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《海洋水色卫星遥感关键技术》系统介绍海洋水色卫星遥感关键技术，聚焦我国在海洋水色卫星的发展历程与遥感关键技术的突破成果，涵盖从卫星平台技术论证、有效载荷设备研制、遥感数据处理算法到专题产品制作验证的各个环节，展示我国在该领域取得的重要成果。 《海洋水色卫星遥感关键技术》详细阐述卫星平台和有效载荷研制的关键技术，从全球海洋对卫星观测需求分析出发，系统论证我国海洋水色卫星的性能指标体系，从卫星轨道设计、姿态控制、数据传输等方面系统论述海洋水色卫星平台方案。此外，系统介绍卫星遥感地面处理系统的关键技术，包括遥感数据的预处理技术、大气校正技术和遥感专题产品制作技术等内容。
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目录第1章 卫星总体研制关键技术 11.1 我国海洋水色遥感卫星发展历程 11.2 卫星总体性能指标论证技术 31.2.1 HY-1B卫星在轨问题分析 41.2.2 海洋水色遥感卫星性能需求分析 51.2.3 HY-1C/D卫星测量能力提升技术 71.3 有效载荷性能指标论证技术 101.3.1 有效载荷任务分析与验证技术 111.3.2 成像质量专题分析与设计技术 161.3.3 星上交叉定标方案论证 261.4 卫星轨道方案论证技术 321.4.1 卫星轨道设计与在轨保持技术 321.4.2 俯仰成像专题设计与分析 341.4.3 卫星姿态控制关键技术 421.5 卫星数据传输关键技术 431.5.1 卫星信息流设计方案 431.5.2 遥感数据传输方案 441.5.3 工作模式数据传输方案 471.6 卫星平台方案论证技术 491.6.1 卫星构型布局方案 511.6.2 整星供配电设计方案 521.6.3 卫星飞行程序实现 55第2章 水色仪研制 572.1 水色仪技术方案论证 572.1.1 水色仪技术指标论证 572.1.2 光机扫描方案的分析与设计 602.1.3 光学参数的分析与设计 632.1.4 前置放大电路研制技术 652.1.5 制冷机研制技术 682.2 水色仪探测器组件研制技术 742.2.1 可见光探测器组件研制 742.2.2 红外探测器组件研制 782.2.3 杜瓦组件研制 812.3 水色仪K镜消像旋研制技术 842.3.1 扫描速率分析 842.3.2 电机输出力矩余量分析 852.3.3 A星K镜停转的成因分析 872.4 偏振灵敏度控制方法 892.4.1 系统偏振灵敏度分析 902.4.2 水色仪杂散光测量技术 952.4.3 灵敏度和动态范围测试结果 962.4.4 水色仪系统调制传递函数分析 982.5 海洋水色仪系统测试技术 1022.5.1 光谱特性参数测试技术 1022.5.2 可见近红外波段定标精度分析 1052.5.3 红外波段定标精度分析 1072.6 HY-1D卫星B7波段设计修改及验证 1082.6.1 光学薄膜及探测器 1082.6.2 水色仪分系统验证测试 109第3章 紫外成像仪研制 1133.1 紫外成像仪方案论证 1133.1.1 空间遥感紫外探测水平比对分析 1173.1.2 紫外成像仪总体性能指标分析 1183.1.3 紫外成像仪地面定标技术 1233.2 紫外成像仪系统设计 1243.2.1 紫外成像仪系统组成 1253.2.2 紫外成像仪光学系统设计 1263.2.3 紫外双波段焦平面探测器研制 1293.2.4 紫外成像仪结构系统设计方案 1313.2.5 紫外成像仪电子学系统设计 1333.2.6 偏振灵敏度响应测量技术 1353.3 空间大视场TDI相机速度失配校正 1373.3.1 大视场TDI相机速度失配问题 1373.3.2 紫外成像仪速度失配计算模型 1383.3.3 探测器驻留时间对成像质量影响分析 1403.4 紫外LED定标可行性分析与测试 1453.4.1 高稳定度紫外LED电路设计 1453.4.2 基于FPGA的PID闭环控制 1473.4.3 紫外LED电流稳定性试验 1483.5 基于查找表的图像非均匀性校正算法 1483.5.1 非均匀性校正算法概述 1503.5.2 基于查找表的辐亮度反演校正算法 1513.5.3 非均匀性校正算法验证 1523.6 全球海洋环境要素成像仪预先研究 1543.6.1 成像方式分析 1553.6.2 推扫成像视场（刈幅）覆盖分析 1553.6.3 星下点地面分辨率分析 1563.6.4 GOMEI主要性能参数 1563.6.5 GOMEI成像仿真方法 157第4章 海岸带成像仪研制 1614.1 HY-1A/B卫星海岸带成像仪 1614.1.1 海岸带成像仪技术指标 1614.1.2 海岸带成像仪方案介绍 1624.1.3 海岸带成像仪性能评价 1664.1.4 海岸带成像仪在轨应用 1674.2 HY-1C/D卫星海岸带成像仪 1704.2.1 海岸带成像仪主要技术指标 1714.2.2 海岸带成像仪设计方案 1724.2.3 关键指标分析和测试 1814.2.4 海岸带成像仪试验方案 1874.2.5 海岸带成像仪在轨应用 1884.3 海洋二号卫星海岸带成像仪 189第5章 卫星遥感数据预处理技术 1915.1 卫星轨道计算方法 1915.1.1 基于广播星历的算法模型 1915.1.2 未考虑摄动的轨道计算算法 1945.1.3 考虑摄动的SGP4模型 1975.1.4 卫星轨道模拟算法精度验证与误差来源分析 2005.2 单线路阵成像几何模型 2055.2.1 坐标系构建 2055.2.2 影像的内外方位元素 2075.2.3 卫星姿态描述 2085.2.4 坐标系转换 2105.3 COCTS遥感资料数据预处理技术 2135.3.1 COCTS像元定位 2155.3.2 COCTS像元几何定位精度评价 2215.3.3 像元尺度效应的定位误差影响分析 2305.3.4 太阳角与卫星角计算方法 2315.4 CZI遥感资料数据预处理技术 2345.4.1 CZI严格成像几何模型构建 2395.4.2 CZI几何定位误差订正技术 2465.4.3 CZI遥感图像配准技术 2505.4.4 CZI定位精度分析 254第6章 卫星遥感资料大气校正技术 2566.1 海洋水色卫星数据分层剥离的大气校正方案 2576.1.1 LRSAC模型的构建 2586.1.2 利用LRSAC模型进行大气校正的实例 2596.1.3 验证LRSAC模型 2626.2 海洋水色卫星遥感反射率产品 2656.2.1 COCTS遥感反射率产品 2656.2.2 基于MODIS遥感反射率产品的一致性检验 2706.2.3 UVI遥感反射率产品 2766.3 基于实测数据的遥感反射率精度评价 2796.3.1 MOBY测点的遥感反射率精度评价 2806.3.2 烟台平台的遥感反射率精度评价 2846.3.3 南海航次的遥感反射率精度评价 287第7章 卫星遥感产品制作技术 2897.1 叶绿素a浓度产品制作技术 2897.1.1 叶绿素a浓度遥感反演方法 2897.1.2 基于NODIS产品的叶绿素a浓度产品评价 2907.1.3 基于实测数据的叶绿素a浓度精度评价 2967.2 CZI悬浮泥沙浓度遥感产品制作技术 3037.2.1 香港国际机场建设对海洋环境影响分析 3097.2.2 澳门国际机场建设对海洋环境影响分析 3167.2.3 港珠澳大桥建设对海洋环境影响分析 3167.3 海表温度遥感产品制作技术 3167.3.1 HY-1C/D海表温度与MODIS产品比较分析 3177.3.2 基于实测数据的海表温度产品精度评价 3307.3.3 HY-1C/D产品一致性检验 333参考文献 336
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第1章卫星总体研制关键技术 海洋一号C/D（HY-1C/D）水色卫星，是基于《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015～2025年）》和国务院批复的《陆海观测卫星业务发展规划（2011～2020年）》要求，根据海洋卫星业务紧迫需求，在“十二五”期间立项研制的两颗海洋水色、水温业务卫星项目。该项目作为HY-1A/B水色遥感卫星的业务星，以成熟技术为基础，同时对相关探测指标根据需求进行提升，实现对全球海洋水色、水温的连续稳定可靠探测，支撑海洋环境信息保障、海洋预报减灾、海岛海岸带动态监测与海域使用管理、全球变化数据服务等主体业务，并可服务于环保、气象、水利、农业等行业，提供社会化应用。 海洋一号C/D卫星由两颗设计状态完全相同的小卫星组成，采用上下午组网运行的范式以提高整体的探测效能，所获取的各类观测数据可用于海洋预报及预警、海洋环境保护、海洋综合调查、大洋渔业等多项业务领域，主要任务与使命如下：①海洋环境信息保障；②渔业监测及应用、河口悬浮泥沙变化监测、近海水质监测需求；③海洋预报减灾：面向常规海洋数值预报的数据服务、灾害监测；④海岛海岸带动态监测与海域使用管理：海岸带动态监测、岛动态监测、海域使用管理；⑤全球变化数据服务：南北极海冰监测、全球大洋生态环境监测与全球气候变化研究。 1.1我国海洋水色遥感卫星发展历程 全球海洋观测根据不同观测要素可分为水色观测、动力学观测和海洋监测三大领域。其中海洋水色观测领域主要通过获取全球海洋的水体光谱、温度等特性，反演获取海洋水体叶绿素、悬浮颗粒物、有机物浓度等信息，主要应用于海洋资源调查、污染监控、海温预报、赤潮/绿潮调查、水质监测、海冰监测、海岸带植被监测等诸多领域（李颖虹等，2010）。我国于2002年、2007年陆续发射了HY-1A和HY-1B两颗海洋水色遥感卫星，取得了丰富的科研成果和重要的社会经济效益。 1997年6月，我国**颗海洋卫星——“海洋一号”正式立项。该卫星作为试验型业务卫星，采用了当时较为先进的CAST968小卫星平台，有效载荷包括一台十谱段海洋水色扫描仪和一台四谱段海岸带成像仪，其中水色扫描仪采用45°扫描镜+K镜消旋+4元探测器并扫+机械制冷技术，海岸带成像仪采用四谱段分镜头方案，卫星运行在798km的太阳准同步轨道上，可实现全球海洋水色数据3天获取的能力，其总体技术指标与当时国际同类水色遥感卫星相当。2002年5月15日，HY-1A卫星顺利发射升空，至此结束了我国没有海洋卫星的历史。卫星在轨运行685天，成像约1900轨，其间获取的海洋环境数据在海洋资源开发与管理、海洋环境保护与灾害预警、海洋科学研究及国际与地区间海洋合作等多个领域取得了可喜的成果。图1.1所示为HY-1A卫星探测到的赤潮与海冰。 2005年7月，作为HY-1A的业务星，HY-1B卫星正式立项。2007年4月11日卫星成功发射。HY-1B卫星相对HY-1A卫星将海洋水色水温扫描仪（简称水色仪）观测幅宽增加到3000km，使得卫星重复观测周期由3天提升到1天，海岸带成像仪光谱分辨率也由80nm提升至20nm，水色光谱信息更加精细，使得卫星遥感图像中水色层次更加丰富，成像质量明显好于A星。HY-1B卫星在轨稳定运行了8年10个月，超期服役5年10个月。在轨期间卫星共成像19233轨，水色扫描仪红外波段通道累计工作约6800h，可见光波段通道累计成像约3400h，海岸带成像仪累计成像约2370h。地面应用系统共获取卫星采集的原始数据8.84TB，生产各级各类数据产品达65.5TB。向海洋管理部门、科研院所、大专院校、业务部门及美国国家海洋与大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）等国外研究机构共50家单位进行分发，累计分发数据量达86.57TB。HY-1B卫星业务运行期间所获取的海洋遥感数据在海洋资源开发与管理、海洋环境监测与保护、海洋灾害监测与预报、海洋科学研究和国际与地区合作等领域发挥了重要作用，为我国经济发展做出了应有的贡献，发挥了积极作用。 HY-1B卫星发射后，我国近10年来没有再发射海洋水色遥感领域的专用卫星，随着HY-1B卫星2016年的退役，我国国产海洋水色遥感业务已经断档，且国产化海洋水色遥感数据与目前国际先进海洋遥感产品水平存在一定差距，新型国产海洋水色卫星的研制势在必行。为此在“十三五”期间，我国规划发展了HY系列海洋水色遥感卫星后续业务星，即HY-1C/D卫星，希望尽快改变国产海洋遥感业务无星可用的处境；同时为实现我国国产水色卫星技术性能和应用能力达到国际先进水平，开始研制新一代海洋水色观测卫星。我国当前海洋水色卫星发展示意图如图1.2所示。 1.2卫星总体性能指标论证技术 观测要素主要要素：海水光学特性、叶绿素a浓度、悬浮泥沙含量、可溶性有机物含量、海面温度。兼顾要素：海冰冰情、绿潮、赤潮、污染物、浅海地形、海流特征、海上大气气溶胶、大洋船舶信息。 观测区域实时观测区：西北太平洋区域，即渤海、黄海、东海、南海和日本海及海岸带区域等。境外观测区：我国地面站覆盖区外的其他区域。 覆盖特性单颗卫星海洋水色水温扫描仪覆盖周期：1天；海岸带成像仪覆盖周期：3天；紫外成像仪（ultra violet imaging，UVI）覆盖周期：1天。双星组网后，具备全球1天2次的水色水温探测覆盖能力。 载荷配置及用途HY-1C/D卫星有效载荷配置海洋水色水温扫描仪（以下简称水色仪）、海岸带成像仪、紫外成像仪、星上定标光谱仪和一套船舶自动识别系统（automatic identification system，AIS）。海洋水色仪主要用于探测海洋水色要素（叶绿素a浓度、悬浮泥沙浓度和可溶性有机物含量等）和海面温度场等。通过连续获取长时间的我国近海及全球水色水温资料，研究和掌握海洋初级生产力分布、海洋渔业和养殖业资源状况及环境质量等，为海洋生物资源合理开发与利用提供科学依据，为全球变化研究、海洋在全球CO？循环中的作用及厄尔尼诺（EI-Nino）探测提供大洋水色水温资料。海岸带成像仪主要用于获取海陆交互作用区域的实时图像资料进行海岸带监测，了解重点河口港湾的悬浮泥沙分布规律，并对包括海冰、赤潮、绿潮、污染物等海洋环境灾害进行实时监测和预警。 卫星轨道轨道类型：太阳同步圆形轨道；轨道高度：782km（标称值）；降交点地方时：C星：10:30AM±30min，D星：1:30AM±30min。 卫星平台 姿态控制：指向方式：对地定向、三轴稳定；姿态指向精度：≤0.1°（三轴，3σ）；姿态稳定度：≤0.003°/s（三轴，3σ）；俯仰成像能力：±20°；侧摆成像能力：±25°。 测控：体制：USB+GPS辅助定轨；遥控：码速率2000bps；遥测：码速率16384bps；GPS定位精度：10m（三轴，1σ）。 数传与记录分系统主要指标：载频：X频段；调制方式：QPSK；EIRP：≥50dBm；码速率：190Mbps；存储容量：512Gbit，支持单台及多台载荷数据同时存储。 寿命与可靠性 设计寿命：5年；可靠性：≥0.6。 1.2.1HY-1B卫星在轨问题分析 HY-1B卫星的在轨应用，实现了HY-1系列卫星由试验应用型向业务服务型的转变，所获取的海洋遥感数据在海洋资源开发与管理、海洋环境监测与保护、海洋灾害监测与预报以及海洋科学研究和国际与地区合作等领域发挥了重要作用。但同时也暴露了当时设计工作中，对海洋水色遥感弱信号探测特点认识不充分而产生的设计、应用问题，特别是由于载荷消杂光设计考虑不充分，使得两个光学载荷不同程度地出现了杂散光问题，影响了载荷图像数据的定量化应用。 水色仪冷空采样信号异常问题及解决措施 HY-1B卫星发射后，平台和有效载荷各项工程遥测参数均正常，十波段海洋水色仪图像清晰。国家卫星海洋应用中心进行在轨应用测试过程中，发现海洋水色仪用于直流恢复的可见近红外通道的冷空采样信号在阳照区存在异常波动，影响用户对图像的定量化处理与应用。 经过排查以及在轨俯仰成像试验和杂光影响仿真分析，该问题定位于HY-1B卫星水色仪冷空采样角度设计余量不足，受到地球临边大气的影响，导致直流恢复区域有杂散光辐射进入探测器，从而引起了冷空信号异常。针对以上问题，HY-1C/D卫星水色仪在设计上的改进措施如下：修改水色仪直流恢复电路阻容参数和取值，缩短将直流恢复脉冲宽度，使冷空采样结束点距离地球边缘有足够的余量（216km）；在HY-1C/D卫星水色仪增加反扫壳体钳位功能作为备用方案，一旦冷空钳位出现问题，可将直流恢复位置切换至参考黑体处（表1.1）。 为保证设计的正确性，在正样阶段使用激光跟踪仪、摄影测量系统，对力学试验前后遮光罩表面法向与卫星坐标系各个坐标轴的方向角进行了测量，测量结果满足设计要求，能够保证卫星在轨冷空恢复角度的要求。 水色仪、海岸带成像仪在轨图像“鬼影”问题及解决措施 HY-1B卫星在轨测试期间，在卫星下传数据制作叶绿素产品过程中，发现在有云层等饱和亮目标时，B4和B5谱段图像出现与目标形状相似的影子（称为“鬼影”），见图1.3（a）。 图1.3HY-1B水色仪叶绿素产品“鬼影”情况和2008年5月13日海岸带成像仪获取的云影图像 发现海岸带成像仪（coast zone imager，CZI）在强光和高反射云层同时存在的条件下，所成的遥感影像，在云层附近的晴空区有时有明显的光斑，且图像光斑的大小、亮度、形状各不相同，出现概率为5%～10%。图1.3（b）为2008年5月13日的云影图像。经过复查以上问题均是由载荷设计时对杂光路径分析不完善，采取局部有效的杂光抑制措施导致的，因此在HY-1C/D卫星设计过程中，明确各载荷杂光抑制指标，重点强化杂光抑制措施，作为整星关键指标进行专项控制，同时相对其他遥感卫星，在地面测试阶段，开展多种杂光测试项目，保证在轨HY-1C/D卫星载荷杂光指标满足设计要求，HY-1C/D卫星在轨各载荷均未出现图像杂光情况。具体设计、测试情况将在后续章节详述。 1.2.2海洋水色遥感卫星性能需求分析 自然界中，水体表面反射率较低，以最大反射率波段绿光为例，I类水体反射率大都小于5%，而II类水体由于泥沙等悬浮物的影响，其反射率达到10%左右。水体反射太阳辐射后携带水体次表层信息，受到大气的吸收、散射和路径辐射等影响，进入海洋水色卫星水色载荷视场并成为最终遥感器获取的辐射信息，此时的水体信息夹杂大气路径辐射，水体信息较弱，因此为确保获取的水色遥感数据具备良好的成像质量并能够满足定量化应用的需求，对水色载荷有关图像质量的指标有如下特殊的要求。 高信噪比需求水体较低的反射率特性，且相邻水体像元间变化的连续性，同时在均匀的大洋水体信息背景下，传感器噪声极容易突出，而现有水色要素反演算法多以波段间比值算法为主，进一步扩大了噪声影响，因此，水色载荷必须具备高辐射灵敏度特性和高信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）特性，从而能够更为准确地监测出水体辐射能量的变化特性。 窄谱段、精准的光谱响应标定需求从水体光谱*线特性中可以看到，其反射率随波长变化较为平缓，特征峰对应波段宽度较窄，为识别出这些特征，要求水色载荷的波段设置谱段较窄，从而能够更加灵敏地识别出相应的光谱特性。同时，中心波长、谱段带宽、光谱响应函数标定带来的误差以及不稳定性，也会造成水体辐射信息的较大变化，从而降低水体辐亮度数据的可靠性，因此，在进行水色载荷设置时必须严格把控谱段的标定以及波段稳定特性。 准确的辐射定标精度需求海洋水色遥感应用主要为定量化应用，如何确保水色载荷测量辐
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