環境減災二號A/B衛星在軌定標模式設計與驗證

朱軍 姚舜 叢強 白照廣 董筠 馬磊 林軍 呂秋峰 劉振海 柴夢陽 孫劍

(1 航天東方紅衛星有限公司，北京 100094)(2 中國資源衛星應用中心，北京 100094) (3 北京空間機電研究所，北京 100094) (4 中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所，合肥 230031) (5 中國科學院上海技術物理研究所，上海 200083) (6 中國科學院西安光學精密機械研究所，西安 710119)

環境減災二號A/B衛星是環境減災一號A/B衛星[1]的后續衛星，也是環境減災二號系列星座的首發星，于2020年9月27日由長征四號乙運載火箭在太原衛星發射中心，以一箭雙星的方式成功發射入軌。兩顆星技術狀態一致，均搭載了16 m相機、紅外相機、高光譜成像儀和大氣校正儀4臺光學載荷。16 m相機充分繼承高分一號衛星16 m相機[2]的技術方案，在保持空間分辨率16 m、幅寬800 km不變的情況下，增加1個紅邊譜段，提升對地表植被生長特性識別能力[3]；高光譜成像儀在環境減災一號A衛星空間調制型傅里葉變換超光譜成像儀[4]基礎上，采用時空聯合調制干涉光譜成像技術，實現空間分辨率為48 m(可見近紅外通道)/96 m(短波紅外通道)、幅寬為96 km、平均光譜分辨率為5 nm(可見近紅外)/10 nm(短波紅外)，擁有215個譜段；紅外相機在環境減災一號B衛星圓周掃描型紅外相機[5]的基礎上，采用擺掃成像方式，實現空間分辨率為48 m(可見至短波紅外)/96 m(中波至長波紅外)、幅寬為720 km，共有可見近紅外至長波紅外9個譜段；大氣校正儀空間分辨率為6 km、幅寬800 km，包括可見近紅外至短波紅外9個偏振譜段，可探測與16 m相機同視場的水汽柱濃度(CWV)和氣溶膠光學厚度(AOD)數據[6-7]。

目前，國內外光學遙感衛星在軌輻射定標主要集中于相對輻射定標，而絕對輻射定標受限于場地、人員、季節等因素定標難度大、過程復雜、周期長，無法實現高精度和高頻次的定標[8]。通過衛星本身的能力在軌進行絕對輻射定標，可以有效避免上述問題。例如，美國地球觀測衛星(EOS)上的中分辨率成像光譜儀(MODIS)就攜帶有漫反射板，通過衛星機動能力進行對日定標[9]；美國的廣角海洋水色觀測任務系列衛星(SeaWifs)和我國的風云三號系列衛星也設計了通過對月觀測監視星上載荷輻射響應的穩定性[10-11]。然而，由于環境減災二號A/B衛星4種載荷成像體制各不相同，同時由于各載荷在軌成像過程中地表反射率、光照條件等成像輸入條件復雜，在軌力學、真空和外熱流等環境因素動態變化，實驗室條件無法完全模擬各載荷在軌的工作狀態，造成在各載荷地面預設成像參數無法展現最佳的成像效果[12]，因此需要針對各載荷的定標模式整體設計和統一規劃，獲取準確的輻射、光譜和偏振等定標數據。

本文介紹了環境減災二號A/B衛星設計的對日定標、對月定標、偏航定標和載荷內定標4種定標模式，并通過衛星姿態分析了定標模式的執行情況，最后對各定標模式的定標結果進行了說明。

1 定標模式設計

1.1 對日定標

在大氣層外，選擇太陽作為基準光源是很理想的定標源。通過對日定標器將太陽輻射引入星載遙感器并將太陽輻射調節到星載遙感器測量的動態范圍內，對星載遙感器進行絕對定標，可對星載遙感器性能變化進行監測和校正[13]。衛星紅外相機和大氣校正儀的可見至短波通道均采用漫反射板進行對日定標。

紅外相機上攜帶的漫反射板如圖1(a)所示。紅外相機對日定標選擇在北極附近并即將進入陽照區時進行，通過衛星姿態機動，使衛星的+Z軸、-Y軸、+X軸與星日連線夾角分別成固定角度，衛星保持慣性姿態指向。隨后紅外相機漫反射板轉至特定角度將太陽光引入焦面探測器，獲取太陽定標數據。隨后改變漫反射板角度，獲取不同角度下的太陽定標數據。同時，紅外相機為了保證衛星在軌期間對漫反射板的穩定性，避免漫反射板衰減對定標的影響，整個定標過程中比輻射計同時采集入瞳日光和漫反射板反射光強度，然后通過對比輻射計數據的長期監視，實現對漫反射板的穩定性監測。

大氣校正儀上攜帶的漫反射板如圖1(b)所示。

圖1 對日定標漫反射板實物圖Fig.1 Diffuse reflection board for sun-oriented calibration mode

大氣校正儀為了避免漫反射板的衰減，對日定標選擇在衛星出地影區約3 min后進行，同時根據太陽高度角、太陽方位角、定標時刻及衛星偏航角度，大氣校正儀對日定標設計為衛星繞偏航軸姿態機動相應角度，使得漫反射板太陽觀測孔對準太陽矢量，讓陽光快速掃過漫反射板，采集對日漫反射數據，在完成在軌絕對輻射定標的同時，也避免了日光對漫反射板的長時間照射而導致的衰減。

1.2 對月觀測

月球反射率的變化率約為每年10-8，其穩定的反射特性使月球非常適合作為衛星太陽反射通道的參考輻射基準源[14]。對月觀測為近年國外光學遙感衛星采取的新型在軌定標試驗模式，高分四號衛星[15]、高分六號衛星和高分一號B/C/D衛星[16]均在軌執行對月觀測任務。

環境減災二號A/B衛星針對16 m相機的5個可見近紅外譜段以及高光譜成像儀的215個可見至短波紅外譜段設計了對月觀測模式，對月觀測任務安排在地影區進行。衛星對月定標流程設計如下：首先根據月相角確定的衛星、地球和月球的慣性空間幾何位置關系，然后通過衛星姿態機動，使衛星+Z軸指向目標慣性空間，受限于衛星的機動能力，衛星隨后繞+Y軸以0.06 (°)/s固定角速度轉動，使16 m相機和高光譜成像儀視場掃過月面，獲取月面過采樣影像。重復以上過程，在不同月份獲取相同月相角下的月面影像，以分析和修正探測器在軌運行期間隨時間變化的特性。具體過程如圖2所示。

圖2 對月定標觀測設計Fig.2 Observation design of moon-oriented calibration mode

1.3 偏航定標

16 m相機、紅外相機、大氣校正儀幅寬為720～800 km，受地面定標場地面積限制，衛星推掃成像模式下，無法一次獲取全視場輻射定標數據。參考高分一號偏航定標模式[17]，基于16 m相機、紅外相機、大氣校正儀的探測器布局，設計三類有效載荷可見至短波紅外譜段的偏航定標模式，通過衛星姿態機動，在單次成像任務中，獲取全視場地面輻射定標數據。

16 m相機5個可見近紅外譜段線陣探測器長度為12 000個像素，沿穿軌方向布局，通過棱鏡分光實現同時觀測同一地物。為了滿足偏航定標要求，衛星繞偏航軸旋轉90°，使探測器線陣與飛行方向平行，隨著衛星飛行，探測器各像元依次對相同地物進行成像，獲取偏航定標數據，如圖3所示。成像區域選取了能夠覆蓋相機動態范圍的層次比較豐富的景物，如冰川、沙漠、草原等。

圖3 16 m相機偏航90°定標成像原理Fig.3 Imaging mechanism of 16m camera 90°yaw calibration

紅外相機6個可見至短波紅外譜段線陣探測器長度為800個像素，排列方向平行于衛星飛行方向。在偏航定標時，衛星保持正常飛行姿態，將紅外相機的擺鏡定點指向成像區域，隨著衛星飛行，紅外相機6個線陣探測器上的所有像元依次分別對同一地物進行成像，獲取偏航定標數據。

1.4 載荷內定標

為保證載荷在軌成像質量的穩定性，結合常規對地、對日定標，大氣校正儀、紅外相機和高光譜成像儀均設計了各自的內定標模式。

大氣校正儀內定標包括偏振定標和暗參考定標，定標裝置布局如圖4(a)所示。偏振定標是指地物首先經過退偏器或偏振器擾偏或起偏成為標準零偏或線偏光，被儀器掃描觀測，以獲得載荷的偏振定標系數[7]。暗參考定標是指掃描鏡反射面法線旋轉至背向對地方向時，獲取大氣校正儀所需的零輻射信號及直流參考等暗參考數據。偏振定標和暗參考定標流程與正常成像觀測模式相同，與正常成像模式同時進行。

高光譜成像儀內定標為光譜定標。光譜定標裝置繼承環境減災一號A衛星超光譜成像儀的定標方案[18]。通過轉動擺鏡，分別將具有穩定吸收峰的釹玻璃和石英玻璃的定標光源引入可見近紅外光譜儀及短波紅外光譜主光路，以監測特征吸收峰對應的光譜位置變化情況。高光譜成像儀星上光譜定標原理如圖4(b)所示。

紅外相機內定標指的是針對B7～B9中長波譜段的星上黑體定標。相對于環境減災一號B衛星紅外相機采用兩套黑體實現高低溫兩點定標[19]，環境減災二號A/B衛星紅外相機采用1套黑體實現低端20 ℃與高端50 ℃兩點定標。當衛星處于陰影區時，將黑體加熱升溫至50 ℃，擺鏡轉動指向黑體，開啟中長波通道焦面電路采集黑體數據；停止黑體加熱，待黑體降溫至20 ℃，再次采集黑體數據。通過采集兩個溫度點黑體數據確定中長波紅外通道的輻射定標系數。紅外相機黑體定標成像原理如圖4(c)所示。

圖4 內定標原理示意圖Fig.4 Self-calibration mechanism

2 在軌定標驗證結果

2.1 對日定標

衛星分別于2021年3月11日和2021年3月12日進行了紅外相機和大氣校正儀對日定標試驗(見圖5)。

圖5 對日定標數據Fig.5 Sun-oriented calibration data

大氣對日定標過程采集的數據以及與太陽夾角關系如圖5(a)所示。可以看出，大氣對日過程中采集的數據穩定性較好，可以在后續定標算法中進一步的應用。紅外相機對日定標獲取的圖像數據和比輻射計采集的數據如圖5(b)所示。每顆星單次對日定標可以獲得相機反射譜段B1～B5的4個掃描行的數據，每個掃描行的視場從左到右可以完整地掃過漫射板，且數據質量均勻穩定。之后結合實驗室測量得到的漫射板雙向反射分布函數(BRDF)數據，可以用于對紅外相機反射譜段的絕對輻射定標。從圖5(c)比輻射計采集的數據可以看出，比輻射計的各譜段在入光口、漫反射板和暗電平3個位置采集的數據穩定，一致性較好，可以作為漫反射板穩定性的參考依據。

2.2 對月定標在軌驗證結果

衛星于2020年11月28日進行了對月定標試驗。對月定標模式中，兩顆衛星推掃姿態穩定度見表1，成像過程中整星三軸角度穩定度均在0.002°以內，滿足成像需求。

表1 對月定標衛星姿態穩定度Table 1 Satellite attitude stability in moon-oriented calibration

在對月定標中，星上16 m相機和高光譜成像儀開機對月進行推掃成像，獲取過采樣月球圖像數據，經過復原后，月球圖像數據結果如圖6所示。可以看出：16 m相機獲取的月球圖像完整清晰，高光譜成像儀獲取的月球光譜連續穩定，可以用于對月球輻亮度及光譜的統計。后續對月定標模式將用以長周期監測星上載荷的輻射光譜變化情況。

圖6 對月定標圖像數據示意Fig.6 Moon-oriented calibration image data

2.3 偏航定標在軌驗證結果

衛星在2020年11月13日進行了偏航定標試驗。整星姿態偏航旋轉90°后，同時進行偏流角修正，偏流角修正精度達到0.005°。在偏航定標中，16 m相機和大氣校正儀開機成像。其中16 m相機獲取偏航數據如圖7所示，16 m相機獲取的偏航圖像清晰，紋理分明，可以用于后續16 m相機相對輻射校正處理。

圖7 16 m相機偏航定標圖像示意(B星相機2)Fig.7 16m camera captured image data in 90°yaw calibration (B satellite 16 m camera 2)

2.4 載荷內定標在軌驗證結果

衛星在2020年11月25日在軌進行了紅外相機黑體定標試驗，中長波譜段對加熱前后的定標黑體進行圖像采集，并對溫度的穩定性進行監視，結果如圖8所示。可以看出，紅外相機黑體在高溫(323K)和低溫(293K)端溫度穩定性良好，且高低溫圖像均勻性良好，可以滿足黑體定標模式的需求。

衛星在2021年3月30日在軌進行了高光譜成像儀光譜內定標試驗，其中B星的結果如圖9所示。從圖9(a)、(b)干涉圖中可以看到，干涉條紋紋理清晰，整個視場一致性較好；對比發射前后圖9(c)、(d)的復原光譜中可以看出，定標光譜平滑連續，無噪聲和毛刺，發射前后可見近紅外通道和短波紅外通道譜線的平均偏差分別為0.55 nm和0.82 nm，譜線一致性較好，因此高光譜內定標模式可以用于對高光譜成像儀光譜響應穩定性的測試依據。

圖8 紅外相機在軌黑體定標結果Fig.8 Infrared camera on-orbit blackbody calibration results

圖9 高光譜成像儀光譜內定標結果Fig.9 HSI self-calibration results

3 結束語

本文對環境減災二號A/B衛星的在軌定標模式設計及驗證情況進行了介紹，覆蓋了對日定標、對月定標、偏航定標和載荷內定標全部4種定標模式，并對各定標模式在軌執行過程中整星姿態機動情況和載荷定標數據獲取情況進行了分析。設計的4種在軌輻射定標模式，可以有效解決衛星上不同成像體制和不同定標需求下的各載荷在軌輻射定標，實現各有效載荷互不干涉的情況下高穩定度和高精度的獲取各類輻射定標數據，滿足了衛星長期業務化運行所需的高質量遙感數據獲取的需求。從姿態遙測中可以看出，衛星在各定標模式姿態全部按照設計要求進行了機動，且姿態穩定性較好；從各載荷獲取的定標數據中可以看出，衛星各個定標模式設計合理可行，滿足各載荷的定標需求。因此，環境減災二號A/B衛星的在軌定標模式可以為其他衛星在軌定標模式設計提供一定的參考依據。但由于在軌測試時間有限，以及衛星定標模式較多，目前每個定標模式測試次數較少。因此，后續仍需要對各模式進行多次測試，挖掘各定標模式設計中可能存在的不足，從而在后續的定標模式設計中進一步地完善和改進。