地球觀測衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀分析

信 晟，楊 超，張 悅，劉 祺

（自然資源部國土衛(wèi)星遙感應用中心，北京 100048）

1 概述

傳統(tǒng)意義上對地觀測技術通過衛(wèi)星遙感平臺對地表自然環(huán)境、經(jīng)濟作物、交通狀況等進行動態(tài)監(jiān)測分析，提供宏觀、準確、綜合、連續(xù)的信息數(shù)據(jù)，為人們在地球上的生活和行動提供重要的經(jīng)濟分析和指導。但無論是歐美國家還是在中國，政府直接出資進行衛(wèi)星規(guī)劃和建設的都越來越少，更多的是通過政策調(diào)整，或政府和社會資本合作，政府通過購買社會服務的模式獲取數(shù)據(jù)和服務。

2 對地觀測系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

具有經(jīng)濟實力和技術實力的國家，一方面從空間系統(tǒng)的頂層設計入手保持空間對地觀測系統(tǒng)規(guī)模；一方面通過改進有效載荷、傳感器、火箭回收等技術，降低衛(wèi)星發(fā)射成本，推動遙感觀測衛(wèi)星向小型化、規(guī)?；?、應用化和服務化的方向發(fā)展。

2.1 國外對地觀測技術發(fā)展

美國是在軌遙感衛(wèi)星數(shù)量最多的國家，也是航天遙感能力最強的國家，在光學、激光測高、重力等衛(wèi)星研制及應用方面處于領先地位，高中低分辨率并存、商業(yè)遙感衛(wèi)星與民用遙感衛(wèi)星互補。Landsat系統(tǒng)主要用于陸地資源、水資源等的調(diào)查和管理及測繪制圖[1]，中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所接收、處理、存檔和分發(fā)Landsat-5、Landsat-7、Landsat-8和Landsat-9 4顆 衛(wèi) 星的數(shù)據(jù)。美國數(shù)字地球公司第二代高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星中WorldView-3的分辨率達到0.31 m，WorldView系列面向不同行業(yè)提供高質(zhì)量衛(wèi)星影像，包括Google、Microsoft等互聯(lián)網(wǎng)巨頭，同時也向美國情報部門提供服務。

SkySat擁有最多的亞米級高分辨率衛(wèi)星群，可以1日內(nèi)完成2次對地球上任何位置的觀測[2]。美國宇航局正在放棄在低軌的深空網(wǎng)并轉交給商業(yè)公司處理，SpaceX名列其中，其Starlink衛(wèi)星可以無限升級，隨時下架，靈活調(diào)整整個衛(wèi)星的覆蓋范圍，其2.0版的性能、重量、尺寸均有大幅提高，每顆星的帶寬達到140～160 Gbit/s，未來在星艦上可以搭載110～120顆此衛(wèi)星[3]。美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）的“黑杰克”項目研發(fā)較低尺寸、重量、功耗及成本的低軌軍事通信與監(jiān)視衛(wèi)星，但能力與在地球同步軌道上運行的軍事通信系統(tǒng)相似，而成本遠低于后者[4]。美國普里達公司通過在SAR衛(wèi)星上安裝激光通信終端，將數(shù)據(jù)傳遞至“黑杰克”衛(wèi)星星座，展示低軌衛(wèi)星架構的軍事用途，長期目標是在低地球軌道創(chuàng)建政府-商業(yè)混合架構，向政府的衛(wèi)星星座提供商業(yè)衛(wèi)星收集的數(shù)據(jù)。美國雷達小衛(wèi)星企業(yè)（Capella Space）計劃打造36顆衛(wèi)星組網(wǎng)的SAR衛(wèi)星星座，提供0.5 m高分辨率圖像，為其在國防與情報領域、航運和供應鏈的市場提供服務[5]。

日本雷達小衛(wèi)星企業(yè)（Synspective）是日本排名前十的初創(chuàng)企業(yè)之一，已經(jīng)使用美國火箭實驗室電子火箭發(fā)射了StriX-α和StriX-β兩顆SAR衛(wèi)星，可提供1 m分辨率的圖像。該公司計劃在今年晚些時候發(fā)射第一顆商用原型衛(wèi)星 StriX-1，到2023年將衛(wèi)星數(shù)量增加到6顆。

芬蘭雷達衛(wèi)星運營商（ICEYE）截止2022年初，共有16顆在軌衛(wèi)星，建立了全球最大的小型SAR衛(wèi)星星座，能夠提供分辨率在0.5 m的圖像，并計劃在年底前再發(fā)射9顆。ICEYE不只提供上游衛(wèi)星影像和數(shù)據(jù)，在擴展下游應用業(yè)務，提供行業(yè)解決方案，包括洪水監(jiān)測解決方案，在洪水事件后24 h內(nèi)為保險和再保險行業(yè)提供近乎實時的洪水范圍和深度數(shù)據(jù)，以及建筑物級別的分辨率數(shù)據(jù)。2021年7月，鄭州市發(fā)生特大暴雨災害，河南省衛(wèi)星中心緊急協(xié)調(diào)一批SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)幫助抗洪救災，ICEYE數(shù)據(jù)就是之一[6]。

2.2 國內(nèi)對地觀測技術發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)在軌衛(wèi)星數(shù)量全球第二，與美國相比發(fā)展對地觀測的時間要晚，衛(wèi)星性能也存在一定差距。國內(nèi)正在形成由產(chǎn)品、供給、服務、政策、人才、創(chuàng)新網(wǎng)狀關聯(lián)的空間信息產(chǎn)業(yè)鏈全鏈條發(fā)展格局。目前，國內(nèi)對地觀測衛(wèi)星體系包含多個國家日常觀測和應急觀測骨干網(wǎng)，同時借助商業(yè)衛(wèi)星服務系統(tǒng)，對骨干網(wǎng)進行填充與補強。共同為自然資源部、生態(tài)環(huán)境部、應急管理部等10余個國家部委、國內(nèi)及全球用戶提供可持續(xù)運行、安全穩(wěn)定可靠的衛(wèi)星遙感大數(shù)據(jù)和空間信息綜合應用服務。

2.2.1 國內(nèi)骨干衛(wèi)星網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

“高分專項”是國內(nèi)最為重要的遙感技術發(fā)展項目，包含可見光、多光譜、紅外線、SAR等多種衛(wèi)星系統(tǒng)，高分一號正式開啟了國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星為國土資源管理提供遙感數(shù)據(jù)支撐的新時代；高分二號民用光學遙感衛(wèi)星標志著國內(nèi)遙感衛(wèi)星進入了亞米級“高分時代”；國內(nèi)第一枚 C波段多極化 SAR衛(wèi)星（GF-3）標志著國內(nèi)雷達成像衛(wèi)星技術的飛躍；高分七號填補了國內(nèi)亞米級衛(wèi)星立體測繪空白，實現(xiàn)1：1萬比例尺的重大技術跨越。

“風云”系列衛(wèi)星觀測的氣象資料廣泛服務于天氣預報、氣候預測、災害監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、軍事、航天氣象保障等重要領域，在國內(nèi)災害應急管理工作中發(fā)揮著重要作用[7-9]。

“海洋”系列衛(wèi)星是國內(nèi)自主研制的國內(nèi)海洋環(huán)境衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)，該系列衛(wèi)星已研制出3種型號，分別是海洋（HY-1）衛(wèi)星為海洋水色衛(wèi)星，海洋二號（HY-2）衛(wèi)星為海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，海洋三號（HY-3）衛(wèi)星為海洋監(jiān)視衛(wèi)星。國內(nèi)海洋衛(wèi)星起步晚，數(shù)量少，對海洋領域的高頻率監(jiān)測能力尚有不足[10]。

“資源”系列衛(wèi)星是專門用于探測和研究地球資源的一系列衛(wèi)星。在國內(nèi)“資源-1”原方案的基礎上，與巴西共同研制“資源-1 01、02、02B、03、04、04A”衛(wèi)星型號，國內(nèi)自主研制了“資源-1 02C、02D、02E”衛(wèi)星型號，以及資源-2和資源-3系列衛(wèi)星。資源-3系列是國內(nèi)高分辨率三維測繪衛(wèi)星，服務于基礎測繪、國土、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、減災、規(guī)劃等各行業(yè)影像數(shù)據(jù)需求[11]。

2.2.2 國內(nèi)商業(yè)衛(wèi)星網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

2020年，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)首次被納入“新基建”范疇，“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要也提出，要“建設高速泛在、天地一體、集成互聯(lián)、安全高效的信息基礎設施”?？梢哉f國內(nèi)商業(yè)衛(wèi)星遙感產(chǎn)業(yè)進入高速發(fā)展階段的拐點階段[12]。

“北京3號”A星是中國航天與世紀空間首次合作的高性能新型光學商業(yè)服務遙感衛(wèi)星，采用太陽同步軌道，可獲取全色0.5 m、多光譜2 m分辨率的衛(wèi)星影像。衛(wèi)星采用了大量創(chuàng)新技術，利用人工智能可以自行規(guī)劃飛行路線，1天來回近100次，以監(jiān)測全球多達500個值得關注的地區(qū)。反應速度比全球最先進觀測衛(wèi)星之一的“WorldView-4”快2～3倍，掃描帶寬77%，重量輕一半。在42 s內(nèi)拍攝超過10萬張照片，即可以拍攝一切高速運動的物體，包括飛行中的衛(wèi)星和彈道導彈[13]。

“吉林1號”是另一個重要的光學遙感衛(wèi)星星座，采用太陽同步軌道，計劃2025年左右實現(xiàn)138顆衛(wèi)星組網(wǎng)，具備全球任意地點10 min內(nèi)重訪能力。其寬幅01C衛(wèi)星的幅寬大于150 km，可提供分辨率全色0.5 m、多光譜2 m的影像產(chǎn)品。高分04衛(wèi)星可以星上任務自主規(guī)劃、實時數(shù)傳和星上AI功能，分辨率優(yōu)于0.5 m。視頻衛(wèi)星使用光學偵察鏡頭跟蹤監(jiān)測飛行中的戰(zhàn)斗機。長光衛(wèi)星的第三代高分03衛(wèi)星重量只有40 kg，發(fā)射成本僅為第一代衛(wèi)星的十分之一[14]。

2022年4月“四維高景一號 01/02 衛(wèi)星”發(fā)射成功，采用太陽同步軌道，全色分辨率 0.5 m，多光譜分辨率 2 m，高景一號系列衛(wèi)星興寧具有一套三視立體成像，可以實現(xiàn)地表快速三維建模；通過多條帶拼接成像可實現(xiàn)對大范圍目標的快速信息采集；具備大容量存儲能力，快速機動中數(shù)據(jù)高速下傳等。

“珠海一號”是國內(nèi)首家由民營上市公司建設并運營的遙感微納衛(wèi)星星座，總體規(guī)劃由34顆衛(wèi)星組成，包括視頻衛(wèi)星、高光譜衛(wèi)星、雷達衛(wèi)星、高分光學衛(wèi)星以及紅外衛(wèi)星。目前已經(jīng)在軌12顆。[15]

國內(nèi)目前還有很多公司、高校、科研單位都有自己的衛(wèi)星建造計劃或已經(jīng)發(fā)射升空的自主研制的衛(wèi)星平臺。天儀研究院有25顆衛(wèi)星在軌，從衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量和服務能力比較基本領跑國內(nèi)民營航天，且已經(jīng)具備低軌科學試驗衛(wèi)星任務結束后快速離軌的技術實力。天儀研究院的“海絲一號”是國內(nèi)首顆商業(yè)SAR衛(wèi)星，基于C波段，重量小于185 kg，成像最高分辨率1 m，可全天時、全天候、全透明對陸地、海洋、海岸港口進行成像觀測[16]。另外“巢湖一號”則標志著國產(chǎn)商業(yè)SAR衛(wèi)星批產(chǎn)組網(wǎng)和在軌商業(yè)運營的開始?！俺埠惶枴痹诔上穹鶎?、分辨率、成像時間等方面進行了進一步的改進；同時引入了對多個區(qū)域的連續(xù)成像、精密軌道定軌能力和在軌AI運算等新技術、新手段。

微納星空也是國內(nèi)民營高端衛(wèi)星研制代表，其研制的泰景三號01星是0.5 m分辨率可見光遙感衛(wèi)星，泰景四號01星是國內(nèi)首顆X波段商業(yè)SAR衛(wèi)星，文昌一號01、文昌一號02是兩個廣域的遙感衛(wèi)星，其質(zhì)量為62 kg左右，主要任務是對地觀察、海洋成像、船舶信息的獲取[17]。

銀河航天首發(fā)星是全球首顆Q/V頻段的低軌寬帶衛(wèi)星，由國內(nèi)自主研制，通信能力可達10 Gbit/s，單星覆蓋30萬km2，軌道高度1 200 km，構建太空互聯(lián)網(wǎng)及5G衛(wèi)星網(wǎng)絡的連接。

齊魯衛(wèi)星是低軌遙感星座，衛(wèi)星之間采用激光通訊互聯(lián)，在國內(nèi)首次采用“天基互聯(lián)網(wǎng)+小衛(wèi)星”創(chuàng)新應用的模式，分辨率0.5 m，“齊魯一號”是Ku波段高分辨率雷達衛(wèi)星；“齊魯二號”是高分辨率敏捷光學衛(wèi)星，具有熱紅外譜段;“齊魯三號”是寬幅光學衛(wèi)星，幅寬120 km;“齊魯四號”是多模式高分辨率光學實驗衛(wèi)星。

航天宏圖是提供衛(wèi)星運營與應用服務的公司，已經(jīng)布局低軌遙感衛(wèi)星星座，計劃在2022年底發(fā)射自主SAR衛(wèi)星宏圖一號。

3 現(xiàn)狀分析

3.1 降低成本促進商業(yè)化小衛(wèi)星群急速發(fā)展

對地觀測利用遙感衛(wèi)星群實現(xiàn)更短的重訪周期和更大的觀測覆蓋范圍，實現(xiàn)商業(yè)化，成本是繞不開的問題，具體在衛(wèi)星制造成本和發(fā)射成本。通過集成商用現(xiàn)成產(chǎn)品和技術（Commercial Off-the-Shelf，COTS）使得衛(wèi)星研制和生產(chǎn)更簡單，成本更低；降低衛(wèi)星重量和運載火箭的成本都可以降低發(fā)射成本，于是商業(yè)化的小衛(wèi)星群應運而生。例如Spark雙星的高光譜成像儀重量僅為10 kg，比國內(nèi)外同等指標高光譜成像儀至少輕5倍；而體積只有一臺微波爐大小；其研制成本不到同類航天載荷的十分之一。一箭多星發(fā)射以及火箭重復使用也極大分攤了發(fā)射成本。SpaceX能夠一枚火箭重復使用4次，國內(nèi)能一箭攜帶22顆衛(wèi)星順利入軌，印度甚至實現(xiàn)過108顆星，美國60顆星。組合模式降低成本促進商業(yè)化小衛(wèi)星群急速發(fā)展。

3.2 衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)集中更多的技術挑戰(zhàn)

全球低軌資源競爭白熱化，衛(wèi)星行業(yè)蓬勃發(fā)展，測試與測量貫穿于標準制定、設計研發(fā)、生產(chǎn)制造、認證運營、場景落地等整條產(chǎn)業(yè)生命周期，新技術不斷被挑戰(zhàn)。例如對更高分辨率的挑戰(zhàn)，對SAR圖像的方法、代碼庫、數(shù)據(jù)集和預訓練模型的獲取和可用性的挑戰(zhàn)，對SAR技術的自動目標識別、分布式雷達成像、數(shù)字信號處理等的挑戰(zhàn)，是擺在全世界的課題[18]。

3.3 數(shù)據(jù)服務模式由主導變?yōu)楹献?/h3>

商業(yè)衛(wèi)星的加入極大地改變了過去以政府為主導的航天發(fā)展模式。政府越來越多地以采購服務的模式整合民用、商用數(shù)據(jù)資源，并通過大力促進發(fā)展衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)，來釋放海量空間數(shù)據(jù)資源的社會與經(jīng)濟價值[19]。新的空間數(shù)據(jù)資源服務模式將遙感大數(shù)據(jù)云計算服務模式植入星地計算架構，通過“星地協(xié)同”的技術創(chuàng)新，衛(wèi)星端拍攝的圖像可以被快速處理，提取有用信息，同時又驅動相應的應用，遙感衛(wèi)星整體行業(yè)都在突飛猛進[20]。

3.4 遙感服務對象由政府下沉

基于GIS三維動態(tài)演示的經(jīng)濟分析報告生動、震撼；衛(wèi)星電話可以為百姓大眾在野外探險、海洋作業(yè)以及其他應急救援場景提供保障；衛(wèi)星地圖已漸漸融入到大眾的網(wǎng)絡生活，甚至有的運營商和普通大眾對實景衛(wèi)星影像還有一定的使用習慣。

4 總結

對地觀測數(shù)據(jù)成果在很多行業(yè)工程建設中被使用，包括鐵路勘測設計和路基邊坡沉降監(jiān)測等。了解對地觀測技術的發(fā)展增加行業(yè)間更廣泛技術結合的機會，也是集成社會成熟技術和產(chǎn)品共同降低建設成本的契機，繼續(xù)挑戰(zhàn)高科技的戰(zhàn)場，相信最終受益的是鐵路行業(yè)的企業(yè)和蕓蕓眾生。