转发这个高分卫星，高分属于你

科普中国-科普融合创作与传播 2020-07-21 作者：之遥科普

　　社交媒体发达的现在，我们时常能看到“转发这条锦鲤能得到好运”、“转发这条转运RNA可以转运”的内容，擅长从生活的各个角落探寻幸运的踪影的人们，总是借这种美好的象征收获笑容与慰藉，缓解对未来的焦虑。

　　转锦鲤得好运（图片来源：百度百科）

　　5月31日，又一颗高分卫星被送上宇宙，相信正处于高考或中考前关键时期的千万学子看到“高分”二字，也会想沾沾喜运。那么高分卫星究竟是什么呢？在转发这个高分卫星前，让我们先来了解庞大的卫星家族。

　　高分卫星和它的两只“眼睛”

　　高分卫星是一系列卫星的通称，同属于2010年启动的高分辨率对地观测系统重大专项工程。这里的“高分”实际上是“高分辨率”的简称，意为他们拍摄的图像清晰度很高，而非高悬于上空的现代文曲星。

　　虽然高分卫星不会做题，但它在我们日常生活中可有着极大的用处，这全都依靠高分卫星所具有的两只“眼睛”。这两只“眼睛”，也就是它的核心设备——光学成像系统和光谱仪，两种仪器原理不同、功能互补，提高了卫星的观测能力，让中国的遥感卫星体系跟上了欧美的步伐，跻身第一梯队。

　　卫星的左眼是光学成像系统，也是一类大家天天都能接触到的系统。人们最常见也最常用的光学成像系统大概是自己的眼睛，其次是搭载在各色电子设备上的相机。它们都由透镜系统和感光元件两部分组成，在人眼系统中是晶状体等结构与视网膜的组合，在相机上是透镜组与感光板的组合。

　　传统的感光元件只能感受光线明暗，为了实现人眼一样能感受颜色的能力，需要给它们装备特殊的滤光片或滤色板，就像是戴上有色眼镜。这样相机拍摄之后直接得到的，就是经过各种滤光片过滤的许多幅黑白相片，然后根据色彩的合成算法就可以得到彩色的图案。

　　高分卫星上所搭载的光学成像系统可以看作是更复杂的相机。因为需要在宇宙上工作，高分卫星的光学成像系统要有在极端条件下保持稳定的能力。而要对遥远的地表进行高精度观测，对透镜组的设计与制造精度有着极高的要求。

　　根据设计的不同，高分卫星上搭载的不同相机也能实现不一样的功能。

　　作为系列的第一颗卫星，大哥高分一号利用搭载的四台相机的视场拼接或重叠，既可以实现图像宽度800千米的宽幅成像，也可以实现范围较小但分辨率达到单像元2米的“高分”成像，这意味着它可以分辨出并排停着的两辆小轿车，一下子就拔高了中国遥感卫星的技术高度，可谓是一鸣惊人。

　　高分一号卫星银川影像图（2013年5月11日接收，分辨率：8米）（图片来源：国防科工局重大专项工程中心、中国资源卫星应用中心）

　　当然后来的弟弟妹妹也不会输给大哥。高分二号的能力正如葫芦兄弟的二娃，拍摄的分辨率进一步提高到了单像元0.8m，可谓是名副其实的千里眼。而到了近年发射的高分七号，他装备的激光测高仪使他拥有了测量到地面距离的能力，进而实现了立体测绘，甚至可以分辨出7.5厘米高差的灌木。

　　高分二号卫星故宫及周边地区遥感影像图（图片来源：空天信息创新研究院）

　　高分七号卫星获取的北京首都国际机场卫星影像（图片来源：国防科工局重大专项工程中心中国高分观测）

　　卫星的右眼是光谱仪。在高分家族中，高分五号的一只眼显得与众不同。如同金庸笔下的金毛狮王谢逊，这只眼睛虽然看不见具体的图像，但是感知能力并不逊色于明眼，这只眼睛就是光谱仪。

　　想必大家小学的时候都玩过三棱镜，太阳光经过三棱镜色散后，根据波长差异按“红橙黄绿青蓝紫”排列开，这就是最简单的光谱。而太阳光在经过我们的棱镜之前要穿过厚厚的大气层，还可能要经过窗户玻璃。这一路上，各种分子、原子都会吸收光子或是与光子发生散射，而这些过程会留下它的特征谱线，就像是一个篮球在经过多次传球之后留下了大家的指纹。

　　大气中部分气体分子的光谱吸收线（图片来源：Cold Facts on Global Warming）

　　光谱仪的工作原理就是将接收到的光线用光栅分光，得到类似我们用三棱镜看到的光谱。通过分析其中的指纹信息与它的强度，我们就能明白留下痕迹的是哪些原子或分子，以及它们的浓度。借此我们能得到温室气体或者污染气体的浓度，对气象工作与环境监控有着重要的意义。

　　各显神通的高分卫星家族

　　除了在前文提到在光学成像与光谱观测中有一技之长的卫星，其他高分卫星还有各自的特殊本领。高分三号主打的是微波波段的成像，能用天线接收人眼看不见相机也拍不到的光，她的长相和雷达相似，填补了我国微波遥感数据的空缺。高分六号主攻农业，因此增加了能够有效反映作物特有光谱特性的“红边”波段。高分四号鹤立鸡群——他独自位于赤道东经105°上空、距离地表36000千米、比其他六兄弟高五十余倍的地球静止轨道上，绕转角速度与地球自转一致，只为能够时时刻刻守望着祖国。

　　图示为普通相机（左）高分一号（中）与高分六号（右）对同一地区合成的图片，高分六号拥有更高的地物区分度（图片来源：科普中国）

　　前面着重介绍的多种多样的探测器确实是点“睛”之笔，但是一颗优秀的卫星能够顺利拍摄到地球上都图像再将其传输回来，光有千里眼是不够的。

　　如同我们谈论网络时一定会讨论网速一样，数据传输最直观的衡量标准永远是速度。高分系列卫星从开始的高分一号的450Mbps*2发展到高分七号的1200Mbps*2，更快的传输速率为数据的顺利传输提供了最基本的保障。中国遥感卫星地面站也已经建成了包括密云站、喀什站、三亚站、昆明站和北极站5个地面站的卫星接收站网，结合高度规范、自动化的操作，保证了数据传输的流畅。

　　中国遥感卫星地面站接收站网布局及接收覆盖范围示意图（图片来源：空天信息创新研究院）

　　高分卫星屡获“高分”

　　高分卫星携带了那么多先进的设备，花费了那么多人力物力，如果你觉得它们只是组团上天拍拍照片，感受山河壮美，那可就大错特错了。

　　虽然“高分卫星”不能帮大家考试拿高分，但是他们拍摄的高分辨率图像在许多领域都有重大意义，可谓是屡获高分、好评如潮。从上空对城市的拍摄在可以省去很多逐地测绘的繁琐，还能从全局上研究城市的规划；从山野上空的拍摄也能持续对比地形变化，对可能的灾害进行预报，对已发生的灾害如火灾、山体滑坡、或是台风是发出警报；拍摄范围遍布全球，可以注意到全球的动态；农业上可以关注全球农产品生产情况，进而对进口贸易提供指导。

　　高分四号卫星拍摄到的台风“利奇马”的台风眼影像（图片来源：国防科工局重大专项工程中心中国高分观测）

　　它们的用途如此广泛，甚至连考古学家也得到了高分卫星的帮助。2018年，中科院遥感地球所联合突尼斯、意大利、巴基斯坦的科学家利用空间考古技术与方法，在丝绸之路西端突尼斯发现10处古罗马时期考古遗存。这是中国科学家利用遥感技术在中国境外首次发现考古遗址，这些遗存揭示了古罗马时期南线军事防御系统的布局与农业灌溉系统的结构。利用遥感技术进行考古研究不仅省时省力，还可以从更大尺度上观测，从全局上将看似不相关的遗迹联系在一起。