遥感卫星的问世,使人类研究地球、认识地球的视点从地面、低空扩展到太空,从而可以对地球进行连续、快速、综合和大面积的详细观测,更全面、更清晰、更深刻地了解地球及其周围环境,对国计民生产生巨大的促进作用。
天眼越来越好
遥感卫星也叫对地观测卫星,有光学成像卫星和雷达成像卫星2种,前者携带可见光、红外和多光谱等遥感器,最大优点是分辨率高;后者携带合成孔径雷达等遥感器,最大优点是可以全天候工作。
众所周知,评估遥感卫星性能的一个重要指标就是分辨率,它包括空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率等,其中空间分辨率最令人关注,其指标对卫星应用的深度和广度具有重要影响。空间分辨率一词来源于光学,是指2个点光源彼此接近到恰能被分辨出的最小距离,能显示遥感卫星分辨目标的能力。具体说来,它是指能从遥感卫星照片上辨别地面目标的最小尺寸,例如,如果某遥感卫星能够辨别的最小目标为2米,则这种遥感卫星的分辨率就是2米。
随着经济建设和社会发展,人类对遥感卫星的空间分辨率要求越来越高,所以高分辨率遥感卫星的发射数量和研制国家正日益增多。近年来,高分辨率遥感卫星的发射数量已占遥感卫星发射总数的约41%,而且其占有比例有继续增加的趋势,因此可以认为,人类对地观测已进入高分卫星时代。这些高分辨率遥感卫星已广泛用于精确制***、城市规划、土地利用、资源管理、环境监测、地理信息服务等领域,成为国家基础性、战略性资源。
对于采用光学成像的遥感卫星来讲,其运行轨道越高,分辨率就越低,所以,高分辨率遥感卫星通常运行在近地轨道,有时甚至采用临时性降低轨道高度的方法来取得短期的更高分辨率的***像,以满足特殊需要。另外,星载相机的焦距越大,分辨率越高。
对于采用雷达成像的遥感卫星来讲,可工作在略高的轨道上,但这就需要雷达成像卫星自身能提供足够高功率的雷达信号。提高其分辨率的方式主要有两种:一是采用短波长;二是增加天线口径。为此,可以提高雷达波的频率,缩短其波长,但当频率增加到一定程度时,大气对雷达波的衰减和吸收特性就会表现得非常明显,从而影响雷达的正常工作;同样,雷达的天线口径也不可能无限增加,因为加大雷达口径不仅会增加工艺难度和成本,而且对发射卫星的运载器提出了新要求。为此,提出了合成孔径雷达的概念。合成孔径雷达是利用雷达与目标的相对运动来把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一较大的等效天线孔径的雷达。
***用领跑高分
高分辨率遥感卫星在***用和民用方面都有广泛的用途。从原理上讲,***用遥感卫星与民用遥感卫星大同小异,主要差别是在使用的谱段和对地面分辨率的要求不同。***用遥感卫星主要在可见光或近红外谱段成像,分辨率优于1米,因此,***用遥感卫星大部分都是高分辨率卫星,只有少数用于普查的***用遥感卫星因运行轨道较高,以便提高时间分辨率,但空间分辨率会稍低;民用遥感卫星主要在多光谱成像,以便识别地面各种特征,其分辨率有高有低。
在***用高分辨率光学成像遥感卫星方面,美国锁眼12号卫星最牛,它采用了大面阵探测器、大型反射望远镜系统、数字成像系统、自适应光学成像技术、实时***像传输技术等,镜头口径3米,焦距27米,分辨率达0.1米。法国太阳神2号A、2号B卫星分辨率达0.5米,其***民两用光学成像遥感卫星“昴宿星”的分辨率为0.7米。以色列最先进的地平线9号小型:光学成像遥感卫星分辨率为0.5米。日本现役的第二代光学成像“情报收集卫星”分辨率为0.6米。
在***用高分辨率雷达成像遥感卫星方面,美国“长曲棍球”卫星是老大,分辨率达0.3米,其设计特点是装有巨大的合成孔径雷达天线和巨大的太阳能电池帆板,卫星装载的高分辨率合成孔径雷达能以多种波束模式对地面目标成像,使“长曲棍球”不仅能全天候、全天时工作,还可以发现伪装的武器和识别假目标,甚至能穿透干燥的地表,发现藏在地下一定深度的设施,并对活动目标有一定跟踪能力。德国有***用卫星
“合成孔径雷达·放大镜”,意大利有***民两用卫星“宇宙一地中海”,前者分辨率为0.5米,后者为1米。日本现役的第二代雷达成像“情报收集卫星”分辨率为1米。以色列的“技术合成孔径雷达”设计寿命为4年,质量只有300千克,其中所载的合成孔径雷达重约100千克,分辨率为1米。印度***民两用的雷达成像卫星1号是自制的,其雷达成像卫星2号由以色列研制,分辨率为1米。
今后,***用高分辨率遥感卫星的发展趋势更多地使用雷达成像卫星,并通过采用平板相控制雷达天线等措施进一步提高其分辨率,采用新的分布式星座来缩短卫星的重访周期;光学成像卫星在获得高地面分辨率的同时,将继续扩大视场宽度,以提高卫星的时间分辨率;组建可实现全球覆盖的小型卫星星座,实施对任何目标的实时或近实时的侦察;发展星载超光谱遥感器,进一步扩展成像侦察范围,增加对隐蔽和伪装目标的识别能力;开发新型战术成像侦察技术,提高侦察技术的传送能力,实现***用高分辨率遥感卫星从战略应用向战术应用扩展;发展小型、低成本和可应急发射的***用高分辨率遥感卫星,它也可***民两用;建造***用和民用高分辨率遥感卫星混编星座,以提高对地观测的效率;研制同时载有光学成像和合成孔径雷达成像2种遥感器的***用高分辨率遥感卫星。
多国角逐民星
一般来讲,分辨率约2米的民用遥感卫星可称为民用高分辨率遥感卫星。美国、德国、印度、以色列和俄罗斯等国都在积极发展民用高分辨率遥感卫星。美国高分辨率遥感卫星大多是小型商用卫星,有多个型号:“艾科诺斯”2号卫星的分辨率为0.82米,幅宽11.3千米;“快鸟”2号卫星的分辨率为0.61米,幅宽16.5千米;“地球之眼”1号卫星的分辨率为0.41米,幅宽15.2千米;“世界观测”2号卫星的分辨率为0.46米,幅宽16.4千米。它们也可以用于***事。
2012年9月9日,法国首颗第4代“斯波特”——“斯波特”6号入轨,它是光学成像卫星,具有质量轻、寿命长、分辨率高的优点。其分辨率为2.5米,幅宽60千米,并能同轨立体成像。该卫星运行在694千米高的太阳同步轨道,质量只有800千克,设计寿命达10年。该卫星上有两台高分辨率相机,每天成像范围250万平方千米。虽然其分辨率和幅宽与第3代“斯波特”一样,但更加敏捷,能执行快速反应任务,每天上传6个任务计划,获取无云***像。它们与2颗已上天的法国“昴宿星”形成互补,满足多样化任务需求,保持系统的宽覆盖能力和***像数据的连续性,因为“昴宿星”虽然分辨率达0.7米,但幅宽只有20千米。
德国“陆地合成孔径雷达-X”是民用和商用高分辨率雷达成像卫星,也是世界首个高精度干涉合成孔径雷达卫星系统,分辨率优于1米,现广泛用于农林管理、地质调查、海事监测等。
印度现有制***卫星1号、2号、2号A、2号B共4颗高分辨率卫星,其最高分辨率为1米。印度正在研制的制***卫星3号卫星的分辨率将达0.3米。
以色列地球资源观测系统一B卫星运行在距离地面540千米高的太阳同步轨道上,观测周期为4天,分辨率为约0.7米,设计寿命6年。其上的遥感器也是1台全色CCD相机,其每行像元数为20000,量化等级为8比特~10比特。星上相机的观测角变化范围为±45°,这是靠平台侧摆来实现的。由于相机观测角变化范围较大,故它有能力获得较多的立体像对。
俄罗斯新一代民用高分辨率光学成像卫星——“资源”-DK的分辨率为1米,其正在研制的“资源”-P卫星的分辨率为0.4米。
2012年,韩国阿里郎3号多用途卫星升空。它载有光学相机,能够拍摄0.7米高分辨率照片,运行在685千米高的轨道。2013年,韩国将发射1米分辨率的雷达卫星。
中国成为后起之秀
近年,我国也在积极研制高分辨率遥感卫星。例如,2012年4月18日,我国首颗民用宽幅带、高空间分辨率遥感卫星——资源一号O2C星正式在轨交付给国土资源部;2012年7月30日,我国首颗高精度民用立体测绘卫星资源三号正式投入使用;2012年9月29日,我国为委内瑞拉研制的委内瑞拉遥感卫星1号上天,这是我国首次向国际用户提供遥感卫星整星出口和在轨交付服务。
2012年投入使用的资源一号O2C星的发射质量约2056千克,设计寿命3年。它装有2台分辨率为2.36米的全色分辨率相机,1台分辨率为5米/10米的全色/多光谱相机,可采用2台全色高分辨率相机拼接的方式提供了54千米的成像幅宽,最大限度提升了高分辨率数据的观测幅宽。在轨测试表明,该卫星所拍***像质量接近或达到国际先进水平,数据质量满足1:2.5万~1:10万国土资源调查监测精度要求;最小监测***斑面积达到0.2亩,满足经济发达地区、重点关注区域资源现状高分辨率调查监测要求;融合影像的属性精度、面积精度、最小监测***斑等指标与常规使用的法国“斯波特”5号、德国“快眼”数据接近。
2012年投人使用的资源三号卫星质量约2650千克,运行在高度约500千米的太阳同步轨道,具有立体测***功能、测国精度高、影像数据量大、处理速度快等特点。它是我国首颗高精度民用立体测绘卫星,装载了一组分辨率为2.1米(正视)和3.5米(前后视)的三线阵立体测绘相机,以及1台空间分辨率为5.8米的多光谱相机,幅宽约50千米,可提供3.5米分辨率立体影像,2.1米全色/5.8米多光谱平面影像。该卫星集测绘和资源调查功能于一体,影像数据覆盖全球逾4.578×108千米,其中覆盖中国领土9.3242×108千米,使我国的测绘方式由大地测绘、航空测绘提升为航天测绘,使我国地***的更新率由过去的平均5年提升为60天。它第一次使我国卫星遥感***像质量达到国际先进水平,第一次实现我国低轨遥感卫星5年设计寿命,大大提升了我国对地观测卫星的应用效益。
2012年9月29日发射委内瑞拉遥感卫星1号采用中国空间技术研究院航天东方红卫星有限公司的CAST-2000卫星平台,装有2台全色/多光谱相机和2台宽幅多光谱相机,其中2台全色/多光谱相机在639千米高的分辨率为2.5米(全色)/10米(多光谱),幅宽为57千米;2台宽幅多光谱相机在639千米高的分辨率达到16米,组合幅宽为369千米,在轨寿命5年。该星具有±35°的快速侧摆机动能力,可保证全色,多光谱相机在4天内对全球任意目标实现重访,宽幅多光谱相机可在3天内实现对全球任意目标重访。它们成像清晰、***像层次丰富。据悉,其全色/多光谱相机是高性能光学小相机,在成像谱段数量、覆盖宽度、动态范围、轻小型化等指标方面,超过了国内外同类型的遥感相机,居国际先进水平。该卫星主要用于委内瑞拉国土资源普查、环境保护、灾害检测和管理、农作物估产和城市规划等。
不远的将来,我国将发射更先进的资源一号03星、04星。此外,我国重力卫星、雷达卫星和资源三号后续卫星研制也已列入相关计划,以实现各种气候条件下的地理信息获取,为国家基础测绘提供稳定可靠的卫星数据源保障。
刚刚发射升空的高分一号卫星,是我国高分辨率对地观测系统的首发星,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,能够为国土资源部门、农业部门、环境保护部门提供高精度、宽范围的空间观测服务。
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