回忆世纪初鲜为人知的NASA航天飞机绘制全球3D地图的高难度任务

2000 年，由凯文-克雷格尔（Kevin Kregel）指挥官率领的"奋进号"航天飞机飞行任务克服了重大的技术挑战，成功地利用一根 200 英尺长的桅杆对地球进行了开创性的三维测绘。由此产生的 SRTM 数据此后在许多全球研究中发挥了关键作用，显示了这次任务的长期影响。资料来源：美国国家航空航天局

凯文-克雷格尔（Kevin Kregel）牢牢地戴上了他的幸运钓鱼帽，帽檐上挂满了各种钓具，下巴上的带子紧紧地扣着。是时候尝试一下飞抛动作了。然而，克雷格尔指挥官并没有去山涧钓鳟鱼。他正在操控奋进号航天飞机。他和第 97 次航天飞机任务的机组人员并没有挥舞着飞钓竿，而是准备在为期 11 天的任务的第二天，将一根 200 英尺长的细长桅杆安装到位，以绘制一幅前所未有的地球地图。

航天飞机雷达地形测量任务（SRTM）彻底改变了我们了解地球表面的方式。通过使用雷达干涉测量法，SRTM 收集了地球大部分陆地的高程数据，提供了精确的数字高程模型，为地理学、气候学和城市规划领域的无数应用提供了支持。

桅杆的一端安装在轨道器的有效载荷舱内，另一端悬臂伸入太空，是航天飞机雷达地形图任务（SRTM）的核心部分。它也是航天飞机上最长的仪器。桅杆末端的探测器和航天飞机舱内的探测器随时准备收集雷达波束对准下方地球的反射信号。首先，要将脆弱的桅杆左右摆动，以精确确定仪器在轨道上的方向。要做到这一点，最棘手的是要在远端安装一个像三角钢琴一样重的探测器。

在完成绘制世界地图任务近四分之一个世纪后，SRTM 的数据仍在不断取得成果。就在今年，它还帮助预测了伊朗扎格罗斯山脉的野火，追踪了南非的土壤侵蚀，评估了巴西海岸的洪水风险，甚至确定了发电风力涡轮机的位置对房地产价值的影响。每年都有数以万计的研究论文依靠 SRTM 地图进行这些及其他环境、经济、农业和公共安全研究。

2000 年 2 月 16 日

2000 年 2 月 12 日

当奋进号于 2000 年 2 月 11 日发射升空时，地球表面的大部分地形还是一个谜。没有人知道世界上许多山脉的精确高度或山脉之间山谷的深度。在有高度信息的地方，地形图的质量和比例因国家而异。因此，地图的拼凑并不完整。

在 2000 年之前，要纠正这些测绘缺陷是很困难的。大多数成像卫星都很难看透云层，尤其是南美洲和非洲部分地区的云层；在飞机上架设测绘仪器穿越偏远地区耗资巨大；在某些情况下，由于政治冲突，一些国家拒绝进行空中测绘工作。美国国家航空航天局喷气推进实验室 的科学家和工程师们开始着手解决这些问题，他们研制出一种仪器，这种仪器可以穿透云层，在一次航天飞机飞行任务中绘制地球大部分地区的地图。

他们的解决方案就是现在悬挂在弗吉尼亚州费尔法克斯县史密森尼国家航空航天博物馆史蒂文-F-乌德瓦-哈兹中心天花板上的SRTM 仪器。它脆弱的桅杆只有一小部分从金色的罐子中伸出，它被存放在罐子中，用于往返轨道。完全展开后，由细长杆组成的桁架将达到一个足球场的三分之二长。打包时，整个桅杆像手风琴一样折叠起来，装进比普通成年人略高的罐子里。

STS-99航天飞机雷达地形任务（SRTM）于2000年2月11日发射，是迄今为止最雄心勃勃的地球测绘任务。图中显示奋进号航天飞机在地球上空约 145 英里（233 公里）的轨道上飞行。SRTM 雷达的 C 波段和 X 波段外置天线（一个位于航天飞机舱内，另一个位于 60 米长的可展开桅杆的末端）能够穿透云层并提供自身的照明，不受日光的影响，从而获得世界表面直至北极圈和南极圈的三维地形图像。这次任务完成了 222 个小时的全天候雷达测绘，收集到的信息足以装满 20，000 多张 CD。资料来源：美国国家航空航天局

SRTM 仪器的核心雷达系统曾两次搭载"奋进号"进行测绘工作。在这些任务中，该仪器从轨道上提供了地面的二维视图。通过将来自不同制高点的数据结合起来，NASA 的科学家们制作出了立体图像，展现了令人惊叹的三维地形图。但是，由于需要多次飞越这些地点，因此这一过程变得缓慢，而且云层对雷达是透明的，不同轨道之间大气层的变化限制了所绘制地图的质量和准确性。这些任务主要集中在南美洲、非洲、欧洲、亚洲和大洋洲的科学兴趣区域，两次飞行各覆盖了地球表面的大约 10%。

新仪器的雷达天线安装在 SRTM 桅杆的末端，另一个天线安装在航天飞机舱内，因此可以连续以三维方式观察地球，确保从一个轨道到另一个轨道的大气变化不再是问题。由于 SRTM 能够在任何给定区域内一次性捕捉图像，因此它能够扫描地球上的大片区域，并以比其前身快近十倍的速度揭示详细的地形地貌。SRTM 一次飞行总共收集了地球陆地面积 80% 的高程数据，覆盖范围包括本页顶部地图中可见的区域。

如果没有轨道的失重状态，重达一千磅的雷达天线对于脆弱的桅杆来说实在是太重了。但是，即使在太空中，仍然存在惯性问题--有质量的物体对运动变化的阻力。这就意味着，每当航天器转向，将仪器置于绘制下方星球地图的位置时，SRTM桅杆都会发生弯曲。尽管长桅杆采用了刚性设计，但它还是会像弹簧一样，在航天飞机做任何动作后，天线末端都会摇摆不定。

帮助开发 SRTM 仪器的JPL高级研究科学家斯科特-亨斯利（Scott Hensley）说："这是一个非常小的摆动角度，不到一度。这种移动会导致地形图上的地物出现一千英尺（300 米）左右的误差。"

JPL 的设计团队预计到了桅杆的弯曲，并在桅杆末端安装了一套气体喷射系统来抵消摇摆。"这是一个非常聪明的想法，"亨斯利说。"它大概工作了一天半，然后我想它冻住了，所以不再喷射气体了。"幸运的是，工程师比尔-雷曼（Bill Layman）已经制定了一个飞抛应急计划，以防喷射器出现问题。这就引出了文章开头 Kregel 和他的钓鱼帽。

Kevin Kregel 和 Gerhard Thiele 与航天飞机和地球模型。

雷曼的飞钓动作模仿了运动钓鱼者使用长而灵活的飞钓竿投掷时的动作。为了将SRTM桅杆旋转到位，克雷格尔（上图左）和奋进号飞行员多米尼克-戈里（Dominic Gorie）首先用航天飞机的推进器进行了一次短时间的爆发，相当于飞蝇钓竿的初始弹动。这使得桅杆在航天飞机转向时略微向后弯曲，然后向前反弹。当桅杆伸直时，推进器的第二次爆发加快了梭子的旋转，模仿了抛投的前进部分。推力的时间和强度经过调整，以防止桅杆摆动到位时产生进一步的振动。逆转推进器程序后，一切都安静、无振动地停止了，雷达系统也已就位，开始绘制地图。

与冷冻气体喷射不同的是，"飞投"机动依靠的是航天飞机有限的推进器推进剂。这意味着这项技术有可能缩短任务时间。但是，克雷格尔和戈里通过飞播操纵，六次对 SRTM 进行了重新定位，效率很高，为完成全部绘图计划留下了充足的推进剂。灵巧的驾驶使航天飞机小组有足够的时间在格陵兰岛南端和南美洲南端之间的大部分地球陆地上收集高程数据。

Michala Garrison 利用航天飞机雷达地形图任务 (SRTM) 提供的地形数据和美国地质调查局 (USGS) 提供的 SRTM 覆盖边界数据拍摄的 NASA 地球观测站图像。照片和插图来自 NASA 图像和视频库，STS-99。James Riordon/NASA地球科学新闻组报道。

编译自/ScitechDaily