國土資源“守望者”遙感服務(wù)“及時(shí)雨”
——揭秘我國首個(gè)民用高分辨率光學(xué)業(yè)務(wù)星座

文/ 高一鳴

3月31日，由航天東方紅衛(wèi)星有限公司抓總研制的高分一號02、03、04星，以“一箭三星”的形式，由長征四號丙運(yùn)載火箭成功發(fā)射。3顆星構(gòu)成了我國首個(gè)民用高分辨率光學(xué)業(yè)務(wù)星座，對我國國土資源調(diào)查、監(jiān)測等領(lǐng)域的遙感應(yīng)用來說，具有里程碑的意義。

▲ 衛(wèi)星三維渲染圖

▲ 任務(wù)LOGO中，編隊(duì)飛行的三顆衛(wèi)星

太及時(shí)了！看中國資源，用中國衛(wèi)星

我國早已具備從太空俯瞰地球的能力。但長期以來，由于缺乏整體規(guī)劃，諸如國土資源調(diào)查、監(jiān)測、監(jiān)管和國土資源信息更新等工作，由于在較短時(shí)間內(nèi)需要較大體量的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，不得不依賴國外。

▲ 長征四號丙火箭發(fā)射高分一號3顆衛(wèi)星 馬驥 攝

黨的十八大以來，以習(xí)近平同志為核心的黨中央提出“加快生態(tài)文明建設(shè)，健全國土空間開發(fā)、資源節(jié)約集約利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)的體制機(jī)制”等改革要求和“一帶一路”倡議。在此背景下，我國開始進(jìn)一步統(tǒng)籌和優(yōu)化陸地資源調(diào)查監(jiān)測衛(wèi)星的發(fā)展及應(yīng)用，在《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015-2025年）》中明確，開展2米/8米光學(xué)衛(wèi)星（3 顆）工程項(xiàng)目建設(shè)，即以高分一號01星為基礎(chǔ)，研制高分一號02、03、04星。

“在遙感應(yīng)用中，高分辨率與大寬幅，即‘看得清’與‘看得廣’是一對矛盾體。對于用戶來說，能在高分辨率、大寬幅與合理的成本間找到平衡點(diǎn)才是最適合的。”高分一號總體主任設(shè)計(jì)師王崇羽介紹。

5年前，我國成功發(fā)射了高分一號01星，該星的表現(xiàn)得到了國土資源領(lǐng)域用戶的高度認(rèn)可。如今，高分一號02、03、04星已發(fā)射成功，可用于國土資源調(diào)查、監(jiān)測、監(jiān)管與應(yīng)急等主體業(yè)務(wù)，還可服務(wù)于減災(zāi)、環(huán)保、住建、交通、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋、測繪等行業(yè)，提供社會(huì)化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)國土資源應(yīng)用中1∶2.5萬～1∶5萬比例尺遙感數(shù)據(jù)國產(chǎn)化率達(dá)到90%以上的目標(biāo)，減少重大行業(yè)和大用戶對國外數(shù)據(jù)的依賴，全面扭轉(zhuǎn)國內(nèi)遙感數(shù)據(jù)市場供需極不平衡的局面，降低國內(nèi)用戶使用同等級遙感數(shù)據(jù)的費(fèi)用。

前不久，我國組建了自然資源部。在高分一號02、03、04星發(fā)射前夕，自然資源部副部長曹衛(wèi)星在發(fā)射場看望慰問試驗(yàn)隊(duì)員時(shí)說：“新組建的自然資源部更需要高層次、高水平、立體化、多元化的衛(wèi)星遙感技術(shù)，來支撐技術(shù)體系的現(xiàn)代化和治理能力的現(xiàn)代化。”在今年開展的我國第三次全國土地調(diào)查中，民用高分辨率光學(xué)業(yè)務(wù)星座就將提供高精度、業(yè)務(wù)化、海量光學(xué)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，可謂“生逢其時(shí)”。

不僅看得更清、更準(zhǔn)、更齊，而且看得更久、更快、更多

雖說與高分一號01星同根同源，但高分一號02、03、04星作為“業(yè)務(wù)星”，在性能上比“科研星”有了很大的提升。

在“看得清”上，高分一號02、03、04星有了很大提升。它們相機(jī)的量化位數(shù)從10比特提高到了12比特，輻射分辨率大幅提高。此外，12比特量化位數(shù)能夠有效改善圖像的動(dòng)態(tài)范圍，圖像拉伸后可反映更多細(xì)節(jié)，圖像質(zhì)量也顯著提高。

▲ 國土資源部領(lǐng)導(dǎo)與試驗(yàn)隊(duì)合影

在“看得準(zhǔn)”上，高分一號02、03、04星的無控定位精度要求達(dá)到了30米，而實(shí)際運(yùn)行時(shí)還會(huì)更高，遠(yuǎn)優(yōu)于高分一號01星的定位精度。因而，相機(jī)拍攝更精準(zhǔn)。

高分一號02、03、04星分別搭載了兩臺由508所研制的全色多光譜相機(jī)，共計(jì)6臺。當(dāng)衛(wèi)星“編隊(duì)飛行”觀測同一區(qū)域時(shí)，能做到“看得齊”，即相機(jī)響應(yīng)一致，看同一景物的大小、顏色、亮度一致。這6臺相機(jī)的響應(yīng)一致性優(yōu)于3%，是國際同類衛(wèi)星星座中的佼佼者。

在衛(wèi)星發(fā)射前后，為獲取精確的星上遙感器輻射特性和輻射響應(yīng)變化，需要對星上敏感器件進(jìn)行輻射定標(biāo)。簡單地說，就是取個(gè)標(biāo)準(zhǔn)景。我國低軌衛(wèi)星通常采用對地定標(biāo)，即對地面實(shí)景定標(biāo)，可一旦飄來一朵云，就會(huì)受到干擾。高分一號02、03、04星首次實(shí)現(xiàn)我國低軌光學(xué)星座對月定標(biāo)，可有效修正相機(jī)的不均勻性，降低對地面校正系統(tǒng)的依賴，為用戶提供質(zhì)量更高的影像。

在成像效能即“看得久”“看得快”“看得多”上，新一批高分一號衛(wèi)星也很出色。

▲ 三顆衛(wèi)星并列在總裝車間 徐政勤 攝

首先，它們的設(shè)計(jì)壽命相比高分一號01星更長。當(dāng)衛(wèi)星視場旁發(fā)生重大自然災(zāi)害急需遙感圖像時(shí)，衛(wèi)星可以像人轉(zhuǎn)頭那樣，通過側(cè)擺，把目標(biāo)區(qū)域納入自己的視線范圍。新一批高分一號衛(wèi)星側(cè)擺25度的機(jī)動(dòng)時(shí)間比高分一號01星減少了1/4，響應(yīng)更迅速。此外，它們每天工作的圈次和時(shí)長也有所增加，由高分一號01星的每天8圈成像提升到單星每天14圈均可成像，每天累計(jì)成像時(shí)間增加了1/4。

“而且這還是基于目前國內(nèi)數(shù)傳站的能力，”王崇羽介紹，“如果國內(nèi)數(shù)傳能力提高，成像時(shí)間還可以更長。”

▲ 衛(wèi)星狀態(tài)檢查 徐政勤 攝

星座運(yùn)行模式靈活既能“編隊(duì)飛行”，又能“天各一方”

我國首個(gè)民用高分辨率光學(xué)業(yè)務(wù)星座的任務(wù)模式非常靈活，有什么樣的任務(wù)，星座可以變成相應(yīng)“隊(duì)形”，調(diào)整相位間隔。

在“編隊(duì)飛行”中，3顆衛(wèi)星的相位基本一致，像3只大雁一樣飛臨上空，實(shí)現(xiàn)同一地區(qū)一致性成像測試。在該相位模式下，3顆星可采用立體成像模式實(shí)現(xiàn)立體成像，也可采用圖像拼接模式實(shí)現(xiàn)大幅寬成像，更好地滿足用戶使用要求。

要實(shí)現(xiàn)快速重訪成像，3顆衛(wèi)星就要均勻地分布在地球軌道上，像摩天輪的轎廂，每兩顆星間隔120度左右。此時(shí)，星座具備運(yùn)行管理及天地協(xié)調(diào)統(tǒng)籌能力和區(qū)域連片無縫覆蓋能力，可實(shí)現(xiàn)15天全球覆蓋、2天重訪，長期、連續(xù)、穩(wěn)定、快速獲取全球2米全色、8米多光譜影像。此外，還可與高分一號01星共同構(gòu)建陸地資源調(diào)查監(jiān)測業(yè)務(wù)星座，將全球覆蓋周期縮短至11天、重訪周期縮短至1天。

由此可見，業(yè)務(wù)星座與單星相比優(yōu)勢巨大。而要讓3顆星的技術(shù)狀態(tài)如“三胞胎”般一致，實(shí)現(xiàn)批量研制與發(fā)射，則需衛(wèi)星及各個(gè)配套系統(tǒng)共同努力，嚴(yán)格把控質(zhì)量關(guān)。

為此，衛(wèi)星研制方航天東方紅衛(wèi)星有限公司設(shè)立了產(chǎn)品保證中心，針對每個(gè)型號都設(shè)立了專職產(chǎn)品保證經(jīng)理和產(chǎn)品保證助理，使質(zhì)量工作貫穿于科研生產(chǎn)始終。

“在整星研制中，我們從元器件、空間環(huán)境、工藝、材料、軟件等方面保證衛(wèi)星質(zhì)量受控，每一個(gè)方面都進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)與把關(guān)，每一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)都進(jìn)行了相關(guān)評審……”高分一號02、03、04星質(zhì)量管理負(fù)責(zé)人郝佳寧說，“總的來說，我們就是把質(zhì)量工作滲透到研制工作中的每一步，任何一步我們都有相關(guān)規(guī)定并嚴(yán)格執(zhí)行，還有監(jiān)督與復(fù)檢，并留有記錄。”

在大家的共同努力下，高分一號02、03、04星實(shí)現(xiàn)“一步正樣”，一致狀態(tài)，一箭三星，鍛煉出一支質(zhì)量意識強(qiáng)的隊(duì)伍，為今后同類衛(wèi)星星座建設(shè)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。★