国外光学成像卫星发展现状简析

赵炜渝，崔潇潇

（北京跟踪与通信技术研究所，北京100094）

0 引言

光学成像侦察卫星已经成为现代战争信息获取系统的重要装备，在国际航天侦察领域呈现了三个层次的发展态势。目前，处于第一集团的是绝对领先的美国，光学成像卫星的军用全色分辨率为0.1m、商用分辨率为0.4m，红外分辨率为1m，在光谱分辨率方面，美国“战术卫星”-3（TacSat-3）的光谱分辨率为5nm。处于第二集团的是欧洲、俄罗斯、以色列、印度、日本，军用全色分辨率优于1m。这些国家在光学侦察卫星方面强于雷达侦察卫星，目前一方面在提高光学卫星性能，另一方面在大力发展雷达侦察卫星，完善卫星侦察体系。处于第三世界的国家正处在起步阶段，例如土耳其、埃及、沙特、卡塔尔、阿联酋、南非、尼日利亚等，不仅对侦察卫星有较强烈的需求，也期望借助侦察卫星项目带动自身航天技术的发展。

1 国外光学成像侦察卫星发展现状

当前，美国有3 颗“锁眼”-12（KH-12）光学成像侦察卫星在轨运行，卫星发射质量18t，光学口径约3m，焦距27m，寿命8年，采用大型光学系统、自适应光学、大面阵探测器、机动变轨、长寿命、高可靠等技术，全色分辨率达0.1～0.15m，红外分辨率0.6～1m。另外，美国还有1 颗“8X”成像侦察卫星在轨运行，轨道高度800km，它带有光学和雷达两种有效载荷，具有宽覆盖、快速重访能力。具体如表1所示。

欧洲正在向一体化卫星侦察系统方向努力，但由于各国侦察卫星技术发展不均衡，以及在轨卫星数量少等原因，目前还处于一种比较松散的合作状态。欧洲光学成像侦察卫星主要使用法国“太阳神”-2（Helios-2）卫星。该卫星带有1台全色（具有红外能力）高分辨率相机（HRZ）和1台宽视场相机（HRG）。高分辨率相机主要采用推扫成像，高分辨率通道分辨率为0.5m，超高分辨率通道分辨率为0.25～0.35m，红外通道可拍摄红外图像，使该卫星具备了夜间光学侦察能力；宽视场相机标称分辨率5m，幅宽60km，主要进行普查与测绘制图。

表1 美国在轨军用光学成像侦察卫星

俄罗斯现役成像侦察卫星的可见光分辨率最高已达0.3m，多光谱空间分辨率2～3m，有些具备一定的星上数据处理能力和较高的数据传输能力。与欧美等国家研制的同类卫星相比，它们在寿命和可靠性方面还有一定差距。进入21世纪以来，俄罗斯一般每年发射1颗代号为“钴”（Kobalt，又名“琥珀”-4K1）的返回式详查卫星。俄罗斯传输型卫星从可见光到近红外区域（0.4～1.1μm）的8个谱段，根据轨道高度不同，分辨率在2～5m，相机视角0.56°，对应幅宽＞27km。其传输型光学成像侦察卫星是从1997年6月开始发射的，2002年7月发射了第2颗，但都未达寿命即失效。2008年7月27日发射的“宇宙”-2441卫星为最新型的“角色”（Persona N1）传输型详查卫星，质量6500kg，光 学 口 径1.5m，焦 距20m，全 色 分 辨 率0.33m，但入轨3个月后失效，未投入现役。可以看出，俄罗斯至今仍是用返回式“钴”卫星进行军事详查，测绘任务也由返回式卫星承担，传输型光学成像侦察卫星还未能实现业务操作。

日本“情报收集卫星”（IGS）星座现由4颗光学卫星和1颗雷达卫星组成。其光学卫星的分辨率为0.6～1m，雷达卫星的分辨率为1～3m。具体如表2所示。

表2日本IGS成像侦察卫星

印度从1988年发射首颗自主研制的卫星——“印度遥感卫星”（IRS）-1A 以来，已经建成了一个庞大的对地观测卫星体系，目前在役的卫星有10颗，在轨的光学成像侦察卫星有4颗，如表3所示，其中“制图卫星”-2B（Cartosat-2B）光学成像卫星天底点分辨率1m，幅宽9.6km，顺轨方向分辨率0.8m。

表3 印度在轨光学成像侦察卫星

当今世界，商用高分辨率遥感卫星发展迅速，高分辨率商业成像卫星主要由美国、欧洲等国家的商业公司运行管理，例如，数字全球公司运行管理了3颗卫星（“快鸟”-2、“世界观测”-1／2），地球之眼公司运行管理了2颗卫星（“伊科诺斯”、“地球之眼”-1）；阿斯特里姆地理信息服务公司运行管理了多颗卫星，包括“昴宿星”-1、“斯波特”系列、“陆地合成孔径雷达”等。其中，“世界观测”-2卫星和“地球之眼”-1卫星的空间分辨率均优于0.5m，分别达到0.41m 和0.46m。具体如表4所示。

表4 国外典型商业光学成像卫星的基本参数

2 国外光学成像侦察卫星主要在研项目

美国政府在2009年4月推出了新的光学成像侦察卫星计划——“下一代光电系统”，亦称“2＋2”计划。“2＋2”计划的主要内容包括：制造2颗先进的光学成像侦察卫星；增加商业卫星图像的购买经费，以支持商业卫星图像运营公司制造与发射2颗新的商业成像卫星。为避免超出预算或进度推迟，“2＋2”计划中侦察卫星的性能将与目前在轨的高分辨率光学侦察卫星等同或略有提升。从目前来看，“2＋2”计划的推出仍是一项过渡性的权宜之计。

2006年12月，美军成功发射“战术星”-2（载有直径50cm 的高分辨率成像仪），试验为战区提供战术级分辨率图像的能力。2009年5月，美军成功发射“战术星”-3，该星载有“先进快速响应战术有效军用超光谱成像仪”。在为期13个月的试验飞行阶段，“战术星”-3完成的主要工作是：1）拍摄了2100 张图像，验证了卫星能在接收指令后10min内向地面终端传输经过处理的目标信息；2）验证了美陆军的战术作战概念，即为旅级机动作战部队提供作战任务规划所需的侦察信息。

欧洲在研的项目主要是欧洲多国天基成像系统（MUSIS），该项目由法国牵头，系统由不同型号的光学、雷达小卫星组成，预计数量10颗以上，将取代之前欧洲各国的多个侦察卫星系统，如法国“太阳神”-2系统，德国“合成孔径雷达-放大镜”星座等。

俄罗斯目前正在研制新一代光电传输型“别尔索那”成像侦察卫星，最高分辨率达0.25m，在轨寿命3年以上。但由于侦察卫星寿命较短且价格昂贵，难以大量装备，俄罗斯光学成像侦察卫星的主要任务仍是执行战略侦察。

日本正在推进新一代成像侦察卫星系统研制部署，预计5年内将拥有光学分辨率优于0.5m 的卫星侦察能力。日本计划2014年发射第三代情报收集卫星——O5，分辨率达到0.4m。

印度决定在“十一五”到“十二五”（2012 ～2017年）之间研制具有更高分辨率的“制图卫星”-3／4 （CartoSat-3／4）。“制图卫星”-3将于2012～2013年发射，卫星质量约600kg，全色分辨率0.3m，幅宽为6km。“制图卫星”-4将于2014～2015年发射，比“制图卫星”-3增加了主体测绘能力，分辨率为全色0.3m，多光谱1m。

商业遥感卫星运营商正在积极发展下一代商业遥感卫星，如美国“地球之眼”-2卫星和“世界观测”-3卫星，以及欧洲阿斯特里姆公司的“斯波特”-6／7 卫星等。

“地球之眼”-2 卫星和“世界观测”-3 卫星是美国国家地理空间情报局（NGA）在“增强视景”项目计划下研制的商业成像卫星，分别计划于2013年和2014年发射，空间分辨率可达到0.34m 和0.31m。其中，地球之眼公司的“地球之眼”-2卫星将在“地球之眼”-1卫星“全色＋4波段”的基础上增加4个成像波段；数字全球公司的“世界观测”-3卫星在沿用“全色＋8波段”模式（包括海洋蓝、蓝色、绿色、黄色、红色、红端和近红外-1／2）的同时，将增加8个短波红外（SWIR）波段。新增加的短波红外波段可获取空间分辨率为3.7m的红外图像。这也使得数字全球公司成为目前世界上唯一具有多谱段短波红外成像能力的公司。

“斯波特”-6／7 卫星是阿斯特里姆公司自筹资金研制的2颗“斯波特”系列后继卫星，以取代超过设计寿命的“斯波特”-5 卫星。这2 颗卫星采用新型卫星平台，发射质量由3000kg降低到800kg，体积仅为“斯波特”-5 卫星的1／8；有效载荷是2 台NAOMI成像仪，其全色／多光谱图像的分辨率分别可达到1.5m／6m，而“斯波特”-5卫星的全色图像分辨率为5m。“斯波特”-6／7卫星分别计划于2012年和2014年发射，其轨道部署方式与法国“昴宿星”（Pleiades）系统相同，即2颗卫星运行在同一轨道面上，相位相差180°。

3 国外光学成像侦察卫星发展趋势

世界上越来越多的国家正在发展高分辨率光学成像侦察卫星，并以此作为突破口带动本国航天技术的发展。其发展和应用呈现出以下趋势：

1）空间分辨率、光谱分辨率、辐射分辨率、时间分辨率持续提高

空间分辨率几近物理极限，军用光学成像侦察卫星分辨率最高达0.1m（美国“锁眼”光学成像侦察卫星），红外成像的空间分辨率达到米级，光谱分辨率达到纳米级。美国2009年“战术星”-3搭载的超光谱成像仪可以覆盖可见光和短波红外波段，工作谱段为400～2500nm，光谱段多达400个，光谱分辨率可达5nm，能够精细探测地面目标的光谱特征，发现和判别伪装目标和各类新目标。

2）光学成像侦察卫星军事应用取得新突破

目前美国光学成像侦察卫星的发展正处于一个瓶颈期，一方面美通过“2＋2”计划，试图以发射技术较为成熟的高分辨率成像卫星和购买商业卫星图像相结合的方式，维持天基情报侦察能力；另一方面寻求以“战术星”概念引领低成本光学成像侦察技术的突破，来满足战场广域侦察和近实时侦察的需求。特别是2011年6月，首颗面向作战用户战术应用需求的“作战响应空间”-1（ORS-1）成功发射，标志着光学成像侦察卫星军事应用取得关键性进展。可以预见，美军将加快探索成像侦察战术小卫星未来的战场应用能力。

3）高分辨率商业成像卫星军事应用广泛

高分辨率商业成像卫星已经成为强国军事行动的常规情报源。美国“世界观测”-1卫星50%的成像能力和“世界观测”-2卫星60%的成像能力专用于美国地理空情报局（NGA）的地图测绘和情报侦察监视（ISR）任务，而“伊科诺斯”卫星和“快鸟”-1卫星在阿富汗战争和伊拉克战争期间就已经为侦察卫星提供了很好的补充，充分展示了商业成像卫星在图像情报（IMINT）领域的巨大应用潜力。在利比亚战事期间，“世界观测”-2和“地球之眼”-1为法、英等国的军事行动提供了大量图像。高分辨率商业卫星图像已广泛用于军事目标侦察、打击效果评估、战场资源勘察、战争潜力评估等领域。

4 结束语

一直以来，光学成像卫星作为重要的航天力量得到了迅猛的发展，但是美国光学成像卫星的发展正处于一个瓶颈期：一方面试图以运用军事成像卫星和购买商业卫星图像相结合的方式维持天基情报侦察能力；另一方面积极寻求“战术星”概念引领的低成本光学成像卫星的新突破，来满足战场广域侦察以及近实时侦察的需求。值得关注的是，越来越多的国家迈入了天基成像侦察的行列，特别是法国、日本等国家的天基光学成像能力已经接近世界先进水平，俄罗斯也在积极重建其天基侦察网络。可以预见，在未来热点地区以及重大事件的态势感知方面，天基光学成像卫星系统将会发挥越来越大的作用。■

［1］夏亚茜.国外光学成像侦察卫星发展研究［J］.国际太空，2012（9）：39-43.

［2］梁巍，周润松.国外侦察卫星最新进展［J］.航天器工程，2007（2）：30-40.

［3］何立萍.国外空间侦察监视系统的发展［J］.航天电子对抗，2007（6）：7-11.

［4］李云.国外下一代侦察预警卫星装备发展分析［J］.中国航天，2012（5）：31-36.