国外新型商业对地观测系统

张召才（北京空间科技信息研究所）

2014年6月10日，美国天空盒子（Skybox）公司与全球互联网搜索巨擘谷歌公司达成协议，后者将以5亿美元现金收购天空盒子公司。此次交易不仅使谷歌公司获得了自主的天基高分辨率图像和视频数据采集能力，完善其谷歌地图和谷歌地球服务，更使天空盒子公司大数据存储、处理和分布式计算能力大幅提升，推动其在对地观测数据应用与互联网技术结合浪潮中占得先机。

1 引言

近年来，国外出现了众多商业天基对地观测初创公司，包括美国天空盒子公司、行星实验室（Planet Labs）公司、欧姆尼地球（Omni Earth）公司、俄罗斯达斡利亚宇航（Dauria Aerospace）公司、加拿大地球直播（UrtheCast）公司以及阿根廷卫星逻辑（Satellogic）公司等。这些公司以大数据、云计算等IT前沿技术为驱动，尝试全新的对地观测数据分发与应用模式，并提供云服务平台，鼓励用户或第三方开发专业化应用（APP），力图在移动互联时代实现天基对地观测应用的实时响应和定制化服务。

目前，天空盒子公司、行星实验室公司和加拿大地球直播公司率先在各自新型低地球轨道对地观测系统的部署方面获得重要进展，并初步或即将具备业务应用能力。天空盒子公司计划建造由24颗小卫星构成的对地观测星座，目前已完成前2颗业务星部署，它们采用“互补金属氧化物半导体”（CMOS）成像敏感器，具有高分辨率成像和高清视频能力；行星实验室公司已建造由3U立方体卫星组成的全球迄今为止最大的对地观测卫星星座；加拿大地球直播公司以“国际空间站”为平台搭载视频和成像相机，获取对地观测数据。

三家对地观测公司的基本信息（截至2014年6月）

2 天空盒子公司授出后续星研制合同，推进全球数据分发合作

首发星在轨工作正常，后续星研制逐步推进

天空盒子公司位于美国加利福尼亚州山景城（Mountain View），计划在低地球轨道部署名为“天空卫星”（SkySat）的对地观测星座。“天空卫星”星座的卫星还采用合成时间积分延迟（TDI）技术，具有亚米级高分辨率成像、多幅图像拼接和支持高清视频能力。

2013年11月21日，“天空卫星”星座的首发星天空卫星－1搭乘“第聂伯”（Dnepr）火箭成功进入近地点563km、远地点597km的太阳同步轨道。天空卫星－1质量100kg，设计寿命6年，其星下点全色图像分辨率为0.9m，多光谱分辨率为2m，成像幅宽8km，并能够获取时长90s、每秒30帧的高清视频。其星下点视频分辨率为1.1m，标准覆盖为2km×1.1km。天空卫星－2与天空卫星－1设计完全一致，于2014年7月8日搭乘联盟－2-1b（Soyuz－2-1b）火箭进入近地点623km、远地点637km的太阳同步轨道。

2014年5月15日天空卫星－1拍摄的阿布扎比法拉利世界主题公园

美国“天空卫星”星座

2013年12月11日，天空盒子公司发布了天空卫星－1拍摄的首幅对地观测图像；12月27日，该公司又发布了由天空卫星－1拍摄的、全球首个商业天基对地观测视频。2014年7月10日，天空卫星－2在发射入轨两天后即成功拍摄首幅对地观测图像并下传至地面站。目前，天空卫星－1在轨运行良好，已完成星载相机在轨标定工作，正处于图像定位精度测试阶段；天空卫星－2正处于相机在轨标定阶段。待投入业务应用后，这2颗卫星获取的对地观测数据将在作物预测、矿产和陆地监测等业务应用中发挥作用。

2014年2月10日，天空盒子公司与美国劳拉空间系统（SSL）公司宣布签订了一项卫星制造合同。根据合同要求，劳拉空间系统公司将利用天空盒子公司提供的卫星设计方案为其制造13颗商业高分辨率对地观测卫星。这些卫星单星质量约120kg，尺寸为60cm×60cm×95cm，设计寿命超过6年，计划于2015—2016年发射进入高度约500km的太阳同步轨道。劳拉空间系统公司研制的这13颗卫星沿用天空卫星－1的设计方案和相关技术，轨道比天空卫星－1轨道偏低，因此空间分辨率有所提高，预计约为0.8m。待这13颗卫星发射入轨后，其构成的“天空卫星”星座将具备对地面指定区域8h重访成像的能力。

鸽群－1星座首批2颗卫星从“国际空空间站”释放

天空盒子公司负责卫星系统的副总裁迈克·特雷拉（Michael Trela）说：“此次与劳拉空间系统公司合作，我们可以利用他们强大的生产能力来大幅提高成本效益和制造速度，从而使我们能够专注于研究下一代卫星系统，以便更好地为客户提供服务。”同时，此次合作将帮助劳拉空间系统公司从制造地球静止轨道高功率通信卫星领域向低轨对地观测卫星领域扩展，为未来争取美国和其他国家更多的低轨对地观测卫星研制合同奠定基础。

数据分发采用多种方式，业务服务能力不断提升

在规划未来业务星研制任务的同时，天空盒子公司注重畅通全球数据分发渠道，扩展全球影响力。

一方面，天空盒子公司继续拓展与对地观测数据分销商的合作范围。继2013年5月与日本空间成像（JSI）公司达成数据分发合作协议后，天空盒子公司又于2014年2月12日、2月14日和3月25日，分别与澳大利亚地理图像（Geoimage）公司、阿联酋空间成像（ESI）公司和英国麦肯锡情报服务（MSI）公司达成数据销售和分发合作协议。地理图像公司负责澳大利亚、印尼、马来西亚和菲律宾等国家的业务。阿联酋空间成像公司购买了2个“天空卫星”卫星地面站，分别放置在位于迪拜的空间成像中东（SIME）分公司和位于慕尼黑的欧洲空间成像（EUSI）分公司。其中，空间成像中东分公司负责中东、东非和中亚地区的业务；欧洲空间成像分公司负责欧洲和北非地区的业务。麦肯锡情报服务公司负责天空盒子公司在英国和非洲的数据数据分发业务。

鸽群－1星座卫星外形图

另一方面，天空盒子公司不断发展高分辨率对地观测数据在线读取和交互式访问技术，着力改善用户体验度，为用户提供便捷易用服务，提高数据直销能力。天空盒子公司基于Hadoop开源架构设计了“天空节点”（SkyNode）地面站，包括1副2.4m口径的天线和2套支持软件等，能够实现地理空间海量数据分布式处理任务。“天空节点”地面站支持软件基于用户友好的互联网平台，能够使用户便捷、高效的收集图像、规划卫星任务和处理图像产品等。2014年3月，天空盒子公司又与美国地图盒子（Mapbox）公司展开合作。届时，用户订阅的图像将转换格式，快速、流畅的发送至指定地图盒子公司账户。用户可以通过移动设备登录账户，对图像添加注释或标签，制作个性化地图。

除对地观测图像和视频数据外，天空盒子公司还与地理空间成像解决方案公司合作，致力于为客户提供数据处理、信息提取与分析服务。2014年2月24日，天空盒子公司与加拿大PCI地理矩阵（PCI Geomatics）公司达成合作协议，利用其Geomatica 2013款软件实现天空卫星－1原始图像高精度、自动化校正。2014年6月5日，天空盒子公司与六角地理空间（Hexagon Geospatial）公司达成合作协议，利用其ERDAS IMAGINE 2014款软件的严格传感器模型和RPC模型等改善天空卫星－1图像，使客户能够快速、高效地从对地观测图像中提取有价值的应用信息。

此外，天空盒子公司还积极落实后续业务卫星发射机会，在2014年2月20日与轨道科学公司签署了商业发射合同，计划于2015年底从范登堡空军基地利用“人牛怪”（Minotaur）运载火箭一次性发射6颗“天空卫星”卫星入轨。目前，轨道科学公司正在开发一种“天空卫星”分配器，以便每次最多可同时发射6颗卫星。

3 行星实验室公司首批星座部署完毕，开始规划后续任务

2014年2月11日－28日期间，美国行星实验室公司研制的鸽群－1（Flock－1）星座的28颗卫星已陆续从“国际空间站”释放入轨，完成了全球首个业务化对地观测纳卫星星座部署。行星实验室公司是美国借助风投资本发展的新兴对地观测公司，目前已完成两轮合计6510万美元的融资。

鸽群－1星座由28颗3U立方体卫星组成，是迄今为止最大的对地观测卫星星座，可对地球南北纬52°范围内成像，对地分辨率达到3～5m。该星座于2014年1月7日搭乘轨道科学公司（OSC）的“安塔瑞斯”（Antares）火箭进入“国际空间站”，并利用NanoRacks公司提供的“国际空间站”小卫星商业部署业务，由“小卫星轨道部署器”（SSOD）送入高度400km、倾角52°的圆形轨道。由于鸽群－1星座轨道较低，其28颗卫星将在地球引力作用下再入大气层，不会长期滞轨影响“国际空间站”安全。截至2014年7月10日，鸽群－1星座仅余3颗在轨工作，其余25颗已在再入大气层过程中燃尽。

鸽子－2卫星于2013年4月26日拍摄的瑞典尼亚湾海冰图像

2013年，行星实验室公司曾发射了4颗名为“鸽子”（Dove）的技术验证星，对鸽群－1星座平台和载荷能力进行验证。2013年4月26日，鸽子－2卫星拍摄了瑞典尼亚湾海冰图像，验证了鸽群－1星座中分辨率对地成像能力。鸽群－1星座规模已超过实现全球覆盖所需的卫星数量，足以保证任务运行的可靠性。同时，由于星座规模足够大，地面覆盖范围足够广，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。在业务运营期间，鸽群－1星座可以频繁地获取南北纬52°以内区域的图像，获取的数据将实现全球共享，商业应用包括制图、房地产和建筑、石油和天然气监测等。“我们公司的目标是帮助每个人频繁获取各地图像，”行星实验室公司联合创始人罗比·辛德勒（Robbie Schingler）解释说。“你想获取某地的图像，你就能在那里成像。这对于许多国家和公司而言都将是翻天覆地的变化。”

加拿大地球直播相机在“国际空间站”上安装的位置示意图

在完成首个对地观测星座部署后，行星实验室公司开始规划未来星座任务。据“航天参考”（SpaceRef）网站2014年3月17日报道，行星实验室公司将在未来12～18个月内发射超过100颗类似卫星以增强其“鸽群”星座能力。2014年6月19日，鸽群－1c星座的11颗卫星搭乘俄罗斯“第聂伯”火箭进入倾角98°、近地点602km、远地点622km的太阳同步轨道。7月13日，鸽群－1b星座28颗卫星搭乘“安塔瑞斯”火箭运抵“国际空间站”，计划采用类似鸽群－1星座部署方式，从“国际空间站”释放进入低地球轨道。目前，作为空间创新型地球效益创造任务，行星实验室公司的“鸽群”星座能力已实现飞跃。

4 加拿大地球直播公司完成相机安装工作，发布首批中分辨率图像

2014年2月28日，加拿大地球直播公司宣布其在“国际空间站”星辰号服务舱外表面安装的两部对地观测相机已成功完成初始功能测试。其中高分辨率相机（HRC）地面分辨率为1.1m，地面标准覆盖为5km×3.4km，安装在二维转向平台上，可对南北纬55°范围内区域拍摄时长60s、每秒30帧的4K超高清全彩色视频；中分辨率相机（MRC）天底点指向时分辨率为5m，幅宽为47km，安装在固定平台上，可对南北纬51.6°范围内区域拍摄多光谱图像。

俄罗斯航天员在“国际空间站”外安装相机

中分辨率相机和高分辨率相机是于2013年11月25日由俄罗斯联盟－U（Soyuz－U）火箭运抵“国际空间站”的。此后，俄罗斯航天员奥列格·卡托夫和谢尔盖·梁赞斯基在2013年12月27日出舱活动期间尝试安装中分辨率相机和高分辨率相机，但相关测试显示，相机无法正常工作。因此，航天员不得不将相机拆卸下来，并带回“国际空间站”内进行检查，并最终于2014年1月27日成功完成相机安装工作。随后，由加拿大地球直播公司和俄罗斯能源火箭与空间公司（RSC Energia）联合组成的工程团队成功获取了这两部相机的遥测数据。

2014年3月28日，装在舱外的中分辨率相机拍摄了首幅对地观测图像。图像尺寸为3200像素×8000像素，地面分辨率为6 m，覆盖牙买加蒙涅葛市（Moneague）及周边约300km2的地区。同一天稍后，该中分辨率相机又拍摄了第二幅图像，图像尺寸为3000像素×5000像素，覆盖委内瑞拉圣克鲁斯德玛拉市（Santa Cruz de Mara）及周边约260km2的地区。

中分辨率相机拍摄的首批图片：左为蒙涅葛市，右为圣克鲁斯德玛拉市

与中分辨率相机相比，高分辨率相机需要在平台指向性精度的定标工作完成后，才能开始获取图像。按计划，加拿大地球直播公司将于2014年下半年首次公布高分辨率相机获取的全彩色超高清视频。

目前，加拿大地球直播公司在莫斯科、牛津、迪拜、南非、毛里求斯和新加坡规划了五个数据接收站。未来，加拿大地球直播公司计划利用高分辨率和中分辨率相机，以互联网和移动终端为平台，为全球用户提供涵盖对地观测视频与图像数据的免费在线浏览和商业定制服务。截至2014年3月，加拿大地球直播公司已经与16家分销商签订了数据分销协议，按照协议中规定的最低销售额计算，加拿大地球直播公司的年销售额至少将达到2600万美元。

5 结束语

近年来，国外高分辨率对地观测领域呈现出一些新的发展特点，并随着一系列创新型高分辨率对地观测系统的逐步部署和完善而愈发明显，包括与大数据、云计算等IT技术紧密结合，采用风险投资作为发展手段，天基对地观测数据逐渐由图像向视频过渡等。在未来，这些创新系统将改变商业数据应用、销售和分发模式，推动天基对地观测数据应用从单幅图像处理向时序数据分析转变。