說到拍照，我們自然地聯(lián)想到攝像頭和快門，將攝像頭對準需要觀測的東西，快門一按，就能得到一張在二維像素點上填上三原色坐標的數(shù)據(jù)構成的圖像。
但是對于衛(wèi)星觀測地球（地表 / 地球大氣）來說，具體的成像原理就會稍微復雜一些。
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，地球的自轉角速度是固定的，若要用一個衛(wèi)星恒定地監(jiān)測地球，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，在衛(wèi)星上看地球的張角只有 18°，直接拍照的效果怎么會好呢？我們想要有很高分辨率的圖像須要用“掃描”的辦法。
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具體來說，“掃描”是通過調整觀測儀器的角度，對準地球的不同位置，獲得數(shù)據(jù)。比如風云 2 號氣象衛(wèi)星，衛(wèi)星本身繞著自己的主軸旋轉，使得傳感器能在地球上掃描出帶狀的觀測數(shù)據(jù)；再使衛(wèi)星調整姿態(tài)，向上向下傾斜，就能再地球上掃描出“平行”的觀測數(shù)據(jù)。
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當然，不同衛(wèi)星可以通過采用不同的調整姿態(tài)的方式來提高觀測利用率。就風云 2 號氣象衛(wèi)星來說，在衛(wèi)星自身旋轉一圈 360° 中只有幾十度是對著地球的，它的利用率顯然不高；而到風云 4 號衛(wèi)星，采用了三軸穩(wěn)定的方式，主動控制衛(wèi)星朝向，使探測器在旋轉過程中一直面對地球，這樣觀測效率顯然提高很多。
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那么有人不禁要問了，為什么不早采用三軸穩(wěn)定方式控制衛(wèi)星朝向呢？
因為三軸穩(wěn)定方式沒那么簡單。
自旋穩(wěn)定方式在衛(wèi)星做繞地運動時很容易能做到自身姿態(tài)穩(wěn)定，重點在于衛(wèi)星本身對自己的主軸軸對稱；而三軸穩(wěn)定方式若想要使探測器一直朝著地球，衛(wèi)星的姿態(tài)如何穩(wěn)定是個很大的問題。
其次，自旋穩(wěn)定衛(wèi)星受到太陽輻射是均勻的，而三軸穩(wěn)定衛(wèi)星由于一個面一直朝著地球，衛(wèi)星兩面受到太陽輻射量差距會使得衛(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致考量的。
而靜止衛(wèi)星離地球較遠，觀測精度難免會受到限制，我們希望獲得更高精度的觀測數(shù)據(jù)就需要極軌衛(wèi)星。極軌衛(wèi)星（也叫太陽同步衛(wèi)星）的軌道較靜止衛(wèi)星來說更低，約為 840km，繞地球的南北兩極運行。
它的觀測方式可以想象成做 CT 的時候掃描，儀器 / 衛(wèi)星掃過哪兒，就能獲得哪個地方的數(shù)據(jù)；因而衛(wèi)星的軌道和觀測數(shù)據(jù)的經緯度是可以直接匹配的，所以常能聽到“一軌數(shù)據(jù)”的說法。舉個例子，CloudSat 衛(wèi)星在 20070722 一天內在地球上掃出來是這樣的：
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可以看到它的覆蓋范圍還是比較小的。當然也有衛(wèi)星在行進的過程中，會將探測儀器加上垂直于軌道方向的擺動，以此探測到一個面的數(shù)據(jù)。比如左圖是 GPM 衛(wèi)星的測量的地表降水，在紅線處畫剖面就能得到紅線處的降水率剖面（右圖）：
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存在問題
很明顯，觀測到的每一軌數(shù)據(jù)中存在時間差，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，其實很難說這 84 分鐘的數(shù)據(jù)是同時觀測的；挑其中某段數(shù)據(jù)分析也應當考慮到其時間上的差異。
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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)集合成一張圖來表示長時間的平均狀態(tài)。而我們得到的“平均狀態(tài)”中任何一個點，實際上都不是對該點進行長時間連續(xù)觀測后取平均得到的狀態(tài)，而是時隔很久后再次觀測到這個點；且正是因為我們觀測不到“同時數(shù)據(jù)”，地圖上不同點的平均實際是不同時刻的平均。有點繞啊，反正說這么多就想表達：除了空間分辨率之外，時間精度的提升也是個非常重要的事情。
本文來自微信公眾號：石頭科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：麥李婷，美編：怪伽 cc
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