环境减灾二号A/B卫星在轨定标模式设计与验证

环境减灾二号A/B(HJ-2A/B)卫星上搭载了16 m相机、大气校正仪、高光谱成像仪和红外相机4台有效载荷,主要执行中等分辨率下的800 km大幅宽对地观测和定量化遥感任务,因此高精度的辐射定标对环境减灾二号A/B卫星的数据处理和应用至关重要。为了保证4台成像体制各不相同的载荷能够满足在轨长期稳定的辐射响应精度,文章介绍了卫星对日定标、对月定标、偏航定标、载荷内定标等各种在轨辐射定标模式的设计方法,通过卫星获取的在轨定标遥测和图像数据,分析了卫星发射入轨后各种定标模式下遥测及相关定标数据。结果表明:各类型在轨辐射定标模式可以有效实现对4台载荷的辐射定标,获取的高质量辐射定标数据可以满足各载荷在轨长期稳定运行的辐射定标需求,可为后续光学遥感卫星在轨辐射定标设计提供参考。

环境减灾二号A/B卫星红外相机在轨性能测试与稳定性评估

环境减灾二号A/B卫星发射入轨后,已经在轨运行1年,期间对2颗卫星上的红外相机展开了一系列在轨测试及其性能评估工作。以2台红外相机获取到的在轨几何特性、辐射特性和在轨遥测等数据为基础,对其幅宽、空间分辨率、谱段间配准、传递调制函数、信噪比、辐射定标精度等指标参数进行全面测试和评估,并对扫描机构稳定性、制冷机工作稳定性、漫反射板反射率及系统稳定性进行评估。在轨性能测试与稳定性评估结果表明:2台红外相机在轨各项系统性能指标良好,工作稳定。

环境减灾二号A/B卫星高光谱成像仪CCD的Smear效应快速校正方法

环境减灾二号A/B卫星高光谱成像仪采用大面阵帧转移CCD作为成像和存储介质,以满足其高性能成像需求。然而,帧转移型CCD的Smear效应会造成干涉图像累积误差,导致干涉信息不准确,进而引起目标反演光谱失真。为了消除Smear效应影响,传统方法常利用行间信息迭代运算进行校正,导致计算耗时随着探测器面阵变大而增加。文章根据Smear效应产生的机理,推导出一种基于矩阵运算的Smear效应快速校正模型,并通过图形处理器(GPU)并行运算进行加速,以达到高效消除Smear效应的目的。试验结果表明:文章提出的方法能够很好地校正Smear效应引起的误差,同时利用GPU加速后计算速度是传统校正方法的632.4倍。

环境减灾二号A/B卫星成像模式设计与效能评价

针对环境减灾二号A/B卫星有效载荷类型多、数据量大、各载荷成像约束不同等特点,根据多用户对图像质量、数据需求量、获取时效性的应用需求,设计了环境减灾二号A/B卫星常规成像模式、应急成像模式、特殊成像模式等各类成像模式,并进行了说明。在轨测试结果表明:环境减灾二号A/B卫星成像模式设计正确、合理。经卫星成像效能分析,两颗卫星两天时间内可对全国陆地区域进行覆盖性观测,并可对全球南北纬80°内任一目标进行观测。此文可为后续光学遥感卫星成像模式设计提供参考。

环境减灾二号A/B卫星系统设计与技术创新

环境减灾二号A/B卫星是国家民用空间基础设施中首批启动的业务卫星,星上配置有16 m相机、高光谱成像仪、红外相机和大气校正仪4种光学载荷,具备可见光、高光谱和红外对地成像能力,以及在轨大气同步探测功能。两颗卫星均采用CAST2000公用平台,设计寿命5年,单星质量1065 kg,运行于标称轨道高度为645 km的太阳同步回归轨道。两星在轨组网运行,可实现16 m相机和红外相机2天对全球南北纬80°以内地区全覆盖观测。文章概述了环境减灾二号A/B卫星的主要技术方案,总结了载荷设计新技术、多载荷匹配设计、多样化定标、视觉监测,以及轨道冻结等技术创新点,并介绍了在轨测试和典型应用情况,可为我国后续环境减灾监测遥感卫星系列发展提供参考。

环境减灾二号A/B卫星高光谱成像仪设计与验证

高光谱成像仪是环境减灾二号A/B卫星上唯一可以获取高光谱数据的载荷。文章从幅宽和空间分辨率2个方面介绍了国内外高光谱成像仪的发展现状;基于大孔径静态干涉光谱成像(LASIS)技术原理和高光谱成像仪系统组成,提出幅宽增大和空间分辨率提高会带来偏流角偏差控制和高速图像传输等问题;对摆镜“轻巧型”结构、高精度运动部件及大尺寸高精度干涉仪进行设计,以满足偏流角偏差分析提出的高光谱成像仪推扫方向与探测器光谱方向夹角优于2.7′的要求,采用大面阵CCD高速成像技术,实现电路规模仅为原有技术的1/4。环境试验和在轨成像结果表明:高光谱成像仪调制传递函数(MTF)大于0.24,星上定标精度优于2 nm,在轨获取的可见光近红外(VNIR)及短波红外(SWIR)光谱图像立方体正确,曲线准确度相对偏差优于5%,高光谱成像仪的设计具有有效性。

环境减灾二号A/B卫星16 m相机设计与验证

针对环境减灾二号A/B卫星环境评估、灾害监测、灾后恢复重建的需求,文章设计了一种单台地面分辨率优于16 m、对地幅宽大于200 km、5谱段推扫成像的空间遥感相机。该相机具有超大视场和轻小型等特点。经在轨验证,16 m相机各项指标满足设计要求,图像清晰、层次分明,在各类应用领域发挥了较大效能,可为农业、水土、森林资源普查及灾害、生态监测等提供参考。

环境减灾二号A/B卫星大气校正仪数据处理方法及初步在轨评估

环境减灾二号A/B卫星大气校正仪作为首个成功在轨运行的扫描型同时偏振遥感器,其技术原理和数据处理方法均有别于以往的在轨遥感器。文章在简要介绍大气校正仪原理的基础上,系统阐述了其数据预处理、大气参数反演和大气校正方法,评估和展示了部分在轨应用效果。在轨初步评估结果显示:基于大气校正仪L1级数据反演的气溶胶光学厚度(AOD)和水汽柱浓度(CWV)数据与全球气溶胶自动观测网(AERONET)数据的偏差落在期望误差(EE)范围内的比例分别为68.62%和95.39%,且与对应的中等分辨率成像光谱仪(MODIS)产品空间分布具有较好的一致性;空间同步覆盖的16 m相机多光谱数据校正前后图像清晰度和纹理特征均提升明显,地表反射率校正精度满足应用需求,初步显示了大气校正仪在气溶胶监测和大气校正等方面的应用潜力。

环境减灾二号A/B卫星高光谱数据反演与质量提升

针对环境减灾二号A/B卫星高光谱成像仪获取的原始干涉数据反演过程与数据质量提升方法进行研究。依据大孔径静态干涉光谱成像(LASIS)的基本原理与数据反演方法,使用实验室定标法和在轨数据统计法进行原始干涉数据的相对辐射校正。根据直方图统计结果,对反演之后的浮点型高光谱数据进行归一化,并对归一化后的数据进行基于直方图匹配的相对辐射校正,有效地去除了图像条带,使得反演生成的高光谱数据空间信噪比得到有效提升,并保持了92%以上的光谱准确度。

环境减灾二号A/B卫星多轴机动及对日对月姿态控制方法

针对环境减灾二号A/B卫星的双轴机动及对日对月惯性目标定向需求,开展了基于四元数的双轴机动和对惯性目标定向控制研究。根据建立的挠性卫星姿态跟踪控制误差方程,给出比例、积分、微分(PID)控制律,双轴机动仍采用欧拉角形式进行控制,同时考虑多轴机动过程中偏流角的补偿算法;惯性目标定向采用四元数控制方式,可以实现对惯性目标定向,同时也可以实现绕某轴匀速扫过惯性目标。文章给出了几种姿态机动的仿真算例及在轨实现数据,结果表明:机动时间和姿态稳定度均满足卫星的多轴机动和对日对月定标要求。

环境减灾二号A/B卫星风险管理实践

针对环境减灾二号A/B卫星项目载荷种类多、技术新、研制难度大等特点,分析了项目风险管理的难点,在以往航天器项目风险管理规范、经验的基础上,采用重要风险源识别方法,研究了相关高风险项目的成因,制定相应的管控措施,将技术风险、质量风险、进度风险的管理有机结合,把风险控制到了可接受程度,确保了项目的顺利实施,可为其他航天器项目风险管理提供参考。

环境减灾二号A/B卫星在地震次生地质灾害识别中的应用

以2014年鲁甸地震重灾区为研究区,通过目视解译方法对研究区内的滑坡体进行识别,采用定性评价与定量评价、基础评价与应用评价相结合的方法,对环境减灾二号A/B卫星及高分一号、六号卫星对滑坡的识别能力进行对比分析。结果表明:环境减灾二号A/B卫星可识别出地震后全部大型滑坡、部分中型滑坡和个别小型滑坡。与相同分辨率的高分一号卫星影像相比,环境减灾二号A/B卫星具有相当的滑坡识别能力,并且具有幅宽较大的优势,对于快速识别大型滑坡等地质灾害和确定极灾区范围,具有较好的应用前景。

环境减灾二号A/B卫星基于加速度响应的运输环境疲劳分析

针对卫星运输环境疲劳分析难以通过结构应力疲劳分析方法开展的问题。文章首先对疲劳分析的基本理论与方法进行了详细介绍;然后,从随机、正弦振动应力疲劳分析出发,对卫星在公路运输环境下的疲劳损伤进行了评估;其次,通过建立加速度疲劳寿命关系,对基于加速度响应的卫星运输环境进行了疲劳分析,并与前述分析结果进行了对比,进一步验证了基于加速度响应卫星运输环境疲劳分析方法的可行性;最后,以环境减灾二号A/B卫星运输环境数据为例,从正弦加速度响应出发对卫星的疲劳寿命进行了评估,为后续基于加速度响应的卫星运输环境疲劳分析的发展奠定了基础。

环境减灾二号A/B卫星在森林树种识别中的应用

采用环境减灾二号A/B卫星数据,在福建武夷山国家公园和东北虎豹国家公园2个试验区开展森林树种识别的应用研究。分别提取2个试验区影像的光谱特征、归一化植被指数(NDVI)和基于主成分第一分量的8个纹理特征信息,采用支持向量机(SVM)和原型网络分类对森林主要树种进行识别,并利用验证样本进行精度评价。结果表明:在福建武夷山国家公园试验区,SVM和原型网络分类的总精度分别为86.37%和91.11%,Kappa系数分别为0.83和0.90。在东北虎豹国家公园试验区,SVM和原型网络分类的总精度分别为91.77%和91.34%,Kappa系数均为0.90。总体来说,环境减灾二号A/B卫星数据在2个试验区的主要树种识别精度较好,后续能较好地满足林业行业相关业务应用需求。

基于环境减灾二号A/B卫星HSI数据的太湖叶绿素遥感监测研究

叶绿素a(Chl-a)是湖泊富营养化和初级生产力评价的关键指标。在传统地面观测受限于时空尺度的问题下,高光谱遥感为光学特性复杂的内陆湖泊监测提供了新的思路。文章针对环境减灾二号A/B卫星高光谱成像仪(HJ-2A/B HSI)数据的湖泊叶绿素定量监测能力问题,选择太湖为研究区域,结合地面同步观测数据和准同步的哨兵-2(Sentinel-2)卫星多光谱(MSI)数据,系统评估了HJ-2A/B HSI数据的遥感反射率数据质量,构建了太湖叶绿素HJ-2A/B HSI遥感反演模型。模型的平均绝对百分比误差(MAPE)为37.5%,均方根误差(RMSE)为0.0078 mg/L,HJ-2A/B HSI与Sentinel-2 MSI影像提取的叶绿素浓度整体空间趋势基本一致。结果表明:HJ-2 HSI可为内陆湖泊叶绿素及其它水质参数的遥感定量监测提供有效的数据支撑,并仍可在辐射数据质量、大气校正等方面进行进一步的优化,以满足水环境遥感业务化监测的应用需求。

基于环境减灾二号A/B卫星的森林火烧迹地提取应用

森林火灾是生态系统面临的重大自然灾害之一,利用遥感技术快速提取火烧迹地的信息对灾后管理和评估至关重要。文章以宁夏回族自治区固原市林场火灾为例,利用环境减灾二号A/B卫星影像开展森林火灾火烧迹地范围的识别和提取并进行精度验证。采用支持向量机分类方法和基于归一化植被指数的决策树分类方法,结合灾前和灾后2个时相的影像,分析了火灾后火烧迹地的面积和范围。结果表明:归一化植被指数(NDVI)在火烧迹地范围提取中优于支持向量机(SVM)分类法,识别精度达到97.5%。环境减灾二号A/B卫星具有较高的空间分辨率,可以较好地反映植被燃烧后形成的火烧迹地,有效满足了森林草原火灾灾后开展定量评估的需求,为森林火灾监测应用提供有力支撑。

环境减灾二号A/B卫星在生态保护红线区植被覆盖信息提取中的应用

选择北京百花山国家级自然保护区作为典型试验区,以我国高分一号(GF-1)卫星数据提取结果作为参考,开展环境减灾二号A/B(HJ-2A/B)卫星数据在生态保护红线区植被覆盖遥感信息提取中的应用分析。试验结果表明:基于HJ-2A/B卫星16 m多光谱遥感数据对地表植被覆盖度进行估算得到的结果精度、分级统计面积与参照数据估算的结果一致性较好,而且空间分布趋势与参照数据结果也大致吻合,能够满足生态保护红线区植被覆盖信息提取业务需求。下一步可深入挖掘环境减灾二号A/B卫星的应用潜力,通过与高分一号、高分六号卫星进行协同观测,提升防灾减灾、环境保护等业务的能力,更好地服务于国土资源、水利、农业、林业、地震等行业。

环境减灾二号A/B卫星红外相机摆扫行周期设计及影响分析

针对环境减灾二号A/B卫星宽幅摆扫式光学遥感相机的行周期设计,文章建立了结合卫星轨道数据和相机设计指标的搭接率计算模型,并经环境减灾二号A/B卫星上的红外相机设计指标进行了仿真分析,同时结合卫星红外相机在轨获取的图像数据质量进行了统计,对模型的影响进行了分析和验证。结果表明:提出的搭接率仿真模型得到的结果与卫星在轨实测结果一致性良好,且卫星红外相机在轨获取图像的搭接率指标正常,可以满足后续处理和用户使用要求。该模型可以有效用于扫描式光学遥感相机指标设计中,分析结果也可为后续相关航天遥感相机设计提供参考。

环境减灾二号A/B卫星大气校正仪设计与验证

大气校正仪搭载于环境减灾二号A/B卫星,采用同时偏振探测技术,通过穿轨扫描的方式同步获取与16 m相机相同观测区域内的光谱、偏振信息,通过数据融合反演气溶胶光学厚度、水汽柱浓度等大气参数,进而实现16 m相机图像的高精度大气校正。文章介绍了大气校正仪探测原理及系统构成、性能测试及定标结果,并展示了在轨应用结果。测试结果表明:环境减灾二号A/B卫星大气校正仪信噪比分别优于57.2 dB和57.5 dB,辐射定标不确定分别优于4.32%和4.37%,经大气校正后的16 m相机图像质量提升明显,满足仪器设计指标要求。

利用环境减灾二号A/B卫星红外相机数据监测沙尘暴

针对国产卫星数据在沙尘监测领域应用较少的情况,基于环境减灾二号A/B(HJ-2A/B)卫星搭载的红外相机(IRS)探测数据构建沙尘监测算法。在分析IRS分辨不同沙尘天气场景能力基础上,与中等分辨率成像光谱仪(MODIS)监测结果对比,分析了不同时间尺度下的沙尘遥感监测能力,并讨论了IRS的不足之处。结果表明:环境减灾二号A/B卫星数据质量整体较好,影像可以清晰地呈现陆地、云和沙尘等主要场景的整体轮廓及纹理,有利于准确提取沙尘天气;与MODIS监测沙尘结果相比,IRS的准确率和召回率分别为81%和与57.6%,其时空分布规律基本一致,IRS具备一定的沙尘监测能力;同时,IRS存在数据噪声、定标精度等问题。此研究对国产卫星在大气环境遥感业务中的大力发展应用有参考意义。