美国“陆地卫星”系列最新发展情况

龚燃 赵晨露 牛庆锋（北京空间科技信息研究所 中国空间技术研究院）

Landsat－9卫星在轨示意图

2021年9月27日，美国“陆地卫星”（Landsat）系列中的最新一颗卫星——Landsat－9从加利福尼亚州范登堡空军基地搭乘宇宙神－5（Atlas－5）运载火箭发射升空。Landsat－9卫星属于美国国家航空航天局（NASA）开展的“可持续陆地成像”（SLI）计划，将取代1999年发射的Landsat－7卫星，与2013年发射的Landsat－8卫星编队飞行，继续为全球用户提供高质量、连续的陆地成像卫星数据。

1 任务背景

Landsat系列卫星是美国从1972年开始发展的民用陆地资源卫星，由NASA和美国地质调查局（USGS）合作研制，是美国综合对地观测体系中不可或缺的重要组成部分。长期以来，Landsat系列卫星创建了海量免费的存档数据，在资源普查、农业、水文管理、灾害响应、科学研究、测绘制图等领域持续发挥关键作用。

Landsat卫星共发展了四代：第一代为Landsat－1～3卫星，第二代为Landsat－4和5卫星，第三代为Landsat－6和7卫星，第四代为Landsat－8和9卫星。

2015年3月，NASA和USGS启 动 了Landsat－9项目的开发工作，卫星原计划于2023年发射。2016年，NASA和负责监督美国地质调查局的内政部（DOI）签订了一份谅解备忘录（MOU），正式启动“可持续陆地成像计划”（2016－2035年），开发Landsat－9卫星为该计划最紧迫和重要的事项。该谅解备忘录还呼吁美国开发小型化载荷等创新系统，并进行技术研究、商业模式研究以及其他用户需求与技术调查，以降低Landsat－9后续任务的成本与风险。

Landsat系列卫星发射情况

2 基本情况

卫星及有效载荷

Landsat－9卫星运行在高度705km，倾角98.2°的太阳同步轨道（SSO），轨道周期99min，与Landsat－8卫星位于同一轨道面，相距180°飞行，双星重访周期为8天，其中Landsat－8、9单星重访周期为16天。

Landsat－9卫星很大程度上复制了目前在轨运行的Landsat－8卫星，旨在减少陆地成像数据断档的风险，提供连续、长期的陆地卫星数据，以支持对陆地特征的变化进行长期、精细的对比分析。尽管如此，总体上卫星成像能力更高，寿命更长，定标精度更高。

Landsat－9卫星也携带2台有效载荷仪器，包括业务陆地成像仪－2（OLI－2）和热红外遥感器－2（TIRS－2）。OLI－2和TIRS－2设计寿命均为5年，卫星携带燃料可维持约10年以上。

OLI－2与Landsat－8卫星星载OLI基本一样，为一台推扫式成像仪，用于获取可见光、近红外和短波红外图像数据，具有9个光谱谱段，其中全色谱段的空间分辨率为15m，其他谱段为30m，视场角15°，幅宽仍保持185km。主要技术改进包括两点：①OLI－2的数据量化由OLI的12位增加到14位，整体信噪比有所提高；②OLI－2可提供内部校准源，以确保辐射测量的准确性与稳定性，以及进行对日和对月校准的能力。

TIRS－2在Landsat－8卫星星载TIRS的基础上进行了升级，主要包括采用了新的光学组件，在设计方面可最大限度减少杂散光，保护仪器免受杂散光的影响，且开发了冗余电子设备。简化了制造和组装的过程，将仪器寿命延长至5年以上（之前为3年）。此外，TIRS－2也提供了内部黑体校准源以提高辐射测量分辨率。TIRS－2与TIRS一样，可采集2个热红外谱段（长波红外）的地表辐射图像，以测量地表温度并跟踪陆地和水资源的使用情况，热红外分辨率100m，视场角和幅宽也分别为15°和185km，与OLI－2保持匹配。

OLI－2和TIRS－2谱段参数

地面段

Landsat－9卫星运行架构与Landsat－8卫星相同，均由任务运行中心（MOC）、运行飞行团队、数据处理和存储系统（DPAS）、地面网络单元（GNE）组成。

尽管如此，Landsat－9卫星地面段主要对NASA戈达德空间飞行中心（GSFC）和USGS地球资源观测与科学中心（EROS）之间的遥测与指令进行了改进和一系列“地面准备测试”（GRT）。NASA戈达德空间飞行中心采用了全新的陆地卫星多卫星运行中心（LMOC），虽然使用了一些Landsat－8卫星的地面软件系统，EROS中心的地面网络单元（GNE）也对其硬件、软件和网络进行了升级，以提高LMOC系统和GNE系统相互对话的能力，向卫星发送运行指令，同时确保遥测数据传输的健康与安全。

数据分发

根据2008年发布的陆地卫星数据分发政策，EROS中心的所有Landsat数据均可免费下载且不受限制。每年，USGS都会向成千上万的用户分发数百万幅Landsat卫星图像。Landsat－9卫星发射后，其收集的数据产品也将通过EROS中心免费下载。Landsat－9数据产品将与之前Landsat任务数据在采集方式、采集数据、数据校准、谱段与分辨率、幅宽、产品质量和数据可用性方面保持一致，帮助用户持续研究几十年来陆地覆盖和陆地利用变化情况。

3 应用情况

在早期的Landsat任务中，USGS依靠由合作国家运营的国际地面站网络来下行链路和存储Landsat图像。2006年，USGS认识到外部用户拥有的Landsat数据量（估计有400万幅图像）已远远超过EROS的USGS Landsat档案（估计有190万幅图像）。2010年，USGS 启动了美国“陆地卫星全球档案整合”（LGAC）计划，该计划到2019年12月已获取并重新处理了超过500万幅图像，大幅扩展了Landsat档案的覆盖范围，这相当于启动了一项额外的Landsat任务并扩大了其历史存档空间。

2008年，USGS宣布其档案中的所有Landsat图像均可免费访问。这一政策显著增加了Landsat数据的使用量，并不断促进了新的应用。2009年，在这项政策免费开放访问的第一年，用户下载了近100万幅图片。2014年，美国政府开展了一项对国家民用地球观测计划的评估，将Landsat评为美国最重要的系统之一。尽管分辨率不高，但其数据广泛用于美国和全球其他国家在农业、林业和牧场资源、土地利用和测绘、地质、水文、沿海资源、环境监测、灾害响应和国家安全等领域的决策支持与研究。此外，也用于商业应用与衍生产品。USGS研究人员估计Landsat图像在2017年为美国用户带来的收益为20.6亿美元，为国际用户带来的收益为13.9亿美元。若将云供应商从EROS下载的图像数量纳入计算，2017年国内和国际用户收益估计为41.8亿美元。

Landsat卫星数据主要应用领域（2019年10月1日－2020月6月30日）

当前，Landsat卫星用户已经转向商业云计算供应商，在云中下载和处理数据。根据2018年美国政府的云计算战略，USGS在2020年将其Landsat卫星全球数据库的副本放入了商业云中。Landsat的云架构采用了一种混合方案，包括USGS的云管理和现有的EROS中心私有云服务。对于一些用户来说，商业云可能比传统的下载方式更方便、更划算，可以重新处理Landsat卫星数据。传统下载流程可能要耗费整个工作时间的80%来下载和处理文件，使用云计算则无需下载、本地存储和处理数据，节省了大量时间。云计算还允许用户访问空间或临时数据子集，而不必在本地下载整个映像和数据子集。

4 结束语

作为美国最重要的空间对地观测资产之一，Landsat卫星项目的重中之重一直是保持观测数据的连续性。观测时间越长，可分析对比的不同阶段的数据越丰富，可从中获取和理解的现象越多，越有利于研究几十年来地球系统发生的细微变化，应用于地表监测的各个领域，因此，Landsat系列卫星长期、连续的数据具有丰富的潜在价值。迄今，该系列卫星创建了最长的对地观测连续数据集，拥有在空间分辨率、校准能力和光谱特征方面近50年长期一致的高质量科学数据。Landsat－9卫星和SLI计划将推动该项目进入下一个50年的全球观测，将陆地成像数据记录延长至2035年甚至之后数年，为监测地球健康的国际战略作出重要贡献。