高分系列遙感衛星布設中國太空“慧眼”——我國高分專項建設回眸

■ 曹福成

高分系列遙感衛星布設中國太空“慧眼”——我國高分專項建設回眸

■ 曹福成

高分專項用于加快中國的空間信息與應用技術發展，通過建設一個高分辨率的對地觀測系統，一方面滿足國民經濟建設與國家安全的需要，另一方面提高中國遙感產業的自主創新能力。近年來，隨著“高分一號”、“高分二號”衛星的成功發射和廣泛應用，中國邁向“感知”大國，遙感應用步入了“黃金期”，遙感技術在中國國土監測、環境監測、交通等各行業都有應用，影響著人們生活的各個方面。

遙感衛星系用作外層空間遙感平臺的人造衛星。遙感衛星能在規定的時間內覆蓋整個地球或指定的任何區域，當沿地球同步軌道運行時，它能連續對地球表面某指定地域進行遙感。所有的遙感衛星都需要有遙感衛星地面站，衛星獲得的圖像數據通過無線電波傳輸到地面站，地面站發出指令以控制衛星運行和工作。“高分”衛星系列便是遙感衛星家族成員之一。

近年來，隨著“高分一號”、“高分二號”衛星的成功發射和廣泛應用，中國邁向“感知”大國，遙感應用步入了“黃金期”，遙感技術在中國國土監測、環境監測、交通等各行業都有應用，影響著人們生活的各個方面。

一、高分專項建設回眸

高分專項用于加快中國的空間信息與應用技術發展，通過建設一個高分辨率的對地觀測系統，一方面滿足國民經濟建設與國家安全的需要，另一方面提高中國遙感產業的自主創新能力。2010年5月國務院正式審議批準實施高分專項工程。高分專項的觀測部分包括天基觀測系統、臨近空間觀測系統和航空觀測系統三部分組成，其中天基觀測系統即遙感衛星以寬幅、高效和廉價等特點，成為高分專項的主角。2020年前后，建立中國自主的陸地、大氣和海洋先進對地觀測系統，提供全天候和全球覆蓋的對地觀測能力，并改變過去遙感衛星各自為戰的狀況。

“高分”衛星作為中國高分辨率對地觀測系統的首發星，突破了高空間分辨率、多光譜與寬覆蓋相結合的光學遙感等關鍵技術，設計壽命5至8年。高分辨率對地觀測系統工程是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006～2020年)》確定的16個重大專項之一，由國防科工局、總裝備部牽頭實施。然而，為了高分系列衛星的成功發射和應用，中國政府有關部門和中國航天人做出不懈努力。

1.突破高分辨率遙感衛星測繪關鍵技術

衛星測圖是一個國家對地觀測水平的重要標志。長期以來，中國衛星影像精度不高，一直依靠航空影像和國外衛星影像進行測圖。為了突破高分辨率遙感衛星測繪關鍵技術，中國幾十年來進行著不懈努力。2012年1月9日，中國首顆民用高分辨率立體測圖衛星資源三號發射成功，隨后不到一個月時間內，資源三號衛星應用系統的第一幅地形圖就產生了，并且平面與高程精度都優于3米，測繪精度超過了國外同類衛星。國家測繪地理信息局衛星測繪應用中心副主任唐新明介紹說，這一項目突破了困擾中國高分辨率遙感數據長期依賴進口的瓶頸。項目實現了五項第一，將無地面控制衛星測圖的精度提高了近百倍。目前資源三號應用系統基本實現規模化、業務化生產，能實現當天接收數據、當天完成處理，業務化生產水平也已完全與國際接軌。

2.高分系列衛星成為遙感衛星的里程碑

2013年4月27日，“高分一號”衛星作為高分專項的首發星在酒泉衛星發射中心發射升空，它是我國第一顆設計壽命要求大于5年的低軌道衛星，考核壽命更是要求達到5--8年。2014年8月19日，“高分二號”衛星從太原發射中心發射升空，成為高分專項的第二顆衛星，高分一號和二號衛星的發射，標志著高分專項進行全面建設階段。

“高分一號”：4天可看遍全球，能從太空看到地面上的自行車。首星“高分一號”于2013年4月26日在酒泉衛星發射中心由長征二號丁運載火箭成功發射。是高分辨率對地觀測系統國家科技重大專項的首發星。該衛星配置了2臺分辨率為2米全色以及8米多光譜的高分辨率相機和4臺分辨率為16米的多光譜中分辨率寬幅相機，只需要4天就能把地球完整地看一遍。

甘肅酒泉阿克塞縣附近“大地的‘年輪’”

同時，“高分一號”也實現了在小衛星上中高分辨率和寬幅成像能力的結合。它可以滿足多種空間分辨率，多種光譜分辨率以及多元遙感數據需求。相比其他的光學遙感衛星，它對地觀測的效率應該是大幅提升，也大大提高了我國對地觀測衛星的總體觀測能力。

國家國防科技工業局2013年5月16日對外發布“高分一號”衛星觀測和拍攝成像的一組高分辨率圖片，這組圖像是以反映自然地理地貌特征為主題，主要選用8米和16米分辨率多光譜圖像，以國際遙感專業技術領域中常用的標準假彩色合成。這組“高分一號”衛星圖像共10幅，命名為《巡天遙看神州美，重彩高分山水情》，分別包括新疆昌吉州呼圖壁縣山谷“大地的‘肌肉’”、吐魯番鄯善縣羅布泊鎮“大地在‘傾聽’”、甘肅酒泉阿克塞縣附近“大地的‘年輪’”、敦煌附近“游弋在戈壁灘上的‘水母’”、青海湖畔東北角“湖中之‘吻’”、甘肅慶陽市正寧縣崇山峻嶺“山河相間顯‘秋顏’”、陜西延安黃陵縣洛河“高原九曲十八彎”、山東東營河口區海灘“海灘利用展宏圖”、新疆和田墨玉縣“沙漠中的綠洲”、山西長治市附近“大地上的‘紅葉’”。

“高分二號”：使中國遙感衛星首次跨入米級分辨率。2014年8月19日，我國“高分二號”衛星順利進入預定軌道，標志著我國遙感衛星進入了亞米級“高分時代”。這顆衛星系目前我國分辨率最高的光學對地觀測衛星，空間分辨率首次精確到1米。

“高分二號”的研制在諸多方面有所突破：“高分二號”衛星的空間分辨率優于1米，同時還具有高輻射精度、高定位精度和快速姿態機動能力等特點。實現了亞米級空間分辨率、多光譜綜合光學遙感數據獲取，攻克了長焦距、大口徑、輕型相機及衛星系統設計難題，提升了低軌道遙感衛星長壽命可靠性能，對于推動中國衛星工程水平提升、提高中國高分辨率對地觀測數據自給率具有重要意義。

“高分二號”的空間分辨率優于1米，意味著衛星在60萬米高空能看清小轎車，能看見1米大小物體的輪廓，絕對能分辨出地面汽車的大小。“高分二號”衛星相機焦距是國內衛星相機中焦距最長的。這顆衛星上裝有兩臺相機，與全世界同等級分辨率的衛星相比，是成像幅寬最大的，在相機關鍵元器件、零部件等方面從設計到實驗、測試、仿真方法都有突破。突破了高精度高穩定度姿態機動，能在180秒內做到側擺正負35度。比如，我們急需了解某一個目標的情況，但軌道是死的，衛星可能不經過它，怎么辦？“高分二號”就可以擺過35度對地面進行成像。

“高分二號”衛星主要用戶為國土資源部、住建部、交通運輸部、林業局，同時還將為其他用戶部門和有關區域提供示范應用服務，將在國土資源調查與監測、城市精細化管理、綜合交通服務、林業調查與監測等方面發揮重要作用，為國民經濟多個領域提供服務支撐。

具體而言，針對城市精細化管理需求，初步形成高分城市精細化管理遙感應用示范系統。基于該系統，可利用“高分二號”衛星數據在浙江省寧波市、黃山風景名勝區、廣東省陽江市等示范區，開展城鄉規劃監測評價、小城鎮發展監測評價、世界自然遺產及風景名勝區資源環境監測評價等示范應用。

此外，米級是一個黃金尺度，很多市場都在使用。如果“高分二號”衛星將來在軌表現良好，且用戶滿意的話，應該會得到比較大的推廣。因為大家比較喜歡這個尺度的圖像數據，“高分二號”能夠更多地服務于用戶。

二、遙感衛星功績可圈可點

1.環境監測領域獲突破

中國國家航天局網站宣布，除了公安部外，地震局、氣象局、統計局、海洋局等多個部門同樣借助高分一號衛星獲得重大突破。“發現通向朝鮮和中亞的數十條非法越境通道”、“發現海上走私油庫”……公安部利用高分一號衛星數據獲得的這一系列成果，迅速點燃外界的關注熱情。高分一號衛星除協助取得犯罪證據外，還能監測氣候變化、生態環境、地表災害，甚至確認地震位置、震災狀況，乃至于農作物種植面積、疫情監測、水產養殖監測、海冰監測及空氣污染、土地利用等項目。例如國家統計局2014年對安徽、山東、河北3省196個縣的小麥、水稻、玉米進行遙感對地調查，高分一號衛星數據利用率達70%，順利完成糧食生產監測相關重大任務，突破該領域長期以來對國外遙感衛星數據的嚴重依賴。

而地震局在2013年7月甘肅漳縣岷縣地震中，利用高分一號的衛星數據完成對震區道路損毀狀況監測，為應急救災提供信息支持。國家海洋局利用高分一號衛星數據在海岸帶監測、海水產養殖監測、海冰監測、懸浮泥沙遙感監測等方面進行了示范應用。

2.我國環境遙感監測將“常態化”

2014年12月27日,搭載遙感衛星二十六號的運載火箭在太原衛星發射中心點火發射。當日11時22分,我國在太原衛星發射中心用長征四號乙運載火箭,成功將遙感衛星二十六號送入太空。當前，我國大氣污染形勢嚴峻、重污染天頻發，環境空氣質量遙感監測得到了各級環境監管部門的高度重視和廣泛參與。遙感監測如今不僅在“特殊時期”發揮作用，而且已經成為全國環境監測的“常規軍”，在秸稈焚燒、沙塵預警預測、顆粒物監測、霧霾監測方面都發揮了積極作用。目前，已有地方實踐將衛星遙感監測與地面監測相配合，形成了立體化的環境監測網絡。

隨著動力系統和非線性科學的迅猛發展，對數學人才在微分方程知識方面的要求逐步提高，教師應該與時俱進，針對常微分方程課程的特點，用科學發展的眼光不斷革新教學內容與方法。只有這樣，才能提高學生學習常微分方程的積極性和主動性，培養學生的創新意識，提高學生應用知識解決實際問題能力，最終實現“學數學”、“用數學”的教育目標。

高分衛星遙感影像云南魯甸6.5級地震山體滑坡掩埋村莊

滿足多種環境監測需求，實現污染物趨勢判斷。近兩年，霧霾已成為各地面臨的共同難題，也成為各級環保部門監測的重點。現實情況是，僅靠地面監測已不能滿足空氣質量監測的需求，而遙感監測可以實現實時、大范圍動態監測，獲取區域大氣污染物分布情況。可以對顆粒物濃度、污染氣體、秸稈焚燒、沙塵等環境要素進行監測，長時間序列的動態監測有助于灰霾的預警預測，衛星遙感技術可以在城市環境質量監測、大氣污染防治、大氣污染監管、全球氣候變化監測方面發揮巨大作用。

發揮監測、預警作用長期氣候預測功能。環境保護部衛星環境應用中心高級工程師王中挺介紹說，利用衛星遙感技術監測灰霾，相當于每一平方公里就能收集到一組監測數據，這樣的監測密度是 普通地面監測站點不能覆蓋的。不僅如此，遙感監測還可以實現氣溶膠光學厚度(AOD)、顆粒物濃度(PM10、PM2.5)，污染氣體(SO2、NO2、O3、CO等)柱濃度的監測，而這些都是霧霾形成的前體物，對于灰霾預測預警有著極大的作用。除此之外，遙感監測在秸稈焚燒、揚塵、沙塵暴、大氣環境污染事故等大氣環境監管方面也大有可為。遙感監測除了發揮基本的監測、預警作用之外，通過長時間的遙感監測，還可以對長期的氣候變化進行預測。

衛星中心承擔的高分專項（民用部分）航空系統項目順利通過驗收

三、未來發展展望

1.我國遙感技術進入世界先進行列

自1988年風云一號A星成功發射以來，我國應用遙感和遙感應用事業經過數十年的發展已具規模。目前，在軌運行的氣象衛星、海洋衛星、資源衛星等遙感衛星有十幾顆，走在了世界先進行列。如近日發布的由高分二號衛星拍攝的首批亞米級高分辨率衛星影像圖，包括北京市區、上海市區、克拉瑪依市區和昆侖山天池、云南省魯甸災區、山西省寧武礦區等衛星影像。高分二號拍攝的北京西直門高分圖像紋理清晰，看得清路口斑馬線，辨得出大車小車。

據悉，目前我國遙感應用等國產地理信息裝備已出口100多個國家和地區，很多技術都獲得重大突破。例如飛行高度5000米，續航30小時的無人機不久前在內蒙古庫倫平穩落地，這標志著我國超長航時無人機遙感系統研制成功。此外，國產遙感信息系統軟件技術水平已與國外同類軟件相當，國內市場占有率已超過50%。

2014年9月22日，中國政府在紐約聯合國總部向聯合國捐贈世界上首個最高分辨率30米全球地表覆蓋遙感數據。9月29日，國防科工局公布我國高分二號衛星首批亞米級高分辨率衛星影像圖，包括北京市區、上海市區等衛星影像，甚至看得清斑馬線。這一切都意味著我國遙感技術走在了世界前列。

我國遙感衛星將形成立體網絡。據悉，我國計劃明后年發射高分三號、高分四號和高分五號衛星，此外，國家將進一步加快推動航空觀測系統、地面系統和應用示范系統建設，形成立體網絡。2020年前，我國將建立起高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率的對地觀測體系能力。中國計劃用10年至15年時間建立測繪遙感衛星體系。目前3顆資源三號后續測繪衛星已納入國家相關規劃，實現兩顆資源三號測繪衛星組網運行。

青海湖畔東北角“湖中之‘吻’”

未來幾年，我國遙感、導航、通信衛星與高分系列和北斗系列將融合發展，為大眾提供融定位、授時、遙感為一體的綜合信息服務。另一方面，該領域還有很多工作要做，比如，空間信息產業市場的商業模式尚需摸索等。

2.高分項目日益壯大

高分專項目前初步計劃發射7顆遙感衛星，其中包括已經發射的高分一號和高分二號。未來中國還將發射攜帶C波段多極化合成孔徑雷達的高分三號衛星，它是中國第一顆民用合成孔徑雷達衛星，空間分辨率最高可達1米，主要用于對海洋目標的監測；高分四號衛星是靜止軌道光學遙感衛星，它將攜帶全色分辨率50米的凝視相機，在靜止軌道上對7000千米×7000千米的區域進行實時觀測；高分五號衛星將是中國第一顆民用高光譜觀測衛星，高光譜相機分辨率能力可達10米，它還將攜帶氣溶膠探測儀、溫室氣體監測儀等探測設備；高分六號衛星屬于高分一號衛星的后繼，它仍是一顆全色2米分辨率、多光譜8米分辨率的普查衛星；高分七號衛星屬于立體測繪衛星，將為國家測繪地理信息局、國家基礎地理信息中心等部門提供高分辨率的空間立體測繪數據。

專家王承文說：“我國高分系列衛星各有特色，分別重點攻克不同技術難點。例如，高分一號的特點是分辨率幅寬，可達800公里。高分三號是雷達衛星，不受天氣影響，解決全天候的問題。高分四號衛星是高軌衛星。高分五號是高光譜觀測衛星，光譜分得越細，物質類型揭示得越徹底，比如一張桌子，高光譜觀測可識別它是金屬的還是塑料的。”

應用是高分專項的出發點和落腳點。高分一號衛星一經投用，就在國土資源、環境和農業等領域取得了廣泛的應用效果。衛星進入到亞米級時代。高分數據具有重要的應用價值和商業價值，將對經濟建設、生態文明建設、民生安全保障和推進國家治理能力現代化起到信息支撐作用。同時，對信息應用企業開展商業化信息增值服務、開拓國際市場、推動空間信息產業發展等具有重要意義。

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軍事應用領跑“高分”衛星發展

高分辨率遙感衛星在軍用和民用方面都有廣泛的用途。從原理上講，軍用遙感衛星與民用遙感衛星大同小異，主要差別是在使用的譜段和對地面分辨率的要求不同。軍用遙感衛星主要在可見光或近紅外譜段成像，分辨率優于1米，因此，軍用遙感衛星大部分都是高分辨率衛星，只有少數用于普查的軍用遙感衛星因運行軌道較高，以便提高時間分辨率，但空間分辨率會稍低；民用遙感衛星主要在多光譜成像，以便識別地面各種特征，其分辨率有高有低。

在軍用高分辨率光學成像遙感衛星方面，美國鎖眼12號衛星最牛，它采用了大面陣探測器、大型反射望遠鏡系統、數字成像系統、自適應光學成像技術、實時圖像傳輸技術等，鏡頭口徑3米，焦距27米，分辨率達0.1米。法國太陽神2號A、2號B衛星分辨率達0.5米，其軍民兩用光學成像遙感衛星“昴宿星”的分辨率為0.7米。以色列最先進的地平線9號小型：光學成像遙感衛星分辨率為0.5米。日本現役的第二代光學成像“情報收集衛星”分辨率為0.6米。

在軍用高分辨率雷達成像遙感衛星方面，美國“長曲棍球”衛星是老大，分辨率達0.3米，其設計特點是裝有巨大的合成孔徑雷達天線和巨大的太陽能電池帆板，衛星裝載的高分辨率合成孔徑雷達能以多種波束模式對地面目標成像，使“長曲棍球”不僅能全天候、全天時工作，還可以發現偽裝的武器和識別假目標，甚至能穿透干燥的地表，發現藏在地下一定深度的設施，并對活動目標有一定跟蹤能力。德國有軍用衛星“合成孔徑雷達?放大鏡”，意大利有軍民兩用衛星“宇宙-地中海”，前者分辨率為0.5米，后者為1米。日本現役的第二代雷達成像“情報收集衛星”分辨率為1米。以色列的“技術合成孔徑雷達”設計壽命為4年，質量只有300千克，其中所載的合成孔徑雷達重約100千克，分辨率為1米。印度軍民兩用的雷達成像衛星1號是自制的，其雷達成像衛星2號由以色列研制，分辨率為1米。

今后，軍用高分辨率遙感衛星的發展趨勢更多使用雷達成像衛星，并通過采用平板相控制雷達天線等措施進一步提高其分辨率，采用新的分布式星座來縮短衛星的重訪周期；光學成像衛星在獲得高地面分辨率的同時，將繼續擴大視場寬度，以提高衛星的時間分辨率；組建可實現全球覆蓋的小型衛星星座，實施對任何目標的實時或近實時的偵察；發展星載超光譜遙感器，進一步擴展成像偵察范圍，增加對隱蔽和偽裝目標的識別能力；開發新型戰術成像偵察技術，提高偵察技術的傳送能力，實現軍用高分辨率遙感衛星從戰略應用向戰術應用擴展；發展小型、低成本和可應急發射的軍用高分辨率遙感衛星，它也可軍民兩用；建造軍用和民用高分辨率遙感衛星混編星座，以提高對地觀測的效率；研制同時載有光學成像和合成孔徑雷達成像2種遙感器的軍用高分辨率遙感衛星。

世界多國角逐民星領域

一般來講，分辨率約2米的民用遙感衛星可稱為民用高分辨率遙感衛星。美國、德國、印度、以色列和俄羅斯等國都在積極發展民用高分辨率遙感衛星。美國高分辨率遙感衛星大多是小型商用衛星，有多個型號：“艾科諾斯”2號衛星的分辨率為0.82米，幅寬11.3千米；“快鳥”2號衛星的分辨率為0.61米，幅寬16.5千米；“地球之眼”1號衛星的分辨率為0.41米，幅寬15.2千米；“世界觀測”2號衛星的分辨率為0.46米，幅寬16.4千米。它們也可以用于軍事。

2012年9月9日，法國首顆第4代“斯波特”——“斯波特”6號入軌，它是光學成像衛星，具有質量輕、壽命長、分辨率高的優點。其分辨率為2.5米，幅寬60千米，并能同軌立體成像。該衛星運行在694千米高的太陽同步軌道，質量只有800千克，設計壽命達10年。該衛星上有兩臺高分辨率相機，每天成像范圍250萬平方千米。雖然其分辨率和幅寬與第3代“斯波特”一樣，但更加敏捷，能執行快速反應任務，每天上傳6個任務計劃，獲取無云圖像。它們與2顆已上天的法國“昴宿星”形成互補，滿足多樣化任務需求，保持系統的寬覆蓋能力和圖像數據的連續性，因為“昴宿星”雖然分辨率達0.7米，但幅寬只有20千米。

德國“陸地合成孔徑雷達-X”是民用和商用高分辨率雷達成像衛星，也是世界首個高精度干涉合成孔徑雷達衛星系統，分辨率優于1米，現廣泛用于農林管理、地質調查、海事監測等。

印度現有制圖衛星1號、2號、2號A、2號B共4顆高分辨率衛星，其最高分辨率為1米。印度正在研制的制圖衛星3號衛星的分辨率將達0.3米。

以色列地球資源觀測系統一B衛星運行在距離地面540千米高的太陽同步軌道上，觀測周期為4天，分辨率為約0.7米，設計壽命6年。其上的遙感器也是1臺全色CCD相機，其每行像元數為20000，量化等級為8比特～10比特。星上相機的觀測角變化范圍為±45°，這是靠平臺側擺來實現的。由于相機觀測角變化范圍較大，故它有能力獲得較多的立體像對。

俄羅斯新一代民用高分辨率光學成像衛星——“資源”-DK的分辨率為1米，其正在研制的“資源”-P衛星的分辨率為0.4米。

2012年，韓國阿里郎3號多用途衛星升空。它載有光學相機，能夠拍攝0.7米高分辨率照片，運行在685千米高的軌道。2013年，韓國發射1米分辨率的雷達衛星。