登“高”望远：高分系列卫星的视觉秘密

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▲ 高分二号发射前

今年上半年，高分五号、六号卫星相继升空，大大提升了我国对地观测的能力。那么，高分系列卫星有哪些秘密呢？

怎样才能得“高分”

“高分”指的是高分辨率对地观测，而“高分专项”则是我国高分辨率对地观测系统的重大工程。高分专项要建设具备高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、高精度观测能力的自主、先进的对地观测系统，并与其他观测手段结合，形成具备时空协调、全天时、全天候、全球观测能力的稳定运行系统。

随着高分专项工程的实施，我国的高分辨率对地观测技术实现了一个“从有到好”的巨大跨越。国产高分辨率遥感数据的自给率大幅提高，一大批高分辨率对地观测的重大关键技术实现突破，国家遥感应用能力初步形成。那么，高分卫星是怎样做到这些的呢？

原来，高分卫星都属于高分辨率对地观测遥感卫星。遥感，从字面上来看，可以简单理解为遥远的感知，泛指一切无接触的远距离探测。从现代技术层面上讲，遥感是一种应用探测仪器，使用空间运载工具和现代化的电子、光学仪器，探测和识别远距离研究对象的技术。

遥感可以通过人造地球卫星、航空器等平台上的遥测仪对地球表面进行感应遥测和资源管理的监视，大到海洋森林，小至池塘草地，疾如山火台风，静若矿山土壤，都难逃它的法眼。其中，能够作为外层空间遥感平台的人造卫星就是遥感卫星，而高分卫星则是其中“心明眼亮”的佼佼者。

通常，遥感卫星可在轨道上运行数年，而高分卫星家族更是长寿星，除了高分一号卫星和高分二号卫星外，其他高分卫星的设计寿命都能够达到8年。

遥感卫星能在规定的时间内覆盖整个地球或指定的任何区域，当沿地球同步轨道运行时，它能连续对地球表面的指定地域进行遥感。遥感卫星根据载荷遥感仪器的不同分为主动和被动两种。其中，被动遥感仪器直接接收目标物体发出的红外辐射或反射的太阳光等电磁波信号；主动遥感仪器则通过自带的辐射源发射电磁波，然后再接收目标物体反射或散射的电磁波信号。

▲ 高分四号吊装 乔琳 摄

洞察秋毫的高分光学卫星

光学卫星主要是卫星利用光电遥感器材对地面拍摄以获取图像，它主要有可见光相机、多光谱相机、超光谱相机、多光谱扫描仪和电视摄像机等，具有分辨率高的特点。

光学遥感是遥感科技中发展最早，也是目前对地观测和空间信息领域中应用最广泛的技术手段。近年来，随着光学成像、电子学与空间技术的快速发展，高空间、高光谱和高时间分辨率遥感不断取得新突破，遥感卫星数量也呈爆发式增长，为光学遥感图像处理与应用发展创造了前所未有的机遇和广阔前景。

截至目前，我国发射的高分一号、二号、四号、五号、六号都属于光学卫星。尽管看上去“杀手锏”一样，但这五个高分兄弟各个身手不凡，互有千秋。

作为高分辨率对地观测系统的首发星“高分一号”突破了高空间分辨率、多光谱与宽覆盖相结合的光学遥感等关键技术，分辨率达到2米，一眼覆盖800公里，4天可看遍地球，分辨率和幅宽综合指标均达到世界先进水平。

“高分二号”是迄今我国空间分辨率最高的民用遥感卫星，它的出现标志着我国民用遥感卫星正式跨入亚米级分辨率时代，空间分辨率优于1米，幅宽大于45公里。高分一号、二号运行于近地轨道，空间分辨率高，但对固定区域重访所需周期较长，时间分辨率较低。

高轨遥感卫星可弥补低轨遥感卫星的不足，两者结合使用能发挥出更大效益。在这种需求下，2015年12月高分四号卫星发射升空，运行于地球同步轨道，成为观测地球的最高“太空眼”。

今年5月，“高分五号”发射升空，是世界首颗实现对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星。高光谱遥感是当前遥感技术的前沿领域，地球上不同的元素及其化合物都有独特的光谱特征，光谱因此被视为辨别物质的“指纹”，是用以识别和分析不同物体特征的一种重要的“身份证”。

光学成像只能看到物质的形状、尺寸等，高分五号卫星具备的光谱成像技术，可使光谱与图像结合为一体，探测物质的具体成分。另外，该卫星可实现紫外至长波红外谱段的高光谱观测，探测手段丰富，工作模式多达26种，定标精度亦为国内卫星之最。

今年6月，高分六号卫星发射成功，开启“高分家族”组网新篇。高分六号卫星与高分一号卫星同属成熟的CAST2000小卫星平台，但作为我国第一颗设置红边谱段的多光谱遥感卫星，高分六号卫星的成像性能、图像精度、卫星系统效能、可靠性等全面提升，每天累计数据获取量翻倍。

▲ 高分五号卫星太阳帆板展开

“不畏浮云遮望眼”的雷达卫星

虽然，光学侦察卫星具有分辨率高的特点，但也容易受天气影响，阴雨和云雾天气都会让光学侦察卫星“看”不清楚。因此，一些航天大国又研制了能够全天候工作的雷达成像卫星。

雷达成像卫星是利用星载雷达获取目标图像信息，不受光照和云雾等气象条件限制，但成像分辨率较低，一般在1米左右。

雷达波段理论上是波段越小看到的影像越清晰，因此，雷达需要很长的天线才能发出所需的微波。但目前大型的微波雷达天线达到数公里，传统雷达无法实现机载和星载，为了解决卫星分辨率问题，采用多个雷达孔径同步或异步观测，可以获得多个小波段的雷达成像，因此，雷达卫星上一般都采用合成孔径雷达作为传感器。

合成孔径雷达是上世纪50年代末研制成功的一种微波遥感器，它利用载有雷达的飞行平台来得到较长的合成天线，由此获得高分辨率图像。SAR与传统的光学遥感器相比，不仅具有全天候、全天时工作能力，而且穿透力强，不用担心雾霾多云的天气。

因此，SAR可用于测图、农作物监测、海洋与冰层观测、地球资源探测、月球与金星的结构探测等。

另外，根据SAR穿透掩盖物及识别伪装能力强的特点，可用于探测隐蔽的装备和烟雾笼罩区的目标。正是由于SAR具有其他遥感系统难以比拟的优点和特性，世界航天大国和组织都在积极研制与发展各自的SAR遥感系统。

我国幅员辽阔、地形复杂、气候多变，每年因水灾、干旱、林火及地震等造成的损失巨大，所以卫星遥感对我国的地球资源与环境变化探测具有特别重要的意义。

此外，在地形复杂、偏僻及环境恶劣地区，雷达卫星的优势更明显。我国对SAR的研制工作于1978年，样机完成后在云雨天气进行了几次飞行试验，分辨率为12米。在1987、1988及1989年的夏季，我国开展了防汛遥感应用试验，在永定河、黄河与长江中下游地区建立了以机载SAR为核心的“全天候、准实时防洪遥感信息系统”。

2016年8月，高分三号卫星发射升空。该卫星作为我国首颗1米分辨率C频段合成孔径雷达成像卫星，打破了我国民用天基高分辨率合成孔径雷达图像全进口的现状。高分三号卫星采用多极化设计，具有12种工作模式，带有主动探测载荷，通过发射微波信号并接收地面反射的回波信号进行探测，不受光照、云层和天气的约束与影响。它提供的可靠、稳定的高分辨率微波图像数据，广泛服务于我国海洋、减灾、水利及气象等多个行业及业务部门。

总之，自2013年高分一号卫星发射以来，高分系列卫星在测绘、农业、工程设计、地质勘探、海洋水文、灾害监测等方面发挥了重要作用，创造了巨大的经济效益。随着高分系列卫星的发射，可以通过给不同的卫星分配不同的过境时间段，以保证发挥更大的观测效能。通过不断建设，高分系列卫星观测网将会进一步提升观测能力，成为助力“地球村”建设的中国“天眼”。