空间探测器如何看得更清晰？

目前天问一号距离地球约1.84亿公里，距离火星约90万公里，在此之前探测器抵达距离火星约220万公里时回传了我国第一张抵近拍摄的火星照片（图1），照片中火星阿茜达利亚平原、克律塞平原、子午高原、斯基亚帕雷利坑、水手谷等标志性地貌清晰可见。但对于非专业人士而言，能看到的信息仍然太少，那如何可以让飞船卫星等探测器看得更清楚哪些是平原、山峰、高原……

图1 天问一号拍摄的火星

探测器要看得清楚所考察的星球上的目标，必须要搞清楚卫星飞船等探测器上相机的几个关键指标，这几个指标就是光谱分辨率、空间分辨率、时间分辨率。

光谱分辨率简单的理解就是对“颜色”的分辨能力，仅仅白光就由一系列不同颜色（波长）的光所组成的（图2），只有可见光是人类可以识别的。可见光之外的光谱只有仪器才可以探测。光谱分辨率是对影像中地物波谱细节信息的分辨能力，是卫星传感器接收地物辐射波谱时所能辨别的最小波长间隔，当间隔较小时，光谱分辨率相应就会越髙，在同样的波谱范围下，通常影像波段数越多，光谱分辨率越高，如高光谱影像往往比多光谱影像具有更髙的光谱分辨率，高光谱分辨率对于影像地物的分类识别等具有重要意义。光谱分辨率高也有其缺点，那就是空间分辨率低，这次天问一号拍摄的图像仅仅是黑白照片，为可见光波段范围的混合图像，由于是单波段，所以在图上显示为灰度图片。全色遥感图像一般空间分辨率高，但无法显示地物色彩，也就是图像的光谱信息少（图3）。那什么是空间分辨率？

图2 光的色散：白光其实由一系列不同颜色的光所组成的

图3 光谱分辨率示意图（左）和空间分辨率示意图（右）

空间分辨率通俗讲就是探测器能看得见地面上最小物体的能力，理论上讲就是对遥感影像空间细节信息的辨别能力，指传感器能够分辨最小目标地物大小，是实际卫星观测影像中的一个像素所对应的地面范围。如：我国研制的高分二号卫星分辨率达到了0.8m全色/3.2m多光谱，使我国空间对地观测能力进入亚米级时代；高分11号卫星的空间分辨率得到了进一步的提升，分辨率达到了0.1m[1]，获得了较高的空间分辨率。高分11号卫星全色图像空间分辨率是0.1m，指的是影像中的一个像素所对应的实际地面大小0.1m*0.1m，高空间分辨率图像对于影响目标地物的识别和目视解译等具有重要的作用。

空间分辨率的大小和哪些因素有关？一般来说，离观测对象越近，看得越清楚，这就是所说的探测器的轨道高度H，另外还与探测器上的相机的口径大小D有关，“眼睛”越大看得越清晰，还与各国发展的科学水平息息相关，那就是探测器上的像元大小a有关，即由此可以得到公式[2]：

R=H*a/（D*F）

其中F=f/D （F为f数，f为相机口径的焦距）

例如：这次天问一号探测器的轨道器搭载的六大载荷里有两个都是光学成像设备，分别是中分辨率相机与高分辨率相机，其中高分辨率相机近火星点300公里轨道高度成像分辨率可达0.6米，根据相关媒体报道，高分辨相机的口径仅400mm（图4）。

图4 火星高分辨率相机主镜（Φ400mm口径）

那是不是空间分辨率越高越好呢，其实不然，俗话说得好，“鼠”目寸光和管中窥豹~可见一斑，空间分辨率并不是越高越好，分辨率越高，看得到的范围就越小，也就是看得了细节，就不知道全貌，就如同我们在地图上用放大镜查找位置（图5），具体位置在哪里（**街道**村），但是你知道属于哪里吗？我们仍不清楚具体在哪个位置，还是一脸茫然。因此我们既要看得清楚，又要看的范围更大，以便洞察全局，这就需要我们在更高的轨道，看清更大的范围，这时候探测器的空间分辨率就不会太高，此时我们只需要大概了解一个范围就可以了，如同我们缩小地图范围，了解我们查找的位置在**县**市**省，然后根据我们掌握的知识就自然明白所找的位置在哪里。如：高分二号属于低轨卫星（轨道高度约为600km），因此其一次成像观测的视野较小，其通过两台相机拼幅成像，成像幅宽45km，在侧摆23°情况下5天周期内可实现对地球表面任一区域的重复观测，从上述分析可知高分二号卫星虽然实现了较高的空间分辨率，但仍存在观测的范围不足等问题。因此如果需要获得准确的位置信息，这就需要高低轨道探测器共同联合发挥作用，低轨道探测器获得高分辨率的图像，而高轨道的探测器获得范围更大的图像。

图5 高分辨率只能“鼠目寸光”所看范围太小

除了要看得清楚和更大的范围外，还要保证足够的时间去观察。尽管所探测的星球是不停自转的，但是在较低轨道，星球的自转速度小于探测器的飞行速度，探测器很快就飞离所观测的位置，因此是不能保证所看到的位置是时刻不间断侦查，因此提出了时间分辨率的观念，时间分辨率顾名思义就是对同一地点的重复观测能力，通常也把时间分辨率称为重访周期，重访周期越短，时间分辨率越髙。髙时间分辨率对于地物的动态变化检测等具有重要作用。对于地球而言，地球自转的周期是23小时56分4.09秒，接近24小时，因此根据高中所学牛顿的万有引力知识可以计算地球同步静止轨道高度约为36000公里（图6），高考经常考到的题目，你会计算吗？只要探测器在地球同步静止轨道，此时探测器的角速度就和地球自转的角速度相同，那样探测器就会一直在同一地点的上空不间断观测。我国成功研制了首颗地球静止轨道高分辨率光学遥感卫星—高分四号，与高分二号不同，高分四号为高轨卫星，由于处于36000km的地球静止同步轨道，所拍摄的每张照片可覆盖16万平方公里，通过拍摄60张照片可实现对西太平洋一千万平方公里的覆盖，拍摄时间约为4~12分钟，基本可实现对敌方航母战斗群在军事热点地区的实时监视，了解敌方航母战斗群的实时动态，具有极其重要的军事意义。然而，由于高分四号卫星空间分辨率仅为50m，航母在其图片上仅为几个像素组成的模糊图像。由于像素太少，难以将航母与遍布于大洋上的超级油轮等目标区分开，因此不能用于直接识别目标。虽然通过高轨卫星和低轨卫星的组合------一方面利用具有高时间分辨率的高轨卫星进行普查、另一方面再利用高空间分辨率的低轨卫星进行详查，可在一定程度上解决上述问题，但依然存在时效性不足的难题。为此，开发具有高分辨率的地球静止轨道卫星对实现我国监控军事热点地区的实时动态具有极其重要的意义。同样，如果想要固定在火星某一位置长时间拍摄，根据火星自转一周的周期为24小时37分22.6秒,和地球自转一周时间比较近似，但是其半径只有地球的一半，其同步静止轨道高度约为17000公里。

图6 地球静止轨道

那有没有具有高光谱分辨率、空间分辨率、高时间分辨率的探测器呢？方法是提高地球静止轨道相机口径能保证时间分辨率的同时具有高空间分辨率。例如高分四号空间分辨率大约为50m，无论对于海洋还是陆地，战场连续监视非常重要，空间分辨率达到10m时，才可发现、锁定、跟踪海上100m以上中型军民船只以及航母群等大型目标，因此可以将高分四号的相机口径扩大5倍，约为3.5m左右，利用可见和红外波段实时跟踪目标，还可以与低轨高分卫星协同工作。以低轨卫星进行目标发现、锁定，以高轨卫星进行凝视实时跟踪观测，成为一种好的监控手段。低轨卫星高分辨率可以清楚地看清地方目标，利用低轨卫星的高分辨，发现并识别敌方军舰、战机、坦克、集结部队等，利用高轨地球静止轨道卫星相机的高时间分辨率对其进行实时跟踪。

除了对火星等地外星系进行探测，对地观测也是未来发展的重点，高分辨率对地观测卫星快速发展，对地观测系统由最初的单星模式发展为现在的轻小型卫星组建星座（图7），实现了全天时、全天候、全方位的对地精细化观测。未来将对地观测卫星星座与通信卫星、导航卫星和飞机等空间节点通过动态组网，建立天基空间信息网络，以实现智能化空天信息的实时服务，形成一种模拟脑感知、认知过程的智能化对地观测系统，通过结合地球空间信息科学、计算机科学、大数据科学与云计算及脑科学与认知科学等领域知识，在天基空间信息网络环境下集成测量、定标、目标感知与认知、服务用户为一体的一种智能对地观测“脑”系统[3]。

图7 地球观测脑

参考文献

[1]郝哲，从对地观测卫星到对地观测脑，中国测绘，2020，10：10-13.

[2]刘韬，如何计算光学对地卫星的空间分辨率，国际太空，2013，10.

[3]李德仁、王密，沈星等，从对地观测卫星到对地观测脑，武汉大学学报，2017,42（2）：1-7

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