揭秘中國高分二號衛星：能看清黃埔江上浪花

在地球大氣層以外飛行的對地觀測衛星宛如「天眼」，注視著地球表面，一物一景盡收眼底，為我們提供更高遠的視角觀測地球家園。這雙「天眼」是否明亮，決定了我們所看到的景物是否清晰。因此，無數航天科研人員孜孜不倦地工作，為的就是不斷擦亮這雙「天眼」。

    9月29日，「高分二號」衛星首批影像圖公布，在600公里高空所拍下的照片，能清晰地看到馬路上的斑馬線。這是我國首批亞米級高解析度衛星影像圖，標誌著我國衛星遙感技術進入亞米級時代。

    在地球大氣層以外飛行的對地觀測衛星宛如「天眼」，注視著地球表面，一物一景盡收眼底，為我們提供更高遠的視角觀測地球家園。這雙「天眼」是否明亮，決定了我們所看到的景物是否清晰。因此，無數航天科研人員孜孜不倦地工作，為的就是不斷擦亮這雙「天眼」。

    9月29日，「高分二號」衛星首批影像圖公布，在600公里高空所拍下的照片，能清晰地看到馬路上的斑馬線。這是我國首批亞米級高解析度衛星影像圖，標誌著我國衛星遙感技術進入亞米級時代。

    從「高分一號」衛星讓人震撼的首批衛星影像圖，到更為震撼的「高分二號」衛星影像圖，中國的「天眼」被一次次擦亮。

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    視野寬闊的「高分一號」

    「高分一號」衛星做到了空間解析度、多光譜和寬覆蓋的結合。它在全球中解析度衛星中是觀測幅寬最寬的一顆，用4天時間就可以對全球完成拍攝

    2006年，中國將高解析度對地觀測系統重大專項列入《國家中長期科學與技術發展規劃綱要（2006-2020年）》，是當年部署的16個重大專項之一。2010年5月，高分專項全面啟動。

    作為高分專項系列衛星的先鋒，「高分一號」衛星這顆「天眼」並沒有將主要能力放在明察秋毫方面，它就如瞭望台一般，登高望遠，視野遼闊是它不可替代的本事。

    「高分一號」衛星搭載了兩台2米解析度全色/8米解析度多光譜相機、4台16米解析度多光譜寬幅相機。這就決定了「高分一號」衛星在拍攝只具備灰色一種顏色的全色照片時，解析度可以達到2米，在拍攝彩色多光譜照片時的解析度為8米。

    單從這項指標看，「高分一號」衛星的解析度並沒有多麼出色，與國際同類衛星相比並無優勢，谷歌地圖所使用的「地球之眼」對地觀測衛星的解析度已經達到了0.41米。就算與國內其他衛星相比，其優勢也不明顯，早在2007年發射的「遙感二號」衛星就實現了2米的全色解析度。

    但是，並不能就此否定「高分一號」衛星的優秀。得益於其所搭載的功能強大的16米解析度多光譜寬幅相機，「高分一號」衛星做到了空間解析度、多光譜和寬覆蓋的結合。

    在對地拍攝時，「高分一號」的多台寬幅多光譜相機進行多角度拼接視場，從而實現了大視場成像，讓「高分一號」的16米解析度幅寬達到了驚人的800千米。「『高分一號』衛星是中高解析度相結合的衛星，它的解析度並不算高，但是它主要解決的是大幅寬問題。」高分專項工程副總指揮王承文說。

    雖然在解析度上略遜一籌，但在拍攝幅寬上面，「高分一號」可謂獨佔鰲頭。「它在全球中解析度衛星中是觀測幅寬最寬的一顆，用4天時間就可以對全球完成拍攝。」王承文說。

    如此一來，「高分一號」衛星便形成了足以成為技術突破的特點：高空間解析度、多光譜與高時間解析度結合的光學遙感技術應用。時間解析度是指軌道衛星在同一區域進行的相鄰兩次遙感觀測的最小時間間隔，亦稱覆蓋周期。時間間隔越大，時間解析度越低，反之時間解析度就越高。「時間就是金錢」這句話在這裡同樣適用。

    「我們國家國土幅員遼闊，需要觀測幅寬大的衛星，更主要的是幅寬跟時間解析度有很大的關係。我們所提到的高解析度概念不僅僅是指大家平常所認為的空間解析度，實際上『高分一號』從立項的時候就要求高時間解析度，這在應用方面是非常重要的。」王承文說，為保證大範圍觀測，還設計了利用動量輪控制實現衛星滾動側擺25°的能力，可觀測範圍達到近1000千米。

    「高分一號」衛星在平台性能上也有所進步，這也為拍攝高精度的照片提供了支撐。據衛星總設計師白照廣介紹，「高分一號」衛星使用航天東方紅公司研製的CAST2000小衛星平台，這是一種標準的低軌道衛星平台，它使用三軸穩定控制方式，具有整星側擺機動能力和較高精度的姿態控制能力。「高分一號」在此基礎上加以改進，在CAST968/2000小衛星上首次採用二浮陀螺進行衛星姿態角速度測定，使得衛星姿態控制精度更高。「如果衛星姿態不夠穩定，就像拿著照相機的手不斷抖動，會直接影響成像質量。」白照廣說。

    此外，「高分一號」還是一顆「長壽衛星」。它是我國首顆設計、考核壽命要求大於5年的低軌衛星，而以往國內同類衛星的壽命大多為3年。「長壽」的奧秘就在於設計團隊在關乎衛星使用壽命的活動部件，特別是飛速旋轉而又損耗極大的陀螺以及衛星電池的設計方面花足了心思。改進的陀螺、高效能的太陽能帆板與鋰電池，讓「高分一號」能夠更為持久地翱翔在太空之上。

2

    明察秋毫的「高分二號」

    「高分二號」是我國第一個突破亞米級的民用對地觀測衛星，斑馬線、小汽車等在其衛星影像圖上可以清晰辨認，甚至黃浦江上的浪花都能看得清楚

    「高分一號」衛星在解析度上的不足並非無法彌補，只不過它需要高分家族中的另一名成員——「高分二號」衛星來完成。

    「高分一號」的全色解析度為2米，這意味著，地面上長和寬都小於2米的物體，呈現在「高分一號」所拍攝的全色圖像上僅僅為一個像素點，並不能看清楚其不規則形狀，也不隨著圖像放大而改變。像斑馬線、小汽車等物體在「高分一號」的衛星圖像上是無法呈現的，但是這些在「高分二號」的衛星影像圖上都可以清晰辨認。甚至在「高分二號」的衛星影像圖上，黃浦江上的浪花都能看得清楚。

    這得益於「高分二號」已經達到1米的解析度。其技術指標達到或超過國外同類光學遙感衛星的水平，關鍵在於由兩台相同的解析度為1米全色/4米多光譜組合而成的相機。「高分二號」相機分系統主任設計師姜海濱說，「高分二號」衛星相機焦距是國內衛星中焦距最長的。「這顆衛星上裝有兩台相機，與全世界同等級解析度的衛星相比，是成像幅寬最大的，達到了45千米。而且這兩台相機還實現了98%的國產率，關鍵部件都是中國製造。」

    1米全色解析度相比於2米全色解析度來講，不僅僅是數字的差別，更是質的飛躍。

    「1米以下的解析度就意味著進入了亞米級解析度。『高分二號』是我國第一個突破亞米級的民用對地觀測衛星。」高分專項工程地面系統總工程師徐文說。亞米級遙感數據在國際遙感領域被稱為「黃金數據」，這一稱謂足見其重要性。

    要進入亞米級，則需要突破多項技術。解析度是航天光學遙感相機一項關鍵指標。傳統方法是通過延長焦距、增大相機口徑的方式實現更高解析度，但相機的體積、重量也會隨之增長，導致研製難度、成本倍增。上世紀九十年代，國外提出新的設計理念：在鏡頭焦距增加的同時，鏡頭口徑增加相對較小，即相機的相對孔徑越來越小。但這種方式受光學系統衍射的限制，會使圖像質量有所降低。必須利用相機成像電路的低雜訊技術和相關地面圖像數據處理技術，才能保證圖像質量。

    研製過程中，科研人員在國內首次採用小相對孔徑的創新設計，克服了鏡頭主次鏡離焦敏感度高等困難，突破了大口徑超長焦距光學系統水平重力卸載裝校、海量數據處理等一系列高解析度相機研製難關，實現在同等光學系統口徑下，解析度顯著提高。同時，科研人員首次採用天地協同的運作方式，為「高分二號」引入「大遙感」設計理念，通過相機特點和地面處理特點的匹配，實現整個系統的優化，以充分挖掘相機的信息獲取潛力。與「高分一號」相比，「高分二號」相機的焦距及解析度提高了2.4倍，而口徑僅增加了1.6倍。

    「高分二號」衛星還在衛星定位精度方面做了很多功課，因為這關乎到其所拍攝的照片是否變形或錯位而導致不準確。「高分二號」衛星總指揮兼總設計師潘騰介紹，以往我國衛星的定位精度多為百米量級，「高分二號」設計指標則要求達到無控制點條件下優於50米的定位精度，因此在測軌精度、姿態穩定精度等方面，研製團隊開展了大量工作。

    衛星的太陽能帆板、陀螺儀以及很多零部件會在運行中產生振動，對衛星上搭載的長焦鏡頭來說，輕微的震動都可能導致圖像模糊。為此，研製團隊對「高分二號」衛星平台進行了適應性改進。在「高分二號」兩個太陽翼下面，裝有國防科技大學研製的「天弦一號」太陽翼振動控制裝置，能有效抑制太陽翼振動，使衛星姿態機動穩定時間進一步縮短。科研人員還首次採用阻尼減隔振等措施，吸收轉動能量，穩定轉動部件，以保證圖像質量。

    在保證穩定的前提下，「高分二號」上首次使用控制力矩陀螺，採用優化高效的控制定姿方案，具備了大角度快速機動能力。與能在180秒內側擺25°的「高分一號」相比，「高分二號」可在180秒內側擺35°。

    而且，面對雲層等天氣因素對衛星拍照造成的影響時，沿著軌道飛行的「高分二號」還能選擇性地開關機。「比如北京有雲，黑龍江跟廣東天氣都不錯，那我們就讓衛星在廣東開機拍攝，到了北京就關機，到了黑龍江再開機。這樣就能把衛星的成像效能發揮好，節省數據儲存的空間。」徐文介紹，這個特點叫做「分次成像」。

3

    相互配合構造中國「天眼」系統

    高分專項包括七顆衛星，功能定位各有不同，如雷達遙感衛星「高分三號」可以不受氣候條件影響全天候觀測，高光譜衛星「高分五號」可對大氣成分進行綜合探測

    「『高分一號』衛星已經在軌運行，情況非常好。在20餘個政府部門、行業以及10個省級區域應用示範中心開展了非常好的示範應用。」王承文說，而且，它將與「高分二號」衛星相互配合，普查與詳查相結合，在土地利用動態監測、礦產資源調查、城市精細化管理等眾多領域發揮重要作用。

    對於兩顆衛星能力的相互配合，徐文解釋說：「假如說，我們要找一個2米以上的地物特徵，但是我們不知道它的準確位置，只知道它在哪個大的區域，就可以先用『高分一號』來進行觀測，看到很多類似的地物之後，再用『高分二號』衛星對該區域的地物進行觀測確認。」

    其實，在整個高分專項中，不僅僅有這兩顆衛星。七顆高分系列衛星功能各有不同，而且可以做到相互配合。

    據國防科工局局長、高分專項領導小組組長許達哲介紹，具有1米解析度的雷達遙感衛星「高分三號」、高軌光學遙感衛星「高分四號」、高光譜衛星「高分五號」都在加緊研製，並將在明后兩年陸續發射。同時，「高分六號」、「高分七號」、平流層飛艇、航空觀測系統、地面系統和應用示範系統也將加緊建設，至2020年前，我國將建立起高空間解析度、高時間解析度、高光譜解析度的對地觀測體系。

    高解析度衛星又分為雷達衛星與光學衛星。光學衛星「高分二號」最大的敵人就是天氣。具有1米解析度的「高分三號」雷達遙感衛星就是要在解決高解析度的基礎上，克服「高分二號」的限制，做到全天候觀測，「它是雷達衛星，無論有雲、有雨，不管是白天還是晚上，它都可以進行觀測，不受氣侯條件的影響。」王承文說。

    「高分四號」衛星是高軌衛星，始終在中國經度赤道上空3.6萬米的高空對我們的國土進行觀測，更好地解決高時間解析度的問題，而且其時間解析度可達到分鐘級。

    「『高分五號』是具有納米級光譜解析度、可對大氣成分進行綜合探測的高光譜遙感衛星。」王承文說：「光譜是什麼特性？有點像人的指紋，光譜分得越細，就可以把物質類型揭示得越徹底。」

    對於之前「高分一號」衛星可以識別作物，王承文解釋稱，其靠的就是光譜，「不同植物的光譜特性是不一樣的，不僅僅可以識別出水稻、小麥、白菜、大豆，它的亞種通過高光譜也可以識別出來。」

    「高分專項與之前的衛星一個最大的不同是管理方式上的變化。我們過去是『私家車管理體系』，高分專項打造的是一個『公交系統』。它首先就是要提高數據的使用效率，提高運行管理的效能，我們每一顆衛星都要確定它的主用戶、一般用戶。」王承文說。在這之後就是完善數據分發體系，由資源中心首先對近20個部委逐步分發，同時也對有條件的省份建立省一級數據中心，把數據儘可能以最快捷最高效的方式發放給大家。

    高分專項還建立了國家級數據應用技術中心，把各個用戶的需求集中起來，由高分專項統一組織，集中全國優勢力量攻克技術難關，形成成果共享，通過對於互聯網平台等新技術的嫁接來促進空間信息產業和應用信息產業相關企業的發展，為這些企業的發展和促進產業的形成創造友好的環境和優良的條件。