美國世界觀測－3衛星探析

劉韜（北京空間科技信息研究所）

2014年8月13日，美國數字地球（DigitalGlobe）公司的世界觀測－3（WorldView－3）衛星搭乘宇宙神－5（Atlas－V）運載火箭從范登堡空軍基地成功發射，標志著美國再一次刷新了商用光學成像衛星空間分辨率的世界紀錄，世界觀測－3衛星將極大地增強美國地理信息情報收集能力和美國在商業遙感市場的競爭力。

1 研制背景

2009年4月，美國總統奧巴馬批準一項名為“2＋2”的尖端成像偵察衛星開發計劃，即研制2顆性能優異的軍用光學成像偵察衛星，同時投入與這2顆衛星相當的資金采購商業遙感衛星圖像做補充。在該計劃帶動下，美國商業光學成像衛星獲得快速發展。根據該計劃，美國將在10年內投入大約100億美元，以替代現役衛星，防止美國對全球的監控出現“盲點”。2010年8月，數字地球公司獲得美國國家地理空間情報局（NGA）授出的為期10年、價值35億美元的合同，其中包括研制世界觀測－3衛星。

世界觀測－3的主承包商為鮑爾宇航技術公司（BATC），衛星平臺由該公司研制，主成像有效載荷由ITT Exelis公司研制，“云、氣溶膠、水蒸氣、雨和雪”（CAVIS）探測載荷由鮑爾宇航技術公司研制。

在世界觀測－3衛星發射前2個月，數字地球公司正式獲得美國商務部的批準，可以向其所有用戶銷售全色分辨率高達0.25m的衛星圖像數據，該批準立即生效。此前，美國政府禁止商業遙感衛星運營商向美國政府以外的用戶銷售優于0.5m分辨率的衛星圖像數據。但面對航空遙感公司和其他國家衛星運營商的競爭壓力，這項已經執行了十多年的政策已經越來越為國內衛星運營商和用戶所詬病。

2013年，數字地球公司正式向美國政府申請銷售0.25m分辨率的衛星圖像數據。2013年11月，美國參議院情報委員會在其公布的一份報告中，鼓勵美國國家地理空間情報局和國家情報總監辦公室認真考慮美國商業遙感運營商提出的收集并銷售0.25m分辨率光學衛星圖像的要求。2014年4月，美國國家情報總監、美國國家地理空間情報局局長和國家偵察局（NRO）局長相繼公開支持數字地球公司的訴求。最終，在征得美國國防部和國務院的同意之后，負責頒發商業遙感衛星運營許可的美國商務部才正式批準了數字地球公司的申請。這一舉措將極大地提高美國商業衛星成像的全球競爭力。

世界觀測－3衛星

世界觀測－3衛星譜段范圍

2 衛星性能

世界觀測－3衛星是當前在軌空間分辨率最高的商業遙感衛星。其全色分辨率高達0.31m，多光譜分辨率高達1.24m，短波紅外分辨率為3.7m，幅寬13.2km，其綜合性能超過其他國家軍用光學成像偵察衛星水平。該星還是世界首顆多載荷甚高分辨率商用光學成像衛星，它不僅搭載了名為世界觀測－3成像儀的主有效載荷，還搭載了“云、氣溶膠、水蒸氣、雨和雪”探測載荷，后者的空間分辨率為30m，主要用于成像時的大氣校正，從而進一步提升了成像質量。世界觀測－3衛星具有1個全色譜段、8個多光譜譜段、8個短波紅外譜段和12個“云、氣溶膠、水蒸氣、雨和雪”譜段。

世界觀測－1衛星拍攝的搭載世界觀測－3衛星的宇宙神－5火箭升空

世界觀測－3衛星仍采用與世界觀測－2衛星相同的BCP-5000衛星平臺，它用具備高敏捷能力的控制力矩陀螺（CMG）作為姿態機動執行機構，使衛星在12s內可以側擺200km，并具備小于1天的平均重訪周期（此時分辨率約1m）。該衛星每天圖像拍攝面積高達6.8km×105km，無控制點圖像定位精度為3.5m。其設計壽命7.25年，預期服務壽命可達10～12年。此衛星高5.7m、直徑2.5m，太陽電池翼展開后的翼展為7.1m，衛星質量2.8t。世界觀測－3衛星采用太陽同步軌道運行，軌道高度617km，降交點地方時為13:30。數據傳輸采用X頻段，速率高達1200Mbit/s。

此外，數字地球公司在發射世界觀測－3衛星時利用世界觀測－1衛星拍攝了火箭升空的部分過程，向世人證明了該公司在運管多顆世界頂級商用遙感衛星方面的能力。

3 同系列對比

由于世界觀測－3衛星在617km高的軌道（比世界觀測－2衛星的770km高度低），因此分辨率從0.46m提升到0.31m并不是其最突出的特點。世界觀測－3衛星性能的提升主要包括如下幾個方面。

大氣校正前、后的圖像

世界觀測－3衛星、“昴宿星”和“天空衛星”在成像能力上的對比示意

1）增加了8個短波紅外譜段，主要用于在霧霾、霧氣、煙霧、沙塵等空氣透明度較低的情況下拍攝圖像時，提升圖像質量。

2）增加了對云、氣溶膠、水蒸氣、雨和雪的大氣校正功能，可以使圖像數據標準化，有利于未來進行目標自動識別和特征提取。

3）平均重訪周期比世界觀測－2略有提高，從1.1天提升到小于1天，從而提升了在環境監測和災害快速響應方面的應用能力。

4）數傳速率比世界觀測－2提升了50%。

5）無地面控制點圖像定位精度從世界觀測－2的4.6～10.7m提升到3.5m。這一指標已極其接近航空遙感圖像水平。

4 與其他衛星的比較

數字地球公司稱，相對于法國的“昴宿星”（Pleiades），世界觀測－3衛星在成像質量上相當于一臺1000萬像素的數碼單反相機；“昴宿星”分辨率僅為0.7m，因此相當于一臺200萬像素的數碼相機；2013年底發射的美國天空盒子公司的“天空衛星”（Skysat）分辨率為0.9m，因此相當于一臺150萬像素的數碼相機。

預計到2016年，在光學亞米級分辨率市場上，美國數字地球公司的兩大競爭對手—歐洲空客防務集團（EADS）和美國天空盒子公司在衛星星座綜合能力方面的差距與數字地球公司相比仍是非常大的。2016年，美國數字地球公司將擁有6顆在軌亞米級分辨率光學成像衛星，包括“伊克諾斯”（IKONOS）、4顆“世界觀測”系列衛星和地球眼－1（Geoeye－1），而歐洲空客防務集團仍只有2顆“昴宿星”在軌。盡管美國天空盒子公司將擁有12顆“天空衛星”，但在成像能力上，美國數字地球公司世界觀測－1、2、3、4和地球眼－1全部是優于0.5m分辨率的衛星，且幅寬和敏捷機動能力大大強于美國“天空衛星”，因此在單位時間內的圖像收集區域面積上6顆美國數字地球公司運管的衛星星座比12顆“天空衛星”星座大6倍多。

5 后續計劃

就在世界觀測－3發射前夕，美國數字地球公司于2014年8月1日宣布，將要發射的地球眼－2衛星的名稱改為世界觀測－4衛星，發射時間初步定在2016年中。世界觀測－4衛星全色空間分辨率約0.34m，多光譜分辨率1.36m，幅寬14.5km，軌道高度681km。屆時它和世界觀測－3將組網，從而進一步提高觀測的時間分辨率。

6 啟示

（1）美國光學對地觀測領域實現了軍商協調發展

美國“2+2”計劃和美國商務部批準放寬商業遙感衛星分辨率限制的政策，將使美國商業對地觀測衛星系統在數量規模、技術水平、實戰應用、數據規范化與標準化等方面均處于世界領先水平，成為航天領域軍民融合式發展的成功例證。

（2）具備高敏捷機動、高圖像定位精度的大型甚高分辨率衛星仍是發展方向之一

近年，隨著小衛星技術、光學有效載荷技術的發展，越來越多的小衛星、微衛星也邁入了亞米級分辨率的時代。但是，小衛星在敏捷機動能力、圖像質量、圖像定位精度和日成像面積等方面與大衛星仍然存在差距，因此，在注重小衛星發展的同時，持續關注大衛星技術的發展仍是至關重要的。