遥感平台及运行特点 (2)

第2章遥感平台及运行特点 1 遥感平台的种类2 卫星轨道参数及轨道特点3 卫星坐标 姿态的测量与解算4 几种主要的卫星及轨道参数 遥感平台 放置遥感器的运载工具 按高度 地面航空航天在不同高度进行多平台遥感 可获得不同比例尺 分辨率和地面覆盖面积的遥感图像 地面平台高度 300m波谱测试试验研究用地物细节图像 2 1遥感平台的种类 高度100 30000m飞机飞艇气球等 航空平台 在超出大气的地球附近空间或太阳系各行星间飞行的飞行器高度 数百 数千 数万公里人造地球卫星 探空火箭 宇宙飞船 航天飞机 太空站等 航天平台 2 2卫星轨道参数与轨道特点 春分点 黄道面与赤道面在天球上的交点升交点 卫星由南向北运行时与赤道面的交点降交点 卫星由北向南运行时与赤道面的交点近地点 卫星轨道离地球最近的点远地点 卫星轨道离地球最远的点 卫星在空间的位置和形状是由6个轨道参数来决定的 它们是 1 升交点赤经 春分点R逆时针方向到升交点K的弧长2 近地点角距 从升交点K沿轨道到近地点A的角距 2 2卫星轨道参数与轨道特点 卫星轨道参数 A R 3 过近地点时刻t 卫星S与近地点A间的角距 也可用卫星真近点角v表示4 长半轴a 轨道椭圆的长半径5 偏心率e 轨道椭圆的偏心率6 倾角i 轨道平面与赤道平面的夹角 2 2卫星轨道参数与轨道特点 遥感中常用卫星轨道参数 轨道周期 覆盖周期 重访周期 赤道轨道 地球静止轨道倾斜轨道星下点 星下点轨迹卫星速度 星下点速度 卫星平均高度同一天相邻轨道间在赤道的距离每天卫星绕地球的圈数 2 2卫星轨道参数与轨道特点 轨道周期t 覆盖周期 重访周期 周期 卫星在轨道上绕地球一周所需的时间 覆盖周期 卫星从某点开始 经过一段时间飞行后 又回到该点用的时间 覆盖周期 重访周期 2 2卫星轨道参数与轨道特点 赤道轨道 i 0 轨道平面与赤道平面重合地球静止轨道 i 0 且卫星运行方向与地球自转方向一致 运行周期相等 2 2卫星轨道参数与轨道特点 倾斜轨道 顺行轨道 0 i 90 卫星运行方向与地球自转方向一致 可覆盖最高南北纬度为i逆行轨道 90 i 180 卫星运行方向与地球自转方向相反 可覆盖最高南北纬度为180 i 倾斜轨道 2 2卫星轨道参数与轨道特点 星下点 卫星质心与地心连线同地球表面的交点星下点轨迹 地面轨迹 星下点在卫星运行过程中在地面的轨迹 2 2卫星轨道参数与轨道特点 卫星速度 星下点速度 卫星平均高度根据开普勒第三定律 2 2卫星轨道参数与轨道特点 同一天相邻轨道间在赤道的距离 2 2卫星轨道参数与轨道特点 每天卫星绕地球的圈数 例如 Landsat 1L 2873 95km 再减去卫星每天修正 0 9863 即进动角 为满足与太阳同步而作的修正 则L 2865 918km 对用于地球资源和环境遥感的航天平台要做到 对全球表面进行周期性成像覆盖 保证在卫星通过北半球中纬度地区时有最佳光照条件 同一地点 不同日期的成像地方时间 太阳光照角基本一致 2 2卫星轨道参数与轨道特点 轨道特点1 近极地轨道卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角近90度 轨道倾角越大 覆盖地球表面的面积越大 i 2 2卫星轨道参数与轨道特点 轨道特点2 卫星轨道近圆形地球资源卫星的偏心率很小 例如 LANDSAT3的偏心率为0 00006 因此轨道为近圆形 作用是 获取图像有相近的比例尺 成像扫描仪具有固定的扫描频率 i 2 2卫星轨道参数与轨道特点 轨道特点3 与太阳同步轨道 指卫星轨道平面与太阳光之间的夹角 太阳光照角 始终保持一致的轨道 在一年中进动360 即卫星轨道面相对于地球的角进动与地球绕太阳公转的角速度相等 2 2卫星轨道参数与轨道特点 太阳同步轨道作用 1 可使卫星通过同一纬度的平均地方时不变 2 有利于在最佳光照条件下获取高质量影像和多时相影像色调对比 2 2卫星轨道参数与轨道特点 卫星轨道如何与太阳同步 2 2卫星轨道参数与轨道特点 轨道特点4 可重复观测地球资源卫星的按一定的周期运行 一个重复周期对地球扫描一次 然后 接着进行下一个重复周期 实现可重复观测 2 2卫星轨道参数与轨道特点 卫星坐标的解算 为了测定卫星的坐标 我们在知道6个卫星轨道参数的基础上 还要准确测定卫星在某点的时间 2 3卫星坐标 姿态的测量与解算 方法有 1 利用星历参数解算2 用GPS测定 条件 六个卫星轨道参数和卫星在该瞬间的精确时间t 卫星坐标的测定和解算1星历表法解算卫星坐标 1 卫星在地心直角坐标系中的坐标 E为偏近点角 其与卫星运行t的关系为 E esinE n t T V为卫星的真近点角 X 在轨道面内 坐标系X Y Z 绕Z 轴旋转 X Y Z X rcosVcos sinVsin Y rcosVsin sinVcos Z 0 X 在轨道面和赤道面内 坐标系X Y Z 绕X 轴旋转i角 绕Z轴旋转 角至XYZ坐标系 X在赤道面内 2 卫星在大地地心直角坐标系中的坐标大地地心直角坐标轴与地心直角坐标X轴之间移位一个时角 3 卫星的地理坐标 式中 B 纬度 L 经度 N 卯酉圈半径 HD 卫星大地高程 编制成卫星星历表 查卫星星历表 输入卫星的时刻参数 用全球定位系统 GPS 测定卫星坐标 卫星的姿态通常用X 前进的切线方向 Y 垂直与轨道面方向 Z 垂直与 面 三轴定向表示 绕 轴称滚动 绕 轴称俯仰 绕 轴称航偏 测量的方法有 1 红外姿态测量仪2 恒星相机测定法3 3个GPS方法 2 3卫星坐标 姿态的测量与解算 卫星姿态角滚动 绕x轴 沿飞行方向 旋转的姿态角俯仰 绕y轴旋转的姿态角航偏 绕z轴旋转的姿态角 红处姿态测量仪测定姿态角的方法利用地球与太空温差达287K这一特点 以一定的角频率 周期地对太空和地球作圆锥扫描 根据热辐射能的相位变化来测定姿态角 Landsat1上的AMS 测定姿态角的精度为 0 07 一台仪器只能测定一个姿态角 2恒星摄影机测定姿态角的方法将恒星摄影机与对地摄影机组装在一起 两者的光轴交角在100 120 之间的某一个角度上 恒星摄影机 对地摄影机 至少摄取3 5颗五等以上的恒星 并精确记录卫星运行时刻 再根据恒星星历表 摄影机标称光轴指向等数据解算姿态角精度 15 美国在Apollo上使用的恒星摄影机测定姿态的精度达5 使用GPS的方法也能测定姿态将三台GPS接收机装在摄影机组上 同时接收四颗以上GPS卫星的信号 反算出每台接收机上的三维坐标 进而解算出摄影机的三个姿态角 为了提高解算精度 GPS接收机之间要有一定距离要求 1 LANDSAT系列2 SPOT卫星系列3 EOS计划4 小卫星系列5 海洋测绘观测计划6 SAR卫星系列7 印度系列卫星8 中国系列卫星 2 4几种地球资源遥感卫星及其运行特征 LANDSAT系列 2 4几种地球资源遥感卫星及其运行特征 陆地资源卫星 计划 第一代试验研究阶段L11972L21975L31978RBVMSS第二代试验研究向应用研究过渡阶段L41982L51985MSSTM第三代应用研究阶段L6发射失败L71999ETM 1 2 3号星体 2 4几种地球资源遥感卫星及其运行特征 Landsat 51984年 Landsat 41982年 2 4几种地球资源遥感卫星及其运行特征 1999年4月15日范登堡空军基地设计寿命6年NASA从1972年开始的陆地卫星计划的最后一颗 2 4几种地球资源遥感卫星及其运行特征 3 1 3 3几种地球资源遥感卫星及其运行特征 续4 SPOT 地球观测试验卫星长方形箱体积木式结构由多功能平台和有效载荷两部分组成 2 4几种地球资源遥感卫星及其运行特征 Spot系统迄今为止已发射了五颗卫星 Spot11986年2月发射 目前仍在运行 但从2002年5月停止接收影像 Spot21990年1月发射 至今还在运行 Spot31993年2月发射 运行4年后在1997年11月由于事故停止运行 Spot41998年3月发射 卫星作了一些改进 Spot52002年5月发射 性能作了重大改进 2 4几种地球资源遥感卫星及其运行特征 美国国家航空航天局 NASA 地球观测系统EOS EarthObservationSystem EOS90年代初实施计划由10颗卫星组成 并在今后10年内陆续发射构成连续15年的数据采集系统原计划90年代中后期发射 几度因故推迟 第一颗EOS卫星 EOS系统的 旗舰 TERRA 即以前的EOSAM 1 上午轨道卫星终于在1999年12月18日发射上天 TERRA拉丁语 地球 的意思 2 4几种地球资源遥感卫星及其运行特征 Terra卫星sun synchronous near polar circular轨道高度705KM轨道倾角98 降交点地方时10 30扫描宽度覆盖周期16天设计寿命6年一天可过境4次 2 4几种地球资源遥感卫星及其运行特征 CERES云与地球辐射能量系统MISER多角成像光谱辐射计MODIS中分辨率成像光谱辐射计ASTER星载高级热辐射与反射辐射计MOPITT对流层污染测量 Terra卫星5个遥感器载荷 2 4几种地球资源遥感卫星及其运行特征 小卫星计划 NASA启动的新千年计划是一项由来自政府部门 产业界和学术界的技术人员合作进行空间技术研究与开发的计划 其目的是通过一系列太空飞行试验 开发21世纪的对地观测技术 其中包括开发体积更小 成本更低 性能更优的地球观测卫星系统 降低未来空间计划实施中的成本和风险 2 4几种地球资源遥感卫星及其运行特征 地球观测1号卫星 EO 1 NMP计划的第一颗卫星 地球观测1号卫星 EarthObservatory EO 1 于2000年4月发射 EO 1轨道高度705km 太阳同步 倾角98 20 通过赤道当地时间与Landsat7仅相差一分钟 对全球覆盖一次周期16天 2 4几种地球资源遥感卫星及其运行特征 EO 1卫星上的遥感器EO 1的重点是开发和试验一系列先进的技术和陆地成像仪器 其中 轻型材料 高性能集成式探测器阵列及精确的波谱仪等重大技术进展将会在EO 1飞行中得到验证 为了确保目前Landsat数据的连续性 EO 1将携带3种遥感器 采集多波段和超多波段 高光谱 数据 与Landsat的ETM 配合 用于国土资源调查与监测 EO 1卫星上的三个遥感器分别是 高级陆地成像仪 ALI Hyperion LEISAR大气校正仪 LAC 2 3几种地球资源遥感卫星及其运行特征 美国QuickBird DigitalGlobe 0 61米卫星影像迄今为止世界上最高分辨率商业卫星 60cm 年以来已经拍摄了480 000多景影像卫星寿命预计8年 可以运行到2009 重访周期1 3 5天 与纬度有关 轨道高度450Km轨道倾角98 空间分辨率全色 0 61 0 72m多波段 2 44 2 88m像幅16 5 16 5Km 2001 10 18发射 2 3几种地球资源遥感卫星及其运行特征 56 海洋测绘观测计划 NEMO 海军研究实验室 NRL 超光谱遥感技术 HRST 计划 目标是演示一种超光谱地球成像系统 满足研究全世界海岸地区特征对超光谱数据的需求 HRST计划的关键部分是研制 海洋测绘观测 NEMO 卫星系统 NEMO是由美国国防部高级研究计划局 ARPA 和海军研究办公室 ONR 联合资助的由产业界和政府部门合作实施的 军民两用的地球观测卫星及数据处理 应用计划 2 3几种地球资源遥感卫星及其运行特征 6 SAR卫星系列ERS卫星欧空局ERS 1 ERS 2分别于1991年和1995年发射 携带多种有效载荷 包括侧视合成孔径雷达 SAR 和风向散射计等装置 采用了先进的微波遥感技术可全天候与全天时获取图像 比光学遥感图像有着独特的优点 2 3几种地球资源遥感卫星及其运行特征 椭圆形太阳同步轨道轨道高度 780km半长轴 7153 135km轨道倾角 98 52 飞行周期 100 465分钟每天运行轨道数 14 1 3降交点的当地太阳时 10 30空间分辨率 方位方向 30m距离方向 26 3m幅宽 100km 2 3几种地球资源遥感卫星及其运行特征 RADARSAT 1加拿大95年11月4日发射 具有7种模式 25种波束 不同入射角 因而具有多种分辨率 不同幅宽和多种信息特征 适用于全球环境和土地利用 自然资源监测等 2 3几种地球资源遥感卫星及其运行特征 RadarsatGSD 7m17 05 2008 2 3几种地球资源遥感卫星及其运行特征 1988年3月 发射IRS 1A1991年8月 发射IRS 1B两颗卫星完全相同携带LISS 1和LISS 2传感器 分辨率分别为72 5米和36 25米 4波段数据重访周期为22天1994年10月 发射IRS P2携带改进型LISS传感器 2 3几种地球资源遥感卫星及其运行特征 1995年12月 发射IRS 1C1997年9月 发射IRS 1D全色传感器 分辨率为5 8米可见光波段 幅宽为70公里 26度左右可调侧视LISS III多光谱传感器 分辨率为23 5米的可见光和近红外波段 70米的短波红外波段 幅宽为141公里WiFS广角传感器 分辨率为188米的可见光和近红外两个波段 分别位于可见光和近红外范围 幅宽810公里1996年4月 发射IRS P3携带3个传感器 其中AWiFS传感器增加一个波段 2 3几种地球资源遥感卫星及其运行特征 1999年5月 发射IRS P4 OCEANSAT 1 携带两个传感器 即OCM OceanColorMonitor 和MSMR Multi frequencyScanningMicrowaveRadiometer 2003年10月17日 发射RESOURCESAT 1 IRS P6 2 3几种地球资源遥感卫星及其运行特征 轨道为太阳同步 近极轨道 从其轨道模型看 它具有典型的光学遥感卫星的特点 与CBERS LANDSAT等卫星的轨道特征非常类似 2 3几种地球资源遥感卫星及其运行特征 2 3几种地球资源遥感卫星及其运行特征 2 3几种地球资源遥感卫星及其运行特征 多光谱传感器LISS 4 两种工作模式 全色 MN 多光谱 MX 2 3几种地球资源遥感卫星及其运行特征 多光谱传感器LISS III LISS 3传感器具有四个光谱波段 分别位于可见光 近红外与短波红外区域 2 3几种地球资源遥感卫星及其运行特征 多光谱传感器AWiFS AWiFS传感器具有与LISS 3传感器完全相同的四个波段 两者的不同则在于成像幅宽与几何分辨率 中国卫星系列 气象卫星资源卫星环境卫星 一 气象卫星 风云系列气象卫星计划包括两个主要系统 极地轨道 太阳同步 卫星系统和地球静止轨道 地球同步 卫星系统 我国气象卫星被命名为 风云 系列 FY 1 FY 3 FY 奇数 等表示极轨卫星系列 FY 2 FY 4 FY 偶数 表示地球静止系列 1 FY 1系列 包括4颗星 以及相应的地面数据接收 处理及应用系统 FY 1A B 卫星主体两侧有两块太阳电池板 展开时卫星总长度为8 6m 卫星姿态为三轴稳定方式控制 三轴精度优于1 按太阳同步轨道运行 高度901km 轨道周期102 86min 轨道倾角98 9 偏心率小于0 005 1 FY 1A B参数 2 有效载荷FY 1A B卫星主要有效载荷为5通道可见光和红外扫描辐射计 它与AVHRR相似 只是通道波长有些不同 辐射计的瞬时视场为1 2mrad星下点分辨率为1 1km 扫描速率是6线 s 每条线的总像素是2048 卫星携带的辐射计的通道特征 FY 1C D可见光及红外辐射计的通道数增加到10个 利用风云卫星图像进行天气预报 2 FY 2系列 共发射5颗卫星 包括遥感系统 数据传输和广播系统 数据收集系统 遥测和指令系统 天线系统 姿态和轨道控制系统 能源系统 热控和远地点发动机系统等 1 FY 2有关参数 风云二号 FY2 静止轨道气象卫星位于东经105 赤道上空距地面35800公里的地球同步轨道上 卫星是一个直径为2 1米 高1 6米的圆柱体 卫星姿态是自旋稳定 2 有效载荷 FY 2星的主要载荷是可见光及红外旋转式扫描辐射计 VISSAR 扫描辐射计每半小时可获取一幅全景原始云图信息 包括可见光 0 55 1 05 m 红外 10 5 12 5 m 和水汽 6 2 7 6 m 3个通道 利用可见光通道在白天可得到云和地表的反射辐射信息 红外通道可得到昼夜云和地表的红外辐射信息 水汽通道可得到对流层中上部的水汽含量信息 3 扫描原理 利用卫星自旋运动 100r min从西向东 和扫描镜的步运动 从北向南2500步 每30min完成一次20 20 覆盖全球圆盘的扫描 其中25min用来获取图像 2 5min用于扫描镜复位 2 5min用于VISSR稳定 风云二号D星第一套图像 4 功能 a 获取可见光 红外和水汽云图像 利用上述数据提取海面和陆面温度 云分析图以及云参数和风矢量等 b 从广泛分布的数据收集平台上收集和传送观测到的数据 c 广播S VISSR数据 WEFAX和S FAX或处理过的云图 d 检测空间环境 3 FY 3系列我国第二代极轨卫星 首次实现中国气象卫星的全球 全天候 三维和定量化探测 1 卫星参数 卫星轨道 近极地太阳同步轨道 轨道标称高度 836公里 轨道倾角 98 75 入轨精度 半长轴偏差 a 5公里 轨道倾角偏差 i 0 12 标称轨道回归周期为5 5天 设计范围为4至10天 轨道偏心率 0 0015 交点地方时漂移 2年小于10分钟 卫星发射窗口 降交点地方时10 00 10 20或升交点地方时13 40 14 00 2 卫星姿态 姿态稳定方式 三轴稳定 三轴指向精度 0 3 三轴测量精度 0 05 三轴姿态稳定度 4 10 3 s 3 有效载荷 风云三号卫星装载10个探测仪器 可见光红外扫描辐射计 红外分光计 微波温度辐射计 微波湿度辐射计 中分辨率光谱成像仪 微波成像仪 紫外臭氧探测器 地球辐射收支探测器 太阳辐照度监测仪 空间环境监测器 4 功能 a 三维大气热力 湿度结构的全球探测 云和降水参数探测 以支持全球数值天气预报 b 全球成像 以监视大范围气象 水文灾害 全球天气系统及全球生态环境异常 c 提供重要的地球物理参数 以支持全球变化研究和气候检测 d 数据收集和发送 二 资源卫星 中巴资源卫星系列资源卫星分为两类 一是陆地资源卫星 二是海洋资源卫星 陆地资源卫星以陆地勘测为主 而海洋资源卫星主要是寻找海洋资源 资源卫星一般采用太阳同步轨道运行 这能使卫星的轨道面每天顺地球自转方向转动1度 与地球绕太阳公转每天约1度的距离基本相等 这样既可以使卫星对地球的任何地点都能观测 又能使卫星在每天的同一时刻飞临某个地区 实现定时勘测 1 资源一号 资源一号卫星是中国和巴西共同研制的地球资源卫星 又称 中巴地球资源卫星一号 资源一号卫星是颗三轴稳定 太阳同步轨道卫星 卫星包括有效载荷和服务系统两部分 共由十五个分系统组成 卫星总质量为1540千克 星体为长方体 采用单翼太阳电池阵 本体外形尺寸为2000 1800 2250mm3 飞行状态尺寸2000 8440 3215mm3 卫星姿态控制采用高精度的对地指向三轴稳定和太阳电池阵对日定向跟踪和轨道调整方案 它由测量 控制和执行等三类设备组成 1 卫星参数 设计在轨寿命 2年运行轨道 太阳同步轨道轨道高度 778km赤平倾角 98 5度绕轨一圈时间 100 26分钟 一般情况下每26天观测全球一遍 2 有效载荷 资源一号卫星主要搭载了3台遥感仪器用于对地观测 20米分辨率的5谱段CCD相机80米和160米分辨率的4谱段红外扫描仪256米分辨率的2谱段宽视场成像仪空间和时间分辨率 可获得11个谱段 20米 80米 160米和258米等四种不同分辨率以及26天和5天的重复观测周期的对地观测图象数据 3 功能 由于卫星设置多光谱观察 对地观察范围大 数据信息收集快 并宏观 直观 因此 特别有利于动态和快速观察地球地面信息 其图像产品可用来监测国土资源的变化 每年更新全国利图 测量耕地面积 估计森林蓄积量 农作物长势 产量和草场载蓄量及每年变化 监测自然和人为灾害 快速查清洪涝 地震 林火和风沙等破坏情况 估计损失 提出对策 对沿海经济开发 滩涂利用 水产养殖 环境污染提供动态情报 同时勘探地下资源 圈定黄金 石油 煤炭和建材等资源区 监督资源的合理开发 2 资源二号 CBERS 2是我国的第一代数字传输型资源卫星 星上搭载了CCD传感器 IRMSS红外扫描仪 广角成像仪 由于提供了从20米 256米分辨率的11个波段不同幅宽的遥感数据 成为资源卫星系列中有特色的一员 1 卫星参数 卫星轨道 太阳同步轨道轨道高度 778公里轨道倾角 98 5 重复周期 26天平均降交点地方时 上午10 30相邻轨道间隔时间为4天扫描带宽度 185公里 2 有效载荷参数 红外多光谱扫描仪 波段数