揭秘中國新型高分系列衞星：能看清黃埔江上浪花

在地球大氣層以外飛行的對地觀測衞星宛如“天眼”，注視着地球表面，一物一景盡收眼底，為我們提供更高遠的視角觀測地球家園。這雙“天眼”是否明亮，決定了我們所看到的景物是否清晰。因此，無數航天科研人員孜孜不倦地工作，為的就是不斷擦亮這雙“天眼”。

9月29日，“高分二號”衞星首批影像圖公佈，在600公里高空所拍下的照片，能清晰地看到馬路上的斑馬線。這是我國首批亞米級高分辨率衞星影像圖，標誌着我國衞星遙感技術進入亞米級時代。

從“高分一號”衞星讓人震撼的首批衞星影像圖，到更為震撼的“高分二號”衞星影像圖，中國的“天眼”被一次次擦亮。

視野寬闊的“高分一號”

“高分一號”衞星做到了空間分辨率、多光譜和寬覆蓋的結合。它在全球中分辨率衞星中是觀測幅寬最寬的一顆，用4天時間就可以對全球完成拍攝

2006年，中國將高分辨率對地觀測系統重大專項列入《國家中長期科學與技術發展規劃綱要(2006-2020年)》，是當年部署的16個重大專項之一。2010年5月，高分專項全面啓動。

作為高分專項系列衞星的先鋒，“高分一號”衞星這顆“天眼”並沒有將主要能力放在明察秋毫方面，它就如瞭望台一般，登高望遠，視野遼闊是它不可替代的本事。

“高分一號”衞星搭載了兩台2米分辨率全色/8米分辨率多光譜相機、4台16米分辨率多光譜寬幅相機。這就決定了“高分一號”衞星在拍攝只具備灰色一種顏色的全色照片時，分辨率可以達到2米，在拍攝彩色多光譜照片時的分辨率為8米。

單從這項指標看，“高分一號”衞星的分辨率並沒有多麼出色，與國際同類衞星相比並無優勢，谷歌地圖所使用的“地球之眼”對地觀測衞星的分辨率已經達到了0.41米。就算與國內其他衞星相比，其優勢也不明顯，早在2007年發射的“遙感二號”衞星就實現了2米的全色分辨率。

但是，並不能就此否定“高分一號”衞星的優秀。得益於其所搭載的功能強大的16米分辨率多光譜寬幅相機，“高分一號”衞星做到了空間分辨率、多光譜和寬覆蓋的結合。

在對地拍攝時，“高分一號”的多台寬幅多光譜相機進行多角度拼接視場，從而實現了大視場成像，讓“高分一號”的16米分辨率幅寬達到了驚人的800千米。“‘高分一號’衞星是中高分辨率相結合的衞星，它的分辨率並不算高，但是它主要解決的是大幅寬問題。”高分專項工程副總指揮王承文説。

雖然在分辨率上略遜一籌，但在拍攝幅寬上面，“高分一號”可謂獨佔鰲頭。“它在全球中分辨率衞星中是觀測幅寬最寬的一顆，用4天時間就可以對全球完成拍攝。”王承文説。

如此一來，“高分一號”衞星便形成了足以成為技術突破的特點：高空間分辨率、多光譜與高時間分辨率結合的光學遙感技術應用。時間分辨率是指軌道衞星在同一區域進行的相鄰兩次遙感觀測的最小時間間隔，亦稱覆蓋週期。時間間隔越大，時間分辨率越低，反之時間分辨率就越高。“時間就是金錢”這句話在這裏同樣適用。

“我們國家國土幅員遼闊，需要觀測幅寬大的衞星，更主要的是幅寬跟時間分辨率有很大的關係。我們所提到的高分辨率概念不僅僅是指大家平常所認為的空間分辨率，實際上‘高分一號’從立項的時候就要求高時間分辨率，這在應用方面是非常重要的。”王承文説，為保證大範圍觀測，還設計了利用動量輪控制實現衞星滾動側擺25°的能力，可觀測範圍達到近1000千米。

“高分一號”衞星在平台性能上也有所進步，這也為拍攝高精度的照片提供了支撐。據衞星總設計師白照廣介紹，“高分一號”衞星使用航天東方紅公司研製的CAST2000小衞星平台，這是一種標準的低軌道衞星平台，它使用三軸穩定控制方式，具有整星側擺機動能力和較高精度的姿態控制能力。“高分一號”在此基礎上加以改進，在CAST968/2000小衞星上首次採用二浮陀螺進行衞星姿態角速度測定，使得衞星姿態控制精度更高。“如果衞星姿態不夠穩定，就像拿着照相機的手不斷抖動，會直接影響成像質量。”白照廣説。

此外，“高分一號”還是一顆“長壽衞星”。它是我國首顆設計、考核壽命要求大於5年的低軌衞星，而以往國內同類衞星的壽命大多為3年。“長壽”的奧秘就在於設計團隊在關乎衞星使用壽命的活動部件，特別是飛速旋轉而又損耗極大的陀螺以及衞星電池的設計方面花足了心思。改進的陀螺、高效能的太陽能帆板與鋰電池，讓“高分一號”能夠更為持久地翱翔在太空之上。

明察秋毫的“高分二號”

“高分二號”是我國第一個突破亞米級的民用對地觀測衞星，斑馬線、小汽車等在其衞星影像圖上可以清晰辨認，甚至黃浦江上的浪花都能看得清楚

“高分一號”衞星在分辨率上的不足並非無法彌補，只不過它需要高分家族中的另一名成員——“高分二號”衞星來完成。

“高分一號”的全色分辨率為2米，這意味着，地面上長和寬都小於2米的物體，呈現在“高分一號”所拍攝的全色圖像上僅僅為一個像素點，並不能看清楚其不規則形狀，也不隨着圖像放大而改變。像斑馬線、小汽車等物體在“高分一號”的衞星圖像上是無法呈現的，但是這些在“高分二號”的衞星影像圖上都可以清晰辨認。甚至在“高分二號”的衞星影像圖上，黃浦江上的浪花都能看得清楚。

這得益於“高分二號”已經達到1米的分辨率。其技術指標達到或超過國外同類光學遙感衞星的水平，關鍵在於由兩台相同的分辨率為1米全色/4米多光譜組合而成的相機。“高分二號”相機分系統主任設計師姜海濱説，“高分二號”衞星相機焦距是國內衞星中焦距最長的。“這顆衞星上裝有兩台相機，與全世界同等級分辨率的衞星相比，是成像幅寬最大的，達到了45千米。而且這兩台相機還實現了98%的國產率，關鍵部件都是中國製造。”

1米全色分辨率相比於2米全色分辨率來講，不僅僅是數字的差別，更是質的飛躍。

“1米以下的分辨率就意味着進入了亞米級分辨率。‘高分二號’是我國第一個突破亞米級的民用對地觀測衞星。”高分專項工程地面系統總工程師徐文説。亞米級遙感數據在國際遙感領域被稱為“黃金數據”，這一稱謂足見其重要性。

要進入亞米級，則需要突破多項技術。分辨率是航天光學遙感相機一項關鍵指標。傳統方法是通過延長焦距、增大相機口徑的方式實現更高分辨率，但相機的體積、重量也會隨之增長，導致研製難度、成本倍增。上世紀九十年代，國外提出新的設計理念：在鏡頭焦距增加的同時，鏡頭口徑增加相對較小，即相機的相對孔徑越來越小。但這種方式受光學系統衍射的限制，會使圖像質量有所降低。必須利用相機成像電路的低噪聲技術和相關地面圖像數據處理技術，才能保證圖像質量。

研製過程中，科研人員在國內首次採用小相對孔徑的創新設計，克服了鏡頭主次鏡離焦敏感度高等困難，突破了大口徑超長焦距光學系統水平重力卸載裝校、海量數據處理等一系列高分辨率相機研製難關，實現在同等光學系統口徑下，分辨率顯著提高。同時，科研人員首次採用天地協同的運作方式，為“高分二號”引入“大遙感”設計理念，通過相機特點和地面處理特點的匹配，實現整個系統的優化，以充分挖掘相機的信息獲取潛力。與“高分一號”相比，“高分二號”相機的焦距及分辨率提高了2.4倍，而口徑僅增加了1.6倍。

“高分二號”衞星還在衞星定位精度方面做了很多功課，因為這關乎到其所拍攝的照片是否變形或錯位而導致不準確。“高分二號”衞星總指揮兼總設計師潘騰介紹，以往我國衞星的定位精度多為百米量級，“高分二號”設計指標則要求達到無控制點條件下優於50米的定位精度，因此在測軌精度、姿態穩定精度等方面，研製團隊開展了大量工作。

衞星的太陽能帆板、陀螺儀以及很多零部件會在運行中產生振動，對衞星上搭載的長焦鏡頭來説，輕微的震動都可能導致圖像模糊。為此，研製團隊對“高分二號”衞星平台進行了適應性改進。在“高分二號”兩個太陽翼下面，裝有國防科技大學研製的“天弦一號”太陽翼振動控制裝置，能有效抑制太陽翼振動，使衞星姿態機動穩定時間進一步縮短。科研人員還首次採用阻尼減隔振等措施，吸收轉動能量，穩定轉動部件，以保證圖像質量。

在保證穩定的前提下，“高分二號”上首次使用控制力矩陀螺，採用優化高效的控制定姿方案，具備了大角度快速機動能力。與能在180秒內側擺25°的“高分一號”相比，“高分二號”可在180秒內側擺35°。

而且，面對雲層等天氣因素對衞星拍照造成的影響時，沿着軌道飛行的“高分二號”還能選擇性地開關機。“比如北京有云，黑龍江跟廣東天氣都不錯，那我們就讓衞星在廣東開機拍攝，到了北京就關機，到了黑龍江再開機。這樣就能把衞星的成像效能發揮好，節省數據儲存的空間。”徐文介紹，這個特點叫做“分次成像”。

相互配合構造中國“天眼”系統

高分專項包括七顆衞星，功能定位各有不同，如雷達遙感衞星“高分三號”可以不受氣候條件影響全天候觀測，高光譜衞星“高分五號”可對大氣成分進行綜合探測

“‘高分一號’衞星已經在軌運行，情況非常好。在20餘個政府部門、行業以及10個省級區域應用示範中心開展了非常好的示範應用。”王承文説，而且，它將與“高分二號”衞星相互配合，普查與詳查相結合，在土地利用動態監測、礦產資源調查、城市精細化管理等眾多領域發揮重要作用。

對於兩顆衞星能力的相互配合，徐文解釋説：“假如説，我們要找一個2米以上的地物特徵，但是我們不知道它的準確位置，只知道它在哪個大的區域，就可以先用‘高分一號’來進行觀測，看到很多類似的地物之後，再用‘高分二號’衞星對該區域的地物進行觀測確認。”

其實，在整個高分專項中，不僅僅有這兩顆衞星。七顆高分系列衞星功能各有不同，而且可以做到相互配合。

據國防科工局局長、高分專項領導小組組長許達哲介紹，具有1米分辨率的雷達遙感衞星“高分三號”、高軌光學遙感衞星“高分四號”、高光譜衞星“高分五號”都在加緊研製，並將在明後兩年陸續發射。同時，“高分六號”、“高分七號”、平流層飛艇、航空觀測系統、地面系統和應用示範系統也將加緊建設，至2020年前，我國將建立起高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率的對地觀測體系。

高分辨率衞星又分為雷達衞星與光學衞星。光學衞星“高分二號”最大的敵人就是天氣。具有1米分辨率的“高分三號”雷達遙感衞星就是要在解決高分辨率的基礎上，克服“高分二號”的限制，做到全天候觀測，“它是雷達衞星，無論有云、有雨，不管是白天還是晚上，它都可以進行觀測，不受氣侯條件的影響。”王承文説。

“高分四號”衞星是高軌衞星，始終在中國經度赤道上空3.6萬米的高空對我們的國土進行觀測，更好地解決高時間分辨率的問題，而且其時間分辨率可達到分鐘級。

“‘高分五號’是具有納米級光譜分辨率、可對大氣成分進行綜合探測的高光譜遙感衞星。”王承文説：“光譜是什麼特性？有點像人的指紋，光譜分得越細，就可以把物質類型揭示得越徹底。”

對於之前“高分一號”衞星可以識別作物，王承文解釋稱，其靠的就是光譜，“不同植物的光譜特性是不一樣的，不僅僅可以識別出水稻、小麥、白菜、大豆，它的亞種通過高光譜也可以識別出來。”

“高分專項與之前的衞星一個最大的不同是管理方式上的變化。我們過去是‘私家車管理體系’，高分專項打造的是一個‘公交系統’。它首先就是要提高數據的使用效率，提高運行管理的效能，我們每一顆衞星都要確定它的主用户、一般用户。”王承文説。在這之後就是完善數據分發體系，由資源中心首先對近20個部委逐步分發，同時也對有條件的省份建立省一級數據中心，把數據儘可能以最快捷最高效的方式發放給大家。

高分專項還建立了國家級數據應用技術中心，把各個用户的需求集中起來，由高分專項統一組織，集中全國優勢力量攻克技術難關，形成成果共享，通過對於互聯網平台等新技術的嫁接來促進空間信息產業和應用信息產業相關企業的發展，為這些企業的發展和促進產業的形成創造友好的環境和優良的條件。