“高分一號”：4天看遍全球

尹懷勤

中國高分辨率對地觀測系統(tǒng)的首顆衛(wèi)星——“高分一號”于2013年12月30日正式投入使用，這標(biāo)志著我國對地觀測新時代的開啟。

“三高”衛(wèi)星

所謂高分辨率，主要體現(xiàn)在空間、時間和光譜分辨率3個方面。高分工程由天基觀測系統(tǒng)、臨近空間觀測系統(tǒng)、航空觀測系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)組成，以保障現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、防災(zāi)減災(zāi)、資源環(huán)境、國家安全等重大戰(zhàn)略需求，支撐國土調(diào)查與利用、地理測繪、海洋和氣候氣象觀測、水利和林業(yè)資源監(jiān)測、城市和交通精細(xì)化管理、疫情評估與公共衛(wèi)生應(yīng)急、地球系統(tǒng)科學(xué)研究等重點領(lǐng)域應(yīng)用需求。

其中，天基系統(tǒng)按照規(guī)劃將發(fā)射5～6顆觀測衛(wèi)星，目標(biāo)是建成高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率的對地觀測系統(tǒng)，并與其他觀測手段相結(jié)合，到2020年形成具有時空協(xié)調(diào)、全天時、全天候、全球范圍觀測能力的穩(wěn)定運(yùn)行系統(tǒng)。

“高分一號”衛(wèi)星是2013年4月26日發(fā)射升空的。相比其他光學(xué)遙感衛(wèi)星，“高分一號”突破了高空間分辨率、多光譜與寬覆蓋相結(jié)合的光學(xué)遙感等關(guān)鍵技術(shù)，在設(shè)計壽命上刷新了低軌衛(wèi)星平均3年的紀(jì)錄，達(dá)到5～8年?！案叻忠惶枴弊陨找詠?，截至2013年底，它已提供了2米/8米影像近25萬景，16米影像7.6萬景。以華北、華東地區(qū)霧霾問題為例，“高分一號”獲取了近500景觀測數(shù)據(jù)，為有效開展霧霾污染形成、發(fā)展、消散等基礎(chǔ)研究提供了信息保障。

“長壽”衛(wèi)星

“高分一號”衛(wèi)星是我國首顆設(shè)計、考核壽命要求大于5年的近地軌道衛(wèi)星。以前國內(nèi)低軌衛(wèi)星的設(shè)計壽命基本都是3年，只有2012年1月9日發(fā)射升空的“資源三號”衛(wèi)星的設(shè)計壽命是5年、考核壽命是4年。而“高分一號”設(shè)計壽命5年、考核壽命則是5～8年。

衛(wèi)星中的活動部件處于運(yùn)動狀態(tài)，終日磨損，一般會最先出現(xiàn)故障。衛(wèi)星活動部件主要有飛輪、陀螺、地球紅外敏感器等，其中又以陀螺最為關(guān)鍵。科研人員對此加以改進(jìn)，并通過衛(wèi)星上裝配陀螺，減小其摩擦，相應(yīng)地降低了損耗，有效地提高了整星壽命。

此外，“高分一號”將電池更換為鋰離子電池，在增加容量的同時，降低了重量；衛(wèi)星的太陽帆板采用三級砷化鎵，提高了利用太陽能的效率，在整個翼展面積不變的前提下，發(fā)電效率從原來的18%提高到28%。這兩項有效措施都為衛(wèi)星長壽命運(yùn)行提供了充足的能量。同時，衛(wèi)星設(shè)置了很多智能措施，以提高對自身問題的辨識能力和修復(fù)能力。

與運(yùn)行在地球靜止軌道上的天鏈系列中繼衛(wèi)星的牽手，也是“高分一號”延壽的秘方之一。由于“高分一號”更多的時間都是在境外上空飛行，地面測控站觀測不到，一旦遇到險情聯(lián)系不上，想要補(bǔ)救都來不及。而中繼衛(wèi)星則站得高、看得遠(yuǎn)，可以給“高分一號”提供來自空間的關(guān)照。同時，通過中繼衛(wèi)星報告的及時位置信息，在“高分一號”即將入境之前，地面可以對其實現(xiàn)臨時發(fā)送或修改遙控指令，提高衛(wèi)星工作計劃的靈活度，增強(qiáng)衛(wèi)星的使用效能，對于節(jié)省能量、延長壽命也大有裨益。我國先發(fā)射天鏈系列中繼衛(wèi)星，再發(fā)射高分衛(wèi)星，其用意之一也即在此。

4秒看遍全球

“高分一號”衛(wèi)星最突出的優(yōu)勢之一就在于實現(xiàn)了空間分辨率和時間分辨率的完美匹配。一般來說空間分辨率與時間分辨率是互相矛盾的，通常需要以犧牲一方來保證另一方的領(lǐng)先水平，而“高分一號”衛(wèi)星在這兩點上實現(xiàn)了一個最優(yōu)組合。

單就空間分辨率（即從遙感衛(wèi)星照片上辨別出的地面目標(biāo)的最小尺寸）這一因素來講，“高分一號”的高分辨率全色相機(jī)與目前國內(nèi)民用分辨率領(lǐng)先的2011年升空的“資源一號”02C星所用相機(jī)相近，基本可以達(dá)到2米級的空間分辨率指標(biāo)。但同時，“高分一號”又在其基礎(chǔ)之上增加了高分辨率多光譜成像能力，除了黑白照片，還能下傳具有紅黃藍(lán)綠四個譜段的彩色圖像。

而時間分辨率指的是重復(fù)觀察同一地物所需要的時間，如對同一區(qū)域，衛(wèi)星重訪一次需要幾天時間。當(dāng)然，在空間分辨率相當(dāng)?shù)那疤嵯?，重訪時間越短優(yōu)勢越明顯。目前，運(yùn)行在距離地面約800千米高的太陽同步軌道上的氣象衛(wèi)星的時間分辨率最高，周期僅為1天，但它觀測云層是行家，觀測地物就捉襟見肘了。而“高分一號”的4臺寬幅多光譜相機(jī)通過多角度拼接視場，可以實現(xiàn)較高分辨率的大視場成像。這樣一來，只需4天，運(yùn)行在近地軌道上的“高分一號”就能把地球完整地觀測一遍，獲得全球各地的圖像資料。

未來，高分工程將主要向3個方向發(fā)展：第一個方向是指，2014年將要發(fā)射的“高分二號”衛(wèi)星可具有米級分辨率的成像能力，能夠進(jìn)行道路監(jiān)測和道路規(guī)劃，城市建設(shè)用地規(guī)劃、調(diào)查和執(zhí)法；第二個方向是微波成像衛(wèi)星用雷達(dá)來進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)全天候的對地觀測，主要用于加強(qiáng)對海洋的監(jiān)測；第三個方向則是高光譜觀測衛(wèi)星，用于對地面礦產(chǎn)資源的監(jiān)測。

【責(zé)任編輯】龐 云