Hiện tại, Thiên Vấn-1 cách Trái Đất khoảng 184 triệu km và cách Sao Hỏa khoảng 900.000 km. Trước đó, khi tàu thăm dò đến khoảng cách khoảng 2,2 triệu km so với sao Hỏa, nó đã gửi về nước tôi bức ảnh cận cảnh đầu tiên về sao Hỏa (Hình 1). Trong ảnh, các dạng địa hình mang tính biểu tượng của sao Hỏa như Acidalia Planitia, Chryse Planitia, Meridiani Planum, Schiaparelli Crater và Valles Marineris có thể nhìn thấy rõ ràng. Nhưng đối với những người không chuyên, thông tin họ có thể thấy vẫn còn quá ít. Vậy làm thế nào tàu vũ trụ, vệ tinh và các thiết bị dò tìm khác có thể quan sát rõ hơn những đồng bằng, núi, cao nguyên...
Hình 1 Sao Hỏa được chụp bởi Tianwen-1
Để tàu thăm dò có thể quan sát rõ ràng các mục tiêu trên hành tinh mà nó đang khảo sát, cần phải hiểu một số chỉ số chính của camera trên vệ tinh, tàu vũ trụ và các tàu thăm dò khác. Các chỉ số này là độ phân giải quang phổ, độ phân giải không gian và độ phân giải thời gian.
Độ phân giải quang phổ có thể được hiểu đơn giản là khả năng phân biệt "màu sắc". Ánh sáng trắng đơn thuần bao gồm một loạt các màu sắc khác nhau (bước sóng) của ánh sáng (Hình 2) và con người chỉ có thể nhận biết được ánh sáng khả kiến. Quang phổ ngoài ánh sáng khả kiến chỉ có thể được phát hiện bằng các thiết bị. Độ phân giải quang phổ là khả năng phân biệt các chi tiết quang phổ của các vật thể trong hình ảnh. Đây là khoảng bước sóng tối thiểu có thể phân biệt được khi cảm biến vệ tinh nhận được phổ bức xạ của vật thể. Khi khoảng cách càng nhỏ thì độ phân giải quang phổ sẽ càng cao. Trong cùng một dải quang phổ, càng có nhiều băng tần hình ảnh thì độ phân giải quang phổ càng cao. Ví dụ, ảnh siêu phổ thường có độ phân giải phổ cao hơn ảnh đa phổ. Độ phân giải phổ cao có ý nghĩa rất lớn trong việc phân loại và nhận dạng các đối tượng trong ảnh. Độ phân giải phổ cao cũng có nhược điểm là độ phân giải không gian thấp. Hình ảnh do Thiên Vấn-1 chụp lần này chỉ là ảnh đen trắng, là ảnh hỗn hợp của dải ánh sáng khả kiến. Vì đây là một dải đơn nên nó được hiển thị dưới dạng hình ảnh thang độ xám trên hình ảnh. Hình ảnh viễn thám toàn sắc thường có độ phân giải không gian cao nhưng không thể hiển thị màu sắc của vật thể, nghĩa là hình ảnh có ít thông tin quang phổ (Hình 3). Vậy độ phân giải không gian là gì?
Hình 2 Sự tán sắc ánh sáng: Ánh sáng trắng thực chất là sự kết hợp của một loạt các ánh sáng có màu sắc khác nhau
Hình 3 Sơ đồ độ phân giải quang phổ (trái) và độ phân giải không gian (phải)
Độ phân giải không gian nói chung là khả năng của máy dò trong việc nhìn thấy vật thể nhỏ nhất trên mặt đất. Về mặt lý thuyết, đó là khả năng phân biệt thông tin chi tiết không gian của hình ảnh cảm biến từ xa. Nó đề cập đến vật thể mục tiêu nhỏ nhất mà cảm biến có thể phân biệt được và là phạm vi mặt đất tương ứng với một pixel trong hình ảnh quan sát vệ tinh thực tế. Ví dụ, độ phân giải của vệ tinh Gaofen-2 của nước tôi đã đạt tới 0,8m toàn sắc/3,2m đa phổ, đưa khả năng quan sát trái đất từ không gian của nước tôi vào kỷ nguyên dưới một mét; độ phân giải không gian của vệ tinh Gaofen-11 đã được cải thiện hơn nữa lên 0,1m[1], đạt được độ phân giải không gian tương đối cao. Độ phân giải không gian của ảnh toàn sắc vệ tinh Gaofen-11 là 0,1m, nghĩa là kích thước mặt đất thực tế tương ứng với một pixel trong ảnh là 0,1m*0,1m. Hình ảnh có độ phân giải không gian cao đóng vai trò quan trọng trong việc nhận dạng và diễn giải trực quan các đối tượng mục tiêu.
Những yếu tố nào liên quan đến độ phân giải không gian? Nói chung, bạn càng đến gần vật thể thì bạn càng nhìn rõ hơn. Đây được gọi là chiều cao quỹ đạo H của máy dò. Nó cũng liên quan đến kích thước khẩu độ D của camera trên máy dò. "Mắt" càng to thì bạn có thể nhìn thấy càng rõ. Nó cũng liên quan chặt chẽ đến trình độ phát triển khoa học của mỗi quốc gia, tức là liên quan đến kích thước điểm ảnh a trên máy dò. Từ đó ta có thể thu được công thức [2]:
R=H*a/(D*F)
Trong đó F=f/D (F là số f, f là tiêu cự của khẩu độ máy ảnh)
Ví dụ, hai trong số sáu tải trọng mà tàu thăm dò Thiên Vấn-1 mang theo là các thiết bị chụp ảnh quang học, cụ thể là một camera có độ phân giải trung bình và một camera có độ phân giải cao. Máy ảnh có độ phân giải cao này có khả năng chụp ảnh ở độ cao 0,6 mét ở độ cao quỹ đạo 300 km gần sao Hỏa. Theo các báo cáo phương tiện truyền thông có liên quan, khẩu độ của camera có độ phân giải cao này chỉ là 400 mm (Hình 4).
Hình 4: Gương chính của Camera độ phân giải cao trên sao Hỏa (khẩu độ Φ400mm)
Điều đó có nghĩa là độ phân giải không gian càng cao thì càng tốt phải không? Thực ra thì không hẳn vậy. Như câu tục ngữ đã nói, chuột chỉ có thể nhìn thấy hổ qua ống. Độ phân giải không gian càng cao thì càng tốt. Độ phân giải càng cao thì phạm vi nhìn thấy càng nhỏ. Nói cách khác, bạn có thể nhìn thấy chi tiết nhưng không thể thấy toàn cảnh. Giống như việc sử dụng kính lúp để tìm vị trí trên bản đồ (Hình 5). Vị trí cụ thể là (**đường, **làng), nhưng bạn có biết nó thuộc về đâu không? Chúng tôi vẫn chưa biết chính xác nó ở đâu và vẫn còn bối rối. Vì vậy, chúng ta cần phải nhìn nhận rõ ràng và có tầm nhìn rộng hơn để có thể hiểu sâu sắc về tình hình chung. Điều này đòi hỏi chúng ta phải ở quỹ đạo cao hơn và quan sát được phạm vi rộng hơn. Lúc này, độ phân giải không gian của máy dò sẽ không quá cao. Lúc này, chúng ta chỉ cần hiểu sơ qua về phạm vi, giống như chúng ta thu nhỏ bản đồ lại và hiểu rằng vị trí chúng ta cần tìm nằm ở **quận, **thành phố, **tỉnh, rồi dựa trên kiến thức đã nắm vững, chúng ta sẽ tự nhiên hiểu được vị trí chúng ta cần tìm nằm ở đâu. Ví dụ, Gaofen-2 là vệ tinh có quỹ đạo thấp (độ cao quỹ đạo khoảng 600km), do đó trường quan sát của nó đối với một hình ảnh quan sát duy nhất tương đối nhỏ. Công nghệ này sử dụng hai camera để ghép các hình ảnh lại với nhau, với chiều rộng hình ảnh là 45km. Với góc nghiêng 23°, nó có thể quan sát liên tục bất kỳ khu vực nào trên bề mặt trái đất trong vòng 5 ngày. Từ những phân tích trên, có thể thấy rằng mặc dù Gaofen-2 đã đạt được độ phân giải không gian tương đối cao nhưng vẫn còn những vấn đề như phạm vi quan sát không đủ. Do đó, nếu cần thông tin vị trí chính xác, các máy dò quỹ đạo cao và thấp cần phải hoạt động cùng nhau. Máy dò quỹ đạo thấp thu được hình ảnh có độ phân giải cao, trong khi máy dò quỹ đạo cao thu được hình ảnh có phạm vi rộng hơn.
Hình 5 Độ phân giải cao chỉ có thể cung cấp góc nhìn hạn hẹp về một khu vực nhỏ
Ngoài việc nhìn rõ và ở phạm vi rộng hơn, bạn cũng phải đảm bảo có đủ thời gian để quan sát. Mặc dù hành tinh được phát hiện đang quay liên tục, nhưng ở quỹ đạo thấp hơn, tốc độ quay của hành tinh thấp hơn tốc độ bay của tàu thăm dò và tàu thăm dò nhanh chóng bay ra khỏi vị trí quan sát. Do đó, không thể đảm bảo rằng vị trí quan sát luôn được theo dõi liên tục. Do đó, khái niệm giải quyết thời gian được đề xuất. Đúng như tên gọi, độ phân giải thời gian là khả năng quan sát nhiều lần cùng một vị trí. Độ phân giải theo thời gian cũng thường được gọi là thời gian xem xét lại. Thời gian xem xét lại càng ngắn thì độ phân giải thời gian càng cao. Độ phân giải thời gian cao đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện những thay đổi động của các vật thể mặt đất. Đối với Trái Đất, chu kỳ tự quay của nó là 23 giờ, 56 phút và 4,09 giây, gần bằng 24 giờ. Do đó, dựa trên kiến thức về định luật vạn vật hấp dẫn của Newton đã học ở trường phổ thông, ta có thể tính được độ cao của quỹ đạo địa tĩnh đồng bộ là khoảng 36.000 km (Hình 6). Đây là một câu hỏi thường xuất hiện trong kỳ thi tuyển sinh đại học. Bạn có thể tính toán được không? Miễn là đầu dò còn ở quỹ đạo địa tĩnh, vận tốc góc của đầu dò sẽ giống với vận tốc góc quay của Trái Đất, do đó đầu dò sẽ luôn quan sát liên tục ở cùng một vị trí. Nước tôi đã phát triển thành công vệ tinh viễn thám quang học có độ phân giải cao quỹ đạo địa tĩnh đầu tiên - Gaofen-4. Không giống như Gaofen-2, Gaofen-4 là vệ tinh có quỹ đạo cao. Vì nằm trên quỹ đạo đồng bộ địa tĩnh ở độ cao 36.000 km nên mỗi bức ảnh chụp có thể bao phủ 160.000 km2. Bằng cách chụp 60 bức ảnh, nó có thể bao phủ 10 triệu km2 diện tích phía tây Thái Bình Dương. Thời gian chụp khoảng từ 4 đến 12 phút. Về cơ bản, nó có thể thực hiện giám sát thời gian thực các nhóm tác chiến tàu sân bay của đối phương tại các điểm nóng quân sự và hiểu được động lực thời gian thực của các nhóm tác chiến tàu sân bay của đối phương, điều này có ý nghĩa quân sự cực kỳ quan trọng. Tuy nhiên, do độ phân giải không gian của vệ tinh Cao Phân-4 chỉ là 50m nên tàu sân bay chỉ là hình ảnh mờ bao gồm một vài điểm ảnh trong bức ảnh. Do có quá ít điểm ảnh nên rất khó phân biệt tàu sân bay với các mục tiêu như tàu chở dầu siêu lớn nằm rải rác trên đại dương, do đó không thể sử dụng để xác định trực tiếp mục tiêu. Mặc dù các vấn đề trên có thể được giải quyết ở một mức độ nhất định thông qua sự kết hợp giữa vệ tinh quỹ đạo cao và vệ tinh quỹ đạo thấp - một mặt, sử dụng vệ tinh quỹ đạo cao có độ phân giải thời gian cao để điều tra dân số và mặt khác, sử dụng vệ tinh quỹ đạo thấp có độ phân giải không gian cao để điều tra chi tiết, nhưng vấn đề thiếu tính kịp thời vẫn tồn tại. Vì mục đích này, việc phát triển vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh có độ phân giải cao có ý nghĩa to lớn đối với khả năng giám sát động lực thời gian thực của các điểm nóng quân sự của đất nước chúng ta. Tương tự như vậy, nếu bạn muốn ở lại một vị trí nhất định trên sao Hỏa và chụp ảnh trong thời gian dài, chu kỳ quay của sao Hỏa là 24 giờ, 37 phút và 22,6 giây, tương tự như thời gian Trái Đất tự quay một vòng, nhưng bán kính của nó chỉ bằng một nửa bán kính Trái Đất và độ cao quỹ đạo địa tĩnh đồng bộ của nó là khoảng 17.000 km.
Hình 6 Quỹ đạo địa tĩnh
Vậy có máy dò nào có độ phân giải quang phổ, độ phân giải không gian và độ phân giải thời gian cao không? Phương pháp này là tăng khẩu độ của camera quỹ đạo địa tĩnh để đảm bảo độ phân giải thời gian cao trong khi vẫn có độ phân giải không gian cao. Ví dụ, độ phân giải không gian của GF-4 là khoảng 50m. Việc giám sát liên tục trên chiến trường là rất quan trọng dù là trên biển hay trên đất liền. Chỉ khi độ phân giải không gian đạt tới 10m thì nó mới có thể phát hiện, khóa và theo dõi các tàu quân sự và dân sự cỡ trung bình ở khoảng cách trên 100m trên biển và các mục tiêu lớn như nhóm tàu sân bay. Do đó, khẩu độ camera của GF-4 có thể mở rộng gấp 5 lần lên khoảng 3,5m, sử dụng các băng tần khả kiến và hồng ngoại để theo dõi mục tiêu theo thời gian thực và cũng có thể hoạt động phối hợp với các vệ tinh GF quỹ đạo thấp. Sử dụng vệ tinh quỹ đạo thấp để phát hiện và khóa mục tiêu và sử dụng vệ tinh quỹ đạo cao để theo dõi và quan sát thời gian thực đã trở thành một phương tiện giám sát tốt. Độ phân giải cao của vệ tinh quỹ đạo thấp có thể nhìn rõ các mục tiêu cục bộ. Độ phân giải cao của vệ tinh quỹ đạo thấp có thể được sử dụng để phát hiện và nhận dạng tàu chiến, máy bay chiến đấu, xe tăng, quân lính tập hợp, v.v. của đối phương và độ phân giải thời gian cao của camera vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh quỹ đạo cao có thể được sử dụng để theo dõi chúng theo thời gian thực.
Ngoài việc khám phá các hành tinh ngoài Trái Đất như Sao Hỏa, quan sát Trái Đất cũng là trọng tâm phát triển trong tương lai. Các vệ tinh quan sát Trái Đất có độ phân giải cao đang phát triển nhanh chóng và hệ thống quan sát Trái Đất đã phát triển từ mô hình vệ tinh đơn lẻ ban đầu thành chòm sao vệ tinh nhẹ và nhỏ hiện tại (Hình 7), thực hiện quan sát Trái Đất tinh vi mọi lúc, mọi thời tiết và toàn diện. Trong tương lai, các chòm sao vệ tinh quan sát Trái Đất sẽ được kết nối mạng động với các nút không gian như vệ tinh liên lạc, vệ tinh dẫn đường và máy bay để thiết lập mạng thông tin không gian trên không gian nhằm hiện thực hóa các dịch vụ thông tin hàng không vũ trụ thông minh theo thời gian thực, hình thành hệ thống quan sát Trái Đất thông minh mô phỏng nhận thức của não bộ và các quá trình nhận thức. Bằng cách kết hợp kiến thức trong các lĩnh vực khoa học thông tin không gian địa lý, khoa học máy tính, khoa học dữ liệu lớn và điện toán đám mây, cũng như khoa học não bộ và khoa học nhận thức, một hệ thống "não bộ" quan sát Trái đất thông minh sẽ được tạo ra, tích hợp đo lường, hiệu chuẩn, nhận thức và nhận thức mục tiêu, và dịch vụ cho người dùng trong môi trường mạng thông tin không gian dựa trên không gian [3].
Hình 7 Bộ não quan sát Trái đất
Tài liệu tham khảo
[1] Hao Zhe, Từ vệ tinh quan sát Trái đất đến bộ não quan sát Trái đất, Khảo sát và lập bản đồ Trung Quốc, 2020, 10: 10-13.
[2] Lưu Đào, Cách tính độ phân giải không gian của vệ tinh quang học Trái Đất, Không gian quốc tế, 2013, 10.
[3] Li Deren, Wang Mi, Shen Xing, et al., Từ vệ tinh quan sát Trái đất đến não quan sát Trái đất, Tạp chí Đại học Vũ Hán, 2017, 42(2): 1-7
