日本ALOS-3衛星技術特點分析

劉韜 鄧剛

（1北京空間科技信息研究所 2中國航天科技國際交流中心）

2023年2月16日，日本先進陸地觀測衛星－3（ALOS－3）搭乘最新研制的H3運載火箭嘗試發射，但首次嘗試因火箭點火失敗未離開發射臺。3月7日，日本再次發射ALOS－3衛星，但因火箭二級未能正常點火導致衛星未能進入軌道。

雖然ALOS－3衛星發射失敗，但該星代表了大幅寬高分辨率光學成像技術的較高水平。本文將概述ALOS－3的項目進展情況，分析其技術特點，并得出相關啟示。

1 ALOS－3衛星發展歷程

在2006年發射ALOS－1衛星之后，日本原計劃在2020年發射接替星ALOS－3。ALOS－3衛星將攜帶高分辨率大幅寬成像相機，提升日本災害監測能力。ALOS－3衛星是日本首顆亞米級民用光學成像衛星，兼顧一定的測繪能力，但從測繪角度來看，ALOS－3衛星由于取消了概念設計中的雙線陣測繪專用載荷，其測繪能力落后于ALOS－1衛星。

2008年,日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）開始ALOS－3衛星的需求分析，2009年開始ALOS－3衛星的概念設計，2010年，JAXA提出ALOS－3衛星攜帶3臺載荷，立體測繪載荷、1臺4通道多光譜載荷和1臺高光譜載荷，其中立體測繪載荷采用雙線陣相機體制。2012年完成全色立體制圖遙感器－2（PRISM－2）雙線陣測繪相機的概念設計。2016年,JAXA放棄雙線陣測繪相機方案，轉而發展大幅寬高分辨率光學成像載荷，旨在滿足應急災害監測需求，同時結合傳統的異軌成像方式，兼顧一定的測繪能力。同年，ALOS－3轉入工程研制階段。

2018年3月，JAXA發布《第四期中長期發展規劃》（2018－2025年），于2018年4月1日開始正式實施。該規劃提出在遙感衛星方面，與政府和民營機構就衛星數據的開發與利用開展合作，特別是在防災減災和國土管理等領域，促進研究成果轉化。研制并部署ALOS－3衛星、ALOS－4衛星、溫室氣體觀測衛星－2（GOSAT－2）、“地球云和氣溶膠輻射探測/測云雷達”（EarthCare/CPR）和先進掃描微波輻射計－2（AMSR－2）衛星后繼任務。該規劃還提出研發大容量、隱蔽性強的衛星光通信技術，并利用ALOS－3衛星進行在軌驗證，構建高速空間通信網絡，滿足地球觀測大容量、高分解能力要求和防災減災實際需求。

先進陸地觀測衛星－3

2 ALOS－3衛星基本情況

ALOS－3衛星設計方案出現較大變化，原為以雙線陣光學測繪為主，后來該方案被取消，轉而成為1顆民用資源觀測和災害監測類陸地衛星，兼顧一定的測繪能力。

衛星技術指標

ALOS－3衛星原計劃部署在高度669km、傾角97.9°的太陽同步軌道，降交點地方時為10：30±15min。軌道重復周期為35天。

三菱電子公司（Mitsubishi Electric）負責衛星平臺和載荷研制。平臺基于ALOS－2平臺的設計，主要區別在機動能力和數據存儲量不同。衛星能夠在任意方向側擺60°，能夠用于應急觀測需求和異軌測繪。衛星尺寸5m×16m×3.5m，發射質量2900kg，設計壽命7年。該衛星還具備激光數據中繼能力，可通過日本“光學數據中繼衛星”（JDRS）進行激光數據中繼，其速率為1.8Gbit/s。對地數傳X和Ka頻段，速率分別為0.9Gbit/s和1.8Gbit/s。星上存儲量達到950Gbyte。

該衛星全色分辨率0.8m；有6個多光譜譜段，分辨率3.2m，幅寬70km。全色譜段調制傳遞函數（MTF）為0.1，信噪比200；多光譜譜段MTF為0.2，信噪比200。數據量化值11bit。全色圖像星上壓縮比1：4，多光譜為1：3。無地面控制點圖像定位精度5m。載荷情況如下。

（1）“大幅寬高分辨率光學成像儀”（WISH）

ALOS－3衛星新的載荷方案是搭載“大幅寬高分辨率光學成像儀”（WISH）。WISH采用了離軸四鏡消像散反射式望遠鏡設計，使視場角達到了6°，從而實現了70km大幅寬。WISH焦距6.86m，等效口徑0.55m，F數12.7。相比傳統的三反射鏡消像散系統,采用微曲率第四反射鏡后，光學系統的長度縮小了30%。離軸成像系統比同軸系統體積大，但MTF更好，可實現更好的成像質量。

ALOS－3衛星具備7個譜段，包括1個全色和6個多光譜譜段。多光譜譜段新配備了兩個適合監測水區（海岸藍）和植被（紅邊）的特征譜段。這兩個譜段的數據將在實際使用和研究領域得到廣泛利用，海岸藍譜段是比藍色譜段更短的譜段，對水的吸收最少，在水深分析中非常有用。紅色邊緣譜段可反應葉片反射率的急劇變化，能夠分析植被狀況。

（2）雙波長紅外探測器

雙波長紅外探測器保密程度很高，技術指標不詳。據報道該載荷由日本防衛省牽頭研發，為導彈預警試驗型載荷，為日本的天基導彈預警能力進行技術鋪墊。該載荷可以使用中紅外線以及遠紅外線兩個譜段來提高探測識別能力，還可以將兩個譜段的圖像相融合，從而清晰地捕捉燃燒后產生的一氧化碳和二氧化碳等氣體，能夠明確地判斷導彈實體的形狀和排放出的氣體。防衛省將會對研究數據進行積累，并將飛行物的紅外線特性等進行數據庫化。

衛星成像模式

ALOS－3衛星具有5種成像模式。

1）長條帶模式。該模式為默認成像模式，每條軌道覆蓋寬70km，沿軌道方向4000km。4000km意味著ALOS－3衛星一軌可連續成像10min。

2）點/區域成像模式。如果用戶對某一點或區域感興趣，可使用指向功能在所有方向與衛星最低點成60°角度觀測。

3）變向成像模式。可在用戶提交申請24小時內響應，通過控制衛星的姿態和改變觀察方向，連續觀察超過1500km長的區域。

4）大區域成像模式。在軌道路徑期間通過多次掃描觀測覆蓋超過200km×100km的廣域。

5）立體成像模式。為了獲得立體像對，JAXA提出了兩種方法。①同軌立體成像。②結合天底觀測和3天后相鄰軌道的后向機動觀測進行異軌立體成像。然而，對于ALOS－3衛星，方法一沒有足夠的基高比（B/H）得出地形信息。方法二的優點是可以設置合適的基高比，并且可以獲取大面積的圖像。然而，在短時間內成功獲取立體圖像取決于天氣條件。最后，衛星采用了第2種方法，即采用異軌立體成像進行測繪。

長條帶模式

點/區域成像模式

變向成像模式

大區域成像模式

立體成像模式

產品與應用

（1）商業銷售產品

根據JAXA的合同，日本博思科公司（PASCO）負責ALOS－3衛星圖像的商業銷售。實際上，早在2014年11月，JAXA就與PASCO公司合作，委托其開展ALOS－2雷達衛星圖像的商業銷售。PASCO公司原計劃負責銷售ALOS－3衛星的標準產品，包括L1B1、L1B2和L1C數據。

1）L1B1數據：對L1A數據進行輻射校準，并加入絕對校準系數。數據是以場景為單位提供。

2）L1B2數據：是經過幾何校正的數據產品，它提供有理多項式系數（RPC）。可以提供任何指定范圍內的數據（需要購買一定的數量）。

3）L1C數據：正射校正，包括數字表面模型數據（DSM）和日本地理測量研究所的數字地圖等。可以提供任何指定范圍內的數據（需要購買一定的數量）。

（2）民用產品

ALOS－3衛星在民用領域應用廣泛。在防災減災方面，該衛星獲取災前和災后數據的能力，原本將成為日本有關部門防災和預警的必要技術手段之一。衛星獲得的觀測數據也可用于經濟社會發展的各個領域，例如高精度地理空間信息的維護和更新、沿海和陸地環境監測的研究和應用。

ALOS－3在分辨率和幅寬方面與其他陸地衛星的對比

3 特點分析

兼顧高分辨率和大幅寬，綜合水平達到世界領先

ALOS－3衛星的分辨率達到亞米級，在亞米級衛星中，盡管分辨率未達到0.5m或更高水平，但幅寬在目前的高分辨率光學衛星中是最大的，達到70km。與世界觀測－1/2/3（WorldView－1/2/3）衛星、“新系統架構先進觀測”衛星（ASNARO）、“昴宿星”（Pleiades）、“天空衛星”（Skysat）、地球眼－1（Geoeye－1）、“伊克諾斯”（IKONOS）、災害監測星座－3（DMC－3）、快鳥－2（QuickBird－2）、多用途衛星－2（KOMPSAT－2）、斯波特－6/7（SPOT－6/7）、“對地觀測系統”（THEOS）衛星、福衛－2（FormoSat－2）衛星等高分辨率衛星在分辨率和幅寬方面的對比如圖中所示。ALOS－3衛星的空間相機使用離軸四反式消像散光學形式，采用長焦距、大相對孔徑數、大視場、小型化的設計理念，在保證高分辨率的同時，擴大了幅寬。

連續成像能力強于美國高分辨率成像衛星

日本在連續成像距離方面達到世界先進水平。ALOS－3衛星一軌可連續成像距離達到4000km，相當于連續成像時間達到10min。即便是美國能力十分強大的WorldView－3高分辨率光學成像衛星連續成像距離也僅為360km。

一星多用，兼顧資源、環境與災害的監測和測繪

ALOS－3衛星具備任意方向的側擺能力，能夠在24h內，響應災害監測需求。該星具有6個多光譜譜段，在植被監測、海岸帶監測等領域應用十分廣泛。

盡管ALOS－3衛星異軌測繪效率低于同軌測繪，但在天氣情況較好的情況下，仍然可在3天內制作可覆蓋地區的測繪產品，兼顧了一定的測繪能力。

4 小結

高分辨率大幅寬光學成像載荷技術成為重要發展趨勢

日本ALOS－3衛星創新性地采用了離軸四反射鏡消像散相機構型，使單臺相機視場角達到6°，并保持了0.8m的高分辨率，而傳統高分辨率成像衛星視場一般在1°~2°，對應幅寬超過10km。ALOS－3衛星代表的高分辨率大幅寬光學成像是未來光學成像衛星的一個重要發展趨勢，在提升偵察監視效率和重訪能力方面有重要應用價值。

日本發掘市場契機，

關注民用衛星測繪產品的商業化銷售

日本在商業遙感市場競爭力雖然不及歐美，但在國際市場也具有一定的影響力，特別在全球測繪市場擁有獨到的產品。例如：NTT數據公司（NTT DATA）和日本遙感技術中心主要基于ALOS－1衛星制作了AW3D測繪產品，并進行商業銷售。AW3D系列產品已經成為具有高度影響力的航天測繪產品。此外，JAXA與PASCO公司簽署合同，負責ALOS衛星數據的商業銷售。