国外空间对地观测系统最新发展

原民辉 刘韬 （北京空间科技信息研究所）

国外空间对地观测系统最新发展

The Latest Development of Foreign Space-based Earth Observation System

原民辉 刘韬 （北京空间科技信息研究所）

1 空间对地观测发展概况

全球对地观测卫星发射和在轨情况

近年来，空间对地观测系统快速发展，系统性能不断提升，遥感应用向深度化、综合化方向发展，产业发展初具规模。在通信、导航和对地观测三类应用卫星中，对地观测卫星是发射数量最多的卫星，近年发射数量快速跃升，特别是近3年的年发射数量维持在近百颗规模，近3年与前3年的发射数量环比增长近240%，增幅大幅超过其他类型应用卫星。数量跃升主要源于小型对地观测星座发展成熟并大量应用，特别是低于100kg的微纳卫星。根据欧洲咨询公司（Euroconsult）报告，2016－2025年，全球预计还将发射419颗对地观测卫星，对地观测卫星规模将保持快速发展势头。

截至2016年底，国外在轨对地观测卫星319颗。从国别角度看，美国对地观测卫星数量最多，约占48%；从类型角度看，光学成像卫星数量最多，约占53%。目前，全球超过50个国家拥有对地观测卫星，近20个国家拥有高分辨率对地观测卫星（本文对高分辨率的限定为光学1m、雷达3m）。国外共计81颗高分辨率卫星在轨运行，其中美国、欧洲数量最多。

参与国家与主要企业情况

全球空间对地观测卫星企业数量呈井喷式增长态势。在卫星制造和卫星运营服务领域已经发展出数十家全球性企业。一方面，美国数字地球公司（DigitalGlobe）、欧洲空客防务与航天公司（ADS）、加拿大麦德公司（MDA）和意大利对地观测公司（e-GEOS）等传统大型企业，不断兼并、整合中小型企业，商业对地观测市场份额已占全球份额的87.2%。另一方面，在数据增值服务、地理信息融合服务等领域发展出的全球性或地区性企业，如雨后春笋般不断涌现。

同时，美国特拉贝拉公司（Terra Bella）、行星公司（Planet）、黑天全球公司（BSG）和加拿大地球直播公司（UrtheCast）等大量初创公司，也开始争相进入对地观测卫星市场，通过创新产品和创新服务，既争夺、也扩大了全球商业对地观测市场。

投资情况

全球军、民政府在对地观测领域投入均超百亿美元。根据欧洲咨询公司2016年发布的《至2025年天基对地观测市场展望》报告，2015年在民用对地观测计划方面，政府投资首次超过100亿美元。而根据斯诺登披露，仅美国专门从事天基侦察的国家侦察局（NRO），自2013年起，每年投入就已超过100亿美元。因此可以估计，全球对地观测卫星年投资额已快速跃过200亿美元，空间对地观测产业进入成熟发展阶段。

2 空间对地观测系统发展

军、民、商三类系统协调发展

（1）军用系统承担超高分辨率成像任务，牵引创新技术发展

美国低地球轨道（LEO）的锁眼－12（KH－12）光学成像侦察卫星全色分辨率达到0.1m，红外分辨率约0.6m，“未来成像体系-雷达”（FIA-Radar）卫星分辨率优于0.3m，技术水平领先其他国家一代。为了满足战术应用需求，美国于2011年部署了作战响应空间－1（ORS－1）卫星，形成了低轨常规与快速响应光学成像侦察卫星结合的发展模式。美国在空间分辨率达到物理极限后，积极发展新型成像技术，包括分块拼接主镜技术、大口径薄膜衍射成像技术、在轨装配成像技术等，试图在地球静止轨道（GEO）实现米级分辨率。

欧洲已经部署0.4m分辨率的低轨太阳神－2（Helios－2）光学成像侦察卫星，德国军用“合成孔径雷达-放大镜”（SAR-Lupe）5星星座和意大利的“地中海盆地观测小卫星星座”（COSMO-Skymed）4星星座分辨率优于1m。欧洲正在论证高、中、低轨结合的综合光学侦察体系，其中LEO卫星分辨率0.2m、中地球轨道（MEO）卫星分辨率1m、GEO卫星分辨率3m。

俄罗斯“角色”（Persona）光学成像侦察卫星分辨率0.33m，“秃鹰”（Kondor）雷达成像侦察卫星分辨率1m。

此外，我国周边国家对地观测卫星分辨率普遍优于0.5m，如日本的情报采集卫星-光学-5（IGS-O-5）、韩国多用途卫星－3A（KOMPSAT－3A）和印度制图卫星－2C（CartoSat－2C）的光学分辨率分别达到0.4m、0.5m和0.65m水平。

（2）民用系统承担宽幅成像和地球科学观测任务，提供公益性社会服务

美、俄、欧、日发展了大量的民用对地观测卫星系统，主要包括气象、海洋和陆地观测卫星，涵盖气象观测、大气成分测量、海洋水色、海洋风场、海洋盐度、土壤湿度、资源和测绘等多种型号。这些卫星主要承担地球科学观测任务，为各国的农业、林业、国土资源和灾害管理等民用部门提供服务。

（3）商用系统承担高分辨率观测成像任务，美、欧等国通过商业采购等多种形式补充军、民应用

美、欧商用对地观测卫星分辨率较高，部分卫星性能甚至超过一些国家军用卫星性能。如，美国世界观测－3、4（WorldView－3、4）商用光学成像卫星具有0.31m分辨率的全色图像和1.2m分辨率的8谱段多光谱图像成像能力，此外还具有8个谱段的短波红外（SWIR）成像能力，分辨率达到3.7m，军事应用潜力巨大。欧洲商用的“X频段陆地合成孔径雷达”（TerraSAR-X）卫星的分辨率达到0.25m。

系统发展中呈现出军民交叉、融合的特点

作为国家战略基础设施，各国均高度重视空间对地观测体系的统筹优化发展，充分体现了军民交叉和深度融合的发展特点。在这方面，空间对地观测体系发展最为完备的美国表现最为突出，军民交叉和融合已全面体现在美国卫星制造、运管和应用等方面，大幅提升了体系效能和效益。

例如，卫星制造方面，美国军、商用光学对地成像卫星载荷的研制基本都由共同的企业承担。美国国际电话电信公司（ITT）既为美国国家侦察局的部分“锁眼”卫星制造相机，也为数字地球公司大部分高分辨率卫星制造相机，从而间接提升了商用对地成像卫星的性能和技术水平。卫星运营方面，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）同时运管军用“国防气象卫星计划”（DMSP）卫星和民用的“诺阿”（NOAA）极轨气象卫星及“地球静止环境业务卫星”（GOES）。卫星应用方面，美国国家地理空间情报局（NGA）通过“清晰视景”（ClearView）、“下一代视景”（NextView）和“增强视景”（EnhanceView）3个计划，采购商业对地观测数据。美国空军也计划未来大量采购商业气象卫星数据，有效补充军方的需求和应用缺口。

战略政策助力空间对地观测体系稳步前进

国外高度重视与空间对地观测体系匹配的战略政策发展，针对涵盖军、民、商三类系统的空间对地观测体系，各国发布了一系列、多层次的战略政策，有效推动空间对地观测体系稳步发展。

各国国防部门作为军事航天的抓总管理部门，出台一系列军事空间对地观测战略政策。美国于2013年出台了《弹性和分散空间体系》白皮书，促进民、商能力共同提升军用侦察监视体系的抗毁能力；2015年出台了《国防部空间科技战略》，2016年出台了《气象和海洋数据采集需求计划》，促进军用对地观测卫星及技术发展。法国是欧洲航天活动的核心组成力量，于2013年4月发布新版《法国国防与国家安全白皮书》，该白皮书“使用外太空战略”一节提到，法国将大力发展通信、对地观测、电子侦察、早期预警、导航和气象等卫星，这些卫星是法国国家战略的重要部分。

各国民用航天主管部门出台一系列民用空间对地观测战略政策。美国白宫于2014年发布首个国家级对地观测战略《国家民用对地观测计划》，引导国家民用对地观测体系协调发展。美国航空航天局（NASA）作为美国民用航天的抓总管理部门，定期发布《NASA战略计划》、《NASA技术路线图》。俄罗斯联邦政府于2009年发布了《2025年前空间对地观测系统发展纲要》，制定了明确的对地观测领域发展计划。欧洲航天局（ESA）于2015年发布了《地球观测科学战略》，规划未来对地观测发展方向。

各国商业航天主管政府部门出台一系列空间对地观测商业政策。美国国家地理空间情报局于2015年发布了《商业地理空间情报战略》，美国国家海洋和大气管理局于2016年发布了《商业航天政策》，数据政策限制逐渐降低，促进商业卫星发展。美国已经确立了以1992年《陆地遥感政策法案》、2003年《美国商业遥感政策》、2006年《私营陆地遥感空间系统授权许可》为核心的、完备的商业对地观测数据政策体系，并随着技术发展、应用需求变化而不断调整具体内容，目前已将光学卫星数据可销售分辨率限制由0.5m放宽至0.25m。德国于2007年12月发布了《分发高级地理遥感数据防范安全风险法案》，2008年3月发布了《卫星数据安全法条例》，一方面确保卫星数据安全，一方面明确了卫星数据用于商业用途的范围。俄罗斯于2013年7月发布了《对地观测数据条例》，为俄罗斯私营数据供应商获取、处理和销售对地观测卫星数据提供了法律保障。日本于2016年提出了《确保遥感卫星数据正确处置相关法案》的草案，以确保规范使用国内遥感卫星数据，从而推动日本遥感卫星产业快速发展。印度于2011年发布了《国家遥感数据政策》，将遥感卫星数据分发的分辨率限制放宽到1m，有效带动了国内遥感数据市场的发展。加拿大于2005年制订了《遥感空间系统法案》（2007年修订），通过许可机制进行数据管理，明确商业运营商使用遥感数据的范围。

3 空间对地观测技术发展

国外对地观测卫星全面进入亚米级分辨率时代，如前所述，光学成像卫星最高分辨率达0.1m，雷达成像卫星最高分辨率达0.25m。卫星平台能力方面，国外高分辨率对地观测卫星已普遍为敏捷型卫星，大量采用控制力矩陀螺等机构，增加了图像采集机会，例如，法国“昴宿星”（Pleiades）在敏捷机动时稳像时间只需11s。卫星平台稳定性和精度大幅度提升，美国地球眼－1（GeoEye－1）低轨成像卫星姿态稳定度最高已达10-6（°）/s量级水平，无地面控制点图像定位精度最高为3.5m。

成像模式更加丰富多样，成像能力与效率大幅提升

对于光学成像卫星，除最基本的过顶条带成像模式外，开始具备多点目标敏捷成像、大区域拼接成像、单轨立体成像、连续视频等多种成像模式。对于雷达成像卫星，除最基本的滑动聚束、扫描SAR模式外，开始具备凝视聚束、改进的陆地观测扫描（TOPSAR）等多种成像模式。

前沿技术不断突破，由“侦察”向“监视”转型

近几年，先进微纳卫星星座、大口径光学成像系统等前沿技术不断取得重大进展，部分已进入初步业务化应用阶段，推动空间对地观测由传统的过顶侦察，向持续侦察，甚至全时监视转型。

在先进微纳成像卫星星座方面，国外大量初创航天企业进军对地观测卫星市场，计划研制数十至数百颗微纳卫星组成的星座，不仅可实现米级高空间分辨率，还可实现分钟级重访能力。美国特拉贝拉公司已发射7颗100千克级0.9m分辨率卫星，美国行星公司已成功发射141颗“鸽群”（Flock）卫星，单星质量5kg，分辨率3～5m。美国黑天全球公司正在发展由60颗卫星组成的星座，星座计划在2019年部署完毕，具备10～60min重访能力。特别是美国哈里斯公司（Harris）已经推出100千克级、0.5米级分辨率微卫星产品，为亚米级微卫星星座的部署打下基础。

在大口径成像技术方面，目前已经发展出空间分块可展开成像、稀疏孔径成像、薄膜衍射成像和在轨自动装配成像等多种技术体制。

哈里斯公司微纳卫星产品

美国政府高度重视空间分块可展开成像技术的发展，在“未来成像体系-光学”卫星（FIA-O）项目失败后，空间分块可展开成像技术的发展实际上主要由NASA主导的“詹姆斯-韦伯空间望远镜”（JWST）项目承担起来，该空间望远镜所采用的分块可展开主镜技术与“未来成像体系”计划中“分块拼接望远镜”（SMT）项目所采用的技术完全相同，都是由若干小口径子镜拼接为大口径的主镜。

2016年，“詹姆斯-韦伯空间望远镜”取得了重大进展。NASA成功将18块口径1.1m的子镜拼接为口径6.5m的大口径主镜，这是当今世界上口径最大的空间望远镜主镜，该空间望远镜计划于2018年发射。

目前，美国国防高级研究计划局（DARPA）正在开展“空间光学孔径自装配”（OASIS）项目，利用小型模块化卫星技术、在轨服务技术、拼接主镜技术，试图在轨建造5m口径光学成像系统。该项目的目的是验证在轨构建大于5m口径的近衍射极限光学系统的可行性，并进行关键技术攻关。这种在空间装配的大口径光学系统由多个作为独立载荷发射的小型模块化组件在轨自动装配而成，其结构非常复杂，结构精度要求极高。但在轨装配的体制可以突破任何现有或正在规划的运载火箭所能提供的能力。利用该技术能够构建更多的空间侦察和通信有效载荷，这是现有技术体制在短期内都无法实现的。

遥感载荷平台实现多样化

成像载荷除搭载在卫星平台外，还可搭载在“国际空间站”（ISS）等平台上。2012年，安装了分辨率2.8m的“国际空间站环境研究与可视化系统”（ISERV）。2013年，加拿大地球直播公司在“国际空间站”上安装了中分辨率相机（MRC）和高分辨率相机（HRC）。2014年，安装了“快速散射计载荷”（RapidSCAT）等。“国际空间站”未来还将安装很多对地观测载荷。

4 空间对地观测应用与产业发展

空间对地观测已经在农业、林业、国土安全、灾害管理等行业领域有了广泛的应用。近年，空间对地观测与互联网技术、大数据技术结合，极大扩展了应用领域。

互联网+空间对地观测，极大丰富了业务应用和服务领域

无论是传统的对地观测卫星运营商，还是新成立的初创公司，都积极将数据产品、服务与PC互联网、移动互联网结合；结合云计算、大数据等IT技术，发展创新产品和服务。例如，美国轨道逻辑公司（Orbit Logic）与美国国家地理空间情报局合作，推出“我的间谍卫星政府版”（SpymesatGov）手机应用，授权用户可实时查看过顶卫星情况和卫星图像。

2014年，互联网巨头谷歌公司（Google）收购了天空盒子成像公司（Skybox Imaging，后更名为特拉贝拉公司），利用大数据分析技术，推出一系列服务。例如，用户可以基于卫星图像将关注点放在矿山、工厂、港口和零售店等感兴趣的内容上，具体地说，用户可以通过矿区周围的井坑和矿渣规模图估算矿区的生产能力；保险公司可利用卫星查看受损的房屋来核实索赔，并标记潜在诈骗；零售商可以追踪停车场的车辆数量，以预测商品零售量等。

已经形成完整产业链，产业规模快速增长

对地观测卫星产业形成了由卫星制造、发射服务、卫星应用（含地面设备制造和运营服务）构成的完整产业链。

综合参考欧洲咨询公司和美国卫星产业协会（SIA）等国外咨询公司数据，2015年全球对地观测产业规模约为50亿～60亿美元，预计2015－2024年，全球将发射约410颗对地观测卫星，相比前10年（2005－2014年已发射168颗卫星），卫星制造收入大幅增长，总规模将达700亿美元。从发展趋势来看，空间对地观测产业以日趋多样化的民用和商业应用为导向，市场发展日渐活跃，产业规模将保持稳步增长。

5 结束语

空间对地观测系统的产生，使人类能够以前所未有的高远视野，从空间俯瞰整个地球，对国土安全、资源勘察、灾害管理等方面影响巨大。空间对地观测系统是全球信息快速获取的重要手段，是国家战略性和基础性的资源，是世界主要航天国家争先发展的重要领域和新兴国家发展航天的首选领域。未来，卫星系统创新和应用创新将成为空间对地观测领域发展的主旋律。