法國新一代成像偵察衛星系統發展

劉韜（北京空間科技信息研究所）

2018年12月19日，法國光學空間段－1（CSO－1）衛星由歐洲阿里安集團采用俄羅斯聯盟號運載火箭成功發射，標志著法國最新一代光學成像偵察衛星開始部署。CSO－1衛星運行在800km的軌道，分辨率達到0.35m，具有自主運行能力，技術水平幾乎達到美國鎖眼－12（KH－12）光學成像偵察衛星水平，其先進的偵察能力引發國內外高度關注。

法國軍用光學成像偵察衛星起步晚于美國和俄羅斯，但發展很快，代表了歐洲天基光學成像的最高水平。隨著高時效性觀測、精細化觀測、圖像快速下傳等需求對衛星系統能力的要求進一步加強。近年，法國十分重視光學成像偵察衛星的更新換代，最新一代光學偵察衛星計劃于2018－2022年陸續部署，軍用“光學空間段”光學成像偵察衛星將接替太陽神－2（Helios－2）光學成像偵察衛星，使其分辨率從0.5m提高到0.2m。

同時，法國光學成像偵察衛星向體系化發展，正在論證地球靜止軌道、大橢圓軌道光學成像衛星，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。

1 “光學空間段”衛星發展歷程

“光學空間段”衛星是法國軍用高分辨率光學成像偵察衛星，也是歐洲聯合發展的“多國天基成像系統”（MUSIS）的重要組成部分。法國是歐洲“多國天基成像系統”計劃的主導國家之一，歐洲國家通過該計劃推進歐洲一體化的軍用對地觀測衛星體系，滿足歐洲各國安全防務等領域的應用需求?！岸鄧旎上裣到y”主要由法國、意大利和德國分別研制，法國負責光學成像偵察衛星，德國和意大利主要負責雷達成像偵察衛星，并通過多國間的共享協議來換取對方不具備的情報數據。具體來說，光學成像偵察衛星方面，法國持續推進“光學空間段”衛星，西班牙持續推進“智慧”（Ingenio）軍民兩用光學衛星；雷達成像偵察衛星方面，德國推進新型軍用雷達成像偵察衛星（SARah），意大利正式簽署了“第二代地中海盆地觀測小衛星星座”（CSG）軍民兩用雷達成像偵察衛星的發射合同，西班牙已經發射了“帕茲”（Paz）軍民兩用雷達衛星。上述衛星都是MUSIS的核心組成部分。

2010年12月，法國國防部向阿斯特留姆公司，也就是現在的空客防務與航天公司(ADS）,授出了2顆CSO衛星合同，價值7.95億歐元。CSO衛星將為法國軍方和其合作伙伴(比利時、意大利、德國、希臘和西班牙)提供高分辨率光學圖像。2011年，法國國防部和法國航天局開始了“光學空間段”衛星的論證工作，于2011年2月立項，項目名稱為CXCI，2012年項目名稱改為“高分辨率對地觀測光學系統”（OTOS），項目目的是同時為法國軍用“光學空間段”衛星和“下一代昴宿星”（Pleiades Neo）進行技術鋪墊。該項目重點關注新型有效載荷技術的發展，包括質量更輕、體積更小的空間相機技術（包括輕質量大口徑主鏡技術、相機光學設計技術和相關材料技術等）、自適應光學技術（包括變形反射鏡等技術）、時間延遲積分電荷耦合器件（TDI CCD）和面陣互補金屬氧化物半導體（CMOS）探測器的論證選擇等問題。

2013年9月，法國國防部長伊夫·勒德里昂表示，已包括2顆衛星的CSO系統需要第三顆衛星，法國應當領導該項目。并且如果歐盟執行委員會作為用戶加入該系統，將可能融資建造第三顆衛星。勒德里昂在法國航天局（CNES）內部刊物的訪談欄目中表示，法國希望加強與德國和意大利對于CSO系統的圖像共享協議，即根據分別簽署的雙邊協議，法國向上述兩國提供光學圖像，以換取雷達圖像。法國希望制造第三顆CSO衛星以保持在歐洲光學成像偵察方面的優勢。2015年3月，法、德達成初步協議，德國為法國開發第3顆CSO衛星投入部分資金，作為回報，德國可獲得CSO三星星座20%的圖像數據。至此，3顆CSO衛星資金基本到位，整個CSO衛星系統成本為13億歐元。

2 CSO衛星系統指標

CSO星座包括3顆光學成像偵察衛星，以兼顧甚高分辨率詳查和較快的重訪能力。3顆衛星設計基本相似，但部署軌道有所差異。CSO－1衛星運行在800km的軌道，分辨率達到0.35m，旨在提供較寬覆蓋和戰區的快速重訪能力；CSO－2衛星運行在480km軌道，分辨率達到0.2m，更高的分辨率更適于對目標進行識別，特別適合為分析決策服務，計劃于2021年發射。CSO－3衛星更加注重高重訪能力，具體部署軌道高度和分辨率指標還不明確，CSO－3衛星的發射合同已于2018年授出，將由阿里安－6（Ariane－6）火箭發射。

CSO衛星質量為3.5t，平臺具備很高的敏捷能力，部分技術來源于“昴宿星”，CSO衛星具有自主軌道控制能力，可保持精確軌位，載荷具有可見光和紅外成像能力。其紅外探測器基于碲鎘汞（MCT）技術，由法國Sofradir公司研制。CSO衛星具備較強的敏捷能力，具有多種成像模式，能夠拍攝三維圖片。在載荷方面，CSO衛星的空間相機與太陽神-2的相機相比，取得了重大技術進步，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。與太陽神-2相機相比，CSO空間相機大30%，部件數是其兩倍，但研制時間縮短了40%。CSO的空間相機是歐洲有史以來最大和最為復雜的相機。此外，由于對地面站進行了優化，CSO衛星圖像下傳時間從上一代太陽神-2衛星的6h提高到90min。總體來說，CSO衛星是高度保密的偵察衛星，具體技術細節沒有公開報道，但其技術來源于CNES開展的“高分辨率對地觀測光學系統”項目。

成像探測器和相應的望遠鏡設計方案

OTOS項目根據700km軌道、0.2～0.3m分辨率的設計需求，給出了若干探測器和相機設計方案，2016年又曝光了最終設計方案，可以合理推測CSO衛星的技術指標。OTOS項目研制的相機主鏡口徑1.5m，在700km軌道可實現全色0.2～0.3m的分辨率，視場1.2°,幅寬15km。OTOS在技術論證過程中，探測器有3個方案，包括2種面陣探測器方案和TDI方案，對應6種望遠鏡設計方案。

泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）為OTOS項目研制了基于微晶玻璃的主鏡，ADS公司為其研制了碳化硅（SiC）主鏡。相機采用自適應光學技術，TAS和ADS公司分別為這兩種不同材料的主鏡研制了兩套不同的變形反射鏡，TAS公司研制了微晶玻璃變形反射鏡；由ADS公司牽頭，法國CILAS公司研制了基于單晶壓電陶瓷的變形反射鏡。

法國研究表明，兩種Korsch型望遠鏡方案滿足相機小型化、設計容差、圖像變形約束和望遠鏡質量的要求。法國選擇的最終方案為F/20 Korsch型望遠鏡方案。

從曝光的CSO衛星技術指標來看，其分辨率和部署軌道高度均與OTOS預研衛星項目相似，除已曝光的分辨率指標外，根據OTOS項目透露的指標，推測CSO衛星空間相機口徑為1.5m、幅寬約為15km（該值為700km高度的幅寬，根據實際軌道高度，有所改變）。

最后，OTOS項目研發的衛星在700km軌道可實現0.2～0.3m全色空間分辨率估算，假設CSO衛星部署在300km軌道，可近似達到0.1m水平，已達到美國KH-12衛星全色分辨率指標。而CSO衛星質量僅為3.5t，KH-12衛星干質量達到10t，可見法國以更低的質量實現了近似相同的分辨率。

法國高分辨率光學成像衛星對比

3 法國光學成像偵察衛星體系展望

在升級換代低軌光學成像偵察衛星的同時，法國也十分重視發展由低軌、橢圓軌道和靜止軌道衛星構成光學成像偵察衛星體系。

低軌光學成像衛星

未來法國低軌光學成像偵察衛星主要由CSO衛星和商為軍用的Pleiades Neo組成。

目前，ADS公司正在研制Pleiades Neo衛星，以追趕美國數字全球公司（DigitalGlobe）的世界觀測-3、4（WorldView-3、4）衛星的能力水平，從而獲得更多的市場。ADS公司兼顧對地成像與通信數傳能力融合發展，Pleiades Neo將4星組網，分辨率提高到0.3m，具備激光通信鏈路，通過歐洲數據中繼（EDRS）靜止軌道通信衛星獲得的中繼數據，以大幅度增加數據獲取能力。

與現有“昴宿星”星座相比，該星座每天的重訪次數是其2倍，重新規劃任務的速度是其6倍。用戶將利用Pleiades Neo星座更強的監測能力和運行效率開展應用。根據ADS公司提升數字化程度和連通性的戰略部署，公司將增強地面部分的信息訪問能力，提供機器學習和自動化分析應用，這些應用具備多重任務和大規模圖像處理能力。

每顆衛星每天可拍攝5×105km2的圖像數據。衛星拍攝的圖像將被上傳至“綜合地圖集”（OneAtlas）在線平臺，與ADS公司擁有的光學和雷達數據融合，供客戶進行即時數據訪問和分析。

Pleiades Neo星座可直接連接“歐洲數據中繼系統”，該系統又名“太空數據高速公路”（Space Data Highway），由歐洲航天局（ESA）和ADS公司以公私合作（PPP）形式聯合開發，已為歐盟“哥白尼”計劃中的Sentinel系列衛星提供服務。Pleiades Neo星座將是第一個可直接連接EDRS的商業對地觀測衛星星座，能夠確保星座具有最快反應速率、最低響應延遲和高容量數據傳輸能力。Pleiades Neo星座采用先進的激光通信技術，與地球靜止軌道上的中繼衛星的通信帶寬達1.8Gbit/s，借助中繼衛星每天可實現高達40TB的準實時數據傳輸。Pleiades Neo星座的集成激光終端由德國Tesat空間通信公司（TesatSpacecom）設計，德國航天局（DLR）和ADS公司聯合研制，德國航天局為終端的研發和驗證提供技術支撐，德國聯邦經濟事務和能源部提供資金支持，這種聯合研制的方式可顯著提升設計和集成的成本效率。與現有終端相比，新一代激光終端的功率得到了優化，質量和尺寸減少了60%。4顆衛星均載有快速反應式Ka頻段終端，這對于自然災害和一線應急響應評估相當重要。

法國橢圓軌道高分辨率對地觀測衛星參數表

橢圓軌道高分辨率光學成像衛星

體系第二部分是分辨率為1m的橢圓軌道衛星（該項目名稱為HRT），其持續觀測時間達到45min。據分析，法國這顆橢圓軌道衛星的突出特點是致力于在軌道高度6353km的遠地點實現1m空間分辨率/50km幅寬的寬幅高分觀測能力。相比來說，俄羅斯運行在高度2000～3000km的橢圓軌道的“阿拉克斯”（Araks）衛星，其2m的最高分辨率是在近地點實現的；美國的運行于300～1000km軌道的鎖眼－12衛星也是在近地點實現最高分辨率的。

橢圓軌道衛星相對于低軌衛星的優勢是在遠地點弧段駐留目標上空的時間較長，可在近一半的軌道范圍內觀測感興趣的地區。但另一方面，該類衛星目前也面臨諸多技術問題。首先，在運載火箭兼容性上存在問題，116°的軌道傾角超出了Vega運載火箭的現有設計能力。其次，橢圓軌道衛星面臨較強的空間輻射，但CNES的“昴宿星”項目主任阿蘭·戈萊澤斯表示，該機構已經擁有了輻射加固方面的新專利技術，可以減輕輻射對衛星的影響，但具體內容在專利公布前是保密的。再次，橢圓軌道高分辨率衛星需要更大口徑的望遠鏡，雖然歐洲碳化硅單鏡面成像系統的制造能力可以滿足要求，但還需要利用較為復雜的自適應光學系統。

靜止軌道高分辨率光學成像衛星

體系第三部分是分辨率為3m的靜止軌道光學成像衛星，其設計壽命達到15年，具備持續監視能力，但面臨很多技術難題，如：載荷設計、圖像處理和軌道控制技術等。ADS公司和美國鮑爾宇航技術公司都在研究靜止軌道高分辨率光學成像衛星，但認為這種衛星的技術難度最高、體積大、質量大，且成本高昂。

然而另一方面，ADS公司公布其在GEO高分辨率光學成像衛星技術上已經取得了一定的技術突破。ADS公司曾經在2011年巴黎航展上對分辨率為3m的“靜止軌道空間監視系統”（GO3S）衛星的應用前景進行了模擬演示。又在2012年IAC會議上宣布初步具備了GO3S衛星的制造能力，2013年4月對外發布了GO3S衛星的應用說明書，以在全球尋找該衛星的投資。

GO3S衛星高10.3m，發射質量8840kg，采用最大口徑達4m的單塊主反射鏡裝配光學成像相機，其主鏡由碳化硅材料制成，遮光罩質量為350kg。衛星幅寬可達100km，能夠持續覆蓋南北緯50°范圍內的區域，提供高分辨率圖像和視頻，具有動目標監視能力。GO3S衛星的應用可能是為政府部門進行海洋監視和環境監測。

4 結束語

隨著法國新型CSO低軌光學成像偵察衛星的發展，軍用衛星成像能力已達到0.2m水平，其實力已接近美國，強于俄羅斯。軍用CSO系列衛星多種軌道配合組網，一方面兼顧甚高分辨率重訪和較大幅寬覆蓋，提高了重訪能力，另一方面也提升了體系彈性。在發展道路上，法國新一代軍用衛星和民用衛星來源于共同立項的技術研發項目，使民用衛星在空間分辨率方面大體追平軍用衛星。

在光學成像衛星設計中，法國統籌考慮衛星體系的綜合能力，軍星在追求單星更高分辨率、更輕量化、更好的自主運行能力的同時，也對多軌道衛星組成體系非常重視；民星注重衛星的搭配組網，在空間分辨率、時間分辨率上達到了一個前所未有的層次。法國新型光學成像衛星的技術發展和發展模式值得參考借鑒。