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卫星怎么给地球“拍照片”?

撰文 | 麦李婷

说到拍照,我们自然地联想到摄像头和快门,将摄像头对准需要观测的东西,快门一按,就能得到一张在二维像素点上填上三原色坐标的数据构成的图像。

但是对于卫星观测地球(地表/地球大气)来说,具体的成像原理就会稍微复杂一些。

扫描方式

卫星按照轨道可以分为静止卫星和极轨卫星。我们知道,地球的自转角速度是固定的,若要用一个卫星恒定地监测地球,那么卫星轨道的高度就是固定的,这就是静止卫星。静止卫星高度有36000km,地球半径约6371km,可以想见,在卫星上看地球的张角只有20.38°,直接拍照的效果怎么会好呢?我们想要有很高分辨率的图像须要用“扫描”的办法。

具体来说,“扫描”是通过调整观测仪器的角度,对准地球的不同位置,获得数据。比如风云2号气象卫星,卫星本身绕着自己的主轴旋转,使得传感器能在地球上扫描出带状的观测数据;再使卫星调整姿态,向上向下倾斜,就能再地球上扫描出“平行”的观测数据。

图源:央视新闻客户端+笔者标明扫描路径和卫星旋转方向

当然,不同卫星可以通过采用不同的调整姿态的方式来提高观测利用率。就风云2号气象卫星来说,在卫星自身旋转一圈360°中只有几十度是对着地球的,它的利用率显然不高;而到风云4号卫星,采用了三轴稳定的方式,主动控制卫星朝向,使探测器在旋转过程中一直面对地球,这样观测效率显然提高很多。

图源:谷歌图片“风云四号气象卫星”

那么有人不禁要问了,为什么不早采用三轴稳定方式控制卫星朝向呢?

因为三轴稳定方式没那么简单。

自旋稳定方式在卫星做绕地运动时很容易能做到自身姿态稳定,重点在于卫星本身对自己的主轴轴对称;而三轴稳定方式若想要使探测器一直朝着地球,卫星的姿态如何稳定是个很大的问题。

其次,自旋稳定卫星受到太阳辐射是均匀的,而三轴稳定卫星由于一个面一直朝着地球,卫星两面受到太阳辐射量差距会使得卫星发生形变,材料的研制和使用、卫星仪器的排布都是需要细致考量的。

而静止卫星离地球较远,观测精度难免会受到限制,我们希望获得更高精度的观测数据就需要极轨卫星。极轨卫星(也叫太阳同步卫星)的轨道较静止卫星来说更低,约为840km,绕地球的南北两极运行。

它的观测方式可以想象成做CT的时候扫描,仪器/卫星扫过哪儿,就能获得哪个地方的数据;因而卫星的轨道和观测数据的经纬度是可以直接匹配的,所以常能听到“一轨数据”的说法。举个例子,CloudSat卫星在20070722一天内在地球上扫出来是这样的:

可以看到它的覆盖范围还是比较小的。当然也有卫星在行进的过程中,会将探测仪器加上垂直于轨道方向的摆动,以此探测到一个面的数据。比如左图是GPM卫星的测量的地表降水,在红线处画剖面就能得到红线处的降水率剖面(右图):

存在问题

很明显,观测到的每一轨数据中存在时间差,按照卫星贴地飞行、粗略估算卫星绕地球一圈的周期约为84分钟。我们挑出一轨的数据分析,其实很难说这84分钟的数据是同时观测的;挑其中某段数据分析也应当考虑到其时间上的差异。

如果我们需要分析全球/地区数据,就需要考虑用很多天的数据集合成一张图来表示长时间的平均状态。而我们得到的“平均状态”中任何一个点,实际上都不是对该点进行长时间连续观测后取平均得到的状态,而是时隔很久后再次观测到这个点;且正是因为我们观测不到“同时数据”,地图上不同点的平均实际是不同时刻的平均。有点绕啊,反正说这么多就想表达:除了空间分辨率之外,时间精度的提升也是个非常重要的事情。

本文经授权转载自微信公众号“石头科普工作室”。