4 卫星遥感

遥感平台

遥感平台是搭载遥感器的载体。平台的高度、速度、稳定性和可控性影响覆盖范围、空间分辨率、重访能力和几何精度。

• 地面平台：距离近、受大气传输影响小、定量测量精度高，但覆盖范围有限；常用于地物光谱测量和实地调查
• 低空平台：以无人机等为代表，机动、灵活、分辨率高，但受空域管制、续航和通信条件约束
• 航空平台：飞机、气球等，覆盖与分辨率介于地面/低空与航天平台之间
• 航天平台：人造卫星、航天器等，覆盖广、轨道规律明确、可长期重复观测，但成本高且成像链路更复杂

卫星轨道及其影响

常用概念：

• 星下点：卫星质心与地心连线同地球表面的交点
• 星下点轨迹（地面轨迹）: 星下点在卫星运行过程中在地面的轨迹
• 轨道周期：卫星在轨道上绕地球一周所需的时间
• 覆盖周期（重访周期）：卫星从某点开始，经过一段时间飞行后，又回到该点用的时间
• 卫星速度
• 星下点速度
• 卫星平均高度

开普勒轨道六根数

卫星的理想二体运动可用六个开普勒根数描述：

• 长半轴 $a$：决定轨道尺度，并与轨道高度和周期相关
• 偏心率 $e$：决定轨道形状；$e=0$ 时为圆轨道。若长、短半轴分别为 $a,b$，则 $e=\sqrt{a^2-b^2}/a$
• 轨道倾角 $i$：轨道面与赤道面的夹角，决定轨道倾斜程度及地面覆盖纬度
• 升交点赤经 $\Omega$：从春分点方向到升交点方向的角距，决定轨道面在空间的方位
• 近地点幅角 $\omega$：轨道面内从升交点方向到近地点方向的角，决定椭圆在轨道面内的朝向
• 历元时刻的位置参数：可用过近地点时刻或历元平近点角等表示，给出卫星在轨道上的相位

其中 $a,e$ 决定轨道的尺度和形状；$i,\Omega ,\omega$ 决定轨道面与椭圆在空间中的取向；第六个参数给出卫星在轨道上的瞬时位置。六者合起来才能推算任意时刻的卫星位置。

（示意图修改自 Wikimedia: ​軌道參數圖解，CC-BY-SA 4.0）

轨道分类

• 根据高度可分为低轨、中轨、高轨。轨道越低，单景成像分辨率潜力越高，但单星覆盖幅宽更小。
  • 低轨 $<1000\mathrm{km}$
  • 中轨 $1000\sim 20000\mathrm{km}$
  • 高轨 $>20000\mathrm{km}$
• 根据运行方向可分为顺行、逆行轨道
  • 顺行轨道：与地球自转方向一致，可利用地球自转速度节省发射能量。轨道倾角满足 $0^{\circ }<i<90^{\circ }$，可覆盖最高南北纬度为 $i$
  • 逆行轨道：与地球自转方向相反，满足 $90^{\circ }<i<180^{\circ }$，可覆盖最高南北纬度为 $180^{\circ }-i$
• 根据轨道倾角可分为赤道、极地与倾斜轨道
  • 赤道轨道 $i\approx 0^{\circ }$
  • 极地轨道 $i\approx 90^{\circ }$：获得更大的覆盖范围，并结合地球自转运行周期扫描宽度，覆盖南纬北纬广大地区，适合全球及两极观测
  • 倾斜轨道
• 根据同步对象可分为地球同步、太阳同步与其他轨道。
  • 地球同步轨道周期等于地球自转周期
    • 地球静止轨道位于赤道面内、近圆形和顺行
    • 地球倾斜轨道的轨道面与赤道面有夹角，在地面的投影轨迹呈 8 字形
  • 太阳同步轨道利用轨道面进动，使卫星以近似相同的当地太阳时经过同一地区，在相近的光照条件下观测以便多时相比较，在固定时间飞临地面接收站以便为太阳电池提供稳定的太阳照度

卫星姿态角及测定

姿态描述卫星本体相对轨道参考系的朝向，对摄影测量交会和遥感影像几何校正尤为重要。以卫星质心为原点的建立轨道参考系：$X$ 轴沿轨道前进切线方向，$Y$ 轴垂直轨道面。

• 绕 $X$ 轴旋转：滚动角（roll）；
• 绕 $Y$ 轴旋转：俯仰角（pitch）；
• 绕 $Z$ 轴旋转：航偏角（yaw）。

主要测定手段包括：

• 陀螺仪 / IMU：可高频输出相对姿态，但误差会随时间积累；
• GNSS：用于近地环境的卫星定位，但不能直接覆盖一般深空任务；
• 红外地平仪：利用地球与外太空的热辐射差异，通过扫描相位反演姿态；
• 星敏感器（恒星摄影机）：识别若干恒星与已知星表，获取绝对姿态基准。它可定期校正 IMU 的累积漂移，两者具有互补性。

轨道摄动与平台震颤：大气阻力、太阳辐射压及平台机械运动都可以扰动轨道或姿态。对推扫式成像而言，高频姿态抖动会在影像中形成波纹或周期性几何扭曲，需建模并进行补偿。

典型遥感卫星

陆地卫星

用于陆地资源和环境探测的卫星称为陆地卫星。其轨道运行特点包括：

• 近极地轨道：卫星的轨道倾角接近 $90^{\circ }$。
• 太阳同步轨道：卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向角。有利于卫星上的太阳能电池得到稳定的太阳照度，有利于卫星在相近的光照条件下对地面进行观测。
• 可重复轨道：卫星经过一定的时间周期回到相同底点上方。有利于对地物的变化进行动态监测。

依不同的指标和方法，陆地卫星有多种分类方法。按综合分类分为：陆地卫星、高分辨陆地卫星、高光谱卫星和合成孔径雷达等四类。

典型卫星系列：

• Landsat 系列卫星
  • 持续观测地球时间最长
  • 覆盖地球范围最广
  • 遥感图像应用最丰富
  • 遥感图像免费下载
  • 空间分辨率只有 $30m$
• SPOT 系列卫星
  • 第一次在硬件平台上搭载了超分辨率技术。两组 CCD 在地面采样方向上错开半个像素，利用亚像素偏移提供的额外信息，将两景约 $5m$ 数据融合为约 $2.5m$ 产品。
  • HRV 的立体观测：平面反射镜可绕指向卫星前进方向的滚动轴旋转，因而可在临近的许多轨道间获取立体影像。

高分卫星

典型卫星：Quick bird、IKONOS、WorldView

高光谱卫星

一般地，多光谱卫星只能在某几个波段上成像（不超过 10 个）。而高光谱卫星指光谱分辨率很高，在 $400\mathrm{nm}\sim 2500\mathrm{nm}$ 波长范围内，光谱分辨率一般小于 $10\mathrm{nm}$ 的成像遥感器。

由于光谱分辨率高，每个波段成像对应进光量较小，因此高光谱卫星的地面分辨率通常不高，一般为 $30\sim 1000m$。

典型卫星：hyperion、Modis、高分五号

雷达卫星

雷达使用微波波段，波长可达厘米至米级，大于大气分子，因此不受大气散射影响，但受吸收影响。

• 能穿透云雾、雨雪，全天候工作
• 弥补可见光和红外遥感的不足
• 电磁波振幅信号、相位信号和极化
• 缺少纹理信息

典型卫星：RadarSat、TerraSAR、高分三号