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“天空之眼”,目光更闪亮
发布时间:2020-03-20   来源:河北日报 
□河北日报记者 王璐丹

      2月3日,武汉火神山医院正式交付使用。从杂草丛生的荒地到一座可以容纳1000张病床的战疫医院,整个过程的观测都在高分卫星锐利的“目光”之下。
      有着太空“神探”之称的“高分家族”(即高分辨率对地观测系统系列卫星),仿若一只只“天空之眼”,高挂在太空,地上的人类看不见,也摸不着,但这并不影响它们“遥望”我们,并用这种远距离的技能改变着地上的生活。
      从高分一号到高分七号,“高分家族”不仅构建起我国自主高分辨率对地观测系统,在应用上也遍及国土测绘、农业、林业、环保等领域。太空中的“天眼”,正发挥着越来越重要的作用。
      悬在天上的眼睛
      在人造卫星领域,“通导遥”即通信、导航、遥感是卫星应用最主要的3个方向。
      通信卫星不必作过多解释,人类之所以能够给地球的另一端打电话、发电报、视频对话等都靠它;至于导航卫星,人们所熟知的北斗系列就属此类,为地面、海洋、空中和空间用户进行准确的导航定位。
      遥感卫星,是帮助人们从天上观测地面和海面的“眼睛”。国家航天局原局长、中国工程院院士栾恩杰对此有过一个通俗的解释,他用《中庸》里的“致广大而尽精微”来描述:致广大,指遥感卫星登太空之“高”望“远”,看得广大;尽精微,指凭借高空间、时间、光谱、温度分辨率,遥感卫星能抓住物体细小的特征,捕捉细微的变化。
     “高分家族”就是遥感卫星界的杰出代表。这个家族是我国16个重大科技专项之一,被称为“天眼”工程。目前,已经发射入轨多颗遥感卫星,个个身怀绝技。
      2013年发射的高分一号卫星,是高分专项工程的首发星,视野广阔,一眼下去覆盖800公里宽,4天即可完整观测地球一遍。航天科研人员称其是“大幅宽成像”。
      2014年发射的高分二号卫星可以用目光锐利来形容。“它比高分一号卫星看得更清晰细致,空间分辨率可达1米,如果说空间分辨率两米的高分一号能看到地面的小轿车,那么,空间分辨率达到亚米级的高分二号能看到地面的自行车。”省高分中心主任李子风介绍,高分二号将中国遥感卫星空间分辨率带进了“亚米时代”。
      2015年发射的高分四号卫星比较特立独行,站在距地3.6万公里的高轨道上相对静止地驻留凝望,可以对某一目标区域持续观测,而不必像高分一号卫星和高分二号卫星那样在600公里-700公里的低轨道上“奔跑”,要数小时甚至数天才能重访同一观测区域。
      而2016年发射的高分三号卫星和前几颗卫星又有不同。“它是一颗微波雷达成像的遥感卫星,最大的特点就是具备可以全天时、全天候的成像能力,不管白天或黑夜,也不管晴空或雷雨多云,都可以随时对地成像,尤其适合于防灾减灾的应用。”李子风说。
      后来,高分五号卫星和高分六号卫星也相继出发了。“家里人”对他们依然寄予厚望。高分五号负责动态监测我国大气污染状况,高分六号负责陆地应急监测,各显神通。
      去年11月,“高分家族”再添“七娃”。作为我国首颗亚米级高分辨率光学传输型立体测绘卫星,与一般光学遥感卫星只能拍摄平面图像相比,“七娃”是家族中唯一可以绘制立体图像的,并且,还拥有目前国内最高的定位精度。
      “如果说我国首颗民用高分立体测绘卫星资源三号能绘制1∶5万比例尺地图,解决了我国立体测绘从无到有的问题,高分七号卫星则能获得1∶1万比例尺地形图。在资源三号的立体地图上,我们可以准确定位高速公路,而有了高分七号,即使一条乡间小路的位置也能明察秋毫。”李子风介绍。
      睁开“天空之眼”
      高分系列卫星是一个庞大而“基因优秀”的家族,每颗卫星都各有特色,各怀“绝技”,担负着特定的对地观测使命。
      但对于遥感应用而言,卫星发射上天只是工程的一部分。毕竟,天上获取的数据,只有拿回地面应用才有意义。高分专项立项时,就致力于天地协调同步发展。中国电科54所承担了建设高分地面任务管控系统的任务。
      “地面任务管控系统是进行任务优化决策和控制卫星的中枢神经系统,是连接卫星与应用的桥梁,是整个高分工程效能发挥的关键,它的运行质量决定了高分卫星能否准确高效地为用户提供对地观测服务。”中国电科54所高分专项地面任务管理团队负责人马万权说,从这个角度说,它就是卫星的最强“大脑”,充当着用户与卫星的“管家”。
      据介绍,观测任务优化决策的目的是最大限度地发挥卫星在轨运行效益,防止卫星运行效率低下甚至“空转”不产生效益。“根据卫星的研制成本和在轨寿命,没有任何数据产出和应用的‘空转’,一天的损失可达百万元。”
      “卫星有效载荷的每个动作都是由地面任务管控系统编排和发出的。”马万权介绍,从用户提出对地观测需求开始,它就负责统筹各用户的需求,将各类任务分解编排成卫星和地面系统可以执行的计划,调度高分卫星和地面数据接收系统、地面数据处理系统履行自己的使命。同时,通过对传输下来的遥感数据进行分析,也可以动态地监视卫星的工作状态及其有效载荷的健康状态。
      为发挥基础设施共用、任务统筹决策的优势,“一星一系统”即为每颗卫星独立建设地面任务管控系统的方案从一开始就行不通。只有多星共用一套地面任务管控系统,才能最有效地发挥高分专项的作用。
      然而,一体化建设的顶层方案,在设计上存在诸多的难题:每颗卫星都有自己的“绝活儿”,它们的轨道、搭载的载荷都有很大的差异,既要满足当时拟发卫星的运行需求,还要以开放的眼光,适应未来航天地面任务建设的发展。
      马万权说,基于高分卫星数量多、种类多、管理方式复杂的特点,地面任务管控系统采取了“平台加插件”的一体化设计方案,避免了“一星一系统”的出现,并有效发挥了基础设施共用共享和任务统筹决策的优势,提高卫星应用的运转效率。他表示,这一系统的建设,为遥感卫星的地面应用做了一个示范。
      “高分地面任务管控系统主要有几个创新特点:一是管控的卫星种类多,涉及陆地、气象、海洋观测卫星;二是管控卫星载荷的种类多,包括可见光、红外、高光谱、微波、激光、大气测量等仪器;三是卫星计划编排快;四是用户服务范围广,包括国土、农业、应急等行业及区域用户等。”马万权表示,虽然每颗高分卫星各有特点,但一体化的设计有效地发挥了基础设施共用共享和任务统筹决策的优势。
      应用渐入佳境
      如今,在国土、林业、农业、海洋、环保、气象、水利、减灾、住建、交通、公安、卫生、统计、扶贫、旅游、审计、安全生产、保险、高铁、海关等等几乎一切和国计民生相关的领域,都渐渐有了“天空之眼”的身影。
      高分数据应用,已成为相关部门主体业务不可或缺的手段及各级政府治理结构和治理体系的重要支撑,很大程度上实现了对国外同类型卫星数据替代。
      以高分七号为例,李子风描述了它未来的应用场景:获取地形地貌、植被覆盖、经济发展等多要素信息,全面掌握自然、人文、经济的空间分布及时序演变情况,为国土空间规划编制提供支撑;用于全国土地利用变更调查监测与核查,让土地利用变化情况一览无遗;用于检查矿山开发等,及时制止盗采滥采、环境破坏等行为;为极地科学考察与冰盖变化监测提供高精度数据支撑……
      但在很多人看来,高分卫星是名副其实的“高科技”。在天上运转的卫星跟普通百姓的生活有什么关系?
      “高分专项是一项创新工程、‘天眼’工程、应用工程和民生工程,更是军民融合的典型应用,和百姓生活密切相关。”李子风说,网约车、叫外卖、查快递……现代人的生活离不开手机中的导航定位功能和地图应用,而导航定位功能不仅依靠北斗、GPS之类的导航卫星,还需要测绘卫星的支持。
      “车辆和手机的位置精度由导航卫星保证,而地图的精度则由测绘卫星实现。”李子风说,特别是去年发射的‘高分七号’卫星,就能够大幅提升我国地图的精度,以后大家出行就可以使用高分七号获取的地图和北斗的导航信号,让我们的航天技术更精准地服务于人们的日常生活。
      李子风表示,目前“高分专项”成果已覆盖国民经济各领域,应用前景非常广阔,但在应用深度和广度方面尚需进一步拓展,省高分中心致力于高分专项在我省的推广应用,只有让这些数据真正落地,才能发挥高分卫星数据的最大的效用。