国外视频卫星发展研究

刘韬（北京空间科技信息研究所）

2013年，美国发射了1m分辨率的业务型视频卫星，加拿大在“国际空间站”上安装了1m分辨率的视频成像载荷，这些新动向说明视频卫星技术走向成熟，视频卫星从技术试验向业务型应用过渡。我国也于2014年9月8日发射了首颗视频成像卫星天拓-2。 该卫星具有实时视频成像、人在回路交互式操作、基于网络的远程操作控制等功能，能实现对动态运动过程的连续观测和跟踪，获取观测区域的视频数据。相对于静止图像而言，视频拍摄最大的优势在于对环境的动态监视和对运动目标的跟踪。

1 视频卫星的概念

视频卫星是一种新型对地观测卫星，与传统的对地观测卫星相比，其最大的特点是可以对某一区域进行“凝视”观测，以“视频录像”的方式获得比传统卫星更多的动态信息，特别适于观测动态目标，分析其瞬时特性。下面介绍两个相关概念，“视频”和“凝视”

根据维基百科介绍，连续的图像变化每秒超过24帧画面以上时，根据视觉暂留原理，看上去是平滑连续的视觉效果，这样连续的画面叫做视频。国外目前对视频卫星的帧速率指标并没有明确的限制，例如正在发展的美国静止轨道衍射成像系统能够拍摄1帧/秒视频，欧洲正在论证的静止轨道空间监视系统卫星“静止轨道监视系统”（GO－3S）能够拍摄5帧/秒视频，而美国已发射的天空卫星－1（Skysat－1）能够拍摄30帧/秒的视频。

所谓“凝视”是指随着卫星的运动，光学成像系统始终盯住某一目标区域，可以连续观察视场内的变化。主要有两种手段实现“凝视”，一是采用静止轨道光学成像卫星，二是采用具备较高姿态敏捷能力或具备图像运动补偿能力的低轨光学成像卫星。静止轨道卫星由于轨道动力学特性，卫星与地面相对静止，从而实现凝视。但为了在高轨实现米级地面分辨率，其成像系统口径必须足够大，目前美、欧正在积极研制大口径（至少大于4m）光学成像系统。具备“凝视”能力的低轨卫星又分两类，一类是具备高敏捷能力，采用传统线阵探测器的卫星，以美国“世界观测”（WorldView）和法国“昴宿星”（Pleiades）为代表。另一类是采用面阵探测器，综合利用平台的高敏捷能力从而实现“凝视”，典型代表为印尼与德国合作研制的“印度尼西亚国家航空航天研究所-柏林技术大学卫星”（LAPAN-Tubsat）和美国“天空卫星”等。

2 视频卫星的用途和应用前景

视频卫星通过一定时间间隔的时序图像组成视频，适于对动态目标进行分析，获得目标的速度和方向，这些重要信息从传统静态图像中难以获得。

国外正在积极研制的米级分辨率静止轨道光学成像卫星具备长时间视频拍摄能力，在海洋监视和环境监视领域有广阔的应用前景，能够对大型的动态军事目标进行检测。

低轨卫星由于过顶速度快，单颗视频卫星对某一目标区域的视频持续观测时间一般在1min左右。凭借单颗卫星难以对目标进行业务化的持续监视。但国外发展的视频小卫星多采用微卫星平台，质量为100kg量级，因此成本较低，可以通过星座部署的方式实现近实时的目标监视。国外低轨视频卫星已经从试验研究向业务化应用转变，分辨率已从5m左右发展到1m，结合低轨亚米级分辨率光学成像卫星，可以实现对动态目标的快速检测、确认和识别。

3 典型视频卫星系统

静止轨道视频卫星

（1）美国“莫尔纹”

“莫尔纹”（MOIRE）是美国国防高级研究计划局（DARPA）于2010年开展的大口径衍射光学成像技术研发项目，其全称为“薄膜光学成像仪实时利用”（Membrane Optic Imager Real－Time Exploitation）。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。

美国国防高级研究计划局已于2010年8月授出了“莫尔纹”项目的研制合同。美国鲍尔宇航技术公司作为主承包商，负责光学系统的设计、地面原理样机研制和测试；美国“纳克斯奥吾”（NeXolve）材料公司负责衍射薄膜的研制；美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室（LLNL）负责衍射镜的研制。

该项目分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。第二阶段计划研制5m口径光学薄膜成像系统的地面原理样机。

美国国防高级研究计划局计划在“莫尔纹”项目取得成功后，进一步研制1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。目前美国国防高级研究计划局宣称的业务系统成本约5亿美元，光学系统采用菲涅尔波带片或者光子筛形式的主镜，口径将达到20m，在发射时处于折叠状态，入轨后展开。系统能够在静止轨道实现1m的高分辨率，视场为10km×10km，成像速率1幅/秒，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。

“莫尔纹”项目示意图

（2）欧洲“静止轨道监视系统”卫星

“静止轨道监视系统”卫星是欧洲阿斯特留姆（Astrium）公司从2011年开始发展的3m分辨率静止轨道光学成像卫星，其具备100km幅宽，5帧/秒视频拍摄能力，装配4m口径的光学成像系统，卫星质量约8t。

“静止轨道监视系统”卫星有3个视频工作模式。“突发”模式（快速连拍模式）是在短时间内以较高的帧速率拍摄视频，该模式用于快速获取时敏目标的速度、方向等瞬时特性；“持续视频”模式（短片视频模式）是在数分钟的拍摄时间内以较高帧速率拍摄视频，尽管达不到24帧/秒的真正视频效果，但该模式尽量使每帧图像连贯起来；“时延视频”模式是以一定时间间隔（如分钟、数小时或天）拍摄视频，这种模式主要用于跟踪舰船，也可用于获取海洋环境的长时间演化特性。

低轨视频卫星

（1）传统高敏捷高分辨率光学成像卫星

据国外专家计算，卫星平台姿态机动能力达到1°/s，就可实现“凝视”。部分传统高敏捷高分辨率光学成像卫星具备这种能力。

“静止轨道监视系统”卫星视频工作模式

典型高敏捷高分辨率光学成像卫星

（2）微小型敏捷视频卫星

目前，国外已发射了数颗具有视频拍摄功能的小卫星，一颗是印度尼西亚于2007年1月10日发射的“印度尼西亚国家航空航天研究所-柏林技术大学卫星”（LAPAN-TUBSAT）卫星，另一颗是南非于2009年9月发射的Sumbandliasat。这两颗卫星的空间分辨率相当，在结构上也很类似，均采用高分辨率载荷和低分辨率载荷的组合，属于技术试验卫星。随着小卫星平台技术、大像元数面阵探测器技术和图像处理技术的发展，美国于2013年11月发射了分辨率约1m的天空卫星－1业务型视频卫星。

“印度尼西亚国家航空航天研究所-柏林技术大学卫星”

“印度尼西亚国家航空航天研究所-柏林技术大学卫星”由印度尼西亚出资，德国柏林工业大学为主承包商，日本索尼（SONY）、尼康（Nikon）公司和德国卡帕(kappa)公司提供有效载荷部件。该卫星有两种成像模式，一是传统的推扫成像；另一种是为了拍摄视频的“凝视”模式，在该模式下，相机与卫星平台进行“互动”，当成像出现像移时，相机将像移量反馈给平台，平台通过侧摆调整姿态，以补偿这种像移，从而实现“凝视”。

“印度尼西亚国家航空航天研究所-柏林技术大学卫星”尺寸为45cm×45cm×27cm，三轴稳定，质量为56kg，位于太阳同步轨道，高度为635km，设计寿命2年。有效载荷为1台高分辨率摄像机和1台低分辨率摄像机。高分辨率摄像机主要由索尼公司的高清晰度DXC－990P型民用可遥控摄像机和尼康公司制造的焦距1m、相对孔径f/11的折射望远镜组成，包括支撑结构的总质量为7.8kg。空间分辨率为6m，幅宽为3.5km。

目标“凝视”观测示意图

索尼的DXC－990P摄像机（左）星载高分辨率摄像机（右）

DXC－990P是1台可换镜头式3CCD摄像机，每块CCD的像元数为752×582，合430万像素，像元尺寸为7μm。通过棱镜将红绿蓝（RGB）三原色光汇聚到3个CCD上，画质比单CCD摄像机更好。选择DXC－990P监控摄像机的另一个主要原因是其具有Exwave HAD技术，适于光照强度大范围变化的场合使用，如存在部分云覆盖的目标区域。该摄像机的行扫描速度为15.625kHz，列扫描速度为50Hz，可以产生50帧/秒的视频，输出清晰度达到850线，输出格式为PAL制式。

选择全自动模式为该摄像机的默认工作模式，意味着摄像机自动控制增益、白平衡和快门速度。也可以通过星载计算机响应地面指令，手动设置上述参数。快门速度最快达到10－6s，用于补偿有云区域因云反射太阳光造成的过度曝光。

D X C－990 P用户手册标出的工作温度范围是－5～45℃，卫星热控系统使温度控制在±10°内，而环境测试表明该摄像机在－20℃时仍能运行良好，因此该摄像机在轨工作的温度环境不存在问题。

低分辨率摄像机由德国Kappa公司研制，使用50mm焦距镜头，采用752像素×582像素CCD面阵探测器，空间分辨率200m，幅宽81km。

DXC－990P摄像机的安防监控、科研和产品生产监视用途

低分辨率视频相机

印度尼西亚国家航空航天研究所－A2（LAPAN-A2）卫星

印度尼西亚国家航空航天研究所－A2卫星计划于2014年发射，运行在近赤道轨道，高度650km，倾角8°，平台尺寸为47cm×50cm×36cm，发射质量76kg。在俯仰和滚动向可侧摆机动±30°。它共携带4个有效载荷，包括与印度尼西亚国家航空航天研究所-柏林技术大学卫星相同的视频相机、试验型空间数字相机、船舶自动识别系统（AIS）和无线电通信载荷。研制成本约350万美元。

试验型空间数字相机基于德国西塔系统电子股份有限公司（Theta System Elektronik GmbH）的名称为C4000型空间摄像机（SpaceCam）商业现货研制。C4000型空间摄像机采用CMOSIS公司生产的400万像素（2048×2048）CMOS面阵探测器，像元尺寸5.5μm，数字量化12bit。基于C4000型空间摄像机的试验型空间数字相机采用焦距600mm镜头，空间分辨率6m，幅宽12km。实际上C4000型空间摄像机采用可换镜头设计，如果搭配口径30cm的镜头，在630km的轨道高度可以实现优于1m的空间分辨率。

印度尼西亚国家航空航天研究所－A2卫星结构透视图

“天空卫星”

天空卫星－1是美国的新兴航天企业天空盒子（Skybox）公司于2013年底发射的商用光学成像和视频拍摄卫星，利用了先进的地面图像处理等软件技术，由于商业保密的原因，目前技术资料极少。Skybox公司认为他们是一个IT类公司而不是航天企业，说明天空卫星－1除硬件先进外，还采用了先进的软件技术。

天空卫星－1质量约91 kg，运行在高600 km的太阳同步轨道。携带碳化硅制造的里奇-克莱琴（R-C）反射光学成像系统。天空卫星－1在成像模式工作时，其全色分辨率0.9m，4谱段多光谱分辨率2m，幅宽8km；在视频模式工作时，只能提供全色视频，分辨率1.1m，幅宽2km×1.1km，可见视频产品的幅宽比成像模式时的幅宽下降3倍。视频每秒30帧，持续时间90s，输出H.264编码的1080P高清MPEG4格式视频。

空间相机拍摄高帧速率视频对探测器所需的积分时间和电路读出时间的要求比拍摄传统静态图像的要求高。拍摄视频要求在较短的积分时间内满足图像信噪比的要求。传统的线阵探测器难以满足这一要求，因此天空卫星－1使用550万像素的CMOS面阵探测器，实现画幅式推扫成像。根据天空盒子公司公布的有限资料推测，“天空卫星”使用了错位排列拼接的CMOS面阵探测器。使用拼接阵列的原因通常是受限于当时的探测器加工技术，难以制造像素数多的探测器，因此采用拼接，以扩大观测幅宽。由于面阵探测器单次成像面积比线阵探测器大，因此同一目标区域可以获得多次拍摄机会，通过多幅图像叠加处理，提高了信噪比。

为了实现“凝视”以拍摄视频，“天空卫星”能够在俯仰、滚动和偏航3个方向实现侧摆机动。同时CMOS探测器还具有前后左右4个方向的自由度，配合平台的3个自由度，共计7个自由度，由此实现图像运动补偿，从而加强了凝视效果。

同一目标区域被多次成像

V1C型小卫星

2014年4月，萨瑞美国（SST－US）公司发布了其新近研制的具有彩色视频成像能力的V1C型小卫星。

V1C型小卫星价格低于2000万美元，星下点空间分辨率优于1m，地面幅宽为10km，帧频高达100帧/秒。V1C型卫星基于萨瑞公司新近推出的SSTL－X50卫星平台研制，具有星上大数据存储能力。此外，萨瑞美国公司还推出了具有0.5m分辨率光学成像能力的L1型卫星。VIC型卫星和L1型卫星具有任务可再配置能力，可以应用在一系列情报收集领域，如监视、探测和确认等。

V1C型小卫星外形图

根据卫星发射数量不同，V1C型卫星可构成多种不同的星座构型，如以30～60min的时间间隔部署在同一轨道，以便于在每天特定时段提供近实时的视频覆盖。

地球直播公司的“国际空间站”高分辨率视频相机项目

2013年11月25日，加拿大地球直播（Urthecast）公司的两部光学成像系统—高分辨率相机和中分辨率相机，由俄罗斯“进步”货运飞船送往“国际空间站”。2014年1月27日，高分辨率相机和中分辨率相机在“国际空间站”的俄罗斯星辰号服务舱上成功安装。

地球直播公司是利用大数据技术以互联网和移动终端为平台，为用户提供卫星数据定制服务的新型宇航企业。该公司允许其他开发者在其提供的开源应用程序接口（API）的基础上制作应用程序（APP），在环保、教育、灾害监视、传媒甚至游戏开发等领域有广阔的应用前景。地球直播公司与Youtube和Flickr等社交和移动媒体网站合作，方便用户创建、发布和共享图像或视频。用户也可以在“地球直播”网站上免费注册，订阅关注的位置信息。商业模式包括对地观测图像销售、视频销售、网络广告销售和应用平台销售4大部分。

加拿大地球直播公司的高分辨率相机和中分辨率相机

高分辨率相机由英国卢瑟福-阿普尔顿实验室（RAL）与加拿大麦德（MDA）公司合作研制，安装在一个可转向的平台上，分辨率为1.1m，视场为5km×3.4km，采用3048像素×4560像素的面阵探测器，能够拍摄单幅图像和帧速率3.25fps（1fps=0.304m/s）的视频，高分辨率相机每天可产出150段每段90s的视频。高分辨率相机对地“凝视”利用的是二维转向平台（BPP）。

4 视频卫星技术总结

低轨视频卫星对平台的要求

为了使得视频卫星光学遥感器的光轴始终对准地面目标区域进行不间断摄像，卫星姿态控制系统需要实时调整星体的姿态，以克服卫星的轨道运动、姿态运动和地球自转带来的目标不断偏离光轴的影响，使光学遥感器的光轴始终对准目标。凝视问题实际上就是星体对运动目标的姿态跟踪问题。

对载荷的要求

（1）高轨视频卫星需要具备大口径光学成像系统，才能满足军事应用需求

根据美、欧计算，在静止轨道实现1m分辨率至少要求光学系统的口径达到13m，现阶段美、欧单体空间反射镜制造水平在3～4m水平，仅能达到星下点3m的空间分辨率。这一指标可以满足部分军事应用需求，如舰船监视等。

（2）低轨微小视频卫星需要面阵探测器

在进行成像过程中，低轨卫星相对于被观测对象处于快速运动状态，卫星运动使得在曝光时间内被摄目标影像与探测器之间存在相对运动，目标在探测器上所成的像不是静止的，而是运动的，即造成像移。

传统线阵推扫拍摄静态图像时，被观测目标的像在探测元上的驻留时间较长，即大于或等于探测器的积分时间，也即像移量小于或等于探测元尺寸，像移对图像质量的影响还可接受，进行适当像移补偿或不进行像移补偿都能满足成像要求。

凝视拍摄视频时，若被观测目标的像在探测元上的驻留时间比探测器积分时间短，产生的像移量明显大于探测元尺寸，即对图像质量的影响较大，不进行像移补偿很难获得较好的成像质量。对补偿有两种方法，一种是与平台进行互动，利用平台调整姿态，对像移进行补充，另一种通过采用可位移的探测器进行补偿，或采用摆镜的方法进行补偿。