国外对地观测系统与应用的最新发展

· 文|北京空间科技信息研究所 原民辉 王余涛

近年来，全球对地观测系统快速发展，系统性能不断提升，应用向深度化发展，产业发展初具规模，已成为各国重要的战略资源和基础设施。

一、全球对地观测系统总体情况

1.对地观测卫星数量统计

截至2013年12月18日，全球已成功发射6771个航天器，其中对地观测卫星2284颗，发射数量最多，占全球总量的1/3，见图1。

>>图1 全球已成功发射的航天器统计

2013年，国外共发射15颗对地观测卫星，其中高分辨率卫星10颗。而2012年共发射16颗对地观测卫星，其中高分辨率卫星5颗。与2012年相比，2013年成像高分辩率卫星发射数量同比增长一倍。

目前，国外在轨的成像高分辨率卫星系统主要集中于美俄欧日印等国，见图2。在轨工作高分辨率卫星已达58颗，与2012年底的48颗相比，同比增长21%。这标志着对地观测向高分发展趋势更加显著。

>>图2 2013年国外在轨工作成像高分辨率卫星数量统计

2.对地观测卫星系统能力

目前，国外成像类卫星系统主要部署于低轨道。光学和微波成像能力同步发展，军用系统和民用系统同步发展。新型卫星普遍具备多种成像模式，定位精度接近航空摄影成像水平。

从2013年国外对地观测卫星发射情况来看，美国仍然保持领先，并开始升级换代，成功发射了最后一颗“锁眼”-12（KH-12）卫星和第三颗新一代“未来成像体系-雷达”（FIA-Radar）卫星，光学分辨率达0.1m，雷达分辨率达0.3m。

俄欧日印紧随其后，补网加强在轨成像能力，未来2～3年内将达到0.3m水平。俄罗斯于2013年6月接连发射3颗高分辨率卫星，分别是1颗“角色”-2（Persona-2）军用光学成像侦察卫星，分辨率0.33m；1颗“资源”-P（Resurs-P）民用光学成像卫星，分辨率1m；1颗“秃鹰”-E（Kondor-E）军用雷达成像侦察卫星，分辨率1m。但与苏联时代相比，俄罗斯对地观测卫星仍处于发展低谷，目前正在快速发展传输型卫星，以补充光学和雷达成像侦察能力。日本于2013年1月一箭双星发射“情报采集卫星-雷达”-4（IGS-R4）和“情报采集卫星-光学”-5（IGS-O5）试验星，在补充缺失的雷达成像侦察能力的同时，积极验证第三代卫星光学成像技术。

韩国、阿联酋等国通过国际合作或购买等方式，发展高分辨率成像卫星，未来3～5年内将达到0.5m水平。韩国于2013年8月发射了首颗韩国多用途卫星-5（KOMPSAT-5）雷达成像卫星，分辨率1m，通过引进国外技术发展，首次具备了雷达成像卫星观测能力。阿联酋于2013年11月通过国际合作，研制并发射了1颗迪拜卫星-2（DubaiSat-2），光学分辨率1m，使阿联酋进入具有高分成像能力的国家行列。

目前，国外环境探测类卫星系统实现业务和科学交织，综合化和精细化观测能力进一步增强。美国、欧洲系统性能先进，日本、印度加强自主建设，积极应对全球环境变化。目前国外最先进的环境探测类卫星光学探测通道达上千个，微波探测通道达60余个，可实现不同探测要素综合、局部与全球综合、多源数据综合等能力。

近年来，环境污染问题日益突出。美国国家航空航天局（NASA）主导的地球观测系统（EOS）体系，能够利用多手段探测大气环境要素，监测包括PM2.5等环境问题（图3）。

>>图3 EOS体系中的“土”、“水”等卫星测绘中国PM2.5浓度分布图

二、高分辨率对地观测系统空间段的主要特点

1. 体系结构

（1）日本提出低轨综合观测星座，监视重点海域

日本政府于2013年5月提出发展新的低轨综合观测星座，通过光学与SAR结合，太阳同步轨道与倾斜轨道组合，高分辨率与大幅宽结合，实现热点地区持续监视，特别是日本海上运输线的持续监视。

该星座由5颗光学和4颗SAR卫星组网，光学成像卫星采用全色、多光谱、高光谱的综合观测手段，采用高分辨率（0.5m）与宽幅宽（50km）相结合的配置，能够每天数次重访，雷达成像卫星采用中倾角和太阳同步轨道（46°）结合，实现高频度观测全球热点地区的海上战略要道。

（2）法国提出高、中、低轨结合的光学卫星体系，兼顾超高分辨率与区域持续监视能力

法国于2013年10月提出发展高、中、低轨结合的光学成像卫星体系。该体系将包括3种新型光学成像卫星，分别是分辨率为0.2～0.3m的低轨光学成像卫星、分辨率为1m的椭圆轨道光学成像卫星、分辨率为3m的静止轨道光学成像卫星。

0.2 ～0.3m超高分辨率的低轨光学成像卫星关注图像纹理、地影等细节，单颗卫星的重访周期为1～2天。1m分辨率的椭圆轨道光学成像卫星的突出特点是在6353km远地点实现1m分辨率/50km幅宽观测能力，持续观测时间达45min，兼顾高分辨率与持续监视。3m分辨率的静止轨道面阵光学成像卫星具有静态图像和动态视频两种能力，实现持续监视。

（3）美国提出“弹性与分散”战略，优化体系结构

2013年8月，美国空军航天司令部发布《弹性和分散空间体系白皮书》，明确了未来美国军事航天系统发展的顶层思路和航天体系转型方向，将全面推进空间体系向“弹性和分散”体系的转型。

美国考虑以5种具体的分散形式实现体系的弹性：①多轨分散，利用多个轨道平面来提高弹性。例如法国提出的高、中、低轨光学成像卫星体系等；②多域分散，将能力分散于海、陆、空、天、网多域，相互冗余和备份。例如天临空地一体化发展；③载荷搭载，将一些有效载荷搭载在其他类型卫星上，例如美国商业搭载红外有效载荷（CHIRP）2010年搭载在欧洲静止轨道商业通信卫星上，试验了下一代红外宽视场凝视技术，验证了通过商业搭载的方式提高系统弹性的可行性；④系统分解，由多个以无线方式相互作用的模块提供单一系统的功能；⑤功能分散，将一颗卫星上的多个载荷或多项任务分散到多个卫星上。例如对于防护卫星系统，美军计划将战略和战术任务分离。

2.系统技术

（1）美国静止轨道大口径衍射光学成像技术取得新突破

美国国防高级研究计划局（DARPA）于2010年开展了大口径衍射光学成像技术研发项目——“薄膜光学成像仪实时利用”（MOIRE）。项目旨在突破衍射薄膜、大型可展开支撑结构、星上处理和压缩等关键技术，为未来开发静止轨道高分辨率衍射成像卫星提供技术准备。

项目分2个阶段实施。第一阶段，目标是开发满足空间飞行要求的薄膜材料，研制一个米级口径的衍射薄膜主镜，并开展完整光学薄膜成像系统的方案设计。第二阶段研制5m口径光学薄膜成像系统的地面原理样机。目前，第一阶段已经完成，第二阶段取得了一些成果。

DARPA还计划在MOIRE项目取得成功后，进一步研制一颗10m口径的静止轨道衍射成像技术验证卫星，对大系统进行全面的演示验证。

业务型实用系统将交由美国国家侦察局开发，见图4。系统计划于2020年部署，能够在静止轨道实现1m的高分辨率，视场为10km×10km，成像速率可高达每秒1幅，实现对敌方军事目标的连续监视，将大幅提升对舰船、导弹发射车等时敏目标的动态监视能力。

>>图4 业务型静止轨道衍射成像卫星概念图

（2）欧洲完成静止轨道大口径光学成像卫星的系统总体方案

欧洲采用传统反射成像技术发展静止轨道光学成像卫星，利用大口径高精度单体反射镜，实现10m分辨率，计划2020年部署。欧洲阿斯特里姆公司（现已并入空中客车公司）完成10m分辨率静止轨道光学卫星（Geo-Oculus）的设计方案后，宣布初步具备3m分辨率静止轨道光学卫星的工程化能力。因此，目前欧洲已转向3m分辨率静止轨道侦察监视系统（GO3S）卫星的系统方案论证，见图5。

>>图5 Geo-Oculus卫星示意图（左）和GO3S卫星示意图（右）

（3）美国即将发射大规模商业小卫星星座

2013年，美国行星实验室（Planet Labs）公司和天空盒子成像（Skybox Imaging）公司相继发射对地观测卫星，使得美国拥有在轨卫星的私营遥感卫星系统运营商达到三家。这两家公司均计划在近期内发射超大规模的对地观测微小卫星星座，有望改变北美乃至全球商业对地观测产业布局，具有里程碑意义。

Skybox公司的首颗卫星“天空卫星”-1（SkySat-1）（图6）发射于2013年11月21日。卫星质量91kg，分辨率0.9m，设计寿命4年，采用550万像素分辨率的CMOS面阵传感器，并具有星上图像校正和实时压缩能力，是世界上首颗亚米级分辨率的面阵COMS成像卫星。Skybox公司计划发射24颗卫星组成星座，实现8小时全球数据更新。

>>图6 SkySat-1卫星外形图

Planet Labs公司在2013年内已先后发射4颗“鸽子”（Dove）技术验证卫星，单星质量仅6kg左右，分辨率3～5m，见图7。在此基础上，该公司计划于2014年一次性发射28颗纳卫星，并由国际空间站在轨部署，组成“羊群”（Flock-1）星座。Flock-1星座将运行于高度400km，倾角52°的轨道，可实现对人类主要活动区域的近实时覆盖。该星座卫星将采用对陆地连续开机的工作模式，无需对星上相机下达特定区域的成像指令，即可满足用户需求。

>>图7 DOVE-1卫星图像（左）和DOVE-2卫星（右）

三、高分辨率对地观测数据应用的发展

1. 军用系统深度融合，发展战术快响应用

军事侦察卫星应用系统正逐步融入部队信息化系统，同时功能逐渐从战略支撑向战术支持扩展。既可为军事战略决策提供依据，又可为一体化联合作战、实施远程精确打击等提供关键信息保障。从长远来看，高度融合、功能完备的信息化系统将成为为部队作战构建数字化战场的关键基础，甚至可能改变未来战争的形态。

与此同时，在“快速响应”概念的推动下，美军瞄准军事作战需求，缩短卫星指控链条，战术应用能力大幅提升。通过推广“虚拟任务操作中心”（VMOC），美军的卫星指控和管理链条大幅缩短。作战部队指挥官可直接调配卫星资源、完成任务规划和数据分发，其操作见面见图8。

>>图8 ORS-1卫星指控体系

2013年4月，美国中央司令部让前线指挥部队通过集成在车载终端上的“虚拟任务操作中心”，直接调度“作战响应空间”-1（ORS-1）快响卫星，获取了坠毁在偏远地区的CH-53型“海上种马”运输直升机的图像，其天基数据链和图像处理系统均采用航空现有标准，便于地面应用系统的兼容与互操作。美国中央司令部评价：ORS-1卫星及其团队在此次事件中“反应迅速，超出预期”。美军通过此次实际案例，进一步检验了ORS直接服务战区、面向战术应用的能力。

2. 产业保持快速发展，数据应用收入将持续增长

2012年，全球天基对地观测数据及增值服务收入达到22亿美元，再创历史新高。其中，三家商业对地观测卫星运营商——数字全球（DigitalGlobe）公司、地球眼（GeoEye）公司和视宝（SPOT）公司的数据销售收入占全球对地观测卫星数据销售总收入的78%。2013年，数字全球公司和地球眼公司完成合并。合并后的数字全球公司将至少占有全球对地观测卫星数据市场60%的份额。

从应用领域来看，国防情报领域的收入份额最高，占2012年总收入的38%。服务领域对数据需求的增长速度最快，而生物资源领域对数据需求的增长速度最为缓慢，其具体份额见图9。

>>图9 2012年各应用领域的收入份额比例

北方天空研究所（NSR）预测：到2022年，全球天基对地观测数据及增值服务年收入将达到60亿美元。同时，受到更低的数据成本、更高的图像分辨率、新兴应用以及资源需求增长的推动，商业市场各个领域的增长率将高于非商业市场。预计到2022年，商业市场收入将占全球天基对地观测市场总收入的50%。

未来十年，亚洲地区将成为增长速度最快的区域市场，而欧洲仍将是增长速度最慢的市场。拉丁美洲、亚洲、中东和非洲地区的发展速度将超越北美和欧洲地区。

3. 数据政策引导应用有序发展，分辨率将进一步放开

美国、欧洲、俄罗斯、印度等主要航天国家都制定了对地观测数据政策，以引导卫星对地观测产业有序发展。美国的政策和法规体系最为成熟和完善，从保障国家安全的角度出发，对商业数据设立了0.5m/24h的双重限制。欧洲各国分别制定政策，分辨率限制也为0.5m。俄罗斯于2013年发布《地球遥感数据条例》草案，提出可销售分辨率优于2m的卫星数据。印度执行2011年版《印度遥感数据政策》，分辨率限制从5.8m提高到1m。

由于0.5m分辨率的商业数据已难以满足当前的商业市场需求，美国和欧洲正在研究将分辨率限制放宽到0.25m。美国数字全球公司、参议院情报委员会等机构不断建议政府将商业卫星图像销售的分辨率限制从0.5m放宽至0.25m。欧洲泰雷兹（Thales）公司建议法国政府放宽分辨率限制。德国正积极发展0.25m分辨率的民用雷达成像卫星。

分辨率限制门槛的降低，将进一步激发商业市场的活力。商业卫星数据与航空数据的质量差距将大幅缩小，有助于提升卫星数据的市场竞争力，促进多源数据的融合应用。数字全球公司预测：分辨率门槛降低之后，公司收入组成将发生明显变化，政府与商业用户收入份额将更加均衡。

4. 现代信息技术催生全新商业模式

IT企业Skybox公司致力于建立融合天基、航空等各类图像数据的开放式云服务平台，实现海量数据持续更新，提供网络化服务。用户无需建设地面站，只需要一部小型化“天空节点”（SkyNode）终端和2.4m直径的卫星天线，就可直接下达成像指令和下载卫星数据，最快20min即可完成图像处理。Skybox公司希望通过大数据挖掘技术提供定制服务，并进一步催生全新的商业模式。因此，Skybox公司被评为年度最具革命性的50家公司之一。

Skybox公司计划部署的小卫星星座将采用地面合成时间延迟积分（TDI）专利技术，以实现超分处理和多图像拼接。该星座除支持全色0.9m、多光谱2m、幅宽8km的高分辨率图像以外，还可提供1.1m分辨率、最长90s、每秒30帧的高清视频，将推动数据应用从单幅图像处理向时序数据分析转变。

利用视频特征提取技术，用户可自行定制多样化的特色应用。例如：通过计算停车场的车辆数量，得出商场、超市等商业场所的客流量或经营状况；通过计算道路上行驶的车辆数量，分析交通拥堵、尾气排放等信息；跟踪和识别水面船只，包括船只的类型（大、中、小）、长度和重量等信息等，如图10。

>>图10 用户基于开放式云服务平台开发满足自己需求的应用