日本即将发射先进陆地观测卫星-2

戴舒颖（北京控制工程研究所）

2006年1月24日，日本发射了先进陆地观测卫星-1（ALOS-1）。到2011年5月12日该卫星与地面失去联系为止，卫星在轨运行5年3个月，取得了一系列成果，令设计队伍、开发人员和用户都比较满意。然而，这依然无法满足广大用户对高精度地球观测卫星日益增长的需求，同时也使决策者、设计和开发人员清楚地认识到，日本在大型对地观测卫星的总体设计水平上与美国、法国等尚存在一定差距，特别是在分辨率和广域观测等技术水平方面。为扭转这一局面，使对地观测卫星尽快进入市场，赢得更多用户，经一系列研究和调整，日本最后决定研制并计划于2014年和2015年初先后发射ALOS-2雷达卫星和ALOS-3光学卫星。

1 ALOS-1及其取得的主要成果

ALOS-1是日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）负责设计、日本电气公司（NEC）为主承包商开发的先进的对地观测卫星，取得了不少的研究、开发和应用成果，为设计和开发其后继星和采用先进的航天观测平台—“具备新系统结构的先进观测卫星”（ASNARO）的系列卫星及制定和完成海洋监视的卫星计划等积累了经验。

卫星概况

A LOS-1是一颗以执行地球资源勘测与环境观测、全色立体测绘和地图绘制、灾情观测（监视地震、洪水、火山活动状况、海啸和火灾等），以及确认未来地球观测所需的高精度定位、精确姿态确定技术等任务的卫星。

ALOS-1及其有效载荷配置图

ALOS-1的主要性能、参数

运行成果

JAXA认为，ALOS-1在轨运行期间，充分地验证了地球观测所需的高精度定位、精确姿态确定等多项技术：卫星短期姿态稳定度±0.00002°/0.37m s，长期姿态稳定度±0.0002°/5s，姿态测量精度±0.00014°，指向测量精度±0.0002°，并确认注重高精度总体轨道控制系统可在ALOS-1的后继星—ALOS-2、3等卫星上应用，同时也为ASNARO系列卫星和未来开发地球资源、海洋观测监视、灾害预报监测等卫星的设计提供了经验。此外，ALOS-1还取得以下主要应用成果。

1）利用A LOS-1成功地进行了全球观测，5年间共拍摄了650万幅高清晰度的图像[法国的“斯波特”（SPOT）系列的5颗卫星在长达25年间的运行过程中也仅拍摄了约1000万幅这种高清晰度图像]。

2）验证并证明了地球观测卫星在灾害预报、防灾、减灾和灾害对策等领域能够发挥重要作用，这些应用手段不仅应该固定化，还必须设法确保常态化，以便进一步拓展地球观测卫星的应用领域，发挥其应有的作用。

3）日本国土地理院利用ALOS-1配置的PRISM获取的大量图像信息，绘制了1∶25000的全色立体地图，并及时更新，为亚洲、非洲以及各国绘制高分辨率的全色立体地图提供了技术支持。

4）日本通过相关渠道向联合国提供ALOS-1获取的分布世界各地与违反国际公约的有关信息，如发生在巴西等国家和地区的乱砍滥伐森林等场景，以及监视气候变化（与世界银行等合作）等有关的信息，对其影响或危害进行分析，为确定处罚尺度和确定对策提供依据，为保护人类赖以生存的地球环境做出了贡献。

2 ALOS-2和3的研制背景

2005年，JAXA在制定长期发展规划（2006-2015年）时提出：要“实现安全、富裕社会”，“建立地球资源观测/环境监测卫星系统”，“建立并完善灾害和危机预测、预报和管理系统”，把开发领先于世界的高分辨率光学遥感器和合成孔径雷达，并在ALOS-1的后继星等卫星上应用作为首要目标。

相关省厅和机关针对计划开发的ALOS-1后续星提出的具体要求

2008年，日本颁布新航天基本法，并依据这一法案于2009年和2013年两度公布了航天基本计划，在这两个基本计划中都把研制、发射和应用地球观测卫星ALOS-1及其后继星置于重要地位，认为无论是从国家经济发展、勘察发现和保护资源、确保国家安全、监视/保护环境，还是满足社会需求，确保航天产业沿着好、快、省地有序发展，且带动相关产业发展，乃至整个国民经济持续发展的角度考虑，都必须研制和发射ALOS-1的后继星。

而内阁中的一些省厅，如内阁府、文部科学省、经济产业省、农林水产省、运输省、国土地理院，以及防卫省、警视厅等，也都向内阁总理大臣或航天开发战略本部提出“进一步完善地球资源/观测/环境监测卫星系统”的要求，他们认为：ALOS-1无论对国民经济发展，发现、保护和开发国家急需资源，以及国家安全等都有着且发挥了极其重要的不可替代的作用；从保障公共安全考虑，必须实时监视、预测、预报并掌握地壳变动和灾害信息；“站在国土安全管理高度，急需积累国土资源等信息”；“从确保粮食生产和顺利地执行进出口计划，以及确保鱼类繁衍、养殖、计划捕捞和供应的角度考虑，迫切需要地球观测卫星提供相关的信息”；“从确保及时寻找资源、填补能源奇缺，确保及时发现、合理安排开采/制定进口陆地和海底石油以及其他矿产资源等需求，离不开地球观测卫星”；“从危机管理和确保国家安全等考虑，必须及时、准确地获取相关领域信息”。此外，许多省厅和机关还就计划开发的ALOS-1后续卫星在技术指标等方面提出了各自的要求或建议。

3 ALOS-2卫星

概况

ALOS-2采用了经ALOS-1在轨飞行验证的以姿态控制为主，集姿态控制、遥测指令等数据处理和卫星综合管理等多种功能于一体、以星载计算机为核心部件的高精度姿态轨道确定系统，其关键部件是64bit星载计算机，星载计算机最先是在A LOS-1上应用，后经多颗卫星飞行验证，证明其性能强、可靠性高、抗辐射能力强。A LOS-2上采用以这种星载计算机为核心的姿态轨道控制系统，不仅可确保高精度的地球指向控制，实现整个卫星可在±30°范围内进行侧摆，对轨道两侧成像，达到高精度的地球观测，提高分辨率，强化其重访功能，还可以确保及时、准确地提供对地震、海啸、台风、大暴雨等灾害监视所需的各种信息，以及持续提供地球资源勘测和环境监测等所需的数据。采用这种集多种功能于一体的高精度姿态轨道确定方式（仅采用1台星载计算机），还可以大幅度地减轻卫星公用舱的质量，降低开发成本，提高有效载荷比和系统的可靠性。

ALOS-2雷达成像模式

ALOS-2的主要性能、参数

PALSAR-2与PALSAR的性能比较

根据A LOS-1在轨工作情况，对A LOS-1上所用的PA LSAR进行了一系列改进，A LOS-2上所搭载的PA LSAR-2的中心频率达1257.5MH z，入射角提高到8°～70°，增加了聚束模式，使分辨率可达1m×3m，幅宽达25km。

与PALSAR相比，ALOS-2上的PALSAR-2无论是在数据传输速率、观测频率，还是在观测范围和分辨率等方面都有显著提高。

ALOS-2搭载的PALSAR-2成像性能

（1）数据传输速率明显加快

ALOS-1从卫星直接向地面传输（X频段）的速率为138Mbit/s（QPSK）；ALOS-2的为800Mbit/s（16QAM）/400M b it/s（QPSK）/200M b it/s（QPSK），并且可根据地球站的规格任意切换使用。

ALOS-1系列卫星的一个显著特点是从卫星上向地面传输的高精度图像量非常大，如此大容量的数据传输就必须经由数据中继技术卫星。ALOS-2和ALOS-1一样，从卫星向地面传输（Ka频段）的大量数据也要经由数据中继技术卫星，不过其速率与ALOS-1一样为278Mbit/s（QPSK）。

ALOS-2雷达成像卫星外观图

PALSAR与PALSAR-2分辨率对比

（2）观测频率（紧急观测时）明显加快

ALOS-1是每5天才能观测1次，而ALOS-2则是每1～2天就能够观测1次。

（3）可观测范围明显变大

A LOS-1的可观测服务范围仅为870km，且只能够从右侧进行观测，A LOS-2的可观测范围可达2320km，而且不仅可从右侧，还能从左侧进行观测。

（4）分辨率大幅度提高

ALOS-1的分辨率只有10m×10m（高分辨率模式），而ALOS-2备有3种观测模式，即高分辨率、广域观测和聚束模式。其中，高分辨率模式的分辨率为3m×3m，观测幅宽为50～70km，可实现50m in连续摄影；广域观测模式的分辨率为100m，观测幅宽达350km；而新增加的采用新标准开发的局部聚束模式的分辨率可达1m×3m，观测幅宽为25km。

用PALSAR-2进行观测的制约条件

用ALOS-2上的PALSAR-2进行观测有3个制约条件：

1）按照观测原理，合成孔径雷达（SAR）的星下点附近是无法观测的，而ALOS-2所搭载的SAR的不可观测范围仅为星下点之左向和右向约80km的范围；

2）无论是从左侧切换到右侧，还是从右侧切换到左侧进行观测，所需的时间均非常短，仅需3m in（换算成地表面距离约为1200km）；

3）无论是从右侧还是从左侧变更观测范围，都可在数秒时间内完成。

4 ALOS-3卫星

ALOS-3的主要性能、参数

概况

JAXA计划2015年初发射ALOS-3，它与ALOS-2采用相同的公用平台，配备2种有效载荷—在ALOS-1搭载的PR ISM基础上进行改进的PR ISM；以开发先进的可见光和近红外辐射计取得的经验为基础开发的多光谱和超光谱遥感器。卫星入轨后与2014年5月发射的ALOS-2配合应用，完成灾情监视与预报、地图绘制、区域性地球观测，以及资源调查等飞行任务。

ALOS-3采用ALOS-2所采用的三轴控制公用平台，其姿态和轨道控制精度等也与ALOS-2基本相同，发射质量控制在2000kg以内，设计寿命5年，卫星的运行轨道比ALOS-2低10km，即在618km的太阳同步圆轨道上运行，整星可以侧摆±60°成像。这样设计的主要目的是大幅度地缩短重访时间，提高运行效率。

ALOS-3光学成像卫星外观图

ALOS-1（左）和ALOS-3（右）搭载的光学遥感器的分辨率能力对比

ALOS-3与ALOS-1搭载的光学遥感器的性能比较

ALOS-3上搭载了PR ISM以及多光谱和超光谱（含可见光与近红外和短波红外）遥感器，分别由JAXA和经济产业省研制。

与ALOS-1相比，ALOS-3上搭载的有效载荷无论是在数据压缩能力、传输能力，还是在可观测范围、分辨率和立体观测水平上都有了大幅度的提高。

（1）增强了数据压缩能力

ALOS-1数据压缩是采用JPEG方式，而ALOS-3数据压缩采用的是JPEG2000方式。与ALOS相比，ALOS-3甚至可以做到无间歇噪声，而且增强了对数据的压缩和判读能力。

（2）加快、加大了数据传输能力

ALOS-3仍与ALOS-1、2一样，采用2种传输方式，即卫星直接传输和经由数据中继技术卫星向地球站传输。

1）卫星直接传送到地球站（X频段）：ALOS-1采用的是138M b it/s（QPSK）；而A LOS-3和A LOS-2一样，采用的是800M b it/s（16QAM）/400Mbit/s（QPSK）/200Mbit/s（QPSK），具体采用哪种方式要根据地球站和实际需求确定后进行切换。

2）从卫星经由数据中继技术卫星传送（Ka频段）：A LOS-1采用的是278M b it/s（QPSK）；而A LOS-3和A LOS-2一样，采用的是278M b it/s（QPSK）；不过ALOS-3还在研究并很可能实现宽带化。

（3）增大了可观测范围

ALOS-1的可观测范围约为1420km，不仅可以从左侧观测，而且还可以从右侧进行观测；而ALOS-3的可观测范围几乎翻倍，约为2600km，也采用同样的观测模式。

（4）提高了分辨率

A LOS-1上所配置的是PR ISM（其分辨率为2.5m）和AVN IR-2；而ALOS-3上配置的是改进型AVN IR-2，虽然也只有1个频段，不过却大幅度地提高了其分辨率，可达0.8m。另外，ALOS-3上还配备了多光谱和超光谱频段。多光谱频段为4通道，其分辨率为5m，幅宽为90km；超光谱频段为包括57通道可见光与近红外频段和128通道的短波红外频段，其中，可见光与近红外频段（硅CCD）的分辨率均为30m，幅宽均为30km，短波红外频段（碲镉汞）的分辨率为30m，幅宽为30km。

ALOS-2搭载的PALSAR-2成像性能

（5）提高了立体观测水平

ALOS-1采用的是三方向观测，而ALOS-3实现了双向观测。

5 由搭载多遥感器的ALOS变为由2颗卫星分别搭载成像雷达和光学遥感器方式好处多多

由多遥感器的ALOS-1变为在每颗星上只搭载一种（类）遥感器：ALOS-2仅搭载了PALSAR-2；ALOS-3搭载了高分辨率的光学遥感器（PR ISM和改进型AVNIR-2），不仅大幅度地降低了系统风险，有效地解耦两类有效载荷间的条件约束，提高了系统的可靠性，降低了开发成本和卫星的运行效率（观测时段翻番），同时也是日本注重投入产出比，开始研制低成本、执行单一飞行任务的中型遥感卫星，推进航天开发沿着“好、快、省”路线发展的又一次尝试。

ALOS-1采用1颗星上配置2种遥感器，其观测时段只有上午6：00，而将L频段相控阵雷达和高分辨率的光学遥感器分别配置在ALOS-2、3上，通过2颗卫星配合应用，则可使其观测时段增加1倍，即中午12：00和下午1：30，使获取信息量成倍增加；这样也就可以使“一定要在距灾害等重大事件发生的最短时间内迅速地执行观测和监视任务，并获取尽量多的灾情等信息”的愿望由梦想变成了现实，从而可确保相关省厅及其下属职能部门能够在尽量短的时间内不仅能够获取信息，而且能够采取积极、有效对策，将灾害所造成的损失降至最低。

此外，JAXA还根据航天开发战略室的决定：在构建起的“内阁统一领导、指挥，合理、有效地共用ALOS-2、3的综合管控系统”，利用同一套地面系统，对在轨运行的2颗卫星进行一体化控制、操作，这样不仅可以大幅度地减少管控设备的采购，还可以有效地减少管控人员，并减少或杜绝人为差错，提高可靠性，降低开发成本。