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本文來自：科技日報 記者 陳瑜

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

此前我國已經(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？與億元級造價大型衛(wèi)星相比，百萬元級造價微小衛(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)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長程曉。

我國對歐美極地衛(wèi)星數(shù)據(jù)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(dāng)時所在北京師范大學(xué)極地遙感團隊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拿出方案的是美國衛(wèi)星過境拍攝的數(shù)據(jù)?！背虝曰貞?，這對大家刺激很大，“凸顯了我國現(xiàn)有衛(wèi)星體系在極地觀測能力上的嚴(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)。

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

此外，極地冰雪環(huán)境變化強烈且快速，我國現(xiàn)有的氣象、資源、環(huán)境、海洋等系列民用衛(wèi)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-氣間強烈且快速的相互作用過程，獲得時空連續(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、歐洲和加拿大的極地衛(wèi)星已實現(xiàn)了對極地的大范圍連續(xù)觀測，基本實現(xiàn)了千米級分辨率的每日重復(fù)（如美國MODIS衛(wèi)星）和10米級分辨率的每旬重復(fù)（如美國陸地衛(wèi)星8號和歐空局哨兵1、2號衛(wèi)星）。此外，歐洲和美國還分別發(fā)展了測高衛(wèi)星，這當(dāng)中以歐空局的寒區(qū)衛(wèi)星Cryosat-2和美國的冰衛(wèi)星ICESat-1、2衛(wèi)星最為著名，其能夠?qū)崿F(xiàn)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，歐美上述衛(wèi)星所獲取的極地遙感數(shù)據(jù)對科學(xué)界和公眾開放，已成為國際極地遙感領(lǐng)域的主導(dǎo)性衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。

“我國極地科學(xué)領(lǐng)域甚至整個地球科學(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。

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

程曉告訴記者，為實現(xiàn)對極地連續(xù)觀測遙感，國際上有兩種模式，一種模式是發(fā)展極地同步衛(wèi)星，加拿大和挪威啟動了極地高軌衛(wèi)星計劃，以實現(xiàn)對北極地區(qū)全天時全天候的連續(xù)觀測，這種衛(wèi)星造價極高且需要大推力火箭將衛(wèi)星推至3萬公里以上高空；另一種模式則是采用美國“鴿群”衛(wèi)星的思路，即通過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)計壽命3年以上。與一些傳統(tǒng)大型衛(wèi)星相比，其重量僅為其千分之一，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，建立低成本的微小型遙感衛(wèi)星星座，實現(xiàn)對極區(qū)的高時空連續(xù)觀測?；邙澣旱哪Ｊ?，冰路衛(wèi)星在載荷配置上也有獨特的設(shè)計，配備了超寬幅中分辨率相機、高分辨率相機和AIS接收機，其中寬幅相機的分辨率設(shè)定為80米，幅寬達(dá)800公里，這是對當(dāng)前國際通用的千米級和十米級分辨率極地衛(wèi)星數(shù)據(jù)的一個重要補充，與其8米分辨率的高分辨率相機相配合，單星能夠?qū)崿F(xiàn)兩極地區(qū)5天全覆蓋，實現(xiàn)對極地全境及重點區(qū)域的觀測，有望提升對冰山漂移、冰架崩塌等快速變化的監(jiān)測能力，在多顆星組成星座后則能實現(xiàn)上述快速變化過程的小時級觀測，將帶來極地遙感觀測的革命性突破。

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(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)險評估，支撐北極航道開發(fā)。

與億元級造價大型衛(wèi)星相比，百萬元級造價微小衛(wèi)星的載荷精度和衛(wèi)星壽命都無法比擬，并且單星短時間內(nèi)難成氣候，極夜期間也無法進行觀測。

“我們規(guī)劃了一個24顆小衛(wèi)星組成的星座網(wǎng)絡(luò)，目標(biāo)是實現(xiàn)極地地區(qū)一小時內(nèi)重復(fù)觀測的頻率，一定程度上實現(xiàn)全天時觀測。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。

有望在今年南極考察中初試身手

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

近年來，國內(nèi)不少高校紛紛“放衛(wèi)星”。

“總體來說，國際上小衛(wèi)星技術(shù)剛起步，但比照美國、丹麥和日本，我國有較大差距。”程曉舉例說，美國NASA建立了一支強大的微小衛(wèi)星任務(wù)艦隊，丹麥Gomspace公司在國際微小衛(wèi)星研制領(lǐng)域素有聲譽，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來。

“小衛(wèi)星是未來幾十年的發(fā)展方向和重點，我國必須加快發(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?，我國高校從事微小衛(wèi)星研究不是太多了，而是太少了。但他同時強調(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數(shù)據(jù)開展科學(xué)研究。

由于我國緯度較低，我國地面站每天能與衛(wèi)星通信的軌數(shù)非常少，此前，程曉和團隊已通過國際合作，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)。下一步還計劃在南半球高緯地區(qū)建設(shè)衛(wèi)星地面接收站，進一步縮短衛(wèi)星在南極觀測數(shù)據(jù)的下傳時延。

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、“雪龍”2號）赴南極執(zhí)行無人機遙感和地面同步調(diào)查任務(wù)，開展星-機-地同步遙感實驗，以對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行定標(biāo)和真實性檢驗。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。