國外空間對地觀測系統最新發展

原民輝 劉韜 （北京空間科技信息研究所）

國外空間對地觀測系統最新發展

The Latest Development of Foreign Space-based Earth Observation System

原民輝 劉韜 （北京空間科技信息研究所）

1 空間對地觀測發展概況

全球對地觀測衛星發射和在軌情況

近年來，空間對地觀測系統快速發展，系統性能不斷提升，遙感應用向深度化、綜合化方向發展，產業發展初具規模。在通信、導航和對地觀測三類應用衛星中，對地觀測衛星是發射數量最多的衛星，近年發射數量快速躍升，特別是近3年的年發射數量維持在近百顆規模，近3年與前3年的發射數量環比增長近240%，增幅大幅超過其他類型應用衛星。數量躍升主要源于小型對地觀測星座發展成熟并大量應用，特別是低于100kg的微納衛星。根據歐洲咨詢公司（Euroconsult）報告，2016－2025年，全球預計還將發射419顆對地觀測衛星，對地觀測衛星規模將保持快速發展勢頭。

截至2016年底，國外在軌對地觀測衛星319顆。從國別角度看，美國對地觀測衛星數量最多，約占48%；從類型角度看，光學成像衛星數量最多，約占53%。目前，全球超過50個國家擁有對地觀測衛星，近20個國家擁有高分辨率對地觀測衛星（本文對高分辨率的限定為光學1m、雷達3m）。國外共計81顆高分辨率衛星在軌運行，其中美國、歐洲數量最多。

參與國家與主要企業情況

全球空間對地觀測衛星企業數量呈井噴式增長態勢。在衛星制造和衛星運營服務領域已經發展出數十家全球性企業。一方面，美國數字地球公司（DigitalGlobe）、歐洲空客防務與航天公司（ADS）、加拿大麥德公司（MDA）和意大利對地觀測公司（e-GEOS）等傳統大型企業，不斷兼并、整合中小型企業，商業對地觀測市場份額已占全球份額的87.2%。另一方面，在數據增值服務、地理信息融合服務等領域發展出的全球性或地區性企業，如雨后春筍般不斷涌現。

同時，美國特拉貝拉公司（Terra Bella）、行星公司（Planet）、黑天全球公司（BSG）和加拿大地球直播公司（UrtheCast）等大量初創公司，也開始爭相進入對地觀測衛星市場，通過創新產品和創新服務，既爭奪、也擴大了全球商業對地觀測市場。

投資情況

全球軍、民政府在對地觀測領域投入均超百億美元。根據歐洲咨詢公司2016年發布的《至2025年天基對地觀測市場展望》報告，2015年在民用對地觀測計劃方面，政府投資首次超過100億美元。而根據斯諾登披露，僅美國專門從事天基偵察的國家偵察局（NRO），自2013年起，每年投入就已超過100億美元。因此可以估計，全球對地觀測衛星年投資額已快速躍過200億美元，空間對地觀測產業進入成熟發展階段。

2 空間對地觀測系統發展

軍、民、商三類系統協調發展

（1）軍用系統承擔超高分辨率成像任務，牽引創新技術發展

美國低地球軌道（LEO）的鎖眼－12（KH－12）光學成像偵察衛星全色分辨率達到0.1m，紅外分辨率約0.6m，“未來成像體系-雷達”（FIA-Radar）衛星分辨率優于0.3m，技術水平領先其他國家一代。為了滿足戰術應用需求，美國于2011年部署了作戰響應空間－1（ORS－1）衛星，形成了低軌常規與快速響應光學成像偵察衛星結合的發展模式。美國在空間分辨率達到物理極限后，積極發展新型成像技術，包括分塊拼接主鏡技術、大口徑薄膜衍射成像技術、在軌裝配成像技術等，試圖在地球靜止軌道（GEO）實現米級分辨率。

歐洲已經部署0.4m分辨率的低軌太陽神－2（Helios－2）光學成像偵察衛星，德國軍用“合成孔徑雷達-放大鏡”（SAR-Lupe）5星星座和意大利的“地中海盆地觀測小衛星星座”（COSMO-Skymed）4星星座分辨率優于1m。歐洲正在論證高、中、低軌結合的綜合光學偵察體系，其中LEO衛星分辨率0.2m、中地球軌道（MEO）衛星分辨率1m、GEO衛星分辨率3m。

俄羅斯“角色”（Persona）光學成像偵察衛星分辨率0.33m，“禿鷹”（Kondor）雷達成像偵察衛星分辨率1m。

此外，我國周邊國家對地觀測衛星分辨率普遍優于0.5m，如日本的情報采集衛星-光學-5（IGS-O-5）、韓國多用途衛星－3A（KOMPSAT－3A）和印度制圖衛星－2C（CartoSat－2C）的光學分辨率分別達到0.4m、0.5m和0.65m水平。

（2）民用系統承擔寬幅成像和地球科學觀測任務，提供公益性社會服務

美、俄、歐、日發展了大量的民用對地觀測衛星系統，主要包括氣象、海洋和陸地觀測衛星，涵蓋氣象觀測、大氣成分測量、海洋水色、海洋風場、海洋鹽度、土壤濕度、資源和測繪等多種型號。這些衛星主要承擔地球科學觀測任務，為各國的農業、林業、國土資源和災害管理等民用部門提供服務。

（3）商用系統承擔高分辨率觀測成像任務，美、歐等國通過商業采購等多種形式補充軍、民應用

美、歐商用對地觀測衛星分辨率較高，部分衛星性能甚至超過一些國家軍用衛星性能。如，美國世界觀測－3、4（WorldView－3、4）商用光學成像衛星具有0.31m分辨率的全色圖像和1.2m分辨率的8譜段多光譜圖像成像能力，此外還具有8個譜段的短波紅外（SWIR）成像能力，分辨率達到3.7m，軍事應用潛力巨大。歐洲商用的“X頻段陸地合成孔徑雷達”（TerraSAR-X）衛星的分辨率達到0.25m。

系統發展中呈現出軍民交叉、融合的特點

作為國家戰略基礎設施，各國均高度重視空間對地觀測體系的統籌優化發展，充分體現了軍民交叉和深度融合的發展特點。在這方面，空間對地觀測體系發展最為完備的美國表現最為突出，軍民交叉和融合已全面體現在美國衛星制造、運管和應用等方面，大幅提升了體系效能和效益。

例如，衛星制造方面，美國軍、商用光學對地成像衛星載荷的研制基本都由共同的企業承擔。美國國際電話電信公司（ITT）既為美國國家偵察局的部分“鎖眼”衛星制造相機，也為數字地球公司大部分高分辨率衛星制造相機，從而間接提升了商用對地成像衛星的性能和技術水平。衛星運營方面，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）同時運管軍用“國防氣象衛星計劃”（DMSP）衛星和民用的“諾阿”（NOAA）極軌氣象衛星及“地球靜止環境業務衛星”（GOES）。衛星應用方面，美國國家地理空間情報局（NGA）通過“清晰視景”（ClearView）、“下一代視景”（NextView）和“增強視景”（EnhanceView）3個計劃，采購商業對地觀測數據。美國空軍也計劃未來大量采購商業氣象衛星數據，有效補充軍方的需求和應用缺口。

戰略政策助力空間對地觀測體系穩步前進

國外高度重視與空間對地觀測體系匹配的戰略政策發展，針對涵蓋軍、民、商三類系統的空間對地觀測體系，各國發布了一系列、多層次的戰略政策，有效推動空間對地觀測體系穩步發展。

各國國防部門作為軍事航天的抓總管理部門，出臺一系列軍事空間對地觀測戰略政策。美國于2013年出臺了《彈性和分散空間體系》白皮書，促進民、商能力共同提升軍用偵察監視體系的抗毀能力；2015年出臺了《國防部空間科技戰略》，2016年出臺了《氣象和海洋數據采集需求計劃》，促進軍用對地觀測衛星及技術發展。法國是歐洲航天活動的核心組成力量，于2013年4月發布新版《法國國防與國家安全白皮書》，該白皮書“使用外太空戰略”一節提到，法國將大力發展通信、對地觀測、電子偵察、早期預警、導航和氣象等衛星，這些衛星是法國國家戰略的重要部分。

各國民用航天主管部門出臺一系列民用空間對地觀測戰略政策。美國白宮于2014年發布首個國家級對地觀測戰略《國家民用對地觀測計劃》，引導國家民用對地觀測體系協調發展。美國航空航天局（NASA）作為美國民用航天的抓總管理部門，定期發布《NASA戰略計劃》、《NASA技術路線圖》。俄羅斯聯邦政府于2009年發布了《2025年前空間對地觀測系統發展綱要》，制定了明確的對地觀測領域發展計劃。歐洲航天局（ESA）于2015年發布了《地球觀測科學戰略》，規劃未來對地觀測發展方向。

各國商業航天主管政府部門出臺一系列空間對地觀測商業政策。美國國家地理空間情報局于2015年發布了《商業地理空間情報戰略》，美國國家海洋和大氣管理局于2016年發布了《商業航天政策》，數據政策限制逐漸降低，促進商業衛星發展。美國已經確立了以1992年《陸地遙感政策法案》、2003年《美國商業遙感政策》、2006年《私營陸地遙感空間系統授權許可》為核心的、完備的商業對地觀測數據政策體系，并隨著技術發展、應用需求變化而不斷調整具體內容，目前已將光學衛星數據可銷售分辨率限制由0.5m放寬至0.25m。德國于2007年12月發布了《分發高級地理遙感數據防范安全風險法案》，2008年3月發布了《衛星數據安全法條例》，一方面確保衛星數據安全，一方面明確了衛星數據用于商業用途的范圍。俄羅斯于2013年7月發布了《對地觀測數據條例》，為俄羅斯私營數據供應商獲取、處理和銷售對地觀測衛星數據提供了法律保障。日本于2016年提出了《確保遙感衛星數據正確處置相關法案》的草案，以確保規范使用國內遙感衛星數據，從而推動日本遙感衛星產業快速發展。印度于2011年發布了《國家遙感數據政策》，將遙感衛星數據分發的分辨率限制放寬到1m，有效帶動了國內遙感數據市場的發展。加拿大于2005年制訂了《遙感空間系統法案》（2007年修訂），通過許可機制進行數據管理，明確商業運營商使用遙感數據的范圍。

3 空間對地觀測技術發展

國外對地觀測衛星全面進入亞米級分辨率時代，如前所述，光學成像衛星最高分辨率達0.1m，雷達成像衛星最高分辨率達0.25m。衛星平臺能力方面，國外高分辨率對地觀測衛星已普遍為敏捷型衛星，大量采用控制力矩陀螺等機構，增加了圖像采集機會，例如，法國“昴宿星”（Pleiades）在敏捷機動時穩像時間只需11s。衛星平臺穩定性和精度大幅度提升，美國地球眼－1（GeoEye－1）低軌成像衛星姿態穩定度最高已達10-6（°）/s量級水平，無地面控制點圖像定位精度最高為3.5m。

成像模式更加豐富多樣，成像能力與效率大幅提升

對于光學成像衛星，除最基本的過頂條帶成像模式外，開始具備多點目標敏捷成像、大區域拼接成像、單軌立體成像、連續視頻等多種成像模式。對于雷達成像衛星，除最基本的滑動聚束、掃描SAR模式外，開始具備凝視聚束、改進的陸地觀測掃描（TOPSAR）等多種成像模式。

前沿技術不斷突破，由“偵察”向“監視”轉型

近幾年，先進微納衛星星座、大口徑光學成像系統等前沿技術不斷取得重大進展，部分已進入初步業務化應用階段，推動空間對地觀測由傳統的過頂偵察，向持續偵察，甚至全時監視轉型。

在先進微納成像衛星星座方面，國外大量初創航天企業進軍對地觀測衛星市場，計劃研制數十至數百顆微納衛星組成的星座，不僅可實現米級高空間分辨率，還可實現分鐘級重訪能力。美國特拉貝拉公司已發射7顆100千克級0.9m分辨率衛星，美國行星公司已成功發射141顆“鴿群”（Flock）衛星，單星質量5kg，分辨率3～5m。美國黑天全球公司正在發展由60顆衛星組成的星座，星座計劃在2019年部署完畢，具備10～60min重訪能力。特別是美國哈里斯公司（Harris）已經推出100千克級、0.5米級分辨率微衛星產品，為亞米級微衛星星座的部署打下基礎。

在大口徑成像技術方面，目前已經發展出空間分塊可展開成像、稀疏孔徑成像、薄膜衍射成像和在軌自動裝配成像等多種技術體制。

哈里斯公司微納衛星產品

美國政府高度重視空間分塊可展開成像技術的發展，在“未來成像體系-光學”衛星（FIA-O）項目失敗后，空間分塊可展開成像技術的發展實際上主要由NASA主導的“詹姆斯-韋伯空間望遠鏡”（JWST）項目承擔起來，該空間望遠鏡所采用的分塊可展開主鏡技術與“未來成像體系”計劃中“分塊拼接望遠鏡”（SMT）項目所采用的技術完全相同，都是由若干小口徑子鏡拼接為大口徑的主鏡。

2016年，“詹姆斯-韋伯空間望遠鏡”取得了重大進展。NASA成功將18塊口徑1.1m的子鏡拼接為口徑6.5m的大口徑主鏡，這是當今世界上口徑最大的空間望遠鏡主鏡，該空間望遠鏡計劃于2018年發射。

目前，美國國防高級研究計劃局（DARPA）正在開展“空間光學孔徑自裝配”（OASIS）項目，利用小型模塊化衛星技術、在軌服務技術、拼接主鏡技術，試圖在軌建造5m口徑光學成像系統。該項目的目的是驗證在軌構建大于5m口徑的近衍射極限光學系統的可行性，并進行關鍵技術攻關。這種在空間裝配的大口徑光學系統由多個作為獨立載荷發射的小型模塊化組件在軌自動裝配而成，其結構非常復雜，結構精度要求極高。但在軌裝配的體制可以突破任何現有或正在規劃的運載火箭所能提供的能力。利用該技術能夠構建更多的空間偵察和通信有效載荷，這是現有技術體制在短期內都無法實現的。

遙感載荷平臺實現多樣化

成像載荷除搭載在衛星平臺外，還可搭載在“國際空間站”（ISS）等平臺上。2012年，安裝了分辨率2.8m的“國際空間站環境研究與可視化系統”（ISERV）。2013年，加拿大地球直播公司在“國際空間站”上安裝了中分辨率相機（MRC）和高分辨率相機（HRC）。2014年，安裝了“快速散射計載荷”（RapidSCAT）等。“國際空間站”未來還將安裝很多對地觀測載荷。

4 空間對地觀測應用與產業發展

空間對地觀測已經在農業、林業、國土安全、災害管理等行業領域有了廣泛的應用。近年，空間對地觀測與互聯網技術、大數據技術結合，極大擴展了應用領域。

互聯網+空間對地觀測，極大豐富了業務應用和服務領域

無論是傳統的對地觀測衛星運營商，還是新成立的初創公司，都積極將數據產品、服務與PC互聯網、移動互聯網結合；結合云計算、大數據等IT技術，發展創新產品和服務。例如，美國軌道邏輯公司（Orbit Logic）與美國國家地理空間情報局合作，推出“我的間諜衛星政府版”（SpymesatGov）手機應用，授權用戶可實時查看過頂衛星情況和衛星圖像。

2014年，互聯網巨頭谷歌公司（Google）收購了天空盒子成像公司（Skybox Imaging，后更名為特拉貝拉公司），利用大數據分析技術，推出一系列服務。例如，用戶可以基于衛星圖像將關注點放在礦山、工廠、港口和零售店等感興趣的內容上，具體地說，用戶可以通過礦區周圍的井坑和礦渣規模圖估算礦區的生產能力；保險公司可利用衛星查看受損的房屋來核實索賠，并標記潛在詐騙；零售商可以追蹤停車場的車輛數量，以預測商品零售量等。

已經形成完整產業鏈，產業規模快速增長

對地觀測衛星產業形成了由衛星制造、發射服務、衛星應用（含地面設備制造和運營服務）構成的完整產業鏈。

綜合參考歐洲咨詢公司和美國衛星產業協會（SIA）等國外咨詢公司數據，2015年全球對地觀測產業規模約為50億～60億美元，預計2015－2024年，全球將發射約410顆對地觀測衛星，相比前10年（2005－2014年已發射168顆衛星），衛星制造收入大幅增長，總規模將達700億美元。從發展趨勢來看，空間對地觀測產業以日趨多樣化的民用和商業應用為導向，市場發展日漸活躍，產業規模將保持穩步增長。

5 結束語

空間對地觀測系統的產生，使人類能夠以前所未有的高遠視野，從空間俯瞰整個地球，對國土安全、資源勘察、災害管理等方面影響巨大。空間對地觀測系統是全球信息快速獲取的重要手段，是國家戰略性和基礎性的資源，是世界主要航天國家爭先發展的重要領域和新興國家發展航天的首選領域。未來，衛星系統創新和應用創新將成為空間對地觀測領域發展的主旋律。