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中國(guó)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(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征－3B運(yùn)載火箭成功發(fā)射了高分－4衛(wèi)星。該衛(wèi)星是我國(guó)首顆地球同步軌道高分辨率對(duì)地觀(guān)測(cè)光學(xué)成像衛(wèi)星，空間分辨率為50m，它填補(bǔ)了我國(guó)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(guó)高分辨率對(duì)地觀(guān)測(cè)系統(tǒng)重大專(zhuān)項(xiàng)（簡(jiǎn)稱(chēng)“高分”專(zhuān)項(xiàng)）首顆高軌高分辨率對(duì)地觀(guān)測(cè)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(jiàn)光近紅外譜段分辨率優(yōu)于50m，可觀(guān)測(cè)面積大，能長(zhǎng)期對(duì)某一地區(qū)固定連續(xù)觀(guān)測(cè)，在氣象觀(guān)測(cè)、應(yīng)急救災(zāi)、環(huán)境保護(hù)、森林災(zāi)害監(jiān)測(cè)等動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求高的領(lǐng)域有很高的應(yīng)用價(jià)值，可成為現(xiàn)有太陽(yáng)同步軌道對(duì)地觀(guān)測(cè)體系的重要補(bǔ)充。

2010年5月，“高分”專(zhuān)項(xiàng)全面啟動(dòng)。其天基對(duì)地觀(guān)測(cè)平臺(tái)將包含十余顆衛(wèi)星。2013年4月，“高分”專(zhuān)項(xiàng)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(duì)地觀(guān)測(cè)和大幅寬成像結(jié)合的特點(diǎn)，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(guó)際同類(lèi)衛(wèi)星觀(guān)測(cè)幅寬的最高水平；2014年8月，全色分辨率達(dá)0.8m的高分－2成功發(fā)射，將我國(guó)遙感衛(wèi)星空間分辨率帶進(jìn)亞米時(shí)代。2015年6月和9月，我國(guó)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(shì)在于其分鐘級(jí)的高時(shí)間分辨率，并結(jié)合了較高的空間分辨率。

鏈接：2006年，我國(guó)將高分辨率對(duì)地觀(guān)測(cè)系統(tǒng)重大專(zhuān)項(xiàng)列入《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》，是當(dāng)年部署的16個(gè)重大專(zhuān)項(xiàng)之一。“高分”專(zhuān)項(xiàng)將建設(shè)基于衛(wèi)星、平流層飛艇和飛機(jī)的高分辨率對(duì)地觀(guān)測(cè)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(guān)測(cè)手段相結(jié)合，形成全天候、全天時(shí)、全球覆蓋的對(duì)地觀(guān)測(cè)能力。到2020年，建成先進(jìn)的陸地、大氣和海洋對(duì)地觀(guān)測(cè)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(jìn)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(guó)首個(gè)高軌遙感衛(wèi)星平臺(tái)和首臺(tái)高軌高分辨率面陣凝視相機(jī)。其發(fā)射質(zhì)量約5t，設(shè)計(jì)壽命8年，為我國(guó)首顆遙感類(lèi)8年長(zhǎng)壽命衛(wèi)星；衛(wèi)星具備高精度定位及姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)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(tái)面陣CMOS相機(jī)，并首次采用可見(jiàn)光近紅外和中波紅外共口徑技術(shù)，可見(jiàn)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(duì)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(jì)了單景凝視、區(qū)域拼接、機(jī)動(dòng)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(guò)衛(wèi)星平臺(tái)的快速機(jī)動(dòng)和高穩(wěn)定控制能力，可完成對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)持續(xù)監(jiān)視、大范圍區(qū)域目標(biāo)快速成像以及多個(gè)熱點(diǎn)地區(qū)的交替巡查。高分－4還可在緊急情況時(shí)根據(jù)用戶(hù)需求開(kāi)啟“全天時(shí)工作模式”，如觀(guān)測(cè)臺(tái)風(fēng)形成過(guò)程、監(jiān)控森林火災(zāi)等。

高分－1、2和4衛(wèi)星情況對(duì)比

2 突破高軌遙感衛(wèi)星多項(xiàng)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?jī)?yōu)越，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。此次成功成像，意味著衛(wèi)星抓總研制單位——中國(guó)航天科技集團(tuán)公司所屬中國(guó)空間技術(shù)研究院在多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了突破。

突破長(zhǎng)壽命、高可靠技術(shù)，

有效應(yīng)對(duì)高軌復(fù)雜空間環(huán)境

高分－4在軌設(shè)計(jì)壽命8年，是我國(guó)首顆遙感類(lèi)8年長(zhǎng)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(huì)衰變或發(fā)生故障，研制團(tuán)隊(duì)對(duì)相機(jī)、控制以及元器件和原材料等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了系統(tǒng)改進(jìn)。為應(yīng)對(duì)太陽(yáng)暴曬，設(shè)計(jì)人員提出了“陽(yáng)光規(guī)避”模式，由控制系統(tǒng)自動(dòng)躲避太陽(yáng)；為應(yīng)對(duì)輻照，研制人員對(duì)原來(lái)應(yīng)用于低軌衛(wèi)星上的電子學(xué)單機(jī)以及光學(xué)膜系進(jìn)行了抗輻照設(shè)計(jì)，提升了空間環(huán)境適應(yīng)能力。

實(shí)現(xiàn)快速機(jī)動(dòng)、高穩(wěn)定控制和高精度

姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)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(jī)動(dòng)技術(shù)”，為高分－4安裝了4個(gè)大力矩動(dòng)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(tái)的兩大活動(dòng)部件飛輪和太陽(yáng)帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)著手，把振動(dòng)減到了最小。為了實(shí)現(xiàn)快速機(jī)動(dòng)，新研制的“大力矩飛輪”，通過(guò)加速或者減速產(chǎn)生反作用力實(shí)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(zhǎng)、質(zhì)量輕、使用便捷等特點(diǎn)，為我國(guó)航天器實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命、高精度、快速機(jī)動(dòng)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(jìn)的姿態(tài)測(cè)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(jī)口徑很大，相機(jī)如果不能安裝在合適的“三腳架”上，會(huì)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(jì)了一個(gè)在太空中“零變形”的“三腳架”。工藝人員設(shè)計(jì)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(shí)保證異型結(jié)構(gòu)每一個(gè)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(xiàng)新技術(shù)，研制了我國(guó)首臺(tái)高軌高分辨率相機(jī)

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(jī)研制人員在“高分”相機(jī)家族中創(chuàng)造了多個(gè)“第一”，如第一次采用億級(jí)像元數(shù)的可見(jiàn)光探測(cè)器件以及百萬(wàn)級(jí)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(jiàn)光共口徑的光學(xué)設(shè)計(jì)等，使高分－4相機(jī)當(dāng)之無(wú)愧地成為我國(guó)首臺(tái)高軌高分辨率相機(jī)。此外，首次研制了大面陣紅外探測(cè)器，研制人員開(kāi)展了一系列高軌道紅外探測(cè)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(kāi)啟高低軌遙感衛(wèi)星協(xié)同工作新時(shí)代

高分－4的成功發(fā)射，開(kāi)啟了我國(guó)高低軌遙感衛(wèi)星協(xié)同工作的新時(shí)代。利用高分－4長(zhǎng)期駐留固定區(qū)域上空、快速指向調(diào)整能力等優(yōu)勢(shì)，可在第一時(shí)間、持續(xù)高頻率獲取觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)；結(jié)合高分－1、2等低軌道遙感衛(wèi)星運(yùn)行速度快、靈活性和高空間分辨率的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高低軌遙感衛(wèi)星“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”，就能使用戶(hù)既能迅速地“見(jiàn)森林”，又能準(zhǔn)確地“見(jiàn)樹(shù)木”，可為災(zāi)害監(jiān)測(cè)、措施應(yīng)對(duì)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(guó)遙感衛(wèi)星跨入?yún)f(xié)同配合時(shí)代，不斷向著更好更快地滿(mǎn)足用戶(hù)需求、服務(wù)國(guó)計(jì)民生而邁進(jìn)。

4 結(jié)語(yǔ)

高分－4實(shí)現(xiàn)了高時(shí)間分辨率和較高空間分辨率的結(jié)合，開(kāi)辟了我國(guó)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(shí)標(biāo)志著我國(guó)“十二五”期間航天發(fā)射任務(wù)圓滿(mǎn)收官。

2016年是我國(guó)“十三五”的開(kāi)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(dá)1m，具備全天時(shí)、全天候?qū)Φ赜^(guān)測(cè)能力的雷達(dá)成像衛(wèi)星高分－3，以及具有納米級(jí)光譜分辨率、可對(duì)大氣成分進(jìn)行綜合探測(cè)的高光譜對(duì)地觀(guān)測(cè)衛(wèi)星高分－5。屆時(shí)，我國(guó)高分辨率對(duì)地觀(guān)測(cè)衛(wèi)星體系將更為完善，將為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。

齊真/文