第2章 遥感平台及运行特点23.docx
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第2章遥感平台及运行特点23
第2章遥感平台及运行特点
§2.3陆地卫星及轨道特征
用于陆地资源和环境探测的卫星称为陆地卫星，依不同的指标和方法，陆地卫星有多种分类方法，按综合分类为陆地卫星（Landsat）类、高分辨陆地卫星、高光谱卫星和合成孔径雷达等四类。
本章主要就这些卫星的发展、轨道参数及探测器技术性能作一些介绍。
2.3.1陆地卫星类
包括Landsat系列（美）、SPOT系列（法）、IRS（1P）（印度）、ALOS系列（日）、RESURSO1系列（俄）等。
这类卫星的特点是多波段扫描、地面分辨率为5—30m，在现阶段，这类卫星仍然是陆地卫星的主体。
一、Landsat系列卫星
1972年7月23日美国发射了第一颗气象卫星TIROS-1，后来又发射了Nimbus（雨云号），在此基础上设计了第一颗地球资源技术卫星（ERTS-1），后改名为Landsat-1。
从1972年至今美国共发射了7颗Landsat系列卫星，已连续观测地球达29年。
最后一颗卫星Landsat-7于1999年4月15日发射，预计寿命为5年，后续卫星Landsat-8不再单独发射，探测器ETM+将装载在EOS-AMZ上发射。
这样Landsat系列卫星寿命预计可维持到2010年。
Landsat系列卫星发射时间如表2-3。
（一）Landsat1-3
Landsat1-3三颗卫星的星体形状和结构基本相同，形假蝴蝶状，如图2-7所示。
卫星分服务舱和仪器舱两大类。
表2-3：
Lands系列卫星发射时间表
LANDSAT
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
发射日期
1972.7.23
1975.1.22
1978.3.5
1982.7.16
1985.3.1
1993．10
1999.4.15
终止日期
1978.1.6
1982.2.5
1983.3.31
1987.7
运行
失败
运行
探测器
RBV，MSS
RBV，MSS
RBV，MSS
MSS，TM
MSS，TM
ETM
ETM+
图2-7地球资源卫星1-3
仪器舱内安装有反束光导管摄像机（RBV）、多光谱扫描仪（MSS）、宽带视频记录机（WBVTR）和数据收集系统（DCS）等四种有效负载。
有关这些仪器的详细介绍见第三章。
卫星轨道及其运行特点卫星轨道平均高度H设计在915km上，依据式（2—2—12）计算其运行周期为103.267min。
每天绕地13.944圈，倾角I=99.125°，每天修正卫星轨道进动角为0.986°。
这样的设计产生以下几个特点：
1、近圆形轨道
实际轨道高度变化在905—918km之间，偏心率为0.0006。
因此为近圆形轨道。
轨道趋于圆形的主要目的是使在不同地区获取的图像比例尺一致。
此外近圆形轨道使得卫星的速度也近于匀速。
便于扫描仪用固定扫描频率对地面扫描成像，避免造成扫描行之间不衔接的现象。
2、近极地轨道
这颗卫星的轨道倾角设计为99.125°，因此是近极地轨道。
轨道近极地有利于增大卫星对地面总的观测范围。
这颗卫星最北和最南分别能到达北纬81°和南纬81°，利用地球自转并结合轨道运行周期和图像刈幅宽度的设计，可以观测到南北纬81°之间的广大地区。
3、与太阳同步轨道
所谓卫星轨道与太阳同步，是指卫星轨道面与太阳地球连线之间在黄道面内的夹角，不随地球绕太阳公转而改变。
如图2-8所示。
对于一般轨道（除了与黄道面重合的轨道外），地球绕太阳作公转时，这个角会随之改变，如图2-8中虚线所示。
由于这个角与传感器观测地面时的太阳光照角度有关，因此称为光照角。
图2-8卫星轨道与太阳同步
任一时刻的光照角等于起始光照角加上地球对太阳的进动角。
地球对太阳的进动一年为360°。
因此平均每天的进动角为0.9856°。
为了使光照角保持固定不变，必须对卫星轨道加以修正，平均每圈的修正量为：
（2-19）
式中，n为一天中卫星运行的轨道数。
从图2-8中可以看出，实现卫星轨道与太阳同步，只要轨道面绕地轴旋转，也就是修正轨道参数。
Landsat-1～5的光照角都为37°30ˊ。
卫星与太阳同步，使卫星以同一地方时通过地面上空。
由于光照角为37°30，所以降轨运行时为当地时间9:
42通过赤道上空。
由于全世界按24个离散时区划分地方时，上述9:
42是一个平均太阳时，它并不意味着对于在给定相同纬度上所有各点的当地时间保持不变，图2-9示出了两条轨道上各纬度处的当地时间。
图2-9在给定的纬度上卫星经过当地的时间变化
与太阳同步轨道有利于卫星在相近的光照条件下对地面进行观测。
但是由于季节和地理位置的变化，太阳高度角并不是任何时间都一致的。
与太阳同步还有利于卫星在固定的时间飞临地面接收站上空，并使卫星上的太阳电池得到稳定的太阳照度。
4、可重复轨道
上一节中已讲到轨道的重复周期可由式（2-18）计算。
与卫星的运行周期关系密切。
陆地卫星运行周期为103.267min，卫星每绕地面一圈，地球赤道由西往东旋转了约2874km，去掉卫星进动修正，为2866km，也即第二条运行轨迹相对前一条运行轨迹在地面上西移2866km。
一天24小时绕地13.944圈，第14圈时已进入第二天，称为第二天第一条轨道，这一条轨道与前一天第一条轨道之间差0.056圈，在地面上赤道处为159km。
图2-10示出了一天内卫星运行轨迹在地面上的分布。
第一天第一圈编号为①，则第二天第一圈编号为⒂。
图2-11示出了在第一天第一圈和第一天第二圈之间18天的轨迹分布，上面注的圈号顺序编排的圈号，下面是以天号编的圈号。
第一天第二圈和第一天第三圈之间亦如此，以此类推。
图2-10第一天典型的陆地卫星地面轨迹
但第一天第十四圈与第一天第一圈之间只分布了17条轨迹，因为只有0.944圈。
18天总共绕地251圈，第252圈即第19天第一圈与第一天第一圈重合。
圈间的距离为159km，但图像的宽度为185km，在赤道处相邻轨道间的图像尚有26km（占14%）的重叠。
从图2-11中还可以看出偏移系数为-1，即下一天轨迹比当天轨迹西移一条轨道。
轨道的重复性有利于对地面地物或自然现象的变化作动态监测。
图2-1118天的轨迹分布（赤道处）
（二）Landsat4/5
1982年美国在Landsat-1～3的基础上，改进设计了Landsat-4卫星，并发射成功。
1984年又发射了Landsat-5卫星，与Landsat-4完全一样。
Landsat-4/5卫星的形状如图2-12所示。
卫星主体由NASA的标准多用途飞行器组合体和陆地卫星仪器舱组成。
多用途飞行器组合体包括姿态控制，通信及数据处理，电源和推进器等子系统。
仪器舱装有TM传感器，MSS多光谱扫描仪，宽带波段通信子系统，高增益TDRSS（数据中继卫星系统）天线和其它天线，以及一个能产生2KW功率的太阳能帆板。
这种卫星可设计成由航天飞机进行修复。
图2-12Landsat-4/5外形图
Landsat-4/5卫星也近圆形、近极地、与太阳同步和可重复的轨道。
它的轨道高度下降为705km，对于地面分辨力为30m的TM专题制图仪而言是必要的，为此运行周期也减为98.9s，重复周期为16天，偏移系数为-7，它与Landsat-1～3参数比较如表2-4。
Landsat-3与Landsat-4/5轨道参数表2-4
Landsat1～3
Landsat-4/5
轨道高度H
915km
705km
轨道倾角I
99.125°
98.22°
运行周期性T
103.267min
98.9min
长半轴a
7285.438km
7083.465km
降交点时间
（过赤道平均太阳时）t
9:
42am
9:
45am
重复周期性D
18天（251圈）
16天（233圈）
偏移系数d
-1
-7
在赤道上两相邻轨迹间距离
159km
172km
图像幅宽
185km
185km
相邻轨道间赤道处重叠度
26km（14%）
13km（7%）
（三）Landsat-7
图2-13是Landsat-7的外形图。
其轨道参数与Landsat4/5基本相同（见表2-4），只是传感器改型为ETM+（增强型专题制图仪）。
Landsat系列卫星轨道参数表表2-5
卫星
Landsat4-5
Landsat-7
类型
太阳同步极轨
高度
705km
倾角
98.2°
降交点时
9:
30a.m.
10:
00a.m.
周期
99min
覆盖天数
16d
姿控
3轴（0.01°精度）
刈幅
185km
二、SPOT系列卫星
法国于1986年2月发射了第一颗陆地卫星，主要用于地球资源遥感，其外形如图2-14所示。
其轨道参数如表2-6所示。
至今已发射了4颗，即SPOT1-4，SPOT5计划有两个型号，SPOT-5A和SPOT-5B，SPOT5A已于12002年发射。
SPOT卫星装载了2台相同探测器
HRV（highresolutionvisible）或HRVLR（highresolutionvisibleandinfrared）成像仪，HRV的平面反射可绕卫星前进方向滚动轴（X轴）旋转，平面向左右两侧偏离垂直方向最大可达±27°，从天底点间轨道任意一侧可观测到450km附近的景物，这样在邻近的许多轨道间都可以获取立体影像。
在赤道附近，
分别在第七条轨道间可进行立体观测，立体图像的基高比在0.5～1.0之间。
SPOT系列卫星发射时间如表2-7。
表2-8列出了HRV（HRVIR）和VI的技术指标。
图2-14SPOT卫星
SPOT卫星轨道参数表2-6
轨道高度H
运行周期T
轨道倾角i
重复周期D
偏移系数d
卫星过降交点时刻
轨迹间间隔（赤道处）
所载仪器
单台HRV图像幅宽
两台HRV图像幅宽
832km
101.4min
98.7°
26天（369圈）
+5
10:
30am
108km
2台HRV推扫描仪（多光谱和全色）
60km
117km（重叠3km）
SPOT系列卫星发射时间表表2-7
SPOT
-1
-2
-3
-4
-5A
-5B
发射日期
1986.2.22
1990.1.22
1993.9.26
1998.3.24
2002.5.3
2004
终止日期
运行
运行
1996.11.14
运行
运行
（计划中）
探测器
HRV
HRV
HRV
HRVIR
VI
Poam3
HRVIR+
AVI
HRVIR+
AVI
其中，VI为指被测量仪，Poam3是极地臭氧和气溶胶测量仪。
SPOT5A已于2002年发射，目前已作了平台，平台与SPOT1-4相同，探测器地台分辨率见表2-9。
SPOT卫星HRV和VI探测器技术指标表2-8
探测器
HRV
HRVIR
VI
卫星
SPOT1-3
SPOT4
SPOT4
波段（μm）
0.43—0.47
0.50—0.59
PAN0.51—0.73
0.61—0.68
0.79—0.89
1.58—1.75
分辨率
20m
10m
20m
20m
扫幅
60km
60km
60km
60km
分辨率
20m
10m
20m
20m
20m
扫幅
60km
60km
60km
60km
60km
分辨率
1km
1km
1km
1km
扫幅
2250km
2250km
2250km
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