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)星大興機場彩色融合圖

隨著認識地球、研究地球的深入，人類逐漸將視點從地面、低空擴展到太空，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，人類對地觀測已經(jīng)進入高分衛(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，用長征三號乙運載火箭成功將高分十四號衛(wèi)星送入預定軌道。隨著高分專項的發(fā)展，高分數(shù)據(jù)廣泛應用于各行業(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的圖像或數(shù)據(jù)的技術(shù)。遙感技術(shù)遠離目標，通過非直接接觸判定、測量并分析目標性質(zhì)，其應用領(lǐng)域非常廣泛，得到了極大關(guān)注和高速發(fā)展。

自萊特兄弟在飛機上拍下第一張航空相片，航空遙感時代隨之到來，并首先應用于軍事中。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)星進入太空后，遙感技術(shù)也迅速應用到衛(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)廣泛應用到科學試驗、國土資源普查、農(nóng)作物估產(chǎn)和防災減災等多個領(lǐng)域，在國家社會經(jīng)濟發(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、實踐科學探測衛(wèi)星和遙感系列衛(wèi)星，開展氣象觀測、環(huán)境和災害監(jiān)測、國土資源調(diào)查、地質(zhì)災害應急監(jiān)測、海洋觀測科學實驗、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)、防災減災、資源調(diào)查、環(huán)境保護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、低分辨率相彌補而組成的全球?qū)Φ赜^測系統(tǒng)，能夠準確有效、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，“高分數(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)合的光學遙感等關(guān)鍵技術(shù)，分辨率達到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達到世界領(lǐng)先水平。

自發(fā)射起，“高分一號”運行穩(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)域應用最廣泛的衛(wèi)星之一，被譽為“看得廣、看得快、看得準、看得清、應急效果好”的衛(wèi)星。

2014 年8 月，“高分二號”成功發(fā)射入軌。“高分二號”是迄今我國空間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。“高分二號”穩(wěn)定運行超過3 年，獲取的影像數(shù)據(jù)廣泛服務于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)主要依賴進口的局面，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟、軍事和社會效益。

2016 年8 月，“高分三號”發(fā)射升空。“高分三號”是我國首顆1 米分辨率C頻段合成孔徑雷達成像衛(wèi)星，分辨率達到1 米，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(xiàn)狀。“高分三號”采用多極化的設(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)，廣泛服務于我國海洋、減災、水利及氣象等多個行業(yè)及業(yè)務部門。

高分一號、二號衛(wèi)星運行于近地軌道，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、林業(yè)、地震、氣象等應用提供快速、可靠、穩(wěn)定的光學遙感數(shù)據(jù)，為災害風險預警預報、林火災害監(jiān)測、地震構(gòu)造信息提取、氣象天氣監(jiān)測等業(yè)務補充了全新的技術(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。“高分五號”是世界首顆實現(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26 種，定標精度亦為國內(nèi)衛(wèi)星之最。

高分五號衛(wèi)星填補了國產(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、巖礦類別進行探測，為我國環(huán)境監(jiān)測、資源勘查、防災減災等行業(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)主要應用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)和減災等業(yè)務領(lǐng)域，兼顧環(huán)保、國安和住建等應用需求，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遙感衛(wèi)星，主要應用于國土普查、城市規(guī)劃、土地確權(quán)、路網(wǎng)設(shè)計、農(nóng)作物估產(chǎn)和防災減災等領(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，這得益于我國科研人員為它們設(shè)計研制的強大載荷。

“高分一號”身上裝載2 臺全色多光譜高分辨率相機和4 臺中分辨率寬幅相機及配套的高速數(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，滿足不同應用要求。“高分一號”具備靈活的多任務工作模式，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，采用長焦距、大F 數(shù)、輕小型化光學系統(tǒng)設(shè)計，焦距達到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。“高分二號”突破亞米級高分辨率大幅寬成像、長焦距大F 數(shù)輕小型相機設(shè)計、高穩(wěn)定度快速姿態(tài)側(cè)擺機動、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到1 米的C 頻段、多極化高分辨率SAR 衛(wèi)星。“高分三號”設(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，可極大地擴展衛(wèi)星的觀測能力和應用能力。“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)機動，擴大對地觀測范圍，提升快速響應能力。

“高分四號”的成像載荷是一臺凝視相機，該相機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。

為更好地適應高軌惡劣的空間環(huán)境，確保成像質(zhì)量，“高分四號”的相機設(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設(shè)計等。

高分五號衛(wèi)星配置有6 臺先進有效載荷，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，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。可見短波紅外高光譜相機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26 種，可以實現(xiàn)多種觀測數(shù)據(jù)融合應用。

“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。“高分六號”的寬幅相機設(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；進一步提升圖像幾何與輻射精度，支撐定量化應用能力水平提升；衛(wèi)星采用星座設(shè)計，提升圖像存儲容量、圖像“錄放比”、成像任務時間、姿態(tài)機動能力等，解決高時效成像、境外成像、多目標成像能力弱和好用性等難題，運行效能大大提升；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、激光測高儀等有效載荷，突破了亞米級立體測繪相機技術(shù)。高分七號衛(wèi)星分辨率不僅能夠達到亞米級，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。★