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中國首顆地球同步軌道高分辨率光學(xué)衛(wèi)星高分－4入軌

China Launches First GSO High-resolution Optical Imaging Satellite GF－4

2015年12月29日，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征－3B運載火箭成功發(fā)射了高分－4衛(wèi)星。該衛(wèi)星是我國首顆地球同步軌道高分辨率對地觀測光學(xué)成像衛(wèi)星，空間分辨率為50m，它填補了我國乃至世界高軌道高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星的空白。

1 “高分”家族添新丁

高分－4衛(wèi)星是我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項（簡稱“高分”專項）首顆高軌高分辨率對地觀測光學(xué)成像衛(wèi)星，也是目前世界上空間分辨率最高、幅寬最大的地球同步軌道遙感衛(wèi)星。高分－4可見光近紅外譜段分辨率優(yōu)于50m，可觀測面積大，能長期對某一地區(qū)固定連續(xù)觀測，在氣象觀測、應(yīng)急救災(zāi)、環(huán)境保護、森林災(zāi)害監(jiān)測等動態(tài)實時監(jiān)測要求高的領(lǐng)域有很高的應(yīng)用價值，可成為現(xiàn)有太陽同步軌道對地觀測體系的重要補充。

2010年5月，“高分”專項全面啟動。其天基對地觀測平臺將包含十余顆衛(wèi)星。2013年4月，“高分”專項的首發(fā)星——高分－1成功發(fā)射，該衛(wèi)星具有高、中空間分辨率對地觀測和大幅寬成像結(jié)合的特點，2m分辨率全色和8m分辨率多光譜圖像組合幅寬優(yōu)于60km，16m分辨率多光譜圖像組合幅寬優(yōu)于800km，為國際同類衛(wèi)星觀測幅寬的最高水平；2014年8月，全色分辨率達0.8m的高分－2成功發(fā)射，將我國遙感衛(wèi)星空間分辨率帶進亞米時代。2015年6月和9月，我國分別成功發(fā)射高分－8和9。相較于上述4顆低軌“高分”系列衛(wèi)星，高分－4的優(yōu)勢在于其分鐘級的高時間分辨率，并結(jié)合了較高的空間分辨率。

鏈接：2006年，我國將高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項列入《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》，是當年部署的16個重大專項之一?！案叻帧睂ｍ棇⒔ㄔO(shè)基于衛(wèi)星、平流層飛艇和飛機的高分辨率對地觀測數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，完善相應(yīng)的接收、處理和應(yīng)用系統(tǒng)，與其他觀測手段相結(jié)合，形成全天候、全天時、全球覆蓋的對地觀測能力。到2020年，建成先進的陸地、大氣和海洋對地觀測系統(tǒng)，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、防災(zāi)減災(zāi)、資源環(huán)境、公共安全等重大領(lǐng)域提供服務(wù)，確保掌握信息資源自主權(quán)，促進形成空間信息產(chǎn)業(yè)鏈。

高分－4衛(wèi)星整裝待發(fā)（南勇/攝）

高分－4采用了我國首個高軌遙感衛(wèi)星平臺和首臺高軌高分辨率面陣凝視相機。其發(fā)射質(zhì)量約5t，設(shè)計壽命8年，為我國首顆遙感類8年長壽命衛(wèi)星；衛(wèi)星具備高精度定位及姿態(tài)快速機動能力；數(shù)據(jù)下傳采用Ka頻段，具有較高速率，為300Mbit/s；衛(wèi)星定位于105.6°（E）。衛(wèi)星配備1臺面陣CMOS相機，并首次采用可見光近紅外和中波紅外共口徑技術(shù)，可見光近紅外譜段分辨率優(yōu)于50m，中波紅外譜段分辨率優(yōu)于400m。針對多方面的任務(wù)需求和全新的載荷成像方式，高分－4設(shè)計了單景凝視、區(qū)域拼接、機動巡查等多種與中低軌道遙感衛(wèi)星完全不同的全新工作模式，通過衛(wèi)星平臺的快速機動和高穩(wěn)定控制能力，可完成對運動目標持續(xù)監(jiān)視、大范圍區(qū)域目標快速成像以及多個熱點地區(qū)的交替巡查。高分－4還可在緊急情況時根據(jù)用戶需求開啟“全天時工作模式”，如觀測臺風(fēng)形成過程、監(jiān)控森林火災(zāi)等。

高分－1、2和4衛(wèi)星情況對比

2 突破高軌遙感衛(wèi)星多項關(guān)鍵技術(shù)

2016年1月5日，高分－4發(fā)回首張圖像，圖像質(zhì)量優(yōu)越，達到預(yù)期目標。此次成功成像，意味著衛(wèi)星抓總研制單位——中國航天科技集團公司所屬中國空間技術(shù)研究院在多項關(guān)鍵技術(shù)上實現(xiàn)了突破。

突破長壽命、高可靠技術(shù)，

有效應(yīng)對高軌復(fù)雜空間環(huán)境

高分－4在軌設(shè)計壽命8年，是我國首顆遙感類8年長壽命衛(wèi)星。為確保衛(wèi)星在高軌道復(fù)雜的空間環(huán)境里抗高溫、抗輻射，其材料及設(shè)備不會衰變或發(fā)生故障，研制團隊對相機、控制以及元器件和原材料等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行了系統(tǒng)改進。為應(yīng)對太陽暴曬，設(shè)計人員提出了“陽光規(guī)避”模式，由控制系統(tǒng)自動躲避太陽；為應(yīng)對輻照，研制人員對原來應(yīng)用于低軌衛(wèi)星上的電子學(xué)單機以及光學(xué)膜系進行了抗輻照設(shè)計，提升了空間環(huán)境適應(yīng)能力。

實現(xiàn)快速機動、高穩(wěn)定控制和高精度

姿態(tài)快速機動與高穩(wěn)定控制也是高分－4的關(guān)鍵技術(shù)之一。為此，技術(shù)人員突破了“小角度快速機動技術(shù)”，為高分－4安裝了4個大力矩動量輪。研制人員還采取了全方位的“維穩(wěn)”措施，從衛(wèi)星平臺的兩大活動部件飛輪和太陽帆板驅(qū)動機構(gòu)著手，把振動減到了最小。為了實現(xiàn)快速機動，新研制的“大力矩飛輪”，通過加速或者減速產(chǎn)生反作用力實現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整，大力矩飛輪因其具有輸出力矩大、控制精度高、壽命長、質(zhì)量輕、使用便捷等特點，為我國航天器實現(xiàn)長壽命、高精度、快速機動提供了新的技術(shù)途徑。此外，為確保衛(wèi)星高精度指向，高分－4配備了先進的姿態(tài)測量敏感器。

創(chuàng)新采用高穩(wěn)定一體化結(jié)構(gòu)，拍照更穩(wěn)

高分－4攜帶的相機口徑很大，相機如果不能安裝在合適的“三腳架”上，會導(dǎo)致成像模糊。研制人員首次采用了一體化結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新設(shè)計了一個在太空中“零變形”的“三腳架”。工藝人員設(shè)計出一套新型組合式工裝，不僅可以一次成型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且能夠同時保證異型結(jié)構(gòu)每一個平面的精度。此外，他們首次采用冷熱交變的方式，最大程度釋放復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力，使“三腳架”更加穩(wěn)固。

采用多項新技術(shù)，研制了我國首臺高軌高分辨率相機

在成像質(zhì)量方面，為更好地適應(yīng)高軌惡劣的空間環(huán)境，高分－4相機研制人員在“高分”相機家族中創(chuàng)造了多個“第一”，如第一次采用億級像元數(shù)的可見光探測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(xué)設(shè)計等，使高分－4相機當之無愧地成為我國首臺高軌高分辨率相機。此外，首次研制了大面陣紅外探測器，研制人員開展了一系列高軌道紅外探測器的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，確保了其在高軌道上的首次成功應(yīng)用。

高分-4研制人員正在忙碌地工作（南勇/攝）

3 開啟高低軌遙感衛(wèi)星協(xié)同工作新時代

高分－4的成功發(fā)射，開啟了我國高低軌遙感衛(wèi)星協(xié)同工作的新時代。利用高分－4長期駐留固定區(qū)域上空、快速指向調(diào)整能力等優(yōu)勢，可在第一時間、持續(xù)高頻率獲取觀測數(shù)據(jù)；結(jié)合高分－1、2等低軌道遙感衛(wèi)星運行速度快、靈活性和高空間分辨率的優(yōu)勢，實現(xiàn)高低軌遙感衛(wèi)星“強強聯(lián)合”，就能使用戶既能迅速地“見森林”，又能準確地“見樹木”，可為災(zāi)害監(jiān)測、措施應(yīng)對等提供更有效的技術(shù)支撐。

高分－4的成功發(fā)射意味著我國遙感衛(wèi)星跨入?yún)f(xié)同配合時代，不斷向著更好更快地滿足用戶需求、服務(wù)國計民生而邁進。

4 結(jié)語

高分－4實現(xiàn)了高時間分辨率和較高空間分辨率的結(jié)合，開辟了我國高軌道高分辨率遙感衛(wèi)星技術(shù)新領(lǐng)域。其發(fā)射成功同時標志著我國“十二五”期間航天發(fā)射任務(wù)圓滿收官。

2016年是我國“十三五”的開局之年，這一年中，還將發(fā)射2顆“高分”系列衛(wèi)星——分辨率達1m，具備全天時、全天候?qū)Φ赜^測能力的雷達成像衛(wèi)星高分－3，以及具有納米級光譜分辨率、可對大氣成分進行綜合探測的高光譜對地觀測衛(wèi)星高分－5。屆時，我國高分辨率對地觀測衛(wèi)星體系將更為完善，將為我國國民經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展做出更大貢獻。

齊真/文