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有望告別國外依賴,我國冰路衛星下月發射!

來源: 科技日報    作者:    发布工夫:2019-08-19 11:36    编辑:張啓傑

  “三極遙感星座觀測系統”的首顆試驗衛星——冰路衛星(BNU-1,又名“京師一號”)近日已在深圳包裝入箱,預計今年9月發射升空。通過每天對極地區域的全覆蓋觀測,系統將服務于國家北極航道開發和環境保護。

  此前我國已經建立了氣象、海洋等系列民用衛星系統,發展極地專用遙感衛星意義何在?與億元級造價大型衛星相比,百萬元級造價巨大衛星有何優劣性?記者就此專訪了冰路衛星首席科學家、中山大學測繪科學與技術學院院長程曉。

  我國對歐美極地衛星數據高度依賴

  2014年1月,我國“雪龍“號和俄羅斯”紹卡利斯基“號破冰船被困南極海冰。程曉當時所在北京師範大學極地遙感團隊提出的脫困方案被采納,並被證明是有效方案。

  “可最終支持我們及時拿出方案的是美國衛星過境拍攝的數據。”程曉回憶,這對大家刺激很大,“凸顯了我國現有衛星體系在極地觀測能力上的嚴重不足。”

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

  但由于太陽高度角低、冰雪反照率高,兩極地區是衛星遙感觀測的難點所在。尤其是在極夜期間,可見光遙感衛星難以對極地成像,高地表反照率和頻繁的雲覆蓋又導致光學影像過曝或無法拍攝到雲下地表。

  此外,極地冰雪環境變化強烈且快速,我國現有的氣象、資源、環境、海洋等系列民用衛星觀測的時空精度,僅能觀測和揭示類似冰川運動這樣的大尺度慢速極地地表變化,無法捕捉到極地冰-海-氣間強烈且快速的互相作用過程,獲得時空連續數據。而這些是極地研讨的核心和前沿領域。

  放眼全球,美國、歐洲和加拿大的極地衛星已實現了對極地的大範圍連續觀測,基本實現了千米級分辨率的每日重複(如美國MODIS衛星)和10米級分辨率的每旬重複(如美國陸地衛星8號和歐空局哨兵1、2號衛星)。此外,歐洲和美國還分別發展了測高衛星,這當中以歐空局的寒區衛星Cryosat-2和美國的冰衛星ICESat-1、2衛星最爲著名,其能夠實現對極地冰層的厘米級精度的高程變化測量,對理解極地冰川和海冰變化具有重要意義。

  值得一提的是,欧美上述卫星所获取的极地遥感数据对科学界和公众开放,已成为國際极地遥感领域的主导性卫星遥感数据。

  “我國極地科學領域甚至整個地球科學領域對歐美上述衛星數據同樣高度依賴。”程曉說。

  采用“鴿群”發展模式,預計組建24顆小衛星組成的星座網絡

  程晓告诉记者,为完成对极地连续观测遥感,國際上有两种模式,一种模式是发展极地同步卫星,加拿大和挪威启动了极地高轨卫星计划,以完成对北极地区全地利全天候的连续观测,这种卫星造价极高且需求大推力火箭将卫星推至3万公里以上高空;另一种模式则是采用美国“鸽群”卫星的思绪,即经过组成星座以建立低成本的巨大型遥感卫星数据获取零碎,单颗卫星的分量约5公斤,设计寿命3年以上。与一些传统大型卫星相比,其分量仅为其千分之一,成本仅为其几十甚至几百分之一,能够完成卫星零碎的快速技术更新。

  冰路卫星采用的就是“鸽群”发展模式,即采用巨大卫星平台,建立低成本的巨大型遥感卫星星座,完成对极区的高时空连续观测。基于鸽群的模式,冰路卫星在载荷配置上也有独特的设计,配备了超宽幅中分辨率相机、高分辨率相机和AIS接收机,其中宽幅相机的分辨率设定为80米,幅宽达800公里,这是对当前國際通用的千米级和十米级分辨率极地卫星数据的一个重要补充,与其8米分辨率的高分辨率相机相配合,单星能够完成两极地区5天全覆盖,完成对极地全境及重点区域的观测,有望提升对冰山漂移、冰架崩塌等快速变化的监测能力,在多颗星组成星座后则能完成上述快速变化过程的小时级观测,将带来极地遥感观测的革命性打破。

  此外,該星還集成了接收船舶AIS定位信號廣播的星載AIS接收機,能夠把極區遙感與船舶航行很好的結合,爲極區船舶規劃航行線路,做出航道風險評估,支撐北極航道開發。

  與億元級造價大型衛星相比,百萬元級造價巨大衛星的載荷精度和衛星壽命都無法比擬,並且單星短時間內難成氣候,極夜期間也無法進行觀測。

  “我們規劃了一個24顆小衛星組成的星座網絡,目標是實現極地地區一小時內重複觀測的頻率,一定程度上實現全天時觀測。此外還規劃了高極軌SAR衛星和迷你SAR衛星星座,希望到2030年前完成最終部署。”程曉說。

  有望在今年南極调查中初試身手

  程曉說,冰路衛星是我國極地遙感小衛星的一顆“探路”星,通過它將爲發展小衛星星座打下基礎。

  近年来,國內不少高校纷纷“放卫星”。

  “总体来说,國際上小卫星技术刚起步,但比照美国、丹麦和日本,我国有较大差距。”程晓举例说,美国NASA建立了一支强大的巨大卫星任务舰队,丹麦Gomspace公司在國際巨大卫星研制领域素有声誉,日本微纳卫星技术则愈加发达,甚至一些高中生都参与进来。

  “小衛星是未來幾十年的發展方向和重點,我國必須加快發展巨大衛星制造技術,要在材料、通訊、電池以及先進載荷制造等方面取得打破,才能真正走到世界前列。”在程曉看來,我國高校從事巨大衛星研讨不是太多了,而是太少了。但他同時強調,不能爲了放衛星而“放衛星“,比如發展極地遙感小衛星,最終目的一定獲取盡可能多的極地遙感觀測數據開展科學研讨。

  由于我国纬度较低,我国地面站每天能与卫星通讯的轨数非常少,此前,程晓和团队已经过國際合作,在南北半球高纬地区部署地面接收站协助接收卫星数据。下一步还计划在南半球高纬地区建设卫星地面接收站,进一步延长卫星在南极观测数据的下传时延。

  为提升卫星数据的定量化程度,北京师范大学今年下半年将派出刘旭颖博士随双“龙”(“雪龙”号、“雪龙”2号)赴南极执行无人机遥感和地面同步调查任务,开展星-机-地同步遥感实验,以对卫星数据进行定标和真实性检验。这意味着,冰路卫星有望在今年南極调查中初試身手,与双“龙”共探极地。

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