高分系列衛(wèi)星：太空中的中國“慧眼”

文/楊詩瑞

▲ 高分七號衛(wèi)星大興機(jī)場彩色融合圖

隨著認(rèn)識地球、研究地球的深入，人類逐漸將視點(diǎn)從地面、低空擴(kuò)展到太空，對地球的觀測也越來越對連續(xù)性、快速性、精確性等提出了更高要求。高分辨率對地觀測衛(wèi)星能夠更全面、更清楚、更深刻地了解地球及其周圍環(huán)境，成為人類在太空安裝的高效“監(jiān)控眼”。

近年來，高分辨率對地觀測衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量已占遙感衛(wèi)星發(fā)射總數(shù)的約41%，而且其有效占比有繼續(xù)增加的趨勢。單從這一點(diǎn)，人類對地觀測已經(jīng)進(jìn)入高分衛(wèi)星時代。

我國于2013 年發(fā)射第一顆高分辨率對地觀測衛(wèi)星“高分一號”，2020年12 月6 日，用長征三號乙運(yùn)載火箭成功將高分十四號衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。隨著高分專項的發(fā)展，高分?jǐn)?shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于各行業(yè)、各地區(qū)，為國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展等提供了有力的空間信息支持。

高分系列：遙感衛(wèi)星中的“火眼金睛”

高分系列衛(wèi)星均屬遙感衛(wèi)星。遙感是以攝影方式或非攝影方式獲得被探測目標(biāo)的圖像或數(shù)據(jù)的技術(shù)。遙感技術(shù)遠(yuǎn)離目標(biāo)，通過非直接接觸判定、測量并分析目標(biāo)性質(zhì)，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，得到了極大關(guān)注和高速發(fā)展。

自萊特兄弟在飛機(jī)上拍下第一張航空相片，航空遙感時代隨之到來，并首先應(yīng)用于軍事中。此后，航空遙感在地質(zhì)、工程建設(shè)、地圖制圖、農(nóng)業(yè)土地調(diào)查等方面得到廣泛應(yīng)用。二戰(zhàn)中，由于偽裝技術(shù)不斷提高，軍事遙感發(fā)展出彩色、紅外和光譜帶照像等技術(shù)。20世紀(jì)60 年代，多光譜攝影技術(shù)發(fā)展，多光譜特征可用于地形、地物判別，逐漸成為航空遙感的重要方向。

衛(wèi)星進(jìn)入太空后，遙感技術(shù)也迅速應(yīng)用到衛(wèi)星中。1972 年第一顆地球資源衛(wèi)星發(fā)射升空，之后美國、法國、俄羅斯、歐空局、日本、印度、中國等相繼發(fā)射眾多對地觀測衛(wèi)星，衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用到科學(xué)試驗、國土資源普查、農(nóng)作物估產(chǎn)和防災(zāi)減災(zāi)等多個領(lǐng)域，在國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。

1975 年，中國首次發(fā)射返回式遙感衛(wèi)星。之后，中國發(fā)射了風(fēng)云氣象衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星、資源衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星、實踐科學(xué)探測衛(wèi)星和遙感系列衛(wèi)星，開展氣象觀測、環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測、國土資源調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測、海洋觀測科學(xué)實驗、地表覆蓋和自然現(xiàn)象觀測，初步形成了氣象、海洋、資源、環(huán)境與減災(zāi)四大民用系列的天基對地觀測體系，保障了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、防災(zāi)減災(zāi)、資源調(diào)查、環(huán)境保護(hù)和國家安全的重大戰(zhàn)略需求。

發(fā)展到今天，衛(wèi)星遙感把人類帶入一個多層、立體、多角度、全方位和全天候?qū)Φ赜^測的新時代。由各種高、中、低軌道相結(jié)合，大、中、小衛(wèi)星相協(xié)同，高、中、低分辨率相彌補(bǔ)而組成的全球?qū)Φ赜^測系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確有效、快速及時地提供多種空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率的對地觀測數(shù)據(jù)。

高分系列衛(wèi)星的在軌服役，全面提升了我國自主獲取高分辨率觀測數(shù)據(jù)的能力。國土資源部每年約有1.9×107平方千米的“高分”衛(wèi)星觀測需求，以往幾乎全部依靠國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)，獲取難度大、成本高。而隨著高分衛(wèi)星不斷升空，“高分?jǐn)?shù)據(jù)”逐步替代了近80%的同等分辨率的國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)，有力支持了國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會發(fā)展和國家安全保障。

高分兄弟，各有千秋

我國在發(fā)展高分辨率對地觀測衛(wèi)星方面起步較晚，但遙感技術(shù)較高的起點(diǎn)使我國在技術(shù)上掌握了主動權(quán)。如今，高分兄弟各個身手不凡，互有千秋。

▲ 高分二號衛(wèi)星拍攝的火焰山

其中，“高分一號”高分寬幅，實現(xiàn)了中分辨率與大幅寬相結(jié)合的觀測能力；“高分二號”亞米全色，標(biāo)志著我國民用遙感衛(wèi)星正式跨入亞米級分辨率時代；“高分三號”是我國首顆1米分辨率C 頻段多極化合成孔徑雷達(dá)成像衛(wèi)星；“高分四號”同步凝視，是世界首顆地球同步軌道高分辨率成像遙感衛(wèi)星；“高分五號”實現(xiàn)高光譜分辨率對地觀測能力；“高分六號”與“高分一號”一脈相承，也是我國第一顆設(shè)置紅邊譜段的多光譜遙感衛(wèi)星。

作為高分辨率對地觀測系統(tǒng)的首發(fā)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)，分辨率達(dá)到2 米，一眼覆蓋800 千米，4 天可看遍地球，分辨率和幅寬綜合指標(biāo)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

自發(fā)射起，“高分一號”運(yùn)行穩(wěn)定，各譜段圖像清晰，圖像色彩逼真豐富，向國土資源系統(tǒng)、地質(zhì)行業(yè)及科研院所等100 多家單位和機(jī)構(gòu)提供了大量遙感圖像數(shù)據(jù)，成為各用戶和遙感領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的衛(wèi)星之一，被譽(yù)為“看得廣、看得快、看得準(zhǔn)、看得清、應(yīng)急效果好”的衛(wèi)星。

2014 年8 月，“高分二號”成功發(fā)射入軌?！案叻侄枴笔瞧裎覈臻g分辨率最高的民用遙感衛(wèi)星，空間分辨率優(yōu)于1 米，幅寬大于45 千米?！案叻侄枴狈€(wěn)定運(yùn)行超過3 年，獲取的影像數(shù)據(jù)廣泛服務(wù)于18 個國家部委和28個省市地方行業(yè)，及國防軍事與商業(yè)市場等領(lǐng)域；月分發(fā)20 余萬景超過1.1億平方千米影像，已成為亞米級高分辨率影像主力數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)市場占有率達(dá)80%，徹底改變了我國高分辨率對地觀測數(shù)據(jù)主要依賴進(jìn)口的局面，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)、軍事和社會效益。

2016 年8 月，“高分三號”發(fā)射升空?！案叻秩枴笔俏覈最w1 米分辨率C頻段合成孔徑雷達(dá)成像衛(wèi)星，分辨率達(dá)到1 米，打破了我國民用天基高分辨率合成孔徑雷達(dá)圖像全進(jìn)口的現(xiàn)狀?！案叻秩枴辈捎枚鄻O化的設(shè)計，具有12 種工作模式，帶有主動探測載荷，通過發(fā)射微波信號并接收地面反射的回波信號進(jìn)行探測，不受光照、云層和天氣的約束與影響。它提供的可靠、穩(wěn)定的高分辨率微波圖像數(shù)據(jù)，廣泛服務(wù)于我國海洋、減災(zāi)、水利及氣象等多個行業(yè)及業(yè)務(wù)部門。

高分一號、二號衛(wèi)星運(yùn)行于近地軌道，空間分辨率高，但對固定區(qū)域重訪所需周期較長，時間分辨率較低。高軌遙感衛(wèi)星可彌補(bǔ)低軌遙感衛(wèi)星的不足，兩者結(jié)合使用能發(fā)揮出更大效益。在這種需求下，2015 年12 月，“高分四號”升空，運(yùn)行于地球同步軌道，成為觀測地球的最高“太空眼”。

▲ 高分衛(wèi)星應(yīng)用圖

“高分四號”可見光譜段分辨率50 米，中波紅外譜段分辨率400 米，為我國減災(zāi)、林業(yè)、地震、氣象等應(yīng)用提供快速、可靠、穩(wěn)定的光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，為災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警預(yù)報、林火災(zāi)害監(jiān)測、地震構(gòu)造信息提取、氣象天氣監(jiān)測等業(yè)務(wù)補(bǔ)充了全新的技術(shù)手段，開辟了我國地球同步軌道高分辨率對地觀測的新領(lǐng)域。

2018年，“高分五號”和“高分六號”先后發(fā)射升空?！案叻治逄枴笔鞘澜缡最w實現(xiàn)對大氣和陸地綜合觀測的全譜段高光譜衛(wèi)星，可實現(xiàn)紫外至長波紅外譜段的高光譜觀測，探測手段豐富，工作模式多達(dá)26 種，定標(biāo)精度亦為國內(nèi)衛(wèi)星之最。

高分五號衛(wèi)星填補(bǔ)了國產(chǎn)衛(wèi)星無法有效探測區(qū)域大氣污染氣體的空白，通過對大氣污染氣體、溫室氣體、氣溶膠等物理要素的監(jiān)測，動態(tài)反映我國大氣污染狀況。同時，高分五號衛(wèi)星還可對內(nèi)陸水體、陸表生態(tài)環(huán)境、蝕變礦物、巖礦類別進(jìn)行探測，為我國環(huán)境監(jiān)測、資源勘查、防災(zāi)減災(zāi)等行業(yè)，提供高質(zhì)量、高可靠的高光譜數(shù)據(jù)。

高分六號衛(wèi)星則是真正意義上的中國農(nóng)業(yè)一號星。其圖像數(shù)據(jù)主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)和減災(zāi)等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，兼顧環(huán)保、國安和住建等應(yīng)用需求，圖像數(shù)據(jù)將作為國家宏觀決策的有力依據(jù)，成為基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性資源。

2019 年發(fā)射成功的高分七號衛(wèi)星是光學(xué)立體測繪衛(wèi)星，將在高分辨率立體測繪圖像數(shù)據(jù)獲取、高分辨率立體測圖、城鄉(xiāng)建設(shè)高精度衛(wèi)星遙感和遙感統(tǒng)計調(diào)查等領(lǐng)域取得突破。

高分八號到十四號衛(wèi)星是高分辨率對地觀測系統(tǒng)國家科技重大專項安排的光學(xué)遙感衛(wèi)星，主要應(yīng)用于國土普查、城市規(guī)劃、土地確權(quán)、路網(wǎng)設(shè)計、農(nóng)作物估產(chǎn)和防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域，可為“一帶一路”建設(shè)等提供信息保障。

“高分家族”的衛(wèi)星，與我國其他遙感衛(wèi)星緊密結(jié)合，基本實現(xiàn)了高低軌搭配、光學(xué)和SAR 結(jié)合、詳查和普查并行的“天網(wǎng)”布局，初步建成了高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率的自主可控對地觀測“天眼”工程。

▲ 高分一號衛(wèi)星拍攝的阿爾山

▲ 高分六號衛(wèi)星羅布泊寬幅影像

身配金剛鉆，敢攬瓷器活

高分系列衛(wèi)星各個本領(lǐng)高強(qiáng)，這得益于我國科研人員為它們設(shè)計研制的強(qiáng)大載荷。

“高分一號”身上裝載2 臺全色多光譜高分辨率相機(jī)和4 臺中分辨率寬幅相機(jī)及配套的高速數(shù)傳系統(tǒng)，單星上同時實現(xiàn)高分辨率與大幅寬的結(jié)合，2米高分辨率成像幅寬大于60 千米，16米分辨率成像幅寬大于800 千米，可適應(yīng)多種空間分辨率、多種光譜分辨率、多源遙感數(shù)據(jù)綜合需求，滿足不同應(yīng)用要求。“高分一號”具備靈活的多任務(wù)工作模式，包括實時成像傳輸模式、成像記錄模式、邊記邊回放模式、任意時刻回放模式及任意相機(jī)組合成像能力。

高分二號衛(wèi)星配置2 臺相同的分辨率為1 米全色/4 米多光譜組合而成的相機(jī)，采用長焦距、大F 數(shù)、輕小型化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，焦距達(dá)到7.8 米，F(xiàn) 數(shù)15，均為我國在軌遙感衛(wèi)星中最大；采用全色和多光譜五譜合一的TDI CCD 器件，以推掃的方式實現(xiàn)對地面景物成像?！案叻侄枴蓖黄苼喢准壐叻直媛蚀蠓鶎挸上瘛㈤L焦距大F 數(shù)輕小型相機(jī)設(shè)計、高穩(wěn)定度快速姿態(tài)側(cè)擺機(jī)動、圖像高精度定位、低軌道遙感衛(wèi)星長壽命高可靠設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，大幅提升我國遙感衛(wèi)星觀測效能。

“高分三號”是目前高分家族中唯一的民用微波遙感成像衛(wèi)星，也是我國首顆分辨率達(dá)到1 米的C 頻段、多極化高分辨率SAR 衛(wèi)星?！案叻秩枴痹O(shè)計了聚束、方位多波束、條帶、掃描、四極化、波等12 種工作模式，能獲取分辨率1～500 米、觀測幅寬10～650千米的C 頻段多極化SAR 圖像，可極大地擴(kuò)展衛(wèi)星的觀測能力和應(yīng)用能力。“高分三號”全天候、全天時實現(xiàn)對全球海洋和陸地資源的監(jiān)視監(jiān)測，并通過左右姿態(tài)機(jī)動，擴(kuò)大對地觀測范圍，提升快速響應(yīng)能力。

“高分四號”的成像載荷是一臺凝視相機(jī)，該相機(jī)配備了國際上地球同步軌道口徑最大的可見與紅外一體化光學(xué)鏡頭，同時具有多光譜和紅外成像能力，其中可見光近紅外通道包括5 個譜段，可以獲取星下點(diǎn)優(yōu)于50 米地面像元分辨率的圖像，紅外通道為中波紅外成像，可獲取優(yōu)于400 米地面像元分辨率的圖像。

為更好地適應(yīng)高軌惡劣的空間環(huán)境，確保成像質(zhì)量，“高分四號”的相機(jī)設(shè)計創(chuàng)造了多個“第一”：第一次采用億級像元數(shù)的可見光器件以及百萬級像元的中波紅外器件，第一次采用大面陣凝視成像體制，第一次采用中波紅外與可見光共口徑的光學(xué)設(shè)計等。

高分五號衛(wèi)星配置有6 臺先進(jìn)有效載荷，包括：大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨探測儀、大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、全譜段光譜成像儀、大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀、大氣氣溶膠多角度偏振探測儀、可見短波紅外高光譜相機(jī)，觀測譜段覆蓋紫外至長波紅外。這6 大載荷“神器”讓高分五號衛(wèi)星擁有了“火眼金睛”。

例如，大氣痕量氣體差分吸收光譜儀具有從紫外到可見波段獲取高光譜數(shù)據(jù)的能力，光譜分辨率高達(dá)0.5 納米，可用于6 種以上大氣痕量氣體成分分布和變化的定量反演，支持空氣質(zhì)量變化監(jiān)測、各種排放過程對大氣組成成分和全球氣候變化的影響分析?？梢姸滩t外高光譜相機(jī)和全譜段光譜成像儀，可實現(xiàn)高精度、定量化的水體和陸地生態(tài)環(huán)境要素監(jiān)測。

“高分五號”還是國內(nèi)探測手段最多的光學(xué)遙感衛(wèi)星，同時具有多光譜、高光譜、偏振、多角度、掩星、耀斑等多種觀測手段，工作模式多達(dá)26 種，可以實現(xiàn)多種觀測數(shù)據(jù)融合應(yīng)用。

“高分六號”繼承“高分一號”的優(yōu)秀特質(zhì)，也是我國第一顆設(shè)置紅邊譜段的多光譜遙感衛(wèi)星?！案叻至枴钡膶挿鄼C(jī)設(shè)計突破了單投影中心超大視場成像技術(shù)，成像譜段豐富，成像幅寬國際領(lǐng)先；進(jìn)一步提升圖像幾何與輻射精度，支撐定量化應(yīng)用能力水平提升；衛(wèi)星采用星座設(shè)計，提升圖像存儲容量、圖像“錄放比”、成像任務(wù)時間、姿態(tài)機(jī)動能力等，解決高時效成像、境外成像、多目標(biāo)成像能力弱和好用性等難題，運(yùn)行效能大大提升；同時衛(wèi)星壽命更長，可靠性和國產(chǎn)化率更高。

高分七號衛(wèi)星搭載了雙線陣立體相機(jī)、激光測高儀等有效載荷，突破了亞米級立體測繪相機(jī)技術(shù)。高分七號衛(wèi)星分辨率不僅能夠達(dá)到亞米級，而且定位精度是目前國內(nèi)最高的，能夠在太空輕松拍出媲美特效電影的3D 影像。投入使用后，將為我國乃至全球的地形地貌繪制出一幅誤差在1 米以內(nèi)的立體地圖?！?/p>