第2章 遥感平台及运行特点2.3.doc

1、第 2 章 遥感平台及运行特点2.3 陆地卫星及轨道特征用于陆地资源和环境探测的卫星称为陆地卫星，依不同的指标和方法，陆地卫星有多种分类方法，按综合分类为陆地卫星（Landsat）类、高分辨陆地卫星、高光谱卫星和合成孔径雷达等四类。本章主要就这些卫星的发展、轨道参数及探测器技术性能作一些介绍。2.3.1 陆地卫星类包括 Landsat 系列（美）、SPOT 系列（法）、IRS（1P）（印度）、ALOS 系列（日）、RESURSO1 系列（俄）等。这类卫星的特点是多波段扫描、地面分辨率为 530m，在现阶段，这类卫星仍然是陆地卫星的主体。一、Landsat 系列卫星1972 年 7 月 23 日

2、美国发射了第一颗气象卫星 TIROS-1，后来又发射了 Nimbus（雨云号），在此基础上设计了第一颗地球资源技术卫星（ERTS-1），后改名为 Landsat-1。从 1972 年至今美国共发射了 7 颗 Landsat 系列卫星，已连续观测地球达 29 年。最后一颗卫星 Landsat-7 于 1999 年 4 月 15 日发射，预计寿命为 5 年，后续卫星 Landsat-8 不再单独发射，探测器 ETM+将装载在 EOS-AMZ 上发射。这样 Landsat 系列卫星寿命预计可维持到 2010 年。Landsat 系列卫星发射时间如表 2-3。（一）Landsat1-3Landsat1

3、-3 三颗卫星的星体形状和结构基本相同，形假蝴蝶状，如图 2-7 所示。卫星分服务舱和仪器舱两大类。表 2-3：Lands 系列卫星发射时间表LANDSAT -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7发射日期 1972.7.23 1975.1.22 1978.3.5 1982.7.16 1985.3.1 199310 1999.4.15终止日期 1978.1.6 1982.2.5 1983.3.31 1987.7 运行 失败 运行探测器 RBV，MSS RBV，MSS RBV，MSS MSS，TM MSS，TM ETM ETM+图 2-7 地球资源卫星 1-3仪器舱内安装有反束光导管摄像机（RB

4、V）、多光谱扫描仪（MSS）、宽带视频记录机（WBVTR）和数据收集系统（DCS）等四种有效负载。有关这些仪器的详细介绍见第三章。卫星轨道及其运行特点卫星轨道平均高度 H 设计在 915km 上，依据式（2212）计算其运行周期为 103.267min。每天绕地 13.944 圈，倾角 I=99.125，每天修正卫星轨道进动角为 0.986。这样的设计产生以下几个特点：1、近圆形轨道实际轨道高度变化在 905918km 之间，偏心率为 0.0006。因此为近圆形轨道。轨道趋于圆形的主要目的是使在不同地区获取的图像比例尺一致。此外近圆形轨道使得卫星的速度也近于匀速。便于扫描仪用固定扫描频率对地面

5、扫描成像，避免造成扫描行之间不衔接的现象。2、近极地轨道这颗卫星的轨道倾角设计为 99.125，因此是近极地轨道。轨道近极地有利于增大卫星对地面总的观测范围。这颗卫星最北和最南分别能到达北纬 81和南纬 81，利用地球自转并结合轨道运行周期和图像刈幅宽度的设计，可以观测到南北纬 81之间的广大地区。3、与太阳同步轨道所谓卫星轨道与太阳同步，是指卫星轨道面与太阳地球连线之间在黄道面内的夹角，不随地球绕太阳公转而改变。如图 2-8 所示。对于一般轨道（除了与黄道面重合的轨道外），地球绕太阳作公转时，这个角会随之改变，如图 2-8 中虚线所示。由于这个角与传感器观测地面时的太阳光照角度有关，因此称为

6、光照角。图 2-8 卫星轨道与太阳同步任一时刻的光照角等于起始光照角加上地球对太阳的进动角。地球对太阳的进动一年为 360。因此平均每天的进动角为 0.9856。为了使光照角保持固定不变，必须对卫星轨道加以修正，平均每圈的修正量为：（2-19）式中，n 为一天中卫星运行的轨道数。从图 2-8 中可以看出，实现卫星轨道与太阳同步，只要轨道面绕地轴旋转 ，也就是修正轨道参数 。Landsat-15 的光照角都为 3730。卫星与太阳同步，使卫星以同一地方时通过地面上空。由于光照角为 3730，所以降轨运行时为当地时间 9:42 通过赤道上空。由于全世界按 24 个离散时区划分地方时，上述 9:42

7、 是一个平均太阳时，它并不意味着对于在给定相同纬度上所有各点的当地时间保持不变，图 2-9 示出了两条轨道上各纬度处的当地时间。图 2-9 在给定的纬度上卫星经过当地的时间变化与太阳同步轨道有利于卫星在相近的光照条件下对地面进行观测。但是由于季节和地理位置的变化，太阳高度角并不是任何时间都一致的。与太阳同步还有利于卫星在固定的时间飞临地面接收站上空，并使卫星上的太阳电池得到稳定的太阳照度。4、可重复轨道上一节中已讲到轨道的重复周期可由式（2-18）计算。与卫星的运行周期关系密切。陆地卫星运行周期为 103.267min，卫星每绕地面一圈，地球赤道由西往东旋转了约 2874km，去掉卫星进动修正

8、，为 2866km，也即第二条运行轨迹相对前一条运行轨迹在地面上西移 2866km。一天 24 小时绕地 13.944 圈，第 14 圈时已进入第二天，称为第二天第一条轨道，这一条轨道与前一天第一条轨道之间差 0.056 圈，在地面上赤道处为 159km。图 2-10 示出了一天内卫星运行轨迹在地面上的分布。第一天第一圈编号为，则第二天第一圈编号为。图 2-11 示出了在第一天第一圈和第一天第二圈之间 18 天的轨迹分布，上面注的圈号顺序编排的圈号，下面是以天号编的圈号。第一天第二圈和第一天第三圈之间亦如此，以此类推。图 2-10 第一天典型的陆地卫星地面轨迹但第一天第十四圈与第一天第一圈之间

9、只分布了 17 条轨迹，因为只有 0.944 圈。18 天总共绕地 251 圈，第 252 圈即第 19 天第一圈与第一天第一圈重合。圈间的距离为 159km，但图像的宽度为 185km，在赤道处相邻轨道间的图像尚有 26km（占 14%）的重叠。从图 2-11 中还可以看出偏移系数为-1，即下一天轨迹比当天轨迹西移一条轨道。轨道的重复性有利于对地面地物或自然现象的变化作动态监测。图 2-11 18 天的轨迹分布（赤道处）（二）Landsat4/51982 年美国在 Landsat-13 的基础上，改进设计了 Landsat-4 卫星，并发射成功。1984 年又发射了 Landsat-5 卫星

10、，与 Landsat-4 完全一样。Landsat-4/5 卫星的形状如图 2-12 所示。卫星主体由 NASA 的标准多用途飞行器组合体和陆地卫星仪器舱组成。多用途飞行器组合体包括姿态控制，通信及数据处理，电源和推进器等子系统。仪器舱装有 TM 传感器，MSS 多光谱扫描仪，宽带波段通信子系统，高增益 TDRSS（数据中继卫星系统）天线和其它天线，以及一个能产生 2KW 功率的太阳能帆板。这种卫星可设计成由航天飞机进行修复。图 2-12 Landsat-4/5 外形图Landsat-4/5 卫星也近圆形、近极地、与太阳同步和可重复的轨道。它的轨道高度下降为 705km，对于地面分辨力为 30

11、m 的 TM 专题制图仪而言是必要的，为此运行周期也减为 98.9s，重复周期为 16 天，偏移系数为-7，它与 Landsat-13 参数比较如表 2-4。Landsat-3 与 Landsat-4/5 轨道参数表 2-4Landsat13 Landsat-4/5轨道高度 H 915km 705km轨道倾角 I 99.125 98.22运行周期性 T 103.267min 98.9min长半轴 a 7285.438km 7083.465km降交点时间（过赤道平均太阳时） t9:42am 9:45am重复周期性 D 18 天（251 圈） 16 天（233 圈）偏移系数 d -1 -7在赤道上

12、两相邻轨迹间距离 159km 172km图像幅宽 185km 185km相邻轨道间赤道处重叠度 26km(14%) 13km(7%)(三)Landsat-7图 2-13 是 Landsat-7 的外形图。其轨道参数与 Landsat4/5 基本相同（见表 2-4），只是传感器改型为 ETM+（增强型专题制图仪）。Landsat 系列卫星轨道参数表表 2-5卫星 Landsat4-5 Landsat-7类型 太阳同步极轨高度 705km倾角 98.2降交点时 9:30a.m. 10:00a.m.周期 99min覆盖天数 16d姿控 3 轴（0.01精度）刈幅 185km二、SPOT 系列卫星法国

13、于 1986 年 2 月发射了第一颗陆地卫星，主要用于地球资源遥感，其外形如图 2-14 所示。其轨道参数如表 2-6 所示。至今已发射了 4 颗，即 SPOT1-4，SPOT5 计划有两个型号，SPOT-5A 和 SPOT-5B，SPOT5A 已于 12002 年发射。SPOT 卫星装载了 2 台相同探测器HRV（high resolution visible）或 HRVLR(high resolution visible and infrared)成像仪，HRV 的平面反射可绕卫星前进方向滚动轴（X 轴）旋转，平面向左右两侧偏离垂直方向最大可达27，从天底点间轨道任意一侧可观测到 450k

14、m 附近的景物，这样在邻近的许多轨道间都可以获取立体影像。在赤道附近，分别在第七条轨道间可进行立体观测，立体图像的基高比在 0.51.0 之间。SPOT 系列卫星发射时间如表 2-7。表 2-8 列出了 HRV（HRVIR）和 VI 的技术指标。图 2-14SPOT 卫星SPOT 卫星轨道参数表 2-6轨道高度 H运行周期 T轨道倾角 i重复周期 D偏移系数 d832km101.4min98.726 天（369 圈）+5卫星过降交点时刻轨迹间间隔（赤道处）所载仪器单台 HRV 图像幅宽两台 HRV 图像幅宽10:30am108km2 台 HRV 推扫描仪（多光谱和全色）60km117km（重叠

15、 3km）SPOT 系列卫星发射时间表表 2-7 SPOT -1 -2 -3 -4 -5A -5B发射日期 1986.2.22 1990.1.22 1993.9.26 1998.3.24 2002.5.3 2004终止日期 运行 运行 1996.11.14 运行 运行 （计划中）探测器 HRV HRV HRVHRVIR VIPoam3HRVIR+AVIHRVIR+AVI其中，VI 为指被测量仪，Poam3 是极地臭氧和气溶胶测量仪。SPOT5A 已于 2002 年发射，目前已作了平台，平台与 SPOT1-4 相同，探测器地台分辨率见表 2-9。SPOT 卫星 HRV 和 VI 探测器技术指标表

16、 2-8探测器 HRV HRVIR VI卫星 SPOT1-3 SPOT4 SPOT4波段(m)0.430.470.500.59PAN 0.510.730.610.680.790.891.581.75分辨率20m10m20m20m扫幅60km60km60km60km分辨率20m10m20m20m20m扫幅60km60km60km60km60km分辨率1km1km1km1km扫幅2250km2250km2250km2253km辐射灵敏度NEP0.05 0.05 0.03动态范围 0.10.6 0.10.6 0.10.6绝对辐射精度 9% 9% 5%覆盖天数 26d 26d 1dSPOT-5A 探测器地面分辨率表 2-9波段 HRVIR（SPOT-5）分辨率 VI（SPOT-5）分辨率0.430.470.500.5910m1km