高分二号开启我国高分辨率遥感卫星应用时代

2014-11-29崔恩慧吴佳栋高剑

太空探索 2014年10期

□ 崔恩慧吴佳栋高剑

俗话说，好事多磨。

高分二号卫星的发射成功，比原计划晚来了半年多。然而，作为高分专项工程第二颗光学遥感卫星，高分二号卫星对于我国遥感卫星技术及应用产业发展所具有的重大里程碑意义，使其光芒并未因成功的曲折性衰减分毫。8月19日，高分二号卫星在长征四号乙运载火箭的完美托举下，腾空而起，精确入轨，标志着我国民用遥感卫星领域跨入米级分辨率时代。

二号“种子”实在是“高”

如果说高分一号卫星作为首发星，为我国全面建设高分辨率对地观测系统开启了大幕，那么高分二号卫星则使国内民用遥感领域技术攀上了新高峰，真正实现了“高”分辨率。

作为迄今为止我国研制的空间分辨率和寿命要求最高的民用遥感卫星，高分二号卫星具备高空间分辨率优于1米和幅宽大于45千米的成像能力，技术指标达到或超过国外同类光学遥感卫星的水平。

高分二号卫星配置了两台相同的分辨率为1米全色/4米多光谱组合而成的相机，是现今我国焦距最长、分辨率最高的民用航天遥感相机，也是国际上同等分辨率幅宽最大的遥感相机。在研制过程中，科研人员突破了大口径超长焦距光学系统水平重力卸载装校、海量数据处理等一系列高分辨率相机研制难关。相机首次采用了小相对孔径的设计理念，在同等光学系统口径下，分辨率显著提高。

“打个比方，如果高分一号卫星镜头拍摄的是风景照，那么高分二号卫星拍摄的更像是人像。”高分二号卫星相机分系统主任设计师姜海滨形象地比喻道。

衡量遥感卫星是否先进，轻型化也是其中一个重要指标。高分二号卫星的分辨率“上去了”，相机的质量和体积却“下来了”，仅为传统设计方案的三分之一，实现了轻型化，对于整星减重作出了很大贡献。

此外，高分一号卫星是用2米全灰和8米多色的图像融合成2米分辨率的真彩图像，高分二号卫星则用1米全灰和4米多色的图像融合成1米分辨率的真彩图像。分辨率提高了，颜色信息齐备，高分二号卫星的图像解译能力大大提高。这也让卫星的用户方对其应用前景更加充满了期待。

长征四号乙运载火箭待发

普查到详查物美价更廉

一般而言，空间分辨率和时间分辨率难以同时做到两全齐美，通常需要牺牲一方来保证另一方的领先水平。高分一号卫星具有2米的空间分辨率，4天即可将地球完整查看一遍。而空间分辨率升级为1米的高分二号卫星，运行在降交点地方时10点30分的太阳同步轨道，需要5天重访地球的同一区域。

“我们是根据用户的需求，来决定卫星的运行轨道和性能参数的。”高分二号卫星总指挥兼总设计师潘腾解释说，相对于高分一号卫星，高分二号卫星的分辨率更高，且视场变窄、幅宽变小，重访时间自然变长。

但这点“牺牲”并无大碍。一方面，卫星通过增强侧摆能力也可以及时观测热点地区；另一方面，在多数用户方看来，5天或4天差别并不大。他们更看重的是，卫星到底能给他们提供怎样的分辨率和幅宽。

对于用户方之一的国土资源部来说，1米和2米分辨率的卫星影像可以满足他们不同方面的数据应用。但对于住房和城乡建设部、交通运输部的需求来说，2米分辨率在多数时候则显得捉襟见肘。而高分二号卫星米级分辨率的成像能力在城市建设用地规划、调查和执法以及道路监测和规划等方面，则显得游刃有余。因此，高分一号卫星更侧重于大面积的“普查”，高分二号卫星则可以更好地发挥“详查”作用。

作为我国单机国产化程度最高的卫星，高分二号卫星投入使用后，将改善中国高分辨率遥感数据主要依靠进口的状态，为国内用户提供高精度对地观测数据，为推动高分辨率对地观测系统重大专项建设、引领中国民用高分辨率卫星应用起到重要示范作用。

放眼全球，美国的IKONOS、韩国的KOMPSAT-2等在轨遥感卫星与高分二号卫星的分辨率同为1米，但幅宽仅为十几千米。比较之下，高分二号卫星45千米大幅宽的技术优势明显。而自高分一号卫星等国产遥感卫星投入使用以来，如法国“斯波特” 系列卫星等国外卫星的影像产品在国内市场受到不小冲击。国土资源部等卫星用户方在一些项目中，由于越来越多地可以使用国产卫星数据产品，成本大大降低。8月14日，美国WorldView-3卫星发射成功，该卫星具有0.3米分辨率成像能力。目前，世界商业遥感卫星影像的最高空间分辨率已经超过0.5米，美国政府前不久解除了对商业卫星影像0.5米分辨率的限制。

中国航天科技集团公司所属北京航天世景信息技术有限公司总经理徐丽萍，近20年来一直从事卫星商业遥感服务，深知国外遥感卫星的技术优势，也亲身经历了国内遥感卫星市场的飞速发展。在她看来，国内的遥感卫星技术已经足够成熟，在民用领域，国内卫星没有必要单纯地从分辨率方面与国外卫星作比较，而更应该从应用层面下工夫进行竞争。

“高分专项工程不仅带动了国产高分系列卫星发展，也带动了卫星应用技术以及卫星本身设计制造的基础发展。”徐丽萍说：“自主可控地使用本国的卫星影像，是从事地理信息行业的企业最乐于见到的局面。”

湖中之“吻”，青海海北州青海湖畔东北角

高分二号卫星发射升空

量体裁衣 “私人”订制

对于卫星的用户方来说，最关心的莫过于他们能否得到一张满足其使用需求的好图。高分二号卫星研制团队为了提高图像质量，从用户需求出发，按照其提出的卫星指标，为用户量体裁衣，做了一系列专门设计。

要敏捷地获取热点地区的图像，需要对地观测卫星的姿态能够快速且稳定地侧摆。

高分二号卫星在我国民用卫星中首次使用控制力矩陀螺，采用了优化高效的控制定姿方案。姿态执行机构能力更强，使该卫星具备了大角度的快速机动能力。高分一号卫星可在180秒内侧摆25度，高分二号卫星则提速至180秒内侧摆35度并达到稳定。

高分二号卫星成像的高分辨率对卫星姿态和扰动的稳定度也提出了很高的要求。“卫星姿态不稳定，就好比人摄影时手在抖动，会直接影响成像质量。”高分二号卫星工程总设计师马世俊说。因此，高分二号卫星研制团队选用成熟的资源卫星平台进行了适应性改进，通过采用阻尼减隔振等一系列措施和星敏感器高精度定姿等手段，保证了卫星成像的稳定性和指向精确性。

高分专项工程中，“高分”二字除了指“高分辨率”，还包括了“高精度”的含义，而衡量一颗卫星精度高低的指标就是定位精度。

在某种程度上，卫星的定位精度类似于人射击时要瞄准靶心。以往卫星的定位精度多为百米量级，高分一号卫星的定位精度达到两位数；到高分二号卫星，其定位精度要求为无控制点条件下优于50米。

“这就意味着，如果用高分二号卫星去拍摄人民英雄纪念碑，它在卫星图像中的位置和其真正的地理坐标位置，误差应不超过50米。”潘腾介绍，高分二号卫星发射后，其搭载的相机会有一个标校调整的过程。等到卫星在轨测试完成后，其图像定位精度还会进一步提高。

高分二号卫星在天上运转，将面对各种环境变化，如果相机焦距受到影响，将导致图像变形或错位。为了保证用户获得高质量的图像，科研人员努力将图像畸变控制在各行业用户要求的很小范围内。“比如，地面上道路的线条是平行的，我们要保证卫星图像中的道路线条也是平行的，而不是图像中间部分的线条平行，到两边却变弯曲了。”潘腾说。

卫星转场

共同研讨

两星协同挖潜效能

2013年年底，高分一号卫星投入使用，标志着我国遥感卫星应用进入了一个新阶段。如今，高分二号卫星成功入轨，必定会在不久的将来把应用引向深入。真正的高分辨率遥感卫星应用时代正向我们阔步走来。

做好应用的大文章，始终是高分专项工程的出发点和落脚点。就在8月初，云南省鲁甸县发生地震后，中国航天科技集团公司所属中国资源卫星应用中心紧急调动高分一号卫星等多颗国产遥感卫星，为国家搜救中心及时了解灾情、疏通中断道路等提供了重要信息参考。

自发射成功一年多来，高分一号卫星在国土资源、环境和农业等领域取得了广泛的应用效果，正由以技术推广为主的卫星向业务应用型卫星发展。在国家统计局2013年河北等五省秋粮和新疆棉花种植面积统计工作中，高分一号卫星数据替代国外数据的使用率达70%。我国民用高分辨率遥感数据国产化程度显著提高。

高分一号卫星在应急救灾方面，也发挥了不可替代的作用。特别是在去年的东北抗洪救灾中，高分一号卫星利用16米宽覆盖相机高效完成了洪涝区域的评估工作，与实际情况吻合率达90%以上。

不仅在国内遥感应用领域大显身手，高分一号卫星还促进了国际合作。中国国家航天局曾应亚太空间组织的请求，及时向巴基斯坦提供了该国地震灾区高分一号卫星的影像数据。此外，中国国家航天局与俄罗斯航天局签署了对地观测数据共享协议。今年4月，高分一号卫星和风云三号C星一同正式列为空间与重大灾害国际宪章值班卫星。通过国际合作，我国遥感应用也将获得更丰富的数据资源。

高分二号卫星投入使用后，将与在轨运行的高分一号卫星“并肩作战”，进一步完善我国高分专项工程建设，推动高分辨率卫星数据的大规模应用。“未来我们可以通过幅宽较大的高分一号卫星发现目标，再配合利用高分二号卫星对目标进行探测，识别出目标的‘真面目’。”高分二号卫星工程总设计师马世俊说。

服务用户拓展应用

高分二号卫星团队非常关心卫星后续的应用情况。“我们从深度上关心既有用户对卫星图像的使用程度，以相应地完善卫星技术。”潘腾说，“另外，我们还从广度上关注其他行业是否有特殊需求。”

高分一号卫星在实际应用中，图像数据的应用领域不断拓宽至水利、住建、减灾等10余个其他用户部门。这使高分专项工程的第二颗卫星的应用前景也被寄予了厚望。

高分二号卫星的主要用户包括国土资源部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家林业局等单位。它们不仅对卫星影像分辨率有更高的要求，对图像也有更特殊的业务化应用。

例如，在土地执法检查工作中，国土资源部可以依据高分二号卫星遥感图片清晰掌握目标土地利用的真实情况。未来，该部门应用高分二号卫星还将实现土地利用动态监测、矿产资源开发多目标遥感调查与监测等，使应用的领域深度和广度不断延伸。

对国土资源部来说，其不同方面的数据应用需求可以通过1米和2米分辨率的卫星影像互补而得到满足。但对于住房和城乡建设部、交通运输部等部门，他们要获取在城乡规划管理、风景名胜区资源保护，以及交通运输管理、道路监测和规划等方面的图像数据，显然通过高分二号卫星更精确的米级分辨率的成像能力来实现，要容易和出色得多。

不仅如此，高分二号卫星数据还将服务于测绘、国防等行业及首都圈、新疆等区域应用。目前，已有河北、上海等省市建立起高分数据应用服务体系。

“掘金”市场前景可期

各行业、区域以及大众消费市场，对遥感卫星数据的需求都是巨大的。在高分专项工程总设计师张荣桥看来，未来，高分二号卫星图像质量如果表现出色，除满足政府部门用户需求外，还会有大量潜在的商业用户，开发增值服务的空间巨大。

高分专项除了“抓好工程建设”，还“抓好数据应用”，通过一定时期的“放水养鱼”，不断培育应用市场，推动应用产业化。国防科工局局长许达哲建议：“各方应深入研究和探索商业服务模式，使高分专项产生更大的经济和社会效益。”

当前，遥感卫星商业化在国际上已成大趋势。在我国，国家发改委《关于2013年组织实施卫星及应用产业发展专项的补充通知》，推动了高分辨率商业遥感卫星及应用的产业化发展，为卫星遥感数据自主化及开展国际服务提供支撑。

可以说，高分辨率对地观测系统将为我国遥感卫星商业化奠定坚实基础。在应用过程中，那些市场需求大的高分辨率遥感卫星若转为商业化运作，将使国家资金重点投入到新技术验证、科学观测等基础性遥感卫星系统的建设中去。而商业化采购的遥感卫星在研制过程中采用的创新经验，经过验证，也可以应用到国家遥感卫星系统的研制中来，形成优势互补。

通过高分一号卫星的应用实践，各方达成这样一个共识：卫星只有通过不断应用，才能促进技术进步；而只有遥感卫星相机成像能力和图像质量提高了，才能极大发挥其应用效能。我国高分辨率遥感卫星应用时代的大幕已经开启，高分二号卫星的技术和应用同样值得人们期待。