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▲ 高分二號發(fā)射前

今年上半年，高分五號、六號衛(wèi)星相繼升空，大大提升了我國對地觀測的能力。那么，高分系列衛(wèi)星有哪些秘密呢？

怎樣才能得“高分”

“高分”指的是高分辨率對地觀測，而“高分專項”則是我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)的重大工程。高分專項要建設具備高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率、高精度觀測能力的自主、先進的對地觀測系統(tǒng)，并與其他觀測手段結(jié)合，形成具備時空協(xié)調(diào)、全天時、全天候、全球觀測能力的穩(wěn)定運行系統(tǒng)。

隨著高分專項工程的實施，我國的高分辨率對地觀測技術實現(xiàn)了一個“從有到好”的巨大跨越。國產(chǎn)高分辨率遙感數(shù)據(jù)的自給率大幅提高，一大批高分辨率對地觀測的重大關鍵技術實現(xiàn)突破，國家遙感應用能力初步形成。那么，高分衛(wèi)星是怎樣做到這些的呢？

原來，高分衛(wèi)星都屬于高分辨率對地觀測遙感衛(wèi)星。遙感，從字面上來看，可以簡單理解為遙遠的感知，泛指一切無接觸的遠距離探測。從現(xiàn)代技術層面上講，遙感是一種應用探測儀器，使用空間運載工具和現(xiàn)代化的電子、光學儀器，探測和識別遠距離研究對象的技術。

遙感可以通過人造地球衛(wèi)星、航空器等平臺上的遙測儀對地球表面進行感應遙測和資源管理的監(jiān)視，大到海洋森林，小至池塘草地，疾如山火臺風，靜若礦山土壤，都難逃它的法眼。其中，能夠作為外層空間遙感平臺的人造衛(wèi)星就是遙感衛(wèi)星，而高分衛(wèi)星則是其中“心明眼亮”的佼佼者。

通常，遙感衛(wèi)星可在軌道上運行數(shù)年，而高分衛(wèi)星家族更是長壽星，除了高分一號衛(wèi)星和高分二號衛(wèi)星外，其他高分衛(wèi)星的設計壽命都能夠達到8年。

遙感衛(wèi)星能在規(guī)定的時間內(nèi)覆蓋整個地球或指定的任何區(qū)域，當沿地球同步軌道運行時，它能連續(xù)對地球表面的指定地域進行遙感。遙感衛(wèi)星根據(jù)載荷遙感儀器的不同分為主動和被動兩種。其中，被動遙感儀器直接接收目標物體發(fā)出的紅外輻射或反射的太陽光等電磁波信號；主動遙感儀器則通過自帶的輻射源發(fā)射電磁波，然后再接收目標物體反射或散射的電磁波信號。

▲ 高分四號吊裝 喬琳 攝

洞察秋毫的高分光學衛(wèi)星

光學衛(wèi)星主要是衛(wèi)星利用光電遙感器材對地面拍攝以獲取圖像，它主要有可見光相機、多光譜相機、超光譜相機、多光譜掃描儀和電視攝像機等，具有分辨率高的特點。

光學遙感是遙感科技中發(fā)展最早，也是目前對地觀測和空間信息領域中應用最廣泛的技術手段。近年來，隨著光學成像、電子學與空間技術的快速發(fā)展，高空間、高光譜和高時間分辨率遙感不斷取得新突破，遙感衛(wèi)星數(shù)量也呈爆發(fā)式增長，為光學遙感圖像處理與應用發(fā)展創(chuàng)造了前所未有的機遇和廣闊前景。

截至目前，我國發(fā)射的高分一號、二號、四號、五號、六號都屬于光學衛(wèi)星。盡管看上去“殺手锏”一樣，但這五個高分兄弟各個身手不凡，互有千秋。

作為高分辨率對地觀測系統(tǒng)的首發(fā)星“高分一號”突破了高空間分辨率、多光譜與寬覆蓋相結(jié)合的光學遙感等關鍵技術，分辨率達到2米，一眼覆蓋800公里，4天可看遍地球，分辨率和幅寬綜合指標均達到世界先進水平。

“高分二號”是迄今我國空間分辨率最高的民用遙感衛(wèi)星，它的出現(xiàn)標志著我國民用遙感衛(wèi)星正式跨入亞米級分辨率時代，空間分辨率優(yōu)于1米，幅寬大于45公里。高分一號、二號運行于近地軌道，空間分辨率高，但對固定區(qū)域重訪所需周期較長，時間分辨率較低。

高軌遙感衛(wèi)星可彌補低軌遙感衛(wèi)星的不足，兩者結(jié)合使用能發(fā)揮出更大效益。在這種需求下，2015年12月高分四號衛(wèi)星發(fā)射升空，運行于地球同步軌道，成為觀測地球的最高“太空眼”。

今年5月，“高分五號”發(fā)射升空，是世界首顆實現(xiàn)對大氣和陸地綜合觀測的全譜段高光譜衛(wèi)星。高光譜遙感是當前遙感技術的前沿領域，地球上不同的元素及其化合物都有獨特的光譜特征，光譜因此被視為辨別物質(zhì)的“指紋”，是用以識別和分析不同物體特征的一種重要的“身份證”。

光學成像只能看到物質(zhì)的形狀、尺寸等，高分五號衛(wèi)星具備的光譜成像技術，可使光譜與圖像結(jié)合為一體，探測物質(zhì)的具體成分。另外，該衛(wèi)星可實現(xiàn)紫外至長波紅外譜段的高光譜觀測，探測手段豐富，工作模式多達26種，定標精度亦為國內(nèi)衛(wèi)星之最。

今年6月，高分六號衛(wèi)星發(fā)射成功，開啟“高分家族”組網(wǎng)新篇。高分六號衛(wèi)星與高分一號衛(wèi)星同屬成熟的CAST2000小衛(wèi)星平臺，但作為我國第一顆設置紅邊譜段的多光譜遙感衛(wèi)星，高分六號衛(wèi)星的成像性能、圖像精度、衛(wèi)星系統(tǒng)效能、可靠性等全面提升，每天累計數(shù)據(jù)獲取量翻倍。

▲ 高分五號衛(wèi)星太陽帆板展開

“不畏浮云遮望眼”的雷達衛(wèi)星

雖然，光學偵察衛(wèi)星具有分辨率高的特點，但也容易受天氣影響，陰雨和云霧天氣都會讓光學偵察衛(wèi)星“看”不清楚。因此，一些航天大國又研制了能夠全天候工作的雷達成像衛(wèi)星。

雷達成像衛(wèi)星是利用星載雷達獲取目標圖像信息，不受光照和云霧等氣象條件限制，但成像分辨率較低，一般在1米左右。

雷達波段理論上是波段越小看到的影像越清晰，因此，雷達需要很長的天線才能發(fā)出所需的微波。但目前大型的微波雷達天線達到數(shù)公里，傳統(tǒng)雷達無法實現(xiàn)機載和星載，為了解決衛(wèi)星分辨率問題，采用多個雷達孔徑同步或異步觀測，可以獲得多個小波段的雷達成像，因此，雷達衛(wèi)星上一般都采用合成孔徑雷達作為傳感器。

合成孔徑雷達是上世紀50年代末研制成功的一種微波遙感器，它利用載有雷達的飛行平臺來得到較長的合成天線，由此獲得高分辨率圖像。SAR與傳統(tǒng)的光學遙感器相比，不僅具有全天候、全天時工作能力，而且穿透力強，不用擔心霧霾多云的天氣。

因此，SAR可用于測圖、農(nóng)作物監(jiān)測、海洋與冰層觀測、地球資源探測、月球與金星的結(jié)構探測等。

另外，根據(jù)SAR穿透掩蓋物及識別偽裝能力強的特點，可用于探測隱蔽的裝備和煙霧籠罩區(qū)的目標。正是由于SAR具有其他遙感系統(tǒng)難以比擬的優(yōu)點和特性，世界航天大國和組織都在積極研制與發(fā)展各自的SAR遙感系統(tǒng)。

我國幅員遼闊、地形復雜、氣候多變，每年因水災、干旱、林火及地震等造成的損失巨大，所以衛(wèi)星遙感對我國的地球資源與環(huán)境變化探測具有特別重要的意義。

此外，在地形復雜、偏僻及環(huán)境惡劣地區(qū)，雷達衛(wèi)星的優(yōu)勢更明顯。我國對SAR的研制工作于1978年，樣機完成后在云雨天氣進行了幾次飛行試驗，分辨率為12米。在1987、1988及1989年的夏季，我國開展了防汛遙感應用試驗，在永定河、黃河與長江中下游地區(qū)建立了以機載SAR為核心的“全天候、準實時防洪遙感信息系統(tǒng)”。

2016年8月，高分三號衛(wèi)星發(fā)射升空。該衛(wèi)星作為我國首顆1米分辨率C頻段合成孔徑雷達成像衛(wèi)星，打破了我國民用天基高分辨率合成孔徑雷達圖像全進口的現(xiàn)狀。高分三號衛(wèi)星采用多極化設計，具有12種工作模式，帶有主動探測載荷，通過發(fā)射微波信號并接收地面反射的回波信號進行探測，不受光照、云層和天氣的約束與影響。它提供的可靠、穩(wěn)定的高分辨率微波圖像數(shù)據(jù)，廣泛服務于我國海洋、減災、水利及氣象等多個行業(yè)及業(yè)務部門。

總之，自2013年高分一號衛(wèi)星發(fā)射以來，高分系列衛(wèi)星在測繪、農(nóng)業(yè)、工程設計、地質(zhì)勘探、海洋水文、災害監(jiān)測等方面發(fā)揮了重要作用，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。隨著高分系列衛(wèi)星的發(fā)射，可以通過給不同的衛(wèi)星分配不同的過境時間段，以保證發(fā)揮更大的觀測效能。通過不斷建設，高分系列衛(wèi)星觀測網(wǎng)將會進一步提升觀測能力，成為助力“地球村”建設的中國“天眼”。