以從左側觀測，而且還可以從右側進行觀測；而ALOS-3的可觀測范圍幾乎翻倍，約為2600km，也采用同樣的觀測模式。

（4）提高了分辨率

A LOS-1上所配置的是PR ISM（其分辨率為2.5m）和AVN IR-2；而ALOS-3上配置的是改進型AVN IR-2，雖然也只有1個頻段，不過卻大幅度地提高了其分辨率，可達0.8m。另外，ALOS-3上還配備了多光譜和超光譜頻段。多光譜頻段為4通道，其分辨率為5m，幅寬為90km；超光譜頻段為包括57通道可見光與近紅外頻段和128通道的短波紅外頻段，其中，可見光與近紅外頻段（硅CCD）的分辨率均為30m，幅寬均為30km，短波紅外頻段（碲鎘汞）的分辨率為30m，幅寬為30km。

ALOS-2搭載的PALSAR-2成像性能

（5）提高了立體觀測水平

ALOS-1采用的是三方向觀測，而ALOS-3實現了雙向觀測。

5 由搭載多遙感器的ALOS變為由2顆衛星分別搭載成像雷達和光學遙感器方式好處多多

由多遙感器的ALOS-1變為在每顆星上只搭載一種（類）遙感器：ALOS-2僅搭載了PALSAR-2；ALOS-3搭載了高分辨率的光學遙感器（PR ISM和改進型AVNIR-2），不僅大幅度地降低了系統風險，有效地解耦兩類有效載荷間的條件約束，提高了系統的可靠性，降低了開發成本和衛星的運行效率（觀測時段翻番），同時也是日本注重投入產出比，開始研制低成本、執行單一飛行任務的中型遙感衛星，推進航天開發沿著“好、快、省”路線發展的又一次嘗試。

ALOS-1采用1顆星上配置2種遙感器，其觀測時段只有上午6：00，而將L頻段相控陣雷達和高分辨率的光學遙感器分別配置在ALOS-2、3上，通過2顆衛星配合應用，則可使其觀測時段增加1倍，即中午12：00和下午1：30，使獲取信息量成倍增加；這樣也就可以使“一定要在距災害等重大事件發生的最短時間內迅速地執行觀測和監視任務，并獲取盡量多的災情等信息”的愿望由夢想變成了現實，從而可確保相關省廳及其下屬職能部門能夠在盡量短的時間內不僅能夠獲取信息，而且能夠采取積極、有效對策，將災害所造成的損失降至最低。

此外，JAXA還根據航天開發戰略室的決定：在構建起的“內閣統一領導、指揮，合理、有效地共用ALOS-2、3的綜合管控系統”，利用同一套地面系統，對在軌運行的2顆衛星進行一體化控制、操作，這樣不僅可以大幅度地減少管控設備的采購，還可以有效地減少管控人員，并減少或杜絕人為差錯，提高可靠性，降低開發成本。