美國甚高分辨率商業光學成像衛星的發展情況和數據服務模式

· 文 |中國航天科技集團公司 周潤松

美國甚高分辨率商業光學成像衛星的發展情況和數據服務模式

· 文 |中國航天科技集團公司 周潤松

美國世界觀測（WorldView）和地球眼（Geoeye）等亞米級分辨率光學成像衛星是目前世界上性能最強的在軌商業光學成像衛星，這些衛星的發展有濃厚的軍方背景，其業務應用的一半以上服務于美國軍方。本文首先簡要介紹這類衛星的發展背景，并介紹近年曝光的該類商業光學成像衛星的軍事應用模式。

一、美國甚高分辨率商業光學成像衛星的軍事背景

2003年10月，美國國家地理空間情報局（NGA）在“下一代視景”（NextView）計劃下，以預付圖像采購費的方式資助數字全球公司（DigitalGlobe）發展WorldView系列衛星，用于取代當時0.6m分辨率快鳥-2（QuickBird-2）衛星。WorldView-1和WorldView-2衛星分別于2007年和2009年成功發射入軌。2004年9月，NGA在NextView計劃下，以相同方式資助當時的“軌道圖像”（Orbimage）公司發展軌道觀測-5 （OrbView-5）衛星，2006年Orbimage公司重組為“地球眼”（Geoeye）公司，OrbView-5也改名為Geoeye-1，該星于2008年成功發射，空間分辨率達到0.41m。

2010年，NGA與數字全球公司和“地球眼”公司分別簽訂了為期10年的遙感衛星數據采購合同—增強視景（EnhancedView）計劃合同，合同數額分別高達35.5億美元和38億美元，支持這兩家公司發展更高分辨率的Geoeye-2和WorldView-3等衛星。由于2012年美國航天預算緊縮，NGA消減了EnhancedView合同額，導致“地球眼”公司被數字全球公司兼并，Geoeye-2衛星也改名為WorldView-4衛星。WorldView-3衛星于2014年成功發射，全色分辨率高達0.31m。分辨率0.25m的Geoeye-2衛星也完成了研制，計劃于2016年后發射。

可以看到，當前在軌的甚高分辨率商業光學成像衛星的幕后推手均是NGA。NGA原名國家圖像與測繪局（NIMA），1996年由中央情報局國家圖像判讀中心（NPIC）、國防部情報局辦公室、國防部情報局圖像分析處、中央圖像局和國防情報分發計劃局等五個機構組建而成，隸屬于美國國防部，主要任務是及時準確地向軍事決策者和行動部門提供戰略、戰術圖像情報支援的同時，滿足國家決策層及其他非軍事部門對圖像情報的各類需要。此外，國家圖像與測繪局還執行國防情報局、國家偵察局和國防航空偵察局等機構的某些職能。隨著美國《2004財年國防授權法案》的簽署，國家圖像與測繪局正式更名為NGA。NGA是美國情報界的一個要害部門，也是重要的作戰保障機構，它接受中央情報局和國防部的雙重領導，其主要任務是研究美國通過軍事偵察衛星、高分辨率商業遙感衛星或其他途徑得到的各種圖像數據，繪制出相應的地圖產品，提供地理空間情報，包括地球自然特征和地理基準的分析與描繪，以支持國家安全行動。

二、美國甚高分辨率商業光學成像衛星的軍事應用模式

作為Geoeye、WorldView系列衛星的運營商，近年曝光了服務NGA的應用模式，值得我們高度關注。

美國數字全球公司的“全球增強地理空間情報交付（G-EGD）項目”（如圖1所示）向NGA及其用戶提供最新、非密的高分辨率圖像，以支持作戰決策、突發事件和態勢感知。在NextView計劃授權下，G-EGD的正射校正和正射鑲嵌產品在線上和線下均可獲取，包括近無云基礎圖像底層產品、全球圖像條帶連續交付產品、高優先級地理位置的“快速響應”圖像產品等。任何連接互聯網的設備均可按需訪問。憑借世界最先進的商業成像衛星星座，數字全球公司每天增加近1百萬平方千米的新圖像，使G-EGD項目的多數產品可當天交付，保證向客戶提供最新的數據。

圖1　全球增強地理空間情報交付項目

增強視景計劃虛擬主機服務（EV WHS）是G-EGD項目的核心，EV WHS向業界用戶提供最全面、基于互聯網/非安全互聯網協議路由網絡（NIPRNET）/安全互聯網協議路由網絡（SIPRNET）的高分辨率正射影像在線接入服務，相關數據包括多層圖像和多種數據源。EV WHS訪問方式包括以下3種：

（1）通過“開放地理空間聯盟”（OGC）服務訪問。該服務與OGC相符的政府或商業應用兼容，在線門戶例如FalconView、ArcGIS、SA和Gaia。開放地理空間聯盟服務項目見表1。

（2）通過“我的數字全球”訪問。該產品是一個直觀的、基于瀏覽器的工具，用戶可根據位置、觀看內容等需求進行搜索，具有多樣化的輸出形式，用戶可獲得虛擬鑲嵌的“混搭”產品，可輸出并保存為多種格式文件。圖2 所示是“我的數字全球”工具界面。

（3）通過“數字全球地球服務”訪問。該產品是基于瀏覽器的圖像選擇工具，與基于“鎖眼標記語言”（KML）的瀏覽器兼容，如Google Earth、ArcGIS Explorer、World Wind瀏覽器。用戶可以分割并按照多種文件格式下載圖像。

EV WHS可交付的產品包括3類：

表1　開放地理空間聯盟服務

（1）基礎地理空間情報（FG）層：目前是由0.25°地理區域構成的無縫、近無云或正射鑲嵌底層，當前可滿足6個月到3年間隔的需求。

（2）圖像條帶（IS）層：線上提供的、及時的正射校正的圖像條帶，可在24小時內交付。

（3）快速響應正射（RRO）層：按需的、正射校正/正射鑲嵌的圖像，以用戶申請提供，從訂單確認到圖像可交付的時間為單條帶24小時內，大于1500km2圖像的交付時間需72小時以上。

數字全球公司實施了下列措施以保證敏感數據的安全性：

（1）采用128位加密套接字協議層（SSL）加密；

（2）實施用戶訪問限制。構建了全球獨一驗證（GUID）用戶驗證模型，通過基于圖像層級的授權訪問和地理限制，控制個人賬戶訪問；

（3）使用非安全互聯網協議路由網絡和安全互聯網協議路由網絡。

三、總結

通過公開的有限資料可以看出，美國數字全球公司在下一代視景和增強視景計劃下，發展了天基、空基多數據源，光學、雷達多探測手段的地理空間情報數據收集系統，結合自有甚高分辨率光學衛星星座和第三方的固定翼飛機、直升飛機、衛星平臺，每日可大量獲取圖像數據，經過數據自動處理，向NGA及其用戶提供及時的地理空間情報數據；建立了嚴格的用戶身份驗證系統，確保敏感圖像數據的安全傳輸；利用非加密的互聯網和加密的軍用通信網絡快速有效地按需分發數據，服務于戰略決策者和戰場作戰指揮人員。

圖2　“我的數字全球”工具界面