國外空間對地觀測領域最新發展

文 | 周一鳴 劉韜

北京空間科技信息研究所

歷經近60 年發展，空間對地觀測體系和能力日趨完備，已經開啟大變革時代的序幕，空間對地觀測領域顯現出兩方面特點：一是系統規模和能力穩步發展，應用廣度和深度不斷延伸，服務能力和產業化水平顯著提高；二是在大國競爭的時代背景下衍生出的需求變化，已成為未來新一代空間對地觀測系統轉型發展、技術創新的主導推動力量。

一、總體情況

1.全球對地觀測衛星發射狀況

截至2020 年10 月31 日，全球已發射10556個航天器，其中對地觀測衛星達3273 顆，占比超過三成，位居第二（圖1）。

從時間尺度看，對地觀測衛星發射數量在2000-2009、2010-2019 兩個十年間實現快速躍升，由218 顆至1080 顆，增加近5 倍（圖2）。

圖1 全球衛星發射數量統計

圖2 近20 年全球對地觀測衛星發射數量統計

對地觀測衛星發射規模顯現兩種“新”趨向，一是傳統大衛星（質量＞500kg）發展平穩，發射占比23%；二是創新小衛星發展躍升，發射占比77%。

2. 全球對地觀測衛星在軌狀況

截至2020 年10 月31 日，國外在軌對地觀測衛星633 顆，與五年前的在軌數量255 顆相比，數量翻了一番。目前美國對地觀測衛星數量最多，約占63.5%（圖3）。

圖3 國外在軌衛星數量統計

對地觀測衛星在軌規模顯現兩種“新”狀態，一是傳統大衛星數量趨穩，占比47%；二是創新小衛星數量躍升，占比53%，已反超大衛星。

二、戰略政策最新發展

目前，美國戰略政策體系最為完備，基于2018 年《國家太空戰略》、2020 年《國防太空戰略》《主宰太空2030 規劃》等戰略，布局包括對地觀測的新一代太空體系建設。其他國家紛紛發布對地觀測相關戰略或規劃，旨在進一步提升對地觀測系統能力。

1.美國提出包括軍用對地觀測的頂層發展路線，推動體系能力升級

基于上述戰略，美國軍用對地觀測發展路線可概括為：

2018-2023 年，集成情報界與國防部力量形成統一指揮控制，建立大國對抗基礎能力；

2020-2025 年，太空力量與戰區陸海空力量協同部署聯合運用，依托強大的整體軍力懾止戰爭開始或延伸到太空；

2023-2028 年，通過功能分離、多軌分散等多重手段提升天基戰略體系彈性，設劃紅線，利用核威懾確保保底系統安全；

2026-2030 年，構建軍民商盟、高中低軌多層分散的戰區天基信息支援體系，全面提升天基系統抗毀彈性。在高超跟蹤目指基礎上，進一步集成定位導航授時、戰術情報監視偵察、環境監視等功能。

2. 美國發布新版商業對地觀測監管規則，推動數據管控分級

2020 年5 月，美國商務部發布最新版《私營遙感航天系統許可最終規則》，改革監管規則，構建“三級”管控體系。概括來說，第一級對應“能力相當”系統，采取最低限度限制（不設限制）；第二級對應“能力優于”系統，由商務部審批；第三級對應“全新能力”系統，商務部與國防部聯合審批。具體來說：

第一級：指所生成的未增強數據與非經商務部許可的渠道（如國外系統）“本質相同”的系統，其限制條件最少。商務部認為，無論監管有多嚴，也無法防止“第一級”系統可能給國家安全造成的損害，因為大致相同的未增強數據也能從美國之外的渠道獲得，因此對此類系統的運營不設限制。

第二級：指所生成的未增強數據只有美國國內部分系統“本質相同”的系統。“第二級”系統沒有國外競爭者，因此除了與“第一級”系統審批條件相同外，還需遵守其他限制性運營指令。例如，可對非地球成像（NEI）、夜間成像（NIT）等進行限制，進行非地球成像（NEI）任務前須獲得人造空間物體（ARSO）所有者的許可，并在執行拍攝任務前提前五天向商務部通報。

第三級：指擬建系統將生成的未增強數據能力無法在市場上獲得，屬于“全新能力”。因為沒有其他競爭者，所以受到的限制更加嚴格，除了遵守“第二級”系統所需的限制性運營指令外，還需根據國防部的要求，經與商務部協商，遵守一些暫時性的條件。暫時性條件的有效期為一年（從系統首顆衛星投入運營時算起），國防部提出要求并獲得商務部認可后還有兩次可延長一年的機會。

3. 其他國家和地區紛紛提出對地觀測領域新政策和規劃

俄羅斯構建“球體”（Sfera）天基綜合信息網絡系統，計劃發展通、導、遙衛星組成的600 余顆衛星星座，其中遙感衛星占1/3。

歐洲推進航天一體化建設，提高歐洲太空技術獨立性，建設軍民空間基礎設施，積極發展下一代“哥白尼”（Copernicus）計劃衛星，提升歐洲在國際太空舞臺的地位。

日本新版國家太空戰略把“確保太空安全”設為首要目標，提出建設完整的軍事航天體系，將對地觀測（即“活動空間”）作為四項主要內容之一。

印度制定了《軍事航天愿景》和《技術展望與能力路線圖》，構建未來天基信息系統。

三、系統技術最新發展

目前，對地觀測系統技術及演進正進入承上啟下的關鍵階段，總體來看，傳統大型衛星系統技術穩步升級，觀測性能和效能顯著提升；新型小型衛星系統技術蓬勃發展，服務時效性和產品多樣性顯露優勢；新一代對地觀測系統技術呼之欲出，高、低軌衛星系統技術多途徑發展。

1. 傳統大型衛星系統技術穩步升級，觀測性能和效能顯著提升

（1）大型光學對地觀測衛星

近年，美國在軍用大型對地觀測衛星方面持續發展“鎖眼”（KH）系列衛星，4 顆KH-12 衛星在軌，衛星全色分辨率0.1m，紅外分辨率0.5m，機動能力強。

在大型商業衛星方面，麥克薩公司發展接替“世界觀測”（WorldView）衛星的新星座，含6 顆“軍團”（Legion）衛星和6 顆“偵察兵”（SCOUT）衛星。Legion 首星計劃于2021 年發射，該衛星以750kg 的質量實現0.29m 全色分辨率，而上一代WorldView-3 衛星質量2.8t，可實現0.31m 分辨率。此外，Legion 衛星敏捷能力大幅度提升，星座對重點目標的重訪速率大于20 次重訪/天。同時，綜合軌道的優化設計，1 顆Legion 衛星具備單軌大區域覆蓋能力，單軌覆蓋整個臺灣島，而一顆“天空衛星”（SkySat）單軌僅能覆蓋臺灣島3%的面積（圖4）。

圖4 Legion 衛星單軌大區域覆蓋能力

法國持續發展“光學空間段”（CSO）衛星系統，在軌2 顆，其中CSO-1 衛星全色分辨率0.35m，CSO-2 衛星全色分辨率0.2m，2 顆衛星均具備紅外成像能力。印度發展制圖衛星-3（CartoSat-3），全色分辨率0.25m，紅外分辨率5.5m。

（2）大型雷達對地觀測衛星

美、歐、印等國持續發展大型雷達對地觀測衛星系統。美國保持5 顆“未來成像體系”（FIA）雷達衛星在軌，分辨率優于0.3m。

加拿大發展接替“雷達衛星”（RadarSat）的“雷達衛星星座任務”（RCM）三星星座，分辨率1m，每天全球90%區域覆蓋，具有單軌合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）能力。

德國研發接替“X 頻段陸地合成孔徑雷達”（TerraSAR-X）星座的“高分辨率寬測繪帶”（HRWS）衛星，采用基于數字波束形成（DBF）技術的多波束體制，計劃2022 年發射。

意大利發展“第二代地中海盆地觀測小衛星星座”（CSG），1 顆在軌，提高了短時多點密集成像能力，具備同等分辨率更大幅寬。

印度發展“雷達成像衛星”（RISAT）后續星，2 顆在軌，最高分辨率0.3m。

（3）紅外對地觀測衛星

導彈預警衛星具備對地觀測能力，美國利用導彈預警衛星對地紅外探測能力，建立了戰場事件監視新服務。

70 年代“國防支援計劃”（DSP）衛星部署后，工程師評估數據時發現，蘇聯領土內獲得紅外數據總有一些很規則的呈直線狀的紅外信號，經多源情報比對后認定為轟炸機基地附近的逆火轟炸機加力起飛。80 年代，海軍建立基于DSP 衛星數據的反艦攻擊告警系統。1982 年，海軍實施“慢行者”（Slow Walker）項目，進駐到澳大利亞松峽地面站，研究證實可發現逆火起飛和發射導彈。美國于1996 年起正式利用“天基紅外系統”（SBIRS）執行戰區情報、監視和偵察（ISR）任務，并于2016 年形成初始作戰能力，未來能力將持續提升。

2. 新型小型衛星系統技術蓬勃發展，服務時效性和產品多樣性顯露優勢

（1）小型光學對地觀測衛星

美國行星公司（Planet）已部署19 顆100 千克級SkySat 衛星，可提供分辨率0.9m、幅寬8km 的圖像產品和分辨率1.1m、時長90s 的視頻產品；行星公司已部署230 顆5 千克級“鴿群”（Flock）衛星，可以提供3 ～5m 分辨率圖像，實現8 小時全球數據更新。

美國黑色天空公司于2020 年開始部署50 千克級60 星星座，可提供分辨率1m 圖像產品，星座建成后，中低緯區域重訪時間10 ～60min。

（2）小型雷達對地觀測衛星

美國、芬蘭、日本等國的眾多初創公司都在積極發展商業微小合成孔徑雷達（SAR）衛星星座，衛星成本只有數百萬美元，衛星體積只有傳統大型SAR 衛星的三十分之一。

美國“卡佩拉”（Capella）星座由36顆衛星組成，2022 年建成后可實現1 小時重訪和4 小時InSAR重訪，分辨率優于0.5m、幅寬5km，具備數據采集后30 分鐘交付能力。

芬蘭“冰眼”（ICEYE）星座由18 顆衛星組成，2022 年建成后可實現平均3 小時重訪能力，分辨率0.25m，幅寬5km。

同時，在微納衛星制造方面，國外大力推進自動化、智能化、批量化生產模式改造，積極應用3D 打印、AR 輔助、智能裝配、大數據系統等新型智能制造技術。正在探索改變制造模式，例如嘗試利用類似于汽車、航空行業的“脈動生產線”制造小衛星。

3. 新一代對地觀測系統技術呼之欲出，高、低軌衛星系統技術多途徑發展

（1）高軌衛星系統技術

國外高度關注具備“持續監視”能力的高軌對地觀測衛星系統技術發展。大口徑（＞3m）單體反射鏡成像、分割孔徑（分塊可展開）、稀疏孔徑、薄膜衍射成像等技術并行發展。目前，大口徑單體反射鏡成像、分割孔徑技術成熟度最高，或即將具備工程應用能力。例如，采用分塊可展開成像技術的“詹姆斯-韋伯空間望遠鏡”（JWST）計劃于2021 年末發射。

（2）低軌衛星系統技術

近年來，國外低軌衛星系統技術發展迅速。特別是面向高超聲速武器等新威脅，美國航天發展局（SDA）2019 年提出面向2030 以遠的國防太空體系（“七層體系”），其中八大能力需求中三項涉及對地觀測，包括先進導彈目標全球持續監視和目標指示能力；先進導彈威脅征候識別、預警、目標指示和跟蹤能力；大規模、低時延、人工智能輔助的全球持續監視能力。這三項需求主要由“七層體系”中的看護層落實。看護層聚焦時敏目標監視，提供火控級別的目標指示信息。看護層相關技術重視軟、硬件創新發展。

在硬件創新發展方面，看護層以及“七層體系”其他功能層的自主指控和處理系統將采用“黑杰克”（BlackJack）項目的“賭臺官”（Pit Boss）智能型系統技術。2018 年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）啟動“黑杰克”項目，借助Pit Boss 智能型系統發展星座級別的自主、協作、分布式系統，負責星座指揮控制、自主重構、載荷管理規劃調度、星上數據處理、衛星健康監測和修復等。

在軟件創新發展方面，美重視發展“無質量載荷”。SDA 提出發展“看護層多源情報融合軟件”，旨在開發射前時敏目標指示算法，關注目標跟蹤數量、定位精度和虛警率等指標。

（3）超低軌衛星系統技術

美國、日本近年試圖探索超低軌衛星系統技術途徑實現高分辨率對地觀測。日本400 千克級超低軌試驗衛星“燕”（SLATS）進入268km 軌道后分辨率0.5m，后期規劃分辨率0.28m 的超低軌衛星。美國地球觀測者公司發展30 星組網的商業甚低軌道（VLEO）衛星星座，2020 年8 月獲空軍合同。星座重訪周期為2 小時，具備星上處理能力，首星計劃2022 年發射。

四、應用產業最新發展

1. 即用性大幅提升

對地觀測衛星對重大事件的應急響應能力大幅提升。例如，美國曝光偵察衛星對伊朗火箭突發爆炸的精確觀測。2019 年8 月，特朗普推特透露伊朗火箭發射失敗的現場圖像（圖5），《空間飛行進行時》（Spaceflight Now）等航天專業媒體認為，這幅圖像分辨率優于美國商業衛星，應為機密偵察衛星圖像，因該圖像下方文字清晰可見。

圖5 伊朗火箭發射失敗的現場圖像

再例如，美國商業無線電信號接收定位衛星和光學成像衛星對中印邊境對峙的精確觀測。2020 年5 月，美國鷹眼360 公司曝光其利用商業無線電信號接收定位衛星——“鷹”（Hawk）衛星發現中國加勒萬河谷地區無線電信號增多，并與行星公司合作，調度SkySat 衛星進行了成像驗證（圖6），聲稱發現中國火炮、裝甲車和卡車的活動。

圖6 美國商業公司發布中印邊境對峙圖像（本文僅引用國外報道，不做考證）

2. 識別性大幅提升

國外對地觀測衛星運營商利用人工智能技術大幅提升圖像識別性。例如，空客公司與法國地球立方體公司合作，開發和銷售“防御站點監視”（DSM）系統，這是一種專門針對國防人員的戰略性站點監視的在線解決方案，已經能夠自動探測、識別和區分民用和軍用的各類飛機和船只。美國黑色天空公司的Spectra AI 平臺可提供數據高效分析能力。例如，用戶可設置要跟蹤的主題，該平臺可以監視主題關聯的地理位置，甚至融合新聞摘要、社交媒體的信息。2020 年8 月10 日，新型“黑色天空”（BlackSky）衛星在發射58 小時后，對南非伊麗莎白港上空連續快速采集了圖像。在Spectra AI 平臺的幫助下，計算港口集裝箱堆數、停泊的貨船數、港口車輛數量、跟蹤地面車輛的移動，甚至確定正在裝載哪些貨艙。通過分析這些圖像，該公司能夠提取關鍵的經濟和金融指標，從而提供該港商業活動的近實時視圖。

3. 地面網“云”化，實現超高速數據傳輸、處理

云技術為美軍利用商業遙感數據創造了新途徑，也為大數據智能處理提供了平臺。美國太空與導彈系統中心（SMC）的“賭場”（CASINO）項目中的“處理、利用和分發”（PED）子項目，旨在利用云服務使商業遙感公司衛星原始數據上云、自動處理和數據快速交付給作戰用戶。亞馬遜、鮑爾等3 家公司參與該項目。

亞馬遜公司已于2020 年建成6 座云地面站，未來計劃再建設6 座。美國商業遙感衛星運營商已經普遍使用亞馬遜公司的云地面站服務。

微軟公司2020 年9 月宣布進軍云地面站領域，籌劃Azure Orbital 衛星云服務，與亞馬遜公司競爭。此外，微軟公司已經獲得美國防部100 億美元“聯合體系國防基礎設施”（JEDI）云網合同，勢必促進其云地面站的軍事應用。

4. 空間對地觀測產業情況

據歐洲咨詢公司報告，2019 年衛星對地觀測產業收入共46 億美元，預計2029 年可達80 億美元。據《全球地理空間產業展望（2018）》報告，截至2018 年全球地理空間產業所取得的經濟社會價值和效益估計超過5000 億美元，同比增加25%。盡管衛星對地觀測產業收入占地理空間產業收入仍較小，但未來衛星對地觀測發展空間巨大。

五、結論

國外對地觀測衛星處于高速發展階段，新系統和新技術不斷涌現，應用能力不斷發展。世界強國正大力加速空間部署，將對國際空間安全和空間利用格局產生重大影響。同時，世界強國高度重視應用創新和技術創新，未來10 年將是新空間體系的設計期和成形期，應加強未來應用場景和能力需求分析，推進“云”體系建設、人工智能、創新材料等使能性技術在對地觀測領域的應用研究，加速空間體系和技術的升級換代。