日本ALOS-3卫星技术特点分析

刘韬 邓刚

（1北京空间科技信息研究所 2中国航天科技国际交流中心）

2023年2月16日，日本先进陆地观测卫星－3（ALOS－3）搭乘最新研制的H3运载火箭尝试发射，但首次尝试因火箭点火失败未离开发射台。3月7日，日本再次发射ALOS－3卫星，但因火箭二级未能正常点火导致卫星未能进入轨道。

虽然ALOS－3卫星发射失败，但该星代表了大幅宽高分辨率光学成像技术的较高水平。本文将概述ALOS－3的项目进展情况，分析其技术特点，并得出相关启示。

1 ALOS－3卫星发展历程

在2006年发射ALOS－1卫星之后，日本原计划在2020年发射接替星ALOS－3。ALOS－3卫星将携带高分辨率大幅宽成像相机，提升日本灾害监测能力。ALOS－3卫星是日本首颗亚米级民用光学成像卫星，兼顾一定的测绘能力，但从测绘角度来看，ALOS－3卫星由于取消了概念设计中的双线阵测绘专用载荷，其测绘能力落后于ALOS－1卫星。

2008年,日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）开始ALOS－3卫星的需求分析，2009年开始ALOS－3卫星的概念设计，2010年，JAXA提出ALOS－3卫星携带3台载荷，立体测绘载荷、1台4通道多光谱载荷和1台高光谱载荷，其中立体测绘载荷采用双线阵相机体制。2012年完成全色立体制图遥感器－2（PRISM－2）双线阵测绘相机的概念设计。2016年,JAXA放弃双线阵测绘相机方案，转而发展大幅宽高分辨率光学成像载荷，旨在满足应急灾害监测需求，同时结合传统的异轨成像方式，兼顾一定的测绘能力。同年，ALOS－3转入工程研制阶段。

2018年3月，JAXA发布《第四期中长期发展规划》（2018－2025年），于2018年4月1日开始正式实施。该规划提出在遥感卫星方面，与政府和民营机构就卫星数据的开发与利用开展合作，特别是在防灾减灾和国土管理等领域，促进研究成果转化。研制并部署ALOS－3卫星、ALOS－4卫星、温室气体观测卫星－2（GOSAT－2）、“地球云和气溶胶辐射探测/测云雷达”（EarthCare/CPR）和先进扫描微波辐射计－2（AMSR－2）卫星后继任务。该规划还提出研发大容量、隐蔽性强的卫星光通信技术，并利用ALOS－3卫星进行在轨验证，构建高速空间通信网络，满足地球观测大容量、高分解能力要求和防灾减灾实际需求。

先进陆地观测卫星－3

2 ALOS－3卫星基本情况

ALOS－3卫星设计方案出现较大变化，原为以双线阵光学测绘为主，后来该方案被取消，转而成为1颗民用资源观测和灾害监测类陆地卫星，兼顾一定的测绘能力。

卫星技术指标

ALOS－3卫星原计划部署在高度669km、倾角97.9°的太阳同步轨道，降交点地方时为10：30±15min。轨道重复周期为35天。

三菱电子公司（Mitsubishi Electric）负责卫星平台和载荷研制。平台基于ALOS－2平台的设计，主要区别在机动能力和数据存储量不同。卫星能够在任意方向侧摆60°，能够用于应急观测需求和异轨测绘。卫星尺寸5m×16m×3.5m，发射质量2900kg，设计寿命7年。该卫星还具备激光数据中继能力，可通过日本“光学数据中继卫星”（JDRS）进行激光数据中继，其速率为1.8Gbit/s。对地数传X和Ka频段，速率分别为0.9Gbit/s和1.8Gbit/s。星上存储量达到950Gbyte。

该卫星全色分辨率0.8m；有6个多光谱谱段，分辨率3.2m，幅宽70km。全色谱段调制传递函数（MTF）为0.1，信噪比200；多光谱谱段MTF为0.2，信噪比200。数据量化值11bit。全色图像星上压缩比1：4，多光谱为1：3。无地面控制点图像定位精度5m。载荷情况如下。

（1）“大幅宽高分辨率光学成像仪”（WISH）

ALOS－3卫星新的载荷方案是搭载“大幅宽高分辨率光学成像仪”（WISH）。WISH采用了离轴四镜消像散反射式望远镜设计，使视场角达到了6°，从而实现了70km大幅宽。WISH焦距6.86m，等效口径0.55m，F数12.7。相比传统的三反射镜消像散系统,采用微曲率第四反射镜后，光学系统的长度缩小了30%。离轴成像系统比同轴系统体积大，但MTF更好，可实现更好的成像质量。

ALOS－3卫星具备7个谱段，包括1个全色和6个多光谱谱段。多光谱谱段新配备了两个适合监测水区（海岸蓝）和植被（红边）的特征谱段。这两个谱段的数据将在实际使用和研究领域得到广泛利用，海岸蓝谱段是比蓝色谱段更短的谱段，对水的吸收最少，在水深分析中非常有用。红色边缘谱段可反应叶片反射率的急剧变化，能够分析植被状况。

（2）双波长红外探测器

双波长红外探测器保密程度很高，技术指标不详。据报道该载荷由日本防卫省牵头研发，为导弹预警试验型载荷，为日本的天基导弹预警能力进行技术铺垫。该载荷可以使用中红外线以及远红外线两个谱段来提高探测识别能力，还可以将两个谱段的图像相融合，从而清晰地捕捉燃烧后产生的一氧化碳和二氧化碳等气体，能够明确地判断导弹实体的形状和排放出的气体。防卫省将会对研究数据进行积累，并将飞行物的红外线特性等进行数据库化。

卫星成像模式

ALOS－3卫星具有5种成像模式。

1）长条带模式。该模式为默认成像模式，每条轨道覆盖宽70km，沿轨道方向4000km。4000km意味着ALOS－3卫星一轨可连续成像10min。

2）点/区域成像模式。如果用户对某一点或区域感兴趣，可使用指向功能在所有方向与卫星最低点成60°角度观测。

3）变向成像模式。可在用户提交申请24小时内响应，通过控制卫星的姿态和改变观察方向，连续观察超过1500km长的区域。

4）大区域成像模式。在轨道路径期间通过多次扫描观测覆盖超过200km×100km的广域。

5）立体成像模式。为了获得立体像对，JAXA提出了两种方法。①同轨立体成像。②结合天底观测和3天后相邻轨道的后向机动观测进行异轨立体成像。然而，对于ALOS－3卫星，方法一没有足够的基高比（B/H）得出地形信息。方法二的优点是可以设置合适的基高比，并且可以获取大面积的图像。然而，在短时间内成功获取立体图像取决于天气条件。最后，卫星采用了第2种方法，即采用异轨立体成像进行测绘。

长条带模式

点/区域成像模式

变向成像模式

大区域成像模式

立体成像模式

产品与应用

（1）商业销售产品

根据JAXA的合同，日本博思科公司（PASCO）负责ALOS－3卫星图像的商业销售。实际上，早在2014年11月，JAXA就与PASCO公司合作，委托其开展ALOS－2雷达卫星图像的商业销售。PASCO公司原计划负责销售ALOS－3卫星的标准产品，包括L1B1、L1B2和L1C数据。

1）L1B1数据：对L1A数据进行辐射校准，并加入绝对校准系数。数据是以场景为单位提供。

2）L1B2数据：是经过几何校正的数据产品，它提供有理多项式系数（RPC）。可以提供任何指定范围内的数据（需要购买一定的数量）。

3）L1C数据：正射校正，包括数字表面模型数据（DSM）和日本地理测量研究所的数字地图等。可以提供任何指定范围内的数据（需要购买一定的数量）。

（2）民用产品

ALOS－3卫星在民用领域应用广泛。在防灾减灾方面，该卫星获取灾前和灾后数据的能力，原本将成为日本有关部门防灾和预警的必要技术手段之一。卫星获得的观测数据也可用于经济社会发展的各个领域，例如高精度地理空间信息的维护和更新、沿海和陆地环境监测的研究和应用。

ALOS－3在分辨率和幅宽方面与其他陆地卫星的对比

3 特点分析

兼顾高分辨率和大幅宽，综合水平达到世界领先

ALOS－3卫星的分辨率达到亚米级，在亚米级卫星中，尽管分辨率未达到0.5m或更高水平，但幅宽在目前的高分辨率光学卫星中是最大的，达到70km。与世界观测－1/2/3（WorldView－1/2/3）卫星、“新系统架构先进观测”卫星（ASNARO）、“昴宿星”（Pleiades）、“天空卫星”（Skysat）、地球眼－1（Geoeye－1）、“伊克诺斯”（IKONOS）、灾害监测星座－3（DMC－3）、快鸟－2（QuickBird－2）、多用途卫星－2（KOMPSAT－2）、斯波特－6/7（SPOT－6/7）、“对地观测系统”（THEOS）卫星、福卫－2（FormoSat－2）卫星等高分辨率卫星在分辨率和幅宽方面的对比如图中所示。ALOS－3卫星的空间相机使用离轴四反式消像散光学形式，采用长焦距、大相对孔径数、大视场、小型化的设计理念，在保证高分辨率的同时，扩大了幅宽。

连续成像能力强于美国高分辨率成像卫星

日本在连续成像距离方面达到世界先进水平。ALOS－3卫星一轨可连续成像距离达到4000km，相当于连续成像时间达到10min。即便是美国能力十分强大的WorldView－3高分辨率光学成像卫星连续成像距离也仅为360km。

一星多用，兼顾资源、环境与灾害的监测和测绘

ALOS－3卫星具备任意方向的侧摆能力，能够在24h内，响应灾害监测需求。该星具有6个多光谱谱段，在植被监测、海岸带监测等领域应用十分广泛。

尽管ALOS－3卫星异轨测绘效率低于同轨测绘，但在天气情况较好的情况下，仍然可在3天内制作可覆盖地区的测绘产品，兼顾了一定的测绘能力。

4 小结

高分辨率大幅宽光学成像载荷技术成为重要发展趋势

日本ALOS－3卫星创新性地采用了离轴四反射镜消像散相机构型，使单台相机视场角达到6°，并保持了0.8m的高分辨率，而传统高分辨率成像卫星视场一般在1°~2°，对应幅宽超过10km。ALOS－3卫星代表的高分辨率大幅宽光学成像是未来光学成像卫星的一个重要发展趋势，在提升侦察监视效率和重访能力方面有重要应用价值。

日本发掘市场契机，

关注民用卫星测绘产品的商业化销售

日本在商业遥感市场竞争力虽然不及欧美，但在国际市场也具有一定的影响力，特别在全球测绘市场拥有独到的产品。例如：NTT数据公司（NTT DATA）和日本遥感技术中心主要基于ALOS－1卫星制作了AW3D测绘产品，并进行商业销售。AW3D系列产品已经成为具有高度影响力的航天测绘产品。此外，JAXA与PASCO公司签署合同，负责ALOS卫星数据的商业销售。