搜尋馬航失聯客機,人造衛星為什么不夠給力

Lsquirrel

2014年3月8日凌晨，馬來西亞航空公司的MH370航班自吉隆坡起飛，飛往北京。MH370航班最后一次和地面主動聯系時，即將飛出吉隆坡空管區。但幾個小時后，越南胡志明市空管區和中國三亞空管區都沒有收到這架飛機的聯系信號和身影。一架巨大的波音777客機在東南亞上空詭異地失蹤了。根據最后一次聯系的位置判斷，MH370航班有可能在泰國灣一帶墜毀。

由于機上有多達154名中國公民，

中國對此極為關注。馬來西亞、越南等周邊國家進行搜救工作的同時，中國也派遣多艘艦艇和多架飛機進入泰國灣進行搜索。

針對此次搜救區域面積大的實際情況，西安衛星測控中心也迅速啟動應急預案，對在軌運行的衛星進行調整，緊急調動了“遙感”“高分”“海洋”和“風云”等4個系列的近10顆衛星，為海上搜救工作提供技術支持。其中高分一號衛星3月9日上午11時左右獲取的圖像中，在位于東經105.63度，北緯6.7度為中心的20千米區域內，觀測到3處疑似漂浮物體。雖然它們并非客機殘骸，但此舉顯示了中國航天的實力，也為搜救工作提供了有力的幫助。

中國航天緊急調集近10顆衛星為MH370客機搜救提供情報保障，橫向對比在世界上僅次于美國，體現出中國航天，尤其是對地遙感領域的巨大進步。不過很多人對此也提出了疑問：中國的衛星執行搜救工作，對這些衛星原有任務會造成什么樣的影響？緊急調動這些衛星，是否意味著衛星要進行機動變軌，以快速抵達MH370客機疑似失聯區域？如果需要變軌，對這些衛星的后續任務和壽命又有怎么樣的影響？為什么科技如此發達，衛星遍布天空的時代，客機失蹤幾天了還找不到？

遙感能力受限

要說明衛星的能力，我們必須先解說一下遙感衛星的操作和軌道。遙感衛星攜帶巨大的相機對地觀測，但它并不是一路拍下來的，而是根據程序，在特定的時間拍照特定的區域。中國的高分一號衛星2013年4月26日發射成功，但到12月底只拍攝了2米/8米影像247731景——也就是說，它在絕大多數時候并沒有對地成像。這種狀況一方面是由于任務能力的限制，另一方面也受到存儲和傳輸能力的限制。

在中國衛星還沒有使用操作系統的時代，只能按照程序控制方式寫指令。具體來說，就是地面上的技術人員，根據衛星狀態和任務需求，設計好衛星的每一步動作。隨著我國軌道任務復雜性日益提高，這種簡單的衛星任務控制方式難以為繼。2006年，我國第一代星載計算機操作系統SpaceOS1投入使用，為提高任務靈活性提供了較好的基礎。西安衛星測控中心調動的遙感、高分、海洋和風云等衛星，都應用了SpaceOS1星載操作系統。不過SpaceOS1只做到了資源管理和任務調度，而且只能同時管理5個任務，能提供的任務靈活性還比較簡單。

高分一號衛星可以提供2米分辨率的全色/黑白圖像，圖像幅寬可達60千米，單幅圖像的體積就相當大。衛星上的存儲設備容量是有限的，無法存儲太多圖像，必須及時下傳到地面站騰出空間。如果是遙感系列的軍用衛星，較晚發射的遙感衛星裝有和天鏈數據中繼衛星系統通信的高增益天線，可以邊拍邊回傳圖像數據，星載存儲設備容量還不至于成為太大的瓶頸，但高分、海洋等民用衛星沒有通過天鏈數據中繼衛星系統回傳數據的能力，其中很多連通過天鏈進行指令中繼的能力都沒有。

換句話說，這些衛星需要在經過我國上空時，通過地面站上行注入指令，下傳拍攝的圖像數據。2013年4月28日中國科學院遙感與數字地球研究所密云站6分鐘內接收了高分一號衛星32.5GB的圖像數據，這是高分一號首次下傳圖像數據，雖然傳輸帶寬比較高，但也說明了高分一號衛星無法通過天鏈回傳拍攝的圖像數據。這樣的話，高分一號的任務規劃和執行受到的限制就很大了。

以高分一號為例，西安測控中心緊急調動衛星用于馬航370航班的搜救后，必然要根據新的任務要求重新規劃工作計劃，通過天鏈衛星或是我國境內的地面測控站上傳新的任務指令，增加對搜救海域的成像任務，甚至是清空衛星原有任務的指令，以及時對搜救海域成像。由于衛星程序或操作系統能執行的任務數量和星載存儲設備的容量都受到限制，一般來說，臨時增加新成像任務，肯定會打亂原有正常任務的執行。如果是清空原有任務指令，對原有任務的影響就更大了。

變軌不靠譜

說到這次搜救中緊急調動衛星，很多人條件反射地想到了衛星變軌，那么此次搜救是否進行了衛星變軌呢？西安衛星測控中心沒有給出確切的答案，但根據衛星軌道和運用的知識，我們可以大膽推斷一下。

高分一號衛星使用了中國空間技術研究院的CAST-2000小衛星平臺。根據中國空間技術研究院網站提供的信息：CAST-2000小衛星平臺平臺質量200到400千克，有效載荷能力300到600千克。通俗來說，就是包括衛星燃料質量在內的平臺本身最多只有400千克，而包括相機在內的載荷質量可達300千克以上。即使高分一號衛星為機動變軌攜帶了高達200千克的燃料（事實上這是不可能的），假設發動機比沖315秒，根據齊奧爾科夫斯基公式，這些燃料全部耗盡也僅能提供不到1040米/秒的速度變量。這個機動能力看似乎不少，但要用于靈活機動變軌還遠遠不夠。

參考改變傾角的軌道機動的公式：

ΔV=2Vsin—

其中，ΔV為機動需要的速度變量，V為衛星的軌道速度，θ為改變的軌道傾角。

高分一號衛星運行在距離地面650千米高度的圓軌道上，軌道速度約為7535米/秒，如果軌道傾角改變30度的話，需要的ΔV約為3900米/秒，即使是傾角改變10度，都需要約1300米/秒

的ΔV。通過改變軌道傾角讓衛星更快地訪問搜救區海域，并不是一個好主意。

如果傾角不變，同時旋轉軌道平面，雖然也可能更快地訪問搜救區海域，但所需的ΔV同樣很大。如衛星軌道傾角為90度，軌道平面旋轉45度時需要的ΔV約為5800米/秒，看來這條路也不好走。

那么，改變軌道高度呢？改變衛星軌道高度所需的ΔV小得多，不過高度變化不大時，軌道周期變化也不大，對比衛星不變軌，所能縮短的首次訪問時間并不長。而且一般來說，遙感衛星的軌道高度是與相機等載荷的參數相匹配的，升軌降軌會帶來更多的麻煩，同樣是代價過于高昂甚至無法實現的做法。

遙感衛星一般運行在500千米以上高度的軌道，大氣阻力已經不再是最主要的影響因素，軌道維持所需的速度變量很小，因此遙感衛星上的燃料是相當有限的。遙感衛星保留基本軌道維持所需的燃料后，剩余燃料變軌的能力很小，不論“海洋”“高分”“風云”等民用衛星，還是“遙感”系列軍用衛星，都無法像很多人想象的那樣做出迅捷猛烈地軌道調整。

就算這些衛星竭盡所能進行了軌道機動，且不說變軌量很小能否應急，單是軌道參數改變后需要重新設計對地成像的方案，代價就太大了。從這些常識判斷，我國緊急調用的近10顆衛星，變軌提供應急訪問的可能性不說沒有，也是微乎其微的。

側擺來應急

遙感衛星一般運行在距離地面幾百千米的太陽同步軌道，軌道周期約90分鐘或是更長，每一圈星下點經過赤道時，都偏西約2500千米。遙感衛星要保證分辨率，相機幅寬只有幾十千米。比如高分一號衛星的2米全色高分辨率相機，幅寬就是60千米。即使是高分一號特意設計的超高幅寬16米分辨率相機，幅寬也只有800千米。遙感衛星要重復經過某個區域上空，所需要的時間都是很長的，如中巴資源衛星02B就長達104天。

如果調動的衛星只是等待飛過搜救海域上空拍照的話，西安衛星測控中心說的緊急調動和支援豈不是貪天之功？這倒不至于。雖然通過變軌實現快速訪問的做法并不可行，但遙感衛星為了實現對熱點區域的快速訪問和重訪，已經發展出一些行之有效的方案，其中最關鍵的就是衛星側擺機動。

endprint

雖然精心設計衛星軌道，星下點重復經過某個區域的時間也很長，但通過衛星姿態的擺動帶動相機指向的變化，可以對星下點以外的區域進行成像。衛星姿態擺動一般是使用動量輪來控制的，不需要消耗衛星燃料。很多衛星都可以做到30度、45度甚至更高角度的側擺角。高分一號衛星可以做到正負35度的側擺角，以實現對熱點區域的快速訪問。以650千米高度、側擺角35度計算，理論上衛星就可以拍攝星下點軌跡左右最遠約450千米的區域。

遙感衛星應用了側擺等技術后，重復拍攝訪問熱點區域的重訪周期就大大縮短了。如高分一號衛星重訪周期就只有4天，而美國先進的WorldView-1衛星對北緯40度地區的重訪周期，更是縮短到1.7天/1米分辨率。

我國調整遙感衛星的測控計劃，緊急調動近10顆衛星為搜救提供技術支持，除了部分軌道正好經過搜救區域的衛星外，其他衛星只能通過側擺機動來實現快速訪問。但側擺機動只是縮短了重訪周期，而不是實時訪問。這應該就是3月8日MH370航班失去聯系，但高分一號直到9日上午11時左右才對這片搜救海域拍攝獲取圖像的根本原因。

衛星并非萬能

MH370客機失去聯系后，很多人都很困惑，今天的科技已經如此發達了，怎么一架如此巨大的客機還會失蹤呢？為什么那些分辨率2米、1米甚至更高的衛星，會找不到失聯的波音777客機的線索？

其實，這同樣與我們對衛星能力的夸張想象有關。目前遙感衛星，無論是光學星還是雷達星，都無法穿透幾十米海水搜尋海底的信息。如果客機已經沉沙海底了，無論遙感衛星性能多好都無能為力。只有客機殘骸浮在水面上時，遙感衛星才有可能提供一些幫助。但這種情況下，遙感衛星的搜索效果仍然相當有限。

上文提到了衛星的重訪周期，這個限制意味著遙感衛星的情報時效性不強，無法及時提供第一手信息。另一方面，客機如果解體，殘骸肯定不大，需要高分辨率的圖像才能進行識別。美國的Terra衛星雖然搶先發布了3月9日中午11時35分拍攝的相關海域衛星圖像，但Terra衛星上的中分辨率成像光譜儀（MODIS）分辨率只有250米。這個分辨率用于研究大陸海洋的動態變化是足夠的，對尋找失聯客機可以說毫無幫助。馬航失去聯系的這架波音777-200客機全長只有63.7米，翼展也不過是60多米。即使客機完整地落到海面上，也無法從Terra衛星的照片將其分辨出來，除非客機油料泄漏形成巨大的航油帶，這張250米分辨率的照片才可能為搜救提供一些幫助。

一般來說，遙感衛星的分辨率越高，幅寬就越小。美軍光學偵察衛星被稱為“鎖眼”，正是取鎖眼看世界之意。衛星側擺只能縮短對熱點區域的重訪周期，而MH370航班疑似海域約有10萬平方千米，要獲取高分辨率圖像遍訪這片海域需要很多次重訪，即使我國調動近10顆衛星，美國、日本、印度等國家也調動各自的遙感衛星進行觀測，要完整獲取這片海域的高分辨率圖像，仍然需要很長的時間。

更糟糕的是，馬來西亞方面的消息反復變化，到底失聯客機在哪里徹底失去消息，最后飛向何方，甚至失聯后又飛行了多久，都仍是未知數。泰國灣的疑似海域不過是根據早期信息判斷的最有可能的落海地點。目前各國遙感衛星提供的圖像，沒有為尋找搜救失聯客機提供可靠的信息，也就不足為奇了。（來源：果殼網）

endprint

雖然精心設計衛星軌道，星下點重復經過某個區域的時間也很長，但通過衛星姿態的擺動帶動相機指向的變化，可以對星下點以外的區域進行成像。衛星姿態擺動一般是使用動量輪來控制的，不需要消耗衛星燃料。很多衛星都可以做到30度、45度甚至更高角度的側擺角。高分一號衛星可以做到正負35度的側擺角，以實現對熱點區域的快速訪問。以650千米高度、側擺角35度計算，理論上衛星就可以拍攝星下點軌跡左右最遠約450千米的區域。

遙感衛星應用了側擺等技術后，重復拍攝訪問熱點區域的重訪周期就大大縮短了。如高分一號衛星重訪周期就只有4天，而美國先進的WorldView-1衛星對北緯40度地區的重訪周期，更是縮短到1.7天/1米分辨率。

我國調整遙感衛星的測控計劃，緊急調動近10顆衛星為搜救提供技術支持，除了部分軌道正好經過搜救區域的衛星外，其他衛星只能通過側擺機動來實現快速訪問。但側擺機動只是縮短了重訪周期，而不是實時訪問。這應該就是3月8日MH370航班失去聯系，但高分一號直到9日上午11時左右才對這片搜救海域拍攝獲取圖像的根本原因。

衛星并非萬能

MH370客機失去聯系后，很多人都很困惑，今天的科技已經如此發達了，怎么一架如此巨大的客機還會失蹤呢？為什么那些分辨率2米、1米甚至更高的衛星，會找不到失聯的波音777客機的線索？

其實，這同樣與我們對衛星能力的夸張想象有關。目前遙感衛星，無論是光學星還是雷達星，都無法穿透幾十米海水搜尋海底的信息。如果客機已經沉沙海底了，無論遙感衛星性能多好都無能為力。只有客機殘骸浮在水面上時，遙感衛星才有可能提供一些幫助。但這種情況下，遙感衛星的搜索效果仍然相當有限。

上文提到了衛星的重訪周期，這個限制意味著遙感衛星的情報時效性不強，無法及時提供第一手信息。另一方面，客機如果解體，殘骸肯定不大，需要高分辨率的圖像才能進行識別。美國的Terra衛星雖然搶先發布了3月9日中午11時35分拍攝的相關海域衛星圖像，但Terra衛星上的中分辨率成像光譜儀（MODIS）分辨率只有250米。這個分辨率用于研究大陸海洋的動態變化是足夠的，對尋找失聯客機可以說毫無幫助。馬航失去聯系的這架波音777-200客機全長只有63.7米，翼展也不過是60多米。即使客機完整地落到海面上，也無法從Terra衛星的照片將其分辨出來，除非客機油料泄漏形成巨大的航油帶，這張250米分辨率的照片才可能為搜救提供一些幫助。

一般來說，遙感衛星的分辨率越高，幅寬就越小。美軍光學偵察衛星被稱為“鎖眼”，正是取鎖眼看世界之意。衛星側擺只能縮短對熱點區域的重訪周期，而MH370航班疑似海域約有10萬平方千米，要獲取高分辨率圖像遍訪這片海域需要很多次重訪，即使我國調動近10顆衛星，美國、日本、印度等國家也調動各自的遙感衛星進行觀測，要完整獲取這片海域的高分辨率圖像，仍然需要很長的時間。

更糟糕的是，馬來西亞方面的消息反復變化，到底失聯客機在哪里徹底失去消息，最后飛向何方，甚至失聯后又飛行了多久，都仍是未知數。泰國灣的疑似海域不過是根據早期信息判斷的最有可能的落海地點。目前各國遙感衛星提供的圖像，沒有為尋找搜救失聯客機提供可靠的信息，也就不足為奇了。（來源：果殼網）

endprint

雖然精心設計衛星軌道，星下點重復經過某個區域的時間也很長，但通過衛星姿態的擺動帶動相機指向的變化，可以對星下點以外的區域進行成像。衛星姿態擺動一般是使用動量輪來控制的，不需要消耗衛星燃料。很多衛星都可以做到30度、45度甚至更高角度的側擺角。高分一號衛星可以做到正負35度的側擺角，以實現對熱點區域的快速訪問。以650千米高度、側擺角35度計算，理論上衛星就可以拍攝星下點軌跡左右最遠約450千米的區域。

遙感衛星應用了側擺等技術后，重復拍攝訪問熱點區域的重訪周期就大大縮短了。如高分一號衛星重訪周期就只有4天，而美國先進的WorldView-1衛星對北緯40度地區的重訪周期，更是縮短到1.7天/1米分辨率。

我國調整遙感衛星的測控計劃，緊急調動近10顆衛星為搜救提供技術支持，除了部分軌道正好經過搜救區域的衛星外，其他衛星只能通過側擺機動來實現快速訪問。但側擺機動只是縮短了重訪周期，而不是實時訪問。這應該就是3月8日MH370航班失去聯系，但高分一號直到9日上午11時左右才對這片搜救海域拍攝獲取圖像的根本原因。

衛星并非萬能

MH370客機失去聯系后，很多人都很困惑，今天的科技已經如此發達了，怎么一架如此巨大的客機還會失蹤呢？為什么那些分辨率2米、1米甚至更高的衛星，會找不到失聯的波音777客機的線索？

其實，這同樣與我們對衛星能力的夸張想象有關。目前遙感衛星，無論是光學星還是雷達星，都無法穿透幾十米海水搜尋海底的信息。如果客機已經沉沙海底了，無論遙感衛星性能多好都無能為力。只有客機殘骸浮在水面上時，遙感衛星才有可能提供一些幫助。但這種情況下，遙感衛星的搜索效果仍然相當有限。

上文提到了衛星的重訪周期，這個限制意味著遙感衛星的情報時效性不強，無法及時提供第一手信息。另一方面，客機如果解體，殘骸肯定不大，需要高分辨率的圖像才能進行識別。美國的Terra衛星雖然搶先發布了3月9日中午11時35分拍攝的相關海域衛星圖像，但Terra衛星上的中分辨率成像光譜儀（MODIS）分辨率只有250米。這個分辨率用于研究大陸海洋的動態變化是足夠的，對尋找失聯客機可以說毫無幫助。馬航失去聯系的這架波音777-200客機全長只有63.7米，翼展也不過是60多米。即使客機完整地落到海面上，也無法從Terra衛星的照片將其分辨出來，除非客機油料泄漏形成巨大的航油帶，這張250米分辨率的照片才可能為搜救提供一些幫助。

一般來說，遙感衛星的分辨率越高，幅寬就越小。美軍光學偵察衛星被稱為“鎖眼”，正是取鎖眼看世界之意。衛星側擺只能縮短對熱點區域的重訪周期，而MH370航班疑似海域約有10萬平方千米，要獲取高分辨率圖像遍訪這片海域需要很多次重訪，即使我國調動近10顆衛星，美國、日本、印度等國家也調動各自的遙感衛星進行觀測，要完整獲取這片海域的高分辨率圖像，仍然需要很長的時間。

更糟糕的是，馬來西亞方面的消息反復變化，到底失聯客機在哪里徹底失去消息，最后飛向何方，甚至失聯后又飛行了多久，都仍是未知數。泰國灣的疑似海域不過是根據早期信息判斷的最有可能的落海地點。目前各國遙感衛星提供的圖像，沒有為尋找搜救失聯客機提供可靠的信息，也就不足為奇了。（來源：果殼網）

endprint