一文读懂中国重大专项高分卫星 如何给人类了解宇宙打开一扇窗户

2018 05/09 22:38 小火箭 企鹅号 分享

　　小火箭出品

　　本文作者：邢强博士

　　高分五号卫星成功发射

　　按新华社消息：公元2018年5月9日，北京时间2时28分，我国在太原卫星发射中心用长征四号丙运载火箭成功发射高分五号卫星。

　　高分五号卫星是世界首颗实现对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星，也是我国高分专项中一颗重要的科研卫星。它填补了国产卫星无法有效探测区域大气污染气体的空白，可满足环境综合监测等方面的迫切需求，是我国实现高光谱分辨率对地观测能力的重要标志。

　　长期以来，小火箭的系列文章聊了美国的锁眼系列侦察卫星、印度的遥感产业，乃至全球军用与商业航天的发展简史，一直没能聊一聊中国的太空产业。

　　为了避免产生“中国无高性能遥感技术”和“中国航天技术独步全球”的误解，咱们还是在大量客观数据的基础上，仅关注技术本身，深入分析一下比较好。

　　本文，小火箭就要和大家说一说中国的高分系列卫星。

　　准备和大家共同探讨如下几个问题：

　　高分这两个字的含义是什么？

　　我国的高分重大专项诞生的背景是什么？

　　高分一号卫星的设计特点和应用场景；

　　高分二号卫星的创新；

　　高分三号卫星的总体设计与应用；

　　高分四号卫星的总体设计与应用；

　　高分五号卫星的技术亮点；

　　或许会有个展望吧。

　　高分

　　高山远眺叹春早，凭栏闲坐沐夕照。

　　多情杨絮伴红蕊 ，穿堂燕雀戏柳梢。

　　----邢强《香山夕照》

　　高分卫星，是高分辨率遥感卫星的缩写。顾名思义，就是拥有较高分辨率的对地观测遥感卫星。

　　这里的高分辨率，有3重含义：

　　高时间分辨率、高光谱分辨率、高空间分辨率。

　　那么，什么是遥感卫星呢？

　　遥感卫星：

　　利用遥感技术和遥感设备，对地表覆盖和自然现象进行观测的人造卫星，主要应用于国土资源勘查、环境监测与保护、城市规划、农作物估产、防灾减灾和空间科学试验等领域，与人们的生活密切相关。

　　而提到遥感技术，说来可就话长了。小火箭专门开启一个系列吧！总体上来说，遥感技术就是从人造卫星、飞机或其他飞行器上收集地物目标的电磁辐射信息，判认地球环境和资源的技术。

　　遥感，取遥远和感知这两个词的含义。

　　各种飞行器上面的多种遥感载荷，根据电磁波的理论，应用各种传感仪器对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息，进行收集、处理，并最后成像，从而对地面各种景物进行探测和识别。

　　当飞行器载体是大气层内飞行的无人机、飞艇和飞机时，称作航空遥感。

　　当飞行器载体是在太空中运行的卫星、空间站时，称作航天遥感。

　　怎样的遥感卫星称得上是高分遥感卫星呢？

　　高分，其中一个重要指标是高分辨率。

　　到底达到怎样的程度才可以算作高分辨率，见仁见智。

　　按小火箭联合会弟兄们的共识，高分辨率的指标为：

　　对于雷达成像卫星来说，空间分辨率达到3米；

　　对于光学成像卫星来说，空间分辨率应该优于1米。

　　数字地球公司的高分辨率遥感卫星获取的地球・法国・巴黎市区的影像。注意，中间为凯旋门。后期处理：小火箭。

　　专项

　　高分专项并不孤独。实际上，她的诞生伴随着中国大量战略级专项的出现。

　　2008年4月，我国通过了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》。

　　高分一号

　　公元2013年4月26日12时13分04秒，高分一号在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功发射，此次任务还搭载发射了装载于荷兰研制的两个卫星分配器中的三颗微小卫星。

　　三颗微小卫星分别由土耳其、阿根廷、厄瓜多尔研制。

　　高分一号卫星是高分专项的首发星，主要用户部门为国土资源部、环境保护部、农业部，同时还将为中国其他十余个用户部门和有关区域提供示范应用服务。

　　上图为高分一号卫星拍摄的大片农田。具体地点为山东省东营市垦利区黄河口镇。这是我们华夏儿女的母亲河黄河的入海口。

　　该地地处渤海与莱州湾的交汇处，是1855年黄河决口改道而成的。

　　高分一号卫星搭载了两台2米分辨率全色/8米分辨率多光谱相机，四台16米分辨率多光谱相机。

　　从技术层面来分析，高分一号卫星具有划时代的意义。

　　首先，这是咱们国家研制的第一颗实际考核寿命要求大于5年的低轨遥感卫星；

　　第二，高分一号卫星突破了高空间分辨率、多光谱与高时间分辨率结合的光学遥感技术，实现了在同一颗卫星上的高分辨率和宽幅成像能力的结合，这种融合了高分与宽幅能力的卫星能够在国土资源调查、环境监测和精准农业方面发挥重要的作用。

　　第三，高分一号卫星拥有多载荷图像拼接融合技术，对我国实现对高分辨率数据的大规模处理与应用具有启发意义。

　　第四，高分一号卫星的高精度高稳定度姿态控制技术也是可圈可点的。

　　高分一号卫星

　　高分一号卫星长这个样子，还是非常萌的，让小火箭想到了机器人瓦力。

　　除了传统意义上的遥感图像，高分一号卫星还能够提供大量信息。上图为环境保护部根据高分一号卫星传回的数据绘制的北京市2014年7月27日的气溶胶光学深度图。

　　高分一号卫星拍摄的青海湖。

　　高分一号，这颗降交点地方时为上午10点30分，回归周期为41天的卫星，饱览祖国美景，同时也为国民经济的建设贡献着力量。

　　高分一号拍摄的中国・甘肃・酒泉。

　　高分一号拍摄的中国・陕西・延安。

　　高分一号拍摄的中国・山西・长治。

　　高分一号拍摄的中国・山西・大同。

　　高分二号

　　公元2014年8月19日11时15分，高分二号在太原卫星发射中心由长征四号乙运载火箭成功发射，此次任务还搭载发射了一颗波兰小卫星。

　　高分二号卫星是我国自主研制的第一颗空间分辨率优于1米的民用光学遥感卫星，搭载有两台高分辨率1米全色/4米多光谱相机。

　　上图为高分二号卫星在2014年拍摄的迪拜机场。

　　高分二号卫星在成功发射后第3天，也就是8月21日首次开机成功，并且顺利成像，然后完成了数据下传。

　　在数据传回的瞬间，高分二号卫星就名正言顺地成为了我国当时分辨率最高的民用陆地观测卫星，其星下点空间分辨率达到了0.8米，是名副其实的高分卫星！

　　高分二号的成功，标志着我国遥感卫星进入了亚米级时代。

　　该卫星的主要用户为国土资源部、住房和城乡建设部、交通运输部和国家林业局等部门，同时还将为其他用户部门和有关区域提供示范应用服务。

　　上图为高分二号卫星拍摄的中国上海市的东方明珠塔及其周边。

　　高分二号卫星具有亚米级空间分辨率、高定位精度和快速姿态机动能力等特点，有效地提升了卫星综合观测效能，达到了国际先进水平。

　　上图为高分二号卫星拍摄的北京市部分影像。

　　高分三号

　　飞来山上千寻塔，闻说鸡鸣见日升。

　　不畏浮云遮望眼，自缘身在最高层。

　　―王安石《登飞来峰》

　　公元2016年8月10日6时55分，高分三号卫星在太原卫星发射中心由长征四号丙运载火箭成功发射。

　　高分三号卫星同样不一般！

　　她是咱们高分专项里面，唯一一颗合成孔径雷达卫星。

　　高分三号卫星整星重达2.8吨，其中有效载荷重1.4吨，也就是说，载荷比达到了50％！

　　高分三号卫星一上天，就创下中国低轨遥感卫星平台载荷比的最高纪录。

　　高分三号卫星的在轨设计寿命为8年，是中国第一颗采用超长寿命设计理念的低轨遥感卫星。

　　这颗合成孔径雷达卫星的天线足足有15米长，当太阳能帆板完全展开后，整颗卫星的长度达到18米。她是中国第一颗大尺度、大翼展的卫星。

　　高分三号卫星拍摄的河北黄骅地区雷达干涉影像(20170217-20170318):

　　i) 时间基线: 29天; 空间垂直基线: 250米;

　　ii) 相位已解缠并转化至形变量，红色表示地表远离卫星（即地面沉降），蓝色表示地表移向卫星（即地面抬升）;

　　iii) 红色椭圆区域位于南大港湿地自然保护区，有明显地面抬升信号。

　　来源：中国航天科技集团。

　　高分四号

　　倚剑登高台，悠悠送春目。

　　――李贺《句》

　　公元2015年12月29日，高分四号卫星在西昌卫星发射中心成功发射升空。

　　高分四号卫星的一个非常有趣的特点是：她是一颗地球静止轨道上的光学遥感卫星。

　　嗯！你没看错！就是在赤道上方35786公里处的静止轨道上的一颗光学遥感卫星！

　　高分四号的在轨设计寿命为8年。她拥有中国口径最大的面阵凝视相机。我国科学家专门为她首次研制了大面阵红外探测器。这种探测器具有普查、凝视、区域、机动巡查共4种工作模式。

　　高分四号微信公众号的全色多光谱相机分辨率优于50米、单景成像幅宽优于500公里，中波红外相机分辨率优于400米、单景成像幅宽优于400公里。

　　作为中国第一颗地球静止轨道对地观测卫星及三轴稳定遥感卫星，高分四号能够对目标区域长期观测。

　　同时，高分四号卫星也是目前世界上空间分辨率最高、幅宽最大的地球同步轨道遥感卫星。

　　上图为高分四号卫星拍摄的中国珠三角地区。

　　高分五号

　　公元2018年5月9日凌晨2时28分，我国在太原卫星发射中心，用长征四号丙运载火箭将高分五号卫星送入705公里高度的太阳同步轨道。

　　高分五号是世界首颗实现了对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星，也是中国光谱分辨率最高的卫星，设计寿命8年。

　　该星装载的2台全新研制的陆地观测载荷和4台全新研制的大气类观测载荷赋予了她超强的观测能力。同时，高分五号卫星也是中国第1台用于臭氧、二氧化氮、二氧化硫等全球污染气体探测的高光谱卫星。

　　我们知道，可见光只占电磁波中一个非常非常小的区域，而高分五号卫星的全谱段高光谱能力，将会使得她能够获得更加全面和更加多样的信息。

　　小火箭和大家一样，也非常期待高分五号卫星传回首幅影像！

　　结束语

　　Youth is a dream, a form of chemical madness.

　　青春犹如梦幻，人人似颠若狂。

　　――菲茨杰拉德

　　航天飞机1999年9月27日通过合成孔径雷达设备拍摄的美国加州死亡谷的影像。图中的彩色代表不同的雷达反射特征。

　　金星表面的图像，由麦哲伦号探测器的合成孔径雷达拍摄。

　　遥感卫星或者说遥感技术，终将会在军事和商业领域得到较快发展之后，拓展到行星探索和深空航行中。

　　小火箭深信，这样的技术在为提升地球上的人类的生活质量服务，同时也将给人类了解宇宙打开一扇窗户。在我们看到高分系列卫星运行在地球附近的时候，或许一道想法会一闪而过：未来，不知高分多少号卫星会绕着金星、火星或者木星运行，高分-100号会不会成为人类了解太阳系之外的其他星球的亮眼呢？

　　鸣谢：

　　国防科工局重大专项工程中心

　　中国资源卫星应用中心

　　民政部国家减灾中心

　　中国航天科技集团

　　中国航天科工集团

　　小火箭联合会

　　版权声明：

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THE END