海洋智能无人系统技术在微小卫星对地观测中的应用

1）热点和火灾探测

高温事件强烈影响环境过程。因此，他们的观察是全球监测网络的重要组成部分。遗憾的是，目前的遥感系统无法提供有关全球植被烧毁及其后果的必要信息。对于全球观测，需要专用的小卫星系统。相应仪器的主要组件是红外通道，拟议的HSRS热点识别传感器（HSRS）必须证明这种仪器的可能性及其对小型卫星的可行性。HSRS设计的主要缺点是处理子像素区域中的热点识别以及通过合适的信号处理硬件在较大热区域情况下的饱和度。

对于具有可操作的星载系统森林火灾探测，在各种光谱通道中同时成像是非常重要的。利用现有的空间系统，相关的大数据量需要大量的传输和解释工作。在火灾管理中有效使用数据的时间覆盖存在一定难度。由于传感器饱和，不可能根据温度进行防火分类。现有的星载仪器不是为测量火灾参数而设计的。为了克服这些缺点，提出了一种适用于小型卫星的小型多传感器系统。从任务目标和火灾探测仪器的要求出发，开发了传感器系统的主要结构和轨道定义，给出了模型有效载荷的参数和火灾探测信号处理的结构。基于确定系统参数的专用航天器设计显示了通过小型卫星任务从太空进行火灾调查的可行性。

野火对地球表面和大气都有一系列重大的环境影响。二十多年来，主动火灾的星载遥感已经开展，双光谱红外探测（bispectral infrared detection，BIRD）实验小卫星是第一个专门负责这项任务的卫星。随着2001年10月BIRD卫星的成功发射，开辟了从太空观察森林火灾，火山爆发等热点事件的新可能性。BIRD是第一颗配备空间仪器的卫星，专门用于识别高温事件。目前遥感系统的缺点是该系统不是为观察热点事件设计的，而是旨在回答与紧凑型双光谱红外推扫式传感器的操作相关的科学技术问题，并涉及空间火灾的探测和调查。BIRD的有效载荷是一种多传感器系统，旨在满足微小卫星限制下的科学要求。Skrbek等人描述了火灾探测的基本思想和亚像素域火灾温度，火灾大小和能量释放的估计，并描述了BIRD上红外传感器系统的技术解决方案。

从FIRESA阶段开始研究，定义了火灾识别系统的主要要求和想法。通过德国BIRD示范任务，这些想法的可行性已在太空中实现。Zhukov等人总结了在BIRD任务期间获得的经验，该任务主要集中在主动火灾探测和主动火灾特征描述上，用于量化有效火灾温度，有效火灾面积和火焰辐射功率（flame radiation power，FRP）。对每个参数进行详细的误差分析，并且显示FRP检索的准确性明显优于火灾温度或火灾面积。对于受火灾影响的主要森林，灌木和稀树草原环境（澳大利亚，贝宁，婆罗洲，巴西，加拿大，美国，葡萄牙和西伯利亚），BIRD数据使75%的火灾中FRP估计值在30%以内，并且首次来自空间BIRD能够估算更明显的火灾前线的火线长度，有效火线深度和辐射火线强度。通过使用火灾温度参数，可以表明主要燃烧方式，其对排放污染物产品的相对浓度有影响。这一经验证明了BIRD采用新型红外传感器技术的优势，并为基于类似技术的未来火灾监测传感器提供了建议。

2）环境监测与地表调查

在1992年国际空间年期间，科学家和广大师生利用地球观测卫星提供的全球视角，更好地了解全球环境变化及其将如何影响人类的未来，在人类健康和疾病的模式中可以看到全球环境最显著的变化。为了监测环境变化对人类健康的影响，越来越多的公共卫生部门正在倡导使用卫星图像来监测影响媒介传播疾病的时-空模式的环境参数。预计专用的遥感监测能力将开发“疾病预警系统”，以识别高疾病传播风险区域并指导制定控制措施。比如：与许多其他媒介传播疾病相关的疟疾，其关键的环境参数包括植被类型、条件的时-空模式、土地利用、积水和人类生活区。对现有卫星系统的数据进行分析表明，利用遥感数据监测疟疾地区这些参数的能力存在潜在的机遇和缺点。目前监测系统存在的缺点，激发人们对开发卫星系统的兴趣，该系统旨在专注于与媒介传播疾病监测相关的公共卫生需求。Wood等人提出了一套遥感卫星的初步设计要求，专门用于监测影响媒介传播疾病模式的环境参数。此外，还提出并审查了卫星平台的初步学生工程设计。该遥感系统旨在向公共卫生用户提供关于疟疾或其他媒介传播疾病的实时数据采集和处理。国际空间年提供了一个极好的论坛，可以在公共卫生调查员，遥感科学家和航空航天工程师之间进行讨论，以确定系统的技术设计要求，包括卫星平台，传感器特性，通信和地面基础设施。

在过去10年中，人们已经认识到地表通量的估算是一个重要的科学问题，可以提高我们对热量和水预算的认识，从而提高气象学、水文学、农业和环境模型的知识。遥感是填补小规模仪器、建模（10 m）与区域、全球尺度之间存在间隙的适当手段，其中必须用1～10 km量级的典型网格元素确定它们。

红外微型卫星地面环境卫星单位是一个科学的小型卫星任务，提供热图像，用于确定和分析田间尺度的土壤、植被和大气过程，从而为扩大地方到区域尺度这些过程提供必要的数据。主要规格将允许该仪器优化感测辐射的校正并检索精确度为50 W／m2的通量。IRSUTE具有高空间分辨率（50 m2），跨轨道和沿轨道观察能力，五个通道：可见／近红外，3.7μm以及8.2～11μm波段的三个TIR，具有良好的辐射灵敏度（噪声-等效温差，NEΔT=0.1 K）。该仪器将在位于太阳同步轨道上的小卫星（通常是PROTEUS平台）上实现，允许高重复性（1～3天）且基于推扫式技术，该技术使用位于大带宽收集光学系统的低温冷却焦平面中的红外CCD线性阵列监测器。

沉积在水中的悬浮物降低了其储存能力，悬浮物质减少了水中的光穿透，从而减少了鱼的产量。影响地表水质量的主要因素是悬浮沉积物、叶绿素、养分和农药。与环境使用的信息相比，标准的传统测绘和监测技术过于昂贵。解决方案可以采用优化方法，使用基于遥感技术的监控改善信息内容并限制成本。遥感技术提供了潜在的重要信息来源，正在开发用于大规模监测水质技术。MatJafri等使用Tiungsat1的卫星场景进行马来西亚槟城岛周围的水质测绘。初步研究结果表明可以使用Tiungsat1卫星图像监测沿海水质。Rufino和Moccia在BISSAT任务中提出了上述应用，特别是干涉测量应用，显示了任务操作的要求并讨论预期的结果和性能。

ALCATELESPACE和AEROSPATIALE的目标是在使用成像雷达定义小型卫星系统方面进行合作，然后以适中的成本向民用客户提出全天候专用系统。该系统采用“更快，更好，更便宜”的方法设计，基于现成技术，符合空间要求的产品线以及电信和雷达空间计划之间的巨大协同作用。该卫星由安装在PROTEUS多任务平台上的特定合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）成像有效载荷组成，由AEROSPATIALE为法国航天局（CNES）开发的产品线发布。由ALCATELESPACE设计的SAR有效载荷十分灵活，可以在350 km的范围内拍摄宽度约20～100 km、长度数十千米的区域图像，分辨率从最小区域的几米到最大区域的几十米不等。地面系统基于标准系统，尽可能重复使用现有产品。

Yang和Yang进行了使用小型卫星星座进行干涉合成孔径雷达（interferometric synthetic aperature radar，InSAR）全球三维成像的可行性研究，给出了三个相同的小卫星构成星座的方案，其中两个卫星沿着具有略微不同上升节点的平行轨道飞行并观察相同的区域，同时进行无相关干涉测量。第三个卫星沿着另一个轨道飞行，在两颗卫星后面有一定的角度分离，并在短暂的重访时间内观察同一区域。这三颗卫星可以一起执行差分干涉测量，这在观察较短基线的地表变化时十分有用。仿真结果表明该系统具有准确的全局三维测量的潜力。

3）灾害监测

小型卫星在建立陆地移动通信系统、环境观测和科学应用方面发挥着越来越重要的作用。自从2001年10月SHAR／India发射以来，BIRD有效载荷已全面运作，其中包括森林火灾、火山和燃煤矿。并且可以确定其大小、温度和能量释放等参数。由于有效载荷系统的状态令人满意，其有可能借助现代探测器技术应用到新的任务中。

在1992年的IAF大会上，提出一个多小型卫星地球观测系统，其中包括可见光和红外光谱传感器。该系统可缩短重访期，以便每天可以观察世界上任何地方两次。Qiang等人将想法扩展到微波遥感卫星系统，该系统的主要目的是预测即将发生的地震。通过观察低层大气的温度升高及其由地球内部释放的各种辐射和气体引起的运动趋势，可以及时预测即将发生的强烈地震。随着气象卫星上的热红外光谱传感器监测到温度升高，观测有时会受到云或雨的阻碍。在建议系统中，使用毫米波辐射计，并且通常可以克服上述障碍物。此外，还包括一些其他微波频率的辐射计，以便小型卫星系统可用于观测大气、土壤和作物。适用于扫描辐射计天线的卫星平台结构和姿态控制系统紧密耦合实现。系统中卫星的轨道设计良好，因此根据光学小卫星系统，每天可以观察到世界上任何两个地方。

遥感卫星可以为灾害管理机构提供有价值的回馈。既可以准确预测，也可以快速估计灾害的位置和程度。目前，一些遥感卫星正在绕地球轨道运行，收集大量数据。星载遥感的特征参数是光谱覆盖、光谱分辨率、重访时间和空间分辨率。对当前运行的航天基础设施的分析清楚地表明，极好地涵盖了环境监测的全方面，但不太适合减灾。这主要是由于时间重复低和空间分辨率相对较差的原因。对于灾害监测，显然需要在0.5～1 h和7天之间以及在10～1 000 m之间具有高重复率的观测值。小型卫星星座可以以经济有效的方式缩小现有系统留下的空白。小型卫星的特点是体积小，质量限制在250～400 kg，功耗低于350 W。通过使用市售的子系统组件可以实现设计构造。指示性的是短暂的开发时间和众多的发射可能性，使小型卫星对星座具有极大的吸引力。本文研究了具有4～32颗卫星的不同星座，主要关注使用太阳同步轨道的星座。可以推断，通常包括32颗卫星的系统可以实现大约半小时的时间分辨率。

在简要介绍全综合海上交通监控系统概念后，Perrotta和Xefteris研究了与海上石油污染有关的三个主要问题：

（1）尽早发现意外漏油。

（2）石油泄漏的进展，以支持遏制和（或）清理干预。(www.xing528.com)

（3）在故意释放案件中指认罪犯。

还讨论了先进遥感卫星星座所做的贡献，为地中海盆地和北海的具体测试案例配备了一套合适的仪器。最后详细讨论了关键系统功能，这些功能可以有效监控漏油和识别造成环境损害的船舶。Avanesov等人考虑了在可见光和近红外光谱带中为用户提供必要遥感数据的问题。该问题的解决方案应该增加空间成像的空间和光谱分辨率，提供对地球表面相同位置的高周期性测量，并实时向用户提供星载数据。该方案是使用一组小卫星并实施本地空间服务（local space service，LOCSS）计划。这一概念的主要方面如下：

（1）遥感仪器参数的优化。

（2）小型航天器上的图像数据压缩。

（3）压缩数据通过低速率无线信道下行。

（4）用户在小型廉价接收站直接接收图像数据。

（5）图像数据使用个人计算机和特殊处理器进行解压缩和处理。

中国是受多种自然灾害影响的国家之一，频率高，分布广，损失大，环境保护是国家的一项重要任务。根据中国国际自然灾害委员会的数据，中国是世界上受灾最严重的国家之一，每年约有2亿人遭受各种自然灾害。2003年，自然灾害造成中国的经济损失达1 884亿元，相当于国内生产总值的1.6%。2005年中国自然灾害造成2 475人死亡，直接损失达2 042亿元人民币。目前，中国在全国拥有2 000多个环境监测地面站，产生了约3 000万个环境监测相关数据。为了将遥感技术应用在灾害和环境监测领域，国家环境保护总局和国家减灾委员会提出了建立卫星星座系统监测和预报灾害的建议。环境与灾害监测、预报小卫星星座是中国环境与灾害监测系统的空间部分，以下称为“环境星座”。卫星星座系统被列为2001年出版的“中国空间发展白皮书”中重要的民用卫星发展。2003年2月，中国国务院批准了卫星星座项目。环境保护和灾害监测小卫星星座（环境星座）将涉及八个小型卫星网络（2006年发射了两颗光学卫星和一颗SAR卫星）。船上有效载荷仪器包括CCD摄像机，红外摄像机，高光谱摄像机和S波段SAR。平均重访时间为48 h。Bai等人引入了“2+1”星座的开发，包括应用要求，轨道选择，有效载荷和平台设计。给出了系统性能、包括重访间隔、覆盖周期、仪器频带、空间和辐射分辨率、条带、图像定位精度、信号和图像处理要求等。

灾害监测星座（disaster monitoring constellation，DMC）是最初于1996年提出并由SSTL领导的国际计划，旨在建立一个由五个低地轨道微卫星组成的网络。目标是在中等分辨率（30～40 m），三四个光谱带内提供每天的全球成像能力，以实现快速响应灾害监测和缓解。DMC由SSTL建造的五颗遥感卫星组成，由DMC International Imaging为阿尔及利亚、尼日利亚、土耳其、英国和中国政府共同运营。DMC根据《国际空间与重大灾害宪章》为救灾提供紧急地球成像。各国政府将其他DMC地球图像国应用到民间。

各个DMC卫星分别是：

（1）AlSAT-1（阿尔及利亚），在2002年11月启动。

（2）BilSAT（土耳其）于2003年9月启动，由于电池故障在2006年8月完成任务。

（3）NigeriaSAT-1（尼日利亚），在2003年9月启动。

（4）UK-DMC（英国）在2003年9月启动。

（5）Beijing-1（中国）在2005年10月启动。

DMC监测了印度洋海啸（2004年12月），卡特里娜飓风（2005年8月）以及许多其他洪水、火灾等自然灾害的影响和后果。

到目前为止，微小卫星在海洋监测及船舶交通管理方面已经有了非常多成功的应用案例。随着卫星科学研究的进一步发展，微小卫星在未来的海洋监测方面的技术和应用也必将越来越成熟。