哨兵_2A光学成像卫星发射升空_龚燃.pdf

群星闪烁 Satellites Space International 国际太空 2015 8 36 哨兵 2A 光学成像卫星发射升空 2015年6月23日 哨兵 2A Sentinel 2A 卫星从库鲁航天发射中心由 织女星 Vega 运载火箭发射升 空 该卫星为 哥白尼 计划下多光谱成像任务中的首颗卫星 此后还将发射相同的哨兵 2B卫星 这2颗卫星由欧洲 委员会 EC 和欧洲航天局 ESA 共同实施 用于全球高分辨率和高重访能力的陆地观测 生物物理变化制图 监测 海岸和内陆水域 以及风险和灾害制图等 以支持欧洲斯波特 5 SPOT 5 和美国陆地卫星 7 Landsat 7 卫 星数据的连续性 目前 ESA已公布哨兵 2A卫星于2015年6月27日传回的首批卫星图像 可以看到 图中的地球充满着各种色彩 俨然斑斓的仙境一般 ESA曾将哨兵 2A卫星携带的多光谱成像仪描述为 一个创新的宽幅高分辨率多光谱成像仪 并宣称它将以一个全新的视角展现我们的地球和植被 龚燃 北京空间科技信息研究所 哨兵 2A拍摄的首张多光谱 图像 波河流域 位于意大 利西北部 法国南部 意大利米兰 意大利北部法国沿海城市里维埃拉 Sentinel 2A Satellite Launches Space International 国际太空 总第440期 37 Satellites 1 卫星简介 哨 兵 2 A 运 行 在 高 度 为 7 8 6 k m 倾 角 为 9 8 5 的 太 阳 同 步 轨 道 上 降 交 点 1 0 3 0 卫 星 设 计 寿 命 为 7 年 燃 料 可 维 持 1 2 年 尺 寸 为 3400mm 1800mm 2350mm 发射质量1200kg 其 中 多 光 谱 成 像 仪 质 量 2 7 5 k g 肼 推 进 剂 质 量 80kg 哨 兵 2 A 采 用 天 体 平 台 L A s t r o B u s L 该平台为欧洲空间标准化合作组织 ECSS 标准模块化平台 在轨寿命长达10年 卫星采用 三轴姿态控制 无地面控制点图像定位精度20m 星敏感器直接安装在相机上 可获得更优的精度和 稳定性 姿态与轨道控制分系统 AOCS 由双频 GPS接收机 L1 L2码 星跟踪器 STR 组 件 速率测量单元 RMU 冗余精确惯性测量 单元 IMU 磁强计 MAG 粗地球太阳敏 感器 CESS 4个反作用轮 RW 3个磁力矩 MTQ 反作用控制系统 RCS 和单组元推 进系统组成 星上装有1副太阳电池翼 展开面积 为7 1m 2 寿命初期总功率为2300W 寿命末期为 1700W 锂离子蓄电池的电量为102A h 下行链 路采用X频段 速率为560Mbit s 另外 其数据还 可通过 欧洲数据中继卫星 EDRS 激光链路传 回地面 星上数据存储容量为2 4Tbit 遥测 跟踪 和控制采用S频段天线 哨兵 2A由ESA成员国与欧盟 EU 投资 空 客防务与航天德国公司负责提供卫星平台 空客防务 与航天法国公司负责提供有效载荷 同时 研制小组 成员还包括德国耶拿光电公司 Jena Optronik 法 国 B o o s t e c 公 司 西 班 牙 能 源 工 程 建 设 公 司 Sener and GMV 此外 法国国家空间研究中 心 CNES 负责卫星在轨试运行期间的图像质量优 化 德国航空航天中心 DLR 负责提供激光通信 有效载荷 美国航空航天局 NASA 负责与其陆地 卫星 8进行交叉定标 哨兵 2任务专用于全面和系统覆盖陆地表面 包括主要岛屿 目标是提供欧洲和非洲地区每 哨兵 2A基本性能参数 参数指标 质量 kg约1200 寿命末期功率 W1700 推进系统 kg120 联氨 设计寿命 年7 燃料可维持12年 姿态与轨道控制分系统 三轴稳定 基于多头星跟踪器和光纤陀螺 每次监测在穿轨方向具有自指向能力 精确地理定位 无地面控制点20m RF通信 X频段有效载荷数据下传速率为560Mbit s S频段遥测数据传输速率为64kbit s 上传 2Mbit s 下传 认证 加密指令 星上数据存储2 4Tbit 数据格式化单元 向通信分系统提供任务数据帧 激光通信激光通信终端 LCT 链路 通过 欧洲数据中继卫星 提供 哨兵 2A展开示意图 星跟踪器组件 多光谱成像仪 飞行向 天底点 群星闪烁 Satellites Space International 国际太空 2015 8 38 15 30天的无云产品 为实现这一目标 提高任务 有效性 需要运行由2颗卫星组成的星座 即哨兵 2A和2B 实现5天的几何重访时间 其中1颗哨兵 2卫星的重访时间为10天 陆地卫星 7为16天 斯波特 系列卫星为26天 哨兵 2B将于2016 年7月由俄罗斯隆声号 ROCKOT 运载火箭从俄 罗斯普列谢茨克发射场发射 2 主要有效载荷 多光谱成像仪 多 光 谱 成 像 仪 M S I 采 用 推 扫 式 成 像 模 式 含 1 3 个 通 道 工 作 谱 段 为 可 见 光 近 红 外 VNIR 和短波红外 SWIR 每10天更新一 次全球陆地表面成像数据 每个轨道周期的平均 观测时间为16 3min 峰值为31min 光谱分辨率 为15 180nm 空间分辨率为10m 可见光 20m 近红外 和60m 短波红外 成像幅宽为 290km 每轨最大成像时间为40min 多光谱成像仪机械结构由3个反射镜 分光镜 设备 2个焦平面和3个星敏感器组成 多光谱成像 仪利用3个螺栓两脚架固定在卫星上 主结构尺寸为 1 4m 长 0 93m 宽 0 62m 高 质量 仅44kg 光学系统采用三镜消像散 TMA 设计 望远镜口径150mm 利用碳化硅 SiC 材料制成 可减少光学系统热变形 可见光和近红外焦平面基于 单片集成互补金属氧化物半导体 CMOS 探测器制 成 短波红外焦平面基于碲镉汞 MCT 探测器制 成 两者混合在CMOS读出电路中 近红外和短波红 外谱段的过滤 通过安装在探测器顶部的缝隙滤波器 来实现 这些滤波器还可提供所需的光谱分离 多光谱成像仪还包括一台太阳校准与快门装置 CSM 1 4Tbit的图像视频流获取后 在仪器内 部进行数字化压缩 多光谱成像仪带有1台外部传感 器组件 可以供姿态与指向参考 确保在图像校准前 实现20m地面指向精度 哨兵 2的多光谱成像仪有13个谱段 从可见光 到近红外至短波红外 空间分辨率为10 60m 可实 现前所未有的陆地监测水平 多光谱成像仪基本性能参数 参数指标 成像仪类型推扫式 光谱范围 13个 m0 4 2 4 近红外 短波红外 望远镜尺寸 M1 440mm 190mm M2 145mm 118mm M3 550mm 285mm 空间采样距离 SSD 10m B2 B3 B4 B8 近红外 4谱段 20m B5 B6 B7 B8a B11 B12 6谱段 60m B1 B9 B10 3谱段 幅宽290km FOV 20 60 探测器技术 单片硅 近红外 混合碲镉汞CMOS 短波红外 探测器冷却短波红外探测器冷却至210K以下 数据量化 bit12 质量 kg290 功率 W 266 数据速率 Mbit s 450 望远镜机械结构 多光谱成像仪 Space International 国际太空 总第440期 39 Satellites 3 激光通信 与哨兵 1一样 哨兵 2也搭载了1台激光通信 终端 LCT 并成为 欧洲数据中继卫星 的固 定用户 激光通信终端为低轨 静轨光学通信链路 基于 X频段陆地合成孔径雷达 TerraSAR X 卫星搭载的激光通信终端设计 功率2 2W 光学 孔径为135mm 通过 欧洲数据中继卫星 下行传 输记录数据 ESA和欧洲空客防务与航天公司已于 2015年2月签订协议 欧洲数据中继卫星 将于 2015 2021年为哨兵 1和2提供高速通信服务 该 协议可能持续至2028年 欧洲数据中继卫星 类似于光纤技术 其作 为 空间数据高速公路 将会提供高达1 8Gbit s的 空间激光通信速度 通过该卫星将能提供从对地观测 卫星 无人机和飞行器到地球的近实时数据传输 该 系统将能为ESA提供更安全 更快速地下载大量图 像数据的能力 帮助ESA发展环境监测 灾害响应 和危机管理的能力 欧洲数据中继卫星 的首个载荷将于2015年发 射 而在此之前 ESA则通过一个搭载在 阿尔法卫 星 Alphasat 上的有效载荷实现通信 该有效载 荷由德国航空航天中心提供 阿尔法卫星 于2013 年7月发射 是欧洲最大的通信卫星 通过ESA与国 际移动卫星公司 INMARSAT 间的公私合营方 式研发 激光通信终端证明了激光技术从拥挤的低轨 道收集信息 继而从位于36000km高的地球静止轨道 上将信息传回地球的可行性 该终端于2013年11月在 ESA位于特内里费岛 Tenerife 的光学地面站进行了 测试 测试结果表明其性能良好 可以使用 激光通信与传统的无线电通信相比 可以通过 更高的速率传输更多的信息 这可以满足人类日益增 长的对卫星通信服务的需求 由于 欧洲数据中继卫 星 响应时间更快 一次性所接收的信息量更大 它 将应用于 哨兵 系列卫星以及其他环境监测和减灾 卫星上 据估计 哥白尼 系统要求其空间数据高 速公路每天要向地面传输6000Mbyte的数据 如果 没有星地激光通信 其系统要求将很难得到满足 这个新通道同时解决了低轨道卫星无法传输关键 时间的信息问题 这些低轨卫星只有在临近地面站时才 能够传输数据 而在其他时间里只能将有效信息存储下 来 这意味着在每个轨道上只有10min左右向地面传输 a 近红外焦平面阵列 b 短波红外焦平面阵列 焦平面阵列 FPA 示意图 多光谱成像仪的13个谱段的应用领域 光谱谱段 中心波长 nm 空间采样距离 m 任务目标测量或定标 B1 443 20 60 B2 490 65 10 B12 2190 180 20 气溶胶校正 定标谱段 B8 842 115 10 B8a 865 20 20 B9 940 20 60 水蒸气校正 B10 1375 20 60 洋流探测 B2 490 65 10 B3 560 35 10 B4 665 30 10 B5 705 15 20 B6 740 15 20 B7 775 20 20 B8 842 115 10 B8a 865 20 20 B11 1610 90 20 B12 2190 180 20 陆地覆盖分类 叶绿素含量 叶片水含量 叶面积指数 LAI 积雪 冰 云 矿物探测 陆地测量谱段 群星闪烁 Satellites Space International 国际太空 2015 8 40 的时间 这只占了每个轨道上总持续时间的1 10 而 欧洲数据中继卫星 将把通信时间延长5倍 欧洲数据中继卫星 将提供一个快速 可 靠 无缝的电信网络 可根据需要在适当地点和适当 时间从卫星实时获取数据 欧洲数据中继卫星 的 组织方式是ESA和空客防务与航天公司间的公私伙 伴关系 在其组件于2015年和2016年完成发射后 将会为全世界用户提供完全的商业服务 届时 哨 兵 系列卫星将会证明空间激光通信的效力 4 地面段 对于 哥白尼 计划的运行 ESA定义了 哥 白尼 核心地面段的概念和框架 包括飞行运行 段 FOS 和有效载荷数据地面段 PDGS 哨 兵 1和2的飞行运行与任务控制由欧洲空间运行 中 心 E S O C 位 于 德 国 达 姆 施 塔 特 负 责 哨 兵 3卫星和哨兵 4 5载荷由欧洲气象卫星组织 EUMETSAT 负责 地面段包括以下2个部分 1 飞行运行段 该段负责哨兵 2的所有飞行 运行 包括监测与控制 执行所有平台活动和有效载 荷进度指令 飞行运行段的工作由位于德国达姆施塔 有效载荷数据地面段地面站分布图位于意大利马特拉齐的核心地面站 特的欧洲空间运行中心完成 该中心包括地面站和。