文/

▲ 高分二號(hào)發(fā)射前

今年上半年，高分五號(hào)、六號(hào)衛(wèi)星相繼升空，大大提升了我國(guó)對(duì)地觀測(cè)的能力。那么，高分系列衛(wèi)星有哪些秘密呢？

怎樣才能得“高分”

“高分”指的是高分辨率對(duì)地觀測(cè)，而“高分專項(xiàng)”則是我國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的重大工程。高分專項(xiàng)要建設(shè)具備高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率、高精度觀測(cè)能力的自主、先進(jìn)的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，并與其他觀測(cè)手段結(jié)合，形成具備時(shí)空協(xié)調(diào)、全天時(shí)、全天候、全球觀測(cè)能力的穩(wěn)定運(yùn)行系統(tǒng)。

隨著高分專項(xiàng)工程的實(shí)施，我國(guó)的高分辨率對(duì)地觀測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)“從有到好”的巨大跨越。國(guó)產(chǎn)高分辨率遙感數(shù)據(jù)的自給率大幅提高，一大批高分辨率對(duì)地觀測(cè)的重大關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破，國(guó)家遙感應(yīng)用能力初步形成。那么，高分衛(wèi)星是怎樣做到這些的呢？

原來(lái)，高分衛(wèi)星都屬于高分辨率對(duì)地觀測(cè)遙感衛(wèi)星。遙感，從字面上來(lái)看，可以簡(jiǎn)單理解為遙遠(yuǎn)的感知，泛指一切無(wú)接觸的遠(yuǎn)距離探測(cè)。從現(xiàn)代技術(shù)層面上講，遙感是一種應(yīng)用探測(cè)儀器，使用空間運(yùn)載工具和現(xiàn)代化的電子、光學(xué)儀器，探測(cè)和識(shí)別遠(yuǎn)距離研究對(duì)象的技術(shù)。

遙感可以通過(guò)人造地球衛(wèi)星、航空器等平臺(tái)上的遙測(cè)儀對(duì)地球表面進(jìn)行感應(yīng)遙測(cè)和資源管理的監(jiān)視，大到海洋森林，小至池塘草地，疾如山火臺(tái)風(fēng)，靜若礦山土壤，都難逃它的法眼。其中，能夠作為外層空間遙感平臺(tái)的人造衛(wèi)星就是遙感衛(wèi)星，而高分衛(wèi)星則是其中“心明眼亮”的佼佼者。

通常，遙感衛(wèi)星可在軌道上運(yùn)行數(shù)年，而高分衛(wèi)星家族更是長(zhǎng)壽星，除了高分一號(hào)衛(wèi)星和高分二號(hào)衛(wèi)星外，其他高分衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命都能夠達(dá)到8年。

遙感衛(wèi)星能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)覆蓋整個(gè)地球或指定的任何區(qū)域，當(dāng)沿地球同步軌道運(yùn)行時(shí)，它能連續(xù)對(duì)地球表面的指定地域進(jìn)行遙感。遙感衛(wèi)星根據(jù)載荷遙感儀器的不同分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種。其中，被動(dòng)遙感儀器直接接收目標(biāo)物體發(fā)出的紅外輻射或反射的太陽(yáng)光等電磁波信號(hào)；主動(dòng)遙感儀器則通過(guò)自帶的輻射源發(fā)射電磁波，然后再接收目標(biāo)物體反射或散射的電磁波信號(hào)。

▲ 高分四號(hào)吊裝 喬琳 攝

洞察秋毫的高分光學(xué)衛(wèi)星

光學(xué)衛(wèi)星主要是衛(wèi)星利用光電遙感器材對(duì)地面拍攝以獲取圖像，它主要有可見(jiàn)光相機(jī)、多光譜相機(jī)、超光譜相機(jī)、多光譜掃描儀和電視攝像機(jī)等，具有分辨率高的特點(diǎn)。

光學(xué)遙感是遙感科技中發(fā)展最早，也是目前對(duì)地觀測(cè)和空間信息領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)手段。近年來(lái)，隨著光學(xué)成像、電子學(xué)與空間技術(shù)的快速發(fā)展，高空間、高光譜和高時(shí)間分辨率遙感不斷取得新突破，遙感衛(wèi)星數(shù)量也呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，為光學(xué)遙感圖像處理與應(yīng)用發(fā)展創(chuàng)造了前所未有的機(jī)遇和廣闊前景。

截至目前，我國(guó)發(fā)射的高分一號(hào)、二號(hào)、四號(hào)、五號(hào)、六號(hào)都屬于光學(xué)衛(wèi)星。盡管看上去“殺手锏”一樣，但這五個(gè)高分兄弟各個(gè)身手不凡，互有千秋。

作為高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的首發(fā)星“高分一號(hào)”突破了高空間分辨率、多光譜與寬覆蓋相結(jié)合的光學(xué)遙感等關(guān)鍵技術(shù)，分辨率達(dá)到2米，一眼覆蓋800公里，4天可看遍地球，分辨率和幅寬綜合指標(biāo)均達(dá)到世界先進(jìn)水平。

“高分二號(hào)”是迄今我國(guó)空間分辨率最高的民用遙感衛(wèi)星，它的出現(xiàn)標(biāo)志著我國(guó)民用遙感衛(wèi)星正式跨入亞米級(jí)分辨率時(shí)代，空間分辨率優(yōu)于1米，幅寬大于45公里。高分一號(hào)、二號(hào)運(yùn)行于近地軌道，空間分辨率高，但對(duì)固定區(qū)域重訪所需周期較長(zhǎng)，時(shí)間分辨率較低。

高軌遙感衛(wèi)星可彌補(bǔ)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(hào)衛(wèi)星發(fā)射升空，運(yùn)行于地球同步軌道，成為觀測(cè)地球的最高“太空眼”。

今年5月，“高分五號(hào)”發(fā)射升空，是世界首顆實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣和陸地綜合觀測(cè)的全譜段高光譜衛(wèi)星。高光譜遙感是當(dāng)前遙感技術(shù)的前沿領(lǐng)域，地球上不同的元素及其化合物都有獨(dú)特的光譜特征，光譜因此被視為辨別物質(zhì)的“指紋”，是用以識(shí)別和分析不同物體特征的一種重要的“身份證”。

光學(xué)成像只能看到物質(zhì)的形狀、尺寸等，高分五號(hào)衛(wèi)星具備的光譜成像技術(shù)，可使光譜與圖像結(jié)合為一體，探測(cè)物質(zhì)的具體成分。另外，該衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)紫外至長(zhǎng)波紅外譜段的高光譜觀測(cè)，探測(cè)手段豐富，工作模式多達(dá)26種，定標(biāo)精度亦為國(guó)內(nèi)衛(wèi)星之最。

今年6月，高分六號(hào)衛(wèi)星發(fā)射成功，開(kāi)啟“高分家族”組網(wǎng)新篇。高分六號(hào)衛(wèi)星與高分一號(hào)衛(wèi)星同屬成熟的CAST2000小衛(wèi)星平臺(tái)，但作為我國(guó)第一顆設(shè)置紅邊譜段的多光譜遙感衛(wèi)星，高分六號(hào)衛(wèi)星的成像性能、圖像精度、衛(wèi)星系統(tǒng)效能、可靠性等全面提升，每天累計(jì)數(shù)據(jù)獲取量翻倍。

▲ 高分五號(hào)衛(wèi)星太陽(yáng)帆板展開(kāi)

“不畏浮云遮望眼”的雷達(dá)衛(wèi)星

雖然，光學(xué)偵察衛(wèi)星具有分辨率高的特點(diǎn)，但也容易受天氣影響，陰雨和云霧天氣都會(huì)讓光學(xué)偵察衛(wèi)星“看”不清楚。因此，一些航天大國(guó)又研制了能夠全天候工作的雷達(dá)成像衛(wèi)星。

雷達(dá)成像衛(wèi)星是利用星載雷達(dá)獲取目標(biāo)圖像信息，不受光照和云霧等氣象條件限制，但成像分辨率較低，一般在1米左右。

雷達(dá)波段理論上是波段越小看到的影像越清晰，因此，雷達(dá)需要很長(zhǎng)的天線才能發(fā)出所需的微波。但目前大型的微波雷達(dá)天線達(dá)到數(shù)公里，傳統(tǒng)雷達(dá)無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)載和星載，為了解決衛(wèi)星分辨率問(wèn)題，采用多個(gè)雷達(dá)孔徑同步或異步觀測(cè)，可以獲得多個(gè)小波段的雷達(dá)成像，因此，雷達(dá)衛(wèi)星上一般都采用合成孔徑雷達(dá)作為傳感器。

合成孔徑雷達(dá)是上世紀(jì)50年代末研制成功的一種微波遙感器，它利用載有雷達(dá)的飛行平臺(tái)來(lái)得到較長(zhǎng)的合成天線，由此獲得高分辨率圖像。SAR與傳統(tǒng)的光學(xué)遙感器相比，不僅具有全天候、全天時(shí)工作能力，而且穿透力強(qiáng)，不用擔(dān)心霧霾多云的天氣。

因此，SAR可用于測(cè)圖、農(nóng)作物監(jiān)測(cè)、海洋與冰層觀測(cè)、地球資源探測(cè)、月球與金星的結(jié)構(gòu)探測(cè)等。

另外，根據(jù)SAR穿透掩蓋物及識(shí)別偽裝能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可用于探測(cè)隱蔽的裝備和煙霧籠罩區(qū)的目標(biāo)。正是由于SAR具有其他遙感系統(tǒng)難以比擬的優(yōu)點(diǎn)和特性，世界航天大國(guó)和組織都在積極研制與發(fā)展各自的SAR遙感系統(tǒng)。

我國(guó)幅員遼闊、地形復(fù)雜、氣候多變，每年因水災(zāi)、干旱、林火及地震等造成的損失巨大，所以衛(wèi)星遙感對(duì)我國(guó)的地球資源與環(huán)境變化探測(cè)具有特別重要的意義。

此外，在地形復(fù)雜、偏僻及環(huán)境惡劣地區(qū)，雷達(dá)衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)更明顯。我國(guó)對(duì)SAR的研制工作于1978年，樣機(jī)完成后在云雨天氣進(jìn)行了幾次飛行試驗(yàn)，分辨率為12米。在1987、1988及1989年的夏季，我國(guó)開(kāi)展了防汛遙感應(yīng)用試驗(yàn)，在永定河、黃河與長(zhǎng)江中下游地區(qū)建立了以機(jī)載SAR為核心的“全天候、準(zhǔn)實(shí)時(shí)防洪遙感信息系統(tǒng)”。

2016年8月，高分三號(hào)衛(wèi)星發(fā)射升空。該衛(wèi)星作為我國(guó)首顆1米分辨率C頻段合成孔徑雷達(dá)成像衛(wèi)星，打破了我國(guó)民用天基高分辨率合成孔徑雷達(dá)圖像全進(jìn)口的現(xiàn)狀。高分三號(hào)衛(wèi)星采用多極化設(shè)計(jì)，具有12種工作模式，帶有主動(dòng)探測(cè)載荷，通過(guò)發(fā)射微波信號(hào)并接收地面反射的回波信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，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(wù)于我國(guó)海洋、減災(zāi)、水利及氣象等多個(gè)行業(yè)及業(yè)務(wù)部門。

總之，自2013年高分一號(hào)衛(wèi)星發(fā)射以來(lái)，高分系列衛(wèi)星在測(cè)繪、農(nóng)業(yè)、工程設(shè)計(jì)、地質(zhì)勘探、海洋水文、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮了重要作用，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。隨著高分系列衛(wèi)星的發(fā)射，可以通過(guò)給不同的衛(wèi)星分配不同的過(guò)境時(shí)間段，以保證發(fā)揮更大的觀測(cè)效能。通過(guò)不斷建設(shè)，高分系列衛(wèi)星觀測(cè)網(wǎng)將會(huì)進(jìn)一步提升觀測(cè)能力，成為助力“地球村”建設(shè)的中國(guó)“天眼”。