“中国眼”家谱

2019年9月17日11:01:53“中国眼”家谱已关闭评论 22 views

  “中国眼”家谱

“‘高分专项’主要面对基础元器件的缺失问题,这些外国不愿意卖给我们,都需要我们自己研发。”“两院”院士李德仁说

《瞭望东方周刊》记者山旭 | 北京报道

直到“高分一号”在今年五一国际劳动节前发射,低调的中国高分辨率对地观测系统才出现在公众视野之中。

作为2005年中央确定的16个国家重大专项,中国高分辨率对地观测系统---业内所称的“高分专项”,计划在“十二五”期间发射5至6颗卫星。

当时同样被列入国家中长期科技发展规划纲要的还有大型飞机、载人航天与探月工程等。

这样,在今后3年内,平均每年将有2颗高分辨率对地观测卫星发射升空。最终到2020年,中国将形成一个全天时、全天候、全球范围观测能力的稳定运行系统。

“高分辨率对地观测系统是综合国力的表现。”“高分专项”专家组副组长、“两院”院士李德仁对《瞭望东方周刊》说,16个重大专项中的“核高基”等都为其提供支撑。

中国在1970年发射了第一颗人造地球卫星“东方红1号”。从那时起到现在,先后有上百颗中国卫星升空。

经过这样一个漫长的、沉淀一代人努力的试验与演进过程,正如“高分专项”所标示的,中国终于开始谋求与其国际地位相匹配的空间实力。

 低调的国家重大科技专项

《2011年中国航天白皮书》把中国的卫星分为四类:对地观测卫星、通讯广播卫星、导航定位卫星、科学和技术试验卫星。

到2007年底,中国已发射的对地观测卫星大约有70颗,包括7个气象卫星、8个海洋卫星、18个返回式卫星,等等。“神舟”系列飞船也具有对地观测能力。

2008年,中国使用对地观测卫星支持在四川的地震救灾。这也是中国首次公开报道关于大规模使用观测卫星的信息。

不同的对地观测卫星携带不同的仪器。比如气象卫星携带的气象遥感器主要接收和扫描可见光、红外光、微波辐射等,形成各种云层、地表和洋面图片,从而通过分析了解天气变化趋势。

资源卫星则携带波谱设备,获得地面辐射、电磁波等信息,从而了解地层结构。

高分辨率对地观测卫星是西方在上世纪八九十年代后提出的新型卫星。它通过先进观测仪器获取静态或动态的地面影像。2012年,被官方称为“中国第一颗高分辨率民用卫星”的“资源三号”发射升空。

“高分一号”发射成功后,《中国航天报》在相关报道中说,高分辨率对地观测卫星可以划分为军用和民用两类用途,而且军用遥感卫星和民用遥感卫星在原理上并无二致。

其中,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。也正因此,军用遥感卫星大部分都属于高分辨率对地观测卫星。

与之相比,民用遥感卫星则主要是多光谱成像,以便识别地面各种特征,其分辨率参差不齐,但总体水平普遍在军用卫星之下。

中国一直反对外太空军事化,但是从世界范围内看,空间对地观测已经形成了三个互相独立又紧密联系的系统:军事对地观测系统、公益性对地观测系统和商业化系统,且这三个系统的边界十分模糊。

事实上,一直到冷战落幕后的1994年,美国才结束了军方对高分辨率卫星的垄断,允许商业部门进入这一领域。

“空间对地观测,在一定程度上遥感空间信息跨越了时空限制,不受国界的约束,不为天气、夜幕所限。其宏观上可把握一个国家、甚至全球经济社会发展大局,其微观上可探测到任何地区的设施状况。因此,它本身就是国家安全的一个集中体现,可以认为,遥感的发展本是源于军事的需求。”中科院院士、中国空间遥感事业的开拓者之一童庆禧对《瞭望东方周刊》表示。

李德仁则认为,中国发展对地观测卫星是经济和社会可持续发展的需求,也是国防建设与国家安全的需要,涉及制空权、制海权、制天权、制信息权等。“对地观测技术成为支撑军事信息化作战、夺取战场信息优势、解决制约我军联合作战和精确打击等瓶颈问题的重要技术手段。”

根据公开信息,2006年,“高分专项”实施方案论证工作启动。

2010年5月12日,实施方案经国务院常务会审议通过,“高分专项”进入了全面启动实施阶段。

根据湖北一位院士在2005年的“保先”教育报告中透露的内容,当时已有十几位院士、77位专家参与“高分专项”规划。

这份公开的资料说,其目标是争取“要赶到0.3米,以这个项目做推动,追赶美国。3米,2米,1米,0.5米,最后要做到0.3米,争取0.1米。”

数年间,“高分专项”默默运行,仅能从为数不多的专业报道中发现在一些领域取得了重大突破。

在2011年,同时有3位遥感测绘领域的专家当选“两院”院士。国家地理信息测绘局的贺信中说,中科院对地观测与数字地球科学中心主任郭华东院士,长期从事遥感信息科学特别是雷达对地观测研究工作。另两位是武汉大学的龚健雅、李建成。

这一年的《航天白皮书》中谈到,中国已“全面实施高分辨率对地观测系统重大科技专项。基本形成全天候、全天时、多谱段、不同分辨率、稳定运行的对地观测体系”。

“返回式卫星”曾是主力

在中国的航天史诗中,对地观测事业发端于上世纪70年代中期。1975年,钱学森主持召开了第一次全国遥感规划筹备会。

后来在邓小平的亲自过问下,中美一度在此领域展开合作。到1986年,中国建成并运行了遥感卫星地面站。

由于缺乏传输手段,中国最早的对地观测卫星都是“返回式卫星”。它们在太空中停留长短不一的时段后,返回地球。

早在上世纪60年代,中国高层已经把“返回式卫星”作为发展重点。1970年,为加速卫星研制进程,由周恩来批准在北京地区组织大会战,全面展开了各系统的研制和发射准备工作。

1974年11月5日,第一次“返回式卫星”发射失败。两年后,中国成为世界上第三个掌握卫星回收技术的国家。

从1975年11月26日到1996年10月20日,中国先后用“长征”系列运载火箭发射了3种型号、17颗“返回式卫星”,其中只有第15颗卫星回收失败。

根据中国空间技术研究院返回式卫星总设计师唐伯昶回忆,这三种型号分别是“FSW-0”、 “FSW-l”、“FSW-2”,“FSW”就是返回式卫星的拼音首字母缩写。

“FSW-0”和“FSW-l”具有相同的外形,其形状为羽毛球状的钝头截锥体,最大直径为2.2米,总长为3.1米。“FSW-2”则在底部增加了一个高1.5米、直径2.2米的圆柱段。

卫星发射前装有一定数量的胶片,发射入轨后通过星上的程序装置或地面遥控使相机对地开机照相,拍摄事先计划的区域。卫星完成全部摄影任务后,返回舱脱离运行轨道,带着摄影胶片返回地面。然后将摄影胶片冲洗处理后,获得照片。

在国家重点转入经济建设,航天领域科研任务及经费大幅压缩的背景下,“返回式卫星”在很多年里成为中国对地观测卫星的主要力量。

比如第一代的“FSW-0”,先后发射了9次,一直到1987年才退休,使用了12年。

另一个例子就是后来的“风云一号”。

据著名红外及遥感专家、中科院院士匡定波回忆,中国科学院上海技术物理研究所早在上世纪60年代末就开始从事第一颗气象探测卫星的研究,这种卫星主要采取光学观测的一种---红外扫描。

直到1976年,他们终于完成了核心样机的研发,次年,中央军委即批准力争在1980年发射第一颗气象探测卫星。

后来的论证会上又发现,虽然样机已经达到美国第二代气象观测卫星的水平,但美国已经打算在1978年发射第三代气象卫星。

经过修改,新的样机在1979年完成,但是由于1981年国民经济开始调整,“风云一号”发射计划推迟到1985年。

于是,在1982年的会议上,再次修改方案,力求在1985年达到国际先进水平。

1984年国家对“风云一号”的发射计划再次推迟,从1985年推迟至1988年。匡定波等人提出第三次修改方案。

这样,“风云一号”从1977年进入工程研制,到1988年9月发射,前后历时11年。

传输时代到来

上世纪90年代,航天转制接近尾声。在新的投入机制推动下,1999年,中国对地观测卫星开始进入传输时代---不需要卫星返回,地面站就可以获得资料。

据唐伯昶回忆,早在第4至第7颗“FSW-0”就曾经进行了传输试验,但直到十年后才得以成功。

而在紧急或外界干扰情况下,卫星可能无法有效传输资料,返回式卫星在军事上仍然具有重要意义。2003年后,中国又发射过几次返回式卫星。

开创中国传输型卫星时代的是“资源”系列卫星。1999年10月发射的“资源一号”同时携带了三台不同性质的遥感相机,这在国际上也不多见。

这颗卫星总体被认定为达到“90年代国际先进水平”。成果总结公报显示,它在一年内就拍摄传输了9万余张卫星图像。很快,“资源一号”总设计师陈宜元晋身院士。

童庆禧的评价是,“资源一号”结束了中国没有较高分辨率传输型卫星和完全依赖国外卫星数据的历史。

直到2012年,中国还发射了“资源”系列的最新型号“ 资源一号02C ”卫星。这个系列已经是中国最主要的对地观测卫星家族,其中2000年发射的“资源二号”获得了国家科技进步一等奖。

从那时起,中国的对地观测卫星逐渐进入发射高潮。比如2002年开始发射的海洋卫星“海洋”系列。

几乎中国航天界所有的元老和权威,都曾经参与对地观测卫星项目,然后才进入载人航天、探月工程等领域。

一颗对地观测卫星的研发大约需要十年,比如“资源二号”最迟在1993年就已经进入关键的荷载研究,也就是研究它能够搭载多少仪器。后来到“ 资源一号02C ”时,据称生产时间已经缩短到2年左右。

中国的卫星主要来自航天科技集团下属的两个研究机构---中国空间技术研究院和上海的航天技术研究院。“高分一号”发射成功后,习近平总书记在“五一”期间视察了前者位于北京的总部。

到2006年,新的对地观测卫星家族、也是最受外界关注的“遥感”系列开始发射。人们认为,它将中国的空间对地观测事业带入了新阶段。

 星座家族

童庆禧说,遥感卫星从上世纪70年代发展至今,其空间分辨率几乎每十年提高一个数量级。70年代民用卫星的分辨率大体是80至100米,但21世纪初已经达到0.4米了。

在“返回式遥感卫星”告一段落,即“FSW-2”时代,中国已经能够根据其拍摄的照片分辨一般房屋、圆形建筑、桥梁、机场上停放的飞机等目标。

到“资源一号”时,分辨率达2.36米。官方报道当时说,它“是目前国内最高分辨率的民用卫星”。

中国空间技术研究院院长徐福祥曾指出,“资源二号”图像分辨率比“资源一号”卫星更高,主要技术指标已达到20世纪90年代初的国际水准。

而在2003年,航天遥感专家、工程院院士龚惠兴参加全国政协十届一次会议时表示,当时中国已入轨工作的卫星全部为光学仪器,无法实现全天候、全天时观测,因此迫切需要卫星合成孔径成像雷达等一系列先进星载遥感仪器。

通俗地讲,合成孔径成像雷达自身发射电磁波,而不是借助地面目标反射光成像,因此不仅可以全天时观测,它发射的微波还可以穿透云雾雨雪,抵达深埋于地下或积雪下的物体。用早期合成孔径雷达探测不含水分的土壤时,可穿透30米的地层探测到地下物体。

根据2002年9月中科院电子所的“中国微波成像雷达及其应用技术研讨会”公报,中科院电子所在1973年成立了由陈宗骘研究员等7人组成的线路调研组,启动调研工作。

1979年9月17日,中国于陕西武功机场首次试飞机载合成孔径雷达样机,获取了第一批合成孔径雷达图像。

到2003年,中国开始向马来西亚出口机载合成孔径雷达。

在卫星使用的星载合成孔径雷达研究方面,1988年受国家“863计划”委托,中科院电子所开始星载合成孔径雷达系统的总体研究工作。2001年,第一部星载合成孔径雷达样机面世。

2006年4月发射的“遥感一号”被认为首次搭载了合成孔径雷达。在关于“遥感一号”总设计师陈筠力的报道中也提到,这颗卫星具有全天时、全天候功能,前后历时10年,耗资18亿元。

能够标示“遥感一号”重要性的是,它入选了当年的中国十大科技新闻。

由于强大的观测能力,“遥感一号”也进入了西方为中国军事侦察卫星所编制的序列:“尖兵”家族。

虽然中国一再反对外层空间军事化,但固执的西方军事观察家仍然对他们认为存在军事用途的中国观测卫星进行了命名。

其中,“返回式卫星”、“资源二号”分别被命名为“尖兵一号”至“尖兵四号”,“遥感一号”则被称为“尖兵五号”。当然,也并非所有的“遥感”系列都被编入“尖兵”序列。

作为中国最著名的对地观测卫星家族,到2012年5月10日,中国已发射了“遥感十四号”。

两周后,中国又在太原发射了“遥感卫星十五号”。公报说这颗卫星“主要用于科学试验、国土资源普查、农作物估产及防灾减灾等领域,将对我国国民经济发展和国防建设发挥积极作用”。

而据公开报道,研究人员说,“遥感十五号”是中国第三代合成孔径雷达卫星的第一颗,未来5年内,中国还将陆续发射5颗同型卫星。“其中对陆地和海上运动目标的图像分辨率将首次达到0.1×0.1米,这也标志着我国在合成孔径雷达成像卫星研制方面已正式跨入世界先进国家行列”。

这年11月,与“遥感十六号”一同发射的还有“环境”系列的最新型号 “环境一号C ”,官方说它也是一颗合成孔径雷达卫星。

“环境”系列是完全不同的一类对地观测卫星。它通过多颗小卫星组成小卫星星座,官方说它是专门用于环境与灾害监测预报。中国之前曾发射了“环境一号A”和“环境一号B”。而“海洋一号”系列也是一种双星卫星。

2010年3月发射的“遥感九号”同样是由三颗卫星组成的卫星星座。星座观测可以提供更加稳定、完整的观测信息。

谱系日趋庞大复杂

中国对地观测卫星在不断完善中逐渐发展成为一个庞大、复杂的卫星系统。比如,由于即时传输型卫星运行到西半球,位于中国的地面站就无法接收其信息,于是必须研制用于卫星之间联络的“中继卫星”。

2008年4月,中国在西昌发射了第一颗数据中继卫星“天链一号01”,目前已经发射至“天链一号03”。

与此同时,从上世纪70年代就开始发射的“实践”系列也参与了对地观测研究。它被命名为科学探测与技术试验卫星,至少进行过数据传输试验。

此外,2010年、2012年,中国还发射了两颗“天绘”卫星并完成组网。它们被称为传输型立体测绘卫星。

公报说,在上合组织“和平使命”军演、新疆反恐维稳、首都防空以及云南地震等重大事件应急保障中,“天绘成果全面开花”。

对于“高分专项”,李德仁说,首要挑战仍是成像问题,其次是卫星的机动能力和控制问题。

换句话说,除了更高的分辨率---它其实包括时间、空间、光谱等三四个种类,卫星还要能快速把“眼睛”转向它需要关注的地方,“不仅要看得清楚,还要快速地看到。”李德仁说。

这些都对中国的先进制造业提出了更高要求,“‘高分专项’主要面对基础元器件的缺失问题,这些东西外国不愿意卖给我们,都需要我们自己研发。”李德仁说。

自2007年以来,虽然中国对地观测卫星进入发射高峰,但其具体技术特点绝少披露。比如民用分辨率一直停留在2米左右,也就是通常人们认为的民用观测需要达到的水平。

与此同时,公报说,“十一五”涉及对地观测数据的18个重大工程的总投资就超过2000亿元。

人们所知的是,除了更高的分辨率,中国正在着力发展稳定、安全、全面的空间观测网络。

“要将长期、稳定、可靠的运行和数据供应作为发展的主要目标。”童庆禧认为。

此外,作为庞大系统的其他主要部分,卫星数据的地面接收、翻译能力也直接影响着观测效果。对于军事用途来说,经验丰富的分析人员则是有效使用高分辨观测卫星的前提条件。从目前披露的信息看,正是美国相关部门的办公室内勤分析人员在卫星图像中发现了本·拉丹。

也许若干年后,关于中国在“十二五”前后所发射卫星的全貌才会被详细披露。而那时,相信我们已经拥有了更多、更强大的“中国眼”。

(本文信息均来自《中国航天报》、《中国航天》、《中国科学报》、新华社、《解放军报》及公开出版物,特此致谢)

 “高分一号”与“高分专项”

“高分一号”分辨率为2米。特别是通过相机多角度拼接,可以在分辨率16米的情况下,一次获得长度达800多公里范围的图像。由于这个优势,“高分一号”只用4天就可以对地球表面进行一次全面拍摄。

按照规划,“高分专项”将建设基于卫星、平流层飞艇和飞机的高分辨率先进观测系统,与其他观测手段结合,形成全天候、全天时、全球覆盖的对地观测能力;整合并完善地面资源,建立数据与应用中心;到2020年,建成我国自主的陆地、大气、海洋的先进对地观测系统,为现代农业、防灾减灾、资源环境、公共安全等重大领域提供服务和决策支撑,确保掌握信息资源自主权,促进形成空间信息产业链

weinxin
扫码,关注科塔学术公众号
致力于成为国内领先的科研与学术资源导航平台,让科研工作更简单、更有效率。内容专业,信息准确,更新及时。
avatar