高分二號開啟我國高分辨率遙感衛(wèi)星應(yīng)用時(shí)代

□ 崔恩慧 吳佳棟 高劍

俗話說，好事多磨。

高分二號衛(wèi)星的發(fā)射成功，比原計(jì)劃晚來了半年多。然而，作為高分專項(xiàng)工程第二顆光學(xué)遙感衛(wèi)星，高分二號衛(wèi)星對于我國遙感衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展所具有的重大里程碑意義，使其光芒并未因成功的曲折性衰減分毫。8月19日，高分二號衛(wèi)星在長征四號乙運(yùn)載火箭的完美托舉下，騰空而起，精確入軌，標(biāo)志著我國民用遙感衛(wèi)星領(lǐng)域跨入米級分辨率時(shí)代。

二號“種子”實(shí)在是“高”

如果說高分一號衛(wèi)星作為首發(fā)星，為我國全面建設(shè)高分辨率對地觀測系統(tǒng)開啟了大幕，那么高分二號衛(wèi)星則使國內(nèi)民用遙感領(lǐng)域技術(shù)攀上了新高峰，真正實(shí)現(xiàn)了“高”分辨率。

作為迄今為止我國研制的空間分辨率和壽命要求最高的民用遙感衛(wèi)星，高分二號衛(wèi)星具備高空間分辨率優(yōu)于1米和幅寬大于45千米的成像能力，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過國外同類光學(xué)遙感衛(wèi)星的水平。

高分二號衛(wèi)星配置了兩臺相同的分辨率為1米全色/4米多光譜組合而成的相機(jī)，是現(xiàn)今我國焦距最長、分辨率最高的民用航天遙感相機(jī)，也是國際上同等分辨率幅寬最大的遙感相機(jī)。在研制過程中，科研人員突破了大口徑超長焦距光學(xué)系統(tǒng)水平重力卸載裝校、海量數(shù)據(jù)處理等一系列高分辨率相機(jī)研制難關(guān)。相機(jī)首次采用了小相對孔徑的設(shè)計(jì)理念，在同等光學(xué)系統(tǒng)口徑下，分辨率顯著提高。

“打個比方，如果高分一號衛(wèi)星鏡頭拍攝的是風(fēng)景照，那么高分二號衛(wèi)星拍攝的更像是人像。”高分二號衛(wèi)星相機(jī)分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師姜海濱形象地比喻道。

衡量遙感衛(wèi)星是否先進(jìn)，輕型化也是其中一個重要指標(biāo)。高分二號衛(wèi)星的分辨率“上去了”，相機(jī)的質(zhì)量和體積卻“下來了”，僅為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的三分之一，實(shí)現(xiàn)了輕型化，對于整星減重作出了很大貢獻(xiàn)。

此外，高分一號衛(wèi)星是用2米全灰和8米多色的圖像融合成2米分辨率的真彩圖像，高分二號衛(wèi)星則用1米全灰和4米多色的圖像融合成1米分辨率的真彩圖像。分辨率提高了，顏色信息齊備，高分二號衛(wèi)星的圖像解譯能力大大提高。這也讓衛(wèi)星的用戶方對其應(yīng)用前景更加充滿了期待。

長征四號乙運(yùn)載火箭待發(fā)

普查到詳查 物美價(jià)更廉

一般而言，空間分辨率和時(shí)間分辨率難以同時(shí)做到兩全齊美，通常需要犧牲一方來保證另一方的領(lǐng)先水平。高分一號衛(wèi)星具有2米的空間分辨率，4天即可將地球完整查看一遍。而空間分辨率升級為1米的高分二號衛(wèi)星，運(yùn)行在降交點(diǎn)地方時(shí)10點(diǎn)30分的太陽同步軌道，需要5天重訪地球的同一區(qū)域。

“我們是根據(jù)用戶的需求，來決定衛(wèi)星的運(yùn)行軌道和性能參數(shù)的。”高分二號衛(wèi)星總指揮兼總設(shè)計(jì)師潘騰解釋說，相對于高分一號衛(wèi)星，高分二號衛(wèi)星的分辨率更高，且視場變窄、幅寬變小，重訪時(shí)間自然變長。

但這點(diǎn)“犧牲”并無大礙。一方面，衛(wèi)星通過增強(qiáng)側(cè)擺能力也可以及時(shí)觀測熱點(diǎn)地區(qū)；另一方面，在多數(shù)用戶方看來，5天或4天差別并不大。他們更看重的是，衛(wèi)星到底能給他們提供怎樣的分辨率和幅寬。

對于用戶方之一的國土資源部來說，1米和2米分辨率的衛(wèi)星影像可以滿足他們不同方面的數(shù)據(jù)應(yīng)用。但對于住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、交通運(yùn)輸部的需求來說，2米分辨率在多數(shù)時(shí)候則顯得捉襟見肘。而高分二號衛(wèi)星米級分辨率的成像能力在城市建設(shè)用地規(guī)劃、調(diào)查和執(zhí)法以及道路監(jiān)測和規(guī)劃等方面，則顯得游刃有余。因此，高分一號衛(wèi)星更側(cè)重于大面積的“普查”，高分二號衛(wèi)星則可以更好地發(fā)揮“詳查”作用。

作為我國單機(jī)國產(chǎn)化程度最高的衛(wèi)星，高分二號衛(wèi)星投入使用后，將改善中國高分辨率遙感數(shù)據(jù)主要依靠進(jìn)口的狀態(tài)，為國內(nèi)用戶提供高精度對地觀測數(shù)據(jù)，為推動高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)建設(shè)、引領(lǐng)中國民用高分辨率衛(wèi)星應(yīng)用起到重要示范作用。

放眼全球，美國的IKONOS、韓國的KOMPSAT-2等在軌遙感衛(wèi)星與高分二號衛(wèi)星的分辨率同為1米，但幅寬僅為十幾千米。比較之下，高分二號衛(wèi)星45千米大幅寬的技術(shù)優(yōu)勢明顯。而自高分一號衛(wèi)星等國產(chǎn)遙感衛(wèi)星投入使用以來，如法國“斯波特” 系列衛(wèi)星等國外衛(wèi)星的影像產(chǎn)品在國內(nèi)市場受到不小沖擊。國土資源部等衛(wèi)星用戶方在一些項(xiàng)目中，由于越來越多地可以使用國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品，成本大大降低。8月14日，美國WorldView-3衛(wèi)星發(fā)射成功，該衛(wèi)星具有0.3米分辨率成像能力。目前，世界商業(yè)遙感衛(wèi)星影像的最高空間分辨率已經(jīng)超過0.5米，美國政府前不久解除了對商業(yè)衛(wèi)星影像0.5米分辨率的限制。

中國航天科技集團(tuán)公司所屬北京航天世景信息技術(shù)有限公司總經(jīng)理徐麗萍，近20年來一直從事衛(wèi)星商業(yè)遙感服務(wù)，深知國外遙感衛(wèi)星的技術(shù)優(yōu)勢，也親身經(jīng)歷了國內(nèi)遙感衛(wèi)星市場的飛速發(fā)展。在她看來，國內(nèi)的遙感衛(wèi)星技術(shù)已經(jīng)足夠成熟，在民用領(lǐng)域，國內(nèi)衛(wèi)星沒有必要單純地從分辨率方面與國外衛(wèi)星作比較，而更應(yīng)該從應(yīng)用層面下工夫進(jìn)行競爭。

“高分專項(xiàng)工程不僅帶動了國產(chǎn)高分系列衛(wèi)星發(fā)展，也帶動了衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)以及衛(wèi)星本身設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)發(fā)展。”徐麗萍說：“自主可控地使用本國的衛(wèi)星影像，是從事地理信息行業(yè)的企業(yè)最樂于見到的局面。”

湖中之“吻”，青海海北州青海湖畔東北角

高分二號衛(wèi)星發(fā)射升空

量體裁衣 “私人”訂制

對于衛(wèi)星的用戶方來說，最關(guān)心的莫過于他們能否得到一張滿足其使用需求的好圖。高分二號衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)為了提高圖像質(zhì)量，從用戶需求出發(fā)，按照其提出的衛(wèi)星指標(biāo)，為用戶量體裁衣，做了一系列專門設(shè)計(jì)。

要敏捷地獲取熱點(diǎn)地區(qū)的圖像，需要對地觀測衛(wèi)星的姿態(tài)能夠快速且穩(wěn)定地側(cè)擺。

高分二號衛(wèi)星在我國民用衛(wèi)星中首次使用控制力矩陀螺，采用了優(yōu)化高效的控制定姿方案。姿態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)能力更強(qiáng)，使該衛(wèi)星具備了大角度的快速機(jī)動能力。高分一號衛(wèi)星可在180秒內(nèi)側(cè)擺25度，高分二號衛(wèi)星則提速至180秒內(nèi)側(cè)擺35度并達(dá)到穩(wěn)定。

高分二號衛(wèi)星成像的高分辨率對衛(wèi)星姿態(tài)和擾動的穩(wěn)定度也提出了很高的要求。“衛(wèi)星姿態(tài)不穩(wěn)定，就好比人攝影時(shí)手在抖動，會直接影響成像質(zhì)量。”高分二號衛(wèi)星工程總設(shè)計(jì)師馬世俊說。因此，高分二號衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)選用成熟的資源衛(wèi)星平臺進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)，通過采用阻尼減隔振等一系列措施和星敏感器高精度定姿等手段，保證了衛(wèi)星成像的穩(wěn)定性和指向精確性。

高分專項(xiàng)工程中，“高分”二字除了指“高分辨率”，還包括了“高精度”的含義，而衡量一顆衛(wèi)星精度高低的指標(biāo)就是定位精度。

在某種程度上，衛(wèi)星的定位精度類似于人射擊時(shí)要瞄準(zhǔn)靶心。以往衛(wèi)星的定位精度多為百米量級，高分一號衛(wèi)星的定位精度達(dá)到兩位數(shù)；到高分二號衛(wèi)星，其定位精度要求為無控制點(diǎn)條件下優(yōu)于50米。

“這就意味著，如果用高分二號衛(wèi)星去拍攝人民英雄紀(jì)念碑，它在衛(wèi)星圖像中的位置和其真正的地理坐標(biāo)位置，誤差應(yīng)不超過50米。”潘騰介紹，高分二號衛(wèi)星發(fā)射后，其搭載的相機(jī)會有一個標(biāo)校調(diào)整的過程。等到衛(wèi)星在軌測試完成后，其圖像定位精度還會進(jìn)一步提高。

高分二號衛(wèi)星在天上運(yùn)轉(zhuǎn)，將面對各種環(huán)境變化，如果相機(jī)焦距受到影響，將導(dǎo)致圖像變形或錯位。為了保證用戶獲得高質(zhì)量的圖像，科研人員努力將圖像畸變控制在各行業(yè)用戶要求的很小范圍內(nèi)。“比如，地面上道路的線條是平行的，我們要保證衛(wèi)星圖像中的道路線條也是平行的，而不是圖像中間部分的線條平行，到兩邊卻變彎曲了。”潘騰說。

衛(wèi)星轉(zhuǎn)場

共同研討

兩星協(xié)同 挖潛效能

2013年年底，高分一號衛(wèi)星投入使用，標(biāo)志著我國遙感衛(wèi)星應(yīng)用進(jìn)入了一個新階段。如今，高分二號衛(wèi)星成功入軌，必定會在不久的將來把應(yīng)用引向深入。真正的高分辨率遙感衛(wèi)星應(yīng)用時(shí)代正向我們闊步走來。

做好應(yīng)用的大文章，始終是高分專項(xiàng)工程的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。就在8月初，云南省魯?shù)榭h發(fā)生地震后，中國航天科技集團(tuán)公司所屬中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心緊急調(diào)動高分一號衛(wèi)星等多顆國產(chǎn)遙感衛(wèi)星，為國家搜救中心及時(shí)了解災(zāi)情、疏通中斷道路等提供了重要信息參考。

自發(fā)射成功一年多來，高分一號衛(wèi)星在國土資源、環(huán)境和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用效果，正由以技術(shù)推廣為主的衛(wèi)星向業(yè)務(wù)應(yīng)用型衛(wèi)星發(fā)展。在國家統(tǒng)計(jì)局2013年河北等五省秋糧和新疆棉花種植面積統(tǒng)計(jì)工作中，高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)替代國外數(shù)據(jù)的使用率達(dá)70%。我國民用高分辨率遙感數(shù)據(jù)國產(chǎn)化程度顯著提高。

高分一號衛(wèi)星在應(yīng)急救災(zāi)方面，也發(fā)揮了不可替代的作用。特別是在去年的東北抗洪救災(zāi)中，高分一號衛(wèi)星利用16米寬覆蓋相機(jī)高效完成了洪澇區(qū)域的評估工作，與實(shí)際情況吻合率達(dá)90%以上。

不僅在國內(nèi)遙感應(yīng)用領(lǐng)域大顯身手，高分一號衛(wèi)星還促進(jìn)了國際合作。中國國家航天局曾應(yīng)亞太空間組織的請求，及時(shí)向巴基斯坦提供了該國地震災(zāi)區(qū)高分一號衛(wèi)星的影像數(shù)據(jù)。此外，中國國家航天局與俄羅斯航天局簽署了對地觀測數(shù)據(jù)共享協(xié)議。今年4月，高分一號衛(wèi)星和風(fēng)云三號C星一同正式列為空間與重大災(zāi)害國際憲章值班衛(wèi)星。通過國際合作，我國遙感應(yīng)用也將獲得更豐富的數(shù)據(jù)資源。

高分二號衛(wèi)星投入使用后，將與在軌運(yùn)行的高分一號衛(wèi)星“并肩作戰(zhàn)”，進(jìn)一步完善我國高分專項(xiàng)工程建設(shè)，推動高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)的大規(guī)模應(yīng)用。“未來我們可以通過幅寬較大的高分一號衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，再配合利用高分二號衛(wèi)星對目標(biāo)進(jìn)行探測，識別出目標(biāo)的‘真面目’。”高分二號衛(wèi)星工程總設(shè)計(jì)師馬世俊說。

服務(wù)用戶 拓展應(yīng)用

高分二號衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)非常關(guān)心衛(wèi)星后續(xù)的應(yīng)用情況。“我們從深度上關(guān)心既有用戶對衛(wèi)星圖像的使用程度，以相應(yīng)地完善衛(wèi)星技術(shù)。”潘騰說，“另外，我們還從廣度上關(guān)注其他行業(yè)是否有特殊需求。”

高分一號衛(wèi)星在實(shí)際應(yīng)用中，圖像數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬至水利、住建、減災(zāi)等10余個其他用戶部門。這使高分專項(xiàng)工程的第二顆衛(wèi)星的應(yīng)用前景也被寄予了厚望。

高分二號衛(wèi)星的主要用戶包括國土資源部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、交通運(yùn)輸部、國家林業(yè)局等單位。它們不僅對衛(wèi)星影像分辨率有更高的要求，對圖像也有更特殊的業(yè)務(wù)化應(yīng)用。

例如，在土地執(zhí)法檢查工作中，國土資源部可以依據(jù)高分二號衛(wèi)星遙感圖片清晰掌握目標(biāo)土地利用的真實(shí)情況。未來，該部門應(yīng)用高分二號衛(wèi)星還將實(shí)現(xiàn)土地利用動態(tài)監(jiān)測、礦產(chǎn)資源開發(fā)多目標(biāo)遙感調(diào)查與監(jiān)測等，使應(yīng)用的領(lǐng)域深度和廣度不斷延伸。

對國土資源部來說，其不同方面的數(shù)據(jù)應(yīng)用需求可以通過1米和2米分辨率的衛(wèi)星影像互補(bǔ)而得到滿足。但對于住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、交通運(yùn)輸部等部門，他們要獲取在城鄉(xiāng)規(guī)劃管理、風(fēng)景名勝區(qū)資源保護(hù)，以及交通運(yùn)輸管理、道路監(jiān)測和規(guī)劃等方面的圖像數(shù)據(jù)，顯然通過高分二號衛(wèi)星更精確的米級分辨率的成像能力來實(shí)現(xiàn)，要容易和出色得多。

不僅如此，高分二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)還將服務(wù)于測繪、國防等行業(yè)及首都圈、新疆等區(qū)域應(yīng)用。目前，已有河北、上海等省市建立起高分?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)體系。

“掘金”市場 前景可期

各行業(yè)、區(qū)域以及大眾消費(fèi)市場，對遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的需求都是巨大的。在高分專項(xiàng)工程總設(shè)計(jì)師張榮橋看來，未來，高分二號衛(wèi)星圖像質(zhì)量如果表現(xiàn)出色，除滿足政府部門用戶需求外，還會有大量潛在的商業(yè)用戶，開發(fā)增值服務(wù)的空間巨大。

高分專項(xiàng)除了“抓好工程建設(shè)”，還“抓好數(shù)據(jù)應(yīng)用”，通過一定時(shí)期的“放水養(yǎng)魚”，不斷培育應(yīng)用市場，推動應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化。國防科工局局長許達(dá)哲建議：“各方應(yīng)深入研究和探索商業(yè)服務(wù)模式，使高分專項(xiàng)產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。”

當(dāng)前，遙感衛(wèi)星商業(yè)化在國際上已成大趨勢。在我國，國家發(fā)改委《關(guān)于2013年組織實(shí)施衛(wèi)星及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)的補(bǔ)充通知》，推動了高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星及應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，為衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)自主化及開展國際服務(wù)提供支撐。

可以說，高分辨率對地觀測系統(tǒng)將為我國遙感衛(wèi)星商業(yè)化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在應(yīng)用過程中，那些市場需求大的高分辨率遙感衛(wèi)星若轉(zhuǎn)為商業(yè)化運(yùn)作，將使國家資金重點(diǎn)投入到新技術(shù)驗(yàn)證、科學(xué)觀測等基礎(chǔ)性遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)中去。而商業(yè)化采購的遙感衛(wèi)星在研制過程中采用的創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過驗(yàn)證，也可以應(yīng)用到國家遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的研制中來，形成優(yōu)勢互補(bǔ)。

通過高分一號衛(wèi)星的應(yīng)用實(shí)踐，各方達(dá)成這樣一個共識：衛(wèi)星只有通過不斷應(yīng)用，才能促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步；而只有遙感衛(wèi)星相機(jī)成像能力和圖像質(zhì)量提高了，才能極大發(fā)揮其應(yīng)用效能。我國高分辨率遙感衛(wèi)星應(yīng)用時(shí)代的大幕已經(jīng)開啟，高分二號衛(wèi)星的技術(shù)和應(yīng)用同樣值得人們期待。

高分一號衛(wèi)星北京-天津?qū)捀采w影像

高分一號銀川融合影像