洞察天下的中国对地观测卫星

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编者按：

地球是太阳系的一颗行星，是人类的家园。4月22日是世界地球日，这是一个专为地球环境保护而设立的节日，旨在提高民众对于现有环境问题的意识，并动员民众参与到环保运动中，通过绿色低碳生活，改善地球的整体环境。我国非常重视保护世界环境，近几十年来，我国的空间卫星，在气象、环境和资源等多个方面，为世界做出了巨大贡献。

号称“千里眼”的对地观测卫星（也叫遥感卫星）站得高，看得远，是一种利用卫星上所装载的各种遥感器对地球进行连续、快速、大面积的详细观测的应用卫星。它把人类认识地球、研究地球的视点从地面、低空扩展到太空，从而可以居高临下，利用各种遥感器对地球进行科学、全面、及时、高效的观测。

根据用途，对地观测卫星一般分为陆地卫星、气象卫星和海洋卫星三大类，它们的主要区别在于时间、空间和光谱分辨率及谱段不同，因而用途不一。气象卫星的轨道一般比陆地卫星高，所以观测面积大，时间分辨率很高，其中极轨气象卫星每天能对全球任何一个地点观测2次，但空间分辨率较低。陆地卫星与海洋卫星的主要不同是有效载荷。

由于对地观测卫星用途十分广泛，效益非常明显，为此，我国已研制、发射和应用了多颗各类对地观测卫星。它们在国计民生领域发挥了重要作用，包括在我国今年对付新冠病毒的战“疫”中，它记录了“中国速度”下的奇迹。

陆地卫星

顾名思义，陆地卫星主要监测地球上的陆地部分，有广泛的用途和效益。我国研制、发射了多种陆地卫星，且技术水平越来越高。

01

天地纵横的返回式卫星

1975年11月26日，我国成功发射了首颗返回式遥感卫星。返回式卫星是中国最早的应用卫星，先后24颗入轨，23颗回收。它们采用胶片相机（拍摄）对地拍摄，所以要通过卫星返回来回收胶卷。用这些返回式卫星不仅进行了遥感，还顺便开展了一些微重力实验和新技术试验，并为我国掌握载人飞船返回技术提供了重要借鉴。目前，我国正在研制商用可重复使用返回式卫星，主要用于科学实验。

图1 我国早期返回式卫星在轨飞行示意图。（来源：《国际太空》）

02

中巴合作的资源卫星

资源卫星是当代最先进的勘测手段，具有大范围、快速、定期和综合观测等优点，从而发现了许多以前因人迹未到或手段落后而没找到的自然资源，并节省了大量人力、物力和财力。此外，它还是环保和减灾能手。

图2 资源一号02B星拍摄的北京国际机场。（来源：《国际太空》）

中国和巴西已合作研制并发射成功了5颗资源一号卫星，最高分辨率为2.36米。其中1999年10月14日成功发射并运行的资源一号01星是我国首颗数据传输型陆地卫星，首颗国际合作研制的卫星。中国自己还独自研制了3颗资源二号和2颗资源三号卫星，其中2012年1月9日发射的资源三号01星是我国首颗民用立体测绘卫星，已向40多个国家和地区提供信息服务；2016年发射的资源三号02星分辨率为2.5米。

03

技高一筹的高分卫星

2013年4月26日,我国发射了高分辨率对地观测系统的首发星——高分一号。该卫星2台高分辨率相机的全色分辨率为2米，彩色分辨率8米，幅宽60千米，4台多光谱宽幅相机的彩色分辨率为16米，幅宽800千米，对全球的重访小于4天，是目前同等分辨率下幅宽最大的，寿命大于5年。其最大特点就是同时兼有高空间分辨率和时间分辨率。2014年，高分一号“入列”空间与重大灾害国际宪章值班卫星，成为了我国第三颗入列值班卫星。

图3 高分一号卫星在轨工作示意图。（来源：《国际太空》）

随着经济建设的日新月异，人类对卫星的分辨率和使用寿命要求越来越高，对地观测已进入高分辨率卫星时代。高分辨率对地观测卫星可解决国土资源、农业、环境、灾害监测与城市建设等应用急需。

2014年8月19日，我国发射了首颗分辨率为亚米级的高分二号，它装有2台分辨率优于1米/4米的全色/多光谱相机，总幅宽45千米。

2015年12月29日，高分四号升空。它是我国“高分”专项中首颗高轨道高分辨率光学对地观测卫星，也是当时世界上空间分辨率最高、幅宽最大的地球同步轨道对地观测卫星，采用了首台高轨高分辨率面阵凝视相机。其光学分辨率为50米，能长期对河南省大小的某一地区固定连续观测，在气象观测、应急救灾、环境保护、国土普查等动态实时监测方面都有很高的应用价值。

2016年8月10日发射的高分三号是分辨率1米的合成孔径雷达卫星，也是世界上性能最先进的C频段多极化合成孔径雷达卫星，能全天候和全天时实现全球海洋和陆地信息的监视监测，服务海洋、减灾、水利及气象等行业。它有12种成像模式，除传统的条带成像和扫描成像模式外，还有面向海洋应用的波成像和全球观测成像模式，是世界上成像模式最多的合成孔径雷达卫星。

图4 高分三号合成孔径雷达卫星。（来源：《国际太空》）

2018年5月9日发射的高分五号是我国首颗高光谱综合观测卫星，且拥有多部大气环境和成分探测设备，可间接测定PM2.5的气溶胶探测仪，使我国建成了高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率和高精度观测的时空协调、全天候、全天时的对地观测系统。

图5 高分五号高光谱综合观测卫星。（来源：《国际太空》）

高分六号于2018年6月2日成功发射。其载荷性能与高分一号相似。高分一号实现了在一颗星上具备“高分辨率+宽覆盖”的成像能力；高分六号在此基础上实现单相机大视场成像功能，性能指标进一步提高，并增加了两个红边谱段，成为国内首颗设置红边谱段的多光谱对地观测卫星。其图像主要应用于农业、林业和减灾业务领域，兼顾其他应用需求。

2019年11月3日。我国成功发射了高分七号。它属于高分辨率空间立体测绘卫星，设计寿命为8年，可拍摄3D大片。它突破了亚米级立体测绘相机技术，高精度卫星激光测高技术，高精度、高稳定度姿态控制等关键技术。

“高分”系列卫星覆盖了从全色、多光谱到高光谱，从光学到雷达，从太阳同步轨道到地球同步轨道等多种类型，构成了一个具有高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率能力的对地观测系统。

04

监测预报的环境卫星

2008年9月6日，我国环境与灾害监测预报小卫星星座的首批卫星——环境一号A星、B星升空。前者有2台CCD相机和1台超光谱成像仪；后者有2台CCD相机和1台红外相机。CCD分辨率30米，幅宽700千米；超光谱成像仪有120个谱段和30°侧视能力，分辨率100米，幅宽50千米；红外相机有4个谱段，分辨率150米和300米，幅宽700千米。它们的特点是可获高时间分辨率、中等空间分辨率观测数据,对我国大部分地区实现每天一次重复观测。

2012年11月19日，环境一号C星升空。它是我国首颗民用雷达卫星，可全天候、全天时对地观测，与环境一号A星、B星组成2＋1星座。它有条带和扫描两种工作模式，分辨率分别为5米和15米，成像带宽度分别为40千米和100千米。

05

物美价廉的商用卫星

2015年10月7日发射的吉林一号组星是我国首批开发的商用对地观测卫星。其中1颗是光学A星，分辨率0.72米（国内民商卫星中最高的）；2颗是视频星，分辨率1.12米；1颗是技术验证星，用于开展多模式成像技术验证。此后，吉林长光公司、天仪公司等民营公司又研制、发射了多颗各类商业遥感小卫星。

2016年12月28日和2018年1月9日，中国航天科技集团先后发射了两批（每批2颗）0.5米分辨率商用对地观测卫星高景一号。这4颗卫星在同一个轨道平面均布运行，之间相位差为90°，实现了非常高的观测效能。从重访特性上看，可实现全球任意地区每天重访，全球80%以上地区实现每天两次重访，图像的实时性大幅提高；从图像采集能力上看，对国内十大城市3天覆盖1次。中国航天科技集团最终要建成16+4+4+X商业对地观测卫星星座：其中16颗0.5米分辨率轻型敏捷光学卫星；4颗0.3米超高分辨率光学卫星；4颗0.5米分辨率轻型敏捷雷达卫星；X颗视频、高光谱卫星。星座组网后，可实现小时级的高分辨率遥感数据获取。

图6 高景一号拍摄的香港中远货运中心，码头集装箱排列规整；一艘300余米长的货船正在行驶，船上装载各色集装箱；港区内交通标识清晰可见。（来源：《国际太空》）

此外，我国还研制、发射了“天绘”、“遥感”系列等多种对地观测卫星。

叱咤风云的气象卫星

气象卫星的最大特点是具有很短的覆盖周期，能大大提高天气预报的准确率，没漏过一次台风预报，主要用于探测和监视全球大气状况，还广泛应用于船舶航行、灾害监测和冰情预报等众多非气象领域。

气象卫星分两种，一种是极轨气象卫星，另一种是静止气象卫星。前者可实施全球覆盖，每天能绕地球运行14圈，对同一地区观测2次，并且分辨率较高，适于全球长期天气预报。后者可对卫星下方40%的地球进行连续观测，能持续不断地对同一地区观测，每隔30分钟即可获得一幅地球圆盘图像，特别适合监测生命期较短而危害又大的强对流灾害性天气，开展地区性短期天气预报业务。这2种卫星互相补充，基本可以做到对全球的连续监测。

图7 中国第一代极轨气象卫星风云一号。（来源：《国际太空》）

我国是世界第三个同时拥有极轨气象卫星和静止气象卫星的国家，风云一号、三号为前者；风云二号、四号为后者。目前我国已成功发射17颗“风云”气象卫星，其中8颗在轨稳定运行。

目前运行的风云二号E、二号F、二号G、二号H星载有5通道扫描辐射计和空间环境监测器。前者是获取云图的主要仪器，可以在非汛期每小时、汛期每半小时获取覆盖地球表面约1/3的全圆盘图像；后者能对太阳X射线、高能质子、高能电子和高能重粒子流量进行多能段监测，用于开展空间天气监测、预报和预警业务。

我国现有3颗第二代极轨气象卫星风云三号在轨运行。每颗卫星装有10通道扫描辐射计、20通道红外分光计、20通道中分辨率成像光谱仪、紫外臭氧总量探测仪等12台仪器，达到世界先进水平。它可在全球实现全天候、多光谱、三维、定量气象探测，主要为中期数值天气预报提供气象参数，监测大范围自然灾害和生态环境，使我国全球观测数据时间分辨率从12小时提高到6小时，大幅提高了我国气象观测能力和中期天气预报能力。

2016年12月11日，我国发射首颗第二代静止气象卫星风云四号。它采用三轴稳定控制，接替采用自旋稳定的风云二号，其连续性、稳定性可大幅度提高我国静止气象卫星探测水平。卫星的辐射成像通道增加到14个，接近欧美第三代静止气象卫星的16个通道。风云四号还配备了有912个光谱探测通道的干涉式大气垂直探测仪，可在垂直方向上对大气结构实现高精度定量探测，这是欧美第三代静止气象卫星不具备的。

图8 “碳卫星”飞行示意图。（来源：《国际太空》）

我国自主研制的首颗全球大气二氧化碳观测科学实验卫星（简称“碳卫星”）于2016年12月22日发射。该卫星用高光谱二氧化碳探测仪、多谱段云与气溶胶探测仪以高空间分辨率和高光谱分辨率监测全球二氧化碳，旨在为全球学者开展碳排放和气候变化研究，为我国政府开展气候变化谈判和环境外交提供重要支撑。

到2025年我国还计划发射12颗大气观测卫星，包括风云三号卫星3颗，风云四号卫星3颗，降水测量雷达卫星2颗，晨昏轨道卫星、静止轨道微波探测卫星、高精度温室气体综合探测卫星、大气环境监测卫星各1颗。

效益明显的海洋卫星

用海洋卫星能经济地、方便地对大面积海域进行实时、同步、连续地监测，更好地保护海洋和开发海洋资源。

我国现已发射了3颗海洋一号水色卫星、2颗海洋二号海洋动力环境卫星和1颗“中法海洋卫星”。

图9 中国第1颗海洋卫星——海洋一号A。（来源：《国际太空》）

海洋一号卫星载有1台10频段海洋水色扫描仪和1台4频段CCD海岸带成像仪，用于探测叶绿素浓度，悬浮泥沙含量等。其中2018年9月7日发射的海洋一号C采用成熟的CAST2000小卫星平台，具备±25°侧摆机动能力和±20°俯仰机动能力，设计寿命5年，是我国民用空间基础设施中“十二五”海洋业务卫星的首发星，主要用于全球大洋水色水温环境业务化监测，将为我国海洋生物资源开发利用、河口港湾的建设与治理、海洋污染监测与防治、海岸带资源调查与开发，以及全球环境变化研究等领域服务。

海洋二号集主、被动微波遥感器于一体，载有雷达高度计、微波散射计、微波辐射计和校正辐射计四部微波遥感器，同时搭载了用于星地激光通信试验任务的激光通信终端，用于探测海面风场、海面高度、浪场、流场以及温度场等协动力环境要素。其中2018年10月25日发射的海洋二号B能够提供全天时、全天候的不间断服务，在海洋防灾减灾、海洋环境预报、海洋资源开发、海洋科学研究及国际合作等领域发挥更加重要的作用。同时卫星还具备全球船舶识别（AIS）和海洋浮标测量数据收集（DCS）等功能，进一步推动和促进海洋领域的应用研究。该卫星是我国海洋动力环境监测网的首发星。

图10 “中法海洋卫星”进行质量特性测试。（来源：《国际太空》）

2018年10月29日，首颗“中法海洋卫星”成功发射。该卫星是由中国和法国联合研制的首颗用于海洋动力环境监测的卫星，是中国航天史上第一次同先进宇航国家开展的系统层面的、全流程的合作。该卫星装有全球首台新型体制的微波散射计和全球首台新型体制的雷达波谱仪，可首次实现海风和海浪同步观测。“中法海洋卫星”将应用于全球海洋环境监测、防灾减灾、应对气候变化。

结语

未来，我国还将研制更多、更先进的对地观测卫星。另外，还将大力发展商用对地观测卫星，包括建造对地观测卫星星座，以便同时获得高空间、高时间、高光谱分辨率图像数据。

图11 微景一号卫星模型。（来源：《国际太空》）

例如，目前中国航天科技集团正打造微景一号星座。它是由80颗中低分辨率微纳卫星组成的全球服务系统，主要面向商业用户可提供全球光照区小时级重访、高性价比、高质量的遥感数据，并基于公有云打造共享平台为全球用户提供遥感数据服务。卫星具备智能化高度自主运行和管理等特点，载荷主打光学遥感载荷，图像分辨率为1～5米。系统建成后将联合地面大数据应用，为用户提供全球光照区任意目标小时级重访、中等分辨率、深层次、高价值的数据信息服务。

责任编辑 张长喜

本文原载于《天文爱好者》2020年第4期

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