遙感衛星有效載荷觀測區域地面覆蓋與衛星軌道控制

郝建波

（中國電科網絡通信研究院，河北 石家莊 050081）

0 引 言

遙感衛星主要通過對地面實現有效覆蓋來獲得遙感信息，并將信息轉化成圖片，幫助應用部門來掌握所需要了解的情況。遙感衛星的地面覆蓋與軌道控制需要根據不同的空間性質來處理不同的地面勘測，從而完成各式各樣的遙感信息任務。對于日常所用的通信設備、平時出行用的導航設備，包括平時的氣象預報、地球資源分布的勘測乃至整個宇宙的探索都離不開遙感衛星的地面勘測與軌道控制。日常通信設備和導航設備主要是運用遙感衛星的地面覆蓋來獲取信息，遙感衛星的運行軌道通常與太陽是同步的。選取對遙感衛星有利的運行軌道對遙感衛星來說至關重要，可以幫助衛星在執行任務的過程中更好地獲取任務信息。

遙感衛星軌道選取中一個主要參考因素是運行軌道的高度情況，這就要求全面地了解和掌握軌道選取的理論和現實依據，只有這樣才能選取出適合衛星運行的軌道高度。不同功能的遙感衛星有不同的選擇依據，需要根據每一個遙感衛星所需要具備的功能來決定。除此之外，還需要研究遙感衛星的質量和運載能力之間的匹配問題，包括遙感衛星地面覆蓋的工作模式、衛星運行的能量損耗、衛星星點下的軌跡、衛星的載荷、測控天線對地面覆蓋的周期、以及指定地區的迅速反應能力等。本文針對遙感衛星運行軌道的地面覆蓋及運行軌跡的保持問題，對遙感衛星運行軌道高度的選擇和運行軌跡的控制工作進行初步探究。

1 遙感衛星的基本情況

1.1 遙感衛星地面覆蓋的研究意義

遙感衛星對社會進步與國家經濟發展意義重大，遙感衛星的探索和研究時刻都不能松懈。國家將遙感衛星的研發與國家的經濟戰略相結合，這也為遙感衛星的生存和發展營造了良好的發展與生存環境。眾所周知，遙感衛星很早就出現在了人們的視野中，但是遙感衛星的技術一直沒有得到很好的推廣，因此發展比較緩慢。隨著社會的進步、互聯網的發展和計算機的應用，為遙感衛星地面覆蓋工作的發展提供了有利的條件。通過對信息的捕捉和傳導，實現信息的可處理與可使用。在信息化時代的背景下，遙感衛星技術的發展之路越來越廣闊。

1.2 遙感衛星地面覆蓋與軌跡控制現狀

雖然目前全球市場中的遙感衛星功能種類繁多，過去的數據也多種多樣，但是絕大多數的國家仍在努力地研發屬于自己的遙感衛星。因為國外的遙感衛星所獲取的數據并不能與我國用戶的實際需求相吻合，根據自身的需求來研發屬于自己的遙感衛星是至關重要的。通過對遙感衛星的研究和探索可知，小型遙感衛星更實用一些。小型遙感衛星的制作成本比較低，研發制造的周期比較短，而且比較靈活，還可以根據需要組成星座來滿足應用者的各種觀測需求。

1.3 遙感衛星的分類

1.3.1 氣象衛星

遙感衛星通過對氣象數據的搜集和處理，幫助應用部門提供所需要的數據，像日常生活中的天氣預報就來源于氣象衛星的監測。目前的氣象衛星分為兩種，分別是太陽同步衛星和地球靜止衛星。太陽同步衛星是繞地球南北極附近與跨越赤道上空運行，而地球靜止衛星在赤道上空相對于地球處于靜止狀態。

1.3.2 地球衛星

地球衛星主要是以獲取地球上的資源和環境為主要的信息?！白有亲碧栞d人軌道飛船上拍攝的地面照片，發現其中具有豐富的地球資源和環境信息后就開始發展“地球資源衛星計劃”，1972年發射了第一顆“地球資源技術衛星”，后改名為“陸地衛星”1號。20世紀70年代中后期和80年代前期，又相繼發射“陸地衛星”2、3、4、5號。“陸地衛星”能提供周期性相對廉價的遙感數據，因而得到廣泛應用?！瓣懙匦l星”的遙感監測數據已經廣泛地應用于土地森林和水資源調查、農作物估產、礦產和石油勘探、海岸勘察、地質與測繪、自然災害監視、農業區劃、重大工程建設的前期工作以及對環境的動態監測等。到1984年，中國等許多國家都已經或正在建立陸地衛星地面站，這些地面站幾乎覆蓋了全部陸地面積。

1.3.3 陸地衛星

陸地衛星是繞地球南北極附近運行的太陽同步衛星，具有接近圓形的軌道，在上午9時30分左右從913 km或804 km（陸地衛星4、5號）的高空跨越赤道。陸地衛星1、2、3號每隔18天覆蓋地球一遍，陸地衛星4、5號每隔16天覆蓋地球一遍，相鄰條帶相隔的日期為7～9天。衛星裝載的多光譜掃描儀、返束視像管攝像機和專題制圖儀等遙感器從北向南每次可掃描185 km寬的地面條帶。用兩個返束光導管攝像機（Return Beam Vidicon，RBV）相配合來拍攝地面的全色圖像，其分辨率比用多波段掃描儀（Multi-Spectral Scanner，MSS）提高一倍。專題繪圖儀（Thematic Mapper，TM）的圖像數據量為MSS的11倍，由于包含紅外波段，并且幾何精度和輻射精度都比MSS的高，因此TM的信息和圖像質量都比MSS的好得多。對于裝有寬帶磁帶錄像機的陸地衛星，根據航天中心的指令可錄取世界上任何地方的MSS和RBV圖像數據，當衛星運行到地面接收站上空時便回放收取。衛星還裝載數據采集系統，以收集遙測數據并把它轉發給數據處理中心。衛星也可以不裝載錄像機，在地面接收站接收范圍以外收集到的遙感圖像數據，將通過跟蹤和數據中繼衛星系統傳輸到地面接收處理站進行處理。

1.3.4 海洋衛星

顧名思義，海洋衛星就是用來勘測海洋信息的。通過遙感衛星對海洋的地面覆蓋與軌道控制，可以從中獲取有關海洋方面的各種信息。海洋對人們的生存起著至關重要的作用，而且海洋的面積是非常大的，這就需要運用遙感衛星的地面覆蓋來捕捉有關海洋的信息。由于海洋面積比較大，保護的過程中難以全面掌握其信息，遙感衛星的地面覆蓋可以很好地解決這一難題，更加方便快捷地獲取海洋的有關信息，幫助人們更好地保護海洋環境，這對海洋的研究和保護有著深刻的意義[1]。

2 遙感衛星運行軌道的地面覆蓋工作原理

2.1 運行軌道的高度與衛星載荷地面覆蓋的聯系

遙感衛星的運行軌道需要依據衛星的應用需要和衛星載荷觀測區域地面覆蓋的情況選取。截至目前，我國遙感衛星有效載荷種類主要包括光學遙感器和微波遙感器，相當于天基的攝影儀和雷達。圖1為衛星軌道高度對衛星載荷觀測區域地面覆蓋的影響，圖2為其側視圖。

圖1 軌道高度與有效載荷地面覆蓋的關系

圖2 側視示意圖

當有效載荷為側視時，地面覆蓋的示意圖見圖2，可得地面覆蓋寬度d：

式中：A為有效載荷半視場角；R為地球平均半徑；h為衛星軌道高度。

如以入射角來表示，則：

從上述的公式中看出，當有效載荷視角固定時，運行軌道的高度越高，遙感衛星地面覆蓋的帶寬越大。

2.2 遙感衛星運行軌跡的“特定地區”回歸周期

對于一部分的遙感衛星，他們有效載荷的視角具備可變的功能與作用。不僅需要遙感衛星完成每一項任務的具體要求，還需要具備迅速的反應能力和“特定地區”回歸周期。

2.3 遙感衛星地面軌跡漂移與控制

衛星的運行會受到大氣阻力的干擾，導致自然狀態下遙感衛星運行過程中平均軌道高度在不斷的下降，回歸周期也在隨之縮短。這樣會使得遙感衛星的地面軌跡變得漂移，出現勘測盲區。部分遙感衛星對地面覆蓋的要求很高，需要對衛星的運行軌道進行實時的調整，這樣才能確保遙感衛星更加保質保量地完成遙感任務。遙感衛星在工作的過程中，也由于平均高度的逐漸降低，會引發軌跡漂移。

2.4 遙感衛星運行軌道的保持

遙感衛星的工作原理主要是通過對整個地球的覆蓋，在特定的空間里來完成特定的任務。在遙感衛星工作的同時，選取適合的衛星運行軌道是非常重要的，它可以幫助遙感衛星更好地完成信息獲取任務，并且可以根據需要來調整軌道的運行。當遙感衛星的高度值在限制的范圍中，可以選取適合遙感衛星運行的軌道周期，從而為獲取所需應用數據提供足夠的遙感衛星有效載荷觀測覆蓋區域。遙感衛星軌道的運行周期需要與其地面高度相結合，且主要是由地面高度來決定的。遙感衛星的地面高度需要將載荷的工作模式考慮在內，還需要將衛星的回歸周期考慮在內，隱形軌道的覆蓋模式也是需要進行綜合考慮的。遙感衛星在工作的過程中，也由于平均高度的逐漸降低會引發軌跡漂移的問題，進而對地面覆蓋產生一定的影響。在對遙感衛星運行軌跡漂移進行控制的同時，需要合理地調整遙感衛星運行軌道的半長徑來控制它的軌道[2]。

3 遙感衛星地面覆蓋在生活中的應用

遙感衛星的成像光譜儀器可以精確地獲取光譜信息，應用者運用實驗室中的光譜數據可以對地球上的地質和水進行研究和分析。合成孔徑雷達不僅能夠穿透云霧，還可以對部分土壤進行監測，光譜儀與合成孔徑雷達的應用使遙感衛星的發展邁上了新的臺階。

3.1 遙感衛星的地面覆蓋可以用于繪制圖

遙感衛星獲取的圖像可以非常便利地應用到識別和定位中，還可以應用到地物的繪制當中，像地質結構的繪制、建筑物的繪制等。這些繪制圖還可以應用到地質勘測當中去，其中城市規劃也會用到繪制圖，極大地方便了人們的建造工作。通過遙感衛星對地面的覆蓋，運用圖像處理，可以完成多圖繪圖，遙感衛星的覆蓋可以將圖像進行分類，并應用到地域規劃中去[3]。

3.2 遙感衛星的地面覆蓋可以用于三維模型的建設

在全球定位系統（Global Positioning System，GPS）圖形處理系統中，遙感衛星獲取的圖形可以被應用，通過處理來形成三維景觀。這種三維景觀可以讓用戶真真切切地看到大大小小的山脈等，可以用于建筑物體的規劃和設計以及地質學者對地質的勘測和研究。

3.3 遙感衛星的地面覆蓋可以用于地圖的矢量更新

許許多多的軟件都有地圖的標記，遙感衛星獲取的圖像是最佳的地圖。它會對其實時的更新，對于人們交通的出行有很大的便利，用戶可以在軟件中查看到街道的圖像，為野外工作人員提供生存的參考條件[4]。

3.4 遙感衛星的地面覆蓋可以用于土地的利用和規劃

遙感衛星通過對地面的覆蓋，將地面的土地進行分類，如耕地和住房的應用、規劃和工廠和商業區的設置、布局等。遙感衛星的地面覆蓋還可以運用到建筑物的設計開發中，如房地產的開發、城市的規劃、以及工程師的設計中等，為人們的建造提供了很大的便利。

3.5 遙感衛星的地面覆蓋可以用于監測變化

遙感衛星通過對地面的覆蓋，可以完成對地面信息的捕捉和獲取，可以及時地發現地面發生的各類的變化。如環境保護機構可以運用這個功能來發現砍伐森林的不法分子，方便環境保護機構更輕松地獲取森林損壞的位置。這種對于變化的監測還可以運用到城市建設和規劃中去，幫助城市實現更加合理的優化和配置。

4 結 論

遙感衛星可以幫助人們更好地研究自然資源和環境保護等工作。遙感衛星捕獲的數據具有社會性的意義，它在氣象、地質勘測方面發揮了不可估量的作用，為社會的進步提供了支持和幫助，為人們的生活帶來了便利。我國的地域遼闊，物質資源豐富，不僅資源的合理開發與利用需要用到遙感衛星技術，自然災害的隱患更是需要時刻關注的問題，遙感衛星技術可以幫助人們進行氣象預測，幫助人們提前獲取天氣狀況，為人們更加幸福的生活提供了幫助。