国外高分辨率小卫星星座进入高速发展期

周润松 刘韬（ 中国航天科技集团公司 北京空间科技信息研究所）

国外高分辨率小卫星星座进入高速发展期

Foreign High-Resolution Small Satellite Constellation Entered a Period of Rapid Development

周润松1刘韬2（1 中国航天科技集团公司 2 北京空间科技信息研究所）

近年，小卫星技术、新型成像探测器和图像处理技术以及以移动通信技术和大数据技术为代表的IT技术高速发展，带动了美国特拉贝拉公司（Terra Bella）、美国黑天全球公司（BSG）、美国赫拉系统公司（Hera Systems）、加拿大地球直播公司（UrtheCast）和阿根廷卫星逻辑公司（Satellogic）等一大批新兴商业对地观测卫星公司进入市场。

2016年，这些初创公司的高分辨率对地观测星座获得实质性进展，有的已发射多颗业务星，有的已不是停留在卫星星座宏伟设计蓝图上，而是已经发射了技术能力较强的技术验证卫星，有的已获得政府和军方的扶植。同时，以美国为代表，政府出台了相关战略，引导新兴初创公司发展。美军将成立新机构，促进军方对新兴商业对地观测小卫星星座的利用。由于军方情报对图像质量要求较高，加之商业市场对高分辨率图像需求强烈，有高重访能力的对地观测小卫星星座已呈现出从中分辨率向高分辨率发展的势头。

1 初创公司及其高分辨率小卫星星座

美国特拉贝拉公司

美国天空盒子成像公司（Skybox Imaging）成立于2009年，因其成像探测器、超分辨率处理等技术先进，被“麻省理工学院技术评论”评为2012年最具“摧毁性”的50家公司之一。2014年，谷歌公司（Google）以5亿美元将其收购，更名为特拉贝拉公司。

相比于其他公司，特拉贝拉公司较早提出“小卫星、大数据”概念，计划建造由24颗微卫星组成的“天空卫星”（SkySat）对地观测星座，重访时间6～8h。该公司将卫星获得的地球图像或视频数据建立大数据库，提供基于云平台的数据访问服务，颠覆了传统的由代理商负责数据销售的理念。“天空卫星”是全球首颗100千克量级亚米级分辨率商业视频遥感小卫星，也是首颗采用互补金属氧化物半导体（CMOS）面阵探测器的低轨亚米级分辨率卫星。目前“天空卫星”已成功发射了7颗。

继2013年和2014年发射了天空卫星－1和2（SkySat－1、2）后，2016年，该公司又发射了5颗天空卫星－C系列卫星。天空卫星－C与前2颗卫星的成像指标基本相同，全色分辨率0.9m，4谱段多光谱分辨率2m，幅宽8km。采用视频模式工作时，只能提供全色视频，分辨率1.1m，幅宽2km×1.1km。视频30帧/s，单次能够持续拍摄90s，输出H.264编码格式的1080P高清视频。最大的不同是，天空卫星－C系列卫星具备推进能力，从而使卫星质量从90kg提高到120kg，设计寿命超过10年。而天空卫星－1、2不具备推进能力，谷歌公司计划通过软件来抵消轨道衰退的影响。

美国黑天全球公司

美国黑天全球公司成立于2013年。该公司部分高层曾供职于军方，其卫星设计深受美军弹性航天体系发展思路影响，这体现在其低成本小卫星设计、多轨道平面运行、技术快速更新等理念上。目前，该公司正在发展由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。其单星质量小于50kg，探路者－1（Pathfinder－1）卫星作为星座的首颗技术验证星，已于2016年9月25日成功发射，其相机由哈里斯公司（Harris）研制，多光谱分辨率达1m，视场覆盖4.4km×6.6km。该公司计划在2017年开始发射业务型卫星，名为“全球”（Global）卫星。单颗卫星成本为1500万～2000万美元。

在“全球”卫星星座轨道设计方面，将采用多个轨道面，一对卫星处于太阳同步轨道（SSO），实现全球覆盖，而鉴于全球人口多分布于55°（N）～55°（S），剩余卫星位于8个轨道倾角小于90°的轨道平面（包括51.6°、45°和28.5°倾角）。这种轨道设计可以使周期达到90min，更快速地对商业活动和人类活动进行监测。星座数据接收至少需要17个地面站，产品交付时间达到20min。卫星遥测控制使用特高频（UHF）和S频段，数传采用8080MHz的X频段。

在卫星平台方面，具有在轨推进能力，侧摆角达到±30°，星上存储能力达到30Gb；在有效载荷方面，采用工业级相机，能够提供1m分辨率的红绿蓝（RGB）共3谱段多光谱图像（400～510nm、510～580nm和590～750nm），在高度为450km的轨道运行，视场覆盖4.4km×6.6km。该相机还可拍摄1帧/s的视频。

卫星设计不追求长寿命，其3年的设计寿命一方面可以降低卫星成本，另一方面，新的替换卫星可以使用时下最新技术，使在轨星座的技术保持领先。可以看出，该公司低成本、多轨道运行、小卫星设计、快速更新技术的理念，完全符合美军弹性和分散军事航天体系的要求。

在卫星运控方面，“全球”卫星星座的一大突出特点是用户无需运管卫星即可直接对卫星下达成像指令。这一操作概念类似美军快速响应卫星作战概念。实际上，该公司首席技术官维勒（Wegner）曾在美军作战响应空间（ORS）办公室任职，他将美军“虚拟任务操作中心”（VMOC）概念引向了商业应用。黑天全球公司构建了基于网络的卫星指控系统，用户只需登录系统，即可通过地图点选的方式直接对卫星下达成像指令。

在营销模式上，黑天全球公司的理念是以低价格和高重访能力，基于高分辨率变化检测，打开未来商业对地观测市场。公司计划采用“每幅图像付款”（pay-per-picture）的营销模式，星座建成后，每幅图像需支付100美元。

美国赫拉系统公司

美国赫拉系统公司成立于2013年，总部设在加利福尼亚州。该公司计划使用户通过手机应用轻松下单，即可收集全球任意地点的高时效性、高分辨率图像和视频。

该公司声称其图像售价很低，1m分辨率存档图像为1美元，1m分辨率新图像为2美元，0.5m分辨率图像为3美元（以上均为每平方千米的图像价格）。这将改变目前的卫星图像价格昂贵、阻碍用户应用的现状。用户通过名为“地理快照”（GeoSnap）的APP，采用自助模式获取产品，极大地简化订购流程，使卫星图像更易获得。

赫拉系统公司计划在2016年11月发射9颗“第一代高光学性能卫星”（1HOPSat）（截至2016年底尚未发射），分辨率为1m，具有成像和视频拍摄能力。该卫星基于12U立方体卫星制造，质量22kg。

2 0 1 6年8月，赫拉系统公司与美国航空航天局（NASA）签署了“无偿空间行动协议”（NRSAA），NASA艾姆斯（AMES）研究中心和赫拉系统公司合作，基于NASA的“卫星电子学与技术成本优化试验”（COTSAT）卫星技术，研制升级版的卫星。这类协议在航空航天界极其罕见，协议允许赫拉系统公司使用美国航空航天局的“卫星电子学与技术成本优化试验”技术，进行商业卫星的研制，该升级版卫星称为“第二代高光学性能卫星”（2HOPSat），其空间分辨率高达0.22m，平台质量约400kg。该公司计划最终部署由48颗卫星组成的星座。

加拿大地球直播公司

加拿大地球直播公司成立于2010年，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。2013年，该公司在“国际空间站”（ISS）上安装了中分辨率相机（MRC）和高分辨率相机（HRC）。中分辨率相机的分辨率为5m，幅宽约50km。高分辨率相机分辨率为1.1m，视场为5km×3.4km，能够拍摄单幅图像和帧速率为3.25帧/s的视频，每天可产出150段每段90s的视频，且能与谷歌地球（Google Earth）的相关架构兼容。2015年，该公司收购了德莫斯成像公司（Deimos Imaging），拥有了德莫斯－1和2（Deimos－1、2）卫星的运营权，还获得了与此相关的卫星图像采集、存储、处理、分析、分发和销售许可能力，加速了公司在数据分发、网络平台开发以及自主卫星星座建设方面的战略布局。

2015年6月，地球直播公司宣布，计划制造、发射并运营世界上第一个多光谱与合成孔径雷达（SAR）完全集成的商业对地观测卫星星座，名为“光学合成孔径雷达”（OptiSAR）星座，计划于2020年开始运行。

“光学合成孔径雷达”星座预计由16颗卫星组成，包括8颗光学卫星和8颗合成孔径雷达卫星，卫星分布在2个轨道面，每个轨道面内有4对卫星，每对卫星等间隔分布。每对卫星包括1颗多模式成像高分辨率光学卫星和1颗双频高分辨率合成孔径雷达卫星，2颗卫星串列飞行。该星座采用2个轨道面的设计方案，对中纬度地区的重访率最高，并且能够完全覆盖极区。地球直播公司计划通过多次发射部署该星座，并于2020年开始运行。该星座的合成孔径雷达成像卫星质量1400kg，X频段分辨率为1m，L频段分辨率为5m。光学卫星质量700kg，拍摄0.5m分辨率图像，经过处理可生成0.25m分辨率图像，还可拍摄30帧/s、分辨率为0.4m的视频影像。

目前，“光学合成孔径雷达”星座的发展引起了包括加拿大本国政府甚至美国军方的高度关注。该星座项目于2016年获得2份重量级合作协议，一份是加拿大航天局（CSA）“航天技术发展计划”（STDP）200万美元的技术出资协议（CA），另一份是与美国国家地理空间情报局（NGA）签订的合作研究和开发协议（CRADA）。前者表明加拿大政府意在支持该星座的研发，以提高加拿大航天产业在国际上的竞争力；后者旨在为美国国家地理空间情报局的国家安全任务提供强有力的支持，研发活动聚焦在使该星座获得最大使用效能上。具体研发领域主要包括：①多源融合—开发工具、服务和分析处理；②提高/确保度量准确度；③优化采集/分发策略。

阿根廷卫星逻辑公司

阿根廷卫星逻辑公司成立于2010年，总部设在美国加利福尼亚州。该公司计划制造和发射300颗小卫星并构建星座，星座具有5min重访能力。单颗卫星质量约35kg，多光谱分辨率达到1m。公司在阿根廷建造了卫星制造厂，具有年产50余颗卫星的能力。2016年5月30日利用中国长征－4B火箭发射了2颗技术验证星。

2 政府引导新兴商业能力的发展

近年，美国政府通过多项举措积极引导新兴对地观测卫星星座的发展。

2015年10月26日，美国国家地理空间情报局发布《商业地理空间情报战略》，旨在充分利用当前蓬勃发展的商业卫星产业，以及商业卫星运营商和数据分析公司的技术优势，整合大量非保密数据源，提高国家地理空间情报局的采办灵活性和敏捷性。该战略有3个目标：①在作战要求时限内提供多样化图像、情报产品和服务，保障情报用户做出明智决策；②在用户所需的地点及时提供商业数据、信息和知识，提高战术用户的任务成功率；③提供持续、多样的商业数据流、基础产品和服务等。该战略顺应已有和新兴商业遥感图像供应商带来的巨大变革。

美国国家地理空间情报局和国家侦察局（NRO）于2016年启动“商业地理空间情报”（CGA）项目办公室，该办公室进行联合评估，向两家机构建议投资对象，使两家机构进行同步联合采办，并帮助其更好地利用商业图像。该项目办公室要求商业界不仅提供数据收集能力，还要提供对其有益的数据分析能力。可以看出，“商业地理空间情报”项目办公室的成立旨在向商业界抛出政府的声音，促进新兴商业地理空间情报的发展。

3 启示

美国将商业能力纳入国家对地观测卫星体系，充分提高了航天体系的弹性，培育了国家商业天基对地观测这一战略性新兴产业，提高了相关产业在国际上的竞争力。其次，美国军方通过出台战略引导商业对地观测卫星系统发展，并建立办公室促进军方对新兴商业对地观测小卫星星座的利用。以美国为代表的众多国家已将目光放在高分辨率小卫星星座发展上，这些发展动向值得高度关注。