[资料]航天遥感

航天遥感简述
0引言
航天遥感既是对资源环境信息动态监测的有效手段，也是对瞬息万变的战场态势信息准确把握的首选技术。

可以说从一定意义上讲，航天遥感技术已经成为决定战争胜负和影响国家安全的重要因素。

航天测绘已成为获取空间信息资源十分重要的技术手段。

同时，遥感信息的获取、处理、加工和服务，与卫星定位技术和卫星通信技术的应用也密切相关，正在世界范围内蓬勃发展的小卫星技术对于推动遥感、导航定位和通信技术的快速进步具有重要价值。

近日，拜读了由张永生、张云彬编著，科学出版社出版的《航天遥感工程》，颇有心得，下文就是读完本书后的感想。

1遥感与航天遥感
1962年，在美国密执安大学召开了第一次环境遥感科学讨论会，会上讨论了如何把探测地面军事目标的侦查技术转向民用的问题，美国海军科学研究局的布鲁伊特首先提出了“遥感”一词。

“遥”是空间概念，“感”是信息系统。

遥感技术就是指一种非接触的测量和识别技术。

20世纪50年代初，航空红外扫描仪的发明和发展，又将观测地物的范围从可见光扩展到10um热红外波段。

20世纪50年代末至60年代初，人们发明了多光谱摄影机，并改进感光材料，使其感光范围从可见光延伸到1.1um的近红外波段，产生了多光谱摄影和彩色红外摄影技术。

这也成为了20世纪60年代航空遥感的基础。

可见光和红外遥感可以获得地物清晰的光学和红外图像，在军事侦查和地球观测上提供了很多有用的科学数据。

可见光和红外遥感器只能在晴天工作，遇到阴雨天气，就观测不到地球表面了。

由于军事应用和地球观测的需要，促进了20世纪70年代微波遥感，特别是雷达遥感的发展。

由于微波遥感能全天候工作，不管阴雨、晴空、白天、黑夜均能工作，再加上其对植被和地表层具有一定的穿透能力，因此受到世纪各国的普遍重视，并获得迅速发展。

微波遥感技术正成为遥感领域中一个新的发展方向。

20世纪80年代初，由于光电探测技术的发展，使得研制高空间分辨率、高光谱分辨率以及高辐射性能的敏感器成为可能。

1983年美国研制成功第一台航空成像光谱仪。

美国计划中的高分辨率成像光谱仪将实现成像光谱技术上的重大突破，这种仪器在可见光到近红外（400-2450nm）光谱段设置了192个波段，在卫星上可分清地面30m的物体，可同时观测地面24km宽的条带。

成像光谱仪最求的目标是：在太空观测地表的每一点的物体，就像在光谱实验室那样，通过测
量物体的光谱细微特性来区别它是何物。

因此，成像光谱技术的发展已成为21世纪国际遥感界的一个热点，也是当代国际遥感发展的重要领域和前沿。

航空和航天遥感所使用的遥感器大同小异，二者最大的区别在于传感器所搭载的飞行平台。

航空飞行器受领空和气象条件的限制，每次遥感任务只能局部的、间歇的进行。

航天遥感所依托的卫星和其他航天器在几百公里以上的轨道飞行，不受领空的限制，飞行平台更加平稳、观测范围更大，可以长时间周期性的进行对地观测，是遥感技术真正走向大规模应用的主要方式。

航天遥感在全球观测，大范围资源、环境调查，及军事应用方面具有任何其他技术所不可代替的作用和地位。

2航天器
非载人航天器至少由三部分组成：有效载荷、航天器公用舱和推进器连接器。

有效载荷是完成特定任务的设备或仪器。

航天器公用舱则用来装有效载荷并提供管理功能。

有效载荷和航天器公用舱可以是分开的独立舱，也可综合设计成一个整体。

推进器连接器是航天器和推进火箭之间的承载接口。

此外，航天器还可装载推进剂，并带一个推进反冲级。

推进剂既可以是压缩气体也可以是液体燃料，用于航天器的速度校正和姿态控制。

如果采用反冲级，它通常是一级独立的固体火箭发动机或液体火箭发动机，用来将航天器送入预定轨道。

航天器公用舱的功能可简要概括为：支撑有效载荷；保持有效载荷的正确指向；维持有效载荷的合适温度；提供电源、指令和遥测；使有效载荷处于正确的轨道；并保持其轨道；如果需要，可提供数据存储和通信功能。

航天器公用舱即由提供这些功能的分系统或设备组合而成。

3空间有效载荷
3.1有效载荷的种类
有效载荷是完成航天使命的一个重要分系统。

虽然为保证航天任务的完成，所有分系统都必须同样正常的工作，但航天器的特征和尺寸主要是根据有效载荷的要求而确定的。

因此，要使航天器重量和复杂性大大降低，就必须改变有效载荷的要求或航天任务的设计。

许多情况下，有效载荷是和卫星舱分开操纵，按各自的方向独立工作。

空间观测台（如哈勃太空望远镜）的运行便是最好的实例，它们由一系列主研究人员操纵，每人分别控制一段时间。

有效载荷品种繁多，但可并为四大类：一是通信卫星有效载荷，它是典型的应用类有效载荷，但因其在商业和军事航天活动中占统治地位，固单独算作一类；二是其他应用类有效载荷；三是科学类有效载荷，包括载人航天器；四是专用有
效载荷。

第四类中还包括其他三类中具有军事作战性质或其他独特性能的有效载荷。

3.2对地观测有效载荷的类型
3.2.1可见光系统
可见光系统工作于可见光谱中的紫外光至红外光波段（380nm-780nm）。

它们的工作波长短，因而可以达到很高的分辨率，但由于其工作需要依靠阳光反射，因此只能在白天工作。

常见的可见光系统有两种：照相机和电子光学系统，前者可用于飞机和卫星，后者主要用于卫星。

原苏联直到20世纪80年代才放弃从空间收回曝光胶卷舱的方式，而美国早在20世纪70年代就在大部分卫星上用纯电子系统取代了胶卷舱。

3.2.2红外系统
红外系统的工作波段是从780nm-1.0um起（仍可使用胶片的波段）至1.0-2.5um（电子光学遥感用的近红外波段），至3.0-15.0umn（中红外），直至20.0-100.0um（远红外）。

近、中、远红外的定义非常不严格。

红外遥感器昼夜都能工作，因为它们探测到的信号强度是被观测景物的发射率乘以景物测温（等效黑体）温度四次方的一个函数。

当然，辐射计只有在大气窗口波段才能探测地面目标。

虽然同一地面点白昼和夜晚的信号特征不同（因为天空反射的能量不同），但图像质量基本上是相同的。

云和雨会使地面图像的对比度减弱，但除非天气非常恶劣，我们仍能获得图像信息。

在用可见光和红外探测时，常用光学涂层或电子滤光器把通带限制在窄波段，以帮助判别景物。

但因为每个波段探测到的能量较小，所以得到的图像分辨率也会较低。

3.2.3微波辐射计
微波辐射计工作于射频波段，主要是毫米波段（20-200GHz）。

它们可以被看作是向下观察的射电望远镜，其分辨率比同样孔径的可见光遥感器低3-5个数量级，但可以对大面积的陆地和海域进行探测。

为了便于判别被观察景物，它们需要做大量地面实况的校正测量。

它们同可见光遥感器是一样，也是被动式探测系统，探测到的信号强度是景物发射率乘以测温温度的一次函数。

因此，它们产生的信号要比红外探测信号弱很多。

由于地球背景温度不会发生多大变化，因而景物与景物间的发射率变化是造成被探测信号变化的最主要因素。

许多目标特征还具有不同的极性响应，因而辐射计通常使用水平和垂直极化天线。

微波辐射计都能良好的工作，且夜晚的信号不受白昼天空温度反射影响。

微波辐射计使用电子扫描相控阵天线或旋转抛物面相控阵天线对被观察景物进行扫描。

有时也可用带
有相控阵馈源的机械摆动式或电子扫描式固定抛物面天线。

云、雨和冰雪对其图像也有不利影响，会造成图像模糊和对比度降低，但其程度不像对可见光和红外图像那样严重。

3.2.4雷达成像器
雷达成像器工作于厘米和毫米波段，而以厘米波段最为常用，因为波长较短时大气引起的信号缩减较严重。

雷达与上述各种遥感器不同，它是主动探测系统，可提供本身的照明，与闪光摄影情形很相像，因而它容易被发现或遭到干扰。

雷达探测从被观测景物反射来的回波信号。

通常，侧视雷达（SLAR）分为真实孔径雷达和合成孔径雷达两类。

合成孔径雷达（SAR）系统可以获得与可见光和红外系统相同的分辨率而且不受距离的影响。

同微波辐射计一样，雷达也能穿透地表进行探测。

虽然雷达的信号路径要比被动式系统的信号路径增长1倍，但因为只有雷暴时产生的大粒子才会造成强反射，因而一般的坏天气环境对雷达的影响较小。

侧视雷达从字面上可以看出，它的观测方向是向下并且与其航向矢量垂直。

他们使用电子扫描相控阵天线和抛物面相控阵天线。

在对地观测卫星中，电子扫描相控阵天线更为常用。

大型天基雷达（>30m）将用大型平面相控阵天线或带相控阵馈源的抛物面天线进行电子束扫描。

3.3有效载荷的设计程序
尽管上述4种遥感系统的工作方式和硬件有很大的区别，但它们的设计程序却极其相似，即：
(1)选择传感器或配套的仪器：根据上述决策因素选择航天器，并携带几种互为补充的传感器。

(2)选择需要收集的数据类型：例如，选择需要使用的各个频率和波段；选择需要使用的极化形式（水平或垂直极化）；选择重复观测的时间间隔。

(3)选择专用的频带和极化图：光电系统通常工作于可见光和红外波段，他们使用相同的聚光系统。

射频系统通常只以一种载波频率工作。

(4)选择遥感器的主要参数：孔径和天线尺寸、聚光系统的焦距、焦平面探测器、瞬时视场(IFOV)、稳定度和主要电子分系统的参数、扫描形式和扫描幅宽。

(5)次要参数的计算和权衡：图像重叠率、图像比例尺、每一瞬时视场的驻留时间、校正形式、指向和稳定度要求、天线和光学系统参数、最终品质因素(性能指标)。

(6)完成设计并计算预期的性能：通常利用系统数值模型。

4通信系统
卫星和地球之间需要进行频繁的通信，这种通信既包括卫星对地球站的数据传输，也包括地球站对卫星的跟踪、测控，二者在空间通信系统中的安排或结构配置称为通信系统结构，这种结构就是在卫星和地球站之间传输信息的通信链路系统。

通信系统结构是卫星和地球站之间通过通信链路互相联络的网络。

地球站一词是地面、地面终端和地球终端的统称，包括陆地移动终端、机载和船载终端等。

所有地球站和终端都涉及到相同的设备，即与卫星进行通信所要求的天线、发射机、接收机以及控制设备等。

通信链路使卫星具有在其各组成部分之间实现跟踪、遥测、遥控和业务数据传输转发的功能。

5地面系统
地面系统用于支持空间系统（航天器及其有效载荷），并向用户转发星上仪器产生的飞行任务数据以及由航天器接收的飞行任务数据。

为了支持航天器及其有效载荷，地面系统必须指挥并控制它们，检视其工作状态，跟踪它们以便确定轨道位置，并根据姿态敏感器信息确定航天器姿态。

地面系统通过向航天器发送指令来控制航天器及其有效载荷。

除了被动回波跟踪技术(如雷达或激光反射器)以外，地面系统使用航天器内务管理遥测数据和飞行任务数据来执行这些功能。

例如，地面系统可以用星载雷达高度计获得的仪器数据修正有关航天器轨道的信息。

地面站从航天器及其仪器获取飞行任务数据，然后将数据传送给用户。

地面系统可提供用户所需的任何遥测和跟踪信息。

大部分空间飞行任务允许用户不断提出变化的要求，这些要求会改变地面系统的数据中继和控制功能。

地面系统由若干个地面站和控制中心组成，它们协同工作以支持航天器数据用户。

图5.1说明这些部分之间是怎样相互作用的。

通常，地面系统根据数据用户发送给控制中心的请求对航天器进行指挥和控制。

因为整个航天器的工作状态在很大程度上依赖于星上各个仪器和系统的状态，因此除了通信卫星以外，用户不单独向航天器发送数据。

图5.1空间系统、地面系统和数据用户之间的关系
各数据用户请求地面系统发送指令，从而影响飞行任务
地面系统尽力设法为航天器提供利用率高的、高保真的访问通路，同时保存对数据用户和地面控制器透明。

但在某些情况下（例如考虑成本的因素），也许会允许飞行任务数据某种程度的失真。

甚至丢失部分数据，同时也允许航天器与数据用户之间存在时间延迟。

对于实时数据传输，这些延迟可在亚秒级到秒级之间变化；对记录数据，时延可从日到周之间变化。

6空间推进系统与发射系统
各类航天器都要依靠空间推进系统将其送入空间轨道或其他空间位置，它包括将航天器从地球送入空间轨道的运载器和在宇宙空间运输航天器的轨道转移飞行器。

从最广泛的意义上讲，空间推进系统能完成三项任务：使运载工具及其有效载荷从发射平台起飞并将有效载荷送入近地轨道空间；将在近地轨道上的有效载荷送到较高的地球轨道或行星际交汇轨道；提供姿态控制和轨道修正的推力。

运载器包括运载火箭、航天飞机和空天飞机三大类，目前大量使用的是运载火箭。

轨道转移飞行器承担将航天器由低轨道转移到高轨道的运输任务，轨道转移飞行器常常安置在运载火箭最上面，称为上面极或变轨极。

一旦运载工具将有效载荷送到近地轨道后，就用上面极发动机将有效载荷送入工作轨道。

它有时除完成变轨任务外，还在进入低轨的过程中起推动作用。

有的轨道转移推进系统安置在卫星上，例如同步通信卫星的远地点发动机，它可推动卫星由转移轨道进入准同步轨道。