【遥感】卫星轨道、载荷、典型参数

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一、卫星定位

轨道和载荷共同决定了卫星的用途,轨道决定重访周期和轨迹,载荷决定卫星的功能。重访周期与功能匹配:高频次重访适合于变化快的目标监测,例如气象卫星需要持续监测天气变化,因此它们通常位于地球同步轨道,搭载红外或可见光传感器。而遥感卫星如环境监测卫星或农作物监测卫星,位于极地轨道,可以定期对全球范围内的土地进行观测。覆盖范围与功能结合。例如,搭载SAR的极轨卫星可以全球范围内全天候获取地表高精度图像,搭载光学传感器的低地球轨道卫星可能更关注城市细节和建筑物变化。

轨道设计决定了卫星的重访周期和覆盖范围,而载荷决定了卫星在这些范围内能获取的信息类型。

二、卫星种类

1. 通信卫星

转发器 :转发器是通信卫星的“心脏”。从地面站接收信号,放大信号并把信号的频率转换到适合发射的波段,再将处理过的信号发送回其他地面站或用户。转发器有几种类型:宽波束转发器覆盖范围广,适合大面积用户。窄波束转发器信号强度高,适合特定地区的用户。

天线:卫星与地面之间的“桥梁”。卫星通过天线接收地面站发送的信号。处理后的信号通过天线发送回地面。 不同类型的天线可以影响信号的覆盖范围和质量,比如相控阵天线能够动态调整方向,适应移动用户。

编码/解码器:提升信号的传输效率、与安全。在信号发送前,编码器会对信息进行压缩和加密处理,以保证数据在传输过程中不易遭受干扰或被截获。当信号到达目的地后,解码器则负责将其恢复为原始数据形态,

调制/解调器:将信号转化为适合传输的格式:调制是把信号变成适合卫星发送的形式,解调则是把接收到的信号还原。通信系统中编码解码和调制解调通常是结合使用的。原始数据首先通过编码器进行编码,以优化数据传输的效率和安全性。编码后的数据再通过调制器进行调制,以适应特定的传输介质。接收到的信号首先通过解调器进行解调,将调制信号还原成编码后的数据。然后,解码器将这些数据解码,恢复成原始数据。

频率选择:通信卫星工作在不同的频段,这会影响信号的传输质量和覆盖。典型波段如C波段具备抗干扰能力强,适合长距离通信。Ku波段的带宽高,应用广泛,适合各种服务。Ka波段提供更高速度的互联网服务。 常见的通信卫星有 GEO通信卫星:Intelsat、DirecTV,有LEO通信卫星:Starlink、OneWeb (目前卫星领域最火的星联星座就是这个啦)

对比地球静止轨道(GEO)和低地球轨道(LEO)作为通信卫星的特点:

特性/轨道类型地球静止轨道 (GEO)低地球轨道 (LEO)核心特性
轨道高度约35,786公里160-1,500公里GEO: 高度固定,适合长期固定任务
LEO: 发射高度可选
轨道周期24小时90-120分钟GEO: 与地球自转同步
LEO: 建议搜视频看看
覆盖范围单颗卫星覆盖约1/3地球表面单颗卫星覆盖有限,需多颗卫星组网
信号延迟约540毫秒几毫秒到几十毫秒GEO: 延迟较高,胜在稳定
LEO: 低延迟,SpaceX的Starlink
覆盖限制赤道上方,无法覆盖极地区域无明显限制,但需组网实现全球覆盖GEO: 极地盲区;LEO: 全球覆盖,包括极地
应用场景电视广播、固定通信移动通信、高速互联网、遥感观测GEO: 传统卫星电视、气象监测等;LEO: 星链计划(Starlink)

2. 导航卫星

原子钟是导航卫星的核心组件,提供高精度的时间基准(精度通常在纳秒级别),是导航系统的关键。天线用于接收和发送信号,确保信号的稳定性和可靠性。信号发生器生成导航信号,包括时间和位置信息,用于地面接收设备进行定位。星通常部署在地球静止轨道确保全球范围内的覆盖。

3. 气象卫星

紫外、红外、可见光、微波传感器等传感器用于监测大气和地表的各种参数,如温度、湿度、云层、风速等。辐射计测量地球表面和大气的辐射,用于气象和气候研究。典型卫星有 GEO气象卫星:GOES(美国)、MTSAT(日本); LEO气象卫星:NOAA系列(美国)、MetOp(欧洲)

4. 科学卫星

天文望远镜用于观测宇宙中的天体,如恒星、星系、黑洞等。粒子探测器用于探测宇宙射线和其他高能粒子。磁强计用于测量磁场强度。重力仪用于测量重力场的变化。如 哈勃空间望远镜:用于天文观测; GRACE:用于测量地球重力场

5. 军事卫星

雷达用于高分辨率成像和目标识别,可以在夜间和恶劣天气条件下进行观测。通信设备用于军事通信,确保指挥和控制的畅通。干扰设备用于电子战和信号干扰,保护军事通信的安全。如 KH-11 Keyhole:高分辨率成像卫星; Globalstar:军事通信卫星

6. 遥感卫星

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多光谱相机可以捕捉多个波段的电磁辐射,Landsat系列搭载的多光谱扫描仪(MSS)和增强专题制图仪 thematic mapper plus (ETM+)。Sentinel-2卫星上搭载的多光谱成像仪(MSI),可以捕捉13个波段的数据,以及Terra和Aqua卫星上搭载的具有36个光学波段的中分辨率成像光谱仪(MODIS)。多光谱相机侧重于利用波段特性的场景。

高光谱成像仪可以捕捉数百个连续的窄波段数据,提供更详细的光谱信息。这些数据用于精细的物质识别、环境监测等。Hyperion:搭载在EO-1卫星上,可以捕捉220个波段的数据。*激光雷达(LiDAR)*可以生成高精度的三维地形模型,用于地形测绘、城市规划等。

高分辨率相机则专注于空间分辨率,由于侧重形态刻画,多数产品都对光谱分辨率无要求,主流都是一个全色波段,分辨率通常在亚米级到几米之间,这种影像适合用于3d城市数字孪生,比如WorldView系列卫星搭载的高分辨率成像传感器分辨率达0.3米。GeoEye-1卫星搭载的高分辨率成像传感器分辨率达0.41米。

热红外传感器可以测量地表温度和热辐射,用于监测地表温度、火情检测、城市热岛效应等。Landsat 8*:搭载的热红外传感器(TIRS),可以捕捉两个热红外波段的数据。ASTER(高级太空热发射和反射辐射计):搭载在Terra卫星上,可以捕捉多个热红外波段的数据。

CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)是两种常见的图像传感器技术,用于捕捉光学图像。CCD传感器具有高灵敏度和低噪声,适用于高精度成像;CMOS传感器则具有低功耗和高速读出的优势。Sentinel-2卫星搭载的多光谱成像仪(MSI)使用了CMOS传感器。WorldView系列卫星使用了高灵敏度的CCD传感器。

姿态控制系统用于精确控制卫星的姿态,确保传感器对准目标区域。这包括陀螺仪、星敏感器、太阳敏感器等设备。大多数遥感卫星都配备了先进的姿态控制系统,以保证成像质量和数据准确性。

遥感卫星与搭载传感器对照表

主流遥感卫星轨道搭载传感器场景单位
Landsat极轨OLITIRS (Landsat 8), ETM+ (Landsat 7)
TM (Landsat 5)
土地利用USGS
美国地质调查局NASA
美国宇航局
Sentinel极轨MSI (Sentinel-2), OLCI & SLSTR & SRAL (Sentinel-3), SAR (Sentinel-1)土地利用&海洋观测&地表形变。ESA
欧空局
Terra极轨MODIS, MISR, CERES气象监测NASA
Aqua极轨MODIS, AIRS, AMSU气象监测NASA
MetOp极轨IASI, AVHRR, ASCAT气象监测EUMETSAT
欧洲气象卫星组织
高分四号GF4GEO光学相机环境监测CNSA
GOES-RGEOABI, GLM气象监测NOAA
美国国家海洋和大气管理局
风云三号FY3极轨MERSI, MWRI, VIRR气象监测CNSA
中国航天局
WorldView极轨多光谱相机高分辨率马萨尔技术公司
Planet Dove极轨多光谱相机高分辨率Planet Labs
行星实验室
SPOT极轨多光谱相机土地利用CNES
法国空间研究中心
COSMO-SkyMed极轨SAR地表形变ASI
意大利航天局
Radarsat-2极轨SAR海洋监测CSA
加拿大航天局
高分一号GF1极轨多光谱相机土地利用CNSA
高分二号GF2极轨多光谱相机土地利用CNSA
高分三号GF3极轨SAR海洋监测CNSA

三、卫星轨道

高度:高、中、低轨

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低地球轨道卫星在大约 160-1,500 公里的高度上绕地球表面运行。它们有较短的轨道周期,介于 90 到 120 分钟之间,这意味着它们每天可以绕地球运行多达 16 次,低地球轨道卫星都可以改变其轨道平面与地球表面的相对角度,所以低轨卫星非常常见,因为它为航天器提供了更多的潜在路径用于各种目的。也由于它们离地球更近,其覆盖面积远比其他类型的卫星要小。因此一组低地球轨道航天器会一起发射(这就是所谓的卫星星座),形成围绕地球的网络。通过合作同时覆盖大片区域。image.png

中轨于低地轨道和地球静止轨道之间,通常在大约 5,000 至 20,000 公里的高度。由于其较长的轨道周期(通常在 2 到 12 小时之间),这种类型的卫星在覆盖区域和数据传输速率之间提供了折中方案。与低地球轨道航天器相比,中地球轨道卫星需要较少的设备来实现全球覆盖,但它们的时间延迟更长,信号也更弱。在地球静止轨道上的航天器位于地球表面 35,786 公里上方,正好位于赤道上方,均匀分布的三台机器几乎可以覆盖全球。由于相对地面静止,地面天线可以始终指向太空中的同一设备。这就是这种卫星非常适合电视和电话等始终在线的通信服务的原因。但是对于实时通信而言,GEO 类型的航天器的缺点是由其与地球之间的巨大距离造成的信号延迟较长。

维度:GSO、GEO、SSO

探讨遥感卫星轨道时需要从两个维度来理解不同类型的轨道:物理维度的高度分类,以及功能维度的特性分类。

先说地球同步轨道(GSO)家族。当一颗卫星的轨道周期恰好与地球自转周期相同(约23小时56分4秒)时,我们就称之为地球同步轨道。在这个高度约35,786公里的轨道上,卫星的运动方式会因轨道倾角的不同而呈现出不同的特征。如果将轨道倾角调整为0度,卫星就会始终停留在赤道上空的同一点,这就是我们熟知的地球静止轨道(GEO)。GEO卫星就像被钉在天空中的一个固定点,这种特性使它特别适合用于通信广播和大范围气象监测。但如果给GSO加入一定的轨道倾角,就会形成倾斜地球同步轨道(IGSO)。从地面观察IGSO卫星,它会画出一个优美的"8"字轨迹,每天都会从同样的地理位置上空经过两次,这种轨道设计在提供区域性服务时特别有价值。

太阳同步轨道(SSO)是另一个独特的体系。它属于低地球轨道家族,通常在600至800公里的高度范围内运行。SSO最关键的特征在于其轨道设计:通过精心调校轨道倾角(接近但不严格等于90度)和轨道高度,可以使轨道面的进动速率与地球绕日运动速率完美匹配。这种设计让SSO卫星能够在每天相同时刻,以相同的太阳照明条件观测地球上的特定区域。比如,我们可以安排一颗SSO卫星每天上午10:30准时从唐山市上空飞过,这种稳定的观测条件对于地球资源勘察、环境监测等任务极其重要。虽然单颗SSO卫星一次只能覆盖较小的区域,而且轨道周期只有90-100分钟,但其特殊的轨道设计让它能够周期性地访问同一区域。对于大多数地球观测和气象监测任务来说,这种周期性的观测已经足够。不过,在一些要求更高时间分辨率或需要全球连续覆盖的应用场景中,我们还是需要多颗SSO卫星组网,形成观测星座。 无论是GSO家族的24小时同步特性,还是SSO的太阳照明同步特性,这些轨道的设计都是为了满足特定的应用需求

讨论完GSO和SSO后,需要关注另一个重要的轨道概念:极地轨道。这里涉及到了一个有趣的包含关系 极地轨道是低地球轨道(LEO),但低地球轨道(LEO)不一定是极地轨道。极地轨道最显著的特征是其90度的轨道倾角,这使得卫星能够从南极到北极完整地扫描地球表面。随着地球自转,卫星的轨道带能够逐渐覆盖所有经度的区域,最终实现全球覆盖。这种覆盖能力是极地轨道最独特的优势。所以我们常说的极地太阳轨道其实就是普通太阳轨道,因为接近极地的倾角(大于90度,通常是96-98度)是实现太阳同步特性的必要条件。这是由轨道力学决定的,太阳同步性质是通过轨道面的进动来实现的,要获得合适的进动速率(与地球绕太阳公转速率相匹配),必须: 轨道倾角要大于90度,轨道高度在合适范围内(通常600-800km)。如果轨道倾角是30-40度就无法产生正确的进动速率,因此无法保持与太阳同步,就无法保证在同一地点观测到相同的太阳照明条件,所以当我们说"太阳同步轨道"时,它必定是一个近极地轨道。它的"近极地"特性不是一个可选项,而是实现太阳同步的必要条件。

那么,其他倾角的低轨卫星存在的意义是什么呢?实际上,它们各自都有其特定的应用场景。首先是区域性服务:通过精心设计轨道倾角,卫星可以更频繁地掠过特定的地理区域。比如,一个国家可能更关心本国领土的覆盖,这时候就不需要像极地轨道那样覆盖全球。当然,由于单颗低轨卫星无法持续覆盖同一区域,通常需要部署多颗卫星组成星座,确保服务的连续性。 这种区域性覆盖特别适合两类应用:一是军事侦察。某些军事任务可能只需要监视特定的热点区域,这时采用合适倾角的低轨道可以提供更频繁的重访和更高的观测精度。二是商业通信,最典型的例子就是Starlink卫星星座。它选择约53度的轨道倾角,这个设计很巧妙 - 既能覆盖主要的人类聚居区,又避免了对人烟稀少的极地区域的过度覆盖,从而优化了系统的成本效益。这些不同倾角的低轨设计,加上前面讨论的GSO和SSO,共同构成了一个完整的轨道应用体系。


四、我国卫星图表速查

中国国家卫星系列分类及核心载荷表

陆地卫星——高分与资源

卫星系列轨道特征核心载荷性能指标数据产品应用场景
高分一号太阳同步轨道 645km2米全色/8米/16米多光谱相机- 幅宽:69km - 侧摆能力:±35° - 重访周期:4天高清图像、多光谱数据地图更新、土地利用监测
高分二号太阳同步轨道 631km1米全色/4米多光谱相机- 幅宽:45km - 侧摆能力:±35° - 重访周期:5天高分辨率图像、多光谱数据城市规划、作物生长监测
高分三号太阳同步轨道 755km- C波段SAR(合成孔径雷达) - 多极化雷达- 分辨率:1-500m - 幅宽:10-650km - 入射角:20°-50°雷达图像、表面粗糙度数据海洋动态监测、灾害快速评估
高分四号地球同步轨道 35786km- 可见光/红外凝视相机 - 大气垂直探测仪- 可见光分辨率:50m - 红外分辨率:400m - 时间分辨率:20秒实时图像、温度分布图快速气象预警、森林火灾监测
高分五号太阳同步轨道 705km- 可见短波红外光谱仪 - 全谱段温室气体监测仪 - 大气污染物监测仪- 光谱分辨率:5nm - 幅宽:60km - 光谱通道:330个大气成分数据、温室气体浓度空气质量监测、气候变化研究
高分六号太阳同步轨道 645km- 2米全色/8米多光谱相机 - 16米多光谱宽幅相机- 幅宽:90km - 光谱范围:0.45-0.90μm高分辨率图像、农作物指数农业病虫害监测、作物产量预测
高分七号太阳同步轨道 506km- 立体测绘相机 - 激光测高仪- 平面精度:优于5m - 高程精度:优于1.5m立体影像、数字高程模型地形测绘、三维建模
资源一号太阳同步轨道 778km- 全色/多光谱相机 - 红外多光谱扫描仪- 分辨率:20m全色/80m多光谱 - 幅宽:120km多光谱图像、热红外数据矿产资源勘探、环境变化监测
资源三号太阳同步轨道 505km- 三线阵相机(前视/后视/下视) - 多光谱相机- 平面精度:优于3m - 高程精度:优于2m - 幅宽:52km立体图像、数字正射影像制图制版、灾害评估

气象卫星——风云

卫星系列轨道特征核心载荷主要性能指标数据产品实际应用场景
风云三号太阳同步轨道 836km- 可见光/红外扫描辐射计 - 微波温度计 - 臭氧探测仪- 可见光分辨率:250m-1km - 红外分辨率:1km - 微波通道:13个温度分布图、臭氧浓度数值天气预报、气候变化研究
风云四号地球同步轨道 35786km- 先进地基成像仪(AGRI) - 闪电成像仪(LMI) - 大气垂直探测仪- 可见光分辨率:0.5-1km - 红外分辨率:2km - 观测周期:5分钟高频次图像、闪电位置短期天气预报、强对流天气预警

海洋卫星——海洋

卫星系列轨道特征核心载荷主要性能指标数据产品实际应用场景
海洋一号D太阳同步轨道 770km- 海洋水色水温扫描仪 - 海岸带成像仪- 水色分辨率:1.1km - 水温精度:0.2K - 覆盖宽度:2900km海洋颜色指数、海表温度海洋环境监测、渔业资源管理
海洋二号B倾斜轨道 973km- 微波散射计 - 雷达高度计 - 微波辐射计- 风速精度:2m/s - 高度计精度:3.5cm - 重访周期:10天海面风场、海浪高度海洋动力环境、海上航行安全

导航卫星——北斗3号

轨道类型核心载荷主要性能指标数据产品实际应用场景
MEO轨道 21528km- 导航信号发射机 - 原子钟 - 星间链路- 定位精度:10m(全球) - 测速精度:0.2m/s - 授时精度:20ns定位坐标、速度矢量车辆导航、无人机控制
GEO/IGSO轨道 35786km- 导航信号发射机 - 原子钟 - 星间链路- 区域增强精度:5m - 短报文通信 - 精密单点定位增强定位坐标、时间同步高精度定位服务、应急通信

科学卫星

卫星系列轨道特征核心载荷主要性能指标科学成果实际应用场景
暗物质卫星 (悟空)太阳同步轨道 500km- 粒子探测器(PSD) - 硅微条探测器(STK) - BGO量能器- 能量范围:5GeV-10TeV - 能量分辨率:1.5%@100GeV暗物质候选粒子探测宇宙学研究、基本物理定律验证
慧眼卫星 (HXMT)低地球轨道 550km- 高能X射线望远镜 - 中能X射线望远镜 - 低能X射线望远镜- 能量范围:1-250keV - 时间分辨率:1ms - 视场:5.7°×5.7°高能天体物理现象观测黑洞和中子星研究、宇宙射线起源探索
墨子号太阳同步轨道 500km- 量子纠缠源 - 量子密钥通信机 - 量子隐形传态设备- 纠缠分发距离:1200km - 量子通信速率:20kbps远距离量子纠缠建立量子通信网络建设、信息安全保障

中国商业卫星系列分类及核心载荷表

1. 光学遥感卫星系列

卫星系列轨道特征核心载荷主要性能指标数据产品实际应用场景
吉利一号太阳同步轨道 535km- 高分辨率光学相机 - 视频成像设备- 分辨率:0.5m(全色)/2m(多光谱) - 幅宽:12km - 视频成像:1.5m分辨率/10fps高清图像、视频数据城市规划、事件响应
吉利二号太阳同步轨道 535km- 高分辨率多光谱相机- 分辨率:0.76m(全色)/3.1m(多光谱) - 幅宽:40km - 重访周期:3天多光谱图像、作物指数农业监测、环境变化研究
北京二号星座太阳同步轨道 650km- DMC多光谱相机 - 全色相机- 分辨率:0.8m(全色)/3.2m(多光谱) - 幅宽:24km - 重访周期:<2天高分辨率图像、多光谱数据城市扩张监测、农作物生长分析
光启智能一号太阳同步轨道 500km- 可见光相机 - AI处理单元- 分辨率:1.5m - 星上实时处理能力智能图像、目标识别结果自动目标识别、智能城市

2. SAR雷达卫星系列

卫星系列轨道特征核心载荷主要性能指标数据产品实际应用场景
星闪一号太阳同步轨道 560km- X波段SAR- 分辨率:1m(聚束)/3m(条带) - 幅宽:10km/30km - 极化模式:单/双极化雷达图像、表面特性全天候对地观测、地质灾害预警
虹云SAR太阳同步轨道 600km- C波段SAR- 分辨率:1-3m(聚束模式) - 幅宽:20-50km - 极化:全极化高分辨率雷达图像、地形变化灾害监测、基础设施安全检查

3. 通信卫星系列

卫星系列轨道特征核心载荷主要性能指标数据传输能力实际应用场景
银河-1LEO轨道 1200km- Ku频段通信载荷 - 星间激光链路- 通信容量:40Gbps - 覆盖范围:800km - 时延:<50ms高带宽数据传输宽带互联网接入、企业通信
虹云工程卫星LEO轨道 1100km- L/Ka频段通信载荷 - 数据处理单元- 通信容量:10Gbps - 终端接入数:数万级 - 时延:<50ms大规模物联网连接物联网服务、远程医疗

4. 小卫星星座

卫星系列轨道特征核心载荷主要性能指标数据传输能力实际应用场景
天启星座LEO轨道 730km- 窄带通信载荷 - AIS接收机- 数据速率:9.6kbps-2Mbps - 覆盖延时:<30min - AIS信号接收能力物联网数据传输资产跟踪、环境监测
行云工程卫星LEO轨道 1000km- L频段通信载荷 - AIS/ADBS接收机- 通信容量:5Mbps - 覆盖延时:<60min海事通信数据、航空监视数据海上通信、空中交通管制

5. 特色任务卫星

5.1 引力波探测(紫金山天文台/origin space)
卫星系列轨道特征核心载荷主要性能指标科学成果实际应用场景
太极一号地球轨道 600km- 激光干涉仪 - 惯性传感器- 加速度测量精度:10^-15 m/s² - 姿态控制精度:10^-7 rad引力波信号探测引力波天文学、基础物理学
5.2 空间碎片清理(创新炸弹)
卫星系列轨道特征核心载荷主要性能指标功能描述实际应用场景
NEO-01LEO轨道 500km- 机械臂 - 离子推进系统 - 网捕装置- 碎片捕获能力:<10kg - 轨道机动能力:>100m/s碎片捕捉与处置空间环境维护、轨道安全提升