搜尋馬航失聯(lián)客機,人造衛(wèi)星為什么不夠給力

Lsquirrel

2014年3月8日凌晨，馬來西亞航空公司的MH370航班自吉隆坡起飛，飛往北京。MH370航班最后一次和地面主動聯(lián)系時，即將飛出吉隆坡空管區(qū)。但幾個小時后，越南胡志明市空管區(qū)和中國三亞空管區(qū)都沒有收到這架飛機的聯(lián)系信號和身影。一架巨大的波音777客機在東南亞上空詭異地失蹤了。根據(jù)最后一次聯(lián)系的位置判斷，MH370航班有可能在泰國灣一帶墜毀。

由于機上有多達154名中國公民，

中國對此極為關注。馬來西亞、越南等周邊國家進行搜救工作的同時，中國也派遣多艘艦艇和多架飛機進入泰國灣進行搜索。

針對此次搜救區(qū)域面積大的實際情況，西安衛(wèi)星測控中心也迅速啟動應急預案，對在軌運行的衛(wèi)星進行調(diào)整，緊急調(diào)動了“遙感”“高分”“海洋”和“風云”等4個系列的近10顆衛(wèi)星，為海上搜救工作提供技術支持。其中高分一號衛(wèi)星3月9日上午11時左右獲取的圖像中，在位于東經(jīng)105.63度，北緯6.7度為中心的20千米區(qū)域內(nèi)，觀測到3處疑似漂浮物體。雖然它們并非客機殘骸，但此舉顯示了中國航天的實力，也為搜救工作提供了有力的幫助。

中國航天緊急調(diào)集近10顆衛(wèi)星為MH370客機搜救提供情報保障，橫向?qū)Ρ仍谑澜缟蟽H次于美國，體現(xiàn)出中國航天，尤其是對地遙感領域的巨大進步。不過很多人對此也提出了疑問：中國的衛(wèi)星執(zhí)行搜救工作，對這些衛(wèi)星原有任務會造成什么樣的影響？緊急調(diào)動這些衛(wèi)星，是否意味著衛(wèi)星要進行機動變軌，以快速抵達MH370客機疑似失聯(lián)區(qū)域？如果需要變軌，對這些衛(wèi)星的后續(xù)任務和壽命又有怎么樣的影響？為什么科技如此發(fā)達，衛(wèi)星遍布天空的時代，客機失蹤幾天了還找不到？

遙感能力受限

要說明衛(wèi)星的能力，我們必須先解說一下遙感衛(wèi)星的操作和軌道。遙感衛(wèi)星攜帶巨大的相機對地觀測，但它并不是一路拍下來的，而是根據(jù)程序，在特定的時間拍照特定的區(qū)域。中國的高分一號衛(wèi)星2013年4月26日發(fā)射成功，但到12月底只拍攝了2米/8米影像247731景——也就是說，它在絕大多數(shù)時候并沒有對地成像。這種狀況一方面是由于任務能力的限制，另一方面也受到存儲和傳輸能力的限制。

在中國衛(wèi)星還沒有使用操作系統(tǒng)的時代，只能按照程序控制方式寫指令。具體來說，就是地面上的技術人員，根據(jù)衛(wèi)星狀態(tài)和任務需求，設計好衛(wèi)星的每一步動作。隨著我國軌道任務復雜性日益提高，這種簡單的衛(wèi)星任務控制方式難以為繼。2006年，我國第一代星載計算機操作系統(tǒng)SpaceOS1投入使用，為提高任務靈活性提供了較好的基礎。西安衛(wèi)星測控中心調(diào)動的遙感、高分、海洋和風云等衛(wèi)星，都應用了SpaceOS1星載操作系統(tǒng)。不過SpaceOS1只做到了資源管理和任務調(diào)度，而且只能同時管理5個任務，能提供的任務靈活性還比較簡單。

高分一號衛(wèi)星可以提供2米分辨率的全色/黑白圖像，圖像幅寬可達60千米，單幅圖像的體積就相當大。衛(wèi)星上的存儲設備容量是有限的，無法存儲太多圖像，必須及時下傳到地面站騰出空間。如果是遙感系列的軍用衛(wèi)星，較晚發(fā)射的遙感衛(wèi)星裝有和天鏈數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)通信的高增益天線，可以邊拍邊回傳圖像數(shù)據(jù)，星載存儲設備容量還不至于成為太大的瓶頸，但高分、海洋等民用衛(wèi)星沒有通過天鏈數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)回傳數(shù)據(jù)的能力，其中很多連通過天鏈進行指令中繼的能力都沒有。

換句話說，這些衛(wèi)星需要在經(jīng)過我國上空時，通過地面站上行注入指令，下傳拍攝的圖像數(shù)據(jù)。2013年4月28日中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所密云站6分鐘內(nèi)接收了高分一號衛(wèi)星32.5GB的圖像數(shù)據(jù)，這是高分一號首次下傳圖像數(shù)據(jù)，雖然傳輸帶寬比較高，但也說明了高分一號衛(wèi)星無法通過天鏈回傳拍攝的圖像數(shù)據(jù)。這樣的話，高分一號的任務規(guī)劃和執(zhí)行受到的限制就很大了。

以高分一號為例，西安測控中心緊急調(diào)動衛(wèi)星用于馬航370航班的搜救后，必然要根據(jù)新的任務要求重新規(guī)劃工作計劃，通過天鏈衛(wèi)星或是我國境內(nèi)的地面測控站上傳新的任務指令，增加對搜救海域的成像任務，甚至是清空衛(wèi)星原有任務的指令，以及時對搜救海域成像。由于衛(wèi)星程序或操作系統(tǒng)能執(zhí)行的任務數(shù)量和星載存儲設備的容量都受到限制，一般來說，臨時增加新成像任務，肯定會打亂原有正常任務的執(zhí)行。如果是清空原有任務指令，對原有任務的影響就更大了。

變軌不靠譜

說到這次搜救中緊急調(diào)動衛(wèi)星，很多人條件反射地想到了衛(wèi)星變軌，那么此次搜救是否進行了衛(wèi)星變軌呢？西安衛(wèi)星測控中心沒有給出確切的答案，但根據(jù)衛(wèi)星軌道和運用的知識，我們可以大膽推斷一下。

高分一號衛(wèi)星使用了中國空間技術研究院的CAST-2000小衛(wèi)星平臺。根據(jù)中國空間技術研究院網(wǎng)站提供的信息：CAST-2000小衛(wèi)星平臺平臺質(zhì)量200到400千克，有效載荷能力300到600千克。通俗來說，就是包括衛(wèi)星燃料質(zhì)量在內(nèi)的平臺本身最多只有400千克，而包括相機在內(nèi)的載荷質(zhì)量可達300千克以上。即使高分一號衛(wèi)星為機動變軌攜帶了高達200千克的燃料（事實上這是不可能的），假設發(fā)動機比沖315秒，根據(jù)齊奧爾科夫斯基公式，這些燃料全部耗盡也僅能提供不到1040米/秒的速度變量。這個機動能力看似乎不少，但要用于靈活機動變軌還遠遠不夠。

參考改變傾角的軌道機動的公式：

ΔV=2Vsin—

其中，ΔV為機動需要的速度變量，V為衛(wèi)星的軌道速度，θ為改變的軌道傾角。

高分一號衛(wèi)星運行在距離地面650千米高度的圓軌道上，軌道速度約為7535米/秒，如果軌道傾角改變30度的話，需要的ΔV約為3900米/秒，即使是傾角改變10度，都需要約1300米/秒

的ΔV。通過改變軌道傾角讓衛(wèi)星更快地訪問搜救區(qū)海域，并不是一個好主意。

如果傾角不變，同時旋轉(zhuǎn)軌道平面，雖然也可能更快地訪問搜救區(qū)海域，但所需的ΔV同樣很大。如衛(wèi)星軌道傾角為90度，軌道平面旋轉(zhuǎn)45度時需要的ΔV約為5800米/秒，看來這條路也不好走。

那么，改變軌道高度呢？改變衛(wèi)星軌道高度所需的ΔV小得多，不過高度變化不大時，軌道周期變化也不大，對比衛(wèi)星不變軌，所能縮短的首次訪問時間并不長。而且一般來說，遙感衛(wèi)星的軌道高度是與相機等載荷的參數(shù)相匹配的，升軌降軌會帶來更多的麻煩，同樣是代價過于高昂甚至無法實現(xiàn)的做法。

遙感衛(wèi)星一般運行在500千米以上高度的軌道，大氣阻力已經(jīng)不再是最主要的影響因素，軌道維持所需的速度變量很小，因此遙感衛(wèi)星上的燃料是相當有限的。遙感衛(wèi)星保留基本軌道維持所需的燃料后，剩余燃料變軌的能力很小，不論“海洋”“高分”“風云”等民用衛(wèi)星，還是“遙感”系列軍用衛(wèi)星，都無法像很多人想象的那樣做出迅捷猛烈地軌道調(diào)整。

就算這些衛(wèi)星竭盡所能進行了軌道機動，且不說變軌量很小能否應急，單是軌道參數(shù)改變后需要重新設計對地成像的方案，代價就太大了。從這些常識判斷，我國緊急調(diào)用的近10顆衛(wèi)星，變軌提供應急訪問的可能性不說沒有，也是微乎其微的。

側(cè)擺來應急

遙感衛(wèi)星一般運行在距離地面幾百千米的太陽同步軌道，軌道周期約90分鐘或是更長，每一圈星下點經(jīng)過赤道時，都偏西約2500千米。遙感衛(wèi)星要保證分辨率，相機幅寬只有幾十千米。比如高分一號衛(wèi)星的2米全色高分辨率相機，幅寬就是60千米。即使是高分一號特意設計的超高幅寬16米分辨率相機，幅寬也只有800千米。遙感衛(wèi)星要重復經(jīng)過某個區(qū)域上空，所需要的時間都是很長的，如中巴資源衛(wèi)星02B就長達104天。

如果調(diào)動的衛(wèi)星只是等待飛過搜救海域上空拍照的話，西安衛(wèi)星測控中心說的緊急調(diào)動和支援豈不是貪天之功？這倒不至于。雖然通過變軌實現(xiàn)快速訪問的做法并不可行，但遙感衛(wèi)星為了實現(xiàn)對熱點區(qū)域的快速訪問和重訪，已經(jīng)發(fā)展出一些行之有效的方案，其中最關鍵的就是衛(wèi)星側(cè)擺機動。

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雖然精心設計衛(wèi)星軌道，星下點重復經(jīng)過某個區(qū)域的時間也很長，但通過衛(wèi)星姿態(tài)的擺動帶動相機指向的變化，可以對星下點以外的區(qū)域進行成像。衛(wèi)星姿態(tài)擺動一般是使用動量輪來控制的，不需要消耗衛(wèi)星燃料。很多衛(wèi)星都可以做到30度、45度甚至更高角度的側(cè)擺角。高分一號衛(wèi)星可以做到正負35度的側(cè)擺角，以實現(xiàn)對熱點區(qū)域的快速訪問。以650千米高度、側(cè)擺角35度計算，理論上衛(wèi)星就可以拍攝星下點軌跡左右最遠約450千米的區(qū)域。

遙感衛(wèi)星應用了側(cè)擺等技術后，重復拍攝訪問熱點區(qū)域的重訪周期就大大縮短了。如高分一號衛(wèi)星重訪周期就只有4天，而美國先進的WorldView-1衛(wèi)星對北緯40度地區(qū)的重訪周期，更是縮短到1.7天/1米分辨率。

我國調(diào)整遙感衛(wèi)星的測控計劃，緊急調(diào)動近10顆衛(wèi)星為搜救提供技術支持，除了部分軌道正好經(jīng)過搜救區(qū)域的衛(wèi)星外，其他衛(wèi)星只能通過側(cè)擺機動來實現(xiàn)快速訪問。但側(cè)擺機動只是縮短了重訪周期，而不是實時訪問。這應該就是3月8日MH370航班失去聯(lián)系，但高分一號直到9日上午11時左右才對這片搜救海域拍攝獲取圖像的根本原因。

衛(wèi)星并非萬能

MH370客機失去聯(lián)系后，很多人都很困惑，今天的科技已經(jīng)如此發(fā)達了，怎么一架如此巨大的客機還會失蹤呢？為什么那些分辨率2米、1米甚至更高的衛(wèi)星，會找不到失聯(lián)的波音777客機的線索？

其實，這同樣與我們對衛(wèi)星能力的夸張想象有關。目前遙感衛(wèi)星，無論是光學星還是雷達星，都無法穿透幾十米海水搜尋海底的信息。如果客機已經(jīng)沉沙海底了，無論遙感衛(wèi)星性能多好都無能為力。只有客機殘骸浮在水面上時，遙感衛(wèi)星才有可能提供一些幫助。但這種情況下，遙感衛(wèi)星的搜索效果仍然相當有限。

上文提到了衛(wèi)星的重訪周期，這個限制意味著遙感衛(wèi)星的情報時效性不強，無法及時提供第一手信息。另一方面，客機如果解體，殘骸肯定不大，需要高分辨率的圖像才能進行識別。美國的Terra衛(wèi)星雖然搶先發(fā)布了3月9日中午11時35分拍攝的相關海域衛(wèi)星圖像，但Terra衛(wèi)星上的中分辨率成像光譜儀（MODIS）分辨率只有250米。這個分辨率用于研究大陸海洋的動態(tài)變化是足夠的，對尋找失聯(lián)客機可以說毫無幫助。馬航失去聯(lián)系的這架波音777-200客機全長只有63.7米，翼展也不過是60多米。即使客機完整地落到海面上，也無法從Terra衛(wèi)星的照片將其分辨出來，除非客機油料泄漏形成巨大的航油帶，這張250米分辨率的照片才可能為搜救提供一些幫助。

一般來說，遙感衛(wèi)星的分辨率越高，幅寬就越小。美軍光學偵察衛(wèi)星被稱為“鎖眼”，正是取鎖眼看世界之意。衛(wèi)星側(cè)擺只能縮短對熱點區(qū)域的重訪周期，而MH370航班疑似海域約有10萬平方千米，要獲取高分辨率圖像遍訪這片海域需要很多次重訪，即使我國調(diào)動近10顆衛(wèi)星，美國、日本、印度等國家也調(diào)動各自的遙感衛(wèi)星進行觀測，要完整獲取這片海域的高分辨率圖像，仍然需要很長的時間。

更糟糕的是，馬來西亞方面的消息反復變化，到底失聯(lián)客機在哪里徹底失去消息，最后飛向何方，甚至失聯(lián)后又飛行了多久，都仍是未知數(shù)。泰國灣的疑似海域不過是根據(jù)早期信息判斷的最有可能的落海地點。目前各國遙感衛(wèi)星提供的圖像，沒有為尋找搜救失聯(lián)客機提供可靠的信息，也就不足為奇了。（來源：果殼網(wǎng)）

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雖然精心設計衛(wèi)星軌道，星下點重復經(jīng)過某個區(qū)域的時間也很長，但通過衛(wèi)星姿態(tài)的擺動帶動相機指向的變化，可以對星下點以外的區(qū)域進行成像。衛(wèi)星姿態(tài)擺動一般是使用動量輪來控制的，不需要消耗衛(wèi)星燃料。很多衛(wèi)星都可以做到30度、45度甚至更高角度的側(cè)擺角。高分一號衛(wèi)星可以做到正負35度的側(cè)擺角，以實現(xiàn)對熱點區(qū)域的快速訪問。以650千米高度、側(cè)擺角35度計算，理論上衛(wèi)星就可以拍攝星下點軌跡左右最遠約450千米的區(qū)域。

遙感衛(wèi)星應用了側(cè)擺等技術后，重復拍攝訪問熱點區(qū)域的重訪周期就大大縮短了。如高分一號衛(wèi)星重訪周期就只有4天，而美國先進的WorldView-1衛(wèi)星對北緯40度地區(qū)的重訪周期，更是縮短到1.7天/1米分辨率。

我國調(diào)整遙感衛(wèi)星的測控計劃，緊急調(diào)動近10顆衛(wèi)星為搜救提供技術支持，除了部分軌道正好經(jīng)過搜救區(qū)域的衛(wèi)星外，其他衛(wèi)星只能通過側(cè)擺機動來實現(xiàn)快速訪問。但側(cè)擺機動只是縮短了重訪周期，而不是實時訪問。這應該就是3月8日MH370航班失去聯(lián)系，但高分一號直到9日上午11時左右才對這片搜救海域拍攝獲取圖像的根本原因。

衛(wèi)星并非萬能

MH370客機失去聯(lián)系后，很多人都很困惑，今天的科技已經(jīng)如此發(fā)達了，怎么一架如此巨大的客機還會失蹤呢？為什么那些分辨率2米、1米甚至更高的衛(wèi)星，會找不到失聯(lián)的波音777客機的線索？

其實，這同樣與我們對衛(wèi)星能力的夸張想象有關。目前遙感衛(wèi)星，無論是光學星還是雷達星，都無法穿透幾十米海水搜尋海底的信息。如果客機已經(jīng)沉沙海底了，無論遙感衛(wèi)星性能多好都無能為力。只有客機殘骸浮在水面上時，遙感衛(wèi)星才有可能提供一些幫助。但這種情況下，遙感衛(wèi)星的搜索效果仍然相當有限。

上文提到了衛(wèi)星的重訪周期，這個限制意味著遙感衛(wèi)星的情報時效性不強，無法及時提供第一手信息。另一方面，客機如果解體，殘骸肯定不大，需要高分辨率的圖像才能進行識別。美國的Terra衛(wèi)星雖然搶先發(fā)布了3月9日中午11時35分拍攝的相關海域衛(wèi)星圖像，但Terra衛(wèi)星上的中分辨率成像光譜儀（MODIS）分辨率只有250米。這個分辨率用于研究大陸海洋的動態(tài)變化是足夠的，對尋找失聯(lián)客機可以說毫無幫助。馬航失去聯(lián)系的這架波音777-200客機全長只有63.7米，翼展也不過是60多米。即使客機完整地落到海面上，也無法從Terra衛(wèi)星的照片將其分辨出來，除非客機油料泄漏形成巨大的航油帶，這張250米分辨率的照片才可能為搜救提供一些幫助。

一般來說，遙感衛(wèi)星的分辨率越高，幅寬就越小。美軍光學偵察衛(wèi)星被稱為“鎖眼”，正是取鎖眼看世界之意。衛(wèi)星側(cè)擺只能縮短對熱點區(qū)域的重訪周期，而MH370航班疑似海域約有10萬平方千米，要獲取高分辨率圖像遍訪這片海域需要很多次重訪，即使我國調(diào)動近10顆衛(wèi)星，美國、日本、印度等國家也調(diào)動各自的遙感衛(wèi)星進行觀測，要完整獲取這片海域的高分辨率圖像，仍然需要很長的時間。

更糟糕的是，馬來西亞方面的消息反復變化，到底失聯(lián)客機在哪里徹底失去消息，最后飛向何方，甚至失聯(lián)后又飛行了多久，都仍是未知數(shù)。泰國灣的疑似海域不過是根據(jù)早期信息判斷的最有可能的落海地點。目前各國遙感衛(wèi)星提供的圖像，沒有為尋找搜救失聯(lián)客機提供可靠的信息，也就不足為奇了。（來源：果殼網(wǎng)）

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雖然精心設計衛(wèi)星軌道，星下點重復經(jīng)過某個區(qū)域的時間也很長，但通過衛(wèi)星姿態(tài)的擺動帶動相機指向的變化，可以對星下點以外的區(qū)域進行成像。衛(wèi)星姿態(tài)擺動一般是使用動量輪來控制的，不需要消耗衛(wèi)星燃料。很多衛(wèi)星都可以做到30度、45度甚至更高角度的側(cè)擺角。高分一號衛(wèi)星可以做到正負35度的側(cè)擺角，以實現(xiàn)對熱點區(qū)域的快速訪問。以650千米高度、側(cè)擺角35度計算，理論上衛(wèi)星就可以拍攝星下點軌跡左右最遠約450千米的區(qū)域。

遙感衛(wèi)星應用了側(cè)擺等技術后，重復拍攝訪問熱點區(qū)域的重訪周期就大大縮短了。如高分一號衛(wèi)星重訪周期就只有4天，而美國先進的WorldView-1衛(wèi)星對北緯40度地區(qū)的重訪周期，更是縮短到1.7天/1米分辨率。

我國調(diào)整遙感衛(wèi)星的測控計劃，緊急調(diào)動近10顆衛(wèi)星為搜救提供技術支持，除了部分軌道正好經(jīng)過搜救區(qū)域的衛(wèi)星外，其他衛(wèi)星只能通過側(cè)擺機動來實現(xiàn)快速訪問。但側(cè)擺機動只是縮短了重訪周期，而不是實時訪問。這應該就是3月8日MH370航班失去聯(lián)系，但高分一號直到9日上午11時左右才對這片搜救海域拍攝獲取圖像的根本原因。

衛(wèi)星并非萬能

MH370客機失去聯(lián)系后，很多人都很困惑，今天的科技已經(jīng)如此發(fā)達了，怎么一架如此巨大的客機還會失蹤呢？為什么那些分辨率2米、1米甚至更高的衛(wèi)星，會找不到失聯(lián)的波音777客機的線索？

其實，這同樣與我們對衛(wèi)星能力的夸張想象有關。目前遙感衛(wèi)星，無論是光學星還是雷達星，都無法穿透幾十米海水搜尋海底的信息。如果客機已經(jīng)沉沙海底了，無論遙感衛(wèi)星性能多好都無能為力。只有客機殘骸浮在水面上時，遙感衛(wèi)星才有可能提供一些幫助。但這種情況下，遙感衛(wèi)星的搜索效果仍然相當有限。

上文提到了衛(wèi)星的重訪周期，這個限制意味著遙感衛(wèi)星的情報時效性不強，無法及時提供第一手信息。另一方面，客機如果解體，殘骸肯定不大，需要高分辨率的圖像才能進行識別。美國的Terra衛(wèi)星雖然搶先發(fā)布了3月9日中午11時35分拍攝的相關海域衛(wèi)星圖像，但Terra衛(wèi)星上的中分辨率成像光譜儀（MODIS）分辨率只有250米。這個分辨率用于研究大陸海洋的動態(tài)變化是足夠的，對尋找失聯(lián)客機可以說毫無幫助。馬航失去聯(lián)系的這架波音777-200客機全長只有63.7米，翼展也不過是60多米。即使客機完整地落到海面上，也無法從Terra衛(wèi)星的照片將其分辨出來，除非客機油料泄漏形成巨大的航油帶，這張250米分辨率的照片才可能為搜救提供一些幫助。

一般來說，遙感衛(wèi)星的分辨率越高，幅寬就越小。美軍光學偵察衛(wèi)星被稱為“鎖眼”，正是取鎖眼看世界之意。衛(wèi)星側(cè)擺只能縮短對熱點區(qū)域的重訪周期，而MH370航班疑似海域約有10萬平方千米，要獲取高分辨率圖像遍訪這片海域需要很多次重訪，即使我國調(diào)動近10顆衛(wèi)星，美國、日本、印度等國家也調(diào)動各自的遙感衛(wèi)星進行觀測，要完整獲取這片海域的高分辨率圖像，仍然需要很長的時間。

更糟糕的是，馬來西亞方面的消息反復變化，到底失聯(lián)客機在哪里徹底失去消息，最后飛向何方，甚至失聯(lián)后又飛行了多久，都仍是未知數(shù)。泰國灣的疑似海域不過是根據(jù)早期信息判斷的最有可能的落海地點。目前各國遙感衛(wèi)星提供的圖像，沒有為尋找搜救失聯(lián)客機提供可靠的信息，也就不足為奇了。（來源：果殼網(wǎng)）

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