超过50年的地球观测卫星扫描技术,是由一名女性工程师发明出来的


超过50年的地球观测卫星扫描技术,是由一名女性工程师发明出来的

50多年来一直从太空记录地面变化的地球观测卫星计划“陆地卫星”系列的最新卫星即将发射。2021年9月23日(北京时间9月24日凌晨),NASA和NOAA共同的最新卫星“陆地卫星9号”正在加利福尼亚州的范登堡航天基地等待发射。

陆地卫星9号是1972年美国发射的世界最初的地球观测卫星之后的第9代(6号因发射失败而空号)系列卫星。它在大约700公里的高度沿南北方向绕地球运行,用从可见光到红外光的波长观察陆地区域。观测范围为185千米,分辨率为30米,比不上最新的商业地球观测卫星,但它一直向全世界提供与亚马逊森林减少和北极圈冰河后退等气候变动相关的数据,是地球观测卫星的代表。

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诺斯罗普·格鲁曼制造的卫星搭载了利用可见光和红外观测地球的“oli2”和利用热红外捕捉地面温度变化的“TIRS-2”,每隔16天对地球的整个陆地区域进行拍摄。每天拍摄的镜头数在700个以上,由于与还在服役的陆地卫星8号交替进行环绕飞行,每8天就可以提供一次实际数据。

明年将迎来陆地卫星1号(EARTS)发射50周年。半个世纪以来,观测仪器的技术虽然进步了,但基本上都是在相同的频率上不间断地进行观测。用同样的观测方法经过50年积累的数据具有无法估量的价值。而且,自2008年以来,美国地质勘探局无偿公开了陆地卫星的数据档案,陆地卫星的观测数据是卫星遥感的基石,也被称为“世界资源”。

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以“相同频率”持续进行观测具有重大意义。要分析像冰河一样持续缓慢移动的长期变化,需要持续、长期且格式相同的数据。陆地卫星通过持续观测极区这种人类无法轻易到达,也无法在地面上建立大量观测站的区域,就可以了解气候变化的影响。

“陆地卫星之母”,掀起卫星对地球观测的革新

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20世纪60年代,有一位女工程师开发了一种“太空数字扫描仪”,可以对人眼看不见的光进行成像,为以相同频率观测地球的陆地卫星奠定了基础。她就是休斯飞机公司的前工程师、陆地卫星1号上搭载的“多光谱扫描计(MSS)”的开发者弗吉尼亚·诺伍德

被称为“陆地卫星之母”的诺伍德设计的MSS,取代了NASA开发的陆地卫星1号观测仪器的以往方式的照相机系统(RBV),成为了陆地卫星系列的主要观测机器,在当时是革新性的机器。

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诺伍德是在麻省理工学院获得学位的物理学家。她的职业生涯始于陆军通信技术研究所,并且是第一位在1960年代先进的航空航天公司休斯飞机公司担任研发职位的女性。在休斯上班的第一天,保安就拦住他说:“女性的车不能在研究人员专用车位停车”,对女性的偏见是这个时代独有的。然而,她在22岁时以丰富的知识开发出新方式的雷达反射器并获得专利的丰富的经验主导了开发项目。

在“从卫星拍摄地面”的陆地卫星任务中,当初NASA设想的是使用传统的摄像机。气象卫星“泰洛斯”也验证了同样的方式,具有可靠性。

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但是,诺伍德在农田里拿着光谱仪反复进行田野调查,最终得出的MSS是类似于现在的线行扫描仪一样的数字方式。卫星一边飞行,一边扫描一定的区域,就像用宽幅的丝带缠绕地球一样进行观测。通过捕捉反射到地表的太阳光中所含的红外线,可以对可见光难以判断的地表进行分析。例如,正在生长的植物会反射很多红外线,因此成像后会呈现明亮的红色。不太成长的植物看起来是暗红色,由此可以知道植物的成长状态。组合几个波长的红外线影像,就能知道地表在拍摄时是怎样的状态。MSS的特点是,可以根据观测目标的频率准备检测器,将其组合起来产生全新的图像,用分析的方法描绘出地球的新面貌,具有无限的可能性。

MSS是世界上第一个采用数字化卫星空间观测数据并将其传输到地球的方法。在接受美国科学杂志《科学》采访时,当被问及她是如何说服怀疑论者实现卫星数据数字化时,诺伍德说道:“我去找了当时的休斯飞机公司的首席执行官艾伦·帕克特,并对他说:‘我需要10万美元来制作太空扫描仪的原型’,然后他直接给了我10万美元。虽然CEO艾伦·帕克特不知道我在做什么,但像艾伦·帕克特这样的人,对新事物很着迷。”。可见当时休斯的管理层对诺伍德的信任度很高,并支持创新设备的研发。

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但是,对于休斯公司来说,要想让相当于客户的NASAUSGS信服,还需要有说服力的实证。诺伍德等人把MSS的开发模型装在卡车上,扫描了整个加利福尼亚。1972年5月,也就是发射陆地卫星1号的2个月前,拍摄到了优胜美地山谷的象征景观——花岗岩“half dome(半圆顶)”景观。并且,MSS在检测器、镜子、数据数字化、以及射线校正等方面,所有的功能都按照设计进行了确认,达到了非常好的效果。

如此一来,NASA和USGS最终决定将诺伍德等人开发的MSS作为陆地卫星1号的主要观测仪器使用。现今,MSS的功能不断更新,对应的波长也比当时的陆地卫星1号增加了许多,但目前仍是陆地卫星的核心。

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维吉尼亚·诺伍德MSS的开发而奋斗的时候,卫星的开发人员中没有女性的身影。然而,现在有了一个由女性宇宙技术工程师和遥感科学家组成的社区“Landsat Ladies”,有很多女性从事宇宙空间技术的研究和开发。9月23日陆地卫星9号发射时,诺伍德也将观看发射过程,并在面向社区的活动中讲述自己作为先驱者的历程。

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投稿时间:2021-09-14  最后更新:2021-09-14

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