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澳门莲花娱乐场客户端_原创:高分四号卫星发图了!中国“最高天眼”能用于导弹预警吗?

2020-01-11 17:14:25
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澳门莲花娱乐场客户端_原创:高分四号卫星发图了!中国“最高天眼”能用于导弹预警吗?

澳门莲花娱乐场客户端,作者:郑文浩

2015年12月29日0时04分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射高分四号卫星。至此,2015年19次航天发射全部成功,我国航天发射“十二五”任务圆满收官。2016年2月3日上午,国防科工局对外公布了目前世界上地球同步轨道分辨率最高的光学成像卫星——高分四号卫星获取的首批影像图,反映了不同地貌影像特点及生态环境监测、林火监测等情况。

高分四号卫星拍摄的火焰山影像图(局部)

据高分四号卫星总设计师李果介绍,高分四号‘体重’5吨,设计寿命8年。它的‘大眼睛’——大口径面阵凝视相机兼具可见光和红外线全天候成像能力。可见光谱段分辨率50米,中波红外谱段分辨率400米。从红外凝视相机以及部署地球同步轨道的特点,很多军事爱好者都认为高分四号很可能是导弹预警卫星。

首先,这颗卫星是不是导弹预警卫星,首先要看其轨道。新华社12月29日的稿件显示:高分四号定点于地球同步轨道上,位于赤道上空,观测范围覆盖我国及周边地区、约三分之一的地球表面。这说明该卫星是属于和导弹预警卫星一类的地球静止轨道卫星。因为导弹监视卫星完全定点于某一地区上空而没有丝毫变化,是要24小时不间断监视某一地区的导弹发射情况。而一些国内媒体在叙述时,由于缺乏专业知识,忽视了轨道倾角,将地球同步轨道与地球静止轨道混为一谈。地球同步轨道上运行的卫星每天在相同时间经过相同地方的天空,对地面上观察者来说,每天相同时刻卫星会出现在相同的方向上。在一段连续的时间内,卫星相对于观察者可以是运动的。

高分四号搭载的大口径面阵凝视相机,是导弹预警卫星未来技术发展的重要方向。现在美军的天基红外系统导弹预警卫星使用的是短波红外线扫传感器和中波红外凝视传感器。但大口径面阵凝视相机(例如4000*4000阵元分辨率)的宽视场红外凝视相机,也是美国未来新一代导弹预警卫星技术的发展重点。

高分四号卫星高轨高分辨率光学遥感相机顺利完成振动试验

和过去的红外监视技术相比,大口径面阵红外凝视相机具有反应快、视野宽广的特点,进一步提高了对战术弹道导弹目标的探测跟踪能力。但是大口径面阵红外凝视相机能否全面兼顾战略和战术导弹的监视,能够全面代替过去扫描型探测阵列的监视,这还是一个未知数。而且监视图像的分析、处理和判别一时一个新的过程,需要各方面来磨合。因此,即便是美军,也是改用商用高轨道卫星搭载宽视场红外凝视传感器有效载荷进行验证,以完成可能用于未来天基红外系统凝视传感器与处理算法的宽视场红外凝视传感器和数据处理技术的风险降低和评估工作。这和高分四号的用途非常相似。也就是技术上的验证,看看这条新路到底能否走通。

高分四号卫星总设计师李果(右二)带领团队研讨

因此,高分四号虽然是民用卫星,但却可以验证宽视场红外凝视传感器针对反导预警的可靠性。除了监测火灾等灾害外,高分四号也可以通过监视中国以及周边国家导弹发射来验证探测技术的可靠性。

高分四号的分辨率有两个指标。可见光谱段分辨率50米,中波红外谱段分辨率400米。李果的比喻是相当于从3.6万公里外看见大油轮。国外顶级的同步卫星照相分辨率可以达到30米左右,因此50平米仍然有上升的空间,但代表了中国地球同步轨道遥感卫星的最高分辨率水平。

过去红外监视卫星的成像元件,现在红外凝视传感器像素要更多、分辨率更高

在新闻中,国防科工局局长、国家航天局局长许达哲透露高分四号是我国首颗地球同步轨道高分辨率光学成像卫星,也是目前世界上空间分辨率最高、幅宽最大的地球同步轨道遥感卫星。从数字成像的原理来看,空间分辨率最高,就意味着卫星相机cmos的阵元数量越高。因此可以说高分四号cmos的阵元数量达到了世界第一。人民网报道高分四号卫星相机第一次采用亿级像元数的可见光器件以及百万级像元的中波红外器件,第一次采用大面阵凝视成像体制。但同时,高分四号的可见光谱段分辨率没有达到全球最高,这是因为高分四号相机的cmos阵元虽然最多,但是面积更大,导致单位面积像素数量较少,从而影响了最终的分辨率。

至于百万级像元的中波红外器件,推测分辨率可能为2048*2048。这和美军的预期目标还有一定差距。美国顶尖的红外凝视阵列已经可以达到4096*4096,也就是千万阵元级别。这基本上满足了美军下一代红外预警卫星的需要。因此中国追赶的道路任重道远。而且美国的民用深空探测也是刺激红外元器件发展的一个重要因素。因为一些深空探测平台需要亿级像素的红外传感器,而国外一般采取多个红外凝视元件组合排列的方式,来实现这一功能。中国应该兼顾军民用、导弹探测与深空探测两方面来发展红外遥感传感器技术。

而且红外遥感卫星应用于导弹探测,可见光谱段分辨率只是一方面,还有高光谱分辨率上的关联。高分四号的高光谱分辨率如何没有透露,因为高光谱成像能获得电磁波谱中紫外、可见光、近红外、中红外和热红外波段范围内的许多非常窄的连续光谱,波段数多至几十甚至上百个,光谱分辨率可达纳米级。弹道导弹推进剂燃烧后的主要产物是水和二氧化碳,这两种气体的结构决定了导弹尾焰在2.7μm、4.3μm附近有较强的红外辐射,是分子谱带辐射,具有强烈的线谱特征。导弹尾焰的光谱会因发动机的不同、发动机所用循环的不同、燃料中添加剂的不同、运行条件的不同以及环境的不同而有很大差别。利用高光谱成像技术,利用获得的高光谱图像重构导弹尾焰强辐射带的测量光谱。根据获得的导弹尾焰的红外辐射特征谱,即可以确定导弹类型。相比传统的红外成像,高光谱成像能够克服光学分辨率的限制,找到被掩盖的火箭发射光谱信息,这是应对快速发射等弹道导弹反侦察手段的有力工具。

北京空间机电研究所高分辨率对地观测遥感器研制中心

研制高分四号卫星相机的单位是著名的508所,也就是北京空间机电研究所。该所成立于1958年8月21日,是我国最早从事空间技术研究单位之一。这个研究所是我国唯一从事航天器回收技术研制的单位,返回式卫星的回收成功率保持100%,居世界先进水平。在航天光学遥感技术研究领域,研究所成功地研制出几代多种型号的可见光卫星相机系统,所拍摄的照片图象清晰,分辨率高、信息丰富、实用性强、已经广泛用于国民经济、科学研究和国防建设等领域。

根据《中国航天报》和北京空间机电研究所专家杨秉新的一些资料,显示高分四号卫星高轨高分辨率光学遥感相机是一台具有挑战性的全新相机,其中柔性支撑和被动减、隔震等关键技术解决了力学上的系列难题。另外,卫星相机光学系统口径超大、焦距超长,因此采用大型、精密、轻型可展开式光学系统,从而减少了主镜光学材料加工和制造难度,同时,减小了重量和外形尺寸,降低了对运载火箭的要求。

根据人民网的报道,高分四号卫星因其“站得高、看得清”,携带的相机口径很大。而“大炮筒”一般的相机如不能安装在合适的“三脚架”上,将会成像模糊。因此,高稳定一体化结构技术成为一项必须突破的关键技术。五院总体部研制人员匠心独具,首次采用了一体化结构,创新设计了一个在太空中“零变形”的“三脚架”。这一结构能够给相机提供更稳定的支撑。承担生产任务的五院529厂制精心设计出一套新型组合式工装,不仅可以一次成型复杂的结构,而且能够同时保证异型结构每一个平面的精度。此外,还首次采用冷热交变的方式,释放复合材料结构内部的应力,使“三脚架”更加稳固。

成像系统聊完了,我们还可以聊聊卫星的重量和寿命。其实这两个指标也与性能有关系。新华社透露高分四号卫星重5吨。相比之下,美军第一代dsp导弹预警卫星重量为2.6吨,而最新的天基红外系统导弹预警卫星重量在4.8吨。从遥感卫星的发展历史上看,一度是重量称王,卫星越重,成像质量越好,但近年来随着电子技术发展和光学设计上的改进,遥感卫星的重量也在下降。例如号称分辨率最高的低轨商业卫星geoeye-1,重量也不过1.9吨。当然低轨卫星和高分四号这种地球同步轨道的高轨卫星有很大不同,后者的成像系统重量可能会更大,而且深空的一些针对辐射、极高温、极低温的防护性措施也会更多。

比如说高轨道遥感卫星承担着对地球进行遥感观测的使命,在瞄准观测目标时既要“动如脱兔”、迅速对准,又要瞬间稳定、“静若处子”般地拍照。因此,姿态快速机动与高稳定控制是该卫星的关键技术之一。

为此,技术人员突破了“小角度快速机动技术”,为高分四号安装了四个大力矩动量轮,使其得以从容地规划整个拍摄过程,可以在更短的时间内拍摄更多清晰的照片。研制人员还采取了全方位的“维稳”措施,从卫星平台的两大活动部件飞轮和太阳帆板驱动机构着手,把振动减到了最小。他们研制成功了“微步细分”太阳帆板驱动机构,以小步快跑避免了大跨步前进引起的振动干扰,使转动平滑了许多。为了实现快速机动,新研制了大力矩飞轮,通过加速或者减速产生反作用力,从而实现姿态调整。大力矩飞轮因其具有输出力矩大、控制精度高、寿命长、重量轻、使用便捷等特点,为我国航天器实现长寿命、高精度、快速机动提供了新的技术途径。

即便考虑到中国相对国外电子元器件小型化上的差距,5吨重的高分四号也算是一个“大块头”了,也证明了其在遥感探测性能上确实花了不小的功夫。单纯从重量上,就可以从侧面验证“世界上空间分辨率最高、幅宽最大的地球同步轨道遥感卫星”的定义。

风云一号d星气象卫星拍摄的希腊森林大火及浓烟

除了重量,还有寿命的问题。新闻显示高分四号卫星突破了材料、活动部件等的长寿命制约因素,使设计寿命达到8年。有资料显示现在美国天基红外系统导弹预警卫星的寿命是12年,可见在太空材料上,中国和美国还是存在一些差距。这在玉兔号月球车发生的故障中,也证明了这一点。不过相比月球车,常规卫星的活动部件还是相对较少,因此中国卫星寿命逐渐跟上甚至达到美国卫星的水平还是有可能的。例如风云一号d卫星设计寿命3年,至2010年仍在轨运行,超期服役6年多,实际寿命超过8年。而且从我国航天的宣传报道习惯来看,一般是比较保守的。高分四号卫星实际的使用寿命很可能超过八年,达到12年的水平。我们也有理由认为,既然风云一号d卫星在2000年设计,那么十几年后设计的高分四号卫星很有更好的表现。

所以高分四号卫星最重大的意义,就是吹响了中国向高轨遥感监测卫星进军的号角。也许今天只是民用的高分四号卫星上天,但经过高分四号的技术积累和验证,未来中国神秘的”遥感“家族也将会有地球静止轨道红外监视卫星的新成员。届时真正的中国版“天基红外系统”卫星,将和其他“遥感”卫星兄弟,共同搭建起中国太空导弹防御系统的强大阵地。

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