“高分五號”衛星概況及應用前景展望

孫允珠 蔣光偉 李云端 楊勇 代海山 何軍 葉擎昊 曹瓊 董長哲 趙少華 王維和

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“高分五號”衛星概況及應用前景展望

孫允珠1蔣光偉1李云端2楊勇2代海山2何軍2葉擎昊2曹瓊2董長哲2趙少華3王維和4

（1 上海航天技術研究院，上海 201109）（2 上海衛星工程研究所，上海 201109）（3 生態環境部衛星環境應用中心，北京 100094）（4 國家衛星氣象中心，北京 100081）

“高分五號”衛星是中國高分辨率對地觀測系統重大專項中實現高光譜分辨率觀測的衛星，運行于高度705km的太陽同步軌道，裝載可見短波紅外高光譜相機、全譜段光譜成像儀、大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀、大氣主要溫室氣體監測儀、大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、大氣氣溶膠多角度偏振探測儀等6臺有效載荷，具備高光譜與多光譜對地成像、大氣掩星與天底觀測、大氣多角度偏振探測、海洋耀斑觀測等多種觀測手段，獲取從紫外至長波紅外（0.24~13.3μm）高光譜分辨率遙感數據；載荷的光譜分辨率最高可達0.03cm–1，具備在軌定標功能，絕對輻射定標精度優于5%，光譜定標精度最高可達0.008cm–1。衛星將在環境綜合監測、國土資源調查和氣候變化研究等方面發揮重要作用。

大氣探測 對地成像 偏振探測 掩星觀測 高光譜應用 遙感“高分五號”衛星

0 引言

高光譜遙感融合了成像技術和光譜技術，可實現空間信息、光譜信息和輻射信息的綜合觀測，提升了遙感觀測的信息維度，極大地推動了遙感技術革命與發展，其應用領域目前已經涵蓋了地球科學的各個方面，成為地質制圖、植被調查、海洋遙感、農業遙感、大氣研究、環境監測等領域重要手段[1]。高光譜遙感可利用目標光譜特性的不同實現對目標的精確識別與定量反演，可彌補多光譜或全色成像遙感定量應用的局限和不足，成為各國競相發展的重要技術。美國于2000年7月發射了EO-1衛星，搭載了光柵分光式的Hyperion高光譜成像儀[2]，開創了星載高光譜對地成像技術在軌應用先河；針對大氣成分探測需求，美國已實現大氣探測高光譜儀器的業務化運行，如美國的Aura衛星的OMI和TES、AUQA衛星的AIRS等儀器[3-4]。此外，歐空局在2002年發射的ENVISAT衛星上也裝載了SCIAMACHY和MIPAS等高光譜遙感儀器[5]，并在軌運行約10年，實現了對陸地、大氣、海洋及冰蓋的連續業務監測。目前國內尚未實現對陸表環境的高光譜成像觀測，且對大氣痕量氣體、溫室氣體等大氣成分的總量及其空間分布缺乏綜合探測能力，亟需發展具備高光譜對地成像及大氣探測能力的衛星。

圖1 GF-5衛星在軌飛行示意

“高分五號”衛星（以下稱GF-5衛星）是中國第一顆高光譜綜合觀測衛星，如圖1所示。該衛星運行于太陽同步軌道，軌道高度705km，主要用于獲取從紫外到長波紅外譜段的高光譜分辨率遙感數據產品，是實現高分專項“形成高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率和高精度觀測的時空協調、全天候、全天時的對地觀測系統”目標的重要組成部分，是實現國家高分辨率對地觀測能力的重要標志之一。發展GF-5衛星，掌握高光譜遙感信息資源的自主權，擺脫對國外高光譜遙感數據的依賴，是國家的緊迫需求，具有重大戰略意義。

GF-5衛星研制的主要目標是提升中國星載高光譜對地遙感能力，實現對大氣環境、水環境和生態環境的綜合監測，衛星主要任務為：

1）對內陸水體和生態環境進行綜合監測，以滿足環境保護、監測、監管、應急、評價、規劃等方面的需求；

2）對地質找礦典型蝕變礦物以及主要巖石類型等進行勘測，以滿足資源調查和地質填圖等需求；

3）對CO2、CH4、O3、NO2、SO2等大氣成分和氣溶膠進行監測，以滿足大氣環境監測和氣候變化研究的需求；

4）為農業、減災、國安、公安、城市建設、交通、林業、地震、海洋、測繪、統計等部門提供監測服務，提高行業應用的能力。

1 衛星技術特點

GF-5衛星多項技術填補了國內空白，技術指標國際先進：

1）光譜分辨率高且譜段全

國際上首次具備紫外―可見―紅外（短波、中波、長波）全譜段的高光譜觀測能力，最高觀測光譜分辨率可達0.03cm–1，光譜定標精度最高可達0.008cm–1。配置的對地成像載荷可獲取地表目標的可見―短波紅外譜段高光譜和多光譜圖像，填補國內地表高光譜―多光譜綜合觀測空白；配置大氣探測載荷可獲取紫外―可見―紅外譜段大氣成分吸收譜線數據，結合地表高光譜成像數據產品，可實現大氣環境、水環境和生態環境綜合觀測，為用戶提供全譜段、高精度的高光譜觀測產品。

2）衛星遙感數據輻射分辨率高

對地觀測可見近紅外通道的信噪比大于200，短波紅外通道的信噪比大于100，中長波紅外譜段噪聲等效溫差小于0.2K。可見短波通道絕對輻射定標精度優于5%，相對輻射定標精度優于3%，中、長波紅外通道定標精度優于1K（300K時）。

大氣成分探測紫外譜段信噪比大于200，可見譜段信噪比大于1300，二氧化碳、甲烷通道信噪比大于250。絕對輻射定標精度優于5%，相對輻射定標精度優于3%。

大氣氣溶膠探測信噪比大于500，輻射定標精度優于5%，偏振探測精度優于2%。

3）長波紅外空間分辨率高

全譜段光譜成像儀配置了長波紅外分裂窗通道（10.3~11.3μm、11.4~12.5μm），保證分裂窗通道噪聲等效溫差小于0.2K，且空間分辨率可達40m，幅寬可達60km，可實現溫排水監測、旱情/洪澇監測、地表能量平衡評估等紅外遙感定量應用。

4）衛星觀測和定標模式多

國內首次運用高光譜―多光譜對地成像觀測模式，以及天底觀測、掩星觀測、海洋耀斑觀測等多種大氣探測模式，共計26種之多，幾乎涵蓋了目前光學遙感衛星所有的工作模式；采用大幅寬高光譜成像、高分辨率長波紅外分裂窗觀測、多角度偏振探測，實現對大氣及地表目標的高光譜綜合觀測。

5）數傳碼速率高

衛星裝載了多臺高光譜分辨率有效載荷，輸出碼速率高達2.27Gbit/s，對數傳碼速率及可靠性提出了極高要求。為此，數傳綜合處理器采用新型的FLASH存儲技術，可實現內部讀寫處理速率5.12Gbit/s；采用了高速串行傳輸技術（TLK2711），數據傳輸速率可達2.0Gbit/s。采取了“雙通道混合傳輸模式”，提高了星地數據傳輸利用率，最大化利用星地傳輸信道；采用極化復用兩維驅動點波束天線，可對地實現450Mbit/s×2的數據傳輸能力。

6）結構布局復雜

GF-5衛星裝載6臺有效載荷，具有質量大、尺寸大、視場復雜、安裝精度要求高等特點。其中兩臺質量最大、尺寸最大的載荷，質量均達到約300kg，最大尺寸約為1.7m，相當于兩顆輕型小衛星的當量；6臺有效載荷包含對地觀測視場、掩星觀測視場、太陽定標視場、比輻射計視場等指向地球、太陽及內部定標燈各類指向視場共計12個，視場最大達到114°。根據上述復雜特點，創新性提出了星體兩階梯構型，解決了6臺有效載荷的布局難點。

7）高可靠姿軌控保證

為實現高可靠的姿態控制，GF-5衛星共設計了15種姿態控制模式，包括10種正常模式，1種降級模式和4種故障安全模式；可自主診斷星敏感器、陀螺、飛輪等重要組部件的健康狀態，發現問題后及時切換至備份組件。為滿足有效載荷的高分辨率成像要求，衛星可以實現偏航導引功能。為滿足應急高時效觀測需求，衛星可實現整星±25°姿態機動。

8）高可靠長壽命設計

衛星設計壽命長達8年，是目前國內設計壽命最長的光學遙感衛星。長壽命要求衛星在空間環境效應、活動部件的轉動圈數、消耗性原料等方面進行高可靠設計。在繼承現有成熟方案基礎上，GF-5衛星針對各壽命薄弱環節開展了方案優化設計，采取改進措施，并開展長壽命專項試驗驗證工作，加嚴產品過程測試和控制，確保衛星達到8年設計壽命要求。

2 衛星方案概述

GF-5衛星發射總質量≤2850kg，采用標稱高度為705km，升交點地方時為13:30的太陽同步軌道。根據用戶需求及目標任務，GF-5衛星共裝載6臺有效載荷，如圖2所示。其中對地成像載荷2臺，分別為可見短波紅外高光譜相機（Advanced Hyper-Spectral Imager，AHSI）和全譜段光譜成像儀（Visual and Infrared Multispectral Imager，VIMI），光譜通道及空間分辨率特性如圖3所示，其對地成像譜段覆蓋可見、短波、中波以及長波紅外，空間分辨率20~40m，可滿足中國在環境綜合監測和國土資源勘查等方面的應用需求；大氣探測載荷4臺，分別為大氣主要溫室氣體監測儀（Greenhouse Gases Monitoring Instrument，GMI）、大氣痕量氣體差分吸收光譜儀（Environmental Trace Gases Monitoring Instrument，EMI）、大氣氣溶膠多角度偏振探測儀（Directional Polarization Camera，DPC）和大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀（Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder，AIUS），光譜通道及空間分辨率特性如圖4所示，依據大氣成分的吸收譜線特征、云及氣溶膠的吸收散射特性，大氣探測載荷譜段覆蓋紫外、可見、短波至長波紅外，可滿足中國對大氣環境監測、氣候變化研究等方面的應用需求。

圖2 GF-5衛星載荷配置

圖3 GF-5衛星對地成像載荷譜段

圖4 GF-5衛星大氣探測載荷譜段

GF-5衛星的軌道準回歸周期為7天，每隔7天的星下點軌跡向西漂移53.9km，保證兩臺窄視場的相機（可見短波高光譜相機和全譜段光譜成像儀）的刈幅（60km）無縫搭接，配合衛星±25°側擺能力，可實現5天中國領土及近海周邊重訪；同時該軌道可保證大視場的大氣探測載荷在1~2天內全球覆蓋，還可與美國A-Train衛星星座（軌道高度705km）的相關載荷進行數據比對，相互驗證數據精度，提升數據品質。

GF-5衛星繼承SAST-ML1公用平臺方案，系統組成如圖5所示。

圖5 GF-5衛星系統組成框圖

GF-5衛星結構分系統由服務平臺和有效載荷艙兩部分組成。載荷艙采用兩艙階梯布局增大對地安裝面，通過合理優化布局確保滿足各載荷視場要求。姿軌控分系統采用零動量控制方案，同時具備偏置動量控制的能力，實現衛星長期在軌姿態穩定控制、偏航導引和姿態機動控制。電源分系統采用太陽電池陣和2組70Ah鎘鎳蓄電池組聯合供電、28V全調節直流母線方案，二次電源采用分散式供電方案；太陽電池陣使用三結砷化鎵貼片，總面積22.46m2。太陽電池陣分系統采用單翼偏置構型太陽翼、一維對日定向跟蹤的驅動方案。測控分系統采用統一S波段（USB）體制+GPS的測控方案。數管分系統由星上數管計算機（CTU）和1553B總線組成。數管計算機（CTU）使用TSC695F CPU，總線通訊協議采用基于1553B總線的二級拓撲結構：數管計算機為一級主控制器，各有效載荷、GPS接收機、數傳綜合信息處理器等單機為二級管理單元。數傳分系統極化復用技術，通過二維點波束天線下傳信號，碼速率為2×450Mbit/s，固存容量為2Tbit，數據格式符合CCSDS AOS傳輸協議。

GF-5衛星結構分系統、數管分系統示意圖如圖6和圖7所示。

圖6 GF-5衛星結構分系統組成示意

圖7 GF-5衛星數管分系統組成

可見短波紅外高光譜相機采用離軸三反望遠鏡，經基于高效凸面閃耀光柵的Offner光譜儀進行精細分光，實現30m空間分辨率、60km幅寬、400~2 500nm譜段范圍、共330個通道的高光譜成像；裝有漫反射板、比輻射計及LED光源等組成的星上定標裝置，可實現在軌光譜及輻射定標，可進行光譜在軌實時編程并選擇任意譜段下傳。圖8為VNIR和SWIR譜段的外景成像合成圖。

圖8 可見短波紅外高光譜相機外景成像

全譜段光譜成像儀采用離軸三反主光學系統，利用組合濾光片方式實現12個譜段、60km幅寬、20m（VIS、SWIR）/40m（MWIR、LWIR）空間分辨率的多光譜對地成像；采用漫反射板組件和黑體實現不同譜段高精度在軌輻射定標。圖9為全譜段光譜成像儀外場成像。

圖9 全譜段光譜成像儀外景成像

大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀通過自動跟蹤太陽，經8倍光程放大的邁克爾遜干涉儀，完成大氣掩星觀測，獲取在2.4~13.3μm光譜范圍內的目標光譜的干涉信號，光譜分辨率高達0.03cm–1。圖10所示為大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀結構模型。

大氣主要溫室氣體監測儀利用二維指向鏡獲取來自地球的反射太陽光，經主光學系統加4個獨立的一體化空間外差干涉儀，獲取0.759~ 2.058μm光譜范圍內最高0.27cm–1光譜分辨率的遙感數據；在軌定標由漫反射板、比輻射計、光陷阱和擋門機構共同實現。大氣主要溫室氣體外場試驗見圖11。

大氣痕量氣體差分吸收光譜儀采用推掃方式及4路光柵光譜儀獲取240~710nm譜段范圍內48km×13km空間分辨率、優于0.5nm光譜分辨率的高光譜大氣探測數據；可通過星上定標裝置實現在軌光譜及輻射定標。圖12所示為大氣痕量氣體差分吸收光譜儀對合肥某電廠外場探測的試驗結果。

大氣氣溶膠多角度偏振探測儀采用超廣角鏡頭經檢偏/濾光組件，實現433~920nm光譜范圍內3.5km空間分辨率的畫幅式成像，獲取沿軌9個角度、3個偏振方向的多光譜偏振輻射數據。圖13為大氣氣溶膠多角度偏振探測儀490nm通道3個偏振方向外場成像圖。

圖12 大氣痕量氣體差分吸收光譜儀外場試驗

圖13 490nm通道連續3個偏振方向圖像

3 應用前景展望

GF-5衛星具備“上看大氣、中觀地表、下探地礦”的應用前景，能夠實現全球大氣圈、生態圈、水圈的高光譜綜合觀測，其觀測目標及應用領域如表1所示。

表1 GF-5衛星觀測目標及應用前景

Tab.1 Observation targets and application prospect of GF-5 satellite

GF-5衛星將在污染氣體、溫室氣體、大氣氣溶膠遙感監測及城市熱島效應監測、飲用水源地監測、礦產資源調查等方面首先開展應用，典型的應用示范有：

（1）水體和生態環境綜合觀測

利用可見短波紅外高光譜相機在可見―短波紅外譜段內的高光譜數據，實現對陸表生態、植被破環、水污染等方面的高精度監測。圖14為使用國際空間站上HICO儀器圖像作為替代數據進行應用示范展示。

圖14 太湖水華高光譜觀測示意

（2）礦物填圖

如圖15所示，利用可見―短波紅外高光譜數據可生成目標區域可見―短波紅外（0.4~2.5μm）的高光譜數據立方圖，并對典型蝕變礦物進行識別。根據蝕變礦物填圖可確定礦物分布和成礦靶區，可應用于巖性識別、成礦帶勘查、境外找礦等方面。

圖15 高光譜數據礦物識別示意

（3）火點及城市熱島監測

利用全譜段光譜成像儀中、長波紅外譜段的多光譜數據，可實現對火點分布、城市熱島效應的監測，服務于環境監管與城市管理。全譜段光譜成像儀紅外地表溫度（Land Surface Temperature, LST）產品具有40m的空間分辨能力，與MODIS 1000mLST產品相比，具有更好的監測能力[6]，如圖16所示。

圖16 陸表局地高溫監測示意

（4）大氣成分全球遙感監測

如圖17所示，利用紫外至短波紅外高光譜遙感數據監測全球及重點區域溫室氣體（CO2、H4）、痕量氣體（SO2、NO2、O3）的濃度變化，為氣候變化研究提供數據；為碳排放監測提供數據，服務于環境外交。圖中使用FY-3衛星TOU（Total Ozone Unit）、ENVISAT/SCHIAMACHY的數據產品作為替代數據[5,7-8]。

圖17 全球大氣成分遙感監測示意

（5）污染氣體監測

根據NO2和SO2柱總量分布情況，確定2010年7月份華北地區燃煤電廠污染等級，如圖18所示。使用AURA/OMI的數據作為替代數據進行應用示范展示[9]。

圖18 燃煤電廠污染等級確定

（6）氣溶膠及霧霾分布監測

如圖19所示，利用可見近紅外譜段多角度多光譜偏振遙感數據獲取氣溶膠光學厚度等數據，監測霧霾分布，服務于大氣環境監測及空氣品質預報。使用PARASOL/POLDER的數據作為替代數據進行應用示范展示。

（7）南極大氣成分監測

利用大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀的掩星探測數據，可獲取南極區域大氣不同層高的甚高光譜分辨率吸收譜段數據，為南極大氣垂直切面做“診斷”，為極區大氣成分及氣候變化研究提供支撐。圖20為使用SCISAT-1/ACE-FTS的數據作為替代數據進行應用示范展示。圖中，紅色線為7~8月南極區域觀測的結果。

綜合以上，發展GF-5衛星，對地物目標及大氣成分、云和氣溶膠進行高光譜綜合觀測，可解決國家在污染減排、生態和環境安全、礦產資源調查、地質填圖、全球氣候變化研究等領域對高光譜遙感數據的迫切需求，填補中國在大氣環境、水環境和生態環境高光譜綜合觀測領域空白。GF-5衛星投入業務運行后，將使中國掌握高光譜遙感信息資源的自主權，擺脫對國外高光譜遙感數據的依賴，對發展中國高分辨率對地觀測系統具有重要意義。

圖20 極區CO廓線監測示意

4 結束語

GF-5衛星具備可見至短波紅外高光譜成像、可見至長波紅外多光譜成像、紫外至短波紅外高光譜大氣探測、紅外掩星高光譜大氣探測、可見至近紅外多角度偏振成像、海洋耀斑觀測等多種觀測能力，星上多項技術填補了國內空白，技術指標國際先進，獲取的紫外―可見―紅外譜段的高光譜探測數據，將實現對大氣環境、水環境、生態環境的綜合觀測，為中國各部門提供急需的各類高光譜遙感數據，進一步提升中國高光譜遙感信息獲取能力。

面向國家各行業迫切的業務需求，依托高光譜衛星遙感技術，我國必須大力發展大氣環境監測等衛星，逐步發展高軌高光譜觀測衛星，形成面向多用戶、高―低軌聯合觀測的高光譜衛星綜合觀測體系。

[1] 童慶禧, 張兵, 鄭蘭芬. 高光譜遙感―原理、技術及應用[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006. TONG Qingxi, ZHANG Bing, ZHENG Lanfen. Principle, Technology and Application of Hyperspectral Remote Sensing[M]. Beijing: Higher Education Press, 2006. (in Chinese)

[2] PEARLMAN J, CARMAN S, SEGAL C, et al. Overview of the Hyperion Imaging Spectrometer for the NASA Eo-1 Mission[C]//IEEE International Geoscience & Remote Sensing symposium, Sydney, NSW, Australia, 2001. DOI:10.1109/IGARSS.2001.978246.

[3] SCHOEBERL M R, DOUGLASS A R, HILSENRATH E, et al. Overview of the EOS Aura Mission[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2006, 44 (5): 1066-1074.

[4] UMANN H H, CHAHINE M T, GAUTIER C, et al. AIRS/AMSU/HSB on the Aqua Mission: Design, Science Objectives, Data Products, and Processing Systems[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2003, 41 (2): 253-264.

[5] BOVENSMANN H, BURROWS J P, BUCHWITZ M, et al. SCIAMACHY: Mission Objectives and Measurement Modes[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 1999, 56(2): 127-150.

[6] SALOMONSON W, BARNES W, XIONG X X, et al. An Overview of the Earth Observing System MODIS Instrument and Associated Data System Performance[C]// Geoscience and Remote Sensing Symposium, June 24-28, IEEE. Toronto, Ontario, Canada, 2002: 1174-1176. DOI:10.1109/IGARSS.2002.1025812.

[7] ZHANG Y, WANG W H. Arctic Ozone and Circulation Changes during Boreal Spring[C]. Proceedings of SPIE, 2014, 9259. DOI:10.1117/12.2069137.

[8] SCHNEISING O, BUCHWITZ M, BURROWS J P, et al. Three Years of Greenhouse Gas Column-averaged Dry Air Mole Fractions Retrieved from Satellite Part1: Carbon Dioxide[J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2008, 8(14): 3827-3853.

[9] VEEFKIND J P, HAAN J F D, BRINKSMA E J, et al. Total Ozone From the Ozone Monitoring Instrument (OMI) Using the DOAS Technique[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2006, 44(5): 1239-1244.

GF-5 Satellite: Overview and Application Prospects

SUN Yunzhu1JIANG Guangwei1LI Yunduan2YANG Yong2DAI Haishan2HE Jun2YE Qinghao2CAO Qiong2DONG Changzhe2ZHAO Shaohua3WANG Weihe4

（1 Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China）（2 Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China）（3 Satellite Environment Center, Ministry of Ecology and Environment, Beijing 100094, China）（4 National Satellite Meteorological Centre, Beijing 100081, China）

GF-5 was the satellite to achieve hyper-spectral observation in Chinese Key Projects of High Resolution Earth Observation System. It was designed to run on sun-synchronous orbit. The orbit altitude was 705km and Local Time of Ascending Node was 13:30. Six payloads were carried on it. They were Advanced Hyper-spectral Imager（AHSI）, Visual and Infrared Multispectral Imager（VIMI）, Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder（AIUS）, Greenhouse Gases Monitoring Instrument（GMI）, Environmental trace gases Monitoring Instrument（EMI）, and Directional Polarization Camera（DPC）. By using them, the satellite can obtain the hyper-spectral remote sensing data from ultraviolet to long wave infrared bands. The various observation means of hyper-spectral and Multi-spectral earth imaging, occultation and nadir observation for atmosphere, multi-angular polarization observation and ocean sun-glint observation were adopted. The highest spectral resolution was 0.03cm–1and on-board calibration was provided. The radiometric calibration accuracy was better than 5% and the spectral calibration accuracy was up to 0.008cm–1. The satellite would play an important role in atmospheric environment monitoring, land and resources survey, and climate changing research.

atmosphere detection; land imaging; polarization observation; occultation observation; hyper-spectral data application; remote sensing; GF-5 satellite

O433.1, P27, P414

A

1009-8518(2018)03-0001-13

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.001

孫允珠，女，1961年生，研究員，衛星總師，中國航天科技集團有限公司學術帶頭人，主要從事氣象與環境監測衛星系統研究。

2018-04-25

國家重大科技專項工程

（編輯：陳艷霞）