大视野小目标——遥感卫星轨道的选择与挑战
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文章转载自微信公众号石头人看遥感，原创：stoneren299 ，版权归原作者及刊载媒体所有。
遥感卫星从太空对地球表面“拍照”，在没有区域限制的情况下感知获取地球上陆地、海洋和大气等的数据，提供有关天气、土地覆盖、植被、水资源、自然灾害等方面的重要信息，使得我们可以更好地了解地球上各种自然和人为现象，对于保护和管理我们的星球具有至关重要的意义。通过卫星遥感技术可以获取大范围甚至整个地球表面信息，同时也可以实现对建筑物、道路、车辆等小目标的精细识别和提取。遥感卫星的“大视野小目标”实现离不开对卫星轨道的选择。
卫星轨道是卫星绕地球飞行的轨迹，轨道的选择对于遥感卫星非常重要，需要综合考虑覆盖面积、分辨率、精度、观测周期以及轨道稳定性等因素。根据任务需要，遥感卫星会选择不同的轨道，在什么样的轨道上很大程度决定了遥感卫星的拍照时间、频次、空间范围等。
很多人好奇的遥感卫星轨道相关的问题有：
（1）遥感卫星可以对全球表面所有地方拍照吗？它是怎么做到的或者说原理是什么？
（2）遥感卫星可以持续对目标进行跟踪拍摄吗？
（3）什么是太阳同步轨道和地球静止轨道，为什么遥感卫星会选择这两种轨道？
（4）为什么有些将发射的高分辨率光学商业卫星星座会选择中倾角的倾斜轨道？
看完这篇文章，这些问题都会有答案。
一、遥感卫星轨道的选择
不同的环绕地球轨道为遥感卫星提供了不同的视角，每个视角各有自己的价值。人造地球卫星的高度(离地球表面的距离)、离心率(椭圆扁率e, 描述轨道形状，近似为0的是圆形，值越大轨道越扁)和倾角(轨道平面与赤道平面的夹角)共同决定了卫星的路径以及它对地球的视角。
图1 不同高度卫星轨道视角示意图▼
图2 轨道离心率(Eccentricity, 也叫偏心率)示意图▼
图3 轨道倾角示意图▼
人造地球卫星(包括通信、导航、遥感和科学卫星等)的轨道分类有3种方式(见图4)：
（1）按轨道倾角(inclination)分3类：赤道轨道(Equatorial Orbit)、倾斜轨道(Inclined Orbit)和极地轨道(Polar Orbit)。赤道轨道是卫星围绕地球旋转时在地球赤道正上方，通常是圆轨道，倾斜角度0°；倾斜轨道是除了在赤道正上方或南北极正上方运行的轨道之外的所有的轨道，轨道倾斜角度在0到180°之间；极地轨道是卫星的路径从南极和北极正上方通过，而且与赤道面的垂直的轨道，轨道倾角90°。
（2）按轨道高度(altitude)分3类：近地轨道(Lower Earth Orbit, LEO) ，轨道离地球表面距离160-2000千米，绕地球一圈90-120分钟；中轨道(Medium Earth Orbit, MEO)，轨道高度2000-35800千米，绕地球一圈2-6小时；地球同步轨道(Geosynchronous Earth Orbit, GEO)，轨道高度35800千米，相对地球表面静止，绕地球一圈24小时。
（3）按轨道形状分2类：圆轨道(Circular Orbit)和椭圆轨道(Elliptical Orbit)。
图4 人造地球卫星轨道分类图(横过来看)▼
理论上遥感卫星轨道的选择有无穷多，遥感卫星的轨道按高度一般在近地轨道和地球同步轨道，当前绝大多数遥感卫星都选择在近地轨道，一个重要因素是对于卫星上携带的“相机”，离地球越近，拍得越清楚。遥感卫星最典型的轨道是两个特定轨道：太阳同步轨道和地球静止轨道。
太阳同步轨道按上面提到的3种轨道分类方式来说是属于极地轨道(极地或近极地轨道，倾角通常在97度到99度之间)、圆轨道和近地轨道。对于遥感卫星，太阳同步轨道主要有稳定性和全球性2个优点：
（1）稳定的观测条件，在太阳同步轨道上运行的卫星可以实现每天固定的观测地方时(例如上午10:30)和相同的光照条件，这使得对地观测的数据稳定性更高。
（2）全球性覆盖，太阳同步轨道为极地或近极地轨道，卫星可以覆盖或基本覆盖地球，从而实现全球观测和监测。由于太阳同步轨道的以上优点，地球资源卫星和一些气象卫星一般都选取太阳同步轨道，例如国际知名的地球资源卫星美国陆地卫星(Landsat)、法国的SPOT卫星、中国和巴西合作的中巴地球资源卫星(CBERS)，气象卫星美国的NOAA卫星、中国的风云一号/三号等都在太阳同步轨道上运行和对地球表面拍照。
图5 陆地卫星和哨兵卫星的太阳同步轨道和完成全球覆盖拍照示意图▼
图6 陆地卫星8号全球拍照成像(每16天完成一次全球覆盖)示意图▼
地球静止轨道(Geostationary Orbit, GEO)是特别指人造卫星垂直于地球赤道上方的正圆形地球同步轨道(运行周期等于地球自转周期的顺行人造地球卫星轨道)。简单说该轨道上的人造卫星与地面相对静止，这是该轨道最大的特点，也是地球静止的含义，见图7。地球静止轨道按上面提到的3种轨道分类方式来说是赤道轨道、圆轨道和地球同步轨道，轨道高度35800千米。对于遥感卫星，地球静止轨道的主要优点是可对地球目标区域进行不间断观测，地球静止轨道相对地球位置恒定不变，卫星可以对地球表面的某一区域持续的进行观测和监测。由于此优点，一些气象卫星会选取地球静止轨道，这样可以及时监测和观测气象变化，更加准确地预报天气，例如中国的风云二号/四号等；此外随着传感器技术的进步，陆地观测卫星也开始选择地球静止轨道成像，例如高分四号，高分四号虽然离地球表面远达35800千米，依然可以做到最高50米空间分辨率成像。
图7 地球静止轨道卫星运行示意图▼
图8 太阳同步轨道和地球静止轨道对比示意图▼
二、遥感卫星轨道的挑战
民用的遥感卫星(陆地观测卫星、海洋卫星和气象卫星)基本都部署在太阳同步轨道和地球静止轨道上(见图9)。太阳同步轨道的遥感卫星可以做到稳定成像条件下的周期性全球覆盖，而且由于该轨道离地球较近，空间分辨率较高；我们要注意的是遥感卫星为了克服地球引力，必须是高速运动的(例如陆地卫星的飞行速度是7.5千米/秒)，同时地球也在自转，所以太阳同步地球轨道上的卫星在拍摄地球目标时，过一小段时间就会飞过目标，而无法持续拍摄；而地球同步轨道的遥感卫星由于其与地球自转同步运动，相对地面静止，可以盯着一个固定的区域进行不间断的拍摄，类似地面杆塔上部署的摄像头。两种轨道各有优势，相互补充。
遥感卫星轨道的选择面临着多种挑战，主要包括以下方面：
（1）全球高分辨率遥感和不间断/高频观测遥感的平衡：对于遥感卫星而言，实现高分辨率遥感和不间断遥感(或者一天内高频多次)的平衡是一个重要的挑战。近地轨道或太阳同步轨道能够实现高分辨率遥感，但是其一次覆盖范围较小，单颗星难以做到一天不间断观测(或多次观测)；而地球静止轨道能够实现不间断观测遥感，但是由于其轨道距离地球太远，空间分辨率相对较低。因此，如何在高空间分辨率和高频观测之间寻找平衡，是遥感卫星轨道选择的一个难点。
（2）天气条件和云量的影响：光学遥感卫星在观测地球表面时受到天气条件和云量的影响。例如，云层的遮挡会影响遥感卫星获取地表图像的质量和可用性，因此需要选择合适的轨道，通过改变成像时间来避免云层遮挡和天气条件不利的影响。
（3）卫星运行稳定性和姿态控制：卫星运行稳定性和姿态控制也是遥感卫星轨道选择的一个重要挑战。卫星的轨道和姿态不稳定会影响遥感数据的准确性和可用性。
（4）轨道碎片和空间交通管理：随着卫星数量的不断增加，轨道碎片和空间交通管理也成为了遥感卫星轨道选择的一个挑战。轨道碎片可能对遥感卫星造成损害，而空间交通管理则需要避免遥感卫星与其他卫星或碎片发生碰撞，保障卫星的安全运行。
对于遥感卫星的“大视野小目标”的监测需求来说一个重大的挑战就是是否有轨道或轨道组合可以同时做到高分辨率、全球覆盖和高频观测(一天多次)。
图9 太阳同步地球轨道(极地轨道)和地球静止轨道的气象卫星图▼
三、商业遥感卫星轨道的未来趋势
商业遥感卫星的一个竞争趋势是空间分辨率越来越高，1米到0.5米，现在0.3米快成了标准配置，0.1米的星也在规划中。遥感卫星的轨道高度越低同样的传感器空间分辨率会越高，但是也不是越低越好，由于越靠近地球的稀薄空气阻力越大，卫星的寿命会变短或要求搭载的维持轨道的燃料增多，所以一般会有一个折中，在近地轨道500千米高度左右。当前大多数高分辨率的商业遥感卫星都在太阳同步轨道，虽然保证了全球覆盖和高空间分辨率，但是每天只能在固定的时点拍摄，难以做到一天对同一个目标分不同时间段多次拍摄，更难做到不间断的持续监测。
商业遥感卫星的小型化和星座化是其发展趋势，而其轨道的未来趋势是偏向混合轨道的部署，特别是太阳同步轨道和中倾角的倾斜轨道，太阳同步轨道用来保证全球覆盖，中倾角倾斜轨道用来保证对中低纬度区域的一天中各个不同时段的重复高频观测。麦克萨(Maxar)公司规划的世界观测军团(WorldView Legion)卫星星座有6颗星，就被部署在450千米高度的混合轨道上(见图10)，其中2颗在太阳同步轨道，另外4颗在中倾角轨道，可获得的最高分辨率0.29米，由于该星座卫星的数量和不同的轨道类型将有能力在需求最多的地区进行频繁成像(每天最多15次)。
中倾角轨道的显著优势是可以1天内不同时间段对目标多次成像，弥补太阳同步轨道的缺点，但是它也有2个显著缺点：（1）不能全球成像，例如对于倾角为50°的中倾角轨道，拍照无法覆盖纬度大于50°的地球区域；（2）单颗卫星对于给定位置会存在数天无法有效拍摄。如图11所示在中倾角轨道上至少需要两颗卫星，以避免长时间的低太阳角成像“停电”(日食)。两颗以上的卫星提供了弹性，以及太阳高度角的更多多样性。
世界观测军团卫星的传感器在低太阳高度角能保持高信噪比，从而保证中倾角轨道卫星可以全天提供高质量图像。当太阳高度超过15º，在北纬36º，有代表性的一天，军团星座卫星可以以≤0.5米的分辨率拍摄6次，以≤1米分辨率拍摄10次，或以≤1.3米分辨率拍摄14次。
图10 Maxar公司的世界观测军团卫星星座运行轨道示意图▼
图11 不同数量世界观测军团中倾角轨道卫星的获取图像时间图▼
四、总结
不是所有轨道的单颗遥感卫星可以做到拍照全球覆盖，极地或近极地太阳同步轨道遥感卫星在轨道上的重复运行叠加地球的自转可以做到周期性地对全球进行观测；除了地球静止轨道卫星，其他轨道的单颗卫星难以做到对地球表面目标进行长时间不间断的跟踪拍摄；太阳同步轨道卫星利于稳定成像和长时间序列变化分析，地球静止轨道卫星适于对固定区域连续不间断观测；中倾角的倾斜轨道卫星可以在一天内不同时段对目标进行多次成像，太阳同步轨道和中倾角倾斜轨道的混合部署是未来商业高分辨率光学遥感卫星轨道的一个发展趋势。
正如苏轼的诗“横看成岭侧成峰，远近高低各不同”所说一样，不同轨道上的遥感卫星为我们提供了观测地球的不同视角，让我们可以获得地球表面更全面、客观的信息。晚上写此文时，我家孩子正在背苏轼40岁时写的“江城子密州出猎”，跟我感慨诗人真是豪放，我也对自己说“鬓微霜，又何妨”。
参考文献
Catalog of Earth Satellite Orbits. https://earthobservatory.nasa.gov/features/OrbitsCatalog
Types of orbits.https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Transportation/Types_of_orbits
Satellite Characteristics: Orbits and Swaths.http://sar.kangwon.ac.kr/etc/fundam/chapter2/chapter2_2_e.html
A Guide to Satellite Orbits. https://mapscaping.com/a-guide-to-satellite-orbits/
WorldView Legion. https://www.eoportal.org/satellite-missions/worldview-legion#assuring-continuity-to-match-customer-needs
（全文完）
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