“高分五号”卫星概况及应用前景展望

"高分五号"卫星是中国高分辨率对地观测系统重大专项中实现高光谱分辨率观测的卫星,运行于高度705km的太阳同步轨道,装载可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪、大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪、大气主要温室气体监测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪等6台有效载荷,具备高光谱与多光谱对地成像、大气掩星与天底观测、大气多角度偏振探测、海洋耀斑观测等多种观测手段,获取从紫外至长波红外(0.24~13.3μm)高光谱分辨率遥感数据;载荷的光谱分辨率最高可达0.03cm~(–1),具备在轨定标功能,绝对辐射定标精度优于5%,光谱定标精度最高可达0.008cm~(–1)。卫星将在环境综合监测、国土资源调查和气候变化研究等方面发挥重要作用。     

星载超光谱大气主要温室气体监测仪载荷

"高分五号"卫星是中国高分重大专项中第一颗高光谱分辨率卫星,共搭载有六台有效载荷,其中大气主要温室气体监测仪是实现CO_2、CH_4等温室气体探测的超光谱专用载荷。该载荷采用新型空间外差光谱技术原理,具有无运动部件分光、超光谱、光通量大等技术特色,是国际上首次实现基于该技术体制研制的温室气体载荷,且完全依托中国现有基础进行自主研制。文章主要介绍了大气主要温室气体监测仪探测原理及方案、在轨工作模式设计,研制过程中突破的一体化干涉仪胶合、星上定标、海洋耀斑观测等多项关键技术。阐述了载荷地面定标及性能验证等工作,对定标及测试数据进行了分析,结果表明该载荷性能已到达了国际同类载荷的先进水平。文章最后还对温室气体后续探测载荷发展提出了一些具体建议。     

高光谱观测卫星及应用前景

介绍了我国高分辨率对地观测系统重大专项中第一颗实现高光谱分辨率观测的高光谱观测卫星(GF-5)卫星及其应用前景。该卫星设计运行于高度705km的太阳同步轨道,装载可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪、大气主要温室气体监测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪、大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪共6台有效载荷。卫星的光谱分辨率高且谱段全,具备高光谱与多光谱对地成像、大气掩星与天底观测、大气多角度偏振探测、海洋耀斑观测等多种观测模式,获取从紫外至长波红外(0.24~13.3μm)高光谱分辨率遥感数据;数据辐射分辨率高,载荷的光谱分辨率最高0.03cm-1,具备在轨定标功能,绝对辐射定标精度优于5%,光谱定标精度最高0.008cm-1;长波红外空间分辨率高;高码速率数传;高可靠长寿命设计。卫星入轨后将在环境综合监测、国土资源调查和气候变化研究等方面发挥重要作用。其典型应用有陆表环境综合观测、陆表局地高温及城市热岛效应监测、矿物填图、大气成分全球遥感监测和大气污染气体监测等。     

大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪数字建模与仿真

"高分五号"卫星是中国高分专项工程中的唯一一颗实现高光谱分辨率的遥感卫星,其中搭载的大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪(Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder,AIUS)是中国第一个星载超高光谱掩星探测载荷,是中国目前光谱分辨率最高的星载傅里叶变换光谱仪。文章基于AIUS的探测原理,以掩星观测路径的能量传输为线索,研究探测仪数据获取链路中各个环节的辐射传输过程,建立了包括大气红外辐射传输仿真和探测器仿真的数字化建模与仿真模型,并对仿真模型进行了精度验证,充分验证了数字仿真模型的有效性和准确性。验证试验结果表明:数字仿真模型具有高精度的数据仿真能力,所有通道仿真数据与实际测量数据相比,相对误差小于2%,数据相似度优于0.99。因此,数字仿真模型能够为"高分五号"卫星大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪在轨成像质量预测、指标参数优化和应用能力评价提供重要的数据支撑。     

大光程差高鲁棒性摆臂角镜干涉仪设计与实现

为满足GF-5卫星上太阳掩星大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪需求,研制了大光程差高鲁棒性摆臂角镜星载傅里叶变换干涉仪。该干涉仪在传统迈克尔逊干涉仪构型基础上增加了端镜进行干涉光路折叠,实现了八倍光程放大,最大光程差达到25cm。同时,由于端镜的应用使干涉仪角镜仅需保证干涉光束入射方向上的回复反射即可,而不要求其顶点在入射光束垂直面内的位置精度,因此消除了传统角镜干涉仪由于光程扫描过程中顶点失准跳动引入的光束剪切误差影响,具有很好的振动免疫能力。文章回顾了该干涉仪的设计、仿真、实现以及相关测试和试验情况,相关成果可为星载大光程差摆臂角镜傅里叶变换干涉仪的设计与实现提供参考。     

“高分五号”卫星可见短波红外高光谱相机的研制

可见短波红外高光谱相机是"高分五号"卫星上的主载荷之一,由中国科学院上海技术物理研究所研制,以60km幅宽、30m的地面分辨率和5~10nm的光谱分辨率,同时获取地物在400~2 500nm范围内共330个连续谱段的空间信息和光谱信息。相机在可见近红外谱段(0.4~1.0μm)的光谱分辨率约为5nm,短波红外谱段(1.0~2.5μm)约为10nm。高光谱相机将能够解决遥感应用中的许多关键科学问题,诸如生态、环境监测、国土资源和地质矿产调查,以及灾害监测,农、林、牧业精细作业,城市规划等遥感应用。高光谱相机是中国首个采用凸面光栅分光的卫星载荷。与Hyperion上的仪器相比,高光谱相机信噪比更高(3~4倍),地面覆盖更宽(约8倍),谱段数更多(多100多个)。此外,高光谱相机的综合性能指标与未来5–10年国际上要发射的高光谱相机相当。     

空间高精度太阳跟踪器设计与实现

文章通过对"高分五号"卫星大气环境红外甚高光谱探测仪太阳跟踪器的设计,探讨了航天器高精度高稳定度跟踪指向技术,提出了一种挠性枢轴支撑、音圈电机驱动的高精度跟踪机构设计方法。挠性枢轴传动环节无接触摩擦,能够实现较高精度的轴系支撑;音圈电机具有结构简单、便于控制的优点,适用于短行程快响应的高精度闭环伺服控制系统,同时满足航天产品轻质、可靠的设计要求。跟踪控制采用基于位置反馈的闭环控制实现太阳粗跟踪,结合图像信息反馈的闭环控制实现精跟踪。通过仿真分析和试验测试,验证了机构跟踪精度可达0.065mrad、跟踪稳定度可达14.2μrad。该设计方法可为空间相似载荷的跟踪、扫描系统提供借鉴。     

全谱段光谱成像仪系统设计及实现

全谱段光谱成像仪是"高分五号"卫星上的一个重要的对地观测有效载荷,具有谱段多、空间分辨率高、辐射定标精度高的特点。载荷设计寿命8年,以60km幅宽、推扫成像方式,获取地球表面0.45~12.5μm谱段范围的辐射数据。可见近红外短波谱段(B1-B6)星下点空间分辨率20m,绝对辐射定标精度5%;中长波红外谱段(B7-B12)星下点空间分辨率40m,绝对辐射定标精度1K(300K时)。该载荷集成度高、技术指标先进,使中国多光谱光学遥感器在谱段数量、空间分辨率、辐射分辨率和辐射定标精度上都有了大幅提升。文章对载荷的方案、技术特点和先进性等进行了介绍,并对后续的应用方向进行了展望。     

我国极轨气象卫星的发展

介绍了我国极轨气象卫星的现况。提出了由风云三号(FY-3)上午星、下午星和降水测量卫星组成的我国极轨气象卫星对地观测网构想,给出了三种卫星的主要仪器性能指标。讨论了多载荷综合观测,利用微波波段实现全天候探测,提高光谱分辨率,提高空间分辨率,提高仪器的灵敏度、定标精度,发展无线电(GPS)掩星探测,以及发展主动遥感等极轨气象卫星发展趋势。对我国极轨气象卫星的发展给出了气象卫星向对地综合观测发展、遥感探测技术向"四高两全一多"发展、探测方式向主动与被动结合方向发展、遥感应用向高精度定量化发展、发展专用卫星或小卫星阵列等建议。分析了转动部件与太阳阵耦合抑制、高指向精度高稳定度姿态控制、高数据率数据传输、颤振对高光谱成像质量的影响分析及减振、主动微波及可见、红外、紫外谱段高精度地面及在轨定标等实现我国极轨气象卫星发展的关键技术。     

我国将研制天文卫星

本刊讯“将太阳望远镜送到大气层外的太空”这一创举将由中国空间技术研究院与中国科学院及下属的北京天文观测中心联手实现。这是从中国空间技术研究院最近召开的空间太阳望远镜先期启动动员会上传来的消息。 空间太阳望远镜属空间天文卫星。卫星的主要任务是将太阳望远镜送到大气层外的太空，在广泛的光谱范围和连续的时间演化上，通过高空间分辨率、高时间分辨率太阳探测，实现太阳物理研究的重大突破，并为空间天气预报提供重要依据和新方法。卫星投入使用后，由于它所利用的我国首创的光谱仪和超高空间分辨率技术，其提供的探测成果，…     

高光谱温室气体监测仪踏上全球“碳索”新征程

正2017年11月15日,高光谱温室气体监测仪在太原卫星发射中心随"风云三号"D星成功发射升空,26日上午,监测仪首次开机工作,成功获取了高品质太阳后向散射精细光谱。高光谱温室气体监测仪由北京空间机电研究所研制,是"风云三号"D星针对当前全球气候变化问题新增的高光谱观测载荷,采用时间调制型干涉分光的技术途径,具有超高光谱分辨率、宽光谱覆盖和高信噪比等多项优秀性能,实现了多个"国内首次"、"国际最高",成为我国高光谱温室气体干     

星载大气监测光谱仪高精度星上定标技术

大气成分的高精度反演及应用对星载超光谱载荷的辐射精度和光谱精度均提出了更高要求,且随着遥感器运行寿命的不断延长,需建立高精度、高稳定的星上定标系统。文章介绍了一种满足大气监测光谱仪高精度定标要求的星上定标技术,结合时间调制型傅里叶变换光谱仪的技术特点,制定了星上绝对辐射定标、仪器线形函数ILS测量和光谱定标的方案。采用太阳漫反射板定标法实现全口径、全视场、全光路绝对辐射定标,定标漫反射板在光谱仪光路的最前端将太阳光谱引入,通过已知的大气层外太阳光谱照度和地面标定的漫反射板双向反射分布函数BRDF确立星上绝对辐射定标基准。设置参考漫反射板进行在轨性能衰减的监测和校正,采用的QVD漫反射板具有高稳定性,可保证全寿命周期内星上绝对辐射定标精度优于5%。星上设置单色稳频激光器对光谱仪的仪器线形函数进行定期监测,以评估光谱仪的光谱分辨率等光学性能的在轨状态。利用太阳光谱和大气光谱中的特征谱线进行在轨波长校正。     

空间激光传能与红外目标探测共口径光学系统

空间激光无线传能任务中，采用红外目标探测方式实现精确跟踪瞄准。为克服分立光路的激光发射光学系统和红外目标探测光学系统既增加载重又不利于复合轴跟踪的困难，提出了激光传能发射与红外目标探测共口径光学系统。从激光传能距离和红外目标探测距离确定口径值，采用无焦离轴双抛物面作为共口径部分，利用分光镜将808 nm传能光束与7.7~9.5 μm的探测光束分离，设计了共口径光学系统。该系统口径270 mm，激光传能发射系统出射波前RMS＜0.01λ；红外目标探测系统相对孔径1/4，传递函数接近衍射极限。该共口径系统同时实现激光发射与红外目标探测的功能，可降低航天器进行星间激光无线传能任务的载重。     

毫米波导引头的技术特点

论述了空空导弹毫米波导引头的主要技术特点及其在工程应用中存在的若干问题。着重讨论了空空导弹毫米波导引头较红外和微波导引头在分辨力、反隐身和抗干扰方面的技术优势，并就毫米波导引头在探测与跟踪、大功率器件研制和毫米波器件的精密加工等关键技术问题进行了分析。     

傅里叶光谱仪光程扫描的鲁棒H_∞控制设计

为满足星载时间调制型傅里叶光谱仪光程扫描速度稳定性要求,针对星载光谱仪精密扫描跟踪系统的特点,提出一种鲁棒H无穷(H∞)控制器设计方案。文章首先分析建立了光程扫描系统的数学模型;在此基础上,为达到控制性能要求和鲁棒性要求,采用H∞混合灵敏度的设计方法,阐述了鲁棒H∞控制器设计中加权函数的选择依据和确定过程,利用Matlab鲁棒控制工具箱得到H∞最优控制器。考虑卫星平台振动的影响,建立干扰源模型,对外界干扰的影响进行了仿真验证。仿真结果表明,所设计的鲁棒H∞最优控制器具有良好的扫描跟踪特性,对外界干扰具有良好的鲁棒性,达到了星载光谱仪对高信噪比、高光谱分辨率的光谱探测性能要求。     

高光谱遥感技术发展与展望

高光谱遥感技术是在成像光谱学基础上发展起来的一种遥感信息获取技术,因其高光谱分辨率及光谱和图像同时获取的能力,在大气探测、航天遥感、地球资源普查、军事侦察、环境监测、农业和海洋遥感等领域有着广泛和重要的应用。文章对高光谱遥感技术的发展概况进行了回顾,详细介绍了典型的高光谱遥感仪器的发展历程及其主要参数,对比了不同时期各个国家高光谱遥感载荷的性能特点,分析了中国高光谱遥感技术发展现状,并归纳了国际上未来高光谱遥感技术发展计划。文章结合当前信息时代的发展特点,对高光谱遥感技术未来发展进行了展望,指出了高光谱遥感技术探测波段进一步拓宽,时间、空间及光谱分辨率进一步提高,高光谱遥感技术种类进一步丰富,图像、光谱、偏振多元信息一体化获取,智能化、网络化以及小型轻量化的发展趋势,可为中国高光谱遥感技术的进一步成熟化和实用化提供参考。     

环境减灾-1B卫星红外相机的研制

红外相机是环境减灾-1B卫星上的主要载荷之一,具有近红外、短波红外、中波红外和长波红外4个探测谱段,幅宽720km、地面像元分辨率150m/300m,主要用于自然灾害、环境污染等的监测、预报、评估.红外相机的研制中,解决了高精度双面镜扫描及其定标、弱信号高增益放大及载荷轻小型化等关键技术,成功应用了多元红外探测器和空间斯特林制冷技术,中波红外和长波红外通道共用一个光路,集成到一个焦面上,由同一台斯特林制冷机制冷.其中中波红外和长波红外通道相结合,具有200～500K的大动态范围,提高了对地物热特性和火灾监测的能力.自2008年9月卫星发射以来,红外相机运行稳定,各项指标达到了研制要求,在雪灾、旱灾、火灾和秸秆焚烧、水体污染等环境灾害监测方面有较高的应用价值,已分别纳入到民政部和环保部的卫星减灾、环境监测业务化系统.     

适用于微纳卫星的微型电离层光学探测器

文章介绍了质量小、体积小的微型电离层光学探测器技术,给出了探测器的探测原理和设计方案,通过探测原子氧远紫外夜气辉(136.5 nm)辐射强度,反演电离层总电子含量(TEC)。采用轻量化铝反射镜、抗干扰电荷前放设计,实现反射镜、工业级远紫外探测器、电子学的一体化和小型化,研制出适用于微纳卫星的1 kg量级微型空间电离层光学探测器。该型探测器能够利用微纳星群多种轨道搭载,可获得丰富数据的优势,获取全球电离层高时空分辨率总电子含量分布,为未来实现卫星编队探测提供载荷研制基础。     

基于萤火一号技术的自主火星探测器方案

提出了基于萤火一号（YH-1）火星探测器技术的自主火星探测器方案,可携带多种有效载荷在准太阳同步圆轨道上对火星进行科学探测。该方案具有可实现性强、成本低、研制周期短等特点,并能满足火星探测后续工程中的环绕器设计要求,利于我国火星探测的长远发展。利用长征三号乙运载火箭,在西昌卫星发射中心就可实现2013/2016年的我国自主火星探测。     

意大利的新型红外探测器系统

意大利电子公司开始对新一代的红外探测器系统的样机进行飞行试验,该系统的性能与现有机载雷达系统的探测和跟踪性能相似。该样机的飞行试验是在中型运输机上进行的。这种探测器结构紧凑,完全可以用在当代的战斗轰炸机上。美国海军航空发展中心正在考虑研制一种类似的机载红外搜索和跟踪探测器,用在监视或预警飞机上。法国海军也考虑用红外探测器去探测导弹和超低宅飞行的飞机。这种红外预警和目标跟踪系统采用了与