视频成像卫星发展现状与启示

● 文|中国空间技术研究院西安分院 朱厉洪 回征 任德锋 陶孝锋

视频成像卫星发展现状与启示

● 文|中国空间技术研究院西安分院 朱厉洪 回征 任德锋 陶孝锋

一、概述

视频卫星是一种新型对地观测卫星，可以采用“凝视”的方式对某一区域进行连续观察，并以视频的方式来记录观察信息，特别适用于动态目标的观测。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。其优点在于可同时连续观测全视场内发生的现象，能实时、定点地观测；可灵活、机动地获得图像，根据用户需要直接定制图像；凝视模式无需机械扫描机构，可减轻卫星的质量和功耗[1]。

当前主要有两种手段实现“凝视”[2]：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，见图1。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。而对于低轨卫星而言，其利用平台的高敏捷能力来实现“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。

图1 低轨目标凝视示意图

我国由国防科技大学设计、联合中国空间技术研究院生产的“天拓二号”视频微卫星，于2014年9月8日发射升空，准确进入预定轨道。其主要任务是进行视频成像与实时传输、动态目标连续跟踪观测等科学试验，为发展高分辨率视频成像卫星奠定技术基础。是我国继研制成功世界上首颗单板纳星——“天拓一号”之后，在航天领域取得的又一重要创新成果[3]。

二、视频成像卫星发展现状

1.静止轨道视频卫星

地球静止轨道（GEO）卫星“站得高、看的远”，可以实现对地球表面移动目标的侦查监视、地球各种自然要素的长期演变监视等，能在感兴趣的区域内拍摄单目标乃至多个活动目标的视频，可弥补传统侦察卫星的时间分辨率低和覆盖范围小等问题，在动目标监视和变化监测上具有广阔的应用前景。

(1)美国“莫尔纹”

美国国防高级研究计划局（DARPA）为了解决静止轨道光学侦察卫星的技术难题，提出使用可折叠伸展的光学薄膜，在轨道上展开作为卫星光学系统的物镜，满足静止轨道高分辨率成像苛刻要求的方案，这就是著名的薄膜光学成像仪实时利用（MOIRE）项目，一次可覆盖40%的地表区域，能够在任何时间传输世界上任何地点的实时高清晰影像，图2为“莫尔纹“项目示意图。

图2“莫尔纹”项目示意图

MOIRE采用了巨型薄膜结构，薄膜厚度与家用保鲜膜相当，采用衍射成像技术。先以折叠形式被送入轨道，然后在太空中伸展到直径68英尺（20.7m）。目前，体积最大的地面望远镜的口径只有它的一半，哈勃太空望远镜的口径比它小8英尺（2.4m）。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，目前宣称的业务系统成本约5亿美元，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/s，可提供实时地部队移动监视、跟踪和战场破坏评估（BDA），最终达到导弹发射探测和跟踪的能力。

2013年12月,美国国防高级研究计划局已经对MOIRE卫星原型进行地面测试，但还没有确定具体发射时间。

（2） 欧洲“GO3S”卫星

2009 年，阿斯特留姆（Astrium）完成了10.5m分辨率的“静止轨道-眼睛” 星（Geo- Oculus）设计方案论证工作。2011 年，该公司在巴黎航展上展示了“地球静止轨道空间监视系统”（GO3S）卫星项目。GO3S 卫星的分辨率为3m，主镜口径达到4m，可拍摄视频影像，实时监视移动目标。2013年3月，新加坡表示可能为该卫星的研制进行投资，如果该意向得到落实，Astrium将于2016年开始制造卫星，并于2020年发射[4]。2颗卫星示意图见图3。

图3 Geo-Oculus卫星示意图（左）和GO3S卫星示意图（右）

“静止轨道监视系统“（GO3S）卫星是欧洲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/s视频拍摄能力，装配4m口径的光学成像系统，卫星质量约8t。

GO3S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/s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。后两者可用于长期获取海洋环境等长时间演化特性。

2.低轨视频卫星

低轨道视频卫星具有高敏捷性、持续观测和低成本的特点，在对动态目标的跟踪和监测方面具有很广泛的应用潜力[5]。近年来，国内外出现了众多能够拍摄视频的低轨道卫星，例如印度尼西亚于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），南非于2009年9月发射了与LAPAN-TUBSAT类似的小卫星Sumbandliasat，美国于2013年11月发射了分辨率约1m的“天空卫星-1”业务型视频卫星等，我国也于2014年9月发射了首颗视频卫星。

（1）LAPAN-TUBSAT卫星

LAPAN-TUBSAT卫星，是印度尼西亚与德国柏林技术大学从2003年开始合作研制的微卫星。在德国DLR-Tubsat的基础上进行研发，主要用于对地观测和高度控制试验，属于试验星。卫星的尺寸为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，见图4。

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。另外，DXC-990P监控摄像机采用了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/s的视频，输出清晰度达到850线，输出格式为PAL制式。

图4 LAPAN-TUBSAT卫星

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。

（2）LAPAN-A2卫星

印度尼西亚国家航空航天研究所-A2（LAPAN-A2）卫星是在LAPAN-TUBSAT的基础上进行研制的，计划于2015年发射[6]。该卫星带有一个船舶自动识别系统（AIS），用于确定在印度尼西亚水域上的船舶的类型和编号等，其监视的覆盖范围是LAPAN-TUBSAT卫星的3倍[7]，见图5。

图5 印度尼西亚国家航空航天研究所-A2卫星结构透视图

卫星运行在近赤道轨道，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，空间分辨率6m，幅宽12km。

（3）天空卫星

美国天空盒子（Skybox）公司计划在低地球轨道部署名为“天空卫星”（SkySat）的对地观测星座，该星座由24颗小卫星构成，见图6。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，目前已完成了前2颗业务星部署[8]。2013年11月21日“天空卫星”星座的首发星天空卫星-1成功发射，该卫星除硬件先进外，还采用了地面图像处理等软件技术。

图6 天空卫星星座示意图

天空卫星-1质量约100kg，设计寿命6年，运行在近地点563km、远地点597km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30帧/S，持续时间90s，输出H.264编码的1080P高清MPEG4格式视频。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。

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。

天空卫星-2[9]于2014年7月8日由俄罗斯联邦-2.1b/微风-M火箭送入太空，在轨高度450km，质量约100kg，用于获得高分辨率全色和多光谱地球图像。它比第一颗增加了肼推进系统，以进行轨道控制。它所携带的光学成像仪覆盖全色450～900nm频段，全色分辨率0.9m；4个多光谱通道覆盖蓝450～515nm，绿515～595nm，红605～695nm，近红外740～900nm频段，分辨率2m，幅宽8km，支持立体成像。卫星在全色模式最长可获取90s的高清视频，通过快速瞄准地面目标、补偿轨道运动持续观测地面目标，视频获取可实现30帧/s，分辨率1.1m，最小视场2.0km×1.1km。

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。

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。

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。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。

（4）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/s。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。V1C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。

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。

（5）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。

其中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，安装在二维转向平台上，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。中分辨率相机（MRC）天底点指向时分辨率为5m，幅宽为45km，安装在固定平台上，可对南北纬51.60范围内拍摄多光谱图像。未压缩的视频和图像数据经相机采集后，通过地面站传给大容量的服务器，用户可以通过在网站上免费注册来共享这些图像和视频。

UrtheCast还计划于2017年在“国际空间站”的宁静号节点舱上安装遥感相机和雷达成像载荷。

3.我国视频卫星现状

继美国Skybox Imaging 公司在卫星实时图像和视频监控领域探索可行的商业和民用价值之后，中国也已叩开这扇门。“天拓二号”是我国首颗采用视频成像体制的微卫星，见图7。

图7 天拓-2卫星

“天拓二号”卫星运行于太阳同步近圆轨道，尺寸为515mm×524mm×685mm，质量为67kg，有效载荷为4台不同性能的摄像机，可实现对地最高5m分辨率的视频成像。其主要任务是进行视频成像与实时传输、动态目标连续跟踪观测等科学试验，为发展高分辨率视频成像卫星奠定技术基础。“天拓二号”的研制成功并进入预定轨道运行，是国防科大继研制成功世界上首颗单板纳星——“天拓一号”之后，在航天领域取得的又一重要创新成果。

“天拓二号”采用视频成像和视频图像实时传输的工作方式，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，能以25帧/s的速度对某处拍摄3min的影像。据介绍，“天拓二号”采用了80%的工业级元器件和70%的商业现货部组件，科研人员通过空间环境适应性改造、加固、筛选与环境实验，实现了卫星研制的低成本和高可靠，在视频成像体制、交互式操作、网络操控、工业级元器件筛选及加固等方面，取得了一系列关键技术突破，“天拓二号”视频卫星作为一种新型对地观测卫星，在资源普查、灾害监测、动态事件观测等方面具有广泛的应用前景。

三、发展趋势

（1）视频卫星从技术试验向业务型应用过渡

2007年发射的LAPAN-TUBSAT和2009年发射的Sumbandliasat尚属于技术试验星，但随着小卫星技术、大像元数面阵探测器以及图像处理等技术的发展，高分辨率的视频小卫星得以实现。当前，还有公司构想利用“图像”来获取“信息”，例如，找到输油管道上的漏油点，或者统计出沃尔玛超市停车场中停车的数量，从而估计出该公司的季报盈利情况。

（2）地球静止轨道高分辨率对地观测得到重视

高轨视频卫星具有覆盖范围广、能对目标进行连续监测等优点。由于GEO轨道高度约36000km，成像物距是LEO轨道的数十倍，获得高分辨率的成像成为了挑战。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，因此当前只能满足部分军事应用需求，如舰船监视等。但随着分块可成像、衍射成像等技术的发展，GEO高分辨卫星成为了可能，例如，2010年3月，美国国防高级研究计划局（DARPA）启动了薄膜光学成像器实时应用（MOIRE）计划，用衍射成像技术实现静止轨道1m分辨率成像，物镜口径20m。

（3）星座组网的方式成为趋势

通过多颗低轨小卫星组成星座的方式，既能获得高空间分辨率、高时间分辨率，增加覆盖面，又能互为备份，提高系统的生存能力和空间体系的弹性，实现单颗大卫星难以实现的功能和性能[10]。

（4）载荷向智能化方向发展

为向用户提供更实时、更便利的服务，高分辨率对地观测载荷开始向智能化方向发展：可实现无地面控制点的几何定位，具体图像在轨处理能力，可实现全自动化目标识别和分类，以及有用信息在轨提取等[11]。

四、总结与启示

1）相对于静止图像而言，视频成像最大的优势在于对动态环境的持续监视和对运动目标的长期跟踪。而目前发展的低轨视频成像系统由于受轨道条件约束，导致这一优势难以充分发挥。Skybox公司计划发射24颗SkySat卫星组成星座，随着在轨卫星数量的增加，SkySat星座的重访周期可缩短至8小时左右。而Iris相机得益于“国际空间站”的轨道设计，重访周期仅约为90min。萨瑞公司则表示，通过合理的星座配置，多颗Surrey-V1C卫星可以实现30～60min的重访周期。但即便如此，低轨视频成像系统仍始终无法实现对目标区域的连续观测。因此，如何克服视频长度短、重访周期长的问题需要进一步的研究。

2）随着相关技术的发展，通过卫星来获得高分辨率的视频图像得以实现，然而如何通过这些获取的海量视频图像来获取用户关注的敏感信息，既是将来的发展趋势，又是视频卫星应用的关键点。因此，在发展和提高视频卫星技术的同时，如何结合大数据、图像处理等技术来实现和推广视频卫星的应用需要进一步的研究。

3）在卫星探测技术蓬勃发展的同时，反卫星技术的研究也得到了各国的重视。美国、俄罗斯都有成体系的空间探测系统，在反卫星武器方面，也有一些国家进行反卫星导弹、高能激光设备等方面的研究[12]。视频卫星由于其优越的侦察性能，必然成为敌方攻击的主要目标，因此，如何保障卫星的安全问题需要进一步的研究。

[1]邬树楠,孙兆伟,叶东，等.低轨对地凝视卫星姿态控制[J].上海航天.2010(1)：15-19.

[2]刘韬. 国外视频卫星发展研究[J]. 国际太空.2014(9)：50-56.

[3]陈立,张航宇.天拓二号：动态万千尽收眼底[N]. 中国航天报.2014.9.10.

[4]刘韬. 静止轨道高分辨率光学成像卫星展示海洋监视的重大潜力[J]. 卫星应用.2014(12)： 70-74.

[5]付凯林,杨芳,黄敏,等.低轨道视频卫星任务模式的研究与应用[C].北京力学会第21届学术年会暨北京振动工程学会第22届学术年会论文集.2015.17-22.

[6]许菁菁, 刘佳. 2015年世界航天发射计划[J]. 国际太空,2015(3)：16-24.

[7]http：//space.skyrocket.de/doc_sdat/lapantubsat.htm.

[8]张召才.国外新型商业对地观测系统[J].国际太空,2014(9)：10-15.

[9]http：//www.satimagingcorp.com/satellite-sensors/skysat-2.

[10]童子军.小卫星井喷为哪般[J].太空探索,2014(6)：18-21.

[11]王小勇. 当代高分辨率光学载荷前沿技术[J].国际太空,2013(5)：13-18.

[12]苏抗.微小卫星低可观测关键技术研究[D].南京航空航天大学博士论文.2011.