“世界觀察”4衛(wèi)星：民用遙感的領(lǐng)頭羊

□ 徐翰濤

“世界觀察”4衛(wèi)星：民用遙感的領(lǐng)頭羊

□ 徐翰濤

攜帶著“世界觀察”4的“宇宙神”5火箭騰空而起

“世界觀察”4衛(wèi)星

世界觀察”4的首張圖像

2016年12月初，美國(guó)數(shù)字地球公司（DigitalGlobe）公布了高分辨率衛(wèi)星“世界觀察”4（WorldView-4）首張圖像，照片顯示了日本舉辦1964年夏季奧運(yùn)會(huì)的場(chǎng)地——位于東京澀谷的國(guó)立代代木競(jìng)技場(chǎng)，同時(shí)也是2020年奧運(yùn)會(huì)的舉辦地。

今年2月3日，數(shù)字地球公司宣布“世界觀察”4衛(wèi)星已投入商業(yè)運(yùn)行。

“世界觀察”4的發(fā)射經(jīng)過多次推遲，于北京時(shí)間2016年11月12日由“宇宙神”V401火箭發(fā)射升空，成功送入了617千米的太陽(yáng)同步軌道。

“世界觀察”4是顆什么衛(wèi)星

相信大家都聽說過大名鼎鼎的“鎖眼”衛(wèi)星，“鎖眼”運(yùn)行在橢圓近地軌道上，通過頻繁變軌來獲取質(zhì)量極佳的分米級(jí)地面圖像，是美軍情報(bào)搜集的一大利器。而本文的主角“世界觀察”4便是此類地球光學(xué)遙感衛(wèi)星的一種，靠衛(wèi)星自帶的相機(jī)來拍攝高解析度的地球圖像。所不同的是，“世界觀察”4是一顆民用衛(wèi)星，它的用途大著呢。

“世界觀察”4（原名“地眼”2）和它的姐姐“世界觀察”3一樣，是屬于數(shù)字公司的一顆地球光學(xué)遙感衛(wèi)星，它們擁有目前全世界商業(yè)遙感星最高的分辨率——0.3米。自從2014年美國(guó)政府將出口衛(wèi)星圖像的分辨率限制從0.5米放寬到0.25米后，我們常用的谷歌地圖旋即上架了能看清汽車的0.3米圖像，而這些圖像全部都來自“世界觀察”3。

發(fā)射準(zhǔn)備多災(zāi)多難

在經(jīng)歷了范登堡基地近半年的關(guān)閉升級(jí)后，“世界觀察”4任務(wù)在2016年9月16日進(jìn)行了第一次的發(fā)射嘗試。然而在發(fā)射的最后關(guān)頭，發(fā)射團(tuán)隊(duì)因擔(dān)心少量泄漏的液氫形成冰團(tuán)會(huì)危害發(fā)射安全而緊急叫停了倒計(jì)時(shí)。發(fā)射被推遲48小時(shí)。不幸的是，就在第二次發(fā)射前夜，發(fā)射臺(tái)南面的一個(gè)山谷里開始燃起山火，幾周內(nèi)，火勢(shì)無(wú)法得到有效控制，越燃越大，而且破壞了發(fā)射場(chǎng)的光纖，發(fā)射由此擱置下來。這是范登堡地區(qū)歷史上最大的一起火情，過火面積超過12000英畝，而起火原因仍然不明。大火使得發(fā)射又耽擱了近兩個(gè)月。幾經(jīng)波折，火箭和衛(wèi)星挺過了時(shí)間和山火的考驗(yàn)，第二次發(fā)射嘗試終于在11月12日進(jìn)行并獲成功。

扒一扒“世界觀察”4的三圍

“世界觀察”4運(yùn)行在高度 617千米的太陽(yáng)同步軌道。一般來說，600千米～700千米的太陽(yáng)同步軌道是遙感衛(wèi)星的常用軌道，在這個(gè)軌道上，大氣阻力很低，衛(wèi)星只需要很少的推進(jìn)劑便能維持軌道高度的穩(wěn)定。更重要的是，在太陽(yáng)同步軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星都能在相同的時(shí)刻飛越某地，這樣，相同的光照條件對(duì)遙感衛(wèi)星的成像極為有利。像幅寬使得“世界觀察”4對(duì)地面的一切一覽無(wú)余。當(dāng)“世界觀察”4的鏡頭對(duì)準(zhǔn)地球時(shí)，它并不是僵硬地瞄準(zhǔn)一點(diǎn)，而是能朝各方向靈活地?cái)[動(dòng)，帶給我們令人驚艷的圖像。

“世界觀察”4的平均重訪周期能小于1天，如果和姐姐“世界觀察”3及DigitalGlobe家的哥哥們一齊合作，每日能重復(fù)拍攝某地4次。地球表面積是 5.1億平方千米，數(shù)字地球家族能每天采集400萬(wàn)平方千米，完整拍攝地球一遍需要4個(gè)月。但是莫擔(dān)心，首先，除去占地球表面71%的海洋和南極洲，剩余面積為1.5億平方千米；

GeoEye-1衛(wèi)星

古老的Landsat-1衛(wèi)星

范登堡發(fā)射基地山火連城

Ikonos-2衛(wèi)星

“世界觀察”4的單色分辨率為0.31米（0.31米為運(yùn)行軌道的分辨率，若衛(wèi)星在壽命末期降軌到500千米，分辨率可達(dá)到0.25米）。衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)性能的提升，除可以提供0.31米分辨率的全色圖像和1.2米分辨率的8譜段多光譜圖像外，還將具有新的短波紅外成像能力。0.31米的分辨率在商業(yè)遙感領(lǐng)域是絕對(duì)的No.1，這個(gè)成績(jī)即便在軍用領(lǐng)域也是名列前茅。

“世界觀察”4的光學(xué)孔徑達(dá)到1.1米，視場(chǎng)1.22度，成像幅寬13.1千米。常識(shí)告訴我們，越大的光學(xué)孔徑和越低的軌道高度能帶來更高的分辨率。我們所熟知的“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡就擁有一副2.4米孔徑的大鏡子，觀測(cè)著黑暗的宇宙內(nèi)部。而更大的成其次，約60%的陸地面積終年被云覆蓋而無(wú)法拍攝，這種情況下，就剩下6000萬(wàn)平方千米可以拍攝；第三，全球范圍內(nèi)95%的人口居住在10%的陸地上，絕大部分需要拍攝的地區(qū)基本上都在這個(gè)范圍之內(nèi)。

“世界觀察”4衛(wèi)星平臺(tái)在BCP5000基礎(chǔ)上改進(jìn)，設(shè)計(jì)壽命10年～12年，質(zhì)量2800千克，由BATC和ITT公司研制，所載光學(xué)相機(jī)WV-4 Imager由ITT Exelis研制。相對(duì)于許多500千克～600千克的商業(yè)遙感衛(wèi)星，“世界觀察”4絕對(duì)算是一個(gè)汽車大小的胖子。更大的身材允許“世界觀察”4攜帶更多的推進(jìn)劑來維持所需的軌道開銷，從而極大地延長(zhǎng)了它的壽命。此外，衛(wèi)星上所裝載的GPS終端能精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)衛(wèi)星姿態(tài)和鏡頭的指向，指向誤差不超過10米。

商業(yè)遙感衛(wèi)星的前世今生

即將發(fā)射的“宇宙神”5火箭

歷史上最著名的遙感圖像之一 ——“鎖眼”衛(wèi)星對(duì)N1火箭的偵察

由“世界觀察”3拍攝的0.3米級(jí)圖像，清晰度極佳

汽車大小的“世界觀察”4

“世界觀察”4是數(shù)字地球公司在“世界觀察”框架下的一顆遙感衛(wèi)星，而“世界觀察”是美國(guó)Next View計(jì)劃的重要組成部分，該計(jì)劃是由美國(guó)國(guó)家地理空間情報(bào)局（NGA）發(fā)起的一項(xiàng)關(guān)于軍民兩用對(duì)地觀測(cè)計(jì)劃。“世界觀察”除為了谷歌、微軟、數(shù)字地球等公司提供高品質(zhì)商業(yè)圖像外，還為美國(guó)情報(bào)部門提供高分辨率軍用圖像信息。

自從1972年7月23日美國(guó)發(fā)射了世界上第一顆真正意義上的遙感衛(wèi)星“陸地衛(wèi)星”（Landsat）1后，發(fā)射遙感衛(wèi)星的浪潮便從未停止過。拋開代表當(dāng)今遙感最尖端技術(shù)的神秘“鎖眼”系列外，還有大量的商業(yè)遙感衛(wèi)星在默默地為我們服務(wù)，它們的作用已經(jīng)觸及我們生活的方方面面。我們的出行已經(jīng)離不開商業(yè)遙感衛(wèi)星。

到目前為主，美國(guó)的商業(yè)遙感衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)展了三代。第一代為“伊科諾斯”（Ikonos）2，第二代為“地眼”（GeoEye）1，第三代即為“世界觀察”3、4。

1999年9月24日，Ikonos-2由“雅典娜”2火箭成功發(fā)射（之前1999年4月27日Ikonos-1發(fā)射失敗），是世界上第一顆用于采集0.82米分辨率全色圖像和3.2米分辨率多光譜圖像的商業(yè)衛(wèi)星。Ikonos-2衛(wèi)星孔徑為0.7米，視場(chǎng)0.95度，成像幅寬11.3千米，采用LM900平臺(tái)。衛(wèi)星相機(jī)為光學(xué)敏感器組件，采用Korsch型望遠(yuǎn)鏡，3個(gè)凹面反射鏡附加2個(gè)平面反射鏡“折疊”望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部光路，從而減小相機(jī)尺寸并減輕質(zhì)量。成像敏感器采用大面積焦平面CCD陣列。

2008年 9月6日 ，GeoEye-1衛(wèi)星成功發(fā)射升空，該星屬于地眼商業(yè)成像公司（2013年被數(shù)字地球公司并購(gòu)），在軌工作可獲得地面分辨率為0.41米的全色以及1.65米的多光譜圖像。GeoEye-1衛(wèi)星由SA-200HP平臺(tái)和新一代光學(xué)載荷組成，光學(xué)孔徑1.1米，視場(chǎng)1.28度，幅寬1.2千米，質(zhì)量452千克，軌道高度700千米。衛(wèi)星平臺(tái)具有高精度的姿態(tài)敏感器件，衛(wèi)星所載的地眼成像系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、焦平面單元以及數(shù)字電子系統(tǒng)組成。★