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中科院开始分析失联客机相关区域卫星图像【402.com】

2019年5月3日 - 科技中心

402.com 1我国的高分一号卫星,在3月9日11时前后拍摄的遥感图片上,在东经105.63°,北纬6.7°附近海域,发现多块漂浮物。图片来源:中国资源卫星应用中心

中科院开始分析失联客机相关区域卫星图像

3月8日凌晨,马来西亚航空公司的MH370航班自吉隆坡起飞,飞往北京。MH370航班最后一次和地面主动联系时,即将飞出吉隆坡空管区。但几个小时后,越南胡志明市空管区和中国三亚空管区都没有收到这架飞机的联系信号和身影。一架巨大的波音777客机在东南亚上空诡异地失踪了。根据最后一次联系的位置判断,MH370航班有可能在泰国湾一带坠毁。由于机上有多达154名中国公民,中国对此极为关注。马来西亚、越南等周边国家进行搜救工作的同时,中国也派遣多艘舰艇和多架飞机进入泰国湾进行搜索。

昨天,北京青年报记者从中科院遥感与数字地球研究所获悉,该所已经得到多颗卫星对马航失联客机相关区域拍摄的图像,并开始进行分析。遥感地球所昨天公布的一张对相关海域的卫星成像显示,有40多艘船只正在那里搜救。

针对此次搜救区域面积大的实际情况,西安卫星测控中心也迅速启动应急预案,对在轨运行的卫星进行调整,紧急调动了“遥感”、“高分”、“海洋”和“风云”等4个系列的近10颗卫星,为海上搜救工作提供技术支持。其中高分一号卫星3月9日上午11时左右获取的图像中,在位于东经105.63度,北纬6.7度为中心的20千米区域内,观测到3处疑似漂浮物体。虽然它们并非客机残骸,但此举显示了中国航天的实力,也为搜救工作提供了有力的帮助。

中科院官微“@中科院之声”昨天援引遥感地球所副所长顾行发的话说,遥感地球所已经得到了包括高分一号卫星在内的多颗卫星对相关区域拍摄的图像,并进行了分析。遥感地球所昨天还公布了一张10日夜间雷达卫星的实时成像图片,是雷达卫星经过马航客机失联海域时的实时成像,上面可以清晰地看到40多个小白点,即正在该海域参与搜救的船只。此前,遥感地球所科研人员利用3月8日和10日的卫星数据,在马航客机失联区域发现三处油迹带,并证实,这些油迹带在2月20日上次卫星过境时是没有的,因此,这些油迹带是产生于2月20日至3月8日11时这段时间——马航客机失去联系的时间是3月8日凌晨。

中国航天紧急调集近10颗卫星为MH370客机搜救提供情报保障,横向对比在世界上仅次于美国,体现出中国航天,尤其是对地遥感领域的巨大进步。不过很多人对此也提出了疑问:中国的卫星执行搜救工作,对这些卫星原有任务会造成什么样的影响?紧急调动这些卫星,是否意味着卫星要进行机动变轨,以快速抵达MH370客机疑似失联区域?如果需要变轨,对这些卫星的后续任务和寿命又有怎么样的影响?为什么科技如此发达,卫星遍布天空的时代,客机失踪几天了还找不到?

据遥感地球所所长郭华东院士介绍,遥感地球所会把监测结果第一时间报送国家有关部门,以帮助搜救。此次我国调动的四类卫星空间分辨率不同,且有的是光学卫星,有的是雷达卫星,集成起来后,可以对海面多方位监测。

遥感能力受限

要说明卫星的能力,我们必须先解说一下遥感卫星的操作和轨道。遥感卫星携带巨大的相机对地观测,但它并不是一路拍下来的,而是根据程序,在特定的时间拍照特定的区域。中国的高分一号卫星2013年4月26日发射成功,但到12月底只拍摄了2米/8米影像247731景——也就是说,它在绝大多数时候并没有对地成像。这种状况一方面是由于任务能力的限制,另一方面也受到存储和传输能力的限制。

在中国卫星还没有使用操作系统的时代,只能按照程序控制方式写指令。具体来说,就是地面上的技术人员,根据卫星状态和任务需求,设计好卫星的每一步动作。随着我国轨道任务复杂性日益提高,这种简单的卫星任务控制方式难以为继。2006年,我国第一代星载计算机操作系统SpaceOS1投入使用,为提高任务灵活性提供了较好的基础。西安卫星测控中心调动的遥感、高分、海洋和风云等卫星,都应用了SpaceOS1星载操作系统。不过SpaceOS1只做到了资源管理和任务调度,而且只能同时管理5个任务,能提供的任务灵活性还比较简单。

高分一号卫星可以提供2米分辨率的全色/黑白图像,图像幅宽可达60千米,单幅图像的体积就相当大。卫星上的存储设备容量是有限的,无法存储太多图像,必须及时下传到地面站腾出空间。如果是遥感系列的军用卫星,较晚发射的遥感卫星装有和天链数据中继卫星系统通信的高增益天线,可以边拍边回传图像数据,星载存储设备容量还不至于成为太大的瓶颈,但高分、海洋等民用卫星没有通过天链数据中继卫星系统回传数据的能力,其中很多连通过天链进行指令中继的能力都没有。

换句话说,这些卫星需要在经过我国上空时,通过地面站上行注入指令,下传拍摄的图像数据。2013年4月28日中国科学院遥感与数字地球研究所密云站6分钟内接收了高分一号卫星32.5GB的图像数据,这是高分一号首次下传图像数据,虽然传输带宽比较高,但也说明了高分一号卫星无法通过天链回传拍摄的图像数据。这样的话,高分一号的任务规划和执行受到的限制就很大了。

以高分一号为例,西安测控中心紧急调动用于马航370航班的搜救后,必然要根据新的任务要求重新规划工作计划,通过天链卫星或是我国境内的地面测控站上传新的任务指令,增加对搜救海域的成像任务,甚至是清空卫星原有任务的指令,以及时对搜救海域成像。由于卫星程序或操作系统能执行的任务数量和星载存储设备的容量都受到限制,一般来说,临时增加新成像任务,肯定会打乱原有正常任务的执行。如果是清空原有任务指令,对原有任务的影响就更大了。

402.com 2被紧急调动搜寻马航失联客机的高分一号卫星示意图。图片来源:中国国家航天局

遥感地球所研究员邵芸解释了NASA的卫星图与我国高分卫星图的区别:NASA的卫星每天能对该海域观测2次,但空间分辨率只有250米——即只有长度达到250米以上的物体才能在卫星图像上显现出来;而我国高分一号卫星最快每4天才能飞抵相关海域上空一次,但其空间分辨率达到2米,无论是大的飞机残骸还是其他大漂浮物,都能在卫星图像上显示出来。不过邵芸研究员也表示,此次搜索海域的范围太大,高分一号卫星搭载的2米/8米相机一次成像的宽度只有70公里,且每隔4天才能抵达相关海域上空一次,在满足实际观测条件时,卫星搜索才能提供更多有用的信息。

变轨不靠谱

说到这次搜救中紧急调动卫星,很多人条件反射地想到了卫星变轨,那么此次搜救是否进行了卫星变轨呢?西安卫星测控中心没有给出确切的答案,但根据卫星轨道和运用的知识,我们可以大胆推断一下。

高分一号卫星使用了中国空间技术研究院的CAST-2000小卫星平台。根据中国空间技术研究院网站提供的信息:CAST-2000小卫星平台平台质量200到400千克,有效载荷能力300到600千克。通俗来说,就是包括卫星燃料质量在内的平台本身最多只有400千克,而包括相机在内的载荷质量可达300千克以上。即使高分一号卫星为机动变轨携带了高达200千克的燃料(事实上这是不可能的),假设发动机比冲315秒,根据齐奥尔科夫斯基公式,这些燃料全部耗尽也仅能提供不到1040米/秒的速度变量。这个机动能力看似乎不少,但要用于灵活机动变轨还远远不够。

参考改变倾角的轨道机动的公式:
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其中,ΔV为机动需要的速度变量,V为卫星的轨道速度,θ为改变的轨道倾角。

高分一号卫星运行在距离地面650千米高度的圆轨道上,轨道速度约为7535米/秒,如果轨道倾角改变30度的话,需要的ΔV约为3900米/秒,即使是倾角改变10度,都需要约1300米/秒的ΔV。通过改变轨道倾角让卫星更快地访问搜救区海域,并不是一个好主意。

如果倾角不变,同时旋转轨道平面,虽然也可能更快地访问搜救区海域,但所需的ΔV同样很大。如卫星轨道倾角为90度,轨道平面旋转45度时需要的ΔV约为5800米/秒,看来这条路也不好走。

那么,改变轨道高度呢?改变卫星轨道高度所需的ΔV小得多,不过高度变化不大时,轨道周期变化也不大,对比卫星不变轨,所能缩短的首次访问时间并不长。而且一般来说,遥感卫星的轨道高度是与相机等载荷的参数相匹配的,升轨降轨会带来更多的麻烦,同样是代价过于高昂甚至无法实现的做法。

遥感卫星一般运行在500千米以上高度的轨道,大气阻力已经不再是最主要的影响因素,轨道维持所需的速度变量很小,因此遥感卫星上的燃料是相当有限的。遥感卫星保留基本轨道维持所需的燃料后,剩余燃料变轨的能力很小,不论“海洋”、“高分”、“风云”等民用卫星,还是“遥感”系列军用卫星,都无法像很多人想象的那样做出迅捷猛烈地轨道调整。

就算这些卫星竭尽所能进行了轨道机动,且不说变轨量很小能否应急,单是轨道参数改变后需要重新设计对地成像的方案,代价就太大了。从这些常识判断,我国紧急调用的近10颗卫星,变轨提供应急访问的可能性不说没有,也是微乎其微的。

对于此次国家调动近10颗、共4类卫星参与马航客机的搜救,邵芸研究员告诉记者,为民用目的如此大规模地调动卫星,在我国并不是第一次。以前每逢发生重大自然灾害,例如汶川地震、玉树地震的时候,国家都调动过多颗卫星,遥感所都是24小时值班,为抗灾提供卫星成像分析和数据。“但为找一架飞机调动卫星,还是第一次。”她说。

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