来源:南方日报 发布时间:2014/10/27 15:09:53
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揭秘中国新型高分系列卫星:能看清黄埔江上浪花

 

在地球大气层以外飞行的对地观测卫星宛如“天眼”,注视着地球表面,一物一景尽收眼底,为我们提供更高远的视角观测地球家园。这双“天眼”是否明亮,决定了我们所看到的景物是否清晰。因此,无数航天科研人员孜孜不倦地工作,为的就是不断擦亮这双“天眼”。

9月29日,“高分二号”卫星首批影像图公布,在600公里高空所拍下的照片,能清晰地看到马路上的斑马线。这是我国首批亚米级高分辨率卫星影像图,标志着我国卫星遥感技术进入亚米级时代。

从“高分一号”卫星让人震撼的首批卫星影像图,到更为震撼的“高分二号”卫星影像图,中国的“天眼”被一次次擦亮。

视野宽阔的“高分一号”

“高分一号”卫星做到了空间分辨率、多光谱和宽覆盖的结合。它在全球中分辨率卫星中是观测幅宽最宽的一颗,用4天时间就可以对全球完成拍摄

2006年,中国将高分辨率对地观测系统重大专项列入《国家中长期科学与技术发展规划纲要(2006-2020年)》,是当年部署的16个重大专项之一。2010年5月,高分专项全面启动。

作为高分专项系列卫星的先锋,“高分一号”卫星这颗“天眼”并没有将主要能力放在明察秋毫方面,它就如瞭望台一般,登高望远,视野辽阔是它不可替代的本事。

“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、4台16米分辨率多光谱宽幅相机。这就决定了“高分一号”卫星在拍摄只具备灰色一种颜色的全色照片时,分辨率可以达到2米,在拍摄彩色多光谱照片时的分辨率为8米。

单从这项指标看,“高分一号”卫星的分辨率并没有多么出色,与国际同类卫星相比并无优势,谷歌地图所使用的“地球之眼”对地观测卫星的分辨率已经达到了0.41米。就算与国内其他卫星相比,其优势也不明显,早在2007年发射的“遥感二号”卫星就实现了2米的全色分辨率。

但是,并不能就此否定“高分一号”卫星的优秀。得益于其所搭载的功能强大的16米分辨率多光谱宽幅相机,“高分一号”卫星做到了空间分辨率、多光谱和宽覆盖的结合。

在对地拍摄时,“高分一号”的多台宽幅多光谱相机进行多角度拼接视场,从而实现了大视场成像,让“高分一号”的16米分辨率幅宽达到了惊人的800千米。“‘高分一号’卫星是中高分辨率相结合的卫星,它的分辨率并不算高,但是它主要解决的是大幅宽问题。”高分专项工程副总指挥王承文说。

虽然在分辨率上略逊一筹,但在拍摄幅宽上面,“高分一号”可谓独占鳌头。“它在全球中分辨率卫星中是观测幅宽最宽的一颗,用4天时间就可以对全球完成拍摄。”王承文说。

如此一来,“高分一号”卫星便形成了足以成为技术突破的特点: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应用。时间分辨率是指轨道卫星在同一区域进行的相邻两次遥感观测的最小时间间隔,亦称覆盖周期。时间间隔越大,时间分辨率越低,反之时间分辨率就越高。“时间就是金钱”这句话在这里同样适用。

“我们国家国土幅员辽阔,需要观测幅宽大的卫星,更主要的是幅宽跟时间分辨率有很大的关系。我们所提到的高分辨率概念不仅仅是指大家平常所认为的空间分辨率,实际上‘高分一号’从立项的时候就要求高时间分辨率,这在应用方面是非常重要的。”王承文说,为保证大范围观测,还设计了利用动量轮控制实现卫星滚动侧摆25°的能力,可观测范围达到近1000千米。

“高分一号”卫星在平台性能上也有所进步,这也为拍摄高精度的照片提供了支撑。据卫星总设计师白照广介绍,“高分一号”卫星使用航天东方红公司研制的CAST2000小卫星平台,这是一种标准的低轨道卫星平台,它使用三轴稳定控制方式,具有整星侧摆机动能力和较高精度的姿态控制能力。“高分一号”在此基础上加以改进,在CAST968/2000小卫星上首次采用二浮陀螺进行卫星姿态角速度测定,使得卫星姿态控制精度更高。“如果卫星姿态不够稳定,就像拿着照相机的手不断抖动,会直接影响成像质量。”白照广说。

此外,“高分一号”还是一颗“长寿卫星”。它是我国首颗设计、考核寿命要求大于5年的低轨卫星,而以往国内同类卫星的寿命大多为3年。“长寿”的奥秘就在于设计团队在关乎卫星使用寿命的活动部件,特别是飞速旋转而又损耗极大的陀螺以及卫星电池的设计方面花足了心思。改进的陀螺、高效能的太阳能帆板与锂电池,让“高分一号”能够更为持久地翱翔在太空之上。

明察秋毫的“高分二号”

“高分二号”是我国第一个突破亚米级的民用对地观测卫星,斑马线、小汽车等在其卫星影像图上可以清晰辨认,甚至黄浦江上的浪花都能看得清楚

“高分一号”卫星在分辨率上的不足并非无法弥补,只不过它需要高分家族中的另一名成员——“高分二号”卫星来完成。

“高分一号”的全色分辨率为2米,这意味着,地面上长和宽都小于2米的物体,呈现在“高分一号”所拍摄的全色图像上仅仅为一个像素点,并不能看清楚其不规则形状,也不随着图像放大而改变。像斑马线、小汽车等物体在“高分一号”的卫星图像上是无法呈现的,但是这些在“高分二号”的卫星影像图上都可以清晰辨认。甚至在“高分二号”的卫星影像图上,黄浦江上的浪花都能看得清楚。

这得益于“高分二号”已经达到1米的分辨率。其技术指标达到或超过国外同类光学遥感卫星的水平,关键在于由两台相同的分辨率为1米全色/4米多光谱组合而成的相机。“高分二号”相机分系统主任设计师姜海滨说,“高分二号”卫星相机焦距是国内卫星中焦距最长的。“这颗卫星上装有两台相机,与全世界同等级分辨率的卫星相比,是成像幅宽最大的,达到了45千米。而且这两台相机还实现了98%的国产率,关键部件都是中国制造。”

1米全色分辨率相比于2米全色分辨率来讲,不仅仅是数字的差别,更是质的飞跃。

“1米以下的分辨率就意味着进入了亚米级分辨率。‘高分二号’是我国第一个突破亚米级的民用对地观测卫星。”高分专项工程地面系统总工程师徐文说。亚米级遥感数据在国际遥感领域被称为“黄金数据”,这一称谓足见其重要性。

要进入亚米级,则需要突破多项技术。分辨率是航天光学遥感相机一项关键指标。传统方法是通过延长焦距、增大相机口径的方式实现更高分辨率,但相机的体积、重量也会随之增长,导致研制难度、成本倍增。上世纪九十年代,国外提出新的设计理念:在镜头焦距增加的同时,镜头口径增加相对较小,即相机的相对孔径越来越小。但这种方式受光学系统衍射的限制,会使图像质量有所降低。必须利用相机成像电路的低噪声技术和相关地面图像数据处理技术,才能保证图像质量。

研制过程中,科研人员在国内首次采用小相对孔径的创新设计,克服了镜头主次镜离焦敏感度高等困难,突破了大口径超长焦距光学系统水平重力卸载装校、海量数据处理等一系列高分辨率相机研制难关,实现在同等光学系统口径下,分辨率显著提高。同时,科研人员首次采用天地协同的运作方式,为“高分二号”引入“大遥感”设计理念,通过相机特点和地面处理特点的匹配,实现整个系统的优化,以充分挖掘相机的信息获取潜力。与“高分一号”相比,“高分二号”相机的焦距及分辨率提高了2.4倍,而口径仅增加了1.6倍。

“高分二号”卫星还在卫星定位精度方面做了很多功课,因为这关乎到其所拍摄的照片是否变形或错位而导致不准确。“高分二号”卫星总指挥兼总设计师潘腾介绍,以往我国卫星的定位精度多为百米量级,“高分二号”设计指标则要求达到无控制点条件下优于50米的定位精度,因此在测轨精度、姿态稳定精度等方面,研制团队开展了大量工作。

卫星的太阳能帆板、陀螺仪以及很多零部件会在运行中产生振动,对卫星上搭载的长焦镜头来说,轻微的震动都可能导致图像模糊。为此,研制团队对“高分二号”卫星平台进行了适应性改进。在“高分二号”两个太阳翼下面,装有国防科技大学研制的“天弦一号”太阳翼振动控制装置,能有效抑制太阳翼振动,使卫星姿态机动稳定时间进一步缩短。科研人员还首次采用阻尼减隔振等措施,吸收转动能量,稳定转动部件,以保证图像质量。

在保证稳定的前提下,“高分二号”上首次使用控制力矩陀螺,采用优化高效的控制定姿方案,具备了大角度快速机动能力。与能在180秒内侧摆25°的“高分一号”相比,“高分二号”可在180秒内侧摆35°。

而且,面对云层等天气因素对卫星拍照造成的影响时,沿着轨道飞行的“高分二号”还能选择性地开关机。“比如北京有云,黑龙江跟广东天气都不错,那我们就让卫星在广东开机拍摄,到了北京就关机,到了黑龙江再开机。这样就能把卫星的成像效能发挥好,节省数据储存的空间。”徐文介绍,这个特点叫做“分次成像”。

相互配合构造中国“天眼”系统

高分专项包括七颗卫星,功能定位各有不同,如雷达遥感卫星“高分三号”可以不受气候条件影响全天候观测,高光谱卫星“高分五号”可对大气成分进行综合探测

“‘高分一号’卫星已经在轨运行,情况非常好。在20余个政府部门、行业以及10个省级区域应用示范中心开展了非常好的示范应用。”王承文说,而且,它将与“高分二号”卫星相互配合,普查与详查相结合,在土地利用动态监测、矿产资源调查、城市精细化管理等众多领域发挥重要作用。

对于两颗卫星能力的相互配合,徐文解释说:“假如说,我们要找一个2米以上的地物特征,但是我们不知道它的准确位置,只知道它在哪个大的区域,就可以先用‘高分一号’来进行观测,看到很多类似的地物之后,再用‘高分二号’卫星对该区域的地物进行观测确认。”

其实,在整个高分专项中,不仅仅有这两颗卫星。七颗高分系列卫星功能各有不同,而且可以做到相互配合。

据国防科工局局长、高分专项领导小组组长许达哲介绍,具有1米分辨率的雷达遥感卫星“高分三号”、高轨光学遥感卫星“高分四号”、高光谱卫星“高分五号”都在加紧研制,并将在明后两年陆续发射。同时,“高分六号”、“高分七号”、平流层飞艇、航空观测系统、地面系统和应用示范系统也将加紧建设,至2020年前,我国将建立起高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率的对地观测体系。

高分辨率卫星又分为雷达卫星与光学卫星。光学卫星“高分二号”最大的敌人就是天气。具有1米分辨率的“高分三号”雷达遥感卫星就是要在解决高分辨率的基础上,克服“高分二号”的限制,做到全天候观测,“它是雷达卫星,无论有云、有雨,不管是白天还是晚上,它都可以进行观测,不受气侯条件的影响。”王承文说。

“高分四号”卫星是高轨卫星,始终在中国经度赤道上空3.6万米的高空对我们的国土进行观测,更好地解决高时间分辨率的问题,而且其时间分辨率可达到分钟级。

“‘高分五号’是具有纳米级光谱分辨率、可对大气成分进行综合探测的高光谱遥感卫星。”王承文说:“光谱是什么特性?有点像人的指纹,光谱分得越细,就可以把物质类型揭示得越彻底。”

对于之前“高分一号”卫星可以识别作物,王承文解释称,其靠的就是光谱,“不同植物的光谱特性是不一样的,不仅仅可以识别出水稻、小麦、白菜、大豆,它的亚种通过高光谱也可以识别出来。”

“高分专项与之前的卫星一个最大的不同是管理方式上的变化。我们过去是‘私家车管理体系’,高分专项打造的是一个‘公交系统’。它首先就是要提高数据的使用效率,提高运行管理的效能,我们每一颗卫星都要确定它的主用户、一般用户。”王承文说。在这之后就是完善数据分发体系,由资源中心首先对近20个部委逐步分发,同时也对有条件的省份建立省一级数据中心,把数据尽可能以最快捷最高效的方式发放给大家。

高分专项还建立了国家级数据应用技术中心,把各个用户的需求集中起来,由高分专项统一组织,集中全国优势力量攻克技术难关,形成成果共享,通过对于互联网平台等新技术的嫁接来促进空间信息产业和应用信息产业相关企业的发展,为这些企业的发展和促进产业的形成创造友好的环境和优良的条件。

 
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