2019年國外民商用對地觀測衛(wèi)星發(fā)展綜述

陳塞崎 龔燃

（1中國航天科技集團有限公司 2北京空間科技信息研究所）

2019年，國外民商用對地觀測體系和能力日趨完備：民用對地觀測衛(wèi)星保持穩(wěn)定發(fā)展，各國持續(xù)穩(wěn)步推進后續(xù)系統(tǒng)的建設與更新，同時積極發(fā)展實驗性小衛(wèi)星技術；商業(yè)對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)持續(xù)補給，重點發(fā)展高重訪頻次能力，兼顧高成像分辨率，業(yè)務類型多樣化拓展。

1 概述

2019年，國外民商用對地觀測衛(wèi)星領域共進行了17次發(fā)射，成功將68顆衛(wèi)星送入軌道（發(fā)射70顆，失敗2顆）。在發(fā)射主體方面，主要發(fā)射活動集中在美國，共發(fā)射了53顆，歐洲6顆，俄羅斯2顆，日本2顆，其他國家7顆。從衛(wèi)星類型來看，光學對地成像衛(wèi)星數(shù)量最多，為43顆（其中失敗2顆）；雷達對地成像衛(wèi)星7顆；氣象環(huán)境探測衛(wèi)星19顆；射頻信號接收定位衛(wèi)星1顆1射頻信號接收定位衛(wèi)星是近年來新出現(xiàn)的類別。。從用途來看，大部分為商用衛(wèi)星，達58顆，民用衛(wèi)星12顆。

截至2019年底，國外共有556顆民商用對地觀測衛(wèi)星在軌運行，美國396顆，歐洲55顆，俄羅斯15顆，日本21顆，印度12顆，其他國家57顆。美國仍是擁有民商用對地觀測衛(wèi)星最多的國家，并且在數(shù)量和能力上占有絕對優(yōu)勢。按用途統(tǒng)計，民用衛(wèi)星162顆，商用衛(wèi)星394顆。

2 美國

2019年，美國民商用對地觀測衛(wèi)星發(fā)展平穩(wěn)，繼續(xù)保持著規(guī)模、技術及應用上的優(yōu)勢。新一代靜止軌道和極軌民用氣象衛(wèi)星計劃進展順利，成功部署多個環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星及載荷任務，啟動了多個環(huán)境監(jiān)測領域任務，政府機構繼續(xù)開展商業(yè)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的采購和評估；商業(yè)公司繼續(xù)加速其環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星星座的計劃，低成本高能力的新型遙感儀器不斷涌現(xiàn)。

下一代地球靜止軌道和極軌衛(wèi)星計劃進展順利

美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）在地球靜止軌道（GEO）和極地軌道均部署了先進的衛(wèi)星。GEO軌道上，2018年3月1日發(fā)射的地球靜止環(huán)境業(yè)務衛(wèi)星－17（GOES－17）經(jīng)過一系列測試后，于2019年1月正式投入運行。極地軌道上，“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”（JPSS）系列的首顆星—諾阿－20（NOAA－20）已投入使用。

成功發(fā)射OCO－3專用溫室氣體探測載荷

5月，美國國家航空航天局（NASA）成功發(fā)射軌道碳觀測－3（OCO－3）專用溫室氣體探測載荷。OCO－3是NASA專用于溫室氣體探測的獨立載荷儀器載荷，安裝在“國際空間站”（ISS）的日本希望號實驗艙的艙外實驗平臺（JEM-EF）上，與2014年7月發(fā)射的OCO－2衛(wèi)星一起，獲取高精度、高空間分辨率的全球CO2觀測數(shù)據(jù)。OCO－3載荷與OCO－1/2衛(wèi)星載荷一樣，由3個高分辨率光柵光譜儀組成，可探測CO2和O2等氣體，空間分辨率1.29km，測量精度1ppm。

啟動多個環(huán)境監(jiān)測立方體衛(wèi)星任務

1月，美國環(huán)境保護基金會（EDF）授予鮑爾公司（PCC）和勞拉空間系統(tǒng)公司（SSL）研制合同，為一顆私人投資的“甲烷衛(wèi)星”（MethaneSAT）進行開發(fā)設計，用于追蹤全球甲烷氣體人為排放情況。MethaneSAT衛(wèi)星將對來自50個主要石油和天然氣地區(qū)、占全球產(chǎn)量80%的甲烷氣體排放進行監(jiān)測。

2月，美國NASA啟動了一項用于土壤濕度和雪測量、名為“機會信號P頻段研究”（SNoOPI）的立方體衛(wèi)星新任務。該任務計劃于2021年部署至低地球軌道（LEO）上，將首次對一種稱為“機會信號”的遙感技術進行在軌驗證，從GEO軌道上通信衛(wèi)星的傳輸中來檢索對水分含量敏感的P頻段無線電信號。該研究對于早期洪水和干旱預警以及農(nóng)作物產(chǎn)量預測非常重要。

8月29日，NASA授予雷神公司（Raytheon）建造地球靜止沿海成像和監(jiān)測輻射計（GLIMR）。GLIMR是NASA選定的地球探險儀器－5（EVI－5）計劃，利用高光譜成像采集和處理來自電磁波譜的信息，以對沿海水域的物理和生物條件進行高度詳細制圖。GLIMR將為墨西哥灣、美國東南部海岸線和亞馬遜河流域的沿海和海洋生態(tài)系統(tǒng)提供高靈敏度、高空間和高時間分辨率的測量。

商業(yè)對地成像衛(wèi)星持續(xù)補給、快速發(fā)展

光學對地成像方面，持續(xù)補給“鴿群”（Flock）、“狐猴”（Lemur）等微小衛(wèi)星，形成數(shù)百顆衛(wèi)星星座實現(xiàn)實時或近實時的對地觀測能力。美國行星公司（Planet）于4月和11月相繼部署2批32顆“鴿群”衛(wèi)星，在軌衛(wèi)星達到230顆；黑天全球公司（BlackSky Global）完成首批2顆衛(wèi)星在軌測試，并發(fā)射黑天全球－3和4衛(wèi)星。

合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星方面，美國卡佩拉空間公司（Capella Space）、美國約克空間系統(tǒng)公司（York Space System）已經(jīng)發(fā)射雷達試驗星。約克空間系統(tǒng)公司的“先驅(qū)”（Harbinger）衛(wèi)星于5月5日發(fā)射，總質(zhì)量150kg，分辨率10m，載荷包括光通信系統(tǒng)，數(shù)率達到1Gbit/s。

3 歐洲

2019年，歐洲持續(xù)保持對地觀測領域的高投入，積極推進新型對地觀測系統(tǒng)的發(fā)展。歐盟委員會（EU）和歐洲航天局（ESA）聯(lián)合實施的“哥白尼”（Copernicus）計劃、ESA的“地球探索者”（Earth Explorer）計劃、歐洲氣象衛(wèi)星應用組織（Eumetsat）的氣象衛(wèi)星計劃繼續(xù)穩(wěn)定部署；環(huán)境監(jiān)測方面，意大利發(fā)射“高光譜應用先導任務”（PRISMA）衛(wèi)星，推動高光譜成像衛(wèi)星應用；同時，商業(yè)衛(wèi)星公司廣泛開展合作，LEO軌道大型商業(yè)遙感小衛(wèi)星星座快速發(fā)展，多個商業(yè)對地觀測衛(wèi)星星座進行在軌試驗。

“哥白尼”項目獲得歐盟委員會的額外預算

1月，歐盟委員會宣布將為ESA額外撥款9600萬歐元資金用于“哥白尼”項目，包括開發(fā)哨兵－6（Sentinel－6）衛(wèi)星以及新的數(shù)據(jù)訪問和信息服務。截至2019年底，在軌“哨兵”衛(wèi)星共計7顆，包括2顆哨兵－1雷達成像衛(wèi)星、2顆哨兵－2光學成像衛(wèi)星、2顆哨兵－3陸地與海洋觀測衛(wèi)星、1顆哨兵－5P衛(wèi)星。“哨兵”系列衛(wèi)星對天氣、土氣使用、空氣質(zhì)量、農(nóng)業(yè)以及可用于城市規(guī)劃和減少氣候變化的其它環(huán)境因素進行監(jiān)測，產(chǎn)品數(shù)量已超過1018萬個，擁有超過17.3萬個注冊用戶，每天提供數(shù)太字節(jié)（TB）的海量數(shù)據(jù)，使“哥白尼”項目成為全球最大的對地觀測數(shù)據(jù)提供者。

ESA選定第9個“地球探索者”任務

9月，ESA選定“遠紅外輻射理解與監(jiān)測”（FORUM）任務作為第9個“地球探索者”任務，用于填補其氣候觀測任務拼圖中最重要的一塊。FORUM任務目標是測量地球發(fā)射到太空的輻射，用于了解地球輻射平衡及其控制機理。FORUM任務提供的測量數(shù)據(jù)將能夠提高人們對氣候變化評估精度的置信水平，進而鞏固未來政策決策的基礎。按照計劃，F(xiàn)ORUM任務將于2026年發(fā)射。

意大利部署首顆高光譜成像衛(wèi)星

3月，意大利航天局（ASI）發(fā)射其首顆高光譜衛(wèi)星—PRISMA，旨在驗證衛(wèi)星高光譜載荷的成像能力。衛(wèi)星有效載荷是1個高光譜/全色相機，采用推掃成像方式，具備高光譜成像和全色成像兩種工作模式。PRISMA衛(wèi)星作為意大利第一顆高光譜衛(wèi)星，意味著意大利正逐漸健全衛(wèi)星成像體系，穩(wěn)步提升衛(wèi)星成像能力。

波蘭加速對地觀測衛(wèi)星的建設

4月，波蘭成功發(fā)射了首顆遙感衛(wèi)星—“斯威諾吉茨”（Swiatowid）衛(wèi)星。該衛(wèi)星也是波蘭第一顆商業(yè)小衛(wèi)星，由波蘭衛(wèi)星革命公司（Sat Relvolution）采用3D打印技術建造。衛(wèi)星是一顆2U立方體衛(wèi)星，搭載的相機能夠拍攝4m分辨率的圖像，可用于觀察水位上升、空氣狀態(tài)以及天氣變化。

此外，波蘭初創(chuàng)公司—KP實驗室公司（KP Lab）與克萊德航天公司（Clyde Space）簽署了價值不低于38.2萬美元的衛(wèi)星研制合同，由后者負責為KP Lab公司設計的直覺－1（Intuition－1）衛(wèi)星提供平臺研制及發(fā)射組織服務。Intuition－1衛(wèi)星能夠進行高光譜成像，可利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡技術實現(xiàn)星上數(shù)據(jù)處理，可快速評估植被和森林狀況，評估作物產(chǎn)量，繪制城市污染圖等。衛(wèi)星目前處于制造階段。

芬蘭冰眼公司小型SAR衛(wèi)星持續(xù)部署

7月，芬蘭初創(chuàng)企業(yè)冰眼公司（ICEYE）成功發(fā)射冰眼－X4/X5（ICEYE－X4/X5）兩顆衛(wèi)星，在軌衛(wèi)星達到5顆。ICEYE衛(wèi)星星座能監(jiān)測不斷變化的海洋和海冰，跟蹤海洋漏油和幫助防止非法捕魚等，為用戶提供全球近實時更新的SAR圖像數(shù)據(jù)產(chǎn)品。冰眼公司已在2018年12月和2019年5月先后發(fā)射了ICEYE－X1/X2和ICEYE－X3衛(wèi)星。2019年8月，該公司公開發(fā)售首批分辨率優(yōu)于1m的SAR衛(wèi)星圖像。

4 俄羅斯

2019年，俄羅斯在民商對地觀測衛(wèi)星方面體系仍不完備，主要為補充現(xiàn)有“流星”（Metor）和“電子”（Electro）氣象衛(wèi)星星座，并按照其重建天基氣象監(jiān)測網(wǎng)絡的規(guī)劃繼續(xù)發(fā)展下一代民用靜止軌道氣象衛(wèi)星、極軌氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星和極區(qū)氣象衛(wèi)星計劃。

成功發(fā)射一顆新一代極軌氣象衛(wèi)星

7月5日，俄羅斯成功發(fā)射流星－M2－2（Metor－M2－2）衛(wèi)星，即新一代流星－M系列氣象衛(wèi)星的第2顆。衛(wèi)星搭載的載荷包括低分辨率多光譜掃描儀（MSU-MR）、多光譜成像掃描儀－2（KMSS－2）、微波成像儀/探測器（MTVZAGYa）、紅外傅立葉分光計－2（IKFS－2）、改進型救援無線設備（RK-SM-MKA）和無線中繼設備（BRK）。

成功發(fā)射一顆新一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星

12月24日，俄羅斯成功發(fā)射電子－L3地球靜止軌道氣象衛(wèi)星，即第2代GEO軌道氣象衛(wèi)星的第3顆衛(wèi)星，旨在為俄羅斯政府機構提供水文氣象信息。該衛(wèi)星基于“導航者”（Navigator）平臺研制，主要有效載荷包括多光譜掃描儀（MSUGS）、太陽物理敏感器（GGAK-E）、星載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ODSS）和GEO軌道搜索與救援系統(tǒng)（GEOS&R）。

5 日本

對地觀測領域是日本航天政策提出的重點發(fā)展對象，目前已形成用于陸地觀測、氣象、溫室氣體、全球變化觀測等多個主打衛(wèi)星系列，對地觀測能力較為先進，具有一定的在軌規(guī)模，同時，日本也在積極發(fā)展商業(yè)對地觀測衛(wèi)星。

部署2顆民商用對地觀測小衛(wèi)星

1月18日，日本東京大學成功發(fā)射一顆小型實驗性地球觀測科學和技術示范衛(wèi)星，即合理－2（Hodoyoshi－2），又稱“快速國際科學實驗衛(wèi)星”（RISESat）。衛(wèi)星載有瑞典、捷克共和國等8個國家開發(fā)的科學儀器，包括：高精度望遠鏡（HPT）、雙波段光學瞬態(tài)攝像機（DOTCam）等。

12月11日，日本QPS研究所（iQPS）成功發(fā)射小型高分辨率SAR（合成孔徑雷達）地球觀測衛(wèi)星系列的首顆，即QPS-SAR－1衛(wèi)星，可以區(qū)分1m長的物體并識別道路上的汽車。

計劃發(fā)展商業(yè)合成孔徑雷達衛(wèi)星星座

7月，日本初創(chuàng)企業(yè)Synspective公司表示已獲得來自12家公司的1億美元投資，正在計劃發(fā)展由25顆小衛(wèi)星組成的、能夠日夜及穿透云層成像并實現(xiàn)全球覆蓋的SAR觀測星座，該星座稱為StriX，計劃2022年實現(xiàn)6顆衛(wèi)星在軌，實現(xiàn)對亞洲主要城市的全面覆蓋，但并未公布完成整個星座部署的時間。

6 其他國家或地區(qū)

加拿大發(fā)射新一代雷達成像衛(wèi)星星座，提升廣域監(jiān)視和動態(tài)監(jiān)測能力

6月，加拿大新一代雷達成像衛(wèi)星星座—“雷達衛(wèi)星星座任務”（RCM）的3顆衛(wèi)星成功發(fā)射。RCM星座是RadarSat－2衛(wèi)星的后續(xù)系統(tǒng)，具有高中低分辨率、低噪聲、聚束、全極化等多種成像模式，最高分辨率1m，還具有單軌干涉測量（InSAR）能力。RCM單星增加了“自動識別系統(tǒng)”（AIS）載荷，其與SAR載荷從數(shù)據(jù)采集到分發(fā)時間更短，可滿足不同應用領域的高時效要求。RCM通過星座組網(wǎng)實現(xiàn)高頻重訪和動態(tài)監(jiān)測，每天重訪加拿大國土和附近海域，每天全球90%區(qū)域覆蓋，北極地區(qū)每天重訪4次，極大提升了加拿大軍方對海上航路的監(jiān)控能力。

埃及成功發(fā)射埃及衛(wèi)星－A對地觀測衛(wèi)星

2月，埃及發(fā)展的第3顆埃及衛(wèi)星－A（EgyptSat－A）對地觀測衛(wèi)星成功發(fā)射。EgyptSat系列衛(wèi)星主要用于采集埃及周邊地區(qū)的圖像，進行數(shù)字地圖繪制，礦物、水和其他資源評估，研究尼羅河上游情況以及災難管理等。EgyptSat－A衛(wèi)星是2015年失聯(lián)的對地觀測衛(wèi)星EgyptSat－2的改進型號，星上載有改進型光電系統(tǒng)、星載控制系統(tǒng)、高效高速星載無線電鏈路和太陽能電池。EgyptSat－A衛(wèi)星的光學有效載荷與EgyptSat－2類似，其多光譜成像儀全色分辨率為1m。

韓國政府投資研發(fā)3顆遙感衛(wèi)星，其中2顆將用于環(huán)境監(jiān)測

5月，韓國科學技術信息通信部（MSIT）批準了3000億韓元（合計2.64億美元）用于研制3顆遙感衛(wèi)星，開展資源管理、環(huán)境監(jiān)視和空間科學應用。這3顆衛(wèi)星是MSIT國家航天委員會2019－2025計劃的一部分，與韓國之前的衛(wèi)星計劃不同，此項計劃中私營企業(yè)發(fā)揮主導作用，韓國政府和韓國航空宇宙研究院（KARI）等國家機構僅提供所需支持，輔助控制產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。

7 結束語

當前，國外對地觀測衛(wèi)星已進入新一輪創(chuàng)新發(fā)展和升級換代階段，已逐步形成立體、多維、高中低分辨率結合的全球綜合環(huán)境觀測能力，并穩(wěn)步提升技術與應用水平。在此基礎上，商用衛(wèi)星繼續(xù)壯大，更多的初創(chuàng)公司不斷涌現(xiàn)并開始部署自己的商業(yè)小衛(wèi)星星座。在環(huán)境監(jiān)測領域，小型衛(wèi)星、商業(yè)立方體星座與大型衛(wèi)星系統(tǒng)相結合，將是重要解決方案。同時，繼商業(yè)微納光學成像衛(wèi)星后，商業(yè)微納雷達成像衛(wèi)星星座成為國外爭相發(fā)展的熱點領域，國外多家初創(chuàng)公司積極推進發(fā)展商業(yè)微納SAR衛(wèi)星星座技術，旨在大幅提高成像時間分辨率和數(shù)據(jù)獲取能力，借此占領數(shù)據(jù)及應用市場，其獲取的高時間分辨率的SAR數(shù)據(jù)，結合大數(shù)據(jù)技術將進一步促進后端傳統(tǒng)業(yè)務應用和新型服務的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展。