重磅！國產超大口徑天眼技術獲突破，24小時實況直播美航母行蹤

近日，據國內權威媒體報道，由航天科技集團某研究院牽頭研製的「基於分散式可重構航天遙感技術」順利通過有關部門的項目中期檢查。該報道稱，「經過3年的研究攻關，科研團隊開展了分散式微納星群系統效能理論和方法等研究，完成了7顆分散式可重構衛星總體方案設計及試驗樣機裝配；解決了全金屬輕量化相機製造工藝難題，完成了普查相機和詳查相機設計與研製以及納星敏感器高動態信息融合等新產品研製和新技術應用，超額完成了任務中期進度要求的數量」。這也是繼我國成功突破「13米薄膜成像靜止軌道高解析度遙感衛星光學相機「關鍵技術之後，我國在新概念光學成像遙感衛星技術取得的又一重大成果。基於微小衛星平台的合成孔徑光學成像技術更是前所未聞。本文則根據國內外公開資料對此做一背景解讀。

隨著全球航天技術的快速進步，世界各國進入空間和利用空間能力大幅提升，如美國發射的「鎖眼」系列近地軌道偵察衛星更是代表著對地光學遙感技術的最高水平。然而這類大型、重型衛星普遍研製成本高、研發周期長、對地重訪周期長、在軌數量昂貴稀少，常常導致衛星數量不能滿足實時偵察需求，面嚮應急遙感等任務有時會「無能為力」。特別是隨著大功率激光武器和反衛星導彈技術的不斷成熟，這些近地軌道衛星載荷極易受到攻擊，給這些昂貴的航天資產帶來了前所未有的威脅。

目前世界航天強國解決問題的方法有兩種:一種是將偵察衛星軌道升得更高，到達距離地面3萬6千公里的地球同步軌道進行對地遙感，但這也帶來解析度的急劇下降。美軍「鎖眼」間諜衛星能在200公里高度拍攝優於0.1米解析度的照片，但它在地球同步軌道上的理論解析度便降為18米。如果讓靜止軌道光學偵察衛星具備1米的解析度，可見光相機的鏡頭口徑至少要達到30米。如此大的鏡頭傳統的製造技術和工藝很難實現，其體積和重量也大大超過了目前的火箭發射能力。另一方方法是為了解決這一難題，科學家們提出了各種新概念光學遙感技術，例如上文提到的光學薄膜成像靜止軌道遙感衛星。據悉，這種衛星入軌後，就像在太空中撐開一個雨傘，甚至可以展開直徑為13至15米的衍射光學薄膜，衛星凝視視場超過2千萬平方千米，解析度高達2.5米，如果製造成20米的「鏡片」，就可以實現對航母上飛機和飛行人員的一舉一動實施24小時不間斷的實況直播，筆者猜測我國已經在該技術上獲得了關鍵突破。

據推測，這種衛星採用可摺疊的無色透明的聚醯亞胺薄膜來代替傳統的光學鏡片，解決了傳統反射式空間光學系統在口徑增大時面臨的重量和拼接精度要求高等難題。由於我國中科院有關科研機構在這一領域取得的重大突破，曾被國家授予2017年度國家技術發明一等獎。然而該技術也存在著一些尚待解決的難題。由於其利用光在薄膜衍射篩上的干涉來實現光學成像，造成光譜寬度較窄，實現全光譜成像比較困難，這也為敵方對抗其技術提供了可能。其次是光學薄膜的厚度極薄，其厚度僅為幾十到幾百個微米（1微米相當於1毫米的千分之一），在惡劣的太空環境下能否經受住考驗還有待驗證。

而分散式可重構航天遙感技術從另一個角度對傳統光學遙感成像進行了技術突破。分散式可重構光學遙感衛星技術來源自光學拼接子鏡技術。目前單口徑的望遠鏡系統由於已達到光學玻璃製造極限，更大口徑的望遠鏡系統大多採用多片子鏡片緊密拼接合成大口徑鏡面。例如我國研製的「大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡」(LAMOST) ( 使用後命名為郭守敬望遠鏡)就採用了24塊1.1米校正子鏡和37塊1.1米主觀測子鏡拼接而成，相當於直徑6.5米的圓鏡，等效通光口徑大於4.9米，是目前國內最大的地基望遠鏡。然而拼接鏡片望遠鏡很難被用於天基。例如NASA（美國國家航空航天局）計劃發射的詹姆斯韋伯太空望遠鏡( JSWT)就採用了拼接鏡片技術。

由於無法保證拼接鏡片在太空展開後的高精度，其發射時間一再被延遲，耗資即將超過百億美元。科學家們又提出了光學稀疏孔徑合成成像技術，他通過多個獨立的小孔徑子鏡，按照一定形式排列等效成大口徑主鏡。然而這種結構雖然比拼接鏡片成像技術有所進步，但一旦子鏡失效，短時間內將無法對其修復。我國科學家經仔細研究，提出了基於微小衛星平台的合成孔徑光學成像的新概念。該合成孔徑光學成像天基遙感系統每顆微小衛星載有一個子望遠鏡系統，進入太空軌道後先是採用自由編隊的環形飛行方式，並通過計算機控制其飛行路線，當基本達到合成孔徑所需要的解析度要求後，採用空間交會對接技術將所有微小衛星的相對位置固定住，進而滿足成像要求。

當圖像質量未能達到預期效果，再通過計算機控制系統對各子系統進行控制，調整子系統的工作狀態，直到達到比較完善的成像質量，從而達到合成孔徑光學成像的功能。由於每個微小衛星上的子望遠鏡系統完全相同，倘若一個子系統失效，並不影響其觀測，只是解析度會降低。當受到外界環境影響和敵方攻擊後可靈活方便替換失效子望遠鏡系統，以提高系統的可靠性。除此之外，該分散式可重構微納衛星還可通過不同的衛星組合方式，形成超大幅寬拼接光學遙感、多星多角度立體觀測成像、密集編隊長時間連續觀測、全球組網快速重訪等多種對地遙感模式，滿足各種不同的任務需求。

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