3.6万公里高空，给地球拍“大片”

    12月29日零时4分,中国长征三号乙运载火箭在中国西昌卫星发射中心发射场顺利点火升空,成功将高分四号卫星送入预定转移轨道,为中国航天“十二五”航天发射画下了圆满的句号。

    作为2015年的收官之战,此次任务是高分工程首次实施高轨道发射。“地球同步轨道遥感技术是国际航天遥感领域发展的一个重要方向,高分四号卫星是目前世界上空间分辨率最高、幅宽最大的地球同步轨道遥感卫星,也是目前我国时间分辨率最高、设计使用寿命最长的遥感卫星,它的研制和成功发射将开辟我国高轨高分辨率对地观测技术的新领域。”工信部副部长、国家国防科技工业局局长许达哲说。

    高分一号、二号属于低轨卫星,巡地细看;高分四号则处于地球同步轨道,相对地面静止,可驻留凝望

    高分四号采用新研制的高轨遥感卫星平台,卫星总质量约5吨,设计寿命8年。

    高分四号与之前发射的高分卫星最大的不同就在于运行轨道不一样。高分一号和高分二号的运行轨道都是太阳同步轨道(距离地球700—900公里),属于低轨卫星。高分四号的运行轨道则是地球同步轨道。

    “卫星在绕地球运行时,其运行周期(绕地球一圈的时间)与地球的自转周期(23小时56分04秒)相同,这种卫星轨道就叫做地球同步轨道。”国防科工局系统工程司副司长赵坚说,“如果地球同步轨道卫星正好在地球赤道上空离地面35786公里的轨道上绕地球运行,由于它绕地球运行的角速度与地球自转的角速度相同,从地面上看去好像是静止的,这种卫星轨道叫地球静止卫星轨道,它是地球同步轨道的特例,只有一条。高分四号就是在地球静止卫星轨道运行的。”

    轨道特性决定了地球同步轨道的高度优势,是宝贵资源,通常作为通信卫星、广播卫星以及气象卫星的轨道来使用。

    国防科工局重大专项工程中心主任童旭东说:“通信卫星和广播卫星都不属于遥感卫星。气象卫星和高分四号一样,属于高轨对地遥感卫星,但它的分辨率比较低,基本在公里级,高分四号的空间分辨率为可见光谱段50米,中波红外谱段400米,为目前国内地球静止轨道遥感卫星最高水平,国际上也尚无此类卫星。”

    同时,高分四号的时间分辨率也非常高,即对同一区域进行相邻两次观测的时间间隔非常小,可以达到分钟级,甚至是秒级。卫星利用相对地面静止的优势,可以驻留固定区域的上空,并能快速进行指向调整,实现对多个地区高频次重访观测。

    “像高一、高二这类低轨卫星,距离地球比较近,优势是可以提供分辨率较高的成像。但他们也有不足:一是成像的幅宽比较小;二是重访周期长,要实现对一个地区的再次观测的话,需要几个小时甚至是数天。而且,低轨卫星必须转到地面接收站或目标的上空才能接收数据。高分四号这样的高轨卫星就可以弥补这方面的不足,它的幅宽大,观测范围可以覆盖地球表面的1/3。同时,始终在目标上空,不受测控弧段和数传弧段的影响,可实现近实时的应急任务响应,大大提高卫星的使用效能。”中国航天科技集团高分四号卫星工程总设计师李果说。

    首次装载一台我国当前口径最大的面阵凝视相机,一幅图片抵一个河南省的面积

    高分四号在地球同步轨道上运行,这个轨道距离地球远,环境条件也比较复杂,卫星要实现长期稳定运行还需克服重重困难。

    首先是要解决抗辐射和高轨温控的问题。轨道上温度变化非常大,太阳照射也非常强烈,从不同角度都可以照到卫星,所以,只有解决好抗辐射和温控的问题,才能保证卫星上搭载的相机能可靠工作。

    其次是要保证对卫星的高精度控制。为此,高分四号采用了先进的控制体制,也配备了精度很高的测量敏感器和大力矩的飞轮。

    李果说:“所谓高精度控制就是指向,比如,想要卫星指向北京就不可能指到天津。在地面上大家可能觉得这两个地方还是有一定的距离,但如果从距离地球3.6万公里的静止轨道上看,这两个地方距离角度其实非常小,所以要把卫星指向目标区域,并不容易,必须实现高精度控制。”

    除了实现高精度控制之外,李果说还要实现对卫星的稳定控制。“就好比我们拿着一个相机对远目标成像,要想成像清楚,手就不能抖。”

    高分四号上有一些控制部件在卫星运行过程中是要高速旋转的,这必然会带来一定的抖动。此外,卫星为了获取能源也要不停地驱动太阳能帆板转动,这些都会引起整个卫星的抖动。

    “为了保证卫星成像质量,控制系统必须解决抖动问题。”中国航天科技集团科技委副主任、高分四号卫星工程总设计师于登云说。

    在高轨道实现大幅宽、高分辨率成像也是需要攻克的难关。卫星轨道距离地球表面太远,实现高分辨率非常困难。为了实现这种可能,科研人员给高分四号首次装载了一台我国当前口径最大的面阵凝视相机,相机同时配备了规模较大的可见光探测器和红外探测器。

    “面阵相机一般是在相对地球静止的情况下来完成成像过程。它就好像我们大家常用的相机或手机,在对目标进行拍摄时,成像出来的是一个方形区域,相当于形成一个面。”于登云说,“高分四号拍摄一幅图片差不多是一个河南省的面积。如果要在不同区域成像,只需调整卫星的不同姿态指向。”李果说。

    能对目标实现持续高频次观测,可捕捉台风形成过程,跟踪沙尘暴转移行踪

    高分四号成功入轨并完成定点后,还将进行6个月的在轨测试,然后再正式交付用户,投入使用。高分四号投入使用后,将在减灾、地震、林业等领域,为灾害预警预报、地震构造信息提取、森林调查与监测、气候变化监测等业务提供高时效、高分辨率数据支撑。同时,高分四号在农业、国土、海洋、水利等行业具有巨大的应用潜力和广阔的发展空间。

    “高分四号有其独特的优势,它可以在可见光和红外谱段对多个区域进行持续高频的观测。比如,气象部门想要研究台风的形成过程和原因,使用普通的低轨遥感卫星观测就抓不到它的形成过程,因为低轨卫星对一个目标几天以后才能实现重复观测,而高分四号这样的高轨卫星可以对目标持续高频次连续观测。还有,对沙尘暴的来源和转移过程也能实现连续观测,对林火实时监测,能够达到早发现、早灭火、少损失的效果。”国家林业局调查规划设计院黄国胜处长说。

    高分专项自2010年正式启动以来,为国家经济建设、国家安全、科技发展和社会进步做出了突出贡献。据统计,截至2015年11月底,高分专项累计分发数据403万景,数据量超过我国以往遥感卫星历史数据总和,已全面进入了主要应用领域。

    “高分数据的应用,使得近年国内市场上国外卫星数据价格大幅度降低,分辨率低于2米的国外卫星基本退出国内市场。”童旭东说。