2018年国外对地观测卫星发展综述

龚燃 刘韬（北京空间科技信息研究所）

2018年，国外天基对地观测领域有19个国家/地区共进行了31次发射，成功将123颗卫星送入轨道，发射数量在全年卫星发射总数中占据显著优势，是发展最为迅速的应用卫星，凸显了国外对天基对地观测的旺盛需求。从发射主体来看，主要发射活动集中在美国，共发射了86颗，欧洲发射了12颗，俄罗斯发射了6颗，日本发射了5颗。从卫星用途来看，大部分为商用卫星，占发射总数的70%。

截至2018年底，国外共有601颗对地观测卫星在轨运行，约占全球在轨卫星总数的33%，共有超过30个国家和机构运营对地观测卫星系统。其中，美国对地观测卫星数量最多，约占66%，商用对地观测卫星数量最多，约占57%，光学对地观测卫星数量最多，共计400颗，约占67%。

1 美国

2018年，美国仍是对地观测卫星发展最为活跃的国家，一方面，继续保持着军用、民用对地观测卫星系统的稳定运行；另一方面，微小型商业对地观测卫星领域发展活跃，推动微纳卫星业务领域不断拓展，微小卫星对地成像和气象监测等应用领域逐步成熟。

完善与增强天基侦察监视能力，积极谋求创新发展形成新代差

“未来成像体系-雷达”（FIA-Radar）卫星星座得到扩充。2018年1月12日，美国国家侦察局（NRO）成功发射FIA-Radar卫星系列第5颗卫星NROL－47，又称黄玉－5（TOPAZ－5），前4颗卫星已分别于2010年9月、2012年4月、2013年12月和2016年2月发射。该系列5颗卫星由波音公司（Boeing）研制，用于接替1988－2005年发射的“长曲棍球”（Lacrosse）雷达成像侦察卫星。TOPAZ－5卫星运行在高1100km、倾角123°的逆行圆轨道上，与之前发射的TOPAZ卫星高度和倾角明显不同。

积极发展军民微纳对地观测卫星星座。2018年12月3日，美国成功发射“军事作战空间使能效果”（SeeMe）卫星，该卫星为美国国防高级研究计划局（DARPA）发展的低轨小型低成本卫星，由雷神公司（Raytheon）研制，将为战场作战人员提供更强大的态势感知能力。DARPA原计划由24颗小卫星构成星座，但于2015年取消，最终仅有1颗卫星完成研制，该卫星的实际成像能力还有待DARPA进行后续公布。虽然DARPA停止了对SeeMe项目的支持，但仍然将微纳卫星对地观测技术作为发展重点，包括后续提出“雷达网”、“小卫星传感器”项目，重点突破可使用于微小卫星的光电／红外遥感器、展开式天线和星间通信技术等。同时，DARPA于2018年启动“黑杰克”（Blackjack）低轨星座项目，旨在充分利用美国商业低成本卫星平台，在500～130km的轨道高度构建约60～200颗规模的微卫星星座，并自主运行30天，实现全球连续覆盖，并与商业星座协同工作，增强系统抗毁能力。

部署新型环境监测卫星，提升地球观测能力

最新一颗地球静止轨道气象卫星发射入轨。2018年3月1日，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）成功发射新一代气象卫星系列中的第2颗卫星—地球静止环境业务卫星－S（GOES－S/GOES－17）。卫星测试轨位为89.5°（W），2018年底开始业务运行。GOES－S卫星与之前发射的首颗GOES－R卫星并无太大差异，仅进行了一些小的调整，包括对热包层进行微调以确保星上设备保持在最佳温度，以及对磁场仪的星上位置进行了更改。GOES－R卫星星载先进基线成像仪（ABI）目前每15min拍摄1次全景图像，GOES－S卫星将测试ABI每10min拍摄1次全景图像的能力。GOES－S卫星将观测美国西部、阿拉斯加、夏威夷以及太平洋至新西兰地区。配合之前发射的GOES－R（观测美国东海岸、加勒比海、大西洋至非洲），将能完整观测西半球大部分地区。该系列的另外2颗卫星GOES－T和GOES－U正在研发中，将分别于2020年和2024年发射。

GOES－S卫星示意图

发射与德国合作的新一代重力探测双星，首次测试激光测距干涉仪。2018年5月22日，由美国国家航空航天局（NASA）和德国波茨坦地学研究中心（GFZ）合作研制的2颗“重力恢复和气候实验后继星”（GRACE-FO）成功发射。发射后不到3周，GRACE-FO双星就成功完成星载卫星激光测距干涉仪（LRI）测试，验证了微波测距系统的性能，并监测到了地球质量分布引起的地球重力场变化。该测距仪是GRACE-FO卫星的技术试验设备，已与主测距设备—微波测距仪进行同时测量，2个测距仪数据具有较高吻合度。GRACE-FO是目前全球唯一在轨运行的先进重力探测卫星星座，主要目标是延续GRACE任务，获取高精度的地球重力场数据，实现每30天更新一次全球重力场模型；次要目标是验证LRI在改进星间测距精度方面的有效性和能力，继续进行无线电掩星测量，为气象服务提供温度或湿度的垂直分布图。

GRACE-FO卫星飞行示意图

发射监测地球冰川的卫星。2018年9月15日，NASA成功发射冰、云和陆地高程卫星－2（ICESat－2），以测量覆盖格陵兰岛和南极洲的陆地冰川年均高度变化。卫星搭载了新型的激光高度计—“改进的先进地形激光测高系统”（ATLAS），可发射6束绿色激光，发射频率为10000次/s，产生的数据量为ICESat卫星的250倍，高度测量精度可达1cm，同时具有10kHz的高脉冲重复率，可在沿轨方向以70cm间隔进行密集采样。ICESat－2卫星每年将沿同一路径测量极地地区的冰层高度4次，提供季节性和年度冰层高度变化监测，延续NASA连续15年的极地冰层厚度数据。ICESat－2卫星与GRACE-FO卫星相结合，可更准确量化南极冰盖变化。

lCESat－2卫星飞行示意图

商业对地观测卫星稳定运行，更多公司开始发射与规划新型商业星座

国外商业微纳卫星对地观测卫星星座经历了过去数年中从概念提出到大规模部署的发展，开始进入稳定运行阶段。美国行星公司（Planet）的“鸽群”（Flock）星座目前已完成系统部署，星座规模约由150颗卫星组成，“天空卫星”（Skysat）星座已有10余颗工作星在轨工作；斯派尔公司（Spire）的“狐猴”（Lemur）卫星星座已经完成第二代型号更替；黑天全球公司（BlackSky Global）自2018年底开始发射首批工作卫星，计划2019年完成全部60颗卫星的发射部署。

除了行星公司、斯派尔公司、地理光学公司（GeoOptics）等常规部署后续星座，越来越多的初创公司开始发射自己的商业对地观测卫星星座，美国鹰眼360公司（Kestrel Eye 360）、阿斯特罗数字公司（Astro Digital）、五车二空间公司（Capella Space）均在2018年发射了其首颗卫星。同时，2018年，卡佩拉空间公司（Capella Space）和高光谱卫星公司（HyperSat）等获得融资，正在研制并即将发射其新型商业合成孔径雷达（SAR）小卫星星座和全球首个高光谱小卫星星座。

2 欧洲

2018年，欧洲持续保持对地观测领域的高投入，部署后续环境监测卫星，大力推进“哥白尼”（Copernicus）对地观测计划。法国、西班牙积极研制新一代侦察监视系统，通过欧洲各国之间的合作，增强欧洲整体成像能力。在全球商业对地观测市场蓬勃发展的影响下，英国、芬兰等国家的商业公司积极发展商业对地观测小卫星星座，并启动首颗星的部署。

积极建设下一代侦察监视系统，推进欧洲军民两用对地观测系统共享

法国开始部署新一代光学成像侦察卫星，侦察系统向体系化发展。根据法国2018年1月提出的军事航天系统发展计划，将重点支持提升低轨监视能力和地球静止轨道（GEO）监视能力。法国计划于2018－2022年陆续完成更新换代工作，包括由3颗卫星组成“光学空间段”（CSO）卫星星座，首颗CSO－1卫星于2018年12月19日发射，用于接替太阳神－2（Helios－2）卫星。CSO卫星相机基于“昴宿星”（Pleiades）卫星技术进行了重大改进，采用了全新的可见光和红外探测器、高度集成的视频电子器件、用于红外通道的新制冷机制，以及相机的新陶瓷支撑架构，分辨率从0.5m提高到0.35m。同时，法国光学成像侦察系统向体系化发展，正在论证地球静止轨道、大椭圆轨道（HEO）光学成像卫星，未来有望与低轨卫星共同组建高低轨结合的光学成像侦察卫星体系。

CSO卫星组网工作示意图

Paz卫星飞行示意图

西班牙成功发射军民两用SAR卫星。2018年2月22日，西班牙对地观测卫星“帕兹”（Paz）成功发射，Paz为X频段SAR卫星，将加入“多国天基成像系统”（MUSIS），主要满足西班牙的国防和安全需求。卫星有效载荷包括X频段SAR（Paz-SAR）、自动船只识别系统（AIS）、无线电掩星与强降水装置（ROHPP）和激光后向反射器（LRR）。卫星地面段采用德国航空航天中心（DLR）研制的SAR处理器，用于基于原始SAR数据生成与德国的“X频段陆地合成孔径雷达”（TerraSAR-X）卫星相同的高精度的图像产品（分辨率为1～18m）。该卫星进入与德国TerraSAR-X和“X频段陆地雷达附加数字高程模型”（TanDEM-X）相同的轨道运行，三星星座可提高重访能力，实现3天内全球覆盖，任意地方1天内重访。

部署新型环境监测卫星，拓展民用对地观测能力

欧洲第3颗极轨气象卫星成功发射入轨。2018年11月17日，欧洲第3颗极轨气象卫星—气象业务－C（MetOp－C）卫星成功发射。MetOp－C卫星是MetOp系列卫星的最新一颗卫星，其前续卫星MetOp－A和MetOp－B分别于2006年和2012年成功发射。MetOp－C卫星发射质量4083kg，主要用于确保欧洲从极地轨道采集数据持续提供气象预报业务。基于“欧洲气象卫星组织极轨系统”（Eumetsat Polar System）的空间段合作协议，该卫星由欧洲航天局（ESA）负责研发，空客防务与航天公司（TAS）负责制造。3颗气象业务卫星在轨运行，“欧洲气象卫星组织极轨系统”将把气象预报再提前10天，这将对欧洲民众和经济极为有利。MetOp－C卫星还能确保“欧洲气象卫星组织极轨系统”到第二代系统的平稳过渡，第二代系统预计将于2022年发射。

世界首颗风测绘卫星成功发射。2018年8月，ESA成功发射全球首颗专用风测绘卫星“风神”（Aeolus），利用激光雷达测量风剖面结构，实现全球风场立体观测。卫星质量约1360kg，其核心设备是“阿拉丁”（ALADIN）多普勒侧风激光雷达，由1台紫外激光器、1部散射接收机和1副口径约1.5m的望远镜组成。该激光雷达以50次/s的频率发射紫外脉冲，散射接收机和望远镜实时接收经大气分子、尘埃粒子和水滴散射的激光信号，地面人员通过分析光子多普勒变化（碰撞后的频率和波长的变化），反演出大气分子运动情况，探测高度为0～30km，风速测量精度1～3m/s。卫星提供的全球风速数据不仅将加深人类对大气动力学的认识，还将显著改善天气预报精准度。

“哥白尼”计划专用卫星发射入轨。2018年4月25日，欧洲“哥白尼”计划专用“哨兵”（Sentinel）系列中的第7颗卫星—用于全球海洋和陆地监测的Sentinel－3B卫星发射升空。该卫星将接替已失效的“环境卫星”（Envisat），确保光学观测数据的连续性。Sentine－3系列卫星是多传感器卫星，装载海洋和陆地表面温度辐射计（SLSTR）、海洋和陆地色彩仪（OLCI）、SAR高度计（SRAL）、微波辐射计（MWR）等，以高精度测量海面地形、海洋和陆表温度，监测海冰变化，支持海洋预报系统和环境与气候监测。

Sentinel－3B卫星飞行示意图

欧洲各国重视空间地理信息服务，积极发展商业对地观测卫星

英国成功发射全彩色视频星座验证星。2018年1月12日，英国地球成像公司（Earth-i）“清晰成像”（Vivid-i）星座的验证星—碳凝结－2（CARBONITE－2）卫星成功发射。该卫星是Vivid-i星座的第2颗技术试验卫星，由英国萨瑞卫星技术有限公司（SSTL）研制，CARBONITE－2卫星在交付Earth-i公司后将更名为清晰－X2（Vivid－X2）卫星。第1颗技术试验卫星CARBONITE－1于2015年发射，验证了利用低成本商用现货（COTS）开展在轨视频成像的能力，任务取得圆满成功。SSTL公司计划2019年初再为Earth-i公司发射5颗Vivid-i卫星，此后根据客户需求分5批进行星座发射。Vivid-i星座是Earth-i公司规划的全球首个具备全彩色视频成像能力的商业星座，也是欧洲首个兼具视频和静态成像能力的星座，由15颗运行在高500km的太阳同步轨道的卫星组成，超分辨率模式成像分辨率为0.6m，常规模式成像分辨率1m，幅宽5km，可实现每日全球2次重访。星座建成后，将能够显著提高Earth-i公司及英国政府对全球任意地点事态的监测、跟踪和分析能力。

Vivid-i星座单星

lCEYE－X1卫星飞行示意图

芬兰发射2颗商业SAR微卫星并获多方资金支持。2018年1月和12月，芬兰冰眼公司（ICEYE）分别发射了2颗“冰眼”（ICEYE）卫星。ICEYE－X卫星是世界首颗质量小于100kg的SAR成像卫星，也是该公司规划的卫星星座的头两颗卫星，平台和载荷均由该公司研发和集成。2018年3月7日，冰眼公司与挪威康斯贝格卫星服务公司（KSAT）达成合作协议，利用KSAT公司地面站接收SAR卫星图像，提供海冰和海事环境监测服务。冰眼公司计划2019年再发射5～8颗卫星，完成至少由6颗卫星组网的卫星星座，最终建成一个由18颗卫星组网、平均重访周期达到3h的卫星星座。2018年冰眼公司也获得了多方融资，包括B轮3400万美元融资，以及芬兰国家商务促进局（Business Finland）提供的1000万欧元（约合1136万美元）资金支持。至今，冰眼公司已获得超过6500万美元的资金支持，将帮助其维持后续高度密集的发射进度。

3 俄罗斯

2018年，俄罗斯稳步推进对地观测卫星系统的建设和更新，加速新兴卫星系统的研制与部署，升级现有系统，以推动卫星数据运营和应用。

加速新型军用卫星系统的研制与部署。2018年3月和10月，俄罗斯分别发射了1颗小型侦察卫星宇宙－2525（Kosmos－ 2525，即EMKA）和1颗新型军用测地卫星宇宙－ 2528（Kosmos－ 2528，即Lotos－S1－3）。宇宙－2525发射至极地轨道，轨道高度小于315km，该卫星由俄罗斯空间监控系统、信息和控制及机电综合体（NPP VNIIEM）研发，采用新型小卫星设计，质量小于300kg，可拍摄高分辨率地球表面监视图像，属于俄罗斯后续“小卫星-高分”（MKA-V）系列遥感卫星的技术验证和风险降低任务。宇宙－2528轨道高度900km，是俄罗斯发展的第三代低轨电子侦察卫星，用于侦收电子设施电磁辐射信号，获取情报信息，星上携带无线电信号侦收载荷。

发射4颗老人星－V （Kanopus－V），升级现有环境监测系统。Kanopus－V－3/4/5/6卫星分别于2018年2月1日和2018年12月26日发射，每颗Kanopus－V卫星都搭载相同的3个光学成像有效载荷，包括：全色成像系统（PSS），全色分辨率2.5m，幅宽20km；多光谱成像系统（MSS），全色分辨率12m，幅宽20km；多光谱扫描仪单元－200（MSU－200），多光谱分辨率25m，幅宽250km。卫星用于监测人为和自然紧急情况，包括自然水文气象现象、冰况、污染物的大量排放（比如露天采煤），以及农业活动、自然资源（包括水生资源和沿岸资源）和土地使用。

4 日本

2018年，日本侦察监视卫星密集发射，新型光学与雷达侦察监视卫星完成部署，军用对地观测卫星的更新换代加速，同时继续部署专用环境监测卫星，强化军民应用。

积极构建新一代情报收集卫星体系，强化情报收集能力

2018年2月27日、6月12日，日本相继发射了“情报收集卫星”（IGS）系列的1颗光学卫星和1颗雷达卫星，即IGS－O6卫星和IGS－R6卫星。IGS－O6卫星是第三代IGS的第2颗光学卫星，与2015年发射的IGS-O5性能基本一致，分辨率0.4m。IGS－R6与IGS－R5同属第三代IGS雷达卫星，分辨率0.5m。截至2018年底，共有7颗IGS在轨工作，其中光学卫星2颗、雷达卫星5颗。IGS最初计划由2对共4颗卫星组成星座，每对包含1颗光学和1颗雷达成像侦察卫星。2015年日本发布《航天基本计划》，提出将加强情报侦察和海洋监视能力，提升多个领域的“情报、监视与侦察”（ISR）能力，构建新型IGS星座，将IGS星座扩展至4颗光学+4颗雷达+2颗数据中继卫星，采用多样化卫星，提高响应能力。这些重大转变将使日本的军用对地观测卫星系统技术能力和应用能力实现跃变。

发射新一代温室气体观测卫星，高精度采集温室气体数据

2018年10月29日，日本环境省（MOE）、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和日本国家环境研究所（NIES）联合开发的温室气体观测卫星－2（GOSAT－2）发射。GOSAT－2卫星是2009年发射的GOSAT卫星的后续星，目标是通过搭载更高性能的对地观测有效载荷，以更高的精度采集温室气体观测数据，对全球CO2、CH4、CO等温室气体进行高精度监测，其中，对CO2的监测精度为0.5ppm，对CH4的监测精度为5ppb（陆地上空500km，海洋上空2000km）。卫星将为环境管理部门提供观测数据，驱动国际反全球变暖行动。

5 印度

GOSAT-2卫星飞行示意图

2018年，印度继续完善天基对地观测系统，于1月成功发射了制图卫星－2（Cartosat－2）系列的第7颗卫星—Cartosat－2F。Cartosat－2F与CartoSat－2C/2D/2E卫星性能指标基本相同，与Cartosat－2/2A/2B系列卫星相比，技术能力有较大进步。卫星发射质量约710kg，星上携带了全色和多光谱相机，全色分辨率0.65m，4通道多光谱分辨率2m，幅宽10m，数据量化11bit。目前，印度正在研制下一代Cartosat，包括CartoSat－3（2019年发射）、CartoSat－3A（2019年发射）和CartoSat－3B（2020年发射）。此外，2018年印度还发射了2颗民用对地观测微小卫星，分别为微卫星－TD（Microsat－TD）和“高光谱成像光谱仪”（HySIS）卫星。

6 其他国家

2018年，越来越多的新兴航天国家关注和投入对地观测卫星领域。韩国提出新版航天规划，将对地观测卫星作为最优先发展目标，并在2018年发射了新型地球静止轨道气象卫星，意图加强技术基础，发展独立自主对地观测能力。阿根廷等国家也通过自主研制或借助外部力量实现了本国天基对地观测能力的阶跃式突破。

韩国发射新型静止轨道气象卫星

2018年12月4日，韩国成功发射下一代地球静止轨道气象卫星任务的首颗星—地球静止轨道韩国多用途卫星－2A（GEO-KOMPSAT－2A，即GK－2A）。GK－2A卫星由韩国气象局（KMA）开发，用于气象监测服务，另一颗GK－2B卫星用于海洋与环境监测服务。GK－2A卫星搭载的载荷包括先进气象成像仪（AMI）和韩国空间环境监测仪（KSEM）。AMI具有覆盖可见光和红外谱段的16个通道，可见光通道的空间分辨率为0.5～1.0km，红外通道的空间分辨率为2km，全盘观测的成像时间为10min，可按照选择的区域和时序进行观测。GK－2A卫星将缩短韩国气象信息获取的时间间隙，提高图像质量，探测朝鲜半岛及周边2500km2范围内的臭氧以及SO2、NO2、甲醛等污染物。

阿根廷发射其首颗SAR卫星

2018年10月7日，阿根廷航天局（COMAE）成功发射“合成孔径雷达观测与通信”（SAOCOM）卫星星座的首颗星—SAOCOM－1A。SAOCOM星座由2颗L频段SAR卫星组成，将获得具有高质量辐射和几何精度，以及高重访频率的数据。SAOCOM-1A卫星主要有效载荷是L频段合成孔径雷达SAOCOM-SAR，具有标准、高分辨率和全球覆盖3种运行模式，分辨率为7～100m，幅宽为50～400km。该载荷采用了顶级雷达技术，利用能够穿透云层的L频段获取地球表面三维图像，甚至能够探测地面的湿度。阿根廷航天局将与意大利航天局（ASI）共同负责SAOCOM卫星系统的运营，作为阿根廷-意大利卫星系统的一部分，与意大利的4颗X频段“地中海盆地观测小卫星星座系统”（COSMO-SkyMed）联合运行，提供每日2次覆盖的能力，为用户提供X频段和L频段的SAR产品，研究农业，灾害监测和科学研究中的土壤湿度，提供与应急管理相关的信息。

7 结束语

当前，天基对地观测体系和能力日趋完备，系统规模和能力稳步发展，并基于对地观测应用与服务衍生出的需求变化，形成成熟应用型与探索应用型两类差异化双驱发展，推动新一代天基对地观测系统的转型发展与技术创新。在军用对地观测领域，主要军事航天国家继续研制和部署先进光学/雷达侦察监视卫星，借助不同类型遥感器的协同工作，实施全天时、全天候的成像侦察能力；在民用对地观测领域，各国持续稳步推进后续系统的建设与更新，加速新兴系统研制与部署的同时，谋划升级现有系统，逐步形成全球综合地球环境监测体系；在商用对地观测领域，结合信息化和航天技术的初创公司与传统甚高分辨率商业遥感运营商形成差异化发展路线，空间分辨率和时间分辨率均快速发展。总体上，天基对地观测领域正在走向全面升级换代的新阶段。