■ 曹福成

高分系列遥感卫星布设中国太空“慧眼”——我国高分专项建设回眸

■ 曹福成

高分专项用于加快中国的空间信息与应用技术发展，通过建设一个高分辨率的对地观测系统，一方面满足国民经济建设与国家安全的需要，另一方面提高中国遥感产业的自主创新能力。近年来，随着“高分一号”、“高分二号”卫星的成功发射和广泛应用，中国迈向“感知”大国，遥感应用步入了“黄金期”，遥感技术在中国国土监测、环境监测、交通等各行业都有应用，影响着人们生活的各个方面。

遥感卫星系用作外层空间遥感平台的人造卫星。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某指定地域进行遥感。所有的遥感卫星都需要有遥感卫星地面站，卫星获得的图像数据通过无线电波传输到地面站，地面站发出指令以控制卫星运行和工作。“高分”卫星系列便是遥感卫星家族成员之一。

近年来，随着“高分一号”、“高分二号”卫星的成功发射和广泛应用，中国迈向“感知”大国，遥感应用步入了“黄金期”，遥感技术在中国国土监测、环境监测、交通等各行业都有应用，影响着人们生活的各个方面。

一、高分专项建设回眸

高分专项用于加快中国的空间信息与应用技术发展，通过建设一个高分辨率的对地观测系统，一方面满足国民经济建设与国家安全的需要，另一方面提高中国遥感产业的自主创新能力。2010年5月国务院正式审议批准实施高分专项工程。高分专项的观测部分包括天基观测系统、临近空间观测系统和航空观测系统三部分组成，其中天基观测系统即遥感卫星以宽幅、高效和廉价等特点，成为高分专项的主角。2020年前后，建立中国自主的陆地、大气和海洋先进对地观测系统，提供全天候和全球覆盖的对地观测能力，并改变过去遥感卫星各自为战的状况。

“高分”卫星作为中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，设计寿命5至8年。高分辨率对地观测系统工程是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020年)》确定的16个重大专项之一，由国防科工局、总装备部牵头实施。然而，为了高分系列卫星的成功发射和应用，中国政府有关部门和中国航天人做出不懈努力。

1.突破高分辨率遥感卫星测绘关键技术

卫星测图是一个国家对地观测水平的重要标志。长期以来，中国卫星影像精度不高，一直依靠航空影像和国外卫星影像进行测图。为了突破高分辨率遥感卫星测绘关键技术，中国几十年来进行着不懈努力。2012年1月9日，中国首颗民用高分辨率立体测图卫星资源三号发射成功，随后不到一个月时间内，资源三号卫星应用系统的第一幅地形图就产生了，并且平面与高程精度都优于3米，测绘精度超过了国外同类卫星。国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心副主任唐新明介绍说，这一项目突破了困扰中国高分辨率遥感数据长期依赖进口的瓶颈。项目实现了五项第一，将无地面控制卫星测图的精度提高了近百倍。目前资源三号应用系统基本实现规模化、业务化生产，能实现当天接收数据、当天完成处理，业务化生产水平也已完全与国际接轨。

2.高分系列卫星成为遥感卫星的里程碑

2013年4月27日，“高分一号”卫星作为高分专项的首发星在酒泉卫星发射中心发射升空，它是我国第一颗设计寿命要求大于5年的低轨道卫星，考核寿命更是要求达到5--8年。2014年8月19日，“高分二号”卫星从太原发射中心发射升空，成为高分专项的第二颗卫星，高分一号和二号卫星的发射，标志着高分专项进行全面建设阶段。

“高分一号”：4天可看遍全球，能从太空看到地面上的自行车。首星“高分一号”于2013年4月26日在酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭成功发射。是高分辨率对地观测系统国家科技重大专项的首发星。该卫星配置了2台分辨率为2米全色以及8米多光谱的高分辨率相机和4台分辨率为16米的多光谱中分辨率宽幅相机，只需要4天就能把地球完整地看一遍。

甘肃酒泉阿克塞县附近“大地的‘年轮’”

同时，“高分一号”也实现了在小卫星上中高分辨率和宽幅成像能力的结合。它可以满足多种空间分辨率，多种光谱分辨率以及多元遥感数据需求。相比其他的光学遥感卫星，它对地观测的效率应该是大幅提升，也大大提高了我国对地观测卫星的总体观测能力。

国家国防科技工业局2013年5月16日对外发布“高分一号”卫星观测和拍摄成像的一组高分辨率图片，这组图像是以反映自然地理地貌特征为主题，主要选用8米和16米分辨率多光谱图像，以国际遥感专业技术领域中常用的标准假彩色合成。这组“高分一号”卫星图像共10幅，命名为《巡天遥看神州美，重彩高分山水情》，分别包括新疆昌吉州呼图壁县山谷“大地的‘肌肉’”、吐鲁番鄯善县罗布泊镇“大地在‘倾听’”、甘肃酒泉阿克塞县附近“大地的‘年轮’”、敦煌附近“游弋在戈壁滩上的‘水母’”、青海湖畔东北角“湖中之‘吻’”、甘肃庆阳市正宁县崇山峻岭“山河相间显‘秋颜’”、陕西延安黄陵县洛河“高原九曲十八弯”、山东东营河口区海滩“海滩利用展宏图”、新疆和田墨玉县“沙漠中的绿洲”、山西长治市附近“大地上的‘红叶’”。

“高分二号”：使中国遥感卫星首次跨入米级分辨率。2014年8月19日，我国“高分二号”卫星顺利进入预定轨道，标志着我国遥感卫星进入了亚米级“高分时代”。这颗卫星系目前我国分辨率最高的光学对地观测卫星，空间分辨率首次精确到1米。

“高分二号”的研制在诸多方面有所突破：“高分二号”卫星的空间分辨率优于1米，同时还具有高辐射精度、高定位精度和快速姿态机动能力等特点。实现了亚米级空间分辨率、多光谱综合光学遥感数据获取，攻克了长焦距、大口径、轻型相机及卫星系统设计难题，提升了低轨道遥感卫星长寿命可靠性能，对于推动中国卫星工程水平提升、提高中国高分辨率对地观测数据自给率具有重要意义。

“高分二号”的空间分辨率优于1米，意味着卫星在60万米高空能看清小轿车，能看见1米大小物体的轮廓，绝对能分辨出地面汽车的大小。“高分二号”卫星相机焦距是国内卫星相机中焦距最长的。这颗卫星上装有两台相机，与全世界同等级分辨率的卫星相比，是成像幅宽最大的，在相机关键元器件、零部件等方面从设计到实验、测试、仿真方法都有突破。突破了高精度高稳定度姿态机动，能在180秒内做到侧摆正负35度。比如，我们急需了解某一个目标的情况，但轨道是死的，卫星可能不经过它，怎么办？“高分二号”就可以摆过35度对地面进行成像。

“高分二号”卫星主要用户为国土资源部、住建部、交通运输部、林业局，同时还将为其他用户部门和有关区域提供示范应用服务，将在国土资源调查与监测、城市精细化管理、综合交通服务、林业调查与监测等方面发挥重要作用，为国民经济多个领域提供服务支撑。

具体而言，针对城市精细化管理需求，初步形成高分城市精细化管理遥感应用示范系统。基于该系统，可利用“高分二号”卫星数据在浙江省宁波市、黄山风景名胜区、广东省阳江市等示范区，开展城乡规划监测评价、小城镇发展监测评价、世界自然遗产及风景名胜区资源环境监测评价等示范应用。

此外，米级是一个黄金尺度，很多市场都在使用。如果“高分二号”卫星将来在轨表现良好，且用户满意的话，应该会得到比较大的推广。因为大家比较喜欢这个尺度的图像数据，“高分二号”能够更多地服务于用户。

二、遥感卫星功绩可圈可点

1.环境监测领域获突破

中国国家航天局网站宣布，除了公安部外，地震局、气象局、统计局、海洋局等多个部门同样借助高分一号卫星获得重大突破。“发现通向朝鲜和中亚的数十条非法越境通道”、“发现海上走私油库”……公安部利用高分一号卫星数据获得的这一系列成果，迅速点燃外界的关注热情。高分一号卫星除协助取得犯罪证据外，还能监测气候变化、生态环境、地表灾害，甚至确认地震位置、震灾状况，乃至于农作物种植面积、疫情监测、水产养殖监测、海冰监测及空气污染、土地利用等项目。例如国家统计局2014年对安徽、山东、河北3省196个县的小麦、水稻、玉米进行遥感对地调查，高分一号卫星数据利用率达70%，顺利完成粮食生产监测相关重大任务，突破该领域长期以来对国外遥感卫星数据的严重依赖。

而地震局在2013年7月甘肃漳县岷县地震中，利用高分一号的卫星数据完成对震区道路损毁状况监测，为应急救灾提供信息支持。国家海洋局利用高分一号卫星数据在海岸带监测、海水产养殖监测、海冰监测、悬浮泥沙遥感监测等方面进行了示范应用。

2.我国环境遥感监测将“常态化”

2014年12月27日,搭载遥感卫星二十六号的运载火箭在太原卫星发射中心点火发射。当日11时22分,我国在太原卫星发射中心用长征四号乙运载火箭,成功将遥感卫星二十六号送入太空。当前，我国大气污染形势严峻、重污染天频发，环境空气质量遥感监测得到了各级环境监管部门的高度重视和广泛参与。遥感监测如今不仅在“特殊时期”发挥作用，而且已经成为全国环境监测的“常规军”，在秸秆焚烧、沙尘预警预测、颗粒物监测、雾霾监测方面都发挥了积极作用。目前，已有地方实践将卫星遥感监测与地面监测相配合，形成了立体化的环境监测网络。

随着动力系统和非线性科学的迅猛发展，对数学人才在微分方程知识方面的要求逐步提高，教师应该与时俱进，针对常微分方程课程的特点，用科学发展的眼光不断革新教学内容与方法。只有这样，才能提高学生学习常微分方程的积极性和主动性，培养学生的创新意识，提高学生应用知识解决实际问题能力，最终实现“学数学”、“用数学”的教育目标。

高分卫星遥感影像云南鲁甸6.5级地震山体滑坡掩埋村庄

满足多种环境监测需求，实现污染物趋势判断。近两年，雾霾已成为各地面临的共同难题，也成为各级环保部门监测的重点。现实情况是，仅靠地面监测已不能满足空气质量监测的需求，而遥感监测可以实现实时、大范围动态监测，获取区域大气污染物分布情况。可以对颗粒物浓度、污染气体、秸秆焚烧、沙尘等环境要素进行监测，长时间序列的动态监测有助于灰霾的预警预测，卫星遥感技术可以在城市环境质量监测、大气污染防治、大气污染监管、全球气候变化监测方面发挥巨大作用。

发挥监测、预警作用长期气候预测功能。环境保护部卫星环境应用中心高级工程师王中挺介绍说，利用卫星遥感技术监测灰霾，相当于每一平方公里就能收集到一组监测数据，这样的监测密度是 普通地面监测站点不能覆盖的。不仅如此，遥感监测还可以实现气溶胶光学厚度(AOD)、颗粒物浓度(PM10、PM2.5)，污染气体(SO2、NO2、O3、CO等)柱浓度的监测，而这些都是雾霾形成的前体物，对于灰霾预测预警有着极大的作用。除此之外，遥感监测在秸秆焚烧、扬尘、沙尘暴、大气环境污染事故等大气环境监管方面也大有可为。遥感监测除了发挥基本的监测、预警作用之外，通过长时间的遥感监测，还可以对长期的气候变化进行预测。

卫星中心承担的高分专项（民用部分）航空系统项目顺利通过验收

三、未来发展展望

1.我国遥感技术进入世界先进行列

自1988年风云一号A星成功发射以来，我国应用遥感和遥感应用事业经过数十年的发展已具规模。目前，在轨运行的气象卫星、海洋卫星、资源卫星等遥感卫星有十几颗，走在了世界先进行列。如近日发布的由高分二号卫星拍摄的首批亚米级高分辨率卫星影像图，包括北京市区、上海市区、克拉玛依市区和昆仑山天池、云南省鲁甸灾区、山西省宁武矿区等卫星影像。高分二号拍摄的北京西直门高分图像纹理清晰，看得清路口斑马线，辨得出大车小车。

据悉，目前我国遥感应用等国产地理信息装备已出口100多个国家和地区，很多技术都获得重大突破。例如飞行高度5000米，续航30小时的无人机不久前在内蒙古库伦平稳落地，这标志着我国超长航时无人机遥感系统研制成功。此外，国产遥感信息系统软件技术水平已与国外同类软件相当，国内市场占有率已超过50%。

2014年9月22日，中国政府在纽约联合国总部向联合国捐赠世界上首个最高分辨率30米全球地表覆盖遥感数据。9月29日，国防科工局公布我国高分二号卫星首批亚米级高分辨率卫星影像图，包括北京市区、上海市区等卫星影像，甚至看得清斑马线。这一切都意味着我国遥感技术走在了世界前列。

我国遥感卫星将形成立体网络。据悉，我国计划明后年发射高分三号、高分四号和高分五号卫星，此外，国家将进一步加快推动航空观测系统、地面系统和应用示范系统建设，形成立体网络。2020年前，我国将建立起高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率的对地观测体系能力。中国计划用10年至15年时间建立测绘遥感卫星体系。目前3颗资源三号后续测绘卫星已纳入国家相关规划，实现两颗资源三号测绘卫星组网运行。

青海湖畔东北角“湖中之‘吻’”

未来几年，我国遥感、导航、通信卫星与高分系列和北斗系列将融合发展，为大众提供融定位、授时、遥感为一体的综合信息服务。另一方面，该领域还有很多工作要做，比如，空间信息产业市场的商业模式尚需摸索等。

2.高分项目日益壮大

高分专项目前初步计划发射7颗遥感卫星，其中包括已经发射的高分一号和高分二号。未来中国还将发射携带C波段多极化合成孔径雷达的高分三号卫星，它是中国第一颗民用合成孔径雷达卫星，空间分辨率最高可达1米，主要用于对海洋目标的监测；高分四号卫星是静止轨道光学遥感卫星，它将携带全色分辨率50米的凝视相机，在静止轨道上对7000千米×7000千米的区域进行实时观测；高分五号卫星将是中国第一颗民用高光谱观测卫星，高光谱相机分辨率能力可达10米，它还将携带气溶胶探测仪、温室气体监测仪等探测设备；高分六号卫星属于高分一号卫星的后继，它仍是一颗全色2米分辨率、多光谱8米分辨率的普查卫星；高分七号卫星属于立体测绘卫星，将为国家测绘地理信息局、国家基础地理信息中心等部门提供高分辨率的空间立体测绘数据。

专家王承文说：“我国高分系列卫星各有特色，分别重点攻克不同技术难点。例如，高分一号的特点是分辨率幅宽，可达800公里。高分三号是雷达卫星，不受天气影响，解决全天候的问题。高分四号卫星是高轨卫星。高分五号是高光谱观测卫星，光谱分得越细，物质类型揭示得越彻底，比如一张桌子，高光谱观测可识别它是金属的还是塑料的。”

应用是高分专项的出发点和落脚点。高分一号卫星一经投用，就在国土资源、环境和农业等领域取得了广泛的应用效果。卫星进入到亚米级时代。高分数据具有重要的应用价值和商业价值，将对经济建设、生态文明建设、民生安全保障和推进国家治理能力现代化起到信息支撑作用。同时，对信息应用企业开展商业化信息增值服务、开拓国际市场、推动空间信息产业发展等具有重要意义。

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军事应用领跑“高分”卫星发展

高分辨率遥感卫星在军用和民用方面都有广泛的用途。从原理上讲，军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。军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，军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军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。

在军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、实时图像传输技术等，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，其军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。

在军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。德国有军用卫星“合成孔径雷达•放大镜”，意大利有军民两用卫星“宇宙-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。印度军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，军用高分辨率遥感卫星的发展趋势更多使用雷达成像卫星，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，实现军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军用高分辨率遥感卫星，它也可军民两用；建造军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种遥感器的军用高分辨率遥感卫星。

世界多国角逐民星领域

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。它们也可以用于军事。

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，获取无云图像。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图像数据的连续性，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。

印度现有制图卫星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。印度正在研制的制图卫星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，韩国发射1米分辨率的雷达卫星。