环境减灾-1A、1B卫星光学载荷在轨运行情况分析

朱军 陈卫容

（1 航天东方红卫星有限公司，北京 100094）（2 中国资源卫星应用中心，北京 100094）

1 引言

环境减灾-1A、1B（HJ-1A、1B，简称A 星和B星）卫星是“环境与灾害监测预报小卫星星座”中的2颗光学卫星［1-2］，于2008年9月6日在太原卫星发射中心以“一箭双星”的形式发射，到2013年7月已在轨稳定运行近5年。卫星的主要任务是对灾害、生态破坏、环境污染进行大范围、全天候、全天时动态监测，已在灾害和生态环境发展变化趋势预测、灾情和环境质量快速评估，提升灾害和环境信息的观测、采集、传送和处理能力，以及紧急求援、灾后救助、恢复重建和环境保护等方面提供了大量的有效数据［3-4］。

A 星和B星都采用太阳同步轨道，轨道高度为650km，相位呈180°分布，过境时间间隔为50 min左右，共装载了3类光学载荷。其中：2颗卫星上都装载了2台宽覆盖多光谱CCD 相机（简称CCD 相机）；A 星上装有一台超光谱成像仪（HSI）；B 星上装有一台红外相机（IRS）。本文统计并分析了A 星和B星近5年在轨运行期间CCD 相机、HSI和IRS的遥测参数变化，以及它们的图像质量和应用情况，最后对光学载荷的运行健康状况进行了评价和预估，可为卫星后续在轨稳定运行提供参考。

2 数据量及全球覆盖情况统计

截至2012年12月31日，卫星地面接收站共接收和处理A 星和B星下传的原始数据14 946轨，其中A 星下传7248轨，B 星下传7698轨。卫星地面处理系统共生产和归档二级产品929 582景，数据量约 为125 Tbyte，其中A 星688 958 景，B 星240 624景，为各级用户分发超过260 万景图像数据。在轨期间，为了提高相机数据定量反演和应用的精度，获取星地链路定标数据，卫星用户还组织开展了针对CCD 相机和HSI的敦煌场地辐射定标试验［5］，以及针对IRS长波红外通道的青海湖辐射校正场辐射定标测试［6］和在轨交叉定标测试［7］。A 星和B星光学载荷图像数据统计见表1，全球有效覆盖情况见图1。

表1 A星和B星光学载荷图像数据统计Table 1 Image data statistics of HJ-1A，1Boptical payloads

图1 A 星和B星光学载荷影像全球有效覆盖Fig.1 Earth effective coverage of HJ-1A，1Boptical payloads

3 遥测数据分析

本节统计和分析了2008年9月20日-2013年7月20日A 星和B星光学载荷每个遥测参数的1000组数据。对于电压和电流数字量遥测，只选择光学载荷开机时的数据进行分析；对于光学组件、焦面探测器及转动机构等重点部位的温度遥测参数，全部进行统计和分析。

3.1 CCD 相机遥测数据

A 星和B星上分别搭载了2台CCD 相机，相机的设计完全相同，空间分辨率为30 m，单台相机幅宽为360km，谱段覆盖为0.45～0.90μm，分为4个谱段。每台CCD 相机有32路遥测参数（24路数字量参数和状态参数，8路温度遥测参数）。在轨运行期间，4台CCD 相机的28 路二次电源电压遥测值均显示稳定，电压幅度变化量不超过3%，线性增长率为0，说明整星母线电压稳定，相机DC／DC 模块工作正常。以下选取影响CCD 相机成像质量的镜头温度和CCD 焦面温度遥测进行统计和分析，见图2。

图2 CCD 相机遥测参数曲线Fig.2 Telemetering parameter curves of CCD cameras

从图2可以看出，A 星和B星4台CCD 相机遥测参数具有以下特点。

（1）4 台CCD 相机光学镜头热控措施持续有效，主动控温功能保证镜头温度变化范围为20.1～20.8 ℃，确保镜头畸变处于最小程度。按照趋势分析，在未来1～2年内，相机光学镜头温度将稳定保持在（20.5±1.0）℃范围内。

（2）受CCD 焦面电路开关机及全年太阳辐射常数周期性变化的影响，A 星CCD 焦面温度波动范围较大（4 ℃），且呈缓慢上升趋势，在近5年内整体增长了1.5 ℃。造成这一现象的原因可能是：为CCD焦面提供散热措施的星外辐冷板热控涂层受空间环境长期影响，其太阳吸收率增大，辐冷板平衡温度提高，散热效率下降，导致CCD 焦面温度上升［8］。由于温度会对CCD 暗电流噪声产生强烈影响，随着温度的升高或降低，暗电流数值将按指数增加或减小，温度每升高7 ℃，暗电流噪声增大1倍［9］。暗电流噪声与温度的关系如图3所示［9］。CCD 焦面温度由18 ℃上升到19.5 ℃，暗电流噪声约增加15%，对CCD 相机动态范围及信噪比的影响较小。

图3 CCD 暗电流随温度的变化Fig.3 Variety of CCD dark current with temperature

（3）相比A 星，B 星 的CCD 焦面温度较为稳定，波动范围只有2℃，在轨工作期间温度没有发生明显增长。

3.2 HSI遥测数据

HSI安装在A 星载荷舱内，是中国首个对地观测的超光谱成像仪，空间分辨率为100 m，幅宽为50km，平均光谱分辨率为5nm，115 个谱段覆盖0.45～0.95μm 光谱范围；通过摆镜的±30°侧摆，HSI可实现对全球重复观测。HSI共有37路数字量参数和状态遥测参数，以及19路温度遥测参数。由于HSI二次电源工作稳定，遥测变化范围小于1.8%，因此只重点分析影响HSI图像质量的关键部组件，如光学系统、摆镜电机和CCD 焦面的温度遥测数据，见图4。

图4 A 星HSI温度遥测参数曲线Fig.4 Temperature telemetering parameter curves of HJ-1A’s HSI

从图4可以看出，A 星HSI温度遥测参数具有以下特点。

（1）光学系统温度波动范围小于1℃（前光学系统），光学系统温度梯度小于1 ℃。

（2）摆镜电机温度无明显变化，在轨运行近5年期间上升0.25℃，能确保摆镜电机工作在适宜温度环境下。

（3）CCD 焦面温度遥测随季节变化明显，在-9～＋1 ℃范围内波动。CCD 焦面温度在北半球冬季和夏季时的温差最大，达到6 ℃，这是因为CCD 焦面通过热管与卫星外部的散热板相连，受卫星外热流影响较大。在北半球冬季和夏季，地球分别处于近日点和远日点，大气层外太阳辐射常数分别为1412 W／m2和1323 W／m2，外热流的明显变化导致CCD焦面温度发生变化。CCD焦面温度在5年内上升了2.25 ℃左右，可能是受到星外辐冷板散热效率下降的影响。按照CCD暗电流噪声与温度的变化关系，CCD 焦面平均温度由-5.70 ℃上升到-3.45℃，每个像元的暗电流噪声约增加15eV，基本可以忽略对图像质量的影响。

3.3 IRS遥测数据

IRS安装于B星载荷舱内，光谱范围为0.75～12.5μm，分为4个谱段，幅宽720km，空间分辨率在近、短、中红外谱段为150 m，长波红外谱段为300m。IRS有32路数字量遥测参数和8路温度遥测参数，本文重点分析在轨长期转动的扫描电机和消角动量电机，为中长波红外探测器降温的制冷机等关键部位，以及短波红外探测器的遥测数据，见图5。

从图5可以看出，B 星IRS的遥测参数具有以下特点。

（1）扫描电机和消角动量电机作为在轨长期转动设备，已连续运行超过42 000h，2台电机的工作电流分别一直稳定在270 mA 和70 mA 附近。电机温度遥测整体变化较小，随季节更替有1.5～2℃的波动，经过近5年的在轨运行，消角动量电机平均温度提高约1.3℃。从电压、电流和温度遥测分析，IRS的扫描镜在轨保持稳定运行，没有发生失速或角动量超标的情况，没有出现图像漏缝及几何畸变等问题。

（2）作为制冷中长波红外探测器的重要组件，受制冷机工作热耗影响，制冷机膨胀机和压缩机外壳温度分别在-2～＋22 ℃和-7～＋7 ℃范围内波动，没有出现明显增高的情况。杜瓦冷头温度遥测代表封装中长波红外探测器的杜瓦内部温度，遥测显示杜瓦内部温度保持在94.2K。从膨胀机、压缩机和杜瓦冷头温度的遥测可以说明，制冷机以及为制冷机提供散热措施的控温组件工作正常。

（3）短波红外探测器温度稳定在0.5～2.5℃范围内，无整体升降温趋势。

图5 B星IRS遥测参数曲线Fig.5 Telemetering parameter curves of HJ-1B’s IRS

4 图像数据应用情况

4.1 CCD 相机

CCD相机的谱段范围宽，在空间分辨率为30m时的地面覆盖宽度达到710km（2台相机），为环保、减灾、农林、水利等应用领域提供了大量数据。图6是A 星和B星CCD相机与美国陆地卫星-7（Landsat-7）的增强型专题制图仪＋（ETM＋）获得的四川龙门山北缘断裂地区数据的对比，2种数据的解译结果在总体上基本相当。

图6 CCD 相机与ETM＋断裂解译结果比较Fig.6 Distinguishing effect comparison of fracture between CCD camera and ETM＋

图7是利用CCD 相机进行水体提取、旱情分布及温度分级的应用效果。与Landsat-7、法国“斯波特”（SPOT）卫星以及美国“土”（Terra）卫星的中分辨率成像光谱仪（MODIS）相比，A 星和B 星CCD相机的水体识别符合度达到90%以上，旱情分级符合度大于66%。CCD 相机动态范围设置偏大，地物反射能量主要集中在动态范围低端，导致相机输出图像灰度值分布范围小于中巴地球资源卫星-02B（CBERS-02B）和ETM＋，CCD 相机的数据熵值为ETM＋数据熵值的1／3，CCD 相机数据包含信息量小于CBERS-02B和ETM＋。

图7 CCD 相机环境灾害特征提取效果Fig.7 Environment and disaster character distinguishing effect of CCD cameras

4.2 HSI

HSI是国内首先采用静态干涉型成像光谱技术研制的一种卫星有效载荷。HSI 空间分辨率为100m，幅宽为50km，平均光谱分辨率为5nm，可连续反演出115个谱段的光谱信息，能精细监测土地的沙化、盐碱化、石漠化；探测冰雪灾害与森林、草原火灾；调查国土资源及广域土地分类；进行植被分类、植树造林和退耕还林效果评估，发现森林砍伐与破坏；服务于农业估产、监测病虫害及生态环境破坏［10］等。由于HSI的工作谱段较窄，覆盖可见光到近红外（0.45～0.95μm），未覆盖短波红外，因此在一定程度上限制了其应用。另外，分析其在轨图像时发现，由于HSI光学系统采用狭缝式设计，入瞳能量较低，偏蓝谱段范围的信躁比和灰度值较低，影响了定量化反演和应用。图8为HSI与MODIS获取植被病虫害数据的提取精度比对，图9为利用HSI获取数据对火灾地区的植被影像分类效果［11］。

图8 HSI和MODIS病虫害探测情况Fig.8 Detection of plant diseases and insect pests of HSI and MODIS

图9 HSI影像分类应用效果Fig.9 Classification application effect of HSI image

4.3 IRS

IRS获取的近红外谱段数据能有效地用于植被、土壤、岩石等的分类以及特性研究。由于水体在该谱段反射率很低，获得的数据可用来描绘水体的轮廓。短波红外谱段能很好地观测植被密度木质素及植被中的水分，具有植物分类识别能力。获取的数据用于绘制水体略图，判断土壤含水量；进行冰雪覆盖探测（见图10），与MODIS相比，积雪范围提取精度更高，达到90%以上；能实现土壤干旱和洪涝区的动态监测；相比MODIS的1km 空间分辨率，具有更高的空间分辨率（150～300m），火点识别精度明显高于MODIS［12］。长波红外谱段具有热特性敏感，可监测地表的发热特性。卫星用户利用IRS长波红外谱段数据获取地表温度，同时用CCD 相机多光谱数据观测植被指数，对地表干旱程度进行了较好的定量反演［13］。

图10 IRS和MODIS的积雪特征提取效果Fig.10 Snow character distinguishing effect of IRS and MODIS

5 结论

HJ-1A、1B卫星在轨已稳定运行近5年，6台光学载荷各项性能和功能均正常，所有设备均正常工作。根据对6台光学载荷的遥测参数和图像数据应用情况的分析和研究，作出如下几点评价。

（1）6台光学载荷成像功能正常，状态量遥测参数和模拟量遥测参数变化范围较小，均在正常范围内，DC／DC电源模块能够稳定输出电压，电压变化量不超过5%，满足光学载荷正常工作所需电压范围要求。

（2）光学载荷关键部位（光学系统、结构和机构）温度遥测变化量很小，温度遥测均在热设计范围内。在轨运行近5年里，A 星CCD 相机的CCD 焦面温度、HSI的CCD 焦面温度及IRS 消角动量电机温度，分别升高1.5 ℃、2.25 ℃和1.3 ℃，其中，以HSI的CCD 焦面温度升高幅度最大。由于卫星外热流以及载荷舱母线电流在近5年内没有明显变化，因此温度上升可能是由器件热耗上升及星外辐冷板热控涂层散热效率下降引起的；从变化趋势分析，关键部位的温度遥测将以每年0.3～0.45 ℃的速度上升。虽然载荷关键部位温度上升，但是幅度较小，目前仍在热设计范围内，并有较大余量，可确保载荷在正常温度环境下稳定工作。

（3）光学载荷长期转动部件（IRS的扫描电机和消角动量电机）持续稳定运行，电压、电流等遥测正常，与发射初期遥测相比，变化量小于1%。转动部件没有出现堵转、失步等问题，地面图像几何质量稳定正常。

（4）由于3类光学载荷在设计上存在一定的不足，因此其图像数据在某些领域的推广应用受到了限制。在后续设计中，建议进行以下几方面的优化设计：①针对CCD 相机，优化相机动态范围设置，增加多档增益控制及参数上注功能，提高信躁比；改进光学设计，减小相对畸变。②针对HSI，改进光学系统，增加入瞳能量，扩展谱段范围至短波红外，进一步提高信躁比、光谱分辨率及地面光谱反演精度。③针对IRS，增加背景数据上注功能，降低背景噪声，提高中长波图像信噪比。

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