登“高”望遠：高分系列衛星的視覺秘密

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▲ 高分二號發射前

今年上半年，高分五號、六號衛星相繼升空，大大提升了我國對地觀測的能力。那么，高分系列衛星有哪些秘密呢？

怎樣才能得“高分”

“高分”指的是高分辨率對地觀測，而“高分專項”則是我國高分辨率對地觀測系統的重大工程。高分專項要建設具備高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率、高精度觀測能力的自主、先進的對地觀測系統，并與其他觀測手段結合，形成具備時空協調、全天時、全天候、全球觀測能力的穩定運行系統。

隨著高分專項工程的實施，我國的高分辨率對地觀測技術實現了一個“從有到好”的巨大跨越。國產高分辨率遙感數據的自給率大幅提高，一大批高分辨率對地觀測的重大關鍵技術實現突破，國家遙感應用能力初步形成。那么，高分衛星是怎樣做到這些的呢？

原來，高分衛星都屬于高分辨率對地觀測遙感衛星。遙感，從字面上來看，可以簡單理解為遙遠的感知，泛指一切無接觸的遠距離探測。從現代技術層面上講，遙感是一種應用探測儀器，使用空間運載工具和現代化的電子、光學儀器，探測和識別遠距離研究對象的技術。

遙感可以通過人造地球衛星、航空器等平臺上的遙測儀對地球表面進行感應遙測和資源管理的監視，大到海洋森林，小至池塘草地，疾如山火臺風，靜若礦山土壤，都難逃它的法眼。其中，能夠作為外層空間遙感平臺的人造衛星就是遙感衛星，而高分衛星則是其中“心明眼亮”的佼佼者。

通常，遙感衛星可在軌道上運行數年，而高分衛星家族更是長壽星，除了高分一號衛星和高分二號衛星外，其他高分衛星的設計壽命都能夠達到8年。

遙感衛星能在規定的時間內覆蓋整個地球或指定的任何區域，當沿地球同步軌道運行時，它能連續對地球表面的指定地域進行遙感。遙感衛星根據載荷遙感儀器的不同分為主動和被動兩種。其中，被動遙感儀器直接接收目標物體發出的紅外輻射或反射的太陽光等電磁波信號；主動遙感儀器則通過自帶的輻射源發射電磁波，然后再接收目標物體反射或散射的電磁波信號。

▲ 高分四號吊裝 喬琳 攝

洞察秋毫的高分光學衛星

光學衛星主要是衛星利用光電遙感器材對地面拍攝以獲取圖像，它主要有可見光相機、多光譜相機、超光譜相機、多光譜掃描儀和電視攝像機等，具有分辨率高的特點。

光學遙感是遙感科技中發展最早，也是目前對地觀測和空間信息領域中應用最廣泛的技術手段。近年來，隨著光學成像、電子學與空間技術的快速發展，高空間、高光譜和高時間分辨率遙感不斷取得新突破，遙感衛星數量也呈爆發式增長，為光學遙感圖像處理與應用發展創造了前所未有的機遇和廣闊前景。

截至目前，我國發射的高分一號、二號、四號、五號、六號都屬于光學衛星。盡管看上去“殺手锏”一樣，但這五個高分兄弟各個身手不凡，互有千秋。

作為高分辨率對地觀測系統的首發星“高分一號”突破了高空間分辨率、多光譜與寬覆蓋相結合的光學遙感等關鍵技術，分辨率達到2米，一眼覆蓋800公里，4天可看遍地球，分辨率和幅寬綜合指標均達到世界先進水平。

“高分二號”是迄今我國空間分辨率最高的民用遙感衛星，它的出現標志著我國民用遙感衛星正式跨入亞米級分辨率時代，空間分辨率優于1米，幅寬大于45公里。高分一號、二號運行于近地軌道，空間分辨率高，但對固定區域重訪所需周期較長，時間分辨率較低。

高軌遙感衛星可彌補低軌遙感衛星的不足，兩者結合使用能發揮出更大效益。在這種需求下，2015年12月高分四號衛星發射升空，運行于地球同步軌道，成為觀測地球的最高“太空眼”。

今年5月，“高分五號”發射升空，是世界首顆實現對大氣和陸地綜合觀測的全譜段高光譜衛星。高光譜遙感是當前遙感技術的前沿領域，地球上不同的元素及其化合物都有獨特的光譜特征，光譜因此被視為辨別物質的“指紋”，是用以識別和分析不同物體特征的一種重要的“身份證”。

光學成像只能看到物質的形狀、尺寸等，高分五號衛星具備的光譜成像技術，可使光譜與圖像結合為一體，探測物質的具體成分。另外，該衛星可實現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26種，定標精度亦為國內衛星之最。

今年6月，高分六號衛星發射成功，開啟“高分家族”組網新篇。高分六號衛星與高分一號衛星同屬成熟的CAST2000小衛星平臺，但作為我國第一顆設置紅邊譜段的多光譜遙感衛星，高分六號衛星的成像性能、圖像精度、衛星系統效能、可靠性等全面提升，每天累計數據獲取量翻倍。

▲ 高分五號衛星太陽帆板展開

“不畏浮云遮望眼”的雷達衛星

雖然，光學偵察衛星具有分辨率高的特點，但也容易受天氣影響，陰雨和云霧天氣都會讓光學偵察衛星“看”不清楚。因此，一些航天大國又研制了能夠全天候工作的雷達成像衛星。

雷達成像衛星是利用星載雷達獲取目標圖像信息，不受光照和云霧等氣象條件限制，但成像分辨率較低，一般在1米左右。

雷達波段理論上是波段越小看到的影像越清晰，因此，雷達需要很長的天線才能發出所需的微波。但目前大型的微波雷達天線達到數公里，傳統雷達無法實現機載和星載，為了解決衛星分辨率問題，采用多個雷達孔徑同步或異步觀測，可以獲得多個小波段的雷達成像，因此，雷達衛星上一般都采用合成孔徑雷達作為傳感器。

合成孔徑雷達是上世紀50年代末研制成功的一種微波遙感器，它利用載有雷達的飛行平臺來得到較長的合成天線，由此獲得高分辨率圖像。SAR與傳統的光學遙感器相比，不僅具有全天候、全天時工作能力，而且穿透力強，不用擔心霧霾多云的天氣。

因此，SAR可用于測圖、農作物監測、海洋與冰層觀測、地球資源探測、月球與金星的結構探測等。

另外，根據SAR穿透掩蓋物及識別偽裝能力強的特點，可用于探測隱蔽的裝備和煙霧籠罩區的目標。正是由于SAR具有其他遙感系統難以比擬的優點和特性，世界航天大國和組織都在積極研制與發展各自的SAR遙感系統。

我國幅員遼闊、地形復雜、氣候多變，每年因水災、干旱、林火及地震等造成的損失巨大，所以衛星遙感對我國的地球資源與環境變化探測具有特別重要的意義。

此外，在地形復雜、偏僻及環境惡劣地區，雷達衛星的優勢更明顯。我國對SAR的研制工作于1978年，樣機完成后在云雨天氣進行了幾次飛行試驗，分辨率為12米。在1987、1988及1989年的夏季，我國開展了防汛遙感應用試驗，在永定河、黃河與長江中下游地區建立了以機載SAR為核心的“全天候、準實時防洪遙感信息系統”。

2016年8月，高分三號衛星發射升空。該衛星作為我國首顆1米分辨率C頻段合成孔徑雷達成像衛星，打破了我國民用天基高分辨率合成孔徑雷達圖像全進口的現狀。高分三號衛星采用多極化設計，具有12種工作模式，帶有主動探測載荷，通過發射微波信號并接收地面反射的回波信號進行探測，不受光照、云層和天氣的約束與影響。它提供的可靠、穩定的高分辨率微波圖像數據，廣泛服務于我國海洋、減災、水利及氣象等多個行業及業務部門。

總之，自2013年高分一號衛星發射以來，高分系列衛星在測繪、農業、工程設計、地質勘探、海洋水文、災害監測等方面發揮了重要作用，創造了巨大的經濟效益。隨著高分系列衛星的發射，可以通過給不同的衛星分配不同的過境時間段，以保證發揮更大的觀測效能。通過不斷建設，高分系列衛星觀測網將會進一步提升觀測能力，成為助力“地球村”建設的中國“天眼”。