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我国首颗极地遥感小卫星研制应用纪实

by:中国自然资源报
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  近日,在中国南极中山站附近的冰盖机场,冰路卫星副总指挥刘旭颖利用固定翼无人机完成达尔克冰川观测作业,获取的无人机数据将与同步卫星数据进行对比分析,为冰路卫星提高冰雪地物表面观测准确性提供支持。


研究人员利用无人机开展冰川观测作业,与同步卫星数据进行对比分析


  2019年9月12日,我国首颗极地遥感小卫星,也是我国“三极遥感星座观测系统”的首颗试验卫星——冰路卫星成功发射。2019年10月8日,卫星数据引接系统正式上线,向全球科学家开放。


技术人员组装冰路卫星


  在中国第36次南极考察中,刘旭颖随“雪龙”号奔赴中山站沿途开展卫星地面真实性检验和“卫星-无人机-地面”同步科学实验,以期提升卫星在极地冰区导航能力和定量化应用水平。


解决极地数据缺乏难题


  南北极地区是地球气候系统的重要组成部分,对全球气候变化的反应较为敏感、剧烈。但长期以来,我国一直没有一颗专门用于两极观测的卫星,极地遥感观测资料较为缺乏。
  “冰路卫星项目发起人、中山大学测绘科学与技术学院院长程晓表示,由于我国卫星能获得的极区资料非常有限,科研人员高度依赖国外卫星遥感数据。”
  2001年,一幅30米分辨率的美国陆地卫星影像在中国遥感卫星地面站定价为4000元、5米分辨率的法国SPOT卫星影像为3万元。当时,为开展极地遥感研究,程晓写了几十页的报告向欧洲空间局申请了4幅欧洲资源卫星ERS所拍摄的南极格罗夫山地区的雷达影像。同时,在中国科学院院士郭华东帮助下,他获得了日本JERS-1卫星拍摄的同一地区的雷达影像。
  利用这几幅来之不易的南极雷达影像,程晓完成了博士论文,开创了双频干涉雷达方法,揭示了南极格罗夫山地区复杂的冰流场。
  2013年底,"雪龙”号在南极被冰海围困,各路遥感卫星立即开展针对性观测,但发挥关键作用的仍是国外免费开放的卫星数据。
  “近年来,我国发射的高分、资源等系列卫星基本实现了国土区域遥感数据的自给自足。然而,两极特殊区域的观测仍然极其缺乏,这与我国航天大国的地位极不相称。”为弥补我国长期自主极地观测数据短板,2017年,程晓提出了“我国应该建立三极遥感星座观测系统”的倡议,得到了全国20多家科研院所的支持,项目得以顺利推进。
  在科技部支持下,"三极遥感星座观测系统”的首颗试验卫星--冰路卫星由北京师范大学和深圳东方红海特卫星有限公司联合研制。

从“探路”星到“鸽群”星座


  最初,“三极遥感星座观测系统”计划发射80颗卫星,后来经过科研团队估算,只用24颗卫星也能初步达到科研效果。
  程晓介绍,科研团队开始设计卫星的时候,是在综合考虑国内现有卫星成果和国外同用途卫星成果情况后做出的设计决定,并没有简单地去复制国外现有模式。
  目前,国际上有两类主流极地观测卫星:
  一类是以美国陆地卫星Landsat-8为代表,30米分辨率、180公里幅宽,2013年发射。
  另一类是最高分辨率250米的MODIS卫星,其幅宽达到2300多公里,1999年发射,设计寿命5年,实际上已经稳定运营了20年。
  科研团队选择的是介于这两种之间的新型观测模式,分辨率优于80米,幅宽近800公里。冰路卫星提供的一种独特幅宽和分辨率组合的极地遥感数据,可与国外卫星遥感数据协同使用。
  据了解,冰路卫星重约16公斤,配备了2台光学相机载荷和1台AIS接收机。卫星的宽幅相机专门针对极地观测高动态场景进行设计,传感器对同一地物自动进行两次长、短时间曝光,输出融合后的图像,可有效改善冰雪、陆地水体同时存在的高动态场景成像效果。通过每天对极地地区的观测,可及时获取海冰变化情况,并结合AIS接收机收到的船只信息,自动为船只规划航行线路,做出航道风险评估。
  “目前国际上发展的大卫星,虽然功能强大,但研制周期长、成本高、风险大。”鉴于此,科研团队提出了小卫星模式,搭载的传感器从十几个降为3个,成本从十数亿元降为几百万元,研制周期从5年"10年降为1年多。
  “小卫星具有集成度高、成本低、研制周期短、批量生产能力强、配置灵活、可扩展性强等特点,适用于姿态控制精度高、机动能力强、数据传输量大的微纳遥感卫星任务。”卫星研制过程中,程晓和科研团队从用户角度提出科研需求,用来反推支撑卫星平台、载荷、轨道高度、轨道设计等,卫星研制发射和获得的数据成果也因此更能满足科研应用需求。
  “冰路卫星还是一颗‘探路’星,未来将采用‘鸽群’发展模式。”程晓举例说,假如只放一只鸽子出去传递信息,遭遇意外,信息就断了,但是如果放一群携带同样信息的鸽子,到达目的地的概率就大大提升了,这就是低成本、高效率的“鸽群模式”。
  “其实该卫星不仅可针对极地进行观测,还可以实现全球范围内任意区域中等分辨率图像采集,只是因为目前电源和传输条件限制,优先极地观测。”程晓表示,待到“星座”组建完成后,预计可实现对极区快速变化过程的小时级观测。

小卫星有大功能


  卫星发射成功,后续应用是关键。在程晓看来,评价一颗卫星,主要看后期成果应用情况,如果应用少,所获取的成果质量好坏就缺乏实践考验,无法把合理的意见和建议反馈到前端,也不利于我国卫星遥感产业发展。
  据了解,冰路卫星的影像成果完全开放、免费提供给用户使用。在数据处理方面,为解决卫星数据的实时接收、处理和分发,国际商业卫星地面接收站负责接收数据并传回国内;吉林长光卫星公司负责卫星数据前期处理,之后把数据上传到“华为云”,实现数据的快速下载和处理,并供全球共享。
  “程晓表示,希望吸引更多用户使用冰路卫星数据,用户在应用中发现问题,可提出意见和建议,促进卫星设计和研制水平提高,从而提供更优质的卫星数据,加强我国极地天基观测能力。”目前,在我国的极地科学研究中,冰路卫星已初显身手。2019年9月25日,位于我国南极中山站西侧的南极洲第三大冰架-一埃默里冰架发生了大崩解,产生了一个面积约1670平方公里的巨大冰山。针对这一突发的冰山崩解事件,卫星运控团队紧急启动了机动模式,对埃默里冰架及南极中山站地区,实施过境即拍,卫星连续8天成功成像,实现了对该地区的连续监测。
  “冰路卫星有效提高了我国的极地遥感能力,减少对国外卫星的技术依赖,弥补了我国极地观测数据不足,将为促进我国极地与全球气候变化研究发挥重要作用。”程晓说,欢迎更多用户下载冰路卫星影像数据,通过冰路卫星数据应用的探索和实践,为建设更健全、更开放、更优质的数据平台提供指导,带动更多的图像数据后端处理及应用技术发展。
  研究人员利用无人机开展冰川观测作业,与同步卫星数据进行对比分析。