重磅 | 珞珈一号01星夜光遥感设计与处理

　　长期以来，我国遥感卫星、导航卫星各成体系，功能分立。武汉大学珞珈一号01星是世界上第一颗兼具遥感和导航的“一星多用”跨体系低轨微纳智能科学试验卫星，2015年由武汉大学立项研制，2018年6月2日发射入轨，其主功能载荷为夜光成像载荷和星基导航增强载荷，主要用于社会经济参数估算、重大事件评估、渔业监测、国家安全等领域，以及开展全新的低轨星基导航增强方法的试验。该星的夜光遥感分辨率为130 m，可清晰识别道路和街区，优于美国的DMSP/OLS（分辨率2.7 km）和Suomi NPP/VIIRS（分辨率740 m）。

　　▲珞珈一号01星正射影像与Suomi NPP/VIIRS影像套合图

　　将珞珈一号01星正射影像和Suomi NPP/VIIRS夜光卫星图通过卷帘模式下的叠加套合对比，珞珈一号01星正射影像和Suomi NPP/VIIRS影像基本套合，珞珈一号01星夜光影像拥有更高分辨率，为后续夜光应用提供了更多的空间信息。

　　▋珞珈一号01星需求分析、卫星设计与研制、数据分发与共享、推广应用，历时5年，在夜光遥感设计处理和应用方面取得突破性进展：

　　①提出星载耦合杂光规避方法、联合增益处理动态范围延拓方法，构建“白天成像定标+晚上成像校正”的在轨几何辐射定标模型，设计并实现高灵敏度、高动态范围、高几何辐射质量的夜光成像，达到国际同类卫星传感器领先水平；

　　②提出夜光卫星影像弱交会平面区域网平差方法，绝对几何精度优于1.5个像素；

　　③研制130 m分辨率平面精度优于1.5个像素的中国陆地夜光影像一张图，已直接服务于国民经济、国家安全与科学研究等多个领域；

　　④研发珞珈一号01星数据管理与公益服务平台。

　　珞珈一号01星取得了一批具有竞争力的自主知识产权核心关键技术，支撑了我国遥感卫星从地表监测到人类社会活动监测的跨越，结束了我国社会经济参数反演评估遥感应用主要依赖国外卫星数据的历史，对微纳卫星研制与应用、测绘地理信息学科的发展具有引领性的意义，“珞珈一号01星入轨运行”入选2018年度中国遥感领域十大事件。

　　▋《珞珈一号01星夜光遥感设计与处理》（张过等著.—北京：科学出版社，2019.10）设计并实现高灵敏度、高动态范围、高几何辐射质量的夜光成像，研制我国首个分辨率最高、绝对几何精度优于200 m的中国夜光遥感正射影像一张图。在国内开创互联网+遥感卫星数据公益服务模式，为联合国难民营设置、瑞典森林火灾和印尼地震等提供遥感数据定制服务。

　　全书共8章，各章概要分述如下。

　　第1章

　　绪 论

　　夜光遥感是获取无云条件下地表发射的可见光–近红外电磁波信息。这些信息大部分由地表人类活动发出，其中最主要的是人类夜间灯光照明，同时也包括石油天然气燃烧、海上渔船、森林火灾及火山喷发等来源。相比于普通的遥感卫星影像，夜光遥感影像更直接反映人类活动，因此，被广泛应用于社会经济参量估算、城市监测、重大事件变革、生态环境评估及公共健康等领域。

　　第2章

　　珞珈一号01星夜光遥感指标论证

　　本章根据珞珈一号01星应用指标，对载荷波段、分辨率、照度开展调研论证，根据精细化社会经济参数估算的需求，合理确定波段、分辨率和照度的范围；针对珞珈一号01星几何定位精度指标需求，建立珞珈一号01星成像链路各几何要素模型，模拟卫星在轨运行状态，梳理成像链路中的各项误差源，预估在轨几何定位精度；为了保障珞珈一号01星辐射指标的实现，根据微光成像特性，建立星载耦合杂光规避和联合增益处理的动态范围延拓模型，仿真在轨高动态范围、高辐射质量的夜光成像要素，预估在轨辐射指标；最后，通过仿真–预估–指标修订多轮迭代，合理确定珞珈一号01星卫星设计指标，制定珞珈一号01星研制总要求。

　　第3章

　　珞珈一号01星夜光遥感设计

　　珞珈一号01星有效载荷及卫星平台的设计研制工作紧密围绕夜光遥感和导航增强两项科学目标展开。有效载荷采用了大相对孔径像方远心光学系统、异形遮光罩杂光抑制、高低增益联合读出等设计，可适应大动态范围夜间灯光场景的高灵敏探测需求。为保障夜光遥感数据的几何精度，卫星采用了双星敏定姿和双频GPS定轨，达到的姿态和轨道确定精度指标在20 kg级微纳卫星中，处于国际领先地位。同时，为了适应搭载发射的要求，并降低研制成本，卫星大量选用工业级器件和成熟的立方星商业部件，通过一体化设计手段，优化整星结构、热控和电子学软硬件，实现卫星的高度轻小型化和功能高度集成。并运用大量级冲击隔离、帆板自主锁紧展开等创新技术，保障卫星可靠性。卫星最终具备“高灵敏、高精度、高集成、高可靠、一星多用”的特点。

　　▲ 卫星结构分解图

　　第4章

　　珞珈一号01星夜光成像任务规划

　　珞珈一号01星测控系统的核心任务是面向科学试验目标，制订科学的夜光成像任务计划。珞珈一号01星科学试验的一个重要目标是快速获取全国夜光一张图，用于社会经济参数分析等领域。本章在提出区域覆盖率计算等任务规划预处理方法基础上，特别针对珞珈一号01星功能受限（每个圈次仅能执行一次成像或数传任务）、单站测控接收（武汉站）特点，提出面阵卫星区域多轨拼接成像任务调度方法，为全国夜光一张图的获取提供核心支撑。此外，在卫星在轨运行过程中，针对应急成像需求，提出成像时间窗口的快速预报方法，有效实施应急成像规划。

　　第5章

　　珞珈一号01星定标预处理

　　在轨几何辐射定标是保障遥感数据质量的关键环节，珞珈一号微纳卫星无星上定标设备，且国内外缺乏高精度夜光定标基准，难以直接对夜光载荷进行在轨定标。本章将研究揭示轨道误差、姿态误差、内方位元素误差、安装矩阵误差和时间同步误差等各项误差的机理，逐项量化表征误差，依据“卷帘”动态成像原理，构建珞珈一号01星“卷帘”分时曝光的严密几何成像模型；依据夜光载荷高动态范围成像特性，揭示传感器探元高低增益映射关系，构建夜光载荷白天–夜间辐射传递模型；提出“利用白天成像影像进行定标模型求解，对晚上夜光影像进行补偿校正”的在轨几何辐射定标模型。珞珈一号01星夜光遥感数据带控定位精度优于1个像素，无控几何定位精度优于5个像素，在轨暗电流定标精度（标准差均值比）优于0.04%，在轨相对非均匀性定标精度（条纹系数）优于0.2%，达到国际同类卫星传感器领先水平。

　　第6章

　　珞珈一号01星区域处理

　　为了解决珞珈一号夜光数据在实际应用中遇到的影像定位一致性问题，本章提出一套夜光影像区域高精度处理方法。在获得标准产品后，首先经过数据筛选获取覆盖全国的珞珈一号01星影像，其次进行带控制的区域网平面平差来保证影像的绝对和相对定位精度，最后通过快速镶嵌对正射影像拼接处理，生产夜光影像区域一张图。

　　第7章

　　珞珈一号01星数据管理与服务

　　本章从珞珈一号01星遥感产品数据存储格式出发，阐述数据管理、数据分发服务、Web端及智能移动端数据服务等相关技术，对产品覆盖和注册用户状况进行统计分析。

　　▲截止2019年5月31日珞珈一号01星全球覆盖图

　　数据管理与服务负责解析珞珈一号产品数据并将产品数据入库，进而以服务的形式对外进行发布，使得各类用户可以通过Web或智能移动终端方式快速浏览、下载、查询相关产品数据。接收2级数据产品，对其进行解析后，按产品图像、产品属性、产品空间特征等特性入库，通过数据管理系统完成产品数据存储（入库、导出）、系统运行监控、用户管理、日志管理等功能，通过数据分发服务提供产品数据查询（产品空间查询、产品属性查询、产品所属行政区查询等）、卫星位置查询、产品数据下载，通过Web端及智能移动端完成了数据的查询、展现、共享。

　　第8章

　　珞珈一号01星在社会经济中的应用

　　本章在利用珞珈一号01星夜光数据评估社会经济参量相关性的基础上，提出用发展指数和未来发展指数来评估经济发展。

　　本文摘编自《珞珈一号01星夜光遥感设计与处理》（张过等著.—北京：科学出版社，2019.10）一书。

　　ISBN 978-7-03-062396-6

　　责任编辑：杨光华 李建峰

　　本书设计并实现高灵敏度、高动态范围、高几何辐射质量的夜光成像，研制我国首个分辨率最高、绝对几何精度优于200 m的中国夜光遥感正射影像一张图。在国内开创互联网+遥感卫星数据公益服务模式，为联合国难民营设置、瑞典森林火灾和印尼地震等提供遥感数据定制服务。本书可供测绘、国土、航天、规划、农业、林业、资源环境、遥感、地理信息系统等空间地理信息相关行业的生产技术人员和科研工作者参考。

　　（本文编辑：刘四旦）