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中国成功发射高分五号卫星,进一步提升对地观测能力
发布时间:[ 2018-05-14 14:29 ] 文章来源:< 综合 > 浏览量: 3219

    2018年5月9日2时28分,我国在太原卫星发射中心用长征四号丙运载火箭将高分五号卫星成功送入距地球705公里高的太阳同步轨道。高分五号卫星是高分辨率对地观测系统重大专项(以下简称高分专项)的重要组成部分,是世界首颗实现对大气和陆地综合观测全谱段高光谱卫星,也是我国光谱分辨率最高的卫星。高分五号卫星的成功发射,是我国实现高光谱分辨率对地观测能力的重要标志,将满足环境综合监测等方面的迫切需求,对掌握高光谱遥感信息资源自主权,助力建设美丽中国具有重要意义。
    高分五号卫星是环境保护部作为牵头用户的环境专用卫星,也是国家高分重大科技专项中搭载载荷最多,光谱分辨率最高、研制难度最大的卫星。卫星首次搭载了大气痕量气体差分吸收光谱仪、主要温室气体探测仪、大气多角度偏振探测仪、大气环境红外甚高分辨率探测仪、可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪共6台载荷,可对大气气溶胶、二氧化硫、二氧化氮、二氧化碳、甲烷、水华、水质、核电厂温排水、陆地植被、秸秆焚烧、城市热岛等多个环境要素进行监测。
    高分五号卫星的研制和发射,将填补我国污染气体、温室气体遥感监测的空白,提升我国大气环境遥感监测的定量化和精细化水平。我国还将立项研制并发射高分五号后续星、大气环境监测卫星、高精度温室气体监测卫星等系列大气环境监测卫星,并与高分五号卫星组网运行,实现全国范围大气颗粒物、灰霾、污染气体、温室气体、水环境和生态环境等的高频次、高精度监测,有力推动我国大气环境监测及重污染天气应对水平的提高,为我国环境污染防治等工作提供重要科技支撑和空间信息服务。
   
一、填补国产卫星无法有效探测区域大气污染气体的空白
    高分五号是高分专项规划的唯一一颗陆地环境高光谱观测卫星,是世界上首颗实现对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星,也是我国高分专项中一颗重要的技术试验星。
    专家介绍,高光谱遥感是当前遥感技术的前沿领域。地球上不同的元素其化合物都有自己独特的光谱特征,光谱因此被视为辨别物质的“指纹”,是用以识别和分析不同物体特征的一种重要的“身份证”。而高分五号卫星与此前发射的高分一号、二号、四号卫星有所不同。光学成像只能看到物质的形状、尺寸等,高分五号卫星具备的光谱成像技术,可使光谱与图像结合为一体,探测物质的具体成分。
    目前我国在大气污染防治、水污染防治、生态环境监管、中央环保督察、环境污染和生态破坏应急处置等日常工作中,已经越来越离不开遥感监测的支撑。但对于大范围、定量化、同步观测要求较高的生态环境遥感监测,现有卫星数据在数据覆盖和重访能力、空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率等方面都存在很大差距,严重制约了卫星遥感技术在生态环境保护工作中的应用。
    据了解,高分五号卫星是以生态环境部为牵头用户、自然资源部和中国气象局等为主要用户的环境专用卫星,具有高光谱、大范围、定量化探测等特点,面向生态环境监测搭载的多个大气探测载荷具备大幅宽、高光谱及偏振探测能力,使二氧化氮和二氧化硫等污染气体、二氧化碳和甲烷等温室气体高精度遥感探测成为可能。
    因此,高分五号卫星将填补国产卫星无法有效探测区域大气污染气体的空白,通过对大气污染气体、温室气体、气溶胶等物理要素的监测,动态反映我国大气污染状况。同时,高分五号卫星还可以对内陆水体、陆表生态环境、蚀变矿物、岩矿类别进行探测,为我国环境监测、资源勘查、防灾减灾等行业,提供高质量、高可靠性的高光谱数据。
   
二、六大载荷助力高分五号炼就了火眼金睛
    高分五号卫星装载2台全新研制的陆地观测载荷和4台全新研制的大气观测载荷。这6大载荷“神器”让高分五号拥有了“火眼金睛”。
    以大气痕量气体差分吸收光谱仪为例,它具有从紫外到可见波段获取高光谱数据的能力,光谱分辨率高达0.5纳米,可用于6种以上大气痕量气体成分分布和变化的定量反演,支持空气质量变化监测、各种排放过程对大气组成成分和全球气候变化的影响分析。
    再如最新研制的两个水体陆地探测仪——可见短波红外高光谱相机和全谱段光谱成像仪,这两个载荷为我们实现高精度、定量化的水体和陆地生态环境要素监测提供先进的技术手段。这两个载荷在水环境监测方面,可用于水体污染物监测、饮用水源地环境风险监测、城市黑臭水体监测、近岸海域水环境监测等;在陆地生态环境监测方面可用于地表精细分类、开发、建设、生产活动引起的生态破坏和生态影响监测、生态系统状况及动态变化监测、中央环保督察及环境专项执法检查技术支持等。
    高分五号卫星的谱段范围宽,可实现紫外至长波红外谱段的高光谱观测,是国际上首次实现对大气和陆地进行综合观测的全谱段高光谱卫星。此外也是国内光谱分辨率最高的卫星,实现了对氮氧化合物、二氧化硫等痕量气体的高光谱监测,光谱分辨率为0.3-0.5纳米。
    高分五号还是国内探测手段最多的光学遥感卫星,同时具有多光谱、高光谱、偏振、多角度 、掩 星、耀斑等多种观测手段,工作模式多达26种,可以实现多种观测数据融合应用。此外,高分五号卫星定标精度高,星上载荷光谱定标精度在0.008波数,为国内卫星之最。就像一把尺子是否准确需要标校一样,高精度定标是高光谱卫星定量化应用的基础,是卫星探测信息准确不失真的重要保证。
   
三、空天地一体化监测绿水青山
    生态环境部认为,高分五号卫星可有效探测港口/船舶大气污染等;可高精度监测叶绿素,浮游生物、溶解的有机质以及各种悬浮物、水生植物等;可用于水色遥感大气校正、水体热污染监测、湖泊蓝藻水华监测预警、核电厂温排水、湖泊富营养化评估、近海赤潮、浒苔遥感监测等;可高精度识别地物类型、植被类型,进行地表温度、土壤水分、蒸散、城市热岛效应、生物多样性、自然保护区、土地利用类型、大型工程生态环境破坏等监测。
    习近平同志指出,各地区各部门要切实贯彻新发展理念,树立“绿水青山就是金山银山”的强烈意识,努力走向社会主义生态文明新时代。据了解,到今年年底,我国将全部划定生态保护红线区域,并将实行最为严格的生态环境保护和用途管制。然而,生态保护红线区域不仅面积大、分布广,而且还多分布于偏远地区的深山密林和高山峡谷,人迹罕至,全靠人工去严防死守不及时也不可行。
    高分五号卫星的发射,有利于建立卫星、无人机和地面相结合的“空天地一体化”监测系统:卫星“拍片”记录下生态保护红线划定的生态环境状况,这相当于生态环境的“底片”之后发生的任何生态环境变化都可通过遥感解译、反演和比对及时发现,无人机则可通过分辨率超过50厘米的各种相机,对卫星发现的变化进行核实和鉴别,完成对违法生态破坏行为的取证,从而实现及时、快速、准确的生态保护红线监测监管,第一时间发现、处置各种生态破坏行为。
   
四、高分家族个个都有绝活
    高分五号所在的“高分家族”什么样?还有哪些“高分兄弟”?
    高分专项是国家16个重大科技专项之一,于2010年批准启动实施。经过8年的努力,我国已经成功发射高分一号至五号卫星,今年还将发射高分六号卫星。
    如果用一句话来介绍这些“高分兄弟”的话,可以说个个都有绝活。
    高分一号实现了中高分辨率与大幅宽相结合的观测能力。高分一号卫星视野广阔,一眼下去覆盖800公里,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”。
    高分二号标志着我国民用遥感卫星跨入亚米级分辨率时代。它可以用“目光锐利”来形容,如果说地球上的小轿车在高分一号卫星的眼中还只是一个黑点的话,那么,高分二号卫星已经能分辨出小轿车是两厢还是三厢了。
    高分三号是我国首颗1米分辨率C频段多极化合成孔径雷达成像卫星,最大的特点就是具备全天时,全天候成像能力,不管白天还是黑夜、晴空或雷雨多云,随时都能对地成像,尤其适合应用于防灾减灾。
    高分四号是世界首颗地球静止轨道高分辨率成像遥感卫星。它不像高分一号卫星和高分二号卫星那样在600-700公里的近地轨道环绕地球“奔跑”,而是站在距地36000公里的地球同步轨道上相对静止地驻留凝望,可以对某一目标区域持续进行观测。
    今年将要发射的高分六号卫星,是我国首颗设置红边谱段的多光谱遥感卫星。
    高分专项的实施大幅度提升了我国民用遥感卫星技术水平,低轨卫星空间分辨率由实施前最高2.1米提高到0.8米,地球同步遥感卫星分辨率由千米级提高到50米。
    “高分家族”的卫星,从太阳同步轨道到地球同步轨道,从可见光到微波,从普查到详查,初步构成了我国自主高分辨率对地观测系统并形成体系能力。
    在卫星数据应用方面,高分专项突破了数据遥感政策、共性关键技术、数据与资源共享、服务创业平台等方面的管理技术瓶颈。这些卫星数据有力支撑了各级政府治理能力和治理体系现代化,在军民融合发展战略、“一带一路”倡议、精准扶贫中发挥了重要作用。
   
五、突破关键技术大幅提高卫星寿命
    高分五号卫星就像是一个“全能运动员”,在国内首次运用高光谱/多光谱对地成像观测、天底观测、掩星观测、海洋耀斑观测、多角度观测、偏振观测等多种探测手段,是国内探测手段最多的光学遥感卫星,工作模式多达26种。它强大的综合观测能力让用户对卫星的需求更为迫切。据了解,当时国内低轨遥感业务星设计寿命一般为3-5年,高分五号作为首颗科学试验卫星,设计寿命要求达到8年,还要提前发射,这使研制工作难度进一步加大。
    要知道,高分五号在705公里的太阳同步轨道,每天都要经历近15次高低温变化和空间辐射影响,这对卫星使用寿命无疑是极大的考验。为此,研制团队整整花了一年时间重新论证并改进、优化原先的设计方案,从元器件到线缆,从电源到活动部件,从载荷到平台,一一梳理,并针对探测器、制冷机等寿命薄弱环节展开了75项试验验证,突破多项关键技术。
    为验证数传分系统的核心单机固存的长寿命和高可靠性,团队做了8万次的读写试验,相当于在轨使用16年,没有发现一个坏区。卫星天线在轨每天要进行大角度的摆动,是对使用寿命考验最大的部件之一。即使卫星实际在轨运行8年也只需6万多次摆动,但高分五号团队在地面做了8万次摆动验证试验。
    高分五号卫星从立项研制到成功发射正好经历了国家提出建设美丽中国砥砺奋进的五年,在轨运行的前三年是我国进行环境治理攻坚战的三年。投入使用后,将在我国高光谱分辨率遥感卫星应用方面起到重要示范作用。
   
六、研发历史及重要意义
    2012年底,高分五号卫星立项。2016年6月,高分五号卫星完成初样研制,进入整星测试实验。
    2018年2月28日,合肥研究院在中国科学院安徽光机所召开了高分五号卫星载荷试验队出发动员会。2018年5月9日2时28分,中国在太原卫星发射中心用长征四号丙运载火箭成功发射高分五号卫星。
    截至2015年11月底,高分专项累计分发数据约403万景,数据量超过中国以往遥感卫星历史数据总和,已全面进入了各主要应用领域。由于高分专项的实施和高分数据的应用,近年来国内市场上国外卫星数据价格大幅度降低,分辨率低于2米的国外卫星数据已经基本退出国内市场。
    高分专项自2010年正式启动以来,为国家建设、国家安全、科技发展和社会进步作出了突出贡献。其中,天基系统高分一号、高分二号两颗卫星分别于2013年、2014年成功发射,已经正式投入使用,高分四号于2015年12月29日成功发射; 航空观测系统完成5型载荷立项及初样研制; 地面系统完成了与天基系统实施进度匹配,建成了满足现阶段任务需求的地面设施;应用系统基本形成了高分一号到五号卫星行业示范能力,开展了18个行业应用示范和两个区域示范应用,成立了高分专项应用技术中心和21个省级区域数据与应用中心,建立了高分应用综合信息服务共享平台; 制定并下发了卫星遥感数据管理办法、地面系统运行管理办法等政策措施。高分专项在行业应用、产业化推广、应急救灾、国际合作等方面发挥了重要作用。
   
七、国际交流合作的新名片
    高分五号卫星谱段范围广、光谱分辨率高,可实现紫外至长波红外谱段的高光谱观测。其中,可见短波红外高光谱相机的可见光谱段光谱分辨率为5纳米,相当于一张纸厚度的万分之一。卫星探测手段丰富,具有高光谱/多光谱对地成像观测、多角度观测等探测手段,是国内探测手段最多的光学遥感卫星,工作模式多达26种。此外,该星定标精度高,星上载荷光谱定标精度达0.008波数,为国内卫星之最。就像一把尺子是否准确需要标校一样,高精度定标是高光谱卫星定量化应用的基础,是卫星探测信息准确不失真的重要保证。
    高分辨率对地观测系统重大专项是国家十六个重大科技专项之一,于2010年批准启动实施。自立项实施以来,高分专项始终坚持创新驱动发展战略和军民融合发展战略,取得了诸多成果。高分专项的实施大幅度提升了我国民用遥感卫星技术水平,使低轨卫星空间分辨率由实施前的最高2.1米提高到0.8米,地球同步遥感卫星分辨率由实施前的最高2.1米提高到0.8米,地球同步遥感卫星分辨率由千米级提高到50米,低轨遥感卫星设计寿命由3年大幅提高到8年。在卫星数据应用方面,高分专项突破了数据遥感政策、共性关键技术、数据与资源共享、服务创业平台等方面的管理技术瓶颈,为卫星数据应用和推广扫清了障碍。
    据了解,目前,中国高分专项卫星数据已广泛应用于二十余个行业、30个省(自治区、直辖市),已成为相关部门主体业务不可或缺的手段,成为各级政府治理结构和治理体系的重要支撑,在很大程度上实现了对国外同类型卫星数据的替代。同时在国际合作方面,高分专项也已成为了交流合作的重要抓手。随着高分专项的顺利推进,高分专项已成为中国航天局进行双边、多边国际交流与合作的新名片。有力促进了中俄、中巴(西)、中埃(及)、中印(度)等合作协议、大纲、谅解备忘录的签订和实施;为推进“一带一路”空间信息走廊实施、构建金砖五国遥感卫星星座和建设亚太空间合作组织多任务小卫星星座,奠定了坚实的基础。今年的航天日上,已经向全球发布了高分五号卫星的国际合作计划,也邀请相关的国际组织和相关机构开展面向高分五号的国际合作。
  根据计划,中国将于2020年,基本建成全天候、全天时、全球覆盖的对地观测系统。(白林)