卫星应用技术及其产业化进展
发布日期:2013年09月18日  字体:【】 【】 【

  

 世界上规模最大的商业卫星遥感公司——美国地球之眼公司(GeoEye),将于2007年春发射一颗迄今技术最先进、分辨率最高的商业对地成像卫星——地球之眼-1(GeoEye-1)①。该卫星将能以0.41m全色(黑白)分辨率和1.65m多谱段(彩色)分辨率② 每天搜集总面积达数十万平方千米的地图精度级图像。

  2005年秋,轨道成像公司成功收购了太空成像公司的资产,包括1999年发射的世界上首颗1m分辨率商业成像卫星艾科诺斯,以及由该卫星拍摄的总面积逾2.5×106 km2的地图精度级地球图像组成的整个图像档案库。随后两家公司合并组成了世界上最大的商业成像卫星数据提供商——地球之眼公司,统一管理原来两家公司的在轨工作卫星、大量图像数据档案、地面段和经验丰富的工作人员。

  地球之眼-1的发射将使原来两家公司所取得的一系列成就达到新的高度。2003年,轨道成像公司在完成财务重组后发射了轨道观测-3——1m分辨率全色和4m分辨率多谱段成像卫星。过了不到一年时间,负责向美国军方和情报界提供地理空间信息的美国国家地理空间情报局(NGA)采取了一项令业内观察家们惊奇的举动:授予轨道成像公司一份价值5亿美元的NextView合同。这笔巨款用来以优惠价格购买地球之眼-1卫星投入使用后所拍摄的图像,从而解决了建造和发射这颗卫星所需的大部分资金。

  目前,地球之眼公司有轨道观测-2、轨道观测-3和艾科诺斯等3颗成像卫星在轨工作。地球之眼-1在发射之后将迅速加入这些卫星的行列,从而形成一个史无前例的高分辨率成像平台星座。

  地球之眼-1将运行在684km高的太阳同步极地轨道上,以大约7.5km/s的轨道速度飞行,每天绕地球12或13圈,每天都在当地时间上午10:30左右通过给定地区。它将能以0.41m全色分辨率和1.65m多谱段分辨率搜集图像,而且同样重要的是它还能以3m定位精度精确确定目标的位置。因此,该卫星一经完全投入使用,将成为当今世界上能力最强、分辨率和精确度最高的商业成像卫星。

  地球之眼公司总裁兼首席执行官马修•奥康奈尔称,地球之眼-1卫星将能使他的公司继续成为首屈一指的地理空间数据提供商。“地球之眼公司的卫星将能提供世界任何地方几乎任何应用领域的地理空间信息用户所需要的图像质量和重访时间”。

  为了确保地球之眼-1卫星取得成功,奥康奈尔组织了一个最优秀的合作团队来研制和发射这颗卫星。地球之眼公司是这颗卫星的主承包商,负责研制整个地球之眼-1卫星系统。通用动力C4系统公司(位于亚利桑那州的吉尔伯特)负责设计并制造卫星平台和望远镜,以及整个卫星的集成。地球之眼-1重约1955kg,比重约726kg的艾科诺斯重得多。为了研制能够获取0.41m空间分辨率的成像相机,地球之眼公司求助于ITT公司,即前柯达遥感系统

  ① 地球之眼-1(GeoEye-1)卫星即地球之眼公司的前身轨道成像公司原来的轨道观测-5(OrbView-5)卫星。——编者注

  ② 这两个数据反映的是仅供美国政府和由美国政府指定的外国政府用的天底点处地面采样距离(GSD)分辨率。卖给商业用户的图像须被重新采样为0.5m分辨率。由美国国家海洋与大气局颁发给地球之眼公司的现行经营许可证不允许商业出售分辨率优于0.5m的图像。——编者注

  公司(位于纽约州的罗切斯特),艾科诺斯卫星上的1m分辨率相机就是由这家公司制造的。ITT公司为地球之眼-1提供的光电相机系统包括光学望远镜组件、敏感器件和焦面装置以及高速数字处理电子部件。地球之眼-1卫星将由波音公司的德尔它-2火箭送入轨道。

  地球之眼-1发射后将进行约45天的校准和检验。卫星一经被宣布投入使用,它将开始执行为期3个月的专项成像任务,所获取的图像几乎全部用来满足国家地理空间情报局的需求。不过,在此期间所搜集的图像绝大部分会被存入地球之眼公司的档案库供商业销售用。到2007年秋,卫星将开始全面执行商业成像任务。

  国家地理空间情报局作为一个主要用户,将享有优先成像权,并将以大打折扣的价格购买大量图像。即便如此,地球之眼-1卫星仍会有大量富余能力满足商业用户的需求,也会使公司本身在较短时间内建成一个大容量图像档案库。

  空间分辨率、地理定位精度和大面积覆盖,是商业用户和政府用户们感兴趣的3项技术指标,也是地球之眼公司在建造这颗卫星时所关注的重要能力。

  分辨率自然是大多数专家评判和比较成像卫星的关键参数,由ITT公司制造的相机系统将为地球之眼-1卫星提供商业遥感最高分辨率,即0.41m全色分辨率和1.65m蓝、绿、红和近红外多谱段分辨率。因此,这颗卫星将以此前的商业成像卫星从未达到过的详细程度,使用户能够识别和分辨微小的目标和地物。具体说来,这样的分辨率将使人们能够识别棒球场上的本垒板,或者数出城市街道上的井盖数。城市规划、公用事业和制图等领域的地理空间数据用户以前都是用传统方法绘制小型地物,今后有望利用地球之眼-1卫星图像来完成其地图绘制任务。据料,一些在线搜索引擎,如雅虎(Yahoo!)、谷歌地球(GoogleEarth)和微软虚拟地球(Microsoft Virtual Earth)等,都会渴望引进大面积协调一致的彩色图像。地球之眼公司还预料,很多传统航空图像用户,尤其是在世界上那些因为天气、政治或安全等原因而难以部署飞机进行航空摄影的地区的用户们,会改变思路利用卫星图像来满足其需要0.5m分辨率的应用。

  衡量图像优劣的标准除了空间分辨率以外还有别的指标,例如图像的锐度和清晰度。图像的总体质量往往用地物边界的锐度来确定,对许多应用来说锐度像空间分辨率一样重要。地球之眼-1卫星相机制造者ITT公司采用了每项可资利用的技术进步,以使相机达到无与伦比的图像质量。望远镜主镜的大尺寸、相机望远镜的调准和相当高的信噪比,对最终产生高质量图像而言都是关键的设计因素。

  地理定位精度是地球之眼公司预计会得到卫星图像市场终端用户们赞扬的另一个成像性能指标。地理定位精度指绘制图像中的各个目标时其位置相对于它们在地球表面的绝对位置所能达到的精确程度。地球之眼-1将提供3 m定位精度,这就意味着终端用户在没有地面控制点的情况下利用立体像对能够以相对于实际位置仅3 m以内的误差绘制天然或人造地物。这种水平的地理定位精度是借助三种星载系统——GPS接收机、陀螺仪和恒星跟踪器来达到的,这3种系统使卫星能够随时精确测定其姿态、轨道位置和星下点地理位置。这些数据被称为辅助数据,它们将同图像数据一起被传回地面,供地面段用于以很高的地理定位精度处理图像。上述3种系统中有的,如恒星跟踪器,以前仅在美国政府的成像卫星上使用,从未在商业卫星上飞行过。在没有任何地面控制点的情况下以这种程度的水平精度绘制地物的能力,对商业卫星来说是空前的,可大大节省制图成本。

  地球之眼-1卫星的第三个重大技术进步是搜集大量图像的能力。该卫星以全色模式工作时每天能够拍摄总面积达7×105km2的图像(数据量达数十亿字节),以多谱段模式工作时每天将能够拍摄总面积达3.5×105km2的图像。这样的数据搜集量胜过其它现有商业成像卫星的4倍之多,如此惊人的数据搜集量得益于卫星自身的高度敏捷性:整个卫星在轨道上将能够极快地前后左右转体,以使相机望远镜指向星下点、地面轨迹左右两侧或星下点前后地区。这种高度敏捷性使卫星在单圈轨道飞行期间能够搜集到比其它商业卫星多得多的图像。如此之高的敏捷性之所以成为可能,是因为星上装有增强型反作用轮,它提供卫星转体所需的扭转力矩,而且不会导致图像跳动不稳或模糊不清。

  标准图像幅宽为15.2km,但地球之眼-1因具有快捷转体能力,故能够在一圈之内搜集多个邻接带的图像,这就意味着它能够一次对大片邻接地区成像。这对大比例尺制图需求是十分理想的,尤其是在紧急事件处理和自然灾害救助方面更是如此。极高的敏捷性也意味着,卫星能够在同一圈内通过搜集同一地区的多幅不同场景图像来满足多个用户的需求。地球之眼-1相对于天底点可左右侧摆达40º,这使得它能够每3天或更快地重访地球上任何地点。地球之眼公司已经宣布,它打算利用卫星的大面积成像能力来充实其图像数据档案库。公司说,它将让卫星在每一圈期间尽可能多地搜集陆地图像,并将它们存入档案库,不管是否有用户定单要求对这些场景成像。

  地球之眼公司的图像产品应用范围十分广泛,如国防和情报界大面积制图、国家和地方政府城市规划与制图,以及保险和风险管理、环境监测和灾害救助等。用户可以选择定购基本图像、地理(GEO)图像、正射图像和立体图像,以及由图像派生的产品,包括数字高程模型(DEM)、数字地面模型(DSM)、大面积镶嵌图和特征地图等。

  地球之眼-1卫星的成像性能受到了商业和私企成像市场的热情回应。一位遥感界分析家预言,大面积成像能力最终将会扩大地球之眼-1卫星的用户群。从财经的观点来看,投资建造地球之眼-1是值得的;从技术的观点来看,地球之眼-1将能够在一段相对短暂且合理的时间内提供大面积图像。因此,用户可以期望在一个季节内而不是好多个月内就能收到一幅大面积——例如一个国家——的完整影像地图。对大面积制图项目而言,快速获取图像有助于使很多应用取得全面成功。例如,如果搜集邻接场景的图像花费了太长的时间,诸如植被生长或土壤湿度等地面状况的变化就可能影响不同场景之间的相关。如果立体像对是在不同时间、不同状况下搜集的,从立体像对中提取数字高程模型的精度就可能降低。

  对政府应用而言,尤其是对国防和情报界应用而言,0.41 m空间分辨率再加上大面积覆盖能力激发他们对这颗新卫星抱有极大的期望。地球之眼-1将有助于在一定程度上减轻美国国防部成像侦察卫星的压力,因为它的空间分辨率和覆盖面积可能接近于这些秘密成像卫星的能力,因此它所提供的图像数据将能够满足许多军事应用的要求。

  商业成像卫星系统之所以得到了美国国防部的大力支持,是因为它们的图像是不保密的。尽管这也许听起来有些违反常理,但军事部门确实往往偏爱不保密的信息,包括卫星图像,因为他们可以更自由地与盟国和盟军伙伴共享这些信息。对于商业卫星图像,安全保密不是什么问题。国家地理空间情报局一再重申对商业卫星图像特别是对地球之眼-1卫星图像的需求。地球之眼-1卫星更高的分辨率、更大的覆盖面积和更快的图像交付速度,会有助于满足国防和情报界对非保密图像日益增长的需要。地球之眼-1技术指标见表1。

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