本文來(lái)自：科技日?qǐng)?bào) 記者 陳瑜

“三極遙感星座觀測(cè)系統(tǒng)”的首顆試驗(yàn)衛(wèi)星——冰路衛(wèi)星（BNU-1，又名“京師一號(hào)”）近日已在深圳包裝入箱，預(yù)計(jì)今年9月發(fā)射升空。通過(guò)每天對(duì)極地區(qū)域的全覆蓋觀測(cè)，系統(tǒng)將服務(wù)于國(guó)家北極航道開(kāi)發(fā)和環(huán)境保護(hù)。

此前我國(guó)已經(jīng)建立了氣象、海洋等系列民用衛(wèi)星系統(tǒng)，發(fā)展極地專用遙感衛(wèi)星意義何在？與億元級(jí)造價(jià)大型衛(wèi)星相比，百萬(wàn)元級(jí)造價(jià)微小衛(wèi)星有何優(yōu)劣性？記者就此專訪了冰路衛(wèi)星首席科學(xué)家、中山大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)程曉。

我國(guó)對(duì)歐美極地衛(wèi)星數(shù)據(jù)高度依賴

2014年1月，我國(guó)“雪龍“號(hào)和俄羅斯”紹卡利斯基“號(hào)破冰船被困南極海冰。程曉當(dāng)時(shí)所在北京師范大學(xué)極地遙感團(tuán)隊(duì)提出的脫困方案被采納，并被證明是有效方案。

“可最終支持我們及時(shí)拿出方案的是美國(guó)衛(wèi)星過(guò)境拍攝的數(shù)據(jù)。”程曉回憶，這對(duì)大家刺激很大，“凸顯了我國(guó)現(xiàn)有衛(wèi)星體系在極地觀測(cè)能力上的嚴(yán)重不足?！?

南北兩極是全球變化的指示器與放大器。全球變暖導(dǎo)致兩極冰蓋加劇融化，導(dǎo)致海平面上升；北極海冰加劇退縮，導(dǎo)致北半球極端天氣氣候事件頻發(fā)。

但由于太陽(yáng)高度角低、冰雪反照率高，兩極地區(qū)是衛(wèi)星遙感觀測(cè)的難點(diǎn)所在。尤其是在極夜期間，可見(jiàn)光遙感衛(wèi)星難以對(duì)極地成像，高地表反照率和頻繁的云覆蓋又導(dǎo)致光學(xué)影像過(guò)曝或無(wú)法拍攝到云下地表。

此外，極地冰雪環(huán)境變化強(qiáng)烈且快速，我國(guó)現(xiàn)有的氣象、資源、環(huán)境、海洋等系列民用衛(wèi)星觀測(cè)的時(shí)空精度，僅能觀測(cè)和揭示類似冰川運(yùn)動(dòng)這樣的大尺度慢速極地地表變化，無(wú)法捕捉到極地冰-海-氣間強(qiáng)烈且快速的相互作用過(guò)程，獲得時(shí)空連續(xù)數(shù)據(jù)。而這些是極地研究的核心和前沿領(lǐng)域。

放眼全球，美國(guó)、歐洲和加拿大的極地衛(wèi)星已實(shí)現(xiàn)了對(duì)極地的大范圍連續(xù)觀測(cè)，基本實(shí)現(xiàn)了千米級(jí)分辨率的每日重復(fù)（如美國(guó)MODIS衛(wèi)星）和10米級(jí)分辨率的每旬重復(fù)（如美國(guó)陸地衛(wèi)星8號(hào)和歐空局哨兵1、2號(hào)衛(wèi)星）。此外，歐洲和美國(guó)還分別發(fā)展了測(cè)高衛(wèi)星，這當(dāng)中以歐空局的寒區(qū)衛(wèi)星Cryosat-2和美國(guó)的冰衛(wèi)星ICESat-1、2衛(wèi)星最為著名，其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)極地冰層的厘米級(jí)精度的高程變化測(cè)量，對(duì)理解極地冰川和海冰變化具有重要意義。

值得一提的是，歐美上述衛(wèi)星所獲取的極地遙感數(shù)據(jù)對(duì)科學(xué)界和公眾開(kāi)放，已成為國(guó)際極地遙感領(lǐng)域的主導(dǎo)性衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。

“我國(guó)極地科學(xué)領(lǐng)域甚至整個(gè)地球科學(xué)領(lǐng)域?qū)W美上述衛(wèi)星數(shù)據(jù)同樣高度依賴?！背虝哉f(shuō)。

采用“鴿群”發(fā)展模式，預(yù)計(jì)組建24顆小衛(wèi)星組成的星座網(wǎng)絡(luò)

程曉告訴記者，為實(shí)現(xiàn)對(duì)極地連續(xù)觀測(cè)遙感，國(guó)際上有兩種模式，一種模式是發(fā)展極地同步衛(wèi)星，加拿大和挪威啟動(dòng)了極地高軌衛(wèi)星計(jì)劃，以實(shí)現(xiàn)對(duì)北極地區(qū)全天時(shí)全天候的連續(xù)觀測(cè)，這種衛(wèi)星造價(jià)極高且需要大推力火箭將衛(wèi)星推至3萬(wàn)公里以上高空；另一種模式則是采用美國(guó)“鴿群”衛(wèi)星的思路，即通過(guò)組成星座以建立低成本的微小型遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，單顆衛(wèi)星的重量約5公斤，設(shè)計(jì)壽命3年以上。與一些傳統(tǒng)大型衛(wèi)星相比，其重量?jī)H為其千分之一，成本僅為其幾十甚至幾百分之一，能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)的快速技術(shù)更新。

冰路衛(wèi)星采用的就是“鴿群”發(fā)展模式，即采用微小衛(wèi)星平臺(tái)，建立低成本的微小型遙感衛(wèi)星星座，實(shí)現(xiàn)對(duì)極區(qū)的高時(shí)空連續(xù)觀測(cè)?；邙澣旱哪Ｊ?，冰路衛(wèi)星在載荷配置上也有獨(dú)特的設(shè)計(jì)，配備了超寬幅中分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)和AIS接收機(jī)，其中寬幅相機(jī)的分辨率設(shè)定為80米，幅寬達(dá)800公里，這是對(duì)當(dāng)前國(guó)際通用的千米級(jí)和十米級(jí)分辨率極地衛(wèi)星數(shù)據(jù)的一個(gè)重要補(bǔ)充，與其8米分辨率的高分辨率相機(jī)相配合，單星能夠?qū)崿F(xiàn)兩極地區(qū)5天全覆蓋，實(shí)現(xiàn)對(duì)極地全境及重點(diǎn)區(qū)域的觀測(cè)，有望提升對(duì)冰山漂移、冰架崩塌等快速變化的監(jiān)測(cè)能力，在多顆星組成星座后則能實(shí)現(xiàn)上述快速變化過(guò)程的小時(shí)級(jí)觀測(cè)，將帶來(lái)極地遙感觀測(cè)的革命性突破。

此外，該星還集成了接收船舶AIS定位信號(hào)廣播的星載AIS接收機(jī)，能夠把極區(qū)遙感與船舶航行很好的結(jié)合，為極區(qū)船舶規(guī)劃航行線路，做出航道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，支撐北極航道開(kāi)發(fā)。

與億元級(jí)造價(jià)大型衛(wèi)星相比，百萬(wàn)元級(jí)造價(jià)微小衛(wèi)星的載荷精度和衛(wèi)星壽命都無(wú)法比擬，并且單星短時(shí)間內(nèi)難成氣候，極夜期間也無(wú)法進(jìn)行觀測(cè)。

“我們規(guī)劃了一個(gè)24顆小衛(wèi)星組成的星座網(wǎng)絡(luò)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)極地地區(qū)一小時(shí)內(nèi)重復(fù)觀測(cè)的頻率，一定程度上實(shí)現(xiàn)全天時(shí)觀測(cè)。此外還規(guī)劃了高極軌SAR衛(wèi)星和迷你SAR衛(wèi)星星座，希望到2030年前完成最終部署?！背虝哉f(shuō)。

有望在今年南極考察中初試身手

程曉說(shuō)，冰路衛(wèi)星是我國(guó)極地遙感小衛(wèi)星的一顆“探路”星，通過(guò)它將為發(fā)展小衛(wèi)星星座打下基礎(chǔ)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)不少高校紛紛“放衛(wèi)星”。

“總體來(lái)說(shuō)，國(guó)際上小衛(wèi)星技術(shù)剛起步，但比照美國(guó)、丹麥和日本，我國(guó)有較大差距?！背虝耘e例說(shuō)，美國(guó)NASA建立了一支強(qiáng)大的微小衛(wèi)星任務(wù)艦隊(duì)，丹麥Gomspace公司在國(guó)際微小衛(wèi)星研制領(lǐng)域素有聲譽(yù)，日本微納衛(wèi)星技術(shù)則更加發(fā)達(dá)，甚至一些高中生都參與進(jìn)來(lái)。

“小衛(wèi)星是未來(lái)幾十年的發(fā)展方向和重點(diǎn)，我國(guó)必須加快發(fā)展微小衛(wèi)星制造技術(shù)，要在材料、通訊、電池以及先進(jìn)載荷制造等方面取得突破，才能真正走到世界前列?！痹诔虝钥磥?lái)，我國(guó)高校從事微小衛(wèi)星研究不是太多了，而是太少了。但他同時(shí)強(qiáng)調(diào)，不能為了放衛(wèi)星而“放衛(wèi)星“，比如發(fā)展極地遙感小衛(wèi)星，最終目的一定獲取盡可能多的極地遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展科學(xué)研究。

由于我國(guó)緯度較低，我國(guó)地面站每天能與衛(wèi)星通信的軌數(shù)非常少，此前，程曉和團(tuán)隊(duì)已通過(guò)國(guó)際合作，在南北半球高緯地區(qū)部署地面接收站幫助接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)。下一步還計(jì)劃在南半球高緯地區(qū)建設(shè)衛(wèi)星地面接收站，進(jìn)一步縮短衛(wèi)星在南極觀測(cè)數(shù)據(jù)的下傳時(shí)延。

為提升衛(wèi)星數(shù)據(jù)的定量化水平，北京師范大學(xué)今年下半年將派出劉旭穎博士隨雙“龍”（“雪龍”號(hào)、“雪龍”2號(hào)）赴南極執(zhí)行無(wú)人機(jī)遙感和地面同步調(diào)查任務(wù)，開(kāi)展星-機(jī)-地同步遙感實(shí)驗(yàn)，以對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)和真實(shí)性檢驗(yàn)。這意味著，冰路衛(wèi)星有望在今年南極考察中初試身手，與雙“龍”共探極地。