國外光學(xué)成像偵察衛(wèi)星發(fā)展研究

21世紀(jì)是信息化戰(zhàn)爭時代，光學(xué)成像偵察衛(wèi)星作為最重要的天基信息獲取系統(tǒng)，一直以來是各主要航天國家的重點(diǎn)發(fā)展對象。提高空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率是光學(xué)成像偵察衛(wèi)星長期追求的目標(biāo)；通過擴(kuò)大幅寬、升高軌道、靈活姿態(tài)機(jī)動提高駐留時間；發(fā)展光學(xué)和雷達(dá)綜合系統(tǒng)；不斷提高快速響應(yīng)能力已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

光學(xué)成像偵察衛(wèi)星已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭信息獲取系統(tǒng)的重要裝備。在空間分辨率方面，美國光學(xué)成像衛(wèi)星的軍用全色分辨率為0.1m、商用分辨率為0.4m；紅外分辨率為1m；俄羅斯、法國、以色列衛(wèi)星的軍用全色分辨率優(yōu)于0.5m。在光譜分辨率方面，美國戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星－3（TacSat－3）的光譜分辨率為5nm。

當(dāng)前，美國有4顆鎖眼－12（KH－12）光學(xué)成像偵察衛(wèi)星在軌運(yùn)行，衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量18t，光學(xué)口徑約3m，焦距27m，壽命8年，采用大型光學(xué)系統(tǒng)、自適應(yīng)光學(xué)、大面陣探測器、機(jī)動變軌、長壽命、高可靠等技術(shù)，全色分辨率達(dá)0.1～0.15m，紅外分辨率0.6～1m。另外，美國還有1顆“8X”成像偵察衛(wèi)星在軌運(yùn)行，軌道高度2000km，它帶有光學(xué)和雷達(dá)兩種有效載荷，具有寬覆蓋、快速重訪能力。

歐洲光學(xué)成像偵察衛(wèi)星主要使用法國太陽神－2（Helios－2）衛(wèi)星。該衛(wèi)星帶有1臺全色（具有紅外能力）高分辨率相機(jī)（HRZ）和1臺寬視場相機(jī)（HRG）。高分辨率相機(jī)主要采用推掃成像，高分辨率通道分辨率為0.5m，超高分辨率通道分辨率為0.25～0.35m，紅外通道可拍攝紅外圖像，使該衛(wèi)星具備了夜間光學(xué)偵察能力；寬視場相機(jī)標(biāo)稱分辨率5m，幅寬60km，主要進(jìn)行普查與測繪制圖。

“昴宿星”（Pleiades）是法國新研制的軍民兩用光學(xué)成像衛(wèi)星。其質(zhì)量約900kg，設(shè)計壽命5年，采用太陽同步近圓軌道，高度為695km，軌道重復(fù)周期26天。衛(wèi)星的相機(jī)口徑0.65m，焦距12.9m。天底點(diǎn)全色分辨率為0.7m，多光譜分辨率為2.8m，成像幅寬大于20km。在沒有外部參考的情況下定位精度優(yōu)于20m，以80km間隔的地面控制點(diǎn)校正下定位精度優(yōu)于0.5m。

法國太陽神－2衛(wèi)星外形圖

2011年12月16日發(fā)射的法國首顆“昴宿星”

美國地球之眼－1對地成像示意圖

進(jìn)入21世紀(jì)以來，俄羅斯一般每年發(fā)射1顆代號為“鈷”（Kobalt，又名琥珀－4K1）的返回式詳查衛(wèi)星，2010年4月16日發(fā)射了宇宙－2462（Cosmos－2462）。俄羅斯傳輸型衛(wèi)星從可見光到近紅外區(qū)域（0.4～1.1μm）的8個譜段，根據(jù)軌道高度不同，分辨率在2～5m，相機(jī)視角0.56°，對應(yīng)幅寬＞27km。其傳輸型光學(xué)成像偵察衛(wèi)星是從1997年6月開始發(fā)射的，2002年7月發(fā)射了第2顆，但都未達(dá)壽命失效。2008年7月27日發(fā)射的宇宙－2441衛(wèi)星為最新型的“角色”（Persona N1）傳輸型詳查衛(wèi)星，質(zhì)量6500kg，光學(xué)口徑1.5m，焦距20m，全色分辨率0.33m，但入軌3個月后失效，未投入現(xiàn)役。可以看出，俄羅斯至今仍是用返回式“鈷”衛(wèi)星進(jìn)行軍事詳查，測繪任務(wù)也由返回式衛(wèi)星承擔(dān)，傳輸型光學(xué)成像偵察衛(wèi)星還未能實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)操作。

以色列一直利用小衛(wèi)星進(jìn)行軍事偵察，目前最新的衛(wèi)星為地平線－9（Ofeq－9）衛(wèi)星。該衛(wèi)星長2.3m，最大寬度1.2m，總質(zhì)量約350kg，比第二代“地平線”衛(wèi)星質(zhì)量增加了33%，設(shè)計壽命4年。其相機(jī)分辨率從第二代的1m以上提高到了0.5m，成像幅寬約為7km。

以色列“地平線”系列光學(xué)成像偵察衛(wèi)星部署情況

日本“情報收集衛(wèi)星”（IGS）星座現(xiàn)由3顆光學(xué)衛(wèi)星和1顆雷達(dá)衛(wèi)星組成。其光學(xué)衛(wèi)星的分辨率0.6～1m，雷達(dá)衛(wèi)星的分辨率1～3m。

印度在軌的軍民兩用光學(xué)成像衛(wèi)星有4顆，其中制圖衛(wèi)星－2B（Cartosat－2B）光學(xué)成像衛(wèi)星天底點(diǎn)分辨率1m，幅寬9.6km，順軌方向分辨率0.8m。

現(xiàn)在，世界上商用高分辨率遙感衛(wèi)星發(fā)展迅速，從1999年開始陸續(xù)部署了多種商用光學(xué)高分辨率衛(wèi)星，其中地球之眼－1（GeoEye－1）衛(wèi)星的分辨率最高，達(dá)到0.4m，圖像定位精度優(yōu)于3m，相機(jī)指向側(cè)擺300km耗時9s。

2 在研項(xiàng)目

美國

美國目前正在根據(jù)未來信息化作戰(zhàn)的特點(diǎn)，研制新一代光學(xué)成像偵察衛(wèi)星，將時間分辨率和戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用作為評判系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

美國曾以國家偵察局為主發(fā)展“未來成像體系”（FIA），它由光學(xué)和雷達(dá)衛(wèi)星組成混合星座，提高了衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星數(shù)量、定位精度和姿態(tài)機(jī)動能力，并采用光學(xué)變焦技術(shù)、自動抖動補(bǔ)償技術(shù)、高功率雷達(dá)技術(shù)等?！拔磥沓上耋w系”包括可見光/近紅外傳輸型詳查衛(wèi)星和合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星兩部分，原計劃由10～12顆衛(wèi)星組成。整個系統(tǒng)預(yù)期成本近90億美元（空間段60億美元和地面段27億美元）。衛(wèi)星采用太陽同步軌道，設(shè)計壽命6～8年，質(zhì)量約6500kg，不到現(xiàn)有系統(tǒng)的1/2，而性能卻更高。

由于向軍事作戰(zhàn)轉(zhuǎn)型過程許多技術(shù)、管理和經(jīng)費(fèi)問題沒有處理得當(dāng)，所以導(dǎo)致“未來成像體系”光學(xué)衛(wèi)星在投入50億美元后被迫中止，并很可能使整個星座崩潰。為了消除美國衛(wèi)星成像偵察出現(xiàn)間斷的風(fēng)險，保持偵察能力，美國積極尋求補(bǔ)救措施。美國國家偵察局重新選擇洛馬公司，在其光學(xué)成像偵察衛(wèi)星原有基礎(chǔ)上重新建造了2顆鎖眼－12衛(wèi)星。第1顆已于2011年1月20日發(fā)射，未來2年內(nèi)還將再發(fā)射另外一顆。

歐洲

歐洲各國正在積極活動，走合作發(fā)展的道路，整合各國資源，力求建立一體化的歐洲軍用航天系統(tǒng)。法國正牽頭開展“多國天基成像系統(tǒng)”（MUSIS）星座，系統(tǒng)由多種分辨率、不同型號的光學(xué)和雷達(dá)小型衛(wèi)星組成，預(yù)計數(shù)量10顆以上，2014－2015年開始發(fā)射。

2010年12月法國向阿斯特留姆（Astrium）公司授出“光學(xué)空間段”（CSO）新型光學(xué)成像偵察衛(wèi)星合同，價值7.95億歐元，它為2顆高分辨率偵察衛(wèi)星，更低軌道的衛(wèi)星正在論證中。“光學(xué)空間段”為三星星座，包括2顆位于同一軌道上的高分辨率偵察衛(wèi)星，1顆軌道較低的超高分辨率偵察衛(wèi)星，衛(wèi)星采用高敏捷衛(wèi)星平臺，計劃2016年開始部署。

2011年1月，美德以商業(yè)合作為幌子，開始共同發(fā)展偵察衛(wèi)星項(xiàng)目—“高分辨率光學(xué)衛(wèi)星”（HiROS）。該項(xiàng)目計劃用3顆衛(wèi)星在同一軌道面進(jìn)行等相位分布，從而組成星座，它們都運(yùn)行在太陽同步圓軌道，高490km，降交點(diǎn)當(dāng)?shù)貢r10：30。衛(wèi)星的發(fā)射質(zhì)量820kg，平均功率380W。其主要有效載荷為全色/4通道多光譜相機(jī)，口徑0.75m；全色分辨率為0.5m，幅寬12km；4譜段多光譜分辨率2m；可側(cè)擺±10°或±30°，單軌立體成像，單次過頂時可成像5個條帶，拼接成60km×60km圖像，無地面控制點(diǎn)圖像定位精度±2.4m。

法國“光學(xué)空間段”衛(wèi)星在軌示意圖

2005年12月19日，瑞典政府決定研制光學(xué)成像偵察衛(wèi)星，從而成為繼法國、英國、意大利和德國之后歐盟第5個擁有偵察衛(wèi)星的國家。這顆偵察衛(wèi)星稱為“思維”（Svea），由瑞典空間公司負(fù)責(zé)研制，采用俄羅斯/烏克蘭的“第聶伯” （Dnepr）火箭發(fā)射，總成本約3810萬美元，包括3年的在軌運(yùn)行費(fèi)用?！八季S”運(yùn)行在500～700km高的近極地軌道上，地面分辨率1.2～1.5m，成像幅寬為8～12km。星上存儲容量為4Gbit，衛(wèi)星具有側(cè)擺45°成像能力，提高了重訪時間。衛(wèi)星總質(zhì)量約200kg。

日本

日本發(fā)展迅猛，積極推進(jìn)新一代成像偵察衛(wèi)星系統(tǒng)研制部署，預(yù)計5年內(nèi)將擁有光學(xué)分辨率優(yōu)于0.5m、雷達(dá)分辨率優(yōu)于1m的衛(wèi)星偵察能力。日本計劃2012年發(fā)射情報收集衛(wèi)星－R4進(jìn)入下午軌道面，至此第二代情報收集衛(wèi)星部署完畢。2012年，日本還將發(fā)射第三代情報收集衛(wèi)星－O5試驗(yàn)星來試驗(yàn)三代系統(tǒng)；2014年，發(fā)射第三代情報收集衛(wèi)星－O5，分辨率達(dá)到0.4m。

印度

印度在“十一五”（2007－2012）計劃指出，著重鞏固特定專題衛(wèi)星，加強(qiáng)高分對地觀測衛(wèi)星的災(zāi)害監(jiān)測和減災(zāi)應(yīng)用。印度決定在“十一五”到“十二五”（2012－2017）之間，研制具有更高分辨率的制圖衛(wèi)星－3、4（CartoSat－3、4）。

制圖衛(wèi)星－3將于2012年－2013年發(fā)射，衛(wèi)星質(zhì)量約600kg，全色分辨率0.3m，幅寬為6km。制圖衛(wèi)星－4將于2014年－2015年發(fā)射，比制圖衛(wèi)星－3增加了立體測繪能力，分辨率為全色0.3m，多光譜1m。

3 軍商兩用

1999年，美國空間成像公司（Space Imaging）1m分辨率的“艾科諾斯”（Ikonos）衛(wèi)星發(fā)射成功，此后，世界商用高分辨率衛(wèi)星迅速發(fā)展，打破了衛(wèi)星高分辨率圖像由情報部門和軍隊(duì)獨(dú)家把持的局面。

為了保證圖像信息來源不間斷，避免成像偵察出現(xiàn)間斷，美國實(shí)施了“清晰圖像”（ClearView）、“下一代圖像”（NextView）和“增強(qiáng)圖像”（EnhanceView）三項(xiàng)計劃，以滿足美國情報和軍事測繪的需要。“清晰圖像”計劃提供了3～5年的圖像購買擔(dān)保，挽救了瀕臨破產(chǎn)的美國高分辨率商業(yè)遙感公司；“下一代圖像”計劃進(jìn)一步支持美國高分辨率商業(yè)衛(wèi)星公司發(fā)展0.5m分辨率衛(wèi)星及業(yè)務(wù)運(yùn)行；“增強(qiáng)圖像”計劃支持美國高分辨率商業(yè)衛(wèi)星公司發(fā)展0.25m分辨率衛(wèi)星及業(yè)務(wù)運(yùn)行。

日本“情報收集衛(wèi)星”統(tǒng)計

“宇宙-地中?！毙l(wèi)星星座

此外，商用遙感衛(wèi)星技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)增長，目前商用衛(wèi)星最高分辨率已達(dá)到0.41m。一些商業(yè)遙感衛(wèi)星公司已開始著手建立光學(xué)和雷達(dá)衛(wèi)星星座，預(yù)計未來5～10年商業(yè)遙感衛(wèi)星光學(xué)分辨率將達(dá)到0.25m，雷達(dá)分辨率達(dá)到0.5m。

4 發(fā)展趨勢

未來幾年，國外光學(xué)成像偵察衛(wèi)星分辨率將普遍優(yōu)于0.5m，注重多種分辨率、多幅寬、多種譜段綜合利用，采用先進(jìn)光機(jī)材料和技術(shù)正成為研究熱點(diǎn)。

（1）更加注重戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用

美軍歷次作戰(zhàn)中均使用了光學(xué)成像偵察衛(wèi)星系統(tǒng)，在應(yīng)用過程中也取得了許多經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，其中，最重要的一點(diǎn)就是要向戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用擴(kuò)展。

但嚴(yán)格的說，美軍目前的空間系統(tǒng)只有通信衛(wèi)星系統(tǒng)和導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)級應(yīng)用。而成像偵察衛(wèi)星系統(tǒng)仍屬于原有基礎(chǔ)上的演進(jìn)型系統(tǒng)，技術(shù)進(jìn)步不大，主要是改進(jìn)了地面系統(tǒng)，如要取得進(jìn)一步的突破，還要以全新思路發(fā)展全新的系統(tǒng)才能滿足全新的軍事需求。美國在未來的發(fā)展規(guī)劃中要將目前的機(jī)載戰(zhàn)術(shù)偵察和監(jiān)視系統(tǒng)逐漸向天基轉(zhuǎn)移。

（2）提升衛(wèi)星軌道

目前0.1m的分辨率已經(jīng)接近了衍射極限，很難再進(jìn)一步提高，而衛(wèi)星從更高的軌道上達(dá)到同樣的分辨率也意味著技術(shù)上的突破。在更高的軌道上，雖然衛(wèi)星的周期較長，但在目標(biāo)上空的駐留時間更長，視場更大，側(cè)擺觀測范圍也更大，可以抵消周期變長而改善重訪時間，并且能減少星座中的衛(wèi)星數(shù)量。

對于已經(jīng)擁有了較完備的光學(xué)成像偵察衛(wèi)星系統(tǒng)的美國，下一步光學(xué)成像偵察衛(wèi)星發(fā)展的目標(biāo)就是在更高的軌道上提供超高分辨率圖像?，F(xiàn)在，美國和歐洲都在探索研究靜止軌道成像偵察系統(tǒng)。

（3）混合星座

未來的成像偵察衛(wèi)星大部分以光學(xué)和雷達(dá)混合型星座形式出現(xiàn)，如美國的“未來成像體系”、歐洲的太陽神－2/“合成孔徑雷達(dá)-放大鏡”（SAR-Lupe）系統(tǒng)、“宇宙-地中?！保–osmo-Skymed）/“昴宿星”系統(tǒng)和日本的“情報收集衛(wèi)星”系統(tǒng)等。由于目前成像偵察衛(wèi)星的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從戰(zhàn)略偵察向戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)移，因此系統(tǒng)的時間分辨率成為了評價系統(tǒng)效能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。為此除了技術(shù)較落后或剛開始發(fā)展軍事航天的國家外，未來的系統(tǒng)大多組成星座進(jìn)行觀測，而且為了提高彌補(bǔ)光學(xué)衛(wèi)星固有的缺陷，都采用光學(xué)衛(wèi)星和雷達(dá)衛(wèi)星組成混合星座。

（4）軍民商結(jié)合

重視商業(yè)圖像和民用遙感圖像的利用，建立軍民商結(jié)合的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，才能更好地發(fā)揮偵察數(shù)據(jù)的效能。美國軍方每年都要為情報部門和作戰(zhàn)部隊(duì)采購大量高分辨率商業(yè)衛(wèi)星圖像，在美軍內(nèi)部設(shè)置了專門的商業(yè)利用小組（CET）維護(hù)其商業(yè)衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)庫，商業(yè)利用小組根據(jù)請求把圖像提供給作戰(zhàn)部隊(duì)。印度正在整合本國高分辨率成像衛(wèi)星資源，研制信息處理分發(fā)體系，建立軍民用衛(wèi)星一體化偵察系統(tǒng)。俄羅斯也開始轉(zhuǎn)向軍民協(xié)調(diào)的發(fā)展途徑。韓國政府投資發(fā)展高分辨率衛(wèi)星的同時也在積極尋求商業(yè)化運(yùn)營手段。