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搜寻马航失联客机,人造卫星为什么不够给力?

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

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。

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?

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。

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

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:

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。

侧摆来应急

遥感卫星一般运行在距离地面几百千米的太阳同步轨道,轨道周期约90分钟或是更长,每一圈星下点经过赤道时,都偏西约2500千米。遥感卫星要保证分辨率,相机幅宽只有几十千米。比如高分一号卫星的2米全色高分辨率相机,幅宽就是60千米。即使是高分一号特意设计的超高幅宽16米分辨率相机,幅宽也只有800千米。遥感卫星要重复经过某个区域上空,所需要的时间都是很长的,如中巴资源卫星02B就长达104天。

如果调动的卫星只是等待飞过搜救海域上空拍照的话,西安卫星测控中心说的紧急调动和支援岂不是贪天之功?这倒不至于。虽然通过变轨实现快速访问的做法并不可行,但遥感卫星为了实现对热点区域的快速访问和重访,已经发展出一些行之有效的方案,其中最关键的就是卫星侧摆机动。

虽然精心设计卫星轨道,星下点重复经过某个区域的时间也很长,但通过卫星姿态的摆动带动相机指向的变化,可以对星下点以外的区域进行成像。卫星姿态摆动一般是使用动量轮来控制的,不需要消耗卫星燃料。很多卫星都可以做到30度、45度甚至更高角度的侧摆角。高分一号卫星可以做到正负35度的侧摆角,以实现对热点区域的快速访问。以650千米高度、侧摆角35度计算,理论上卫星就可以拍摄星下点轨迹左右最远约450千米的区域。

遥感卫星应用了侧摆等技术后,重复拍摄访问热点区域的重访周期就大大缩短了。如高分一号卫星重访周期就只有4天,而美国先进的WorldView-1卫星对北纬40度地区的重访周期,更是缩短到1.7天/1米分辨率。

我国调整遥感卫星的测控计划,紧急调动近10颗卫星为搜救提供技术支持,除了部分轨道正好经过搜救区域的卫星外,其他的卫星只能通过侧摆机动来实现快速访问。但侧摆机动只是缩短了重访周期,而不是实时访问。这应该就是3月8日MH370航班失去联系,但高分一号直到9日上午11时左右才对这片搜救海域拍摄获取图像的根本原因。

中国科学院遥感与数字地球研究院曾调用美国Landsat8卫星影像,在马航失联客机搜寻海域发现可疑油污带。图片来源:中国科学院遥感与数字地球研究院

卫星并非万能

MH370客机失去联系后,很多人都很困惑,今天的科技已经如此发达了,怎么一架如此巨大的客机还会失踪呢?为什么那些分辨率2米、1米甚至更高的卫星,会找不到失联的波音777客机的线索?

其实,这同样与我们对卫星能力的夸张想象有关。目前遥感卫星,无论是光学星还是雷达星,都无法穿透几十米海水搜寻海底的信息。如果客机已经沉沙海底了,无论遥感卫星性能多好都无能为力。只有客机残骸浮在水面上时,遥感卫星才有可能提供一些帮助。但这种情况下,遥感卫星的搜索效果仍然相当有限。

上文提到了卫星的重访周期,这个限制意味着遥感卫星的情报时效性不强,无法及时提供第一手信息。另一方面,客机如果解体,残骸肯定不大,需要高分辨率的图像才能进行识别。美国的Terra卫星虽然抢先发布了3月9日中午11时35分拍摄的相关海域卫星图像,但Terra卫星上的中分辨率成像光谱仪(MODIS)分辨率只有250米。这个分辨率用于研究大陆海洋的动态变化是足够的,对寻找失联客机可以说毫无帮助。马航失去联系的这架波音777-200客机全长只有63.7米,翼展也不过是60多米。即使客机完整地落到海面上,也无法从Terra卫星的照片将其分辨出来,除非客机油料泄漏形成巨大的航油带,这张250米分辨率的照片才可能为搜救提供一些帮助。

一般来说,遥感卫星的分辨率越高,幅宽就越小。美军光学侦察卫星被称为“锁眼”,正是取锁眼看世界之意。卫星侧摆只能缩短对热点区域的重访周期,而MH370航班疑似海域约有10万平方千米,要获取高分辨率图像遍访这片海域需要很多次重访,即使我国调动近10颗卫星,美国、日本、印度等国家也调动各自的遥感卫星进行观测,要完整获取这片海域的高分辨率图像,仍然需要很长的时间。

更糟糕的是,马来西亚方面的消息反复变化,到底失联客机在哪里彻底失去消息,最后飞向何方,甚至失联后又飞行了多久,都仍是未知数。泰国湾的疑似海域不过是根据早期信息判断的最有可能的落海地点。目前各国遥感卫星提供的图像,没有为寻找搜救失联客机提供可靠的信息,也就不足为奇了。

 

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The End

发布于2014-03-13, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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Lsquirrel

《太空探索》杂志空天专栏作家

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