静止轨道高分辨率光学成像卫星是世界遥感卫星发展的一个重要领域^[1]。由于其轨道特点，可长期驻留于固定区域上空，不受过境时间束缚，结合面阵成像体制在任务设置、辐射分辨率、几何精度等方面的优势，有利于实现一个具备快速任务响应能力、高频率重复探测能力、大范围多目标持续监视能力的对地观测系统，且具有单景幅宽大、动态范围大、信噪比高(尤其对于低照度成像条件)、相对几何精度高(单景图像内)、具有一定全天时探测能力等优点，非常适合于对地进行长期的连续监视和快速的访问成像。

Astrium公司在2012年10月5日的第63届国际宇航联大会上表示已经具备了制造一种3 m分辨率静止轨道对地观测卫星(HRGeo)的能力^[2]，这种卫星可以为军事和国家安全用户提供持续的监测视频。军事官员们表示，他们愿意牺牲一些分辨率来换取对某个目标区域的持续监视能力^[3]。由此可见，静止轨道高分辨率光学成像卫星将在目标侦察监视方面扮演重要角色^[4]。

本文详细分析了静止轨道高分辨率光学成像卫星的轨道特点、成像特点和成像优势，综合考虑持续观测的应用需求，提出了面向侦察监视的静止轨道高分辨率光学成像卫星的应用模式，可应对平时和应急两种态势。 1 静止轨道高分辨率光学成像卫星特点分析

由于静止轨道卫星轨道的特点，使其具有相对于地球不动的特殊空间特性等多项性能，是世界各国研究空间利用的重要平台。随着光学遥感探测技术的发展，在静止轨道进行高分辨率光学成像探测，可以对地表植被类型及覆盖、山体变化、土地利用、森林火灾、病虫害影响强度与范围等主要观测要素进行实时监测，满足减灾防灾、林业、农业、环境与海洋探测等多方面的应用，有着广泛的应用前景。

轨道倾角、偏心率均为0的地球同步轨道称为地球静止轨道，其星下点轨迹为一个点。静止轨道卫星和地球具有固定的位置关系，适合于面阵凝视的成像方式。从地面像元分辨率和图像MTF来看，地球静止轨道在纬度方向上对中低纬度区域的观测效果优于对高纬度地区的观测效果，在经度方向上对定点位置经度附近的观测效果优于其东西方向的区域的观测效果^[5]。

以我国为观测对象，假设静止轨道高分辨率光学成像定点位置为110°E，图1显示了该静止轨道卫星的对地最大可视范围。其中：外线表示卫星姿态摆动8.5°最大可视区域，区域直径约15000 km；内线表示卫星姿态摆动6.3°最大可视区域，区域直径约9000 km。

图 1

Fig. 1

图1 定点于110°E的静止轨道高分辨率光学成像卫星最大可视范围 Maximum viewing area of geostationary orbit high-resolution optical imaging satellite fixed at 110° E

静止轨道卫星对地观测时，目标区域的光照条件呈现为两种周期性变化的合成^[6]，分别为日周期变化和年周期变化。此外在午夜还需要进行必要的阳光规避，来避免搭载的光学载荷镜头系统受阳光的直接照射,见图2。

图 2

Fig. 2

图2 静止轨道卫星成像特点示意图 Imaging features of geostationary orbit satellite

这是地球自转引起的每天的太阳“东升西落”变化，不同于低轨观测系统具有固定的过境时间，静止轨道卫星可在不同时间对同一地区成像，因此需考虑光照的日周期变化，如图3所示。

图 3

Fig. 3

图3 夏至时节地表辐亮度的变化规律 Variation of surface radiance around the summer solstice season

上述特征使得静止轨道卫星在白天时刻适合于采用可见光谱段进行对地观测，在夜晚阶段采用红外谱段进行观测。

这是指地球绕太阳公转以及黄赤交角引起的太阳直射位置的年周期变化。这一特征使得地球静止轨道卫星在每年的夏季附近对北半球观测时段变长，在冬季附近对北半球的观测时段变短，如图4所示。图中白色部分表示阳光照射区域。

图 4

Fig. 4

图4 冬至日、夏至日正午阳光照射区域示意图 Sunligth area at noon on winter solstice and summer solstice

静止轨道高分辨率光学成像卫星在观测范围、时间分辨率上具有低轨光学成像卫星难以具备的优势^[7]。首先，静止轨道高分辨率光学成像卫星具有观测幅宽数百公里、可对观测范围内的目标进行持续监视、可实时向地面站下传数据、受云覆盖的影响小等特点。其次，具有拍摄目标地区视频的崭新功能，能够进行动持续观测，使卫星拍摄图像向拍摄视频跃变。最后，静止轨道高分辨率光学成像卫星具备快速响应能力，低轨对地观测卫星的观测时间相对固定，遇到紧急任务时，难以及时调动，而静止轨道高分辨率光学成像卫星可立即响应指令，执行紧急任务。静止轨道高分辨率光学成像卫星从用户提出申请到图像数据的交付时间可以减少到数分钟，而现有卫星系统需要数小时甚至数天。

高低轨高分辨率光学成像卫星的特征对比如表1所示。

表1

Table 1

表1

表1 低轨高分辨率光学成像卫星和静止轨道高分辨率光学成像卫星的特征对比 Features contrast between LEO satellites and geostationary orbit high-resolution optical imaging satellites 卫星种类 高轨高分辨率光学成像卫星 低轨高分辨率光学成像卫星 空间分辨率 近期目标3 m 已达0.1 m 时间分辨率 分钟级 数小时或数天 幅宽 几百km 几km到几十km 能否持续监视 是 否 受云覆盖影响 低 高 图像交付时间 分钟级 数小时或数天 响应能力 快 慢 拍摄视频 是 极难(短时) 数据中继能力 有 无

表1 低轨高分辨率光学成像卫星和静止轨道高分辨率光学成像卫星的特征对比 Features contrast between LEO satellites and geostationary orbit high-resolution optical imaging satellites

静止轨道高分辨率光学成像卫星与低轨观测系统有着本质的不同，具有低轨观测系统所不具备的多种优势，如高时效性、强机动性、任务实时主导等，非常适合于对地进行长期的连续观测成像。

根据静止轨道高分辨率光学成像卫星的特点分析，在考虑持续观测应用需求的基础上，结合卫星自身的机动能力和成像性能，对静止轨道高分辨率光学成像卫星在轨应用过程中的星地一体应用模式进行优化设计，分为平时应用模式和应急应用模式。

平时应用模式主要是基于静止轨道高分辨率光学成像卫星的观测范围大、重访时间短、持续观测时间长等特点，用于对预定侦测任务的实际应用，通过预先设定所关注的重点目标区域和观察时刻，由星上自主规划路径，并结合地面指令实施可视区域内的观测成像，例如平时全景普查模式、平时区域拼接模式、平时机动巡查模式、平时夜间探测模式等。

平时全景普查模式适合于大范围监视区域的常规监视，监视区域可根据用户需求设定，通过整星小角度姿态调整连续拼接成像，每天可按照设定时间进行(如8：00～17：00之间)，卫星的任务执行路径可按照星上自主规划进行。如图5所示。

图 5

Fig. 5

图5 平时全景普查成像示意图 Panoramic observation at ordinary times

通过对地全景普查成像，可以建立包含观测时间、观测条件、观测谱段等因素在内的地面普查可见光/多光谱观测数据库，为在轨标定、目标变化识别等后续处理、分析提供基础数据支持。随着数据库中观测数据的积累，并按照不同时间间隔进行对比、反演、融合等分析，可以实现对普查 目标长期变化情况进行监测：

·以天为时间周期的大型运输集散状态；

·以月为时间周期的潮汐、海温等水文变化状态；

·以季为时间周期的植被、洋流等变化状态；

·以年为时间周期的海岸带侵蚀、城市扩张、设施建设等变化状态。

平时区域拼接模式适合于中等范围区域的常规观测，可根据用户需求设定，通过整星小角度姿态调整连续拼接成像。在这种模式下，用户可自定义一个成像区域，包括区域位置、形状、面积，地面或星上根据最优路径规划制定出卫星姿态机动步数、步距角，示意图如图6所示。

图 6

Fig. 6

图6 平时区域拼接示意图 Regional splicing in everyday observation

在该应用模式下，可以获取重点地区、曲折海岸线的观察图像，并根据不同观测时间的数据对比和分析，积累建筑设施、气象水文等目标状态的变化情况。

在每天定时进行对地全景普查模式中，通过预设目标及相关区域，以及重复巡查的回访时间间隔，可以对多个重点区域进行日常机动巡查。机动巡查模式下的成像范围为地理上不相邻区域。示意图如图7所示。

图 7

Fig. 7

图7 平时机动巡查示意图 Variation of inspections

对日常关注区域进行机动巡查的任务编排，可穿插在日常全景普查任务过程中并行处理，从任务时间、机动流程方面予以综合优化。特别是对于在进行全景普查观测过程中被云层遮挡的区域，可以结合气象信息，在无云时刻或利用云层间隙对普查缺失区域的观测数据进行补充和完善。

在夜晚条件下，静止轨道高分辨率成像卫星可以利用长波红外通道，通过接收地面常温目标的自身热辐射进行探测；另一方面，由于卫星处于静止轨道，具有相对地面静止不动的特点，通过增长面阵积分时间的方式，或采用微光成像技术^[8]，可对凝视区域内的人工光源进行探测。

在午夜时分还要进行阳光规避，因此，静止轨道高分辨率成像卫星在夜间成像时，对应的可探测区域和可观测时间，将与白天成像状态有所不同，其任务编排需要结合阳光规避路径进行综合优化。平时夜间探测示意图见图8。

图 8

Fig. 8

图8 平时夜间探测示意图 Observation at night at ordinary times

应急应用模式，则是在静止轨道高分辨率光学成像卫星快速响应能力的基础上，更多地体现静止轨道高分辨率光学成像卫星快速机动、地面控制、动态目标三位一体之间的实时互动的特点，利用在轨实时测控和数据实时传输的优势，在面对突发事件的应急状态下，通过星地实时交互操作，实现分钟级的任务响应和获取观测数据，完成对重点范围紧急事态的感知与侦测。

在应急状态下，可以利用静止轨道高分辨率成像卫星成像幅宽大、数据实时下传的特点，对应急目标所在位置进行凝视成像，可实现分钟级成像间隔的重复探测频率，完成对林火、洪涝、地震等突发灾害等紧急事件的应急监视。成像谱段可以根据任务需求组合配置。应急监视示意图见图9。

图 9

Fig. 9

图9 应急监视示意图 Emergency monitoring schematic

对于静止轨道高分辨率光学成像卫星，对平时应用模式可以天为时间周期进行任务预设^[9]，对于应急应用模式需根据具体应急任务进行临时安排。下面将通过对平时应用模式的进一步描述，进行平时应用模式的任务编排和规划。

平时全景普查模式主要是通过姿态摆动进行全景普查区域成像拼接，获取大范围图像数据，建立日常数据库，可以对普查目标长期变化情况进行监测。平时区域拼接模式主要是对关注区域，特别是森林植被、曲折海岸带及周边范围进行连续区域观察，相邻两次成像区域有重叠，以便于图像拼接。通过获取观测区域内图像数据，建立日常数据库，可以获取地质、水文等环境资源的变化信息。

平时机动巡查模式主要是多处可能同时发生林火、泥石流等自然灾害突发事件的重点关注区域，相邻两次成像区域不连续，以此获得多个重点区域目标的短时间变化情况。

平时夜间探测模式主要是静止轨道高分辨率光学成像卫星夜间探测功能的体现，通过红外谱段成像、微光成像技术或可见光谱段超长时间曝光等，可对选定区域进行全景拼接，也可对感兴趣区域进行机动巡查，此种应用模式要结合太阳规避的必要时间，由星上进行自主机动路径规划。

根据上述描述，可将每天静止轨道高分辨率光学成像卫星的观测任务描绘如图10所示。

图 10

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图10 常规应用模式编排图 Diagram of general opplication model

每天早6点至20点，以平时全景普查模式为主线，期间可穿插安排平时区域拼接模式和平时机动巡查模式，如9点、12点、15点可对多个地区进行常规性的机动巡查和区域拼接；

每天20点至早6点，可进行平时夜间探测模式，可对多个地区进行机动巡查和区域拼接。 3 总结

静止轨道遥感以其时间分辨率非常高的优势，非常适合对各类自然灾害、环境污染等突发性、区域性、影响扩散迅速的事件进行快速、高频探测，为用户及时提供所急需的灾情图像，以支持应急救灾工作的部署。

本文在充分分析静止轨道高分辨率光学成像卫星特点的基础上，提出了面向持续观测的静止轨道高分辨率光学成像卫星应用模式设计，分为平时应用模式和应急应用模式，并对相关应用模式进行了仿真，最后对平时应用模式进行了任务编排和规划，更好的满足持续观测的需求。

此外，对于静止轨道光学遥感卫星来说，卫星观测数据的整理、储存、关联、检索、查询等日常维护，以及后续相关的各种分析处理工作的顺利与否，将成为制约观测数据动态变化监测拓展应用的关键。观测数据库的建立，是一项长期持续和积累的工作。在数据库建立过程中，建库策略将影响到静止轨道高分辨率光学成像卫星的运行模式调整。