2018年國外對地觀測衛星發展綜述

龔燃 劉韜（北京空間科技信息研究所）

2018年，國外天基對地觀測領域有19個國家/地區共進行了31次發射，成功將123顆衛星送入軌道，發射數量在全年衛星發射總數中占據顯著優勢，是發展最為迅速的應用衛星，凸顯了國外對天基對地觀測的旺盛需求。從發射主體來看，主要發射活動集中在美國，共發射了86顆，歐洲發射了12顆，俄羅斯發射了6顆，日本發射了5顆。從衛星用途來看，大部分為商用衛星，占發射總數的70%。

截至2018年底，國外共有601顆對地觀測衛星在軌運行，約占全球在軌衛星總數的33%，共有超過30個國家和機構運營對地觀測衛星系統。其中，美國對地觀測衛星數量最多，約占66%，商用對地觀測衛星數量最多，約占57%，光學對地觀測衛星數量最多，共計400顆，約占67%。

1 美國

2018年，美國仍是對地觀測衛星發展最為活躍的國家，一方面，繼續保持著軍用、民用對地觀測衛星系統的穩定運行；另一方面，微小型商業對地觀測衛星領域發展活躍，推動微納衛星業務領域不斷拓展，微小衛星對地成像和氣象監測等應用領域逐步成熟。

完善與增強天基偵察監視能力，積極謀求創新發展形成新代差

“未來成像體系-雷達”（FIA-Radar）衛星星座得到擴充。2018年1月12日，美國國家偵察局（NRO）成功發射FIA-Radar衛星系列第5顆衛星NROL－47，又稱黃玉－5（TOPAZ－5），前4顆衛星已分別于2010年9月、2012年4月、2013年12月和2016年2月發射。該系列5顆衛星由波音公司（Boeing）研制，用于接替1988－2005年發射的“長曲棍球”（Lacrosse）雷達成像偵察衛星。TOPAZ－5衛星運行在高1100km、傾角123°的逆行圓軌道上，與之前發射的TOPAZ衛星高度和傾角明顯不同。

積極發展軍民微納對地觀測衛星星座。2018年12月3日，美國成功發射“軍事作戰空間使能效果”（SeeMe）衛星，該衛星為美國國防高級研究計劃局（DARPA）發展的低軌小型低成本衛星，由雷神公司（Raytheon）研制，將為戰場作戰人員提供更強大的態勢感知能力。DARPA原計劃由24顆小衛星構成星座，但于2015年取消，最終僅有1顆衛星完成研制，該衛星的實際成像能力還有待DARPA進行后續公布。雖然DARPA停止了對SeeMe項目的支持，但仍然將微納衛星對地觀測技術作為發展重點，包括后續提出“雷達網”、“小衛星傳感器”項目，重點突破可使用于微小衛星的光電／紅外遙感器、展開式天線和星間通信技術等。同時，DARPA于2018年啟動“黑杰克”（Blackjack）低軌星座項目，旨在充分利用美國商業低成本衛星平臺，在500～130km的軌道高度構建約60～200顆規模的微衛星星座，并自主運行30天，實現全球連續覆蓋，并與商業星座協同工作，增強系統抗毀能力。

部署新型環境監測衛星，提升地球觀測能力

最新一顆地球靜止軌道氣象衛星發射入軌。2018年3月1日，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）成功發射新一代氣象衛星系列中的第2顆衛星—地球靜止環境業務衛星－S（GOES－S/GOES－17）。衛星測試軌位為89.5°（W），2018年底開始業務運行。GOES－S衛星與之前發射的首顆GOES－R衛星并無太大差異，僅進行了一些小的調整，包括對熱包層進行微調以確保星上設備保持在最佳溫度，以及對磁場儀的星上位置進行了更改。GOES－R衛星星載先進基線成像儀（ABI）目前每15min拍攝1次全景圖像，GOES－S衛星將測試ABI每10min拍攝1次全景圖像的能力。GOES－S衛星將觀測美國西部、阿拉斯加、夏威夷以及太平洋至新西蘭地區。配合之前發射的GOES－R（觀測美國東海岸、加勒比海、大西洋至非洲），將能完整觀測西半球大部分地區。該系列的另外2顆衛星GOES－T和GOES－U正在研發中，將分別于2020年和2024年發射。

GOES－S衛星示意圖

發射與德國合作的新一代重力探測雙星，首次測試激光測距干涉儀。2018年5月22日，由美國國家航空航天局（NASA）和德國波茨坦地學研究中心（GFZ）合作研制的2顆“重力恢復和氣候實驗后繼星”（GRACE-FO）成功發射。發射后不到3周，GRACE-FO雙星就成功完成星載衛星激光測距干涉儀（LRI）測試，驗證了微波測距系統的性能，并監測到了地球質量分布引起的地球重力場變化。該測距儀是GRACE-FO衛星的技術試驗設備，已與主測距設備—微波測距儀進行同時測量，2個測距儀數據具有較高吻合度。GRACE-FO是目前全球唯一在軌運行的先進重力探測衛星星座，主要目標是延續GRACE任務，獲取高精度的地球重力場數據，實現每30天更新一次全球重力場模型；次要目標是驗證LRI在改進星間測距精度方面的有效性和能力，繼續進行無線電掩星測量，為氣象服務提供溫度或濕度的垂直分布圖。

GRACE-FO衛星飛行示意圖

發射監測地球冰川的衛星。2018年9月15日，NASA成功發射冰、云和陸地高程衛星－2（ICESat－2），以測量覆蓋格陵蘭島和南極洲的陸地冰川年均高度變化。衛星搭載了新型的激光高度計—“改進的先進地形激光測高系統”（ATLAS），可發射6束綠色激光，發射頻率為10000次/s，產生的數據量為ICESat衛星的250倍，高度測量精度可達1cm，同時具有10kHz的高脈沖重復率，可在沿軌方向以70cm間隔進行密集采樣。ICESat－2衛星每年將沿同一路徑測量極地地區的冰層高度4次，提供季節性和年度冰層高度變化監測，延續NASA連續15年的極地冰層厚度數據。ICESat－2衛星與GRACE-FO衛星相結合，可更準確量化南極冰蓋變化。

lCESat－2衛星飛行示意圖

商業對地觀測衛星穩定運行，更多公司開始發射與規劃新型商業星座

國外商業微納衛星對地觀測衛星星座經歷了過去數年中從概念提出到大規模部署的發展，開始進入穩定運行階段。美國行星公司（Planet）的“鴿群”（Flock）星座目前已完成系統部署，星座規模約由150顆衛星組成，“天空衛星”（Skysat）星座已有10余顆工作星在軌工作；斯派爾公司（Spire）的“狐猴”（Lemur）衛星星座已經完成第二代型號更替；黑天全球公司（BlackSky Global）自2018年底開始發射首批工作衛星，計劃2019年完成全部60顆衛星的發射部署。

除了行星公司、斯派爾公司、地理光學公司（GeoOptics）等常規部署后續星座，越來越多的初創公司開始發射自己的商業對地觀測衛星星座，美國鷹眼360公司（Kestrel Eye 360）、阿斯特羅數字公司（Astro Digital）、五車二空間公司（Capella Space）均在2018年發射了其首顆衛星。同時，2018年，卡佩拉空間公司（Capella Space）和高光譜衛星公司（HyperSat）等獲得融資，正在研制并即將發射其新型商業合成孔徑雷達（SAR）小衛星星座和全球首個高光譜小衛星星座。

2 歐洲

2018年，歐洲持續保持對地觀測領域的高投入，部署后續環境監測衛星，大力推進“哥白尼”（Copernicus）對地觀測計劃。法國、西班牙積極研制新一代偵察監視系統，通過歐洲各國之間的合作，增強歐洲整體成像能力。在全球商業對地觀測市場蓬勃發展的影響下，英國、芬蘭等國家的商業公司積極發展商業對地觀測小衛星星座，并啟動首顆星的部署。

積極建設下一代偵察監視系統，推進歐洲軍民兩用對地觀測系統共享

法國開始部署新一代光學成像偵察衛星，偵察系統向體系化發展。根據法國2018年1月提出的軍事航天系統發展計劃，將重點支持提升低軌監視能力和地球靜止軌道（GEO）監視能力。法國計劃于2018－2022年陸續完成更新換代工作，包括由3顆衛星組成“光學空間段”（CSO）衛星星座，首顆CSO－1衛星于2018年12月19日發射，用于接替太陽神－2（Helios－2）衛星。CSO衛星相機基于“昴宿星”（Pleiades）衛星技術進行了重大改進，采用了全新的可見光和紅外探測器、高度集成的視頻電子器件、用于紅外通道的新制冷機制，以及相機的新陶瓷支撐架構，分辨率從0.5m提高到0.35m。同時，法國光學成像偵察系統向體系化發展，正在論證地球靜止軌道、大橢圓軌道（HEO）光學成像衛星，未來有望與低軌衛星共同組建高低軌結合的光學成像偵察衛星體系。

CSO衛星組網工作示意圖

Paz衛星飛行示意圖

西班牙成功發射軍民兩用SAR衛星。2018年2月22日，西班牙對地觀測衛星“帕茲”（Paz）成功發射，Paz為X頻段SAR衛星，將加入“多國天基成像系統”（MUSIS），主要滿足西班牙的國防和安全需求。衛星有效載荷包括X頻段SAR（Paz-SAR）、自動船只識別系統（AIS）、無線電掩星與強降水裝置（ROHPP）和激光后向反射器（LRR）。衛星地面段采用德國航空航天中心（DLR）研制的SAR處理器，用于基于原始SAR數據生成與德國的“X頻段陸地合成孔徑雷達”（TerraSAR-X）衛星相同的高精度的圖像產品（分辨率為1～18m）。該衛星進入與德國TerraSAR-X和“X頻段陸地雷達附加數字高程模型”（TanDEM-X）相同的軌道運行，三星星座可提高重訪能力，實現3天內全球覆蓋，任意地方1天內重訪。

部署新型環境監測衛星，拓展民用對地觀測能力

歐洲第3顆極軌氣象衛星成功發射入軌。2018年11月17日，歐洲第3顆極軌氣象衛星—氣象業務－C（MetOp－C）衛星成功發射。MetOp－C衛星是MetOp系列衛星的最新一顆衛星，其前續衛星MetOp－A和MetOp－B分別于2006年和2012年成功發射。MetOp－C衛星發射質量4083kg，主要用于確保歐洲從極地軌道采集數據持續提供氣象預報業務?；凇皻W洲氣象衛星組織極軌系統”（Eumetsat Polar System）的空間段合作協議，該衛星由歐洲航天局（ESA）負責研發，空客防務與航天公司（TAS）負責制造。3顆氣象業務衛星在軌運行，“歐洲氣象衛星組織極軌系統”將把氣象預報再提前10天，這將對歐洲民眾和經濟極為有利。MetOp－C衛星還能確?！皻W洲氣象衛星組織極軌系統”到第二代系統的平穩過渡，第二代系統預計將于2022年發射。

世界首顆風測繪衛星成功發射。2018年8月，ESA成功發射全球首顆專用風測繪衛星“風神”（Aeolus），利用激光雷達測量風剖面結構，實現全球風場立體觀測。衛星質量約1360kg，其核心設備是“阿拉丁”（ALADIN）多普勒側風激光雷達，由1臺紫外激光器、1部散射接收機和1副口徑約1.5m的望遠鏡組成。該激光雷達以50次/s的頻率發射紫外脈沖，散射接收機和望遠鏡實時接收經大氣分子、塵埃粒子和水滴散射的激光信號，地面人員通過分析光子多普勒變化（碰撞后的頻率和波長的變化），反演出大氣分子運動情況，探測高度為0～30km，風速測量精度1～3m/s。衛星提供的全球風速數據不僅將加深人類對大氣動力學的認識，還將顯著改善天氣預報精準度。

“哥白尼”計劃專用衛星發射入軌。2018年4月25日，歐洲“哥白尼”計劃專用“哨兵”（Sentinel）系列中的第7顆衛星—用于全球海洋和陸地監測的Sentinel－3B衛星發射升空。該衛星將接替已失效的“環境衛星”（Envisat），確保光學觀測數據的連續性。Sentine－3系列衛星是多傳感器衛星，裝載海洋和陸地表面溫度輻射計（SLSTR）、海洋和陸地色彩儀（OLCI）、SAR高度計（SRAL）、微波輻射計（MWR）等，以高精度測量海面地形、海洋和陸表溫度，監測海冰變化，支持海洋預報系統和環境與氣候監測。

Sentinel－3B衛星飛行示意圖

歐洲各國重視空間地理信息服務，積極發展商業對地觀測衛星

英國成功發射全彩色視頻星座驗證星。2018年1月12日，英國地球成像公司（Earth-i）“清晰成像”（Vivid-i）星座的驗證星—碳凝結－2（CARBONITE－2）衛星成功發射。該衛星是Vivid-i星座的第2顆技術試驗衛星，由英國薩瑞衛星技術有限公司（SSTL）研制，CARBONITE－2衛星在交付Earth-i公司后將更名為清晰－X2（Vivid－X2）衛星。第1顆技術試驗衛星CARBONITE－1于2015年發射，驗證了利用低成本商用現貨（COTS）開展在軌視頻成像的能力，任務取得圓滿成功。SSTL公司計劃2019年初再為Earth-i公司發射5顆Vivid-i衛星，此后根據客戶需求分5批進行星座發射。Vivid-i星座是Earth-i公司規劃的全球首個具備全彩色視頻成像能力的商業星座，也是歐洲首個兼具視頻和靜態成像能力的星座，由15顆運行在高500km的太陽同步軌道的衛星組成，超分辨率模式成像分辨率為0.6m，常規模式成像分辨率1m，幅寬5km，可實現每日全球2次重訪。星座建成后，將能夠顯著提高Earth-i公司及英國政府對全球任意地點事態的監測、跟蹤和分析能力。

Vivid-i星座單星

lCEYE－X1衛星飛行示意圖

芬蘭發射2顆商業SAR微衛星并獲多方資金支持。2018年1月和12月，芬蘭冰眼公司（ICEYE）分別發射了2顆“冰眼”（ICEYE）衛星。ICEYE－X衛星是世界首顆質量小于100kg的SAR成像衛星，也是該公司規劃的衛星星座的頭兩顆衛星，平臺和載荷均由該公司研發和集成。2018年3月7日，冰眼公司與挪威康斯貝格衛星服務公司（KSAT）達成合作協議，利用KSAT公司地面站接收SAR衛星圖像，提供海冰和海事環境監測服務。冰眼公司計劃2019年再發射5～8顆衛星，完成至少由6顆衛星組網的衛星星座，最終建成一個由18顆衛星組網、平均重訪周期達到3h的衛星星座。2018年冰眼公司也獲得了多方融資，包括B輪3400萬美元融資，以及芬蘭國家商務促進局（Business Finland）提供的1000萬歐元（約合1136萬美元）資金支持。至今，冰眼公司已獲得超過6500萬美元的資金支持，將幫助其維持后續高度密集的發射進度。

3 俄羅斯

2018年，俄羅斯穩步推進對地觀測衛星系統的建設和更新，加速新興衛星系統的研制與部署，升級現有系統，以推動衛星數據運營和應用。

加速新型軍用衛星系統的研制與部署。2018年3月和10月，俄羅斯分別發射了1顆小型偵察衛星宇宙－2525（Kosmos－ 2525，即EMKA）和1顆新型軍用測地衛星宇宙－ 2528（Kosmos－ 2528，即Lotos－S1－3）。宇宙－2525發射至極地軌道，軌道高度小于315km，該衛星由俄羅斯空間監控系統、信息和控制及機電綜合體（NPP VNIIEM）研發，采用新型小衛星設計，質量小于300kg，可拍攝高分辨率地球表面監視圖像，屬于俄羅斯后續“小衛星-高分”（MKA-V）系列遙感衛星的技術驗證和風險降低任務。宇宙－2528軌道高度900km，是俄羅斯發展的第三代低軌電子偵察衛星，用于偵收電子設施電磁輻射信號，獲取情報信息，星上攜帶無線電信號偵收載荷。

發射4顆老人星－V （Kanopus－V），升級現有環境監測系統。Kanopus－V－3/4/5/6衛星分別于2018年2月1日和2018年12月26日發射，每顆Kanopus－V衛星都搭載相同的3個光學成像有效載荷，包括：全色成像系統（PSS），全色分辨率2.5m，幅寬20km；多光譜成像系統（MSS），全色分辨率12m，幅寬20km；多光譜掃描儀單元－200（MSU－200），多光譜分辨率25m，幅寬250km。衛星用于監測人為和自然緊急情況，包括自然水文氣象現象、冰況、污染物的大量排放（比如露天采煤），以及農業活動、自然資源（包括水生資源和沿岸資源）和土地使用。

4 日本

2018年，日本偵察監視衛星密集發射，新型光學與雷達偵察監視衛星完成部署，軍用對地觀測衛星的更新換代加速，同時繼續部署專用環境監測衛星，強化軍民應用。

積極構建新一代情報收集衛星體系，強化情報收集能力

2018年2月27日、6月12日，日本相繼發射了“情報收集衛星”（IGS）系列的1顆光學衛星和1顆雷達衛星，即IGS－O6衛星和IGS－R6衛星。IGS－O6衛星是第三代IGS的第2顆光學衛星，與2015年發射的IGS-O5性能基本一致，分辨率0.4m。IGS－R6與IGS－R5同屬第三代IGS雷達衛星，分辨率0.5m。截至2018年底，共有7顆IGS在軌工作，其中光學衛星2顆、雷達衛星5顆。IGS最初計劃由2對共4顆衛星組成星座，每對包含1顆光學和1顆雷達成像偵察衛星。2015年日本發布《航天基本計劃》，提出將加強情報偵察和海洋監視能力，提升多個領域的“情報、監視與偵察”（ISR）能力，構建新型IGS星座，將IGS星座擴展至4顆光學+4顆雷達+2顆數據中繼衛星，采用多樣化衛星，提高響應能力。這些重大轉變將使日本的軍用對地觀測衛星系統技術能力和應用能力實現躍變。

發射新一代溫室氣體觀測衛星，高精度采集溫室氣體數據

2018年10月29日，日本環境省（MOE）、日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）和日本國家環境研究所（NIES）聯合開發的溫室氣體觀測衛星－2（GOSAT－2）發射。GOSAT－2衛星是2009年發射的GOSAT衛星的后續星，目標是通過搭載更高性能的對地觀測有效載荷，以更高的精度采集溫室氣體觀測數據，對全球CO2、CH4、CO等溫室氣體進行高精度監測，其中，對CO2的監測精度為0.5ppm，對CH4的監測精度為5ppb（陸地上空500km，海洋上空2000km）。衛星將為環境管理部門提供觀測數據，驅動國際反全球變暖行動。

5 印度

GOSAT-2衛星飛行示意圖

2018年，印度繼續完善天基對地觀測系統，于1月成功發射了制圖衛星－2（Cartosat－2）系列的第7顆衛星—Cartosat－2F。Cartosat－2F與CartoSat－2C/2D/2E衛星性能指標基本相同，與Cartosat－2/2A/2B系列衛星相比，技術能力有較大進步。衛星發射質量約710kg，星上攜帶了全色和多光譜相機，全色分辨率0.65m，4通道多光譜分辨率2m，幅寬10m，數據量化11bit。目前，印度正在研制下一代Cartosat，包括CartoSat－3（2019年發射）、CartoSat－3A（2019年發射）和CartoSat－3B（2020年發射）。此外，2018年印度還發射了2顆民用對地觀測微小衛星，分別為微衛星－TD（Microsat－TD）和“高光譜成像光譜儀”（HySIS）衛星。

6 其他國家

2018年，越來越多的新興航天國家關注和投入對地觀測衛星領域。韓國提出新版航天規劃，將對地觀測衛星作為最優先發展目標，并在2018年發射了新型地球靜止軌道氣象衛星，意圖加強技術基礎，發展獨立自主對地觀測能力。阿根廷等國家也通過自主研制或借助外部力量實現了本國天基對地觀測能力的階躍式突破。

韓國發射新型靜止軌道氣象衛星

2018年12月4日，韓國成功發射下一代地球靜止軌道氣象衛星任務的首顆星—地球靜止軌道韓國多用途衛星－2A（GEO-KOMPSAT－2A，即GK－2A）。GK－2A衛星由韓國氣象局（KMA）開發，用于氣象監測服務，另一顆GK－2B衛星用于海洋與環境監測服務。GK－2A衛星搭載的載荷包括先進氣象成像儀（AMI）和韓國空間環境監測儀（KSEM）。AMI具有覆蓋可見光和紅外譜段的16個通道，可見光通道的空間分辨率為0.5～1.0km，紅外通道的空間分辨率為2km，全盤觀測的成像時間為10min，可按照選擇的區域和時序進行觀測。GK－2A衛星將縮短韓國氣象信息獲取的時間間隙，提高圖像質量，探測朝鮮半島及周邊2500km2范圍內的臭氧以及SO2、NO2、甲醛等污染物。

阿根廷發射其首顆SAR衛星

2018年10月7日，阿根廷航天局（COMAE）成功發射“合成孔徑雷達觀測與通信”（SAOCOM）衛星星座的首顆星—SAOCOM－1A。SAOCOM星座由2顆L頻段SAR衛星組成，將獲得具有高質量輻射和幾何精度，以及高重訪頻率的數據。SAOCOM-1A衛星主要有效載荷是L頻段合成孔徑雷達SAOCOM-SAR，具有標準、高分辨率和全球覆蓋3種運行模式，分辨率為7～100m，幅寬為50～400km。該載荷采用了頂級雷達技術，利用能夠穿透云層的L頻段獲取地球表面三維圖像，甚至能夠探測地面的濕度。阿根廷航天局將與意大利航天局（ASI）共同負責SAOCOM衛星系統的運營，作為阿根廷-意大利衛星系統的一部分，與意大利的4顆X頻段“地中海盆地觀測小衛星星座系統”（COSMO-SkyMed）聯合運行，提供每日2次覆蓋的能力，為用戶提供X頻段和L頻段的SAR產品，研究農業，災害監測和科學研究中的土壤濕度，提供與應急管理相關的信息。

7 結束語

當前，天基對地觀測體系和能力日趨完備，系統規模和能力穩步發展，并基于對地觀測應用與服務衍生出的需求變化，形成成熟應用型與探索應用型兩類差異化雙驅發展，推動新一代天基對地觀測系統的轉型發展與技術創新。在軍用對地觀測領域，主要軍事航天國家繼續研制和部署先進光學/雷達偵察監視衛星，借助不同類型遙感器的協同工作，實施全天時、全天候的成像偵察能力；在民用對地觀測領域，各國持續穩步推進后續系統的建設與更新，加速新興系統研制與部署的同時，謀劃升級現有系統，逐步形成全球綜合地球環境監測體系；在商用對地觀測領域，結合信息化和航天技術的初創公司與傳統甚高分辨率商業遙感運營商形成差異化發展路線，空間分辨率和時間分辨率均快速發展。總體上，天基對地觀測領域正在走向全面升級換代的新階段。