风云气象卫星主要技术进展

近20年来,中国风云气象卫星完成了从试验应用型向业务服务型、从第一代到第二代、从单一探测到综合探测、从定性到定量的转变,实现了业务化、系列化、定量化的发展目标,风云卫星数据预处理、产品生成、数据应用技术取得全面进步。在地理定位方面,通过发展自主的地理定位算法,持续优化算法精度,业务定位精度提高到1个像素。在辐射定标方面,发展了基于月球订正的星上内黑体定标算法、深对流云定标、月亮定标和交叉定标等算法,建立了综合定标系统,太阳反射波段平均定标偏差小于5%,红外通道平均定标偏差小于0.5 K。建立了风云气象卫星产品生产及质量控制体系,具备数十种大气、陆地、海洋、空间天气定量遥感产品生产能力,部分产品质量达到或接近国际同类产品先进水平。风云气象卫星资料在天气、气候、生态、环境等领域得到广泛应用,特别是通过ECMWF(欧洲中期天气预报中心)的严格测试评估,在国际顶级数值预报模式中得到同化应用,标志着风云气象卫星部分仪器数据质量达到或接近国际先进水平。虽然中国风云气象卫星观测体系基本形成、观测精度不断提高、业务服务能力日趋增强,但仍存在仪器稳定性差、探测能力有限、探测精度有待进一步提高等问题。风云气象卫星未来发展需着重考虑以下几个方面:(1)建立合理的多星综合观测体系,重点是优化高中、低气象卫星轨道配置方案,建立多星联合组网观测体系,增强全球监测能力,提高时空分辨率;(2)提高探测精度,包括发展高精度星上定标系统,提高观测仪器的精度和稳定性,发展先进的卫星数据处理和产品反演算法等;(3)增强探测能力,重点是加强新型探测方法、探测技术研究,逐步实现对气象全要素的遥感探测,(4)增强应急响应能力,提高短时强对流等灾害天气监测能力;(5)提高卫星观测的连续性和稳定性,满足气候变化研究的需求;(6)增强多源数据综合应用能力,提高气象卫星的应用效益。     

地球质心的运动对卫星轨道的影响

由地心运动引起的引力位1次项系数不为零会对卫星轨道产生摄动.文中主要通过模拟计算来研究地心运动或坐标系统不自洽引起的地心偏离,从而对不同轨道根数的卫星轨道产生的摄动量级.实验表明地心运动对卫星轨道的影响,在高精度精密定轨和反演地球重力场中也是需要顾及的一项内容,特别是在坐标系统不自洽的情况下,影响更大.     

FY-3D卫星姿轨误差标校及对定位影响研究

卫星轨道及姿态误差是影响图像地理定位精度的关键因素,以风云三号D星（Fengyun-3D,FY-3D）中分辨率光谱成像仪（medium resolution spectral imager,MERSI）为例分析了轨道及姿态实测数据,分析结果表明,FY-3D轨道及姿态均存在多种因素导致的误差,为确定该误差来源,利用卫星搭载的全球卫星导航系统掩星探测仪高精度星历对星上姿态数据全链条计算进行分析,确定姿态误差来源于星上算法存在误差,提出订正优化方案并分析其可行性,进而利用订正后的姿态及轨道数据进行图像地理定位。实测结果表明,MERSI的1 km图像地理定位精度在沿轨和跨轨方向均提升了约20%,达到亚像元级,分析结果表明,通过标校姿轨误差以提高定位精度的方法行之有效。     

近圆轨道遥感卫星星下点轨迹的计算

根据遥感卫星轨道的特点,提出了计算近圆轨道卫星星下点轨迹的算法,并对其进行了精度评估.结果表明这种算法是快捷和有效的,能够满足卫星规划阶段对轨道精度的要求.     

地球质心的运动对卫星轨道的影响

由地心运动引起的引力位1次项系数不为零会对卫星轨道产生摄动。文中主要通过模拟计算来研究地心运动或坐标系统不自洽引起的地心偏离，从而对不同轨道根数的卫星轨道产生的摄动量级。实验表明地心运动对卫星轨道的影响，在高精度精密定轨和反演地球重力场中也是需要顾及的一项内容，特别是在坐标系统不自洽的情况下，影响更大。     

资源三号卫星激光测距定轨精度分析

基于卫星激光测距定轨是目前遥感卫星在轨位置测量的重要手段之一,其测量精度关系到遥感卫星的应用水平。为了分析我国首颗民用立体测绘卫星——资源三号携带的国产激光角反射器在轨运行情况,该文利用全球激光联测期间卫星激光测距数据与GPS事后联合定轨结果,从遥感影像几何定位和轨道预报两个方面定量分析和评价卫星激光测距参与的定轨精度。试验表明,基于卫星激光测距与GPS定轨结果,影像几何定位无控精度较实时定轨精度提升1~2m,有效提升了卫星影像几何处理精度;轨道预报1d星下点位置较实际过境轨迹偏差优于250m,2d优于500m,1d预报侧摆精度达到0.035°,满足检校外业和成像计划精度需求。     

静止气象卫星轨道运动的成像补偿研究

为进一步提高观测频次和信噪比,近年来各国新一代静止气象卫星均采用三轴稳定工作模式对地扫描成像。为了精确提取遥感目标物所在地点关于地表、云和大气状态的定量参数产品,必须要解决图像配准和定位问题。轨道漂移运动引起卫星视轴在地球表面上移动,导致连续图像之间产生相对位移,影响云图动画的图像配准精度。以2016年12月发射的中国风云四号卫星成像仪为研究对象,给出了图像参考基准的严密定义,研究了一种轨道运动补偿OMC(Orbit Motion Compensation)方法。通过给成像仪2维扫描机构增加转角补偿的方法在卫星上实时引导视线扫描路径,卫星相当于在理想轨道位置的视角成像。得到的遥感图像均被配准到地球固定网格FG(Fixed Grid),保持相对固定的几何定位关系。由于这种在卫星上完成的补偿剥离了L0级图像数据与卫星轨道测量信息之间的关系,从根源上保证了原始图像的长周期定位稳定性。为证明方法的正确性,利用风云四号卫星在轨测试的遥感图像L0级数据进行了试验验证。结果表明,云图动画中南北方向相对运动距离由973.0μrad缩小至75.6μrad,东西方向由205.8μrad缩小至81.2μrad。星上轨道运动补偿有效削弱了周期性轨道运动对图像定位与配准的干扰,显著提升图像配准精度。针对未来带有长线阵的新型静止卫星成像仪发展趋势,分析了进行星上轨道运动补偿时引起的长线阵探测器边缘像元误差问题,提出了采用电推进系统对卫星轨道倾角进行高精度保持控制来降低边缘误差的解决方案。     

地球静止轨道卫星数目对BDS单点定位的影响

针对相同条件下地球静止轨道卫星星历引入的测距误差约为中地球轨道卫星2倍的问题,该文分析了北斗导航系统中地球静止轨道卫星数目对定位的影响。采用实测数据在观测时段内可见的倾斜地球同步轨道、中地球轨道卫星的基础上,逐次增加一颗高度角最大的地球静止轨道卫星参与定位;对比分析了不同数目地球静止轨道卫星参与定位时位置精度因子值的变化,以及在北、东、高方向分量误差及总误差的内外符合精度。数据分析表明,按高度角逐次增加1~4颗地球静止轨道卫星时,系统的位置精度因子值有不同程度的改善,定位精度与增加一颗高度角最大的地球静止轨道卫星时基本相当;对高度角最小的地球静止轨道卫星降权处理,定位精度比未降权时提高。     

基于天气模型的国产卫星影像获取能力分析

为了提升遥感影像质量,增强国产卫星遥感数据的地理国情监测能力,采用基于云层因素的天气模型,分析了云覆盖对国产卫星遥感影像获取的影响.在具体研究过程中,选取湖北省境内近年的高分一号、高分二号和资源三号卫星影像资料,重点分析了云覆盖对卫星遥感影像获取的影响.研究结果表明,高分一号卫星受云覆盖的影响相对较小,高分二号和资源三...     

非球形引力位中J_3项对轨道的影响及应用

地球的非球形引力摄动是人造卫星环绕地球飞行过程中所受到的摄动中较重要的一项。在人造卫星的精密定轨和卫星位置的预报中,人们往往对J2项比较重视,但是对于J3项的研究比较少。为了解J3项的性质,文中分析了非球形引力位中J3项对于卫星轨道的影响,通过严格的公式推导,得到J3项对轨道偏心率以及轨道倾角的影响,详细地介绍利用它形成冻结轨道的基本原理。通过数值实验对得到的基本理论以及应用进行验证。结果表明J3项是冻结轨道形成的重要因素。     

我国第一颗民用三线阵立体测图卫星——资源三号测绘卫星

2012年1月9日,我国成功发射了第一颗民用三线阵立体测图卫星"资源三号测绘卫星",资源三号测绘卫星配置2台分辨率优于3.5 m、幅宽优于50 km的前后视全色TDI CCD相机,1台分辨率优于2.1 m、幅宽优于50 km的正视全色TDI CCD相机和1台分辨率优于5.8 m的多光谱相机;为了保证精度精度和可靠性,资源三号测绘卫星采用大平台、并配置双频GPS以及多个陀螺,经过处理,资源三号无控制点直接定位优于15 m,带控制点高程精度优于3 m,平面精度优于4 m,完全满足1∶50 000测图精度。     

The georeferencing of RASAT satellite imagery and some practical approaches to increase the georeferencing accuracy

RASAT Earth Observation Satellite is the second remote sensing satellite of The Scientific and Technological Research Council of Turkey (TUBITAK) Space Technologies Search Institute (TUBITAK Space). Generally, the first step to utilize the satellite imagery in GIS applications is the accurate geometric correction of the imagery. But, the geometric correction process of RASAT images is somewhat difficult due to insufficient orbit data and lack of satellite imagery processing software with RASAT model. Although the geolocation of RASAT images is investigated in some recent studies, subpixel accuracies cannot be achieved. In this study, different geometric correction methods and combination of them are tested with a more interactive workflow that uses the results of other approaches. Results show that these approaches can be used for the geometric correction of RASAT like pushbroom satellite images with insufficient orbit data and better geolocation accuracies can be achieved by different geometric correction approaches.     

星载ASR图像的两种实用比R—D定位模型及其精度比较

以加拿大Radarsat卫星为例，在简要介绍了SAR图像的产品格式及其多级别，多类型的特点并比较了有关遥感图像的几种定位方法之后，指出距离－多普勒（R－D）原理用于SAR图像像素的绝对定位模型的优点，在分析了直接坐标变换所遇到的困难后，提出了两种基于R－D原理的实用化定位方法，并对算法进行了验证，作定位精度作了比较分析，试验结果表明，相对位置法所取得的定位精度达到了目前国际上有关这一领域的研究所取得的精度，效果良好，迭代法所取得的定位精度也在加拿大RSI公司技术文档的规定范围内，具有一定的实用性。     

Mission design,operation and exploitation of the gravity field and steady-state ocean circulation explorer mission

The European Space Agency’s Gravity field and steady-state ocean circulation explorer mission (GOCE) was launched on 17 March 2009. As the first of the Earth Explorer family of satellites within the Agency’s Living Planet Programme, it is aiming at a better understanding of the Earth system. The mission objective of GOCE is the determination of the Earth’s gravity field and geoid with high accuracy and maximum spatial resolution. The geoid, combined with the de facto mean ocean surface derived from twenty-odd years of satellite radar altimetry, yields the global dynamic ocean topography. It serves ocean circulation and ocean transport studies and sea level research. GOCE geoid heights allow the conversion of global positioning system (GPS) heights to high precision heights above sea level. Gravity anomalies and also gravity gradients from GOCE are used for gravity-to-density inversion and in particular for studies of the Earth’s lithosphere and upper mantle. GOCE is the first-ever satellite to carry a gravitational gradiometer, and in order to achieve its challenging mission objectives the satellite embarks a number of world-first technologies. In essence the spacecraft together with its sensors can be regarded as a spaceborne gravimeter. In this work, we describe the mission and the way it is operated and exploited in order to make available the best-possible measurements of the Earth gravity field. The main lessons learned from the first 19 months in orbit are also provided, in as far as they affect the quality of the science data products and therefore are of specific interest for GOCE data users.     

激光测高数据辅助卫星成像几何模型精化处理

资源三号02星搭载了中国首个对地观测试验性激光测高载荷。借鉴目前较成熟的卫星影像区域网平差理论的基础上,结合近年来激光测高数据精度的大幅提升以及资源三号02星激光测高数据的特点,首次提出了激光测高数据辅助卫星立体影像进行成像几何模型精化处理的通用理论。首先,利用传统的区域网平差算法对所处理影像进行高精度连接点匹配处理,并对其进行无约束的自由网平差处理,获得高精度相对精度及不亚于原始成像几何模型的绝对精度;其次,根据激光测高数据3维坐标和精化后参考影像成像几何模型获取激光数据参考影像坐标;而后将参考影像坐标通过几何模型映射获取目标影像上待匹配影像坐标,通过连接点匹配算法,对待匹配目标影像坐标进行精化获取高精度像方同名点;最后,以同名点作为高程控制进行区域网平差计算,对影像成像几何模型进一步处理,获取高精度补偿参数。通过湖北、青海两测区的试验,以激光测高数据辅助卫星影像几何模型精化精度可分别达到1.97 m、3.23 m,结果表明本文提出的方法可有效提高卫星立体数据测图精度。     

FY-3B微波成像仪资料的地理定位误差与订正

风云3号B星(FY-3B)上的微波成像仪(MWRI)通过10.65 GHz,18.7 GHz,23.8GHz,36.5 GHz和189.0 GHz5个频率的双极化通道对地球表面进行监测。自卫星发射至今,MWRI资料的地理定位误差还未进行深入研究。为了提高FY-3B MWRI L1级数据地理定位精度,基于海、陆响应的升、降轨亮温差理论NDM(Node Differential Method),通过卫星位置和速度矢量建立卫星姿态模型、采用非线性最优化方法估计卫星姿态偏差,进而对MWRI 89 GHz通道的地理定位误差进行分析与订正。结果表明,2015年1—9月份俯仰、滚动和偏航角度的平均偏差分别为-0.220°,0.068°和0.062°,对应沿轨误差大约3—4 km,跨轨误差小于1 km。定位误差订正后,地中海、澳大利亚区域海岸线附近的升降轨亮温差明显减小;观测亮温在红海和南美洲东南部区域的分布和海岸线更加吻合,定位精度得到明显提高。     

基于CBERS-02卫星数据的参数定量反演算法及软件设计

针对中巴资源(CBERS-02)卫星数据的定量化处理技术进行比较概括的阐述.在中国卫星应用中心已有的产品体系基础上,考虑CBERS卫星多波段摄像机、宽视场成像仪及红外多光谱扫描仪数据定量化的特点,建立了CBERS-02卫星数据定量化产品体系.并对其中的主要定量化过程与产品反演算法进行描述,具体包括CBERS-02数据的场地辐射定量标和交叉辐射定标结果、云监测算法、大气校正算法、地表反射率和反照率以及以此为基础的得到的植被指数等相关定量化产品算法.介绍了定量化处理CBERS-02卫星数据的软件,为CBERS-02数据的应用提供了技术支撑.     

利用EDS／MODIS交叉定标FY1D／VIRR可见光-近红外通道

以EOS/MODIS的星上定标结果为标准,采用交叉定标方法标定FY1D/VIRR的可见光-近红外通道。先获得两个传感器的配对通道,然后利用6S模式计算出他们的匹配因子,根据EOS/MODIS的观测敦煌辐射校正场扫描计数值和星上定标结果以及它和FY1D/VIRR的匹配因子计算出FY1D/VIRR同时观测敦煌辐射校正场时的表观辐亮度和表观反射率,最后将得到的表观辐亮度和表观反射率与FY1D/VIRR观测敦煌辐射校正场的计数值进行比较,就得到了FY1D/VIRR通道的绝对定标系数。将本次定标结果与敦煌场地定标试验的定标结果比较,定标结果一致性较好,并可用于对发射前定标偏差进行校正。     

GNSS卫星地影的一体化建模方法和星蚀参数计算

基于日地关系建立地影模型,利用数值法可以高精度计算单个卫星的地影参数,但是难以快速而全面地分析某一类卫星的地影参数变化和分布规律。本文从日、地和卫星三者的几何关系出发,提出了一种基于空间视场的卫星地影直接建模方法。首先,分别利用轨道半长轴和太阳的周年视运动确定卫星地影的大小和位置变化;其次,基于球面几何分析法推导了卫星地影参数的计算公式以及扁率摄动等对长期预报的影响改正公式。对北斗混合星座中3类卫星的地影参数分析试验表明,卫星地影模型和地影参数解析法能够快速获得中高轨近圆轨道类型的星蚀规律信息。