内容介绍
本书分为上、下两册。上册包含*1章到第9章,主要介绍各种遥感卫星任务分析及技术指标论证等总体设计方法,从用户提出的任务目标与需求(使命任务、功能性能等)出发,通过任务分析与设计,转化为遥感卫星系统总体设计要求和约束,如卫星轨道、载荷配置、系统构成等;下册包含*10章到*20章,主要介绍遥感卫星系统构建、控制推进、热控、数据处理、微振动抑制等各分系统总体设计,*后通过梳理未来航天遥感技术的发展,给出了未来航天遥感系统发展趋势。本书可作为高等院校宇航相关专业学生的教学参考书,也可供从事宇航工程、航天器总体设计及有关专业的科技人员参考。
作者介绍
李劲东,研究员,博士生导师,航天遥感领域专家,现任职于中国空间技术研究院总体部,担任某领域总设计师。主要从事遥感卫星总体设计及航天器热控制技术研究,先后担任多颗遥感卫星总设计师、国家安全重大基础研究项目专家、国防973项目&席科学家、俄罗斯齐奥尔科夫斯基宇航科学院院士。曾获国家科技进步奖二等奖3项,国防科学技术奖一等奖4项、二等奖1项、三等奖2项。在国内外期刊、重要学术会议发表学术论文80余篇。
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空间技术与科学研究丛书 互联网+与空间技术的结合 未来宇航 宇航工程 载人航天 卫星遥感 卫星导航 遥感卫星轨道设计
目录
上 册
第 1章 卫星遥感技术基础001
1.1 引言002
1.2 卫星遥感物理基础003
1.3 近地空间环境019
1.4 卫星遥感工程系统简介028
参考文献031
第 2章 遥感卫星空间轨道设计032
2.1 概述033
2.2 遥感卫星轨道设计需求与特点036
2.3 光学遥感卫星多任务轨道设计分析043
2.4 微波成像遥感卫星轨道设计分析054
参考文献060
第3章 高分辨率可见光遥感卫星系统设计与分析061
3.1 概述062
3.2 需求分析及技术特点065
3.3 可见光遥感系统成像质量关键性能指标内涵068
3.4 高分辨率可见光相机成像质量设计与分析071
3.5 高分辨率可见光相机方案描述090
3.6 卫星在轨成像模式设计096
3.7 卫星在轨动态成像质量设计与分析099
3.8 几何定位精度分析 116
3.9 谱段配准分析120
3.10 实验室定标技术122
3.11 可见光遥感卫星应用 125
3.12 小结129
参考文献130
第4章 红外遥感卫星系统设计与分析131
4.1 概述132
4.2 需求分析及任务技术特点 135
4.3 红外遥感系统成像质量关键性能指标及内涵140
4.4 高分辨率红外相机成像质量设计与分析142
4.5 红外摆扫相机系统方案描述 151
4.6 红外遥感卫星在轨动态成像质量设计与分析157
4.7 红外遥感系统定标技术 170
4.8 红外遥感卫星应用 172
4.9 小结177
参考文献178
第5章 高光谱遥感卫星系统设计与分析179
5.1 概述180
5.2 需求分析及技术特点 184
5.3 高光谱遥感系统成像质量关键性能指标及内涵188
5.4 高光谱成像仪成像质量设计与分析 191
5.5 高分辨率干涉型成像光谱仪方案描述204
5.6 卫星在轨成像模式设计210
5.7 卫星在轨动态成像质量设计与分析212
5.8 高光谱成像系统定标技术225
5.9 高光谱遥感卫星应用227
5.10 小结232
参考文献233
第6章 高精度立体测绘卫星系统设计与分析235
6.1 概述236
6.2 需求分析238
6.3 光学测绘系统关键性能指标及内涵239
6.4 卫星测绘体制分析243
6.5 内方位元素要求与稳定性245
6.6 外方位元素测量与稳定性246
6.7 高精度时间同步技术254
6.8 同名点匹配技术257
6.9 三线阵立体相机方案设计260
6.10 几何标定技术265
6.11 高精度测绘处理技术与飞行试验结果271
6.12 立体测绘卫星应用273
6.13 小结276
参考文献277
第7章 高分辨率合成孔径雷达遥感卫星系统设计与分析278
7.1 概述279
7.2 需求分析及技术特点282
7.3 星载SAR成像质量关键设计要素285
7.4 星载SAR载荷设计与分析287
7.5 星载SAR成像模式设计299
7.6 星载SAR载荷系统方案描述302
7.7 星载SAR成像质量分析与设计308
7.8 星载SAR成像定位精度分析321
7.9 星载SAR数据处理与反演技术324
7.10 SAR遥感卫星应用326
7.11 小结333
参考文献334
第8章 高精度微波遥感卫星系统设计与分析335
8.1 概述336
8.2 任务需求及其载荷配置分析339
8.3 雷达高度计设计与分析343
8.4 微波散射计设计与分析359
8.5 微波辐射计设计与分析367
8.6 校正辐射计设计与分析375
8.7 微波遥感卫星数据处理与应用380
8.8 小结384
参考文献385
第9章 地球同步轨道光学遥感卫星系统设计与分析387
9.1 概述388
9.2 需求分析及技术特点391
9.3 高轨光学遥感系统覆盖特性与时间分辨率分析393
9.4 高轨光学遥感卫星成像质量关键性能指标397
9.5 高轨光学遥感卫星系统成像质量设计与分析398
9.6 在轨成像模式设计 406
9.7 高轨高分辨率成像仪方案描述 408
9.8 卫星在轨动态成像质量设计与分析 415
9.9 高轨光学遥感系统在轨标定分析 429
9.10 高轨光学遥感卫星应用 433
9.11 小结437
参考文献438
缩略词440
索引442
下 册
第 10章 遥感卫星系统构建与总体构型布局设计443
10.1 卫星系统使命任务与使用要求444
10.2 卫星系统构建与组成 446
10.3 卫星遥感任务的关键能力设计450
10.4 卫星总体设计原则 454
10.5 卫星总体构型与布局设计 455
10.6 卫星飞行程序设计 474
10.7 卫星工作模式设计 477
10.8 卫星可靠性设计与分析 482
10.9 整星安全性设计490
参考文献492
第 11章 高速图像数据处理与传输系统设计与分析493
11.1 概述494
11.2 任务需求分析497
11.3 星上数据源及其数据率分析499
11.4 高速数据处理与传输系统设计与分析504
11.5 系统工作模式及其数据流设计509
11.6 多源高速数据处理与存储系统设计与分析513
11.7 高速数据传输系统设计与分析520
11.8 系统仿真分析与验证527
11.9 与卫星工程其他大系统接口设计533
参考文献535
第 12章 遥感卫星控制与推进系统设计与分析536
12.1 概述537
12.2 任务需求分析539
12.3 系统设计分析541
12.4 基于CMG+ 动量轮配置的快速姿态机动及稳定成像
控制方案545
12.5 基于全CMG 群配置的快速姿态机动及稳定成像控制
方案设计557
12.6 系统故障诊断与应急处理577
参考文献580
第 13章 遥感卫星信息管理与数管系统设计与分析581
13.1 概述582
13.2 需求分析583
13.3 卫星信息系统架构与信息流管理设计585
13.4 卫星自主任务管理设计598
13.5 星上自主健康管理设计603
13.6 星上数据管理系统设计与分析607
参考文献615
第 14章 遥感卫星测控与导航定位系统设计与分析616
14.1 概述617
14.2 需求分析与技术特点620
14.3 测控系统设计与分析623
14.4 导航定位系统设计与分析642
14.5 与测控大系统接口设计及验证651
参考文献655
第 15章 遥感卫星供配电系统设计与分析656
15.1 概述657
15.2 需求分析与技术特点659
15.3 光学遥感卫星供配电系统设计662
15.4 SAR卫星供配电系统设计683
参考文献694
第 16章 遥感卫星结构与机构分系统设计与分析695
16.1 概述696
16.2 需求分析及技术特点699
16.3 系统设计约束分析701
16.4 卫星结构传力设计703
16.5 卫星结构与机构系统组成706
16.6 对接段设计707
16.7 星箭解锁装置设计711
16.8 推进舱结构设计714
16.9 电子舱结构设计718
16.10 载荷适配结构设计721
16.11 太阳翼机械部分设计724
16.12 分析与试验验证728
参考文献738
第 17章 遥感卫星热控系统设计与分析739
17.1 概述740
17.2 需求分析和技术特点741
17.3 空间外热流特性744
17.4 空间外热流分析746
17.5 太阳同步轨道的特性分析及计算749
17.6 卫星内部热源分析及布局设计755
17.7 卫星散热面选择与散热能力分析757
17.8 遥感卫星热控系统设计759
17.9 微波遥感卫星恒温舱设计777
17.10 大型光学相机热控设计780
17.11 大型微波载荷热控设计788
参考文献793
第 18章 遥感卫星微振动抑制与在轨监测技术794
18.1 概述795
18.2 需求分析796
18.3 载荷成像敏感度分析799
18.4 星上微振动源特性分析 802
18.5 微振动抑制设计809
18.6 微振动在轨监测技术 814
18.7 微振动仿真分析与试验验证820
参考文献825
第 19章 遥感卫星总装集成、测试与验证技术 826
19.1 系统总装集成方案设计 ___________827
19.2 遥感卫星电性能综合测试技术834
19.3 遥感卫星系统级试验验证技术852
参考文献865
第 20章 发展展望866
20.1 未来 “互联网+卫星遥感+大数据+数字地球” 新体系867
20.2 低、 中、 高轨结合的高分辨对地观测卫星系统 870
20.3 未来新型遥感技术 872
参考文献875
缩略词876
索引879
《遥感科学的未来图景:从地球观测到智慧应用》 编者寄语: 在这个信息爆炸的时代,我们对世界的认知正以前所未有的速度被重塑。而在这场认知革命的浪潮中,遥感技术无疑扮演着至关重要的角色。它以“不接触”的方式,从远处、从高处洞察地球的每一个角落,为我们描绘出地球系统的精细画卷,并以前所未有的精度与广度,揭示着自然的规律与人类活动的痕迹。 本书系《空间技术与科学研究丛书》中的重要一环,旨在系统梳理遥感科学与技术发展的脉络,深入探讨其前沿理论与最新进展,并着重阐释其在“互联网+”浪潮下,如何与数字经济、智慧社会深度融合,开辟出广阔的应用前景。本书不涉及具体的“国之重器出版工程”项目,也非“卫星遥感技术(上下册)”或“互联网+与空间技术的结”的直接延续,而是一部独立的作品,致力于为读者呈现一个更加宏大、更加前瞻性的遥感科学图景。 第一章:遥感科学的基石——原理、方法与数据 遥感,顾名思义,即“遥远的感知”。其核心在于利用传感器在不直接接触目标物体的情况下,获取关于目标的电磁辐射信息,并通过对这些信息的分析,揭示目标的性质、状态和变化。本章将从遥感的基本原理出发,深入浅出地剖析电磁波谱与地物相互作用的物理过程,理解不同波段的电磁波如何携带不同的信息。我们将详细介绍主动遥感与被动遥感两大类传感器的工作机制,如光学传感器、微波传感器(雷达)等,以及它们各自的优缺点与适用范围。 接着,本章将重点探讨遥感数据的获取、处理与分析方法。从卫星平台的选择、轨道设计,到地面接收站的建设与数据传输,我们将勾勒出遥感数据从源头到应用的全流程。数据预处理是遥感应用的关键一步,包括辐射定标、几何校正、大气校正等,这些步骤的严谨性直接影响后续分析的精度。随后,我们将介绍多种遥感数据处理与分析技术,包括图像增强、变化检测、目标识别、分类与聚类等。我们将深入探讨传统的图像处理算法,如阈值分割、边缘检测,以及机器学习和深度学习在遥感图像分析中的崛起,如卷积神经网络(CNN)在目标识别和地物分类中的强大能力。 最后,本章将强调遥感数据标准化、质量评估和数据共享的重要性,为构建开放、可持续的遥感数据生态系统奠定基础。 第二章:遥感技术的演进——从单平台到多源融合 遥感技术的发展并非一蹴而就,而是经历了一个不断演进、持续创新的过程。本章将追溯遥感技术的历史足迹,从早期的航空摄影,到第一代、第二代、第三代卫星遥感系统,展现其分辨率、光谱范围、时间分辨率和空间覆盖能力的飞跃式提升。我们将重点介绍不同类型卫星平台的设计理念与技术特点,如中分辨率成像光谱仪(MODIS)、高分辨率立体成像卫星、全色与多光谱成像卫星等。 进入新世纪,遥感技术的发展呈现出多项关键趋势: 高光谱与超光谱遥感: 突破传统多光谱的限制,捕捉更精细的光谱信息,实现对地物成分的精确辨识。我们将探讨高光谱成像仪的工作原理,以及其在矿产勘查、植被健康监测、环境污染识别等领域的独特优势。 微波遥感(SAR)的突破: 全天候、全天时观测能力的雷达遥感(SAR)技术,在应对复杂天气条件、监测地表形变、识别海洋油污等方面展现出巨大潜力。我们将深入解析SAR成像原理,以及极化SAR、干涉SAR(InSAR)等高级技术如何提供更丰富的三维信息和形变监测能力。 无人机(UAV)遥感: 作为低空、近距离遥感的重要补充,无人机遥感以其灵活性、高效性,在精细农业、城市规划、应急响应等领域开辟了新天地。本章将讨论不同类型的无人机遥感平台、传感器配置,以及其在大规模、高精度的地理信息获取中的作用。 多源数据融合: 单一数据源往往难以满足复杂应用的需求。本章将重点探讨光学、微波、激光雷达(LiDAR)、GNSS(全球导航卫星系统)等不同遥感数据之间的融合方法。通过多源数据的互补与融合,可以克服单一数据的局限性,获得更全面、更准确的信息。我们将介绍基于特征提取、模型驱动、深度学习等多种数据融合策略。 天基、空基、地基协同: 从高空卫星到低空无人机,再到地面传感器网络,构建多层次、一体化的观测体系,实现对地球系统的全方位、多尺度、高频次监测。 第三章:遥感应用的深化——从地球科学到社会经济 遥感技术早已超越了单纯的科学研究范畴,深刻地渗透到我们社会的方方面面,为解决现实世界的复杂问题提供了强大的工具。本章将聚焦于遥感技术在不同领域的具体应用: 环境保护与可持续发展: 气候变化监测: 冰川融化、海平面上升、大气成分变化、森林覆盖率变化等,遥感提供了直观且宏观的观测数据,为气候变化研究与应对提供科学依据。 生态环境监测: 森林火灾监测、生物多样性评估、土壤侵蚀监测、水质与水体富营养化监测、湿地变化监测等。 灾害管理: 地震、洪水、滑坡、火山爆发等自然灾害的发生、发展与影响评估,为预警、应急响应和灾后重建提供关键信息。 农业与粮食安全: 精准农业: 作物长势监测、病虫害预警、土壤养分分析、灌溉管理、产量预测,帮助农民优化资源配置,提高产量与效益。 土地利用与覆盖变化监测: 动态更新土地利用现状,为农业规划、耕地保护提供决策支持。 城市发展与智慧城市: 城市扩张与人口密度监测: 城市规划、交通管理、基础设施建设的科学依据。 环境污染监测: 大气污染物、水体污染物、噪音污染的空间分布与变化分析。 智慧交通: 交通流量监测、拥堵分析、路径规划。 资源勘探与管理: 矿产资源勘探: 利用高光谱数据识别矿产地质信息。 水资源管理: 地表水体监测、地下水信息推断、水资源承载力评估。 森林资源调查与管理: 森林蓄积量估算、森林病虫害监测、森林火灾风险评估。 海洋科学与安全: 海洋环境监测: 海水温度、叶绿素浓度、赤潮监测、海冰监测。 海洋油污监测与搜救: SAR等技术的应用。 海事监管与安全: 船舶识别、航线监控。 地质与地球物理: 地质构造分析: 断裂带、褶皱等地质结构的识别。 地表形变监测: 利用InSAR技术监测地震、滑坡、地面沉降等。 第四章:互联网+与遥感技术的融合——开启智慧应用新纪元 “互联网+”战略的提出,为遥感技术的应用带来了前所未有的机遇。它不仅仅是技术的简单叠加,更是以互联网的创新精神和技术手段,为传统遥感行业注入新的活力。本章将深入探讨“互联网+”如何重塑遥感技术的应用模式与服务形态: 海量遥感数据的存储、管理与分发: 云计算、大数据技术的发展,使得海量遥感数据的存储、检索、处理和共享成为可能。我们将探讨如何构建面向海量遥感数据的云平台,打破数据孤岛,实现数据的高效利用。 在线遥感数据处理与分析服务: 基于云计算和WebGIS技术,开发者和用户无需复杂的本地软件和硬件环境,即可通过互联网访问遥感数据,并在云端进行定制化的数据处理和分析,大大降低了遥感技术的应用门槛。 智能化、自动化遥感应用: 结合人工智能(AI)、机器学习、深度学习等技术,实现遥感数据处理的自动化和智能化,例如自动地物识别、变化检测、灾害评估等,大幅提升了工作效率和精度。 跨领域、多维度的数据融合与挖掘: 将遥感数据与互联网上的其他数据源(如社交媒体数据、物联网数据、交通数据等)进行融合,挖掘更深层次的社会、经济、环境信息,为更广泛的智慧应用提供支撑。 遥感服务化(SaaS)模式的兴起: 以订阅式服务的方式,为用户提供按需定制的遥感数据与分析结果,使得遥感服务更加便捷、高效、经济。 开放数据与众包模式: 鼓励遥感数据的开放共享,吸引广大开发者和爱好者参与遥感应用的创新,形成众包式的解决问题模式。 遥感在数字孪生城市、智慧农业、智慧环保等领域的具体实践: 结合“互联网+”的理念,深入分析遥感技术如何在这些新兴领域发挥核心作用,构建更加智能化、精细化的管理与服务体系。 第五章:遥感科学的未来展望——挑战与机遇 面向未来,遥感科学与技术的发展充满挑战,也孕育着巨大的机遇。本章将对遥感科学的未来发展进行展望: 更强的观测能力: 亚米级甚至更高分辨率的成像技术,更精细的光谱分辨率,更高效的时间分辨率,以及更丰富的观测维度(如三维成像、多角度成像)。 更智能的分析能力: 深度学习模型将更加成熟,实现对遥感数据更深层次的理解与洞察,甚至具备一定的“推理”和“预测”能力。 更广泛的应用领域: 遥感技术将进一步渗透到生命科学、医疗健康、金融保险、文化遗产保护等更多新兴领域。 跨学科的融合与协同: 遥感将与地理信息科学、计算机科学、统计学、社会科学等更多学科深度融合,形成新的研究范式。 面临的挑战: 数据爆炸带来的存储与处理压力、算法的泛化能力与鲁棒性、伦理与隐私问题、国际合作与数据共享的障碍等。 构建可持续的遥感生态: 推动遥感技术的普惠化,降低应用门槛, fostering a vibrant community of users and developers。 结语: 本书系旨在勾勒遥感科学与技术的发展脉络,探讨其在“互联网+”时代下的无限可能。我们希望通过对遥感原理的深入解读,对技术演进的梳理,对应用场景的详尽阐述,以及对未来趋势的展望,能够激发更多人对遥感科学的兴趣,推动遥感技术的创新与应用,为构建更加智慧、可持续的地球家园贡献力量。遥感技术,作为我们感知地球、理解世界的“慧眼”,其未来必将更加光明。