随着认识地球、研究地球的深入，人类逐渐将视点从地面、低空扩展到太空，对地球的观测也越来越对连续性、快速性、精确性等提出了更高要求。高分辨率对地观测卫星能够更全面、更清楚、更深刻地了解地球及其周围环境，成为人类在太空安装的高效“监控眼”。

高分七号卫星大兴机场彩色融合图

近年来，高分辨率对地观测卫星的发射数量已占遥感卫星发射总数的约41%，而且其有效占比有继续增加的趋势。单从这一点，人类对地观测已经进入高分卫星时代。

我国于2013年发射第一颗高分辨率对地观测卫星“高分一号”，2020年12月6日，用长征三号乙运载火箭成功将高分十四号卫星送入预定轨道。随着高分专项的发展，高分数据广泛应用于各行业、各地区，为国家治理体系和治理能力现代化、区域经济发展等提供了有力的空间信息支持。

高分系列：遥感卫星中的“火眼金睛”

高分系列卫星均属遥感卫星。遥感是以摄影方式或非摄影方式获得被探测目标的图像或数据的技术。遥感技术远离目标，通过非直接接触判定、测量并分析目标性质，其应用领域非常广泛，得到了极大关注和高速发展。

自莱特兄弟在飞机上拍下第一张航空相片，航空遥感时代随之到来，并首先应用于军事中。此后，航空遥感在地质、工程建设、地图制图、农业土地调查等方面得到广泛应用。二战中，由于伪装技术不断提高，军事遥感发展出彩色、红外和光谱带照像等技术。20世纪60年代，多光谱摄影技术发展，多光谱特征可用于地形、地物判别，逐渐成为航空遥感的重要方向。

卫星进入太空后，遥感技术也迅速应用到卫星中。1972年第一颗地球资源卫星发射升空，之后美国、法国、俄罗斯、欧空局、日本、印度、中国等相继发射众多对地观测卫星，卫星数据广泛应用到科学试验、国土资源普查、农作物估产和防灾减灾等多个领域，在国家社会经济发展中发挥着重要作用。

1975年，中国首次发射返回式遥感卫星。之后，中国发射了风云气象卫星、环境卫星、资源卫星、海洋卫星、实践科学探测卫星和遥感系列卫星，开展气象观测、环境和灾害监测、国土资源调查、地质灾害应急监测、海洋观测科学实验、地表覆盖和自然现象观测，初步形成了气象、海洋、资源、环境与减灾四大民用系列的天基对地观测体系，保障了现代农业、防灾减灾、资源调查、环境保护和国家安全的重大战略需求。

发展到今天，卫星遥感把人类带入一个多层、立体、多角度、全方位和全天候对地观测的新时代。由各种高、中、低轨道相结合，大、中、小卫星相协同，高、中、低分辨率相弥补而组成的全球对地观测系统，能够准确有效、快速及时地提供多种空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率的对地观测数据。

高分系列卫星的在轨服役，全面提升了我国自主获取高分辨率观测数据的能力。国土资源部每年约有1.9×107平方千米的“高分”卫星观测需求，以往几乎全部依靠国外卫星数据，获取难度大、成本高。而随着高分卫星不断升空，“高分数据”逐步替代了近80%的同等分辨率的国外卫星数据，有力支持了国民经济建设、社会发展和国家安全保障。

高分兄弟，各有千秋

我国在发展高分辨率对地观测卫星方面起步较晚，但遥感技术较高的起点使我国在技术上掌握了主动权。如今，高分兄弟各个身手不凡，互有千秋。

其中，“高分一号”高分宽幅，实现了中分辨率与大幅宽相结合的观测能力；“高分二号”亚米全色，标志着我国民用遥感卫星正式跨入亚米级分辨率时代；“高分三号”是我国首颗1米分辨率C频段多极化合成孔径雷达成像卫星；“高分四号”同步凝视，是世界首颗地球同步轨道高分辨率成像遥感卫星；“高分五号”实现高光谱分辨率对地观测能力；“高分六号”与“高分一号”一脉相承，也是我国第一颗设置红边谱段的多光谱遥感卫星。

作为高分辨率对地观测系统的首发星，“高分一号”突破了高空间分辨率、多光谱与宽覆盖相结合的光学遥感等关键技术，分辨率达到2米，一眼覆盖800千米，4天可看遍地球，分辨率和幅宽综合指标达到世界领先水平。

自发射起，“高分一号”运行稳定，各谱段图像清晰，图像色彩逼真丰富，向国土资源系统、地质行业及科研院所等100多家单位和机构提供了大量遥感图像数据，成为各用户和遥感领域应用最广泛的卫星之一，被誉为“看得广、看得快、看得准、看得清、应急效果好”的卫星。

2014年8月，“高分二号”成功发射入轨。“高分二号”是迄今我国空间分辨率最高的民用遥感卫星，空间分辨率优于1米，幅宽大于45千米。“高分二号”稳定运行超过3年，获取的影像数据广泛服务于18个国家部委和28个省市地方行业，及国防军事与商业市场等领域；月分发20余万景超过1.1亿平方千米影像，已成为亚米级高分辨率影像主力数据源，数据市场占有率达80%，彻底改变了我国高分辨率对地观测数据主要依赖进口的局面，创造了巨大的经济、军事和社会效益。

高分二号卫星拍摄的火焰山

2016年8月，“高分三号”发射升空。“高分三号”是我国首颗1米分辨率C频段合成孔径雷达成像卫星，分辨率达到1米，打破了我国民用天基高分辨率合成孔径雷达图像全进口的现状。“高分三号”采用多极化的设计，具有12种工作模式，带有主动探测载荷，通过发射微波信号并接收地面反射的回波信号进行探测，不受光照、云层和天气的约束与影响。它提供的可靠、稳定的高分辨率微波图像数据，广泛服务于我国海洋、减灾、水利及气象等多个行业及业务部门。

高分一号、二号卫星运行于近地轨道，空间分辨率高，但对固定区域重访所需周期较长，时间分辨率较低。高轨遥感卫星可弥补低轨遥感卫星的不足，两者结合使用能发挥出更大效益。在这种需求下，2015年12月，“高分四号”升空，运行于地球同步轨道，成为观测地球的最高“太空眼”。

“高分四号”可见光谱段分辨率50米，中波红外谱段分辨率400米，为我国减灾、林业、地震、气象等应用提供快速、可靠、稳定的光学遥感数据，为灾害风险预警预报、林火灾害监测、地震构造信息提取、气象天气监测等业务补充了全新的技术手段，开辟了我国地球同步轨道高分辨率对地观测的新领域。

2018年，“高分五号”和“高分六号”先后发射升空。“高分五号”是世界首颗实现对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星，可实现紫外至长波红外谱段的高光谱观测，探测手段丰富，工作模式多达26种，定标精度亦为国内卫星之最。

高分五号卫星填补了国产卫星无法有效探测区域大气污染气体的空白，通过对大气污染气体、温室气体、气溶胶等物理要素的监测，动态反映我国大气污染状况。同时，高分五号卫星还可对内陆水体、陆表生态环境、蚀变矿物、岩矿类别进行探测，为我国环境监测、资源勘查、防灾减灾等行业，提供高质量、高可靠的高光谱数据。

高分卫星应用图

高分六号卫星则是真正意义上的中国农业一号星。其图像数据主要应用于农业、林业和减灾等业务领域，兼顾环保、国安和住建等应用需求，图像数据将作为国家宏观决策的有力依据，成为基础性和战略性资源。

2019年发射成功的高分七号卫星是光学立体测绘卫星，将在高分辨率立体测绘图像数据获取、高分辨率立体测图、城乡建设高精度卫星遥感和遥感统计调查等领域取得突破。

高分八号到十四号卫星是高分辨率对地观测系统国家科技重大专项安排的光学遥感卫星，主要应用于国土普查、城市规划、土地确权、路网设计、农作物估产和防灾减灾等领域，可为“一带一路”建设等提供信息保障。

“高分家族”的卫星，与我国其他遥感卫星紧密结合，基本实现了高低轨搭配、光学和SAR结合、详查和普查并行的“天网”布局，初步建成了高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率的自主可控对地观测“天眼”工程。

身配金刚钻，敢揽瓷器活

高分系列卫星各个本领高强，这得益于我国科研人员为它们设计研制的强大载荷。

“高分一号”身上装载2台全色多光谱高分辨率相机和4台中分辨率宽幅相机及配套的高速数传系统，单星上同时实现高分辨率与大幅宽的结合，2米高分辨率成像幅宽大于60千米，16米分辨率成像幅宽大于800千米，可适应多种空间分辨率、多种光谱分辨率、多源遥感数据综合需求，满足不同应用要求。“高分一号”具备灵活的多任务工作模式，包括实时成像传输模式、成像记录模式、边记边回放模式、任意时刻回放模式及任意相机组合成像能力。

高分一号卫星拍摄的阿尔山

高分二号卫星配置2台相同的分辨率为1米全色/4米多光谱组合而成的相机，采用长焦距、大F数、轻小型化光学系统设计，焦距达到7.8米，F数15，均为我国在轨遥感卫星中最大；采用全色和多光谱五谱合一的TDICCD器件，以推扫的方式实现对地面景物成像。“高分二号”突破亚米级高分辨率大幅宽成像、长焦距大F数轻小型相机设计、高稳定度快速姿态侧摆机动、图像高精度定位、低轨道遥感卫星长寿命高可靠设计等关键技术，大幅提升我国遥感卫星观测效能。

“高分三号”是目前高分家族中唯一的民用微波遥感成像卫星，也是我国首颗分辨率达到1米的C频段、多极化高分辨率SAR卫星。“高分三号”设计了聚束、方位多波束、条带、扫描、四极化、波等12种工作模式，能获取分辨率1~500米、观测幅宽10~650千米的C频段多极化SAR图像，可极大地扩展卫星的观测能力和应用能力。“高分三号”全天候、全天时实现对全球海洋和陆地资源的监视监测，并通过左右姿态机动，扩大对地观测范围，提升快速响应能力。

“高分四号”的成像载荷是一台凝视相机，该相机配备了国际上地球同步轨道口径最大的可见与红外一体化光学镜头，同时具有多光谱和红外成像能力，其中可见光近红外通道包括5个谱段，可以获取星下点优于50米地面像元分辨率的图像，红外通道为中波红外成像，可获取优于400米地面像元分辨率的图像。

为更好地适应高轨恶劣的空间环境，确保成像质量，“高分四号”的相机设计创造了多个“第一”：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，第一次采用中波红外与可见光共口径的光学设计等。

高分五号卫星配置有6台先进有效载荷，包括：大气环境红外甚高光谱分辨探测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、全谱段光谱成像仪、大气主要温室气体监测仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪、可见短波红外高光谱相机，观测谱段覆盖紫外至长波红外。这6大载荷“神器”让高分五号卫星拥有了“火眼金睛”。

例如，大气痕量气体差分吸收光谱仪具有从紫外到可见波段获取高光谱数据的能力，光谱分辨率高达0.5纳米，可用于6种以上大气痕量气体成分分布和变化的定量反演，支持空气质量变化监测、各种排放过程对大气组成成分和全球气候变化的影响分析。可见短波红外高光谱相机和全谱段光谱成像仪，可实现高精度、定量化的水体和陆地生态环境要素监测。

“高分五号”还是国内探测手段最多的光学遥感卫星，同时具有多光谱、高光谱、偏振、多角度、掩星、耀斑等多种观测手段，工作模式多达26种，可以实现多种观测数据融合应用。

“高分六号”继承“高分一号”的优秀特质，也是我国第一颗设置红边谱段的多光谱遥感卫星。“高分六号”的宽幅相机设计突破了单投影中心超大视场成像技术，成像谱段丰富，成像幅宽国际领先；进一步提升图像几何与辐射精度，支撑定量化应用能力水平提升；卫星采用星座设计，提升图像存储容量、图像“录放比”、成像任务时间、姿态机动能力等，解决高时效成像、境外成像、多目标成像能力弱和好用性等难题，运行效能大大提升；同时卫星寿命更长，可靠性和国产化率更高。

高分六号卫星罗布泊宽幅影像

高分七号卫星搭载了双线阵立体相机、激光测高仪等有效载荷，突破了亚米级立体测绘相机技术。高分七号卫星分辨率不仅能够达到亚米级，而且定位精度是目前国内最高的，能够在太空轻松拍出媲美特效电影的3D影像。投入使用后，将为我国乃至全球的地形地貌绘制出一幅误差在1米以内的立体地图。

来源: 《太空探索》2021年第3期