國土資源“守望者”遙感服務“及時雨”
——揭秘我國首個民用高分辨率光學業(yè)務星座

文/ 高一鳴

3月31日，由航天東方紅衛(wèi)星有限公司抓總研制的高分一號02、03、04星，以“一箭三星”的形式，由長征四號丙運載火箭成功發(fā)射。3顆星構(gòu)成了我國首個民用高分辨率光學業(yè)務星座，對我國國土資源調(diào)查、監(jiān)測等領(lǐng)域的遙感應用來說，具有里程碑的意義。

▲ 衛(wèi)星三維渲染圖

▲ 任務LOGO中，編隊飛行的三顆衛(wèi)星

太及時了！看中國資源，用中國衛(wèi)星

我國早已具備從太空俯瞰地球的能力。但長期以來，由于缺乏整體規(guī)劃，諸如國土資源調(diào)查、監(jiān)測、監(jiān)管和國土資源信息更新等工作，由于在較短時間內(nèi)需要較大體量的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，不得不依賴國外。

▲ 長征四號丙火箭發(fā)射高分一號3顆衛(wèi)星 馬驥 攝

黨的十八大以來，以習近平同志為核心的黨中央提出“加快生態(tài)文明建設(shè)，健全國土空間開發(fā)、資源節(jié)約集約利用、生態(tài)環(huán)境保護的體制機制”等改革要求和“一帶一路”倡議。在此背景下，我國開始進一步統(tǒng)籌和優(yōu)化陸地資源調(diào)查監(jiān)測衛(wèi)星的發(fā)展及應用，在《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015-2025年）》中明確，開展2米/8米光學衛(wèi)星（3 顆）工程項目建設(shè)，即以高分一號01星為基礎(chǔ)，研制高分一號02、03、04星。

“在遙感應用中，高分辨率與大寬幅，即‘看得清’與‘看得廣’是一對矛盾體。對于用戶來說，能在高分辨率、大寬幅與合理的成本間找到平衡點才是最適合的?！备叻忠惶柨傮w主任設(shè)計師王崇羽介紹。

5年前，我國成功發(fā)射了高分一號01星，該星的表現(xiàn)得到了國土資源領(lǐng)域用戶的高度認可。如今，高分一號02、03、04星已發(fā)射成功，可用于國土資源調(diào)查、監(jiān)測、監(jiān)管與應急等主體業(yè)務，還可服務于減災、環(huán)保、住建、交通、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋、測繪等行業(yè)，提供社會化應用，實現(xiàn)國土資源應用中1∶2.5萬～1∶5萬比例尺遙感數(shù)據(jù)國產(chǎn)化率達到90%以上的目標，減少重大行業(yè)和大用戶對國外數(shù)據(jù)的依賴，全面扭轉(zhuǎn)國內(nèi)遙感數(shù)據(jù)市場供需極不平衡的局面，降低國內(nèi)用戶使用同等級遙感數(shù)據(jù)的費用。

前不久，我國組建了自然資源部。在高分一號02、03、04星發(fā)射前夕，自然資源部副部長曹衛(wèi)星在發(fā)射場看望慰問試驗隊員時說：“新組建的自然資源部更需要高層次、高水平、立體化、多元化的衛(wèi)星遙感技術(shù)，來支撐技術(shù)體系的現(xiàn)代化和治理能力的現(xiàn)代化?！痹诮衲觊_展的我國第三次全國土地調(diào)查中，民用高分辨率光學業(yè)務星座就將提供高精度、業(yè)務化、海量光學衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，可謂“生逢其時”。

不僅看得更清、更準、更齊，而且看得更久、更快、更多

雖說與高分一號01星同根同源，但高分一號02、03、04星作為“業(yè)務星”，在性能上比“科研星”有了很大的提升。

在“看得清”上，高分一號02、03、04星有了很大提升。它們相機的量化位數(shù)從10比特提高到了12比特，輻射分辨率大幅提高。此外，12比特量化位數(shù)能夠有效改善圖像的動態(tài)范圍，圖像拉伸后可反映更多細節(jié)，圖像質(zhì)量也顯著提高。

▲ 國土資源部領(lǐng)導與試驗隊合影

在“看得準”上，高分一號02、03、04星的無控定位精度要求達到了30米，而實際運行時還會更高，遠優(yōu)于高分一號01星的定位精度。因而，相機拍攝更精準。

高分一號02、03、04星分別搭載了兩臺由508所研制的全色多光譜相機，共計6臺。當衛(wèi)星“編隊飛行”觀測同一區(qū)域時，能做到“看得齊”，即相機響應一致，看同一景物的大小、顏色、亮度一致。這6臺相機的響應一致性優(yōu)于3%，是國際同類衛(wèi)星星座中的佼佼者。

在衛(wèi)星發(fā)射前后，為獲取精確的星上遙感器輻射特性和輻射響應變化，需要對星上敏感器件進行輻射定標。簡單地說，就是取個標準景。我國低軌衛(wèi)星通常采用對地定標，即對地面實景定標，可一旦飄來一朵云，就會受到干擾。高分一號02、03、04星首次實現(xiàn)我國低軌光學星座對月定標，可有效修正相機的不均勻性，降低對地面校正系統(tǒng)的依賴，為用戶提供質(zhì)量更高的影像。

在成像效能即“看得久”“看得快”“看得多”上，新一批高分一號衛(wèi)星也很出色。

▲ 三顆衛(wèi)星并列在總裝車間 徐政勤 攝

首先，它們的設(shè)計壽命相比高分一號01星更長。當衛(wèi)星視場旁發(fā)生重大自然災害急需遙感圖像時，衛(wèi)星可以像人轉(zhuǎn)頭那樣，通過側(cè)擺，把目標區(qū)域納入自己的視線范圍。新一批高分一號衛(wèi)星側(cè)擺25度的機動時間比高分一號01星減少了1/4，響應更迅速。此外，它們每天工作的圈次和時長也有所增加，由高分一號01星的每天8圈成像提升到單星每天14圈均可成像，每天累計成像時間增加了1/4。

“而且這還是基于目前國內(nèi)數(shù)傳站的能力，”王崇羽介紹，“如果國內(nèi)數(shù)傳能力提高，成像時間還可以更長?！?/p>

▲ 衛(wèi)星狀態(tài)檢查 徐政勤 攝

星座運行模式靈活既能“編隊飛行”，又能“天各一方”

我國首個民用高分辨率光學業(yè)務星座的任務模式非常靈活，有什么樣的任務，星座可以變成相應“隊形”，調(diào)整相位間隔。

在“編隊飛行”中，3顆衛(wèi)星的相位基本一致，像3只大雁一樣飛臨上空，實現(xiàn)同一地區(qū)一致性成像測試。在該相位模式下，3顆星可采用立體成像模式實現(xiàn)立體成像，也可采用圖像拼接模式實現(xiàn)大幅寬成像，更好地滿足用戶使用要求。

要實現(xiàn)快速重訪成像，3顆衛(wèi)星就要均勻地分布在地球軌道上，像摩天輪的轎廂，每兩顆星間隔120度左右。此時，星座具備運行管理及天地協(xié)調(diào)統(tǒng)籌能力和區(qū)域連片無縫覆蓋能力，可實現(xiàn)15天全球覆蓋、2天重訪，長期、連續(xù)、穩(wěn)定、快速獲取全球2米全色、8米多光譜影像。此外，還可與高分一號01星共同構(gòu)建陸地資源調(diào)查監(jiān)測業(yè)務星座，將全球覆蓋周期縮短至11天、重訪周期縮短至1天。

由此可見，業(yè)務星座與單星相比優(yōu)勢巨大。而要讓3顆星的技術(shù)狀態(tài)如“三胞胎”般一致，實現(xiàn)批量研制與發(fā)射，則需衛(wèi)星及各個配套系統(tǒng)共同努力，嚴格把控質(zhì)量關(guān)。

為此，衛(wèi)星研制方航天東方紅衛(wèi)星有限公司設(shè)立了產(chǎn)品保證中心，針對每個型號都設(shè)立了專職產(chǎn)品保證經(jīng)理和產(chǎn)品保證助理，使質(zhì)量工作貫穿于科研生產(chǎn)始終。

“在整星研制中，我們從元器件、空間環(huán)境、工藝、材料、軟件等方面保證衛(wèi)星質(zhì)量受控，每一個方面都進行了相關(guān)試驗與把關(guān)，每一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)都進行了相關(guān)評審……”高分一號02、03、04星質(zhì)量管理負責人郝佳寧說，“總的來說，我們就是把質(zhì)量工作滲透到研制工作中的每一步，任何一步我們都有相關(guān)規(guī)定并嚴格執(zhí)行，還有監(jiān)督與復檢，并留有記錄?！?/p>

在大家的共同努力下，高分一號02、03、04星實現(xiàn)“一步正樣”，一致狀態(tài)，一箭三星，鍛煉出一支質(zhì)量意識強的隊伍，為今后同類衛(wèi)星星座建設(shè)積累了寶貴的經(jīng)驗。★