高光谱观测卫星高精时间同步方案设计与应用

为了满足星上高光谱相机、全谱段光谱成像仪、星敏感器等时间精度敏感仪器的高精度时间同步需求,高光谱观测卫星上设计了可适应多种精度需求的时间同步方案。对于系统时间,综合通过星地时差集中校时、均匀校时、GPS总线校时、GPS硬件秒脉冲校时等校时方法进行时间修正;对于终端用户,分别给出直接采用广播的进行本地时间修正的时间同步方法、采用广播及内部秒脉冲的时间同步方法、采用广播授时和不同秒脉冲校时方案的地面时间重建算法。利用在轨数据,对卫星星敏感器、全谱段光谱成像仪及可见短波红外高光谱相机的曝光时刻时间重建方法进行了应用说明,并对不同方法的时统误差进行了分析。

高光谱观测卫星对月定标模式设计

2021年9月成功发射的高光谱观测卫星(高分五号02星)是我国高光谱遥感能力的重要标志。该卫星定量化程度高,装载的7台载荷中,有6台具有在轨定标能力,卫星除偏航90°场地定标和偏航太阳定标的工作模式外,还设计了姿态机动对月定标模式。主要介绍了高光谱观测卫星的姿态机动模式和对月定标方案,详细阐述了月球运动规律、机动对月定标的姿态机动模式、对月定标的观测窗口和角度,并总结了月球定标的工作流程,分析了对月定标过程的姿态指向精度、光照条件、星敏视场及卫星热控影响。分析结果表明,在对月定标过程中,卫星能够很好地适应机动过程带来的光照、外热流等外部环境的变化,指向精度可以满足对月定标观测需求。

高光谱观测卫星偏振交火工程设计及在轨性能评估

2021年9月7日发射的高光谱观测卫星是《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015-2025)》中规划的一颗业务星,是我国高光谱遥感能力的重要标志。高光谱观测卫星运行于高度为705km、降交点地方时为10:30的太阳同步轨道。针对细颗粒物探测,卫星配置了偏振交火传感器,通过由高精度偏振扫描仪(POSP)与大气气溶胶多角度偏振探测仪(DPC)构成的双偏振载荷的联合探测,获取观测区域的气溶胶光学厚度(AOD)、PM2.5等气溶胶信息。本文主要介绍了高光谱观测卫星总体技术方案和双偏振载荷方案,详细阐述了偏振交火模式设计要点,包括时统设计、光谱通道设置、光谱匹配设计以及视场匹配设计等工程设计。同时,对偏振交火模式的在轨性能进行了评估,评估结果表明:双偏振载荷的同步观测采集时间差优于0.4ms,视场匹配误差优于0.066POSP像元,满足反演应用需求。最后,对双偏振载荷在轨测量精度进行了交叉验证,验证结果表明辐射测量值与参考值拟合决定系数均高于0.96,线偏振度在轨交叉验证平均绝对差异优于0.0088,均满足在轨探测精度的设计要求。

高光谱观测卫星及应用前景

介绍了我国高分辨率对地观测系统重大专项中第一颗实现高光谱分辨率观测的高光谱观测卫星(GF-5)卫星及其应用前景。该卫星设计运行于高度705km的太阳同步轨道,装载可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪、大气主要温室气体监测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪、大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪共6台有效载荷。卫星的光谱分辨率高且谱段全,具备高光谱与多光谱对地成像、大气掩星与天底观测、大气多角度偏振探测、海洋耀斑观测等多种观测模式,获取从紫外至长波红外(0.24~13.3μm)高光谱分辨率遥感数据;数据辐射分辨率高,载荷的光谱分辨率最高0.03cm-1,具备在轨定标功能,绝对辐射定标精度优于5%,光谱定标精度最高0.008cm-1;长波红外空间分辨率高;高码速率数传;高可靠长寿命设计。卫星入轨后将在环境综合监测、国土资源调查和气候变化研究等方面发挥重要作用。其典型应用有陆表环境综合观测、陆表局地高温及城市热岛效应监测、矿物填图、大气成分全球遥感监测和大气污染气体监测等。

森林冠层多角度高光谱观测系统的实现与分析

为了进一步理解遥感观测中地表目标物二向性反射特性产生的影响,增强定量反演植被结构和生理参数的能力,以江西千烟洲通量站为基地建立了多角度高光谱观测系统。此系统主要由UniSpec-DC双通道光谱仪、Pan-TiltUnit可水平垂直旋转的云台、电脑、电力供应系统、软件控制系统,以及数据转换器等配件组成。获得的光谱数据经白板校正、暗电流校正、超量程数据插补、异常数据删除、缺失角度插补等预处理后可用于冠层反射率和植被指数的计算与定量分析。多角度高光谱观测系统观测的辐照度与通量观测的光合有效辐射(PAR)具有较好的一致性(R^2=0.9614,P<0.001)。利用2013年7月观测得到的光谱和通量数据计算得到光化学反射指数(PRI)与光能利用率(LUE),二者表现出明显的对数关系(R^2=0.5142,P<0.001)。分析认为,多角度高光谱遥感是定量研究森林生态系统的重要手段,也是进一步理解航空航天遥感与样地观测尺度问题的有效方法。

高分五号卫星方案设计与技术特点

高分五号卫星是我国首颗大气陆地综合高光谱观测卫星,是国家高分辨率对地观测系统重大专项项目,是实现我国高光谱观测能力的重要标志。卫星运行于高度705km、交点地方时13∶30的太阳同步轨道,装载了6台有效载荷,观测谱段覆盖范围从紫外到长波红外谱段(0.24~13.3μm),最高光谱分辨率达0.03cm-1。卫星具备高光谱与全谱段对地成像、大气掩星与天底观测、大气多角度偏振探测、海洋耀斑观测等观测手段,具备在轨定标功能,绝对辐射定标精度优于5%,光谱定标精度最高可达0.008cm-1。卫星可为我国大气、水、生态环境监测,自然资源调查,气候变化研究等提供国产高光谱数据产品。本文概述了高分五号卫星的总体设计方案,总结了卫星的主要技术特点及创新点,并对卫星的应用前景进行了展望。

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪设计及标定技术

高分五号卫星是我国首颗高光谱综合观测卫星,其上搭载了我国自主研制的大气痕量气体差分吸收光谱仪(EMI),获取紫外至可见谱段的高光谱辐射信息,可用于定量监测二氧化氮、二氧化硫、臭氧等污染气体的全球/区域分布和变化,是我国首台实现大气污染气体探测的星载高光谱载荷。载荷发射后进入在轨测试阶段。待测试完成后,将正式交付用户,进入业务化应用阶段。主要介绍EMI载荷的测量原理、设计方案,总结了在轨信噪比、光谱分辨率、光谱定标精度和辐射定标精度等关键指标,并展示EMI载荷测量的全球NO2、O3分布。测试结果表明,EMI载荷在轨工作状态良好,光谱数据精度高,可应用于全球污染气体产品反演。后续业务化应用可有力支撑大气污染防治、全球气候变化管理等用户需求。

融合地面高光谱和高分二号卫星遥感监测数据的稻纵卷叶螟危害估算

通过对大田稻纵卷叶螟为害情况进行系统观测,测定不同生育期稻纵卷叶螟不同危害程度下的水稻叶绿素相对含量(Soil and Plant Analyzer Development,SPAD),并对水稻SPAD与冠层原始光谱反射率、冠层一阶光谱率以及植被指数进行相关性分析,利用相关性高的光谱特征波段的植被指数建立SPAD估算模型。建立水稻拔节期植被指数与SPAD的关系模型,利用高分二号遥感数据反演地面水稻生长的SPAD值,并使用地面实测点数据对反演数据进行精度验证。主要研究结果如下:(1)不同生育期不同稻纵卷叶螟危害程度下的水稻SPAD与水稻冠层一阶光谱反射率的相关性高于与原始冠层光谱反射率的相关性,光谱敏感波段主要位于红光和近红外波段,SPAD与各种植被指数之间存在显著的相关性。(2)不同生育期不同稻纵卷叶螟危害程度下的SPAD多元逐步回归估算模型的拟合效果好于单因子估算模型,且2种模型均在拔节期拟合效果最好。(3)根据高分二号遥感的波段范围计算出的7个宽波段植被指数与SPAD的相关性比较好,多元逐步线性回归模型的拟合效果优于单变量模型。(4)基于高分二号数据建立的R2最高的模型反演出的SPAD与地面实测的SPAD具有显著的线性相关关系,这表明利用高分二号数据进行地面SPAD遥感反演是可行的,为准确评估稻纵卷叶螟危害程度提供了新的思路和方法。

全谱段光谱成像仪遥感影像云检测算法

云的存在影响着遥感影像的广泛应用。基于高光谱观测卫星全谱段光谱成像仪的空间分辨率高和波段范围广的特点,提出一种适用于全谱段光谱成像仪数据的改进多通道阈值云检测算法。首先,根据云层在可见光到热红外通道的变化特征分离潜在云像素和清晰像素;然后,将温度概率、变异概率和亮度概率相结合,分别生成陆地和水体的云概率掩模;在此基础上,利用潜在云像素和云概率掩模得到潜在云层;最后,对潜在云层应用晴空恢复测试来减轻陆地水体以及冰雪上空云的误判。将改进的多通道阈值云检测算法结果与传统的多通道阈值云检测算法结果进行定量对比分析。结果表明:改进的算法能适用于不同的地表场景且得到较好的检测效果,平均总体精度为92.0%,差异度总体降低3%,平均云像元正确率和晴空像元正确率分别为92.4%和91.8%,错分和漏分误差显著降低;尤其在高亮地表,在城市和冰雪上空的平均云像元正确率分别提高4%和5%,差异度分别降低4%和2%。所提算法的云识别效果优于传统的多通道阈值云检测算法的结果,并且运行效率较高。

Spectral Studies of Oscillations Observed by the High-Latitude Radar and Magnetometers

A comparative spectral analysis of high-latitude magnetic and Doppler radar measurements is presented. The analysis takes into account the Doppler effect that is inherent in magnetic observations. The frequency shifts between the magnetic and radar data are estimated （removed） indirectly by formulating the spectral analysis of magnetic data as the Schuster problem of hidden periodicities. There is a satisfactory agreement between the basic frequencies of equidistant spectra found in the magnetic data and frequencies found in the corresponding Doppler radar data. Some conclusions relevant to these findings are discussed.

智能遥感卫星系统

分析了当前遥感卫星系统存在的一些不足,论述了新一代"智能遥感卫星系统"的概念及其主要特点,对其中自适应遥感成像和星上数据实时处理两个核心部分进行重点介绍,并对其涉及的关键科学问题和关键技术进行阐述。设计了一套具有自适应成像和应用模式优化能力的智能高光谱卫星有效载荷系统。该系统由用于区域背景信息获取的前视预判遥感器、用于地表详细观测的主遥感器以及星上数据实时处理和分析3部分组成。对智能高光谱卫星的工作原理和流程进行介绍,并呼吁中国尽快围绕智能遥感卫星系统开展一些前沿性的科学理论和关键技术研究,以实现中国在卫星遥感领域的跨越式发展。