“高分五号”卫星概况及应用前景展望

孙允珠 蒋光伟 李云端 杨勇 代海山 何军 叶擎昊 曹琼 董长哲 赵少华 王维和



“高分五号”卫星概况及应用前景展望

孙允珠1蒋光伟1李云端2杨勇2代海山2何军2叶擎昊2曹琼2董长哲2赵少华3王维和4

（1 上海航天技术研究院，上海 201109）（2 上海卫星工程研究所，上海 201109）（3 生态环境部卫星环境应用中心，北京 100094）（4 国家卫星气象中心，北京 100081）

“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。

大气探测 对地成像 偏振探测 掩星观测 高光谱应用 遥感“高分五号”卫星

0 引言

高光谱遥感融合了成像技术和光谱技术，可实现空间信息、光谱信息和辐射信息的综合观测，提升了遥感观测的信息维度，极大地推动了遥感技术革命与发展，其应用领域目前已经涵盖了地球科学的各个方面，成为地质制图、植被调查、海洋遥感、农业遥感、大气研究、环境监测等领域重要手段[1]。高光谱遥感可利用目标光谱特性的不同实现对目标的精确识别与定量反演，可弥补多光谱或全色成像遥感定量应用的局限和不足，成为各国竞相发展的重要技术。美国于2000年7月发射了EO-1卫星，搭载了光栅分光式的Hyperion高光谱成像仪[2]，开创了星载高光谱对地成像技术在轨应用先河；针对大气成分探测需求，美国已实现大气探测高光谱仪器的业务化运行，如美国的Aura卫星的OMI和TES、AUQA卫星的AIRS等仪器[3-4]。此外，欧空局在2002年发射的ENVISAT卫星上也装载了SCIAMACHY和MIPAS等高光谱遥感仪器[5]，并在轨运行约10年，实现了对陆地、大气、海洋及冰盖的连续业务监测。目前国内尚未实现对陆表环境的高光谱成像观测，且对大气痕量气体、温室气体等大气成分的总量及其空间分布缺乏综合探测能力，亟需发展具备高光谱对地成像及大气探测能力的卫星。

图1 GF-5卫星在轨飞行示意

“高分五号”卫星（以下称GF-5卫星）是中国第一颗高光谱综合观测卫星，如图1所示。该卫星运行于太阳同步轨道，轨道高度705km，主要用于获取从紫外到长波红外谱段的高光谱分辨率遥感数据产品，是实现高分专项“形成高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率和高精度观测的时空协调、全天候、全天时的对地观测系统”目标的重要组成部分，是实现国家高分辨率对地观测能力的重要标志之一。发展GF-5卫星，掌握高光谱遥感信息资源的自主权，摆脱对国外高光谱遥感数据的依赖，是国家的紧迫需求，具有重大战略意义。

GF-5卫星研制的主要目标是提升中国星载高光谱对地遥感能力，实现对大气环境、水环境和生态环境的综合监测，卫星主要任务为：

1）对内陆水体和生态环境进行综合监测，以满足环境保护、监测、监管、应急、评价、规划等方面的需求；

2）对地质找矿典型蚀变矿物以及主要岩石类型等进行勘测，以满足资源调查和地质填图等需求；

3）对CO2、CH4、O3、NO2、SO2等大气成分和气溶胶进行监测，以满足大气环境监测和气候变化研究的需求；

4）为农业、减灾、国安、公安、城市建设、交通、林业、地震、海洋、测绘、统计等部门提供监测服务，提高行业应用的能力。

1 卫星技术特点

GF-5卫星多项技术填补了国内空白，技术指标国际先进：

1）光谱分辨率高且谱段全

国际上首次具备紫外―可见―红外（短波、中波、长波）全谱段的高光谱观测能力，最高观测光谱分辨率可达0.03cm–1，光谱定标精度最高可达0.008cm–1。配置的对地成像载荷可获取地表目标的可见―短波红外谱段高光谱和多光谱图像，填补国内地表高光谱―多光谱综合观测空白；配置大气探测载荷可获取紫外―可见―红外谱段大气成分吸收谱线数据，结合地表高光谱成像数据产品，可实现大气环境、水环境和生态环境综合观测，为用户提供全谱段、高精度的高光谱观测产品。

2）卫星遥感数据辐射分辨率高

对地观测可见近红外通道的信噪比大于200，短波红外通道的信噪比大于100，中长波红外谱段噪声等效温差小于0.2K。可见短波通道绝对辐射定标精度优于5%，相对辐射定标精度优于3%，中、长波红外通道定标精度优于1K（300K时）。

大气成分探测紫外谱段信噪比大于200，可见谱段信噪比大于1300，二氧化碳、甲烷通道信噪比大于250。绝对辐射定标精度优于5%，相对辐射定标精度优于3%。

大气气溶胶探测信噪比大于500，辐射定标精度优于5%，偏振探测精度优于2%。

3）长波红外空间分辨率高

全谱段光谱成像仪配置了长波红外分裂窗通道（10.3~11.3μm、11.4~12.5μm），保证分裂窗通道噪声等效温差小于0.2K，且空间分辨率可达40m，幅宽可达60km，可实现温排水监测、旱情/洪涝监测、地表能量平衡评估等红外遥感定量应用。

4）卫星观测和定标模式多

国内首次运用高光谱―多光谱对地成像观测模式，以及天底观测、掩星观测、海洋耀斑观测等多种大气探测模式，共计26种之多，几乎涵盖了目前光学遥感卫星所有的工作模式；采用大幅宽高光谱成像、高分辨率长波红外分裂窗观测、多角度偏振探测，实现对大气及地表目标的高光谱综合观测。

5）数传码速率高

卫星装载了多台高光谱分辨率有效载荷，输出码速率高达2.27Gbit/s，对数传码速率及可靠性提出了极高要求。为此，数传综合处理器采用新型的FLASH存储技术，可实现内部读写处理速率5.12Gbit/s；采用了高速串行传输技术（TLK2711），数据传输速率可达2.0Gbit/s。采取了“双通道混合传输模式”，提高了星地数据传输利用率，最大化利用星地传输信道；采用极化复用两维驱动点波束天线，可对地实现450Mbit/s×2的数据传输能力。

6）结构布局复杂

GF-5卫星装载6台有效载荷，具有质量大、尺寸大、视场复杂、安装精度要求高等特点。其中两台质量最大、尺寸最大的载荷，质量均达到约300kg，最大尺寸约为1.7m，相当于两颗轻型小卫星的当量；6台有效载荷包含对地观测视场、掩星观测视场、太阳定标视场、比辐射计视场等指向地球、太阳及内部定标灯各类指向视场共计12个，视场最大达到114°。根据上述复杂特点，创新性提出了星体两阶梯构型，解决了6台有效载荷的布局难点。

7）高可靠姿轨控保证

为实现高可靠的姿态控制，GF-5卫星共设计了15种姿态控制模式，包括10种正常模式，1种降级模式和4种故障安全模式；可自主诊断星敏感器、陀螺、飞轮等重要组部件的健康状态，发现问题后及时切换至备份组件。为满足有效载荷的高分辨率成像要求，卫星可以实现偏航导引功能。为满足应急高时效观测需求，卫星可实现整星±25°姿态机动。

8）高可靠长寿命设计

卫星设计寿命长达8年，是目前国内设计寿命最长的光学遥感卫星。长寿命要求卫星在空间环境效应、活动部件的转动圈数、消耗性原料等方面进行高可靠设计。在继承现有成熟方案基础上，GF-5卫星针对各寿命薄弱环节开展了方案优化设计，采取改进措施，并开展长寿命专项试验验证工作，加严产品过程测试和控制，确保卫星达到8年设计寿命要求。

2 卫星方案概述

GF-5卫星发射总质量≤2850kg，采用标称高度为705km，升交点地方时为13:30的太阳同步轨道。根据用户需求及目标任务，GF-5卫星共装载6台有效载荷，如图2所示。其中对地成像载荷2台，分别为可见短波红外高光谱相机（Advanced Hyper-Spectral Imager，AHSI）和全谱段光谱成像仪（Visual and Infrared Multispectral Imager，VIMI），光谱通道及空间分辨率特性如图3所示，其对地成像谱段覆盖可见、短波、中波以及长波红外，空间分辨率20~40m，可满足中国在环境综合监测和国土资源勘查等方面的应用需求；大气探测载荷4台，分别为大气主要温室气体监测仪（Greenhouse Gases Monitoring Instrument，GMI）、大气痕量气体差分吸收光谱仪（Environmental Trace Gases Monitoring Instrument，EMI）、大气气溶胶多角度偏振探测仪（Directional Polarization Camera，DPC）和大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪（Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder，AIUS），光谱通道及空间分辨率特性如图4所示，依据大气成分的吸收谱线特征、云及气溶胶的吸收散射特性，大气探测载荷谱段覆盖紫外、可见、短波至长波红外，可满足中国对大气环境监测、气候变化研究等方面的应用需求。

图2 GF-5卫星载荷配置

图3 GF-5卫星对地成像载荷谱段

图4 GF-5卫星大气探测载荷谱段

GF-5卫星的轨道准回归周期为7天，每隔7天的星下点轨迹向西漂移53.9km，保证两台窄视场的相机（可见短波高光谱相机和全谱段光谱成像仪）的刈幅（60km）无缝搭接，配合卫星±25°侧摆能力，可实现5天中国领土及近海周边重访；同时该轨道可保证大视场的大气探测载荷在1~2天内全球覆盖，还可与美国A-Train卫星星座（轨道高度705km）的相关载荷进行数据比对，相互验证数据精度，提升数据品质。

GF-5卫星继承SAST-ML1公用平台方案，系统组成如图5所示。

图5 GF-5卫星系统组成框图

GF-5卫星结构分系统由服务平台和有效载荷舱两部分组成。载荷舱采用两舱阶梯布局增大对地安装面，通过合理优化布局确保满足各载荷视场要求。姿轨控分系统采用零动量控制方案，同时具备偏置动量控制的能力，实现卫星长期在轨姿态稳定控制、偏航导引和姿态机动控制。电源分系统采用太阳电池阵和2组70Ah镉镍蓄电池组联合供电、28V全调节直流母线方案，二次电源采用分散式供电方案；太阳电池阵使用三结砷化镓贴片，总面积22.46m2。太阳电池阵分系统采用单翼偏置构型太阳翼、一维对日定向跟踪的驱动方案。测控分系统采用统一S波段（USB）体制+GPS的测控方案。数管分系统由星上数管计算机（CTU）和1553B总线组成。数管计算机（CTU）使用TSC695F CPU，总线通讯协议采用基于1553B总线的二级拓扑结构：数管计算机为一级主控制器，各有效载荷、GPS接收机、数传综合信息处理器等单机为二级管理单元。数传分系统极化复用技术，通过二维点波束天线下传信号，码速率为2×450Mbit/s，固存容量为2Tbit，数据格式符合CCSDS AOS传输协议。

GF-5卫星结构分系统、数管分系统示意图如图6和图7所示。

图6 GF-5卫星结构分系统组成示意

图7 GF-5卫星数管分系统组成

可见短波红外高光谱相机采用离轴三反望远镜，经基于高效凸面闪耀光栅的Offner光谱仪进行精细分光，实现30m空间分辨率、60km幅宽、400~2 500nm谱段范围、共330个通道的高光谱成像；装有漫反射板、比辐射计及LED光源等组成的星上定标装置，可实现在轨光谱及辐射定标，可进行光谱在轨实时编程并选择任意谱段下传。图8为VNIR和SWIR谱段的外景成像合成图。

图8 可见短波红外高光谱相机外景成像

全谱段光谱成像仪采用离轴三反主光学系统，利用组合滤光片方式实现12个谱段、60km幅宽、20m（VIS、SWIR）/40m（MWIR、LWIR）空间分辨率的多光谱对地成像；采用漫反射板组件和黑体实现不同谱段高精度在轨辐射定标。图9为全谱段光谱成像仪外场成像。

图9 全谱段光谱成像仪外景成像

大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪通过自动跟踪太阳，经8倍光程放大的迈克尔逊干涉仪，完成大气掩星观测，获取在2.4~13.3μm光谱范围内的目标光谱的干涉信号，光谱分辨率高达0.03cm–1。图10所示为大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪结构模型。

大气主要温室气体监测仪利用二维指向镜获取来自地球的反射太阳光，经主光学系统加4个独立的一体化空间外差干涉仪，获取0.759~ 2.058μm光谱范围内最高0.27cm–1光谱分辨率的遥感数据；在轨定标由漫反射板、比辐射计、光陷阱和挡门机构共同实现。大气主要温室气体外场试验见图11。

大气痕量气体差分吸收光谱仪采用推扫方式及4路光栅光谱仪获取240~710nm谱段范围内48km×13km空间分辨率、优于0.5nm光谱分辨率的高光谱大气探测数据；可通过星上定标装置实现在轨光谱及辐射定标。图12所示为大气痕量气体差分吸收光谱仪对合肥某电厂外场探测的试验结果。

大气气溶胶多角度偏振探测仪采用超广角镜头经检偏/滤光组件，实现433~920nm光谱范围内3.5km空间分辨率的画幅式成像，获取沿轨9个角度、3个偏振方向的多光谱偏振辐射数据。图13为大气气溶胶多角度偏振探测仪490nm通道3个偏振方向外场成像图。

图12 大气痕量气体差分吸收光谱仪外场试验

图13 490nm通道连续3个偏振方向图像

3 应用前景展望

GF-5卫星具备“上看大气、中观地表、下探地矿”的应用前景，能够实现全球大气圈、生态圈、水圈的高光谱综合观测，其观测目标及应用领域如表1所示。

表1 GF-5卫星观测目标及应用前景

Tab.1 Observation targets and application prospect of GF-5 satellite

GF-5卫星将在污染气体、温室气体、大气气溶胶遥感监测及城市热岛效应监测、饮用水源地监测、矿产资源调查等方面首先开展应用，典型的应用示范有：

（1）水体和生态环境综合观测

利用可见短波红外高光谱相机在可见―短波红外谱段内的高光谱数据，实现对陆表生态、植被破环、水污染等方面的高精度监测。图14为使用国际空间站上HICO仪器图像作为替代数据进行应用示范展示。

图14 太湖水华高光谱观测示意

（2）矿物填图

如图15所示，利用可见―短波红外高光谱数据可生成目标区域可见―短波红外（0.4~2.5μm）的高光谱数据立方图，并对典型蚀变矿物进行识别。根据蚀变矿物填图可确定矿物分布和成矿靶区，可应用于岩性识别、成矿带勘查、境外找矿等方面。

图15 高光谱数据矿物识别示意

（3）火点及城市热岛监测

利用全谱段光谱成像仪中、长波红外谱段的多光谱数据，可实现对火点分布、城市热岛效应的监测，服务于环境监管与城市管理。全谱段光谱成像仪红外地表温度（Land Surface Temperature, LST）产品具有40m的空间分辨能力，与MODIS 1000mLST产品相比，具有更好的监测能力[6]，如图16所示。

图16 陆表局地高温监测示意

（4）大气成分全球遥感监测

如图17所示，利用紫外至短波红外高光谱遥感数据监测全球及重点区域温室气体（CO2、H4）、痕量气体（SO2、NO2、O3）的浓度变化，为气候变化研究提供数据；为碳排放监测提供数据，服务于环境外交。图中使用FY-3卫星TOU（Total Ozone Unit）、ENVISAT/SCHIAMACHY的数据产品作为替代数据[5,7-8]。

图17 全球大气成分遥感监测示意

（5）污染气体监测

根据NO2和SO2柱总量分布情况，确定2010年7月份华北地区燃煤电厂污染等级，如图18所示。使用AURA/OMI的数据作为替代数据进行应用示范展示[9]。

图18 燃煤电厂污染等级确定

（6）气溶胶及雾霾分布监测

如图19所示，利用可见近红外谱段多角度多光谱偏振遥感数据获取气溶胶光学厚度等数据，监测雾霾分布，服务于大气环境监测及空气品质预报。使用PARASOL/POLDER的数据作为替代数据进行应用示范展示。

（7）南极大气成分监测

利用大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪的掩星探测数据，可获取南极区域大气不同层高的甚高光谱分辨率吸收谱段数据，为南极大气垂直切面做“诊断”，为极区大气成分及气候变化研究提供支撑。图20为使用SCISAT-1/ACE-FTS的数据作为替代数据进行应用示范展示。图中，红色线为7~8月南极区域观测的结果。

综合以上，发展GF-5卫星，对地物目标及大气成分、云和气溶胶进行高光谱综合观测，可解决国家在污染减排、生态和环境安全、矿产资源调查、地质填图、全球气候变化研究等领域对高光谱遥感数据的迫切需求，填补中国在大气环境、水环境和生态环境高光谱综合观测领域空白。GF-5卫星投入业务运行后，将使中国掌握高光谱遥感信息资源的自主权，摆脱对国外高光谱遥感数据的依赖，对发展中国高分辨率对地观测系统具有重要意义。

图20 极区CO廓线监测示意

4 结束语

GF-5卫星具备可见至短波红外高光谱成像、可见至长波红外多光谱成像、紫外至短波红外高光谱大气探测、红外掩星高光谱大气探测、可见至近红外多角度偏振成像、海洋耀斑观测等多种观测能力，星上多项技术填补了国内空白，技术指标国际先进，获取的紫外―可见―红外谱段的高光谱探测数据，将实现对大气环境、水环境、生态环境的综合观测，为中国各部门提供急需的各类高光谱遥感数据，进一步提升中国高光谱遥感信息获取能力。

面向国家各行业迫切的业务需求，依托高光谱卫星遥感技术，我国必须大力发展大气环境监测等卫星，逐步发展高轨高光谱观测卫星，形成面向多用户、高―低轨联合观测的高光谱卫星综合观测体系。

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GF-5 Satellite: Overview and Application Prospects

SUN Yunzhu1JIANG Guangwei1LI Yunduan2YANG Yong2DAI Haishan2HE Jun2YE Qinghao2CAO Qiong2DONG Changzhe2ZHAO Shaohua3WANG Weihe4

（1 Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China）（2 Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China）（3 Satellite Environment Center, Ministry of Ecology and Environment, Beijing 100094, China）（4 National Satellite Meteorological Centre, Beijing 100081, China）

GF-5 was the satellite to achieve hyper-spectral observation in Chinese Key Projects of High Resolution Earth Observation System. It was designed to run on sun-synchronous orbit. The orbit altitude was 705km and Local Time of Ascending Node was 13:30. Six payloads were carried on it. They were Advanced Hyper-spectral Imager（AHSI）, Visual and Infrared Multispectral Imager（VIMI）, Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder（AIUS）, Greenhouse Gases Monitoring Instrument（GMI）, Environmental trace gases Monitoring Instrument（EMI）, and Directional Polarization Camera（DPC）. By using them, the satellite can obtain the hyper-spectral remote sensing data from ultraviolet to long wave infrared bands. The various observation means of hyper-spectral and Multi-spectral earth imaging, occultation and nadir observation for atmosphere, multi-angular polarization observation and ocean sun-glint observation were adopted. The highest spectral resolution was 0.03cm–1and on-board calibration was provided. The radiometric calibration accuracy was better than 5% and the spectral calibration accuracy was up to 0.008cm–1. The satellite would play an important role in atmospheric environment monitoring, land and resources survey, and climate changing research.

atmosphere detection; land imaging; polarization observation; occultation observation; hyper-spectral data application; remote sensing; GF-5 satellite

O433.1, P27, P414

A

1009-8518(2018)03-0001-13

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.001

孙允珠，女，1961年生，研究员，卫星总师，中国航天科技集团有限公司学术带头人，主要从事气象与环境监测卫星系统研究。

2018-04-25

国家重大科技专项工程

（编辑：陈艳霞）