返樸 

關(guān)注返樸（ID：fanpu2019）,閱讀更多！1小時(shí)前

撰文 | 麥李婷

說(shuō)到拍照，我們自然地聯(lián)想到攝像頭和快門，將攝像頭對(duì)準(zhǔn)需要觀測(cè)的東西，快門一按，就能得到一張?jiān)诙S像素點(diǎn)上填上三原色坐標(biāo)的數(shù)據(jù)構(gòu)成的圖像。

但是對(duì)于衛(wèi)星觀測(cè)地球（地表/地球大氣）來(lái)說(shuō)，具體的成像原理就會(huì)稍微復(fù)雜一些。

掃描方式

衛(wèi)星按照軌道可以分為靜止衛(wèi)星和極軌衛(wèi)星。我們知道，地球的自轉(zhuǎn)角速度是固定的，若要用一個(gè)衛(wèi)星恒定地監(jiān)測(cè)地球，那么衛(wèi)星軌道的高度就是固定的，這就是靜止衛(wèi)星。靜止衛(wèi)星高度有36000km，地球半徑約6371km，可以想見(jiàn)，在衛(wèi)星上看地球的張角只有20.38°，直接拍照的效果怎么會(huì)好呢？我們想要有很高分辨率的圖像須要用“掃描”的辦法。

具體來(lái)說(shuō)，“掃描”是通過(guò)調(diào)整觀測(cè)儀器的角度，對(duì)準(zhǔn)地球的不同位置，獲得數(shù)據(jù)。比如風(fēng)云2號(hào)氣象衛(wèi)星，衛(wèi)星本身繞著自己的主軸旋轉(zhuǎn)，使得傳感器能在地球上掃描出帶狀的觀測(cè)數(shù)據(jù)；再使衛(wèi)星調(diào)整姿態(tài)，向上向下傾斜，就能再地球上掃描出“平行”的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

圖源：央視新聞客戶端+筆者標(biāo)明掃描路徑和衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)方向

當(dāng)然，不同衛(wèi)星可以通過(guò)采用不同的調(diào)整姿態(tài)的方式來(lái)提高觀測(cè)利用率。就風(fēng)云2號(hào)氣象衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，在衛(wèi)星自身旋轉(zhuǎn)一圈360°中只有幾十度是對(duì)著地球的，它的利用率顯然不高；而到風(fēng)云4號(hào)衛(wèi)星，采用了三軸穩(wěn)定的方式，主動(dòng)控制衛(wèi)星朝向，使探測(cè)器在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中一直面對(duì)地球，這樣觀測(cè)效率顯然提高很多。

圖源：谷歌圖片“風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星”

那么有人不禁要問(wèn)了，為什么不早采用三軸穩(wěn)定方式控制衛(wèi)星朝向呢？

因?yàn)槿S穩(wěn)定方式?jīng)]那么簡(jiǎn)單。

自旋穩(wěn)定方式在衛(wèi)星做繞地運(yùn)動(dòng)時(shí)很容易能做到自身姿態(tài)穩(wěn)定，重點(diǎn)在于衛(wèi)星本身對(duì)自己的主軸軸對(duì)稱；而三軸穩(wěn)定方式若想要使探測(cè)器一直朝著地球，衛(wèi)星的姿態(tài)如何穩(wěn)定是個(gè)很大的問(wèn)題。

其次，自旋穩(wěn)定衛(wèi)星受到太陽(yáng)輻射是均勻的，而三軸穩(wěn)定衛(wèi)星由于一個(gè)面一直朝著地球，衛(wèi)星兩面受到太陽(yáng)輻射量差距會(huì)使得衛(wèi)星發(fā)生形變，材料的研制和使用、衛(wèi)星儀器的排布都是需要細(xì)致考量的。

而靜止衛(wèi)星離地球較遠(yuǎn)，觀測(cè)精度難免會(huì)受到限制，我們希望獲得更高精度的觀測(cè)數(shù)據(jù)就需要極軌衛(wèi)星。極軌衛(wèi)星（也叫太陽(yáng)同步衛(wèi)星）的軌道較靜止衛(wèi)星來(lái)說(shuō)更低，約為840km，繞地球的南北兩極運(yùn)行。

它的觀測(cè)方式可以想象成做CT的時(shí)候掃描，儀器/衛(wèi)星掃過(guò)哪兒，就能獲得哪個(gè)地方的數(shù)據(jù)；因而衛(wèi)星的軌道和觀測(cè)數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度是可以直接匹配的，所以常能聽(tīng)到“一軌數(shù)據(jù)”的說(shuō)法。舉個(gè)例子，CloudSat衛(wèi)星在20070722一天內(nèi)在地球上掃出來(lái)是這樣的：

可以看到它的覆蓋范圍還是比較小的。當(dāng)然也有衛(wèi)星在行進(jìn)的過(guò)程中，會(huì)將探測(cè)儀器加上垂直于軌道方向的擺動(dòng)，以此探測(cè)到一個(gè)面的數(shù)據(jù)。比如左圖是GPM衛(wèi)星的測(cè)量的地表降水，在紅線處畫剖面就能得到紅線處的降水率剖面（右圖）：

存在問(wèn)題

很明顯，觀測(cè)到的每一軌數(shù)據(jù)中存在時(shí)間差，按照衛(wèi)星貼地飛行、粗略估算衛(wèi)星繞地球一圈的周期約為84分鐘。我們挑出一軌的數(shù)據(jù)分析，其實(shí)很難說(shuō)這84分鐘的數(shù)據(jù)是同時(shí)觀測(cè)的；挑其中某段數(shù)據(jù)分析也應(yīng)當(dāng)考慮到其時(shí)間上的差異。

如果我們需要分析全球/地區(qū)數(shù)據(jù)，就需要考慮用很多天的數(shù)據(jù)集合成一張圖來(lái)表示長(zhǎng)時(shí)間的平均狀態(tài)。而我們得到的“平均狀態(tài)”中任何一個(gè)點(diǎn)，實(shí)際上都不是對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)后取平均得到的狀態(tài)，而是時(shí)隔很久后再次觀測(cè)到這個(gè)點(diǎn)；且正是因?yàn)槲覀冇^測(cè)不到“同時(shí)數(shù)據(jù)”，地圖上不同點(diǎn)的平均實(shí)際是不同時(shí)刻的平均。有點(diǎn)繞啊，反正說(shuō)這么多就想表達(dá)：除了空間分辨率之外，時(shí)間精度的提升也是個(gè)非常重要的事情。

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