高分四号卫星及应用概况

刘凤晶1 李果1 于登云2 王丽俐1 李响1

一、高分四号卫星发射概况

2015年12月29日，高分四号卫星（GF-4）在西昌卫星发射基地采用CZ-3B运载火箭发射升空，卫星经过4次变轨后进入预定的工作轨道。从2016年1月开始，进行了为期6个月的在轨测试，测试结果表明，卫星各项指标满足研制总要求。目前已经在轨稳定运行近三年，为各行业用户提供了42万余景图像数据，有力支持了多个行业和我国国防建设工作。

高分四号卫星是“国家高分辨率对地观测系统重大专项”中唯一一颗高轨遥感卫星，也是我国首颗地球静止轨道高分辨率光学遥感卫星。卫星具有全色、多光谱和中波红外谱段成像能力，利用长期驻留固定区域上空和快速指向调整的优势，可快速对中国及周边地区的观测任务进行响应，实现高时间分辨率和较高空间分辨率的结合，为减灾、气象、地震和林业等多个行业的应用提供遥感数据服务，并为海洋、国土和水利等行业以及国防提供遥感数据支持，实现我国民用高分卫星研制和卫星遥感应用领域的新突破。

高分四号卫星在研制过程中突破了高轨光学遥感卫星总体设计技术、高轨卫星姿态快速机动与高稳定控制技术、高轨遥感卫星长寿命高可靠技术、高稳定一体化结构技术、复杂成像条件下高轨遥感卫星成像质量保障技术等多项关键技术。高分四号卫星的研制填补了我国乃至世界高轨道高分辨率遥感卫星的空白，为后续该领域的发展奠定了基础。

高分四号卫星采用新研制的高轨遥感卫星平台，卫星结构构形采用中心承力筒加壁板形式，外形为八面柱体，分为推进舱、服务舱、载荷舱3个舱段。卫星平台通过一体化结构承载相机，卫星采用全三轴稳定控制及双组元统一推进系统，配置4个0.5N·m大力矩动量轮实现卫星姿态快速机动，能够在30s内实现整星机动0.64°并稳定；采用星敏+陀螺组合定姿方式，实现姿态稳定度优于5E-4 °/s；卫星测控采用USB+扩频测控体制完成数据传输，采用扩频通道实现三站同时测轨，测轨精度优于200m，测速精度优于2cm/s。整星采用42V单一母线分散供电，配置两个可展开式单轴对日定向太阳翼和氢镍蓄电池组分别在阳照区和地影区为整星供电；采用数管计算机通过1553B标准串行数据总线进行通信和数管管理，并具有自主能源、自主热控、故障检测与处理等功能。

卫星有效载荷配置1台可见光和中波红外共口径的光学相机，星下点像元分辨率达到可见光谱段50m /中波红外谱段400m，可见光通道幅面大于500km×500km；共6个谱段，谱段范围是0.45μm～0.9μm、3.5μm～4.1μm，无控制点目标定位精度优于4km。采用高速信号调制技术和750mm口径的高增益点波束天线，实现300Mbit/s数据传输速率，配置固态存储器对数据进行存贮。

作为一颗任务主导型卫星，需要具备近全天时成像能力，通过对星上数据的信息融合，星上信息系统具备高度自主管理能力，实现了能源自主管理、热控自主管理、载荷任务自主管理以及整星自主应急安全设计。其中载荷任务自主管理为提升用户的好用性而设计，用户只需要通过卫星定义的“宏指令”接口将必要的任务信息上注至卫星，数管计算机将根据任务信息自主生成星上的姿态控制流、相机、数传设备控制流以及天线控制流，并按照时序通过总线分发到各下位机，完成对应的成像任务。相比传统的逐条执行设备加断电设置指令完成任务的方式，任务自主管理机制对用户屏蔽了设备一级的复杂操作，并大大降低了上注数据量，提升了卫星的使用效能。

卫星的工作模式主要分为八大类，其中定点前采用发射入轨模式和入轨状态建立模式，入轨后，卫星主要工作在正常运行模式、等待模式、成像模式、阳光规避模式。成像模式中包括相机成像和数据下传模式，相机的三种成像方式——凝视成像、区域成像、巡查成像与数据传输的四种模式——实时传输、边记边放、记录、回放模式，可以组合使用。各模式间的切换关系见图1所示。

图1 卫星各工作模式间的转换关系

从图1中可以看出，卫星在轨成像模式的核心工作方式为“步进+凝视”，采取这种成像方式是与卫星的轨道和面阵成像的探测器特点相匹配的。卫星日平均成像72景，获取我国7000km×7000km的大陆全色谱段图像只需要4个小时。从设计角度，卫星红外通道每天可工作时段为除去午夜前后的4h，可达20h。可见光由于自然光照条件限制，可成像时间为白天的8个小时。因此卫星的“测控实时可见+工作时间长”这两个特点，充分体现了任务主导型卫星的优势，可以对用户的成像任务近实时地响应，从卫星接收到指令到完成一帧全色图像，最短时间为10s，这给用户提供了极大的便利，在紧急灾情下发挥巨大作用。

二、高分四号卫星在各行业的应用

1.减灾救灾应用

洪涝灾害是影响我国和周边国家的重要灾种之一，具有突发性强、发展速度快、影响范围广的特点，自从高分四号卫星发射后，为洪涝灾害监测提供了新型的数据源，利用高分四号卫星配置的绿、近红外谱段以及卫星持续监测的优势，为归一化差异水体指数的构建提供基础数据。

2017年5月24日，强风和暴雨袭击了斯里兰卡西部和南部14个地区，连降暴雨引发洪涝及山体滑坡，这是斯里兰卡自2003年以来遭遇的最严重的自然灾害。高分四号卫星于5月31日获得受灾地区图像，国家减灾中心通过水体指数监测法对水体面积进行提取，计算洪水范围为115km2（如图2中深蓝色所示），为当地的救援工作提供了支持。与图3的环境减灾卫星（HJ-1）的灾前图像相比，可以明显看到图像中水体的特征。

图2 高分四号卫星获取的斯里兰卡Galle地区灾后图像

图3 环境减灾卫星获取的斯里兰卡Galle地区灾前图像

只有对水体范围的准确提取，才可以对洪涝灾害范围进行监测，并对风险进行实时评估，为救灾工作提供数据支持。为此国家减灾中心采用高分四号卫星对水体分布进行研究，包括洪泽湖、太湖、珠江、黄河等，并与同期的中分辨率成像光谱仪（MODIS）观测数据进行比对。相比于MODIS红、近红外250m的空间分辨率，高分四号卫星在空间分辨率上具有明显的优势，对空间尺度在50m～250m的水体能够较好地识别。

利用高分四号多时相连续观测、大范围和中分辨率成像特点，除成功应用到我国南方大范围洪涝灾害监测（图4所示）、溃坝型洪涝灾害监测外，在我国的植被干旱区域范围测量、积雪灾害的监测中也提供了大量的数据，有力支持了防灾减灾救灾的决策工作。

图4 高分四号卫星获取的湖北省天门市洪涝灾害遥感监测图（2016-07-23）

2.气象应用

我国的东南沿海地区，受台风影响较大，平均每年有7次台风登陆，同时台风也会引发洪涝、滑坡、泥石流、塌陷、风暴潮等次生灾害，因此对台风等极端天气的监视非常重要。高分四号卫星发射后，对气象观测的分辨率从千米级提升到百米内，有效提升我国台风应急气象服务能力。在对台风“尼伯特”、“玛利亚”、“妮妲”的观测中，采用高分四号卫星的秒级高频次视频成像，可以清晰观测到台风眼区精细化结构特征，为提升台风路径和强度预报准确率提供重要参考，如图5所示。

高时间分辨率结合较高空间分辨率，使高分四号卫星能够观测到云系的快速变化，如云的细微纹理结构、垂直风切变、积云线排列等方面。为气象分析提供了全新的观测手段和数据，帮助预报员更好地、更深入地理解中小尺度对流系统的发生、发展、演变过程和机理。并且借助高分四号卫星中波红外图像，可以在夜间观察天气系统的变化情况，提高短临天气预报效率。在沙尘暴监测、雾霾污染源查找等领域，高分四号卫星也发挥了重要作用（图6）。

图5 高分四号卫星台风“尼伯特”影像

图6 高分四号卫星北京雾霾影像

3.地震灾害监测

2014年8月3日，我国云南省鲁甸地区发生了Ms6.5 级地震，地震造成多处地震地质灾害，2016年5月11日，利用高分四号卫星影像对部分灾害信息进行了识别和分析，如图7所示。可以看到在震后近两年的时间，仍可以识别出沿牛栏江河谷的多处地震地质灾害，尤其典型的是位于红石岩村的巨型滑坡体。滑坡体在影像上色调呈高亮白色，是牛栏江东西岸的对冲型崩塌滑坡体导致河谷堰塞（标识1）。该处堰塞体位于红石岩水电站的水坝和电站机组中间，在震后造成巨型堰塞湖，堰塞湖水面没过水坝坝顶，现在的坝址库区未再蓄水。此外，位于坝址附近的另一处滑坡体在高分四号卫星影像上也清晰可见（标识2）。

图7 高分四号卫星获取的鲁甸Ms6.5级地震震后大型滑坡的图像

从卫星影像对发生在川滇高山峡谷区的中强地震的震区显示影像来看，利用高分四号卫星震后影像，可以从空间上识别大型地震地质灾害的空间分布位置，结合生命线工程（大型水电站、干线公路）与灾害在空间上的分布关系，能够为震后的应急指挥决策提供及时有效的信息。

4.林火监测

从20世纪80年代初开始，我国开始利用卫星影像提取林火燃烧信息，中国林业科学研究院资源信息研究所在该领域也开展了大量的研究，并应用于多次森林火灾的监测中。利用高分四号卫星配置的可见光和近红外谱段的数据，进行增强处理后，可以清晰区别影像中的烟区和火烧迹地，而在中波红外谱段影像上，着火像元的亮温值明显高于非燃点像元，利用其间的差异可以识别和计算火点位置和过火面积。图8为高分四号卫星2017年5月1日获取的内蒙古自治区新巴尔虎左旗森林大火图像，经过计算，过火面积约为8400公顷。一些森林火灾与地理位置相连的国家灾情相关，如我国内蒙古发生的多次火灾就是蒙古国的草场火灾入侵导致，甚至威胁到我国珍贵树木示范基地，因此一旦获得边境的火警情报，需要进行实时监测，根据天气、火势的蔓延情况设立隔离带，阻止大火越入我国境内。因此实时地对我国及周边区域的火情进行日常监测，可以减少很大的经济损失，切实保护我国生态环境和森林资源。

图8 高分四号卫星获取的内蒙古新巴尔虎左旗森林大火图像

5.其他应用

高分四号卫星的相机具有超大动态范围、长积分时间、多光谱大视场成像特点，除了可以对地观测外，还拓展了在天文观测领域的应用。2018年，中国空间技术研究院开展了多次的对月观测，借鉴国外月球定标方面的经验及数据模型，可以对相机进行相对辐射定标和遥感器辐射响应稳定性跟踪。通过对月球正面进行成像观测，可以测量月球的反射光强和自身的热辐射强度，得到月表在可见光和中波谱段的反照率、温度变化等信息，进一步开展表面成分与热特征，深化月球科学研究（见图9、图10）。

图9 高分四号卫星红外谱段对月成像图像

图10 高分四号卫星可见光谱段合成的伪彩色月球图像

三、结束语

高分四号卫星在轨已经稳定运行三年时间，首次从36000km的轨道高度上获取高分辨率对地观测影像，开辟了我国静止轨道对地观测新途径，利用其覆盖范围大、响应迅速等特点与低轨卫星配合使用，为我国的减灾、赈灾工作提供快捷有效的支持。高分四号卫星研制过程中攻克的关键技术以及工程经验，为后续我国研制高时间分辨率、高空间分辨率的遥感卫星奠定了基础。