挑战光学极限,传说看航母的卫星转身,看了眼月球,无声的威慑

近日,航天博主SegerYU转载了一组来源于“蓝布达”的月球图像,这组图像是由我国高分四号卫星拍摄,可以看到成像图像层次丰富、纹理清晰,质量相当优异,要知道这是相隔几十万公里拍摄的画面,却给人以身临其境之感。在太空专门看地球的卫星,为什么转身看了一眼月球?有网友说,这是“无声的威慑”。
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高分四号对月球成像组图
这其实是高分四号在对月球进行观测试验。
高分四号是一颗相当传奇的遥感卫星,它不同于部署在距离地球300至600公里高度的近地光学遥感卫星,而是一颗部署在距离地球约3.6万公里的静止轨道光学遥感卫星。
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高分四号卫星效果图
按照常理,只有距离越近才能看得越清楚,成像分辨率越高,这就是为什么大部分遥感卫星部署在近地轨道的原因,但是,近地轨道卫星是有不少缺点的。
首先是时间分辨率低,基于轨道因素影响,不能实现对某一地的实时图像更新,只能间隔较长时间周期进行定时拍摄;
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近地轨道光学遥感卫星高分九号05星发射任务遥测图像
其次是成像幅宽限制,短时间内获取的成像数据有限;
再就是战时易遭敌方反卫星武器攻击
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美国标准-3型导弹可以击中1000公里轨道高度以内的近地轨道航天器
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印度反卫星导弹
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五年前,印度反卫星导弹击落了一颗近地轨道卫星。
解决的办法有两个,首先是进行大规模卫星组网,进行协同成像,这样就能获得较高的时间分辨率,能近实时获取目标图像,还需要卫星组批生产与组网发射能力作为补充,以化解战时易遭敌方反卫星武器攻击的问题。比如吉林一号卫星星座、遥感系列卫星星座等都是此类产品。
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吉林一号星座
另一个办法就是让卫星飞到更高的位置,既可以远离反卫星武器的攻击,也能实现站得高看得远,还能看得快,不用像近地轨道卫星那样需要轨道机动才能看到想要看到的地点,只需调整相机指向就能实现对感兴趣的地点进行快速成像,可以说是一箭多雕。
地球静止轨道光学遥感卫星高分四号就是这第二个办法的产物,它的出现为我们突破光学成像极限探索了新路径。
但是,高轨轨道的光学遥感卫星能不能解决看得清(高分辨率成像)的问题呢?
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高分四号卫星实拍
高分四号部署至今已有将近九年时间,其设计寿命是八年时间,显而易见该星目前已经进入超期服役阶段。
这颗卫星亮相初期,坊间就给它冠以“反航母利器”的美誉,言外之意就是它能站在距离地球约3.6万公里的位置看到地球海洋上航行的航空母舰,真的是这样吗?
高分四号整星重量4.6吨,核心有效载荷就是一台“可见光-红外共口径大面阵凝视相机”,成像幅宽可以达到400公里,一次成像就能获取相当于河南省面积的高分图像,只需三颗此种卫星就能实现全球覆盖,而且它能盯着我们感兴趣的某一热点区域进行高频长周期成像,从而可以直接获得热点地区的高价值动态信息。
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高分四号在3.6万公里外对首都地区成像(50米分辨率多光谱图像,原始图像还可持续放大,且图像清晰。)
另外,这台相机不仅能获取图像与目标尺寸信息,还能获得同样重要的温度信息,这个数据有什么用呢?作用相当大,在民用领域可以防灾减灾,如果用在军用领域,就可以知道哪里发射了运载火箭或者导弹,毕竟运载火箭的尾流温度不是一般的高。
说了半天,究竟能不能看航母呢?高分四号这台相机的可见光成像分辨率是50米,在此之前,国际同类卫星的最高成像分辨率是500米,高轨成像能力一举提升10倍,这是什么概念呢?
就好比过去站在地球静止轨道上能看到首都国际机场,有了高分四号就能轻松看到面积更小的国家大剧院。如果将3.6万公里外的高分四号放在距离地球约500公里的近地轨道上,成像分辨率就可以达到0.69米。
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高分四号成像效果图
50米成像分辨率虽然可以看见国家大剧院,也能看到海上航行的船舶与船舶航行产生的尾流,然而船舶目标在图像中只是几个像素点,还不足以分辨船舶的种类,因此它并不具备对海上航母的成像侦察能力。但是……
重要的话都在“但是”之后,虽然高分四号还不能发现航母,但它开辟的高轨高分成像新路径,却也为我们的反航母大业开辟了新路径。
高分四号作为国家重大专项之一,它所做的事情就是开好高轨高分辨率成像的新局,本来也不是作为军用产品发展,从该星在地球静止轨道的定点部署情况也能看出端倪,主要是服务本国的民用领域需求。
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高分四号观测范围
虽然高分四号不足以发现航母,但它的后继者高分十三号配置了口径更大的高分相机,据外籍物理学博士刚特·克雷布斯推测,其空间分辨率有可能达到了15米。
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15米分辨率能够更加清晰地看到海上航行的大船,并且能够分辨船舶种类,意思就是能够发现航母。
但是,在大量的成像数据里如何快速筛查目标又成了难题,如果靠肉眼在图像数据中识别航母,可以做到,但是效率很低,在动辄以分钟为单位计算的现代战场环境中,很难在短时间内实现既定作战意图。而如果在15米分辨率图像中应用自动处理软件辨别航母目标,虚警率又比较高
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50米分辨率看横须贺基地的里根号航母
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15米分辨率看横须贺基地的里根号航母
不过,能在3.6万公里的地球静止轨道实现15米分辨率已经是相当难得,针对虚警率较高的问题,不是没有办法,可以先由高轨卫星进行成像辨别,再调动近地轨道遥感卫星补充探测,同样是事半功倍,可以说15米分辨率的高轨遥感卫星已经具备了实际的作战能力。
15米分辨率就是极限了吗?并不是,中国航天人正在朝着更高的极限目标突进。
八年前的《“地球观测与导航”重点专项2016年度项目申报指南》披露了“静止轨道对地全色成像分辨率不低于2.5米的光学相机系统关键技术攻关”项目,当时该项目的计划完成时间是5年,如今这个五年早已过去,意味着在地球静止轨道实现2.5米成像分辨率的所有关键技术我们大概率早已实现突破。
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无独有偶的是,就在此项技术计划完成时间的两年后,也就是去年年底,我们使用一枚配置加长版整流罩的CZ-5大型火箭发射了“遥感四十一号卫星”,这颗卫星为什么要使用加长版整流罩呢?
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发射遥感四十一号高轨光学遥感卫星的 CZ-5 Y6 火箭
原版CZ-5火箭整流罩的长度是12.3米,有效包络长度也有约11米,加长版整流罩长度达到了18.5米,足足长高了6米有余,身处其中的卫星必定是又重又长的,这就可以想象它的相机镜头有多大多长了。此种卫星的身板要超过高分四号/高分十三号数倍有余,实现更高的高轨成像分辨率将会是必然。
假设它真的实现了地球静止轨道2.5米分辨率,就意味着它完全可以依托图像自动处理软件进行航母目标的判别,战情信息获取效率将呈几何级提高,这对于制胜未来战场将是至关重要的。