空間探測(cè)器如何看得更清晰？

目前天問一號(hào)距離地球約1.84億公里，距離火星約90萬(wàn)公里，在此之前探測(cè)器抵達(dá)距離火星約220萬(wàn)公里時(shí)回傳了我國(guó)第一張抵近拍攝的火星照片（圖1），照片中火星阿茜達(dá)利亞平原、克律塞平原、子午高原、斯基亞帕雷利坑、水手谷等標(biāo)志性地貌清晰可見。但對(duì)于非專業(yè)人士而言，能看到的信息仍然太少，那如何可以讓飛船衛(wèi)星等探測(cè)器看得更清楚哪些是平原、山峰、高原……

圖1 天問一號(hào)拍攝的火星

探測(cè)器要看得清楚所考察的星球上的目標(biāo)，必須要搞清楚衛(wèi)星飛船等探測(cè)器上相機(jī)的幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，這幾個(gè)指標(biāo)就是光譜分辨率、空間分辨率、時(shí)間分辨率。

光譜分辨率簡(jiǎn)單的理解就是對(duì)“顏色”的分辨能力，僅僅白光就由一系列不同顏色（波長(zhǎng)）的光所組成的（圖2），只有可見光是人類可以識(shí)別的?？梢姽庵獾墓庾V只有儀器才可以探測(cè)。光譜分辨率是對(duì)影像中地物波譜細(xì)節(jié)信息的分辨能力，是衛(wèi)星傳感器接收地物輻射波譜時(shí)所能辨別的最小波長(zhǎng)間隔，當(dāng)間隔較小時(shí)，光譜分辨率相應(yīng)就會(huì)越髙，在同樣的波譜范圍下，通常影像波段數(shù)越多，光譜分辨率越高，如高光譜影像往往比多光譜影像具有更髙的光譜分辨率，高光譜分辨率對(duì)于影像地物的分類識(shí)別等具有重要意義。光譜分辨率高也有其缺點(diǎn)，那就是空間分辨率低，這次天問一號(hào)拍攝的圖像僅僅是黑白照片，為可見光波段范圍的混合圖像，由于是單波段，所以在圖上顯示為灰度圖片。全色遙感圖像一般空間分辨率高，但無法顯示地物色彩，也就是圖像的光譜信息少（圖3）。那什么是空間分辨率？

圖2 光的色散：白光其實(shí)由一系列不同顏色的光所組成的

圖3 光譜分辨率示意圖（左）和空間分辨率示意圖（右）

空間分辨率通俗講就是探測(cè)器能看得見地面上最小物體的能力，理論上講就是對(duì)遙感影像空間細(xì)節(jié)信息的辨別能力，指?jìng)鞲衅髂軌蚍直孀钚∧繕?biāo)地物大小，是實(shí)際衛(wèi)星觀測(cè)影像中的一個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的地面范圍。如：我國(guó)研制的高分二號(hào)衛(wèi)星分辨率達(dá)到了0.8m全色/3.2m多光譜，使我國(guó)空間對(duì)地觀測(cè)能力進(jìn)入亞米級(jí)時(shí)代；高分11號(hào)衛(wèi)星的空間分辨率得到了進(jìn)一步的提升，分辨率達(dá)到了0.1m[1]，獲得了較高的空間分辨率。高分11號(hào)衛(wèi)星全色圖像空間分辨率是0.1m，指的是影像中的一個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的實(shí)際地面大小0.1m*0.1m，高空間分辨率圖像對(duì)于影響目標(biāo)地物的識(shí)別和目視解譯等具有重要的作用。

空間分辨率的大小和哪些因素有關(guān)？一般來說，離觀測(cè)對(duì)象越近，看得越清楚，這就是所說的探測(cè)器的軌道高度H，另外還與探測(cè)器上的相機(jī)的口徑大小D有關(guān)，“眼睛”越大看得越清晰，還與各國(guó)發(fā)展的科學(xué)水平息息相關(guān)，那就是探測(cè)器上的像元大小a有關(guān)，即由此可以得到公式[2]：

R=H*a/（D*F）

其中F=f/D （F為f數(shù)，f為相機(jī)口徑的焦距）

例如：這次天問一號(hào)探測(cè)器的軌道器搭載的六大載荷里有兩個(gè)都是光學(xué)成像設(shè)備，分別是中分辨率相機(jī)與高分辨率相機(jī)，其中高分辨率相機(jī)近火星點(diǎn)300公里軌道高度成像分辨率可達(dá)0.6米，根據(jù)相關(guān)媒體報(bào)道，高分辨相機(jī)的口徑僅400mm（圖4）。

圖4 火星高分辨率相機(jī)主鏡（Φ400mm口徑）

那是不是空間分辨率越高越好呢，其實(shí)不然，俗話說得好，“鼠”目寸光和管中窺豹~可見一斑，空間分辨率并不是越高越好，分辨率越高，看得到的范圍就越小，也就是看得了細(xì)節(jié)，就不知道全貌，就如同我們?cè)诘貓D上用放大鏡查找位置（圖5），具體位置在哪里（**街道**村），但是你知道屬于哪里嗎？我們?nèi)圆磺宄唧w在哪個(gè)位置，還是一臉茫然。因此我們既要看得清楚，又要看的范圍更大，以便洞察全局，這就需要我們?cè)诟叩能壍溃辞甯蟮姆秶?，這時(shí)候探測(cè)器的空間分辨率就不會(huì)太高，此時(shí)我們只需要大概了解一個(gè)范圍就可以了，如同我們縮小地圖范圍，了解我們查找的位置在**縣**市**省，然后根據(jù)我們掌握的知識(shí)就自然明白所找的位置在哪里。如：高分二號(hào)屬于低軌衛(wèi)星（軌道高度約為600km），因此其一次成像觀測(cè)的視野較小，其通過兩臺(tái)相機(jī)拼幅成像，成像幅寬45km，在側(cè)擺23°情況下5天周期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)對(duì)地球表面任一區(qū)域的重復(fù)觀測(cè)，從上述分析可知高分二號(hào)衛(wèi)星雖然實(shí)現(xiàn)了較高的空間分辨率，但仍存在觀測(cè)的范圍不足等問題。因此如果需要獲得準(zhǔn)確的位置信息，這就需要高低軌道探測(cè)器共同聯(lián)合發(fā)揮作用，低軌道探測(cè)器獲得高分辨率的圖像，而高軌道的探測(cè)器獲得范圍更大的圖像。

圖5 高分辨率只能“鼠目寸光”所看范圍太小

除了要看得清楚和更大的范圍外，還要保證足夠的時(shí)間去觀察。盡管所探測(cè)的星球是不停自轉(zhuǎn)的，但是在較低軌道，星球的自轉(zhuǎn)速度小于探測(cè)器的飛行速度，探測(cè)器很快就飛離所觀測(cè)的位置，因此是不能保證所看到的位置是時(shí)刻不間斷偵查，因此提出了時(shí)間分辨率的觀念，時(shí)間分辨率顧名思義就是對(duì)同一地點(diǎn)的重復(fù)觀測(cè)能力，通常也把時(shí)間分辨率稱為重訪周期，重訪周期越短，時(shí)間分辨率越髙。髙時(shí)間分辨率對(duì)于地物的動(dòng)態(tài)變化檢測(cè)等具有重要作用。對(duì)于地球而言，地球自轉(zhuǎn)的周期是23小時(shí)56分4.09秒，接近24小時(shí)，因此根據(jù)高中所學(xué)牛頓的萬(wàn)有引力知識(shí)可以計(jì)算地球同步靜止軌道高度約為36000公里（圖6），高考經(jīng)?？嫉降念}目，你會(huì)計(jì)算嗎？只要探測(cè)器在地球同步靜止軌道，此時(shí)探測(cè)器的角速度就和地球自轉(zhuǎn)的角速度相同，那樣探測(cè)器就會(huì)一直在同一地點(diǎn)的上空不間斷觀測(cè)。我國(guó)成功研制了首顆地球靜止軌道高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星—高分四號(hào)，與高分二號(hào)不同，高分四號(hào)為高軌衛(wèi)星，由于處于36000km的地球靜止同步軌道，所拍攝的每張照片可覆蓋16萬(wàn)平方公里，通過拍攝60張照片可實(shí)現(xiàn)對(duì)西太平洋一千萬(wàn)平方公里的覆蓋，拍攝時(shí)間約為4~12分鐘，基本可實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方航母戰(zhàn)斗群在軍事熱點(diǎn)地區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)視，了解敵方航母戰(zhàn)斗群的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，具有極其重要的軍事意義。然而，由于高分四號(hào)衛(wèi)星空間分辨率僅為50m，航母在其圖片上僅為幾個(gè)像素組成的模糊圖像。由于像素太少，難以將航母與遍布于大洋上的超級(jí)油輪等目標(biāo)區(qū)分開，因此不能用于直接識(shí)別目標(biāo)。雖然通過高軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星的組合------一方面利用具有高時(shí)間分辨率的高軌衛(wèi)星進(jìn)行普查、另一方面再利用高空間分辨率的低軌衛(wèi)星進(jìn)行詳查，可在一定程度上解決上述問題，但依然存在時(shí)效性不足的難題。為此，開發(fā)具有高分辨率的地球靜止軌道衛(wèi)星對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)監(jiān)控軍事熱點(diǎn)地區(qū)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)具有極其重要的意義。同樣，如果想要固定在火星某一位置長(zhǎng)時(shí)間拍攝，根據(jù)火星自轉(zhuǎn)一周的周期為24小時(shí)37分22.6秒,和地球自轉(zhuǎn)一周時(shí)間比較近似，但是其半徑只有地球的一半，其同步靜止軌道高度約為17000公里。

圖6 地球靜止軌道

那有沒有具有高光譜分辨率、空間分辨率、高時(shí)間分辨率的探測(cè)器呢？方法是提高地球靜止軌道相機(jī)口徑能保證時(shí)間分辨率的同時(shí)具有高空間分辨率。例如高分四號(hào)空間分辨率大約為50m，無論對(duì)于海洋還是陸地，戰(zhàn)場(chǎng)連續(xù)監(jiān)視非常重要，空間分辨率達(dá)到10m時(shí)，才可發(fā)現(xiàn)、鎖定、跟蹤海上100m以上中型軍民船只以及航母群等大型目標(biāo)，因此可以將高分四號(hào)的相機(jī)口徑擴(kuò)大5倍，約為3.5m左右，利用可見和紅外波段實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)，還可以與低軌高分衛(wèi)星協(xié)同工作。以低軌衛(wèi)星進(jìn)行目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、鎖定，以高軌衛(wèi)星進(jìn)行凝視實(shí)時(shí)跟蹤觀測(cè)，成為一種好的監(jiān)控手段。低軌衛(wèi)星高分辨率可以清楚地看清地方目標(biāo)，利用低軌衛(wèi)星的高分辨，發(fā)現(xiàn)并識(shí)別敵方軍艦、戰(zhàn)機(jī)、坦克、集結(jié)部隊(duì)等，利用高軌地球靜止軌道衛(wèi)星相機(jī)的高時(shí)間分辨率對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。

除了對(duì)火星等地外星系進(jìn)行探測(cè)，對(duì)地觀測(cè)也是未來發(fā)展的重點(diǎn)，高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星快速發(fā)展，對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)由最初的單星模式發(fā)展為現(xiàn)在的輕小型衛(wèi)星組建星座（圖7），實(shí)現(xiàn)了全天時(shí)、全天候、全方位的對(duì)地精細(xì)化觀測(cè)。未來將對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星星座與通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星和飛機(jī)等空間節(jié)點(diǎn)通過動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，建立天基空間信息網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)智能化空天信息的實(shí)時(shí)服務(wù)，形成一種模擬腦感知、認(rèn)知過程的智能化對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，通過結(jié)合地球空間信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、大數(shù)據(jù)科學(xué)與云計(jì)算及腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)等領(lǐng)域知識(shí)，在天基空間信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下集成測(cè)量、定標(biāo)、目標(biāo)感知與認(rèn)知、服務(wù)用戶為一體的一種智能對(duì)地觀測(cè)“腦”系統(tǒng)[3]。

圖7 地球觀測(cè)腦

參考文獻(xiàn)

[1]郝哲，從對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星到對(duì)地觀測(cè)腦，中國(guó)測(cè)繪，2020，10：10-13.

[2]劉韜，如何計(jì)算光學(xué)對(duì)地衛(wèi)星的空間分辨率，國(guó)際太空，2013，10.

[3]李德仁、王密，沈星等，從對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星到對(duì)地觀測(cè)腦，武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2017,42（2）：1-7