揭秘中国新型高分系列卫星：能看清黄埔江上浪花

在地球大气层外飞行的地球观测卫星就像是“天眼”，看着地球表面，一览无余，为我们观察地球家园提供了更高的视角。这些“天眼”是否明亮决定了我们看到的东西是否清晰。因此，许多太空研究人员不知疲倦地工作，不断打磨这双“天眼”。

9月29日，高峰二号卫星的第一批图像发布。在600公里高空拍摄的照片可以清晰地看到路上的斑马线。这是中国第一幅亚米级高分辨率卫星图像地图，标志着中国卫星遥感技术进入亚米级时代。

从高分一号卫星的第一张令人震惊的照片到更令人震惊的高分二号卫星的照片，中国的“天眼”被一遍又一遍地打磨。

视野开阔的“高芬第一”

高芬1号卫星实现了空间分辨率、多光谱和广覆盖的结合。它是全球中分辨率卫星中观测宽度最宽的一颗，可以在4天内完成全球拍摄。

2006年，中国将重大高分辨率地球观测系统项目列入《国家中长期科学和技术发展规划(2006-2020)》，这是当年部署的16个重大项目之一。2010年5月，高分计划全面启动。

作为高芬特种系列卫星的先驱，“高分一号”卫星，即“天眼”，并没有把它的主要能力放在辨别真相上。它就像一座瞭望塔，从远处眺望，视野开阔是它不可替代的技能。

“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和四台16米分辨率多光谱宽相机。这决定了“高分一号”卫星在拍摄只有一种灰色的全色照片时分辨率可达2米，在拍摄彩色多光谱照片时分辨率可达8米。

仅从这一指标来看，高分一号卫星的分辨率不是很好，与同类国际卫星相比没有优势。谷歌地图使用的地球之眼地球观测卫星的分辨率已经达到0.41米。即使与中国的其他卫星相比，它的优势也不明显。早在2007年发射的“遥感2号”卫星实现了2米的全彩色分辨率。

然而，这并没有否定高芬1号卫星的卓越之处。由于其强大的16米分辨率多光谱宽相机，高芬1号卫星实现了空间分辨率、多光谱和宽覆盖的结合。

在地面拍摄时，“高芬一号”的多宽多光谱相机多角度拼接视场，实现大视场成像，“高芬一号”的16米分辨率宽度达到惊人的800公里。“高分一号卫星是中高分辨率的组合。它的分辨率不高，但主要解决宽度大的问题。”高芬特别项目副主任王成文说。

虽然分辨率稍差，但“高芬1号”在拍摄宽度上是最好的。“在世界上中等分辨率的卫星中，它的观测宽度最大。拍摄整个世界可能需要4天。”王成文说。

因此，高汾一号卫星形成了一个足以成为技术突破的特征:应用高空间分辨率、多光谱和高时间分辨率的光学遥感技术。时间分辨率是指轨道卫星在同一区域进行的两次相邻遥感观测之间的最小时间间隔，也称为覆盖期。时间间隔越大，时间分辨率越低，而时间分辨率越高。“时间就是金钱”这句话也适用于此。

“我国幅员辽阔，需要观测大宽度的卫星。更重要的是，宽度与时间分辨率有很大关系。我们提到的高分辨率概念不仅仅是指大家普遍考虑的空间分辨率，实际上“高芬一号”从项目启动时就要求高的时间分辨率，这在应用中非常重要王成文说，为了确保大规模观测，还设计了动量轮来控制卫星滚动25度，观测范围接近1000公里。

“高分一号”卫星在平台性能方面也取得了进展，这也为拍摄高精度照片提供了支持。据该卫星的总设计师白介绍，高汾一号卫星采用东方红公司开发的CAST2000小型卫星平台，这是一种标准的低轨道卫星平台。它采用三轴稳定控制模式，具有全卫星偏航机动和高精度姿态控制能力。“高分一号”在此基础上得到了改进。在CAST968/2000小卫星上，首次采用两个浮动陀螺仪测量卫星姿态角速度，提高了卫星姿态控制精度。“如果卫星的姿态不够稳定，比如握着相机的手不停地抖动，就会直接影响成像质量。”白说:

此外，高分一号也是一颗“长寿卫星”。这是中国第一颗设计和评估寿命要求超过5年的低地球轨道卫星，而中国类似卫星的寿命过去大多为3年。“长寿”的秘诀在于设计团队充分关注与卫星使用寿命相关的运动部件的设计，特别是陀螺仪和卫星电池，它们以高速旋转，磨损严重。改进的陀螺仪、高性能太阳能电池板和锂电池使高分一号能够在太空飞行更长时间。

富有洞察力的“高芬2号”

高芬2号是中国第一颗突破亚米级的民用地球观测卫星。斑马线、汽车等。从卫星图像上可以清楚地识别，甚至黄浦江上的浪花也可以清晰地看到。

高分一号卫星的分辨率不足并非不可弥补，但它需要高芬家族的另一个成员——高分二号卫星。

“高分一号”的全色分辨率为2米，这意味着地面上长宽小于2米的物体在“高分一号”拍摄的全色图像上只是一个像素点，它们的不规则形状无法清晰地看到，也不会随着图像的放大而改变。像斑马线和汽车这样的物体不能在“高分一号”的卫星图像上显示出来，但是在“高芬二号”的卫星图像上可以清楚地识别出来。即使在高芬2号的卫星图像上，黄浦江上的浪花也清晰可见。

这是因为高芬2号已经达到了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水平。关键在于两个分辨率相同的1米全色/4米多光谱相机的组合。高芬2号相机子系统的总设计师姜海滨说，高汾2号卫星相机是中国焦距最长的相机。“这颗卫星装有两台摄像机。与世界上相同分辨率的卫星相比，它的成像宽度最大，可达45公里。此外，这两款相机实现了98%的国内生产速度，关键零部件全部在中国制造。”

与2米全色分辨率相比，1米全色分辨率不仅是一个数字差异，而且是一个质的飞跃。

“分辨率低于1米意味着分辨率低于1米。高芬2号是中国第一颗突破亚米级的民用地球观测卫星高芬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”，显示出其重要性。

要进入亚洲米级，你需要突破许多技术。分辨率是空间光学遥感相机的一个关键指标。传统的方法是通过延长焦距和增加相机光圈来获得更高的分辨率，但是相机的体积和重量也会增加，导致开发困难和成本加倍。20世纪90年代，国外提出了一种新的设计理念:随着镜头焦距的增加，镜头直径的增加相对较小，即相机的相对孔径越来越小。然而，这种方法受到光学系统衍射的限制，这将降低图像质量。为了保证图像质量，必须采用摄像机成像电路的低噪声技术和相关的地面图像数据处理技术。

在研制过程中，研究人员在国内首次采用了小相对孔径的创新设计，克服了主、副透镜离焦灵敏度高的难题，突破了大口径超长焦距光学系统研制高分辨率相机的水平重力卸载、标定、海量数据处理等一系列难题，在相同的光学系统孔径下实现了分辨率的显著提高。同时，科研人员首次采用了天地合作的运作模式，并为“高芬2号”引入了“大遥感”的设计理念。通过摄像机特性和地面处理特性的匹配，对整个系统进行优化，充分挖掘摄像机的信息采集潜力。与“高芬一号”相比，“高芬二号”相机的焦距和分辨率增加了2.4倍，而口径仅增加了1.6倍。

高汾二号卫星在卫星定位精度方面也做了大量的工作，因为这关系到它拍摄的照片是否失真或错位，从而导致不准确。“高芬2号”卫星总指挥兼总设计师潘腾表示，过去中国卫星的定位精度大多在100米左右，而“高芬2号”的设计指标要求在没有控制点的情况下定位精度优于50米。因此，研究小组在轨道测量精度和姿态稳定精度方面开展了大量工作。

该卫星的太阳能电池板、陀螺仪和许多其他部件在运行过程中会振动。对于安装在卫星上的远摄镜头，轻微的振动可能会造成图像模糊。为此，研究小组对高分二号卫星平台进行了适应性改进。在高芬2号的两个太阳翼下，有一个由国防科技大学研制的“天仙1号”太阳翼振动控制装置，可以有效抑制太阳翼振动，进一步缩短卫星姿态机动稳定时间。研究人员还首次采用阻尼、减振等措施来吸收旋转能量并稳定旋转部件，以确保图像质量。

在保证稳定性的前提下，控制力矩陀螺首次在高芬二号上使用，并采用了优化高效的姿态确定方案，具有大角度快速机动能力。“高芬一号”在180秒内可以摆动25度，“高芬二号”在180秒内可以摆动35度。

此外，当面临天气因素如云层对卫星摄影的影响时，沿着轨道飞行的高芬二号也可以有选择地开关。“例如，北京有云，黑龙江和广东的天气很好，那么我们将让卫星在广东开始拍摄，当我们到达北京时关闭，当我们到达黑龙江时重启。这样可以充分发挥卫星的成像效率，节省数据存储空间。”徐文介绍说，这种功能叫做“分像”。

合作建设中国的“天眼”系统

高芬项目包括七颗功能定位不同的卫星。例如，雷达遥感卫星高芬3号可以不受气候条件影响地观测所有天气，而高光谱卫星高芬5号可以全面探测大气成分

“‘高分一号’卫星已经在轨道上，状况良好。在20多个*部门、行业和10个省级区域应用示范中心进行了很好的示范应用王成文表示，通过与高芬2号卫星的合作，调查与详细调查相结合，将在土地利用动态监测、矿产资源调查、城市精细化管理等诸多领域发挥重要作用。

关于两颗卫星能力的协调，徐文解释说:“如果我们说我们想找到一个超过2米的特征，但我们不知道它的确切位置，只知道它在哪个大的区域，我们可以先用高分一号观察它。在看到许多类似的特征之后，我们可以使用高芬-2号来观察和确认这一地区的特征。”

事实上，这两颗卫星并不是高分项目中的唯一一颗。得分高的七颗卫星有不同的功能，可以相互合作。

国防科工委主任、专项领导小组组长许表示，分辨率为1米的雷达遥感卫星3号、高轨光学遥感卫星4号和高光谱卫星5号正在加紧研发，并将在未来两年陆续发射。同时，“高芬六号”、“高芬七号”、平流层飞艇、航空观测系统、地面系统和应用演示系统也将逐步升级。到2020年，中国将建立高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率的地球观测系统。

高分辨率卫星分为雷达卫星和光学卫星。光学卫星高芬2号的最大敌人是天气。分辨率为1米的“高芬-3”雷达遥感卫星是为了在分辨率高的基础上克服“高芬-2”的局限性，实现全天候观测。“这是一颗雷达卫星，可以进行观测，不受云、雨、昼或夜的影响，不受天气条件的影响。”王成文说。

高芬4号卫星是一颗高轨道卫星。它一直在中国经度赤道以上36000米的高度观测我国，较好地解决了时间分辨率高的问题，其时间分辨率可达几分钟的量级。

"高芬5号是一颗具有纳米级光谱分辨率的高光谱遥感卫星，能够全面探测大气成分."王成文说:“光谱特征是什么？有点像人的指纹。光谱越精细，可以揭示的材料类型就越全面。”

至于之前能够识别农作物的“高分一号”卫星，王成文解释说它依靠光谱。“不同植物的光谱特征不同。不仅可以鉴定水稻、小麦、卷心菜和大豆，还可以通过高光谱鉴定其亚种。”

“高分计划和以前的卫星之间最大的区别之一是管理上的变化。我们曾经是一个“私家车管理系统”，而得分最高的特殊建筑是一个“公共交通系统”。首先，它是为了提高数据使用效率和运营管理效率。每颗卫星都必须确定其主要用户和普通用户。”王成文说。之后，数据分发系统将得到改进。资源中心将首先逐步将数据分发给近20个部委，同时为合格的省份建立省级数据中心，以最快最有效的方式将数据分发给每个人。

高芬项目还建立了一个国家数据应用技术中心，以集中各种用户的需求。高芬项目以统一的方式组织，集中国力克服技术困难，形成成果共享。通过互联网平台等新技术的嫁接，将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产业的形成创造良好的环境和条件。