1、对地环境监测卫星焦点 朱文琰 岑雨萌摘要：人类虽然祖祖辈辈生活在地球上，但是，由于受到各种自然条件的限制，未能全部认识地球的真正面貌。面弄清楚地球的真正面貌，对于发展经济、科学和军事来说，都是非常重要的。对地观测卫星就是为了弄清楚地球的真正面貌而发展起来的一种卫星。研究对地观测卫星的结构，功能，用过模型法，制作出自己的对地观测卫星。关键词：对地观测；卫星模型；卫星载荷；大气对电磁波影响一、绪论1.1 研究背景及意义在如今科技飞速发展的时代，我们享受这科技给我们带来的便捷，和生活的优越，但是因为人类的科技，也对地球造成了巨大的伤害，例如赤潮，雾霾，土地沙化。所以我们组研究对地环境监测卫星，这样我
2、们就能尽自己所能去保护地球。同时，我们也可以通过对卫星的研究，我们可以应用到我们在课堂上学到的物理学的知识。在方法上，我们选取了查阅资料，和模型法来进行研究。1.2 前人工作对地观测卫星有两极轨道，对地同步轨道，静止轨道和太阳同步轨道，其中以两极轨道居多。对地观测技术主要用以航空航天对地观测。所谓对地观测，是以地球为研究对象，依托卫星、飞船、航天飞机、飞机以及近空间飞行器等空间平台所携载的光电仪器，利用可见光、红外、高光谱和微波等探测手段，对人类生存所依赖的地球环境及人类活动本身进行的各种探测活动。对地观测技术主要包括卫星通信、空间定位、遥感和地理信息系统等技术。二、基础知识储备2.1 应用原
3、理2.1.1开普勒定律开普勒定律，也叫“行星运动定律” 。是行星绕太阳运动的三定律；具体内容为：1.行星沿椭圆轨道运动，而太阳则位于椭圆轨道的二个焦点之一。2.在相同时间内，半径向量所扫过的面积是相等的。3.二个行星绕太阳运动的轨道的周期时间平方之比等于二个轨道与太阳的平均距离的立方之比。这三定律在天文学中是非常重要的。是自然界的基本定律之一2.1.2 万有引力定律万有引力定律是解释物体之间的相互作用的引力的定律。定律内容为任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引。该引力的大小与它们的质量乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关。2.2 实例研究“高分一
4、号” （见图 1）是中国高分辨率对地观测系统国家科技重大专项的首发星，它配置有 2 台 2 米分辨率全色/8 米分辨率多光谱相机和 4 台 16 米分辨率多光谱宽幅相机，设计寿命 5 至 8 年。 “高分一号”卫星具有高、中空间分辨率对地观测和大幅宽成像结合的特点，2 米分辨率全色和 8 米分辨率多光谱图像组合幅宽优于 60公里，16 米分辨率多光谱图像组合幅宽优于 800 公里，为国际同类卫星观测幅宽的最高水平，从而大幅提升观测能力，并对大尺度地表观测和环境监测具有独特优势。有外媒揣测，高分辨率卫星将增强解放军的精确打击能力，并反制美军用于威慑中国的隐身武器。三、卫星具体研究3.1 卫星分辨
5、率时间分辨率是指在同一区域进行的相邻两次遥感观测的最小时间间隔。对轨道卫星，亦称覆盖周期。时间间隔大，时间分辨率低，反之时间分辨率高。 地面分辨率是衡量遥感图像(或影像)能有差别地区分开两个相邻地物的最小距离的能力。超过分辨率的限度，相邻两物体在图像(影像)上即表现为一个单一的目标。通常用单位长度内所能分辨出来的黑白相间的线对数(线对/毫米)图 1来表示分辨率的大小。对于扫描图像，通常以像元的大小来表示其分辨率(即能分辨的最小面积)。实例研究军用遥感卫星和民用遥感卫星在原理上并无二致，主要区别体现在卫星所使用的谱段和对地面分辨率要求上的差异。军用遥感卫星主要在可见光或近红外谱段成像，分辨率优于
6、 1 米。也正因此，军用遥感卫星大部分都属于高分辨率对地观测卫星，只有少数用于普查的军用遥感卫星为了提高时间分辨率，而选择较高的运行轨道，从而使得卫星的空间分辨率有所减弱。与之相比，民用遥感卫星则主要在多光谱成像，以便识别地面各种特征，其分辨率高低差异参差不齐，但其总体水平普遍在军用卫星之下。表 1 各国对地观测卫星分辨率对比名称 分辨率 幅宽艾科诺斯 2 号卫星0.82 米 11.3 千米快鸟 2 号卫星 0.61 米 16.5 千米地球之眼 1 号卫星0.46 米 16.4 千米。斯波特 6 号卫星 2.5 米 60 千米3.2 卫星与地面通信卫星的地面站与卫星进行通讯，系统拥有一抛物面天
7、线，用以跟踪遥感卫星和接收它搜集的遥感数据和遥测信号。天线通常有自动、程控和手动三种跟踪方式，可在全半球范围内跟踪卫星。它根据事先已知的卫星轨道参数，确定天线起始指向，以便捕获卫星并进入自动跟踪状态。采取方位-俯仰安装方式的天线还应该有防止卫星过顶时丢失目标的措施。收到的数据信号经低噪声前置放大，以保证解调输出有足够的信噪比，使整个接收系统符合预期的误码率要求。下行变换的信号经解调分路和信号整理，被记录在多道高密度磁带上。跟踪接收系统还有检测整个系统性能的模拟检测设备和为统一时间标准用的定时设备。有的系统还设有快视分系统，实时监测跟踪接收到的数据大气层对电磁波的影响一、大气折射对电波传播的影响
8、无线电波在大气层中传播时，无折射时，对流层表现为均匀媒质的特性，电波射线将沿直线传播。但电波在大气层的各层中传播时由于传播速度不同将产生大气折射。而电波射线因传播路径上折射率随高度变化而产生弯曲，波束会向上或向下产生偏移。二、大气吸收对电波传播的影响从海平面算起直到 90km 的高度范围内，大气成分除水汽外，还有氮（质量分数约为 75.5%） 、氧（约 23.2%） 、氩（约 1.28%）等。在微波和毫米波段，氧和水汽是大气气体吸收的主要成其中水汽分子具有固有的电偶极矩，氧气分子具有固有的磁偶极矩，它们都有各自的谐振频率。当电波频率与之相同时，即产生强烈的吸收。三、降雨对电波传播的影响电波投射
9、到雨滴上时，会产生以下影响：雨滴对电波的散射和吸收会使微波衰减；电波穿过雨滴后极化面旋转，引起去极化现象；雨滴对电波的散射可能引起散射干扰。四、云、雾对电波传播的影响云、雾经常是由直径为 0.001-0.1mm 的液态水滴和冰 晶粒子群组成。对 100GHz 范围内的电波来说，它们的直径 都远小于波长，因此云、雾对电波造成的衰减主要是由吸收引起的，散射效应可以忽略不计。3.3 卫星有效载荷卫星的地面站与卫星进行通讯，系统拥有一抛物面天线，用以跟踪遥感卫星和接收它搜集的遥感数据和遥测信号。天线通常有自动、程控和手动三种跟踪方式，可在全半球范围内跟踪卫星。它根据事先已知的卫星轨道参数，确定天线起始
10、指向，以便捕获卫星并进入自动跟踪状态。采取方位-俯仰安装方式的天线还应该有防止卫星过顶时丢失目标的措施。收到的数据信号经低噪声前置放大，以保证解调输出有足够的信噪比，使整个接收系统符合预期的误码率要求。下行变换的信号经解调分路和信号整理，被记录在多道高密度磁带上。跟踪接收系统还有检测整个系统性能的模拟检测设备和为统一时间标准用的定时设备。有的系统还设有快视分系统，实时监测跟踪接收到的数据四、研究过程4.1 研究方法：模型制作1、我们首先使用铝条做了一个卫星框架（图 2）2、之后我们用 CAD 软件进行了卫星外部板和内部板的设计3、使用激光切割机打印了卫星外部板和内部板、4、安装好卫星的框架后，
11、我们将已经准备好的卫星载荷装入了模型中。5、测试模型卫星工作情况五、结论观测对象：雾霾、土地沙化、赤潮等环境问题5.1、分辨率时间分辨率：24h地面分辨率比例尺10 公里=1000000 厘米 1000000 /2.54=393700，约为 40 万：1这样选择分辨率可以保证一天将地球的所有地方拍摄一遍，并且可以较清晰的分析每一张图像。5.2、卫星轨道轨道为两极轨道轨道高度：17060km因为是对地球的全球观测，所以采用两极轨道，轨道要满足每两小时公转一圈所以我们根据课堂上学到的知识计算了卫星的轨道高度。 HRTRMmG245.3.卫星观测装置 高分辨率摄像机用于掌握图像的基本情况红外线观测装置针对于雾霾的观测，通过发射的红外线反射回来的频率来研究当地雾霾的污染程度预计观测效果(图 3)图 2图 3：六、改进没有考虑卫星的成本在制作卫星模型时，我们的模型做的过大以至于有许多多余的空间，有效载荷太有限，浪费了资源还增加了卫星的总体质量，加大了发射成本。在保证卫星基本结构稳定的情况下，使用碳纤维作为内部结构降低成本，减少质量参考资料http:/ CAD 软件，也感谢我们小组的全体成员在研学的活动中团结合作互帮互助。
