龚燃 （北京空间科技信息研究所）

2015年6月23日，哨兵-2A（Sentinel-2A）卫星从库鲁航天发射中心由“织女星”（Vega）运载火箭发射升空。该卫星为“哥白尼”计划下多光谱成像任务中的首颗卫星，此后还将发射相同的哨兵-2B卫星。这2颗卫星由欧洲委员会（EC）和欧洲航天局（ESA）共同实施，用于全球高分辨率和高重访能力的陆地观测、生物物理变化制图、监测海岸和内陆水域，以及风险和灾害制图等，以支持欧洲斯波特-5（SPOT-5）和美国陆地卫星-7（Landsat-7）卫星数据的连续性。

目前，ESA已公布哨兵-2A卫星于2015年6月27日传回的首批卫星图像。可以看到，图中的地球充满着各种色彩，俨然斑斓的仙境一般。ESA曾将哨兵-2A卫星携带的多光谱成像仪描述为“一个创新的宽幅高分辨率多光谱成像仪”，并宣称它将以一个全新的视角展现我们的地球和植被。

哨兵-2A拍摄的首张多光谱图像，波河流域（位于意大利西北部，法国南部）

意大利北部

意大利米兰

法国沿海城市里维埃拉

1 卫星简介

哨兵-2A运行在高度为786km、倾角为98.5°的太阳同步轨道上，降交点10：30。卫星设计寿命为7年（燃料可维持12年），尺寸为3400mm×1800mm×2350mm，发射质量1200kg，其中多光谱成像仪质量275kg，肼推进剂质量80kg。

哨兵-2A采用天体平台-L（AstroBus-L），该平台为欧洲空间标准化合作组织（ECSS）标准模块化平台，在轨寿命长达10年。卫星采用三轴姿态控制，无地面控制点图像定位精度20m，星敏感器直接安装在相机上，可获得更优的精度和稳定性。姿态与轨道控制分系统（AOCS）由双频GPS接收机（L1/L2码）、星跟踪器（STR）组件、速率测量单元（RMU）、冗余精确惯性测量单元（IMU）、磁强计（MAG）、粗地球太阳敏感器（CESS）、4个反作用轮（RW）、3个磁力矩（MTQ）、反作用控制系统（RCS）和单组元推进系统组成。星上装有1副太阳电池翼，展开面积为7.1m2，寿命初期总功率为2300W，寿命末期为1700W；锂离子蓄电池的电量为102A·h。下行链路采用X频段，速率为560Mbit/s，另外，其数据还可通过“欧洲数据中继卫星”（EDRS）激光链路传回地面。星上数据存储容量为2.4Tbit，遥测、跟踪和控制采用S频段天线。

哨兵-2A由ESA成员国与欧盟（EU）投资，空客防务与航天德国公司负责提供卫星平台，空客防务与航天法国公司负责提供有效载荷，同时，研制小组成员还包括德国耶拿光电公司（Jena Optronik）、法国Boostec公司、西班牙能源工程建设公司（Sener and GMV）。此外，法国国家空间研究中心（CNES）负责卫星在轨试运行期间的图像质量优化，德国航空航天中心（DLR）负责提供激光通信有效载荷，美国航空航天局（NASA）负责与其陆地卫星-8进行交叉定标。

哨兵-2A展开示意图

哨兵-2A基本性能参数

哨兵-2任务专用于全面和系统覆盖陆地表面（包括主要岛屿），目标是提供欧洲和非洲地区每15～30天的无云产品。为实现这一目标，提高任务有效性，需要运行由2颗卫星组成的星座，即哨兵-2A和2B，实现5天的几何重访时间。其中1颗哨兵-2卫星的重访时间为10天（陆地卫星-7为16天，“斯波特”系列卫星为26天）。哨兵-2B将于2016年7月由俄罗斯隆声号（ROCKOT）运载火箭从俄罗斯普列谢茨克发射场发射。

2 主要有效载荷—多光谱成像仪

多光谱成像仪（MSI）采用推扫式成像模式，含13个通道，工作谱段为可见光、近红外（VNIR）和短波红外（SWIR），每10天更新一次全球陆地表面成像数据，每个轨道周期的平均观测时间为16.3min，峰值为31min。光谱分辨率为15～180nm，空间分辨率为10m（可见光）、20m（近红外）和60m（短波红外），成像幅宽为290km，每轨最大成像时间为40min。

多光谱成像仪机械结构由3个反射镜、分光镜设备、2个焦平面和3个星敏感器组成。多光谱成像仪利用3个螺栓两脚架固定在卫星上，主结构尺寸为1.4m（长）×0.93m（宽）×0.62m（高），质量仅44kg。光学系统采用三镜消像散（TMA）设计，望远镜口径150mm，利用碳化硅（SiC）材料制成，可减少光学系统热变形。可见光和近红外焦平面基于单片集成互补金属氧化物半导体（CMOS）探测器制成，短波红外焦平面基于碲镉汞（MCT）探测器制成，两者混合在CMOS读出电路中。近红外和短波红外谱段的过滤，通过安装在探测器顶部的缝隙滤波器来实现。这些滤波器还可提供所需的光谱分离。

多光谱成像仪还包括一台太阳校准与快门装置（CSM）。1.4Tbit的图像视频流获取后，在仪器内部进行数字化压缩。多光谱成像仪带有1台外部传感器组件，可以供姿态与指向参考，确保在图像校准前实现20m地面指向精度。

哨兵-2的多光谱成像仪有13个谱段，从可见光到近红外至短波红外，空间分辨率为10～60m，可实现前所未有的陆地监测水平。

多光谱成像仪

望远镜机械结构

多光谱成像仪基本性能参数

多光谱成像仪的13个谱段的应用领域

3 激光通信

与哨兵-1一样，哨兵-2也搭载了1台激光通信终端（LCT），并成为“欧洲数据中继卫星”的固定用户。激光通信终端为低轨-静轨光学通信链路，基于“X频段陆地合成孔径雷达”（TerraSAR-X）卫星搭载的激光通信终端设计，功率2.2W，光学孔径为135mm，通过“欧洲数据中继卫星”下行传输记录数据。ESA和欧洲空客防务与航天公司已于2015年2月签订协议，“欧洲数据中继卫星”将于2015-2021年为哨兵-1和2提供高速通信服务，该协议可能持续至2028年。

“欧洲数据中继卫星”类似于光纤技术，其作为“空间数据高速公路”将会提供高达1.8Gbit/s的空间激光通信速度。通过该卫星将能提供从对地观测卫星、无人机和飞行器到地球的近实时数据传输。该系统将能为ESA提供更安全、更快速地下载大量图像数据的能力，帮助ESA发展环境监测、灾害响应和危机管理的能力。

“欧洲数据中继卫星”的首个载荷将于2015年发射，而在此之前，ESA则通过一个搭载在“阿尔法卫星”（Alphasat）上的有效载荷实现通信，该有效载荷由德国航空航天中心提供。“阿尔法卫星”于2013年7月发射，是欧洲最大的通信卫星，通过ESA与国际移动卫星公司（INMARSAT）间的公私合营方式研发。激光通信终端证明了激光技术从拥挤的低轨道收集信息，继而从位于36000km高的地球静止轨道上将信息传回地球的可行性。该终端于2013年11月在ESA位于特内里费岛（Tenerife）的光学地面站进行了测试，测试结果表明其性能良好，可以使用。

激光通信与传统的无线电通信相比，可以通过更高的速率传输更多的信息，这可以满足人类日益增长的对卫星通信服务的需求。由于“欧洲数据中继卫星”响应时间更快，一次性所接收的信息量更大，它将应用于“哨兵”系列卫星以及其他环境监测和减灾卫星上。据估计，“哥白尼”系统要求其空间数据高速公路每天要向地面传输6000Mbyte的数据，如果没有星地激光通信，其系统要求将很难得到满足。

这个新通道同时解决了低轨道卫星无法传输关键时间的信息问题，这些低轨卫星只有在临近地面站时才能够传输数据，而在其他时间里只能将有效信息存储下来。这意味着在每个轨道上只有10min左右向地面传输的时间，这只占了每个轨道上总持续时间的1/10，而“欧洲数据中继卫星”将把通信时间延长5倍。

“欧洲数据中继卫星”将提供一个快速、可靠、无缝的电信网络，可根据需要在适当地点和适当时间从卫星实时获取数据。“欧洲数据中继卫星”的组织方式是ESA和空客防务与航天公司间的公私伙伴关系。在其组件于2015年和2016年完成发射后，将会为全世界用户提供完全的商业服务。届时，“哨兵”系列卫星将会证明空间激光通信的效力。

有效载荷数据地面段地面站分布图

位于意大利马特拉齐的核心地面站

4 地面段

对于“哥白尼”计划的运行，ESA定义了“哥白尼”核心地面段的概念和框架，包括飞行运行段（FOS）和有效载荷数据地面段（PDGS）。哨兵-1和2的飞行运行与任务控制由欧洲空间运行中心（ESOC，位于德国达姆施塔特）负责，哨兵-3卫星和哨兵-4、5载荷由欧洲气象卫星组织（EUMETSAT）负责。

地面段包括以下2个部分：

1）飞行运行段：该段负责哨兵-2的所有飞行运行，包括监测与控制，执行所有平台活动和有效载荷进度指令。飞行运行段的工作由位于德国达姆施塔特的欧洲空间运行中心完成，该中心包括地面站和通信网、飞行运行控制中心和通用通信网络。

2）有效载荷数据地面段：该段负责哨兵-2有效载荷和数据下传计划，数据获取、处理、存储和交付，用于与飞行运行段协调过程中的有效载荷和平台全面监测。

有效载荷数据地面段主要由以下4个部分组成：

1）4个核心地面站（CGS），分别位于意大利马泰拉（Matera）、西班牙马斯帕洛马斯省（Maspalomas）、挪威斯瓦尔巴特群岛（Svalbard）和美国阿拉斯加（Alaska）；

2）2个冗余处理/存档中心（PAC），分别位于英国法恩伯勒（Farnborough)和西班牙马德里（Madrid）；

3）1个任务执行中心（MPC），位置待定；

4）1个有效载荷数据管理中心（PDMC），位于意大利弗拉斯卡蒂（Frascati）的ESA对地观测中心（ESRIN）。

5 数据产品

根据“哨兵”数据政策，哨兵-2A卫星数据将全面和公开向用户提供。

哨兵-2A卫星数据产品