刘韬 （北京空间科技信息研究所）

首批第三代“灾害监测星座”
—北京-2星座于7月成功发射

刘韬 （北京空间科技信息研究所）

2015年北京时间7月11日， 前3颗灾害监测星座-3（DMC-3）—北京-2星座由印度极轨卫星运载火箭-C28 （PSLV-C28）发射入轨。这3颗卫星由英国萨瑞卫星技术公司（SSTL）研制，采用萨瑞卫星技术公司-300 S1平台，它们形成了一个新的星座—北京-2星座，其创新卫星设计具有巨大的成像潜力，每颗卫星携带有1m分辨率全色相机和4m分辨率三谱段成像仪，可以执行多种不同类型影像的拍摄任务，还能实现对地球给定区域的每日重访，这对用于变化监测、灾难监测和响应规划至关重要。

1　“灾害监测星座”项目背景

“灾害监测星座”（DMC）是1996年英国萨瑞卫星技术公司牵头发起的国际合作卫星项目。经过10余年的发展，“灾害监测星座”卫星系统逐步升级换代，目前已发展到第三代。“灾害监测星座”从政策、经济和技术层面都满足了灾害监测的需求。在政策层面，灾害监测是全球性问题，需要各国协同合作。而“灾害监测星座”是国际合作项目的典范，参与该项目的国家包括英国、中国、阿尔及利亚、土耳其、尼日利亚和西班牙。“灾害监测星座”于2005年参与了《空间和重大灾害国际宪章》（International Charter： Space and Major Disasters）。同时，“灾害监测星座”通过欧洲航天局（ESA）的第三方合作计划参与了欧洲的“全球环境与安全监视”计划（GMES，现改名为“哥白尼”计划）。在经济层面，构建一个卫星星座，难以以一国之力为之。而参与各国负责各自卫星研制和发射费用，负担较轻，且“灾害监测星座”采用小卫星平台，成本较低。在技术层面，对洪水、森林大火、水体污染等动态环境监测需要高质量、短重访周期（即高时间分辨率）的卫星数据。每代“灾害监测星座”一般都采用详查卫星与普查卫星相结合的方式。同时，每代“灾害监测星座”均有数颗卫星组网运行，能够提供24h重访能力，满足动态灾害监测需求。如在第一代“灾害监测星座”卫星中，北京-1卫星分辨率4m，是第一代“灾害监测星座”5颗卫星中分辨率最高的，起到高质量详查的作用；其他卫星幅宽大，起到大范围普查的作用。在第二代“灾害监测星座”中，尼日利亚卫星-2分辨率最高，为2.5m，其他卫星进行大范围普查。在第三代“灾害监测星座”卫星中，中国租赁的3颗灾害监测星座-3卫星，即北京-2星座卫星均为详查卫星，分辨率达到1m。其普查任务可能由英国正在研制的NovaSAR卫星承担（分辨率6～30m、幅宽15～750km）。

2　“灾害监测星座”项目运营方式

作为“灾害监测星座”这一国际合作卫星项目的倡导者，英国萨瑞卫星技术公司负责设计并制造所有“灾害监测星座”卫星。在前两代“灾害监测星座”中，每颗卫星由各国拥有，并独自负责运控，同时各国承担卫星发射和研制费用。

为了高效地运管“灾害监测星座”，由各成员国组建的委员会于2004年创办了国际图像有限公司（DMCii），该公司位于英国。灾害发生后，国际图像有限公司负责卫星的协调工作。在没有灾害发生时，“灾害监测星座”获取的图像数据由国际图像有限公司负责商业销售，为各成员国获取商业利润。如2009年，受美国农业部的邀请，“灾害监测星座”为其提供农业监测方面的数据。

在第三代“灾害监测星座”中，中国占主导地位，同时采用了与前两代“灾害监测星座”不同的运营方式。此次合作采用了国际图像有限公司全新的卫星应用模式，中国二十一世纪空间技术有限公司（21AT）是第一个采用该模式的客户。在传统上，卫星图像提供商购买并运营自己的卫星。但二十一世纪空间技术有限公司这次租赁3颗灾害监测星座-3卫星100%的成像能力，租期7年。卫星制造商英国萨瑞卫星技术公司在卫星星座设计中需满足二十一世纪空间技术有限公司的观测需求。在国际图像有限公司新的卫星应用模式下，二十一世纪空间技术有限公司不用负责卫星的发射和运控，可以执行灾害监测星座-3的计划和编程任务，获得时效性强、分辨率高的卫星图像，并节省经费。卫星数据的销售由二十一世纪空间技术有限公司所属北京宇视蓝图信息技术有限公司负责。国际图像有限公司于2011年6月在伦敦与二十一世纪空间技术有限公司签署了1.1亿英镑的合同。灾害监测星座-3卫星将广泛用于国土、农林、环保、城市规划和灾害监测等领域，为国内外用户提供高时间分辨率、高空间分辨率的光学图像数据。

3　“灾害监测星座”性能

“灾害监测星座”已发展了三代，均采用英国萨瑞卫星技术公司研制的平台。第一代卫星的空间分辨率大多为32m，第二代卫星的分辨率大多为22m，而第三代卫星在平台机动能力和载荷分辨率指标上有大幅度提升，平台具备了±45°的侧摆机动能力，载荷达到全色1m、多光谱4m分辨率。

三代“灾害监测星座”卫星指标

目前，第一代“灾害监测星座”已经退役，其中中国的北京-1在超期服役后于2012年退役。第二代4颗卫星全部在轨运行。第三代的前3颗卫星—北京-2星座刚刚上天。

续 表

三代“灾害监测星座”卫星平台指标

萨瑞卫星技术公司-100i平台

萨瑞卫星技术公司-150i平台

萨瑞卫星技术公司-300i平台

第一代“灾害监测星座”性能

（1）阿尔及利亚卫星-1

阿尔及利亚卫星-1的有效载荷采用萨瑞6通道3谱段多光谱线性成像仪（SLIM6），它是萨瑞卫星技术公司研制的标准中分辨率多光谱成像仪。

（2）信息技术与电子研究所卫星-1

信息技术与电子研究所卫星-1的有效载荷包括全色相机（PanCam）、多光谱成像系统（MSIS）和多谱段相机（COBAN）。

其全色相机基于萨瑞大学卫星-12（UoSat-12）研制，望远镜口径400mm，空间分辨率12m，幅宽25km，视场300km。全色相机与星相机安装在同一光学平台上。

其多光谱成像系统由4台独立相机组成，采用凝视型阵列，每台相机运行在独立的谱段（红、蓝、绿、近红外），空间分辨率26m，幅宽55km。

其多谱段相机是土耳其研制的低分辨率多光谱成像仪，由8台相机组成，空间分辨率为120m。

（3）尼日利亚卫星-1

尼日利亚卫星-1运行于太阳同步圆轨道，高度686km，倾角98.9°，轨道周期97.7min。卫星质量98kg，有效载荷与阿尔及利亚卫星-1的相同，为萨瑞6通道3谱段多光谱线性成像仪。

（4）英国-灾害监测星座-1

英国-灾害监测星座-1的主要有效载荷与阿尔及利亚卫星-1和尼日利亚卫星-1卫星一样，为萨瑞6通道3谱段多光谱线性成像仪。

此外，卫星还载有数个试验型载荷，包括GPS反射计试验载荷、水电阻加热推力器试验载荷、思科公司的低地球轨道路由器、抗网络延迟和中断试验载荷。

（5）北京-1

北京- 1卫星质量1 6 6 . 4 k g，外形尺寸900mm×770mm×912mm，运行轨道高度686km，设计寿命5年。北京-1卫星采用倾角98.17°的太阳同步轨道，升交点地方时10：45。

北京- 1卫星的有效载荷包括1台较高分辨率的全色相机[又称为“中国制图望远镜”，（CMT）]和1台多光谱相机（萨瑞6通道3谱段多光谱线性成像仪）。全色相机的成像模式为推扫式，覆盖谱段范围为全色0.5～0.8μm，分辨率4m，幅宽24km，全色相机可以侧摆±30°，影像产品的标准景大小为24km×24km；多光谱相机分3个谱段，即0.52～0.66μm、0.63～0.69μm 和0 . 7 6～0 . 9 μ m，每个谱段由两台相机成25.2896°交角组合成像，约重叠567个像素，多光谱相机空间分辨率为32m，影像产品的标准景为600km×600km。

据报道，北京-1卫星在土地利用、地质调查、流域水资源调查、洪涝灾害、冬小麦播种面积监测、森林类型识别、城市规划监测和考古等方面的应用效果良好。

萨瑞6通道3谱段多光谱线性成像仪参数表

第二代“灾害监测星座”性能

（1）英国-灾害监测星座-2和德莫斯-1卫星

英国-灾害监测星座-2和德莫斯-1卫星均携带改进型萨瑞6通道3谱段多光谱线性成像仪，分辨率提高到22m。

（2）尼日利亚卫星-2、X

尼日利亚卫星- 2携带甚高分辨率成像仪（VHRI），该载荷提供2.5m分辨率的全色图像和5m分辨率的4谱段多光谱数据，用于绘图、水资源管理、农业用地监测、人口评估、环境危害监测以及防灾减灾等。甚高分辨率成像仪由萨瑞卫星技术公司设计制造，是北京-1的中国制图望远镜的改进型，基于卡塞格林结构，主镜口径为385mm，焦距1000mm，幅宽为20km。甚高分辨率成像仪使用低膨胀材料制造，支撑结构使用碳纤维复合材料，光学系统使用微晶玻璃和熔石英，光具座使用低膨胀铝材料。

尼日利亚卫星-2上的另外一个有效载荷是中分辨率成像仪（MRI），它是32m中分辨率4谱段多光谱成像仪，幅宽300km。

尼日利亚卫星-X携带改进型萨瑞6通道3谱段多光谱线性成像仪，多光谱分辨率22m。

第三代“灾害监测星座”性能

灾害监测星座-3卫星采用萨瑞卫星技术公司-300 S1卫星平台。该卫星平台基于尼日利亚卫星-2的萨瑞卫星技术公司-300平台设计，新平台可承载0.75～1m分辨率光学成像载荷，具有高速数据下传能力，侧摆机动范围达到±45°。它采用100SP-O型飞轮作为姿态控制执行机构，其质量2.6kg，角动量1.5Nms，最大力矩0.11Nm。

灾害监测星座-3卫星运行于高度647km、倾角97.8°的太阳同步轨道，升交点地方时10：30，偏心率0°。卫星质量约447kg，设计寿命7年，数据量化10bit。前3颗卫星—北京-2星座位于同一轨道平面，相互间隔120°星座对地球任意位置重访周期为1天。其有效载荷为甚高分辨率成像仪-100，全色分辨率1m、多光谱分辨率4m，全色波段范围450～650nm，有4个多光谱波段，分别为600～670nm（红）、510～590nm （绿）、440～510nm（蓝）、760～910nm（近红外）。所有成像波段的信噪比大于100，全色波段调制传递函数值（MTF）优于0.1，多光谱波段优于0.2。幅宽23km，焦平面探测器采用TDI CCD。它具有沿轨、穿轨立体成像能力，单星每日图像采集面积100000km2，在长条带成像模式下，条带成像距离高度4000km。星上存储能力128GByte，数传系统采用X频段，由高速数据记录器数据率（HSDR）、大容量闪存单元（FMMU）、X频道发射机和高增益天线指向机构（APM）组成，数传速率400Mbit/s。其数据采用联合图像专家组无损压缩（JPEG-LS）。

改进型萨瑞6通道3谱段多光谱线性成像仪参数表

测试中的3颗北京-2卫星

Third Generation Disaster Monitoring Constellation — Beijing-2 Launched in July