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谷歌否认开放俄高分卫星图!如被"偷拍":俄罗斯能干扰击毁吗?

2022年4月18日,谷歌开始开放俄罗斯所有军事和战略设施的卫星图像。包括各种洲际弹道导弹发射井、指挥所、秘密试验场等在内的俄战略要地均可以每像素约0.5米的分辨率查看

相信这个新闻一定是吓了大家一跳,人人都能像卫星图像目标判定分析人员一样下载和研判俄罗斯军事目标,这或许是载入史册的一个时间节点,俄罗斯像是被扒光底裤一样被人看了个底朝天,不过这个消息很快就被否认,据俄罗斯塔斯社18日报道,谷歌公司一位发言人称谷歌并没有为了披露俄罗斯军事和战略要地而更改其地图服务的计划。

不过也有朋友分析这都是商业卫星图像,即使真的公开也没多少实质性伤害!卫星究竟是如何拍摄地球的,俄罗斯能干扰卫星拍照吗?

卫星观测地球到底有多少种方法?

带个相机就可以拍摄地球了,不是吗?其实卫星新拍摄地球的方法和各位想象的大不相同,不要以为早期只有胶卷相机,其实从太空摄像开始就走了两条路:

胶片之路:第一张地球照片是1946年拍摄的,你没有看错哦,1946年10月24日,美国在新墨西哥州的白沙导弹发射场用V2火箭将一台Devry 35 mm的照相机送上了“太空”,在V2火箭的弹道顶端(约104千米,刚好超过卡门线,已经是属于太空),这台相机拍摄了一张美国西部的照片。

104千米高度拍摄的美国西南部以及一片云层。

“数码”之路:月球3号(Luna 3)卫星的第一张月球背面照片就是用“数码”技术拍摄的,它使用的是一种光电阴极(photocathode)的技术,将光信号转换成模拟电信号,到地面上还原图像,也就是早期电视拍摄的原理,但显然非常模糊。

月球三号和它拍摄的第一张月球背面照片

因此后来的侦察卫星不是做成返回式卫星就是拍摄后定期把胶卷返回地球,回收胶卷舱也就成了一项非常重要的任务,大部分卫星拍摄的地面照片都是黑白的,原因很简单,镜头的极限分辨率一定的条件下,尽量提高胶卷的分辨率才能看到更多的细节。

中国第一颗返回式卫星

黑白胶卷分辨率要比彩色胶卷高得多,因为黑白胶卷像素级别就是显影颗粒,但彩色三原色的胶卷需要三个点的混色才能显示一个像素的颜色,所以黑白胶卷的分辨率一直就是秒杀彩色的,即使到现在也是这样!

这是1972年5月29日美国间谍卫星拍摄的北京大学

卫星有哪几种手段拍摄地球?

现在带的“相机”早已不是什么光电管和胶卷了,而是各位最喜欢的手机拍照功能用的CCD是一样的原理,只不过卫星用的分辨率要比手机的高几个数量级,而且观测波段范围之广超出你的想象(从红外到紫外,比如有的传感器在400-2500纳米范围内有330个光谱通道),而且不只是从可见光波段,还有红外,以及紫外和电磁波段,还有多波段综合等手段,下面简单了解下各个波段的功能:

可见光波段

这是最常见的拍摄波段,所见即为所得,比较习惯我们日常观看景物的模式!波长从400nm~780nm之间,但即使是可见光波段也分全色与多光谱,这里要说明一下,全色指的是传感器获取整个全色波段(500nm~750nm左右的单波段)的黑白影像。

六十年代的香港九龙半岛

多光谱则是传感器对地物辐射中多个单波段的摄取得到的包含多个波段的光谱信息的影像,对各个不同的波段分别赋予RGB颜色将得到彩色影象。

两者分辨率差的可就大了,比如我国的“吉林一号”商业遥感卫星的全色分辨率为0.72米、多光谱则只能达到2.88米,相差4倍!

红外波段

红外波段的则是肉眼看不到的,大约780nm的波段,高于绝对零度目标都会发出热辐射,因此在红外波段下很多目标都会暴露,红外波段最常用的是天气预报,可见光在白天能观测,到了夜间就白瞎了,而红外波段则是24小时无休,对于冷暖暖气团的观测,东太和西太洋面水温差异(判定拉尼娜现象的重要依据),台风气旋的形成等等。

请注意拍摄时间为4月19日03:19

当然对于军事目标的集结,比如飞机、坦克以及大型导弹发射车的调动等等,这些目标的发动机在红外波段辐射很强,所以就算在夜间调动,依然无法逃脱红外观测卫星的侦察,还有早期红外预警卫星监测的是洲际导弹发射时的尾焰,这个红外波段辐射太强,上万千米外都能看到。

当然红外波段观测也可以用于森林火灾的监测,这比在原始森林中设立观察哨要有效和快速得多,也可以用来观测中长波红外谱段的地物辐射信息,精确探测地物温度和干旱等情况等。

紫外波段和高精度偏振等等观测干啥用?

比如大气痕量气体差分吸收光谱仪可以获取紫外到可见光的高光谱信息,探测大气中二氧化氮等污染气体,多角度偏振成像仪和高精度偏振成像可以监测全球大气细颗粒物污染(PM2.5/PM10)情况。

合成孔径雷达(SAR)观测

卫星上还有一种对地观测“极端”手段是合成孔径雷达,这种观测方式不仅可以做到“全年无休”,并且还具有一定的穿透能力,也就是说能看到建筑物内部的一些情况,也能看到浅层地下的情况。

它利用的是在天上运动的飞机或者卫星带着天线在飞行时发射电磁波脉冲,在接收这些信号时候记录回波的振幅与相位,再将这些信号加以处理,模拟出一个超级巨大尺寸天线发射的信号,相当于“合成”了一个大尺寸的雷达天线,所谓的“合成孔径雷达”就是这么来的。

这些回波信号经过极其复杂的处理过程后变成地面图像,看起来有点像黑白的对地成像照片,但其实和对地成像完全不一样,而且与实际光学成像图还有一些位移,这些是信号反射的问题,烟雾云层基本都无法阻隔合成孔径雷达成像。

尼日利亚拉各斯的 SAR 图像

比如中国商业化SAR遥感卫星数据服务商天仪研究院的海丝一号”C波段SAR遥感卫星照片最大分辨率为1米,简单的说全天候24小时都能对地成像,而且分辨率能达到1米,另外这还只是商业卫星的分辨率而已。

海丝一号夜间拍摄船只

早在1978 年6 月27日, 美国国家航空航天局喷气推进实验室(JPL)就发射了世界上第1颗载有SAR的海洋卫星Seasat-A,经过将近半个世纪的发展,现在的技术到了何种程度?

美国家侦察局 (NRO) 发布了这张洛克希德马丁公司制造的曲棍球卫星的照片

比如1988年发射的长曲棍球侦察卫星,是美国著名的合成孔径雷达成像侦察卫星。具有全天候、全天时侦察能力。重量14.5吨,空间分辨率达0.3~1.0米,这可是八十年代末期的技术水准。

卫星“相机”的镜头

与分辨率直接相关的则是这些“相机”的镜头,做光学的朋友都能算出来,比如要在200千米外看清长度为1米的目标,它的分辨率要多少角秒,需要多大的镜头是可计算的,公式如下:

口径和分辨率之间的关系是:目标尺寸/目标距离=1.22×可见光波长/镜头直径

假如要在500nm的波段下分辨200千米外0.1米尺寸的物体,那么至少要820毫米口径的镜头,大概就是1米不到点,如果因为磨制技术以及结构制造误差等考虑,这个口径只会更大,所以侦察机的镜头往往大得可怕,重量也非常可观,而卫星的镜头自然也小不了,如果轨道更高的,比如400千米,那么口径会成倍增加!

Zhemchug-4 镜头:158千克

比如KH-11锁眼侦察卫星,其重量高达17~19.6吨,而从外观来看直接就是一台军用版哈勃,你可以想象这种卫星基本就是一台对地观测的望远镜,或者用能看到遥远宇宙的哈勃反过来观测地球。

俄罗斯能干扰卫星成像拍照吗?

要回答这个问题必须来了解下卫星的轨道,卫星过顶估计大家应该都知道,比如空间站每隔92分钟绕地一周,但它在一天只能只会在大致同一区域内过顶一次,假如空间站是一颗侦察卫星,那么只要它过顶时把关键目标用篷布遮盖就看不到了。

不过有一种特殊的卫星,比如莫尼亚轨道卫星,远地点约46000km,近地点约 800km,偏心率约达0.72,轨道周期12h,每天运行两圈。它可以在一天之内大部分时间都在目标上空区域兜圈子,只要3颗卫星即可24小时不间断盯着某个指定高纬度区域。

另一种则是眼镜蛇轨道,这是莫尼亚轨道的缩小版,远地点大约为2.7万千米,6 颗卫星组网即可实现中高纬度地区不间断覆盖。

眼镜蛇轨道(Cobra Orbits)

所以各位估计就明白了,只要目标位于某个高纬度热点区域,比如俄罗斯全境,那么是没有地方可以躲藏的,因为卫星就在头顶上,不过莫尼亚轨道在热地区域上空保持24小时存在时有一个缺点,距离太远!因此接下来就要筛选下各种卫星的“限制”使用的范围。

哪种卫星图像对俄罗斯“伤害”最大?

光学侦察卫星,比如像KH-11这一类,或者像高分商业卫星,这些高度在200~300千米左右,了不起600~800千米的太阳同步轨道。

这些卫星无法高轨,因此过境时间很快,也不可能全天24小时盯着某个热点区域,即使搞一个星座也只能每隔几个小时刷新一次,因此一定会有一个间隔,这是可以计算出来的,比如某些绝密飞行器的测试可以在这时间段或者在夜间完成,避免被拍摄到。

但红外卫星明显不在意白天还是黑夜,测试这些飞行器会产生大量的红外辐射,所以可能会被发现,但没有可见光波段的外形,谁都分不出这是什么玩意儿。

电磁波段的合成孔径雷达,这种基本都是测绘地形或者扫描某个区域,处理周期稍长,但其不受天气以及白天黑夜的影响,比如PredaSAR公司正在打造其48颗合成孔径卫星的星座,估计对全球刷屏一次也用不了多久。但要是不让SAR卫星看到也简单,不要让雷达波穿透即可。

而那种莫尼亚轨道的早期红外预警卫星(主要预警弹道导弹)几乎是无法避开的,它过顶侦察时轨道极高,而且只要三颗卫星就能满足24小时不间断观察,怎么防止?只能用潜艇前出攻击,让对方没有时间反应。

能干扰卫星侦察吗?

干扰完全是没问题的,比如重要目标附近设置过顶侦察闪光干扰,或者激光致盲卫星,因为侦察卫星本身就是一个超级大镜头加高分辨率的娇气CCD,激光一闪就会亮瞎眼,可能造成半永久以及永久损伤,也就是说一颗价值数亿美元的高分侦察卫星就废了,成本最低。

合成孔径雷达能被干扰吗?

当然能,可以分析了SAR回波信号,设置干扰机对SAR形成欺骗干扰,也就是说可以伪造一个SAR的回波,让SAR卫星“以为”这里有一个目标或者没有目标,这种技术也是存在的,当然还有反干扰,就像雷达和电子干扰以及反干扰一样的技术。

当然终极技术就是干掉卫星

首先我们要确认一点,如果在近地轨道上对一国领土进行侦察是合法行为,因为在卡门线以上就不算领空了,所以就算敌国卫星在“偷偷”的拍摄也不算偷拍,只能算是合理窥探。

光学和红外侦察卫星,用激光致盲确实没有问题,但雷达卫星就没啥效果了,那么只剩下一种途径,硬杀伤!比如超强激光武器直接摧毁其太阳能电池或者发射电磁波的天线,功率也不需要很大,烧几个孔基本就报废了!

不过激光受天气以及距离影响比较大,而且长距离后光斑发散,能量难以集中等,另外莫尼亚轨道卫星更是远达数万千米,激光实在是不太够得着,不过这类在北半球高轨道的卫星在南半球轨道很低,可以前出攻击!

还有一种则是成本比较高的反卫星导弹攻击,激光攻击还可以赖账,比如死不承认!但导弹攻击留下的痕迹就比较大了。