國外新型商業對地觀測系統

張召才（北京空間科技信息研究所）

2014年6月10日，美國天空盒子（Skybox）公司與全球互聯網搜索巨擘谷歌公司達成協議，后者將以5億美元現金收購天空盒子公司。此次交易不僅使谷歌公司獲得了自主的天基高分辨率圖像和視頻數據采集能力，完善其谷歌地圖和谷歌地球服務，更使天空盒子公司大數據存儲、處理和分布式計算能力大幅提升，推動其在對地觀測數據應用與互聯網技術結合浪潮中占得先機。

1 引言

近年來，國外出現了眾多商業天基對地觀測初創公司，包括美國天空盒子公司、行星實驗室（Planet Labs）公司、歐姆尼地球（Omni Earth）公司、俄羅斯達斡利亞宇航（Dauria Aerospace）公司、加拿大地球直播（UrtheCast）公司以及阿根廷衛星邏輯（Satellogic）公司等。這些公司以大數據、云計算等IT前沿技術為驅動，嘗試全新的對地觀測數據分發與應用模式，并提供云服務平臺，鼓勵用戶或第三方開發專業化應用（APP），力圖在移動互聯時代實現天基對地觀測應用的實時響應和定制化服務。

目前，天空盒子公司、行星實驗室公司和加拿大地球直播公司率先在各自新型低地球軌道對地觀測系統的部署方面獲得重要進展，并初步或即將具備業務應用能力。天空盒子公司計劃建造由24顆小衛星構成的對地觀測星座，目前已完成前2顆業務星部署，它們采用“互補金屬氧化物半導體”（CMOS）成像敏感器，具有高分辨率成像和高清視頻能力；行星實驗室公司已建造由3U立方體衛星組成的全球迄今為止最大的對地觀測衛星星座；加拿大地球直播公司以“國際空間站”為平臺搭載視頻和成像相機，獲取對地觀測數據。

三家對地觀測公司的基本信息（截至2014年6月）

2 天空盒子公司授出后續星研制合同，推進全球數據分發合作

首發星在軌工作正常，后續星研制逐步推進

天空盒子公司位于美國加利福尼亞州山景城（Mountain View），計劃在低地球軌道部署名為“天空衛星”（SkySat）的對地觀測星座。“天空衛星”星座的衛星還采用合成時間積分延遲（TDI）技術，具有亞米級高分辨率成像、多幅圖像拼接和支持高清視頻能力。

2013年11月21日，“天空衛星”星座的首發星天空衛星－1搭乘“第聶伯”（Dnepr）火箭成功進入近地點563km、遠地點597km的太陽同步軌道。天空衛星－1質量100kg，設計壽命6年，其星下點全色圖像分辨率為0.9m，多光譜分辨率為2m，成像幅寬8km，并能夠獲取時長90s、每秒30幀的高清視頻。其星下點視頻分辨率為1.1m，標準覆蓋為2km×1.1km。天空衛星－2與天空衛星－1設計完全一致，于2014年7月8日搭乘聯盟－2-1b（Soyuz－2-1b）火箭進入近地點623km、遠地點637km的太陽同步軌道。

2014年5月15日天空衛星－1拍攝的阿布扎比法拉利世界主題公園

美國“天空衛星”星座

2013年12月11日，天空盒子公司發布了天空衛星－1拍攝的首幅對地觀測圖像；12月27日，該公司又發布了由天空衛星－1拍攝的、全球首個商業天基對地觀測視頻。2014年7月10日，天空衛星－2在發射入軌兩天后即成功拍攝首幅對地觀測圖像并下傳至地面站。目前，天空衛星－1在軌運行良好，已完成星載相機在軌標定工作，正處于圖像定位精度測試階段；天空衛星－2正處于相機在軌標定階段。待投入業務應用后，這2顆衛星獲取的對地觀測數據將在作物預測、礦產和陸地監測等業務應用中發揮作用。

2014年2月10日，天空盒子公司與美國勞拉空間系統（SSL）公司宣布簽訂了一項衛星制造合同。根據合同要求，勞拉空間系統公司將利用天空盒子公司提供的衛星設計方案為其制造13顆商業高分辨率對地觀測衛星。這些衛星單星質量約120kg，尺寸為60cm×60cm×95cm，設計壽命超過6年，計劃于2015—2016年發射進入高度約500km的太陽同步軌道。勞拉空間系統公司研制的這13顆衛星沿用天空衛星－1的設計方案和相關技術，軌道比天空衛星－1軌道偏低，因此空間分辨率有所提高，預計約為0.8m。待這13顆衛星發射入軌后，其構成的“天空衛星”星座將具備對地面指定區域8h重訪成像的能力。

鴿群－1星座首批2顆衛星從“國際空空間站”釋放

天空盒子公司負責衛星系統的副總裁邁克·特雷拉（Michael Trela）說：“此次與勞拉空間系統公司合作，我們可以利用他們強大的生產能力來大幅提高成本效益和制造速度，從而使我們能夠專注于研究下一代衛星系統，以便更好地為客戶提供服務。”同時，此次合作將幫助勞拉空間系統公司從制造地球靜止軌道高功率通信衛星領域向低軌對地觀測衛星領域擴展，為未來爭取美國和其他國家更多的低軌對地觀測衛星研制合同奠定基礎。

數據分發采用多種方式，業務服務能力不斷提升

在規劃未來業務星研制任務的同時，天空盒子公司注重暢通全球數據分發渠道，擴展全球影響力。

一方面，天空盒子公司繼續拓展與對地觀測數據分銷商的合作范圍。繼2013年5月與日本空間成像（JSI）公司達成數據分發合作協議后，天空盒子公司又于2014年2月12日、2月14日和3月25日，分別與澳大利亞地理圖像（Geoimage）公司、阿聯酋空間成像（ESI）公司和英國麥肯錫情報服務（MSI）公司達成數據銷售和分發合作協議。地理圖像公司負責澳大利亞、印尼、馬來西亞和菲律賓等國家的業務。阿聯酋空間成像公司購買了2個“天空衛星”衛星地面站，分別放置在位于迪拜的空間成像中東（SIME）分公司和位于慕尼黑的歐洲空間成像（EUSI）分公司。其中，空間成像中東分公司負責中東、東非和中亞地區的業務；歐洲空間成像分公司負責歐洲和北非地區的業務。麥肯錫情報服務公司負責天空盒子公司在英國和非洲的數據數據分發業務。

鴿群－1星座衛星外形圖

另一方面，天空盒子公司不斷發展高分辨率對地觀測數據在線讀取和交互式訪問技術，著力改善用戶體驗度，為用戶提供便捷易用服務，提高數據直銷能力。天空盒子公司基于Hadoop開源架構設計了“天空節點”（SkyNode）地面站，包括1副2.4m口徑的天線和2套支持軟件等，能夠實現地理空間海量數據分布式處理任務。“天空節點”地面站支持軟件基于用戶友好的互聯網平臺，能夠使用戶便捷、高效的收集圖像、規劃衛星任務和處理圖像產品等。2014年3月，天空盒子公司又與美國地圖盒子（Mapbox）公司展開合作。屆時，用戶訂閱的圖像將轉換格式，快速、流暢的發送至指定地圖盒子公司賬戶。用戶可以通過移動設備登錄賬戶，對圖像添加注釋或標簽，制作個性化地圖。

除對地觀測圖像和視頻數據外，天空盒子公司還與地理空間成像解決方案公司合作，致力于為客戶提供數據處理、信息提取與分析服務。2014年2月24日，天空盒子公司與加拿大PCI地理矩陣（PCI Geomatics）公司達成合作協議，利用其Geomatica 2013款軟件實現天空衛星－1原始圖像高精度、自動化校正。2014年6月5日，天空盒子公司與六角地理空間（Hexagon Geospatial）公司達成合作協議，利用其ERDAS IMAGINE 2014款軟件的嚴格傳感器模型和RPC模型等改善天空衛星－1圖像，使客戶能夠快速、高效地從對地觀測圖像中提取有價值的應用信息。

此外，天空盒子公司還積極落實后續業務衛星發射機會，在2014年2月20日與軌道科學公司簽署了商業發射合同，計劃于2015年底從范登堡空軍基地利用“人牛怪”（Minotaur）運載火箭一次性發射6顆“天空衛星”衛星入軌。目前，軌道科學公司正在開發一種“天空衛星”分配器，以便每次最多可同時發射6顆衛星。

3 行星實驗室公司首批星座部署完畢，開始規劃后續任務

2014年2月11日－28日期間，美國行星實驗室公司研制的鴿群－1（Flock－1）星座的28顆衛星已陸續從“國際空間站”釋放入軌，完成了全球首個業務化對地觀測納衛星星座部署。行星實驗室公司是美國借助風投資本發展的新興對地觀測公司，目前已完成兩輪合計6510萬美元的融資。

鴿群－1星座由28顆3U立方體衛星組成，是迄今為止最大的對地觀測衛星星座，可對地球南北緯52°范圍內成像，對地分辨率達到3～5m。該星座于2014年1月7日搭乘軌道科學公司（OSC）的“安塔瑞斯”（Antares）火箭進入“國際空間站”，并利用NanoRacks公司提供的“國際空間站”小衛星商業部署業務，由“小衛星軌道部署器”（SSOD）送入高度400km、傾角52°的圓形軌道。由于鴿群－1星座軌道較低，其28顆衛星將在地球引力作用下再入大氣層，不會長期滯軌影響“國際空間站”安全。截至2014年7月10日，鴿群－1星座僅余3顆在軌工作，其余25顆已在再入大氣層過程中燃盡。

鴿子－2衛星于2013年4月26日拍攝的瑞典尼亞灣海冰圖像

2013年，行星實驗室公司曾發射了4顆名為“鴿子”（Dove）的技術驗證星，對鴿群－1星座平臺和載荷能力進行驗證。2013年4月26日，鴿子－2衛星拍攝了瑞典尼亞灣海冰圖像，驗證了鴿群－1星座中分辨率對地成像能力。鴿群－1星座規模已超過實現全球覆蓋所需的衛星數量，足以保證任務運行的可靠性。同時，由于星座規模足夠大，地面覆蓋范圍足夠廣，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。在業務運營期間，鴿群－1星座可以頻繁地獲取南北緯52°以內區域的圖像，獲取的數據將實現全球共享，商業應用包括制圖、房地產和建筑、石油和天然氣監測等。“我們公司的目標是幫助每個人頻繁獲取各地圖像，”行星實驗室公司聯合創始人羅比·辛德勒（Robbie Schingler）解釋說。“你想獲取某地的圖像，你就能在那里成像。這對于許多國家和公司而言都將是翻天覆地的變化。”

加拿大地球直播相機在“國際空間站”上安裝的位置示意圖

在完成首個對地觀測星座部署后，行星實驗室公司開始規劃未來星座任務。據“航天參考”（SpaceRef）網站2014年3月17日報道，行星實驗室公司將在未來12～18個月內發射超過100顆類似衛星以增強其“鴿群”星座能力。2014年6月19日，鴿群－1c星座的11顆衛星搭乘俄羅斯“第聶伯”火箭進入傾角98°、近地點602km、遠地點622km的太陽同步軌道。7月13日，鴿群－1b星座28顆衛星搭乘“安塔瑞斯”火箭運抵“國際空間站”，計劃采用類似鴿群－1星座部署方式，從“國際空間站”釋放進入低地球軌道。目前，作為空間創新型地球效益創造任務，行星實驗室公司的“鴿群”星座能力已實現飛躍。

4 加拿大地球直播公司完成相機安裝工作，發布首批中分辨率圖像

2014年2月28日，加拿大地球直播公司宣布其在“國際空間站”星辰號服務艙外表面安裝的兩部對地觀測相機已成功完成初始功能測試。其中高分辨率相機（HRC）地面分辨率為1.1m，地面標準覆蓋為5km×3.4km，安裝在二維轉向平臺上，可對南北緯55°范圍內區域拍攝時長60s、每秒30幀的4K超高清全彩色視頻；中分辨率相機（MRC）天底點指向時分辨率為5m，幅寬為47km，安裝在固定平臺上，可對南北緯51.6°范圍內區域拍攝多光譜圖像。

俄羅斯航天員在“國際空間站”外安裝相機

中分辨率相機和高分辨率相機是于2013年11月25日由俄羅斯聯盟－U（Soyuz－U）火箭運抵“國際空間站”的。此后，俄羅斯航天員奧列格·卡托夫和謝爾蓋·梁贊斯基在2013年12月27日出艙活動期間嘗試安裝中分辨率相機和高分辨率相機，但相關測試顯示，相機無法正常工作。因此，航天員不得不將相機拆卸下來，并帶回“國際空間站”內進行檢查，并最終于2014年1月27日成功完成相機安裝工作。隨后，由加拿大地球直播公司和俄羅斯能源火箭與空間公司（RSC Energia）聯合組成的工程團隊成功獲取了這兩部相機的遙測數據。

2014年3月28日，裝在艙外的中分辨率相機拍攝了首幅對地觀測圖像。圖像尺寸為3200像素×8000像素，地面分辨率為6 m，覆蓋牙買加蒙涅葛市（Moneague）及周邊約300km2的地區。同一天稍后，該中分辨率相機又拍攝了第二幅圖像，圖像尺寸為3000像素×5000像素，覆蓋委內瑞拉圣克魯斯德瑪拉市（Santa Cruz de Mara）及周邊約260km2的地區。

中分辨率相機拍攝的首批圖片：左為蒙涅葛市，右為圣克魯斯德瑪拉市

與中分辨率相機相比，高分辨率相機需要在平臺指向性精度的定標工作完成后，才能開始獲取圖像。按計劃，加拿大地球直播公司將于2014年下半年首次公布高分辨率相機獲取的全彩色超高清視頻。

目前，加拿大地球直播公司在莫斯科、牛津、迪拜、南非、毛里求斯和新加坡規劃了五個數據接收站。未來，加拿大地球直播公司計劃利用高分辨率和中分辨率相機，以互聯網和移動終端為平臺，為全球用戶提供涵蓋對地觀測視頻與圖像數據的免費在線瀏覽和商業定制服務。截至2014年3月，加拿大地球直播公司已經與16家分銷商簽訂了數據分銷協議，按照協議中規定的最低銷售額計算，加拿大地球直播公司的年銷售額至少將達到2600萬美元。

5 結束語

近年來，國外高分辨率對地觀測領域呈現出一些新的發展特點，并隨著一系列創新型高分辨率對地觀測系統的逐步部署和完善而愈發明顯，包括與大數據、云計算等IT技術緊密結合，采用風險投資作為發展手段，天基對地觀測數據逐漸由圖像向視頻過渡等。在未來，這些創新系統將改變商業數據應用、銷售和分發模式，推動天基對地觀測數據應用從單幅圖像處理向時序數據分析轉變。