國外對地觀測系統與應用的最新發展

· 文|北京空間科技信息研究所 原民輝 王余濤

近年來，全球對地觀測系統快速發展，系統性能不斷提升，應用向深度化發展，產業發展初具規模，已成為各國重要的戰略資源和基礎設施。

一、全球對地觀測系統總體情況

1.對地觀測衛星數量統計

截至2013年12月18日，全球已成功發射6771個航天器，其中對地觀測衛星2284顆，發射數量最多，占全球總量的1/3，見圖1。

>>圖1 全球已成功發射的航天器統計

2013年，國外共發射15顆對地觀測衛星，其中高分辨率衛星10顆。而2012年共發射16顆對地觀測衛星，其中高分辨率衛星5顆。與2012年相比，2013年成像高分辯率衛星發射數量同比增長一倍。

目前，國外在軌的成像高分辨率衛星系統主要集中于美俄歐日印等國，見圖2。在軌工作高分辨率衛星已達58顆，與2012年底的48顆相比，同比增長21%。這標志著對地觀測向高分發展趨勢更加顯著。

>>圖2 2013年國外在軌工作成像高分辨率衛星數量統計

2.對地觀測衛星系統能力

目前，國外成像類衛星系統主要部署于低軌道。光學和微波成像能力同步發展，軍用系統和民用系統同步發展。新型衛星普遍具備多種成像模式，定位精度接近航空攝影成像水平。

從2013年國外對地觀測衛星發射情況來看，美國仍然保持領先，并開始升級換代，成功發射了最后一顆“鎖眼”-12（KH-12）衛星和第三顆新一代“未來成像體系-雷達”（FIA-Radar）衛星，光學分辨率達0.1m，雷達分辨率達0.3m。

俄歐日印緊隨其后，補網加強在軌成像能力，未來2～3年內將達到0.3m水平。俄羅斯于2013年6月接連發射3顆高分辨率衛星，分別是1顆“角色”-2（Persona-2）軍用光學成像偵察衛星，分辨率0.33m；1顆“資源”-P（Resurs-P）民用光學成像衛星，分辨率1m；1顆“禿鷹”-E（Kondor-E）軍用雷達成像偵察衛星，分辨率1m。但與蘇聯時代相比，俄羅斯對地觀測衛星仍處于發展低谷，目前正在快速發展傳輸型衛星，以補充光學和雷達成像偵察能力。日本于2013年1月一箭雙星發射“情報采集衛星-雷達”-4（IGS-R4）和“情報采集衛星-光學”-5（IGS-O5）試驗星，在補充缺失的雷達成像偵察能力的同時，積極驗證第三代衛星光學成像技術。

韓國、阿聯酋等國通過國際合作或購買等方式，發展高分辨率成像衛星，未來3～5年內將達到0.5m水平。韓國于2013年8月發射了首顆韓國多用途衛星-5（KOMPSAT-5）雷達成像衛星，分辨率1m，通過引進國外技術發展，首次具備了雷達成像衛星觀測能力。阿聯酋于2013年11月通過國際合作，研制并發射了1顆迪拜衛星-2（DubaiSat-2），光學分辨率1m，使阿聯酋進入具有高分成像能力的國家行列。

目前，國外環境探測類衛星系統實現業務和科學交織，綜合化和精細化觀測能力進一步增強。美國、歐洲系統性能先進，日本、印度加強自主建設，積極應對全球環境變化。目前國外最先進的環境探測類衛星光學探測通道達上千個，微波探測通道達60余個，可實現不同探測要素綜合、局部與全球綜合、多源數據綜合等能力。

近年來，環境污染問題日益突出。美國國家航空航天局（NASA）主導的地球觀測系統（EOS）體系，能夠利用多手段探測大氣環境要素，監測包括PM2.5等環境問題（圖3）。

>>圖3 EOS體系中的“土”、“水”等衛星測繪中國PM2.5濃度分布圖

二、高分辨率對地觀測系統空間段的主要特點

1. 體系結構

（1）日本提出低軌綜合觀測星座，監視重點海域

日本政府于2013年5月提出發展新的低軌綜合觀測星座，通過光學與SAR結合，太陽同步軌道與傾斜軌道組合，高分辨率與大幅寬結合，實現熱點地區持續監視，特別是日本海上運輸線的持續監視。

該星座由5顆光學和4顆SAR衛星組網，光學成像衛星采用全色、多光譜、高光譜的綜合觀測手段，采用高分辨率（0.5m）與寬幅寬（50km）相結合的配置，能夠每天數次重訪，雷達成像衛星采用中傾角和太陽同步軌道（46°）結合，實現高頻度觀測全球熱點地區的海上戰略要道。

（2）法國提出高、中、低軌結合的光學衛星體系，兼顧超高分辨率與區域持續監視能力

法國于2013年10月提出發展高、中、低軌結合的光學成像衛星體系。該體系將包括3種新型光學成像衛星，分別是分辨率為0.2～0.3m的低軌光學成像衛星、分辨率為1m的橢圓軌道光學成像衛星、分辨率為3m的靜止軌道光學成像衛星。

0.2 ～0.3m超高分辨率的低軌光學成像衛星關注圖像紋理、地影等細節，單顆衛星的重訪周期為1～2天。1m分辨率的橢圓軌道光學成像衛星的突出特點是在6353km遠地點實現1m分辨率/50km幅寬觀測能力，持續觀測時間達45min，兼顧高分辨率與持續監視。3m分辨率的靜止軌道面陣光學成像衛星具有靜態圖像和動態視頻兩種能力，實現持續監視。

（3）美國提出“彈性與分散”戰略，優化體系結構

2013年8月，美國空軍航天司令部發布《彈性和分散空間體系白皮書》，明確了未來美國軍事航天系統發展的頂層思路和航天體系轉型方向，將全面推進空間體系向“彈性和分散”體系的轉型。

美國考慮以5種具體的分散形式實現體系的彈性：①多軌分散，利用多個軌道平面來提高彈性。例如法國提出的高、中、低軌光學成像衛星體系等；②多域分散，將能力分散于海、陸、空、天、網多域，相互冗余和備份。例如天臨空地一體化發展；③載荷搭載，將一些有效載荷搭載在其他類型衛星上，例如美國商業搭載紅外有效載荷（CHIRP）2010年搭載在歐洲靜止軌道商業通信衛星上，試驗了下一代紅外寬視場凝視技術，驗證了通過商業搭載的方式提高系統彈性的可行性；④系統分解，由多個以無線方式相互作用的模塊提供單一系統的功能；⑤功能分散，將一顆衛星上的多個載荷或多項任務分散到多個衛星上。例如對于防護衛星系統，美軍計劃將戰略和戰術任務分離。

2.系統技術

（1）美國靜止軌道大口徑衍射光學成像技術取得新突破

美國國防高級研究計劃局（DARPA）于2010年開展了大口徑衍射光學成像技術研發項目——“薄膜光學成像儀實時利用”（MOIRE）。項目旨在突破衍射薄膜、大型可展開支撐結構、星上處理和壓縮等關鍵技術，為未來開發靜止軌道高分辨率衍射成像衛星提供技術準備。

項目分2個階段實施。第一階段，目標是開發滿足空間飛行要求的薄膜材料，研制一個米級口徑的衍射薄膜主鏡，并開展完整光學薄膜成像系統的方案設計。第二階段研制5m口徑光學薄膜成像系統的地面原理樣機。目前，第一階段已經完成，第二階段取得了一些成果。

DARPA還計劃在MOIRE項目取得成功后，進一步研制一顆10m口徑的靜止軌道衍射成像技術驗證衛星，對大系統進行全面的演示驗證。

業務型實用系統將交由美國國家偵察局開發，見圖4。系統計劃于2020年部署，能夠在靜止軌道實現1m的高分辨率，視場為10km×10km，成像速率可高達每秒1幅，實現對敵方軍事目標的連續監視，將大幅提升對艦船、導彈發射車等時敏目標的動態監視能力。

>>圖4 業務型靜止軌道衍射成像衛星概念圖

（2）歐洲完成靜止軌道大口徑光學成像衛星的系統總體方案

歐洲采用傳統反射成像技術發展靜止軌道光學成像衛星，利用大口徑高精度單體反射鏡，實現10m分辨率，計劃2020年部署。歐洲阿斯特里姆公司（現已并入空中客車公司）完成10m分辨率靜止軌道光學衛星（Geo-Oculus）的設計方案后，宣布初步具備3m分辨率靜止軌道光學衛星的工程化能力。因此，目前歐洲已轉向3m分辨率靜止軌道偵察監視系統（GO3S）衛星的系統方案論證，見圖5。

>>圖5 Geo-Oculus衛星示意圖（左）和GO3S衛星示意圖（右）

（3）美國即將發射大規模商業小衛星星座

2013年，美國行星實驗室（Planet Labs）公司和天空盒子成像（Skybox Imaging）公司相繼發射對地觀測衛星，使得美國擁有在軌衛星的私營遙感衛星系統運營商達到三家。這兩家公司均計劃在近期內發射超大規模的對地觀測微小衛星星座，有望改變北美乃至全球商業對地觀測產業布局，具有里程碑意義。

Skybox公司的首顆衛星“天空衛星”-1（SkySat-1）（圖6）發射于2013年11月21日。衛星質量91kg，分辨率0.9m，設計壽命4年，采用550萬像素分辨率的CMOS面陣傳感器，并具有星上圖像校正和實時壓縮能力，是世界上首顆亞米級分辨率的面陣COMS成像衛星。Skybox公司計劃發射24顆衛星組成星座，實現8小時全球數據更新。

>>圖6 SkySat-1衛星外形圖

Planet Labs公司在2013年內已先后發射4顆“鴿子”（Dove）技術驗證衛星，單星質量僅6kg左右，分辨率3～5m，見圖7。在此基礎上，該公司計劃于2014年一次性發射28顆納衛星，并由國際空間站在軌部署，組成“羊群”（Flock-1）星座。Flock-1星座將運行于高度400km，傾角52°的軌道，可實現對人類主要活動區域的近實時覆蓋。該星座衛星將采用對陸地連續開機的工作模式，無需對星上相機下達特定區域的成像指令，即可滿足用戶需求。

>>圖7 DOVE-1衛星圖像（左）和DOVE-2衛星（右）

三、高分辨率對地觀測數據應用的發展

1. 軍用系統深度融合，發展戰術快響應用

軍事偵察衛星應用系統正逐步融入部隊信息化系統，同時功能逐漸從戰略支撐向戰術支持擴展。既可為軍事戰略決策提供依據，又可為一體化聯合作戰、實施遠程精確打擊等提供關鍵信息保障。從長遠來看，高度融合、功能完備的信息化系統將成為為部隊作戰構建數字化戰場的關鍵基礎，甚至可能改變未來戰爭的形態。

與此同時，在“快速響應”概念的推動下，美軍瞄準軍事作戰需求，縮短衛星指控鏈條，戰術應用能力大幅提升。通過推廣“虛擬任務操作中心”（VMOC），美軍的衛星指控和管理鏈條大幅縮短。作戰部隊指揮官可直接調配衛星資源、完成任務規劃和數據分發，其操作見面見圖8。

>>圖8 ORS-1衛星指控體系

2013年4月，美國中央司令部讓前線指揮部隊通過集成在車載終端上的“虛擬任務操作中心”，直接調度“作戰響應空間”-1（ORS-1）快響衛星，獲取了墜毀在偏遠地區的CH-53型“海上種馬”運輸直升機的圖像，其天基數據鏈和圖像處理系統均采用航空現有標準，便于地面應用系統的兼容與互操作。美國中央司令部評價：ORS-1衛星及其團隊在此次事件中“反應迅速，超出預期”。美軍通過此次實際案例，進一步檢驗了ORS直接服務戰區、面向戰術應用的能力。

2. 產業保持快速發展，數據應用收入將持續增長

2012年，全球天基對地觀測數據及增值服務收入達到22億美元，再創歷史新高。其中，三家商業對地觀測衛星運營商——數字全球（DigitalGlobe）公司、地球眼（GeoEye）公司和視寶（SPOT）公司的數據銷售收入占全球對地觀測衛星數據銷售總收入的78%。2013年，數字全球公司和地球眼公司完成合并。合并后的數字全球公司將至少占有全球對地觀測衛星數據市場60%的份額。

從應用領域來看，國防情報領域的收入份額最高，占2012年總收入的38%。服務領域對數據需求的增長速度最快，而生物資源領域對數據需求的增長速度最為緩慢，其具體份額見圖9。

>>圖9 2012年各應用領域的收入份額比例

北方天空研究所（NSR）預測：到2022年，全球天基對地觀測數據及增值服務年收入將達到60億美元。同時，受到更低的數據成本、更高的圖像分辨率、新興應用以及資源需求增長的推動，商業市場各個領域的增長率將高于非商業市場。預計到2022年，商業市場收入將占全球天基對地觀測市場總收入的50%。

未來十年，亞洲地區將成為增長速度最快的區域市場，而歐洲仍將是增長速度最慢的市場。拉丁美洲、亞洲、中東和非洲地區的發展速度將超越北美和歐洲地區。

3. 數據政策引導應用有序發展，分辨率將進一步放開

美國、歐洲、俄羅斯、印度等主要航天國家都制定了對地觀測數據政策，以引導衛星對地觀測產業有序發展。美國的政策和法規體系最為成熟和完善，從保障國家安全的角度出發，對商業數據設立了0.5m/24h的雙重限制。歐洲各國分別制定政策，分辨率限制也為0.5m。俄羅斯于2013年發布《地球遙感數據條例》草案，提出可銷售分辨率優于2m的衛星數據。印度執行2011年版《印度遙感數據政策》，分辨率限制從5.8m提高到1m。

由于0.5m分辨率的商業數據已難以滿足當前的商業市場需求，美國和歐洲正在研究將分辨率限制放寬到0.25m。美國數字全球公司、參議院情報委員會等機構不斷建議政府將商業衛星圖像銷售的分辨率限制從0.5m放寬至0.25m。歐洲泰雷茲（Thales）公司建議法國政府放寬分辨率限制。德國正積極發展0.25m分辨率的民用雷達成像衛星。

分辨率限制門檻的降低，將進一步激發商業市場的活力。商業衛星數據與航空數據的質量差距將大幅縮小，有助于提升衛星數據的市場競爭力，促進多源數據的融合應用。數字全球公司預測：分辨率門檻降低之后，公司收入組成將發生明顯變化，政府與商業用戶收入份額將更加均衡。

4. 現代信息技術催生全新商業模式

IT企業Skybox公司致力于建立融合天基、航空等各類圖像數據的開放式云服務平臺，實現海量數據持續更新，提供網絡化服務。用戶無需建設地面站，只需要一部小型化“天空節點”（SkyNode）終端和2.4m直徑的衛星天線，就可直接下達成像指令和下載衛星數據，最快20min即可完成圖像處理。Skybox公司希望通過大數據挖掘技術提供定制服務，并進一步催生全新的商業模式。因此，Skybox公司被評為年度最具革命性的50家公司之一。

Skybox公司計劃部署的小衛星星座將采用地面合成時間延遲積分（TDI）專利技術，以實現超分處理和多圖像拼接。該星座除支持全色0.9m、多光譜2m、幅寬8km的高分辨率圖像以外，還可提供1.1m分辨率、最長90s、每秒30幀的高清視頻，將推動數據應用從單幅圖像處理向時序數據分析轉變。

利用視頻特征提取技術，用戶可自行定制多樣化的特色應用。例如：通過計算停車場的車輛數量，得出商場、超市等商業場所的客流量或經營狀況；通過計算道路上行駛的車輛數量，分析交通擁堵、尾氣排放等信息；跟蹤和識別水面船只，包括船只的類型（大、中、小）、長度和重量等信息等，如圖10。

>>圖10 用戶基于開放式云服務平臺開發滿足自己需求的應用