法国新一代成像侦察卫星系统发展

刘韬（北京空间科技信息研究所）

2018年12月19日，法国光学空间段－1（CSO－1）卫星由欧洲阿里安集团采用俄罗斯联盟号运载火箭成功发射，标志着法国最新一代光学成像侦察卫星开始部署。CSO－1卫星运行在800km的轨道，分辨率达到0.35m，具有自主运行能力，技术水平几乎达到美国锁眼－12（KH－12）光学成像侦察卫星水平，其先进的侦察能力引发国内外高度关注。

法国军用光学成像侦察卫星起步晚于美国和俄罗斯，但发展很快，代表了欧洲天基光学成像的最高水平。随着高时效性观测、精细化观测、图像快速下传等需求对卫星系统能力的要求进一步加强。近年，法国十分重视光学成像侦察卫星的更新换代，最新一代光学侦察卫星计划于2018－2022年陆续部署，军用“光学空间段”光学成像侦察卫星将接替太阳神－2（Helios－2）光学成像侦察卫星，使其分辨率从0.5m提高到0.2m。

同时，法国光学成像侦察卫星向体系化发展，正在论证地球静止轨道、大椭圆轨道光学成像卫星，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。

1 “光学空间段”卫星发展历程

“光学空间段”卫星是法国军用高分辨率光学成像侦察卫星，也是欧洲联合发展的“多国天基成像系统”（MUSIS）的重要组成部分。法国是欧洲“多国天基成像系统”计划的主导国家之一，欧洲国家通过该计划推进欧洲一体化的军用对地观测卫星体系，满足欧洲各国安全防务等领域的应用需求。“多国天基成像系统”主要由法国、意大利和德国分别研制，法国负责光学成像侦察卫星，德国和意大利主要负责雷达成像侦察卫星，并通过多国间的共享协议来换取对方不具备的情报数据。具体来说，光学成像侦察卫星方面，法国持续推进“光学空间段”卫星，西班牙持续推进“智慧”（Ingenio）军民两用光学卫星；雷达成像侦察卫星方面，德国推进新型军用雷达成像侦察卫星（SARah），意大利正式签署了“第二代地中海盆地观测小卫星星座”（CSG）军民两用雷达成像侦察卫星的发射合同，西班牙已经发射了“帕兹”（Paz）军民两用雷达卫星。上述卫星都是MUSIS的核心组成部分。

2010年12月，法国国防部向阿斯特留姆公司，也就是现在的空客防务与航天公司(ADS）,授出了2颗CSO卫星合同，价值7.95亿欧元。CSO卫星将为法国军方和其合作伙伴(比利时、意大利、德国、希腊和西班牙)提供高分辨率光学图像。2011年，法国国防部和法国航天局开始了“光学空间段”卫星的论证工作，于2011年2月立项，项目名称为CXCI，2012年项目名称改为“高分辨率对地观测光学系统”（OTOS），项目目的是同时为法国军用“光学空间段”卫星和“下一代昴宿星”（Pleiades Neo）进行技术铺垫。该项目重点关注新型有效载荷技术的发展，包括质量更轻、体积更小的空间相机技术（包括轻质量大口径主镜技术、相机光学设计技术和相关材料技术等）、自适应光学技术（包括变形反射镜等技术）、时间延迟积分电荷耦合器件（TDI CCD）和面阵互补金属氧化物半导体（CMOS）探测器的论证选择等问题。

2013年9月，法国国防部长伊夫·勒德里昂表示，已包括2颗卫星的CSO系统需要第三颗卫星，法国应当领导该项目。并且如果欧盟执行委员会作为用户加入该系统，将可能融资建造第三颗卫星。勒德里昂在法国航天局（CNES）内部刊物的访谈栏目中表示，法国希望加强与德国和意大利对于CSO系统的图像共享协议，即根据分别签署的双边协议，法国向上述两国提供光学图像，以换取雷达图像。法国希望制造第三颗CSO卫星以保持在欧洲光学成像侦察方面的优势。2015年3月，法、德达成初步协议，德国为法国开发第3颗CSO卫星投入部分资金，作为回报，德国可获得CSO三星星座20%的图像数据。至此，3颗CSO卫星资金基本到位，整个CSO卫星系统成本为13亿欧元。

2 CSO卫星系统指标

CSO星座包括3颗光学成像侦察卫星，以兼顾甚高分辨率详查和较快的重访能力。3颗卫星设计基本相似，但部署轨道有所差异。CSO－1卫星运行在800km的轨道，分辨率达到0.35m，旨在提供较宽覆盖和战区的快速重访能力；CSO－2卫星运行在480km轨道，分辨率达到0.2m，更高的分辨率更适于对目标进行识别，特别适合为分析决策服务，计划于2021年发射。CSO－3卫星更加注重高重访能力，具体部署轨道高度和分辨率指标还不明确，CSO－3卫星的发射合同已于2018年授出，将由阿里安－6（Ariane－6）火箭发射。

CSO卫星质量为3.5t，平台具备很高的敏捷能力，部分技术来源于“昴宿星”，CSO卫星具有自主轨道控制能力，可保持精确轨位，载荷具有可见光和红外成像能力。其红外探测器基于碲镉汞（MCT）技术，由法国Sofradir公司研制。CSO卫星具备较强的敏捷能力，具有多种成像模式，能够拍摄三维图片。在载荷方面，CSO卫星的空间相机与太阳神-2的相机相比，取得了重大技术进步，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。与太阳神-2相机相比，CSO空间相机大30%，部件数是其两倍，但研制时间缩短了40%。CSO的空间相机是欧洲有史以来最大和最为复杂的相机。此外，由于对地面站进行了优化，CSO卫星图像下传时间从上一代太阳神-2卫星的6h提高到90min。总体来说，CSO卫星是高度保密的侦察卫星，具体技术细节没有公开报道，但其技术来源于CNES开展的“高分辨率对地观测光学系统”项目。

成像探测器和相应的望远镜设计方案

OTOS项目根据700km轨道、0.2～0.3m分辨率的设计需求，给出了若干探测器和相机设计方案，2016年又曝光了最终设计方案，可以合理推测CSO卫星的技术指标。OTOS项目研制的相机主镜口径1.5m，在700km轨道可实现全色0.2～0.3m的分辨率，视场1.2°,幅宽15km。OTOS在技术论证过程中，探测器有3个方案，包括2种面阵探测器方案和TDI方案，对应6种望远镜设计方案。

泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（TAS）为OTOS项目研制了基于微晶玻璃的主镜，ADS公司为其研制了碳化硅（SiC）主镜。相机采用自适应光学技术，TAS和ADS公司分别为这两种不同材料的主镜研制了两套不同的变形反射镜，TAS公司研制了微晶玻璃变形反射镜；由ADS公司牵头，法国CILAS公司研制了基于单晶压电陶瓷的变形反射镜。

法国研究表明，两种Korsch型望远镜方案满足相机小型化、设计容差、图像变形约束和望远镜质量的要求。法国选择的最终方案为F/20 Korsch型望远镜方案。

从曝光的CSO卫星技术指标来看，其分辨率和部署轨道高度均与OTOS预研卫星项目相似，除已曝光的分辨率指标外，根据OTOS项目透露的指标，推测CSO卫星空间相机口径为1.5m、幅宽约为15km（该值为700km高度的幅宽，根据实际轨道高度，有所改变）。

最后，OTOS项目研发的卫星在700km轨道可实现0.2～0.3m全色空间分辨率估算，假设CSO卫星部署在300km轨道，可近似达到0.1m水平，已达到美国KH-12卫星全色分辨率指标。而CSO卫星质量仅为3.5t，KH-12卫星干质量达到10t，可见法国以更低的质量实现了近似相同的分辨率。

法国高分辨率光学成像卫星对比

3 法国光学成像侦察卫星体系展望

在升级换代低轨光学成像侦察卫星的同时，法国也十分重视发展由低轨、椭圆轨道和静止轨道卫星构成光学成像侦察卫星体系。

低轨光学成像卫星

未来法国低轨光学成像侦察卫星主要由CSO卫星和商为军用的Pleiades Neo组成。

目前，ADS公司正在研制Pleiades Neo卫星，以追赶美国数字全球公司（DigitalGlobe）的世界观测-3、4（WorldView-3、4）卫星的能力水平，从而获得更多的市场。ADS公司兼顾对地成像与通信数传能力融合发展，Pleiades Neo将4星组网，分辨率提高到0.3m，具备激光通信链路，通过欧洲数据中继（EDRS）静止轨道通信卫星获得的中继数据，以大幅度增加数据获取能力。

与现有“昴宿星”星座相比，该星座每天的重访次数是其2倍，重新规划任务的速度是其6倍。用户将利用Pleiades Neo星座更强的监测能力和运行效率开展应用。根据ADS公司提升数字化程度和连通性的战略部署，公司将增强地面部分的信息访问能力，提供机器学习和自动化分析应用，这些应用具备多重任务和大规模图像处理能力。

每颗卫星每天可拍摄5×105km2的图像数据。卫星拍摄的图像将被上传至“综合地图集”（OneAtlas）在线平台，与ADS公司拥有的光学和雷达数据融合，供客户进行即时数据访问和分析。

Pleiades Neo星座可直接连接“欧洲数据中继系统”，该系统又名“太空数据高速公路”（Space Data Highway），由欧洲航天局（ESA）和ADS公司以公私合作（PPP）形式联合开发，已为欧盟“哥白尼”计划中的Sentinel系列卫星提供服务。Pleiades Neo星座将是第一个可直接连接EDRS的商业对地观测卫星星座，能够确保星座具有最快反应速率、最低响应延迟和高容量数据传输能力。Pleiades Neo星座采用先进的激光通信技术，与地球静止轨道上的中继卫星的通信带宽达1.8Gbit/s，借助中继卫星每天可实现高达40TB的准实时数据传输。Pleiades Neo星座的集成激光终端由德国Tesat空间通信公司（TesatSpacecom）设计，德国航天局（DLR）和ADS公司联合研制，德国航天局为终端的研发和验证提供技术支撑，德国联邦经济事务和能源部提供资金支持，这种联合研制的方式可显著提升设计和集成的成本效率。与现有终端相比，新一代激光终端的功率得到了优化，质量和尺寸减少了60%。4颗卫星均载有快速反应式Ka频段终端，这对于自然灾害和一线应急响应评估相当重要。

法国椭圆轨道高分辨率对地观测卫星参数表

椭圆轨道高分辨率光学成像卫星

体系第二部分是分辨率为1m的椭圆轨道卫星（该项目名称为HRT），其持续观测时间达到45min。据分析，法国这颗椭圆轨道卫星的突出特点是致力于在轨道高度6353km的远地点实现1m空间分辨率/50km幅宽的宽幅高分观测能力。相比来说，俄罗斯运行在高度2000～3000km的椭圆轨道的“阿拉克斯”（Araks）卫星，其2m的最高分辨率是在近地点实现的；美国的运行于300～1000km轨道的锁眼－12卫星也是在近地点实现最高分辨率的。

椭圆轨道卫星相对于低轨卫星的优势是在远地点弧段驻留目标上空的时间较长，可在近一半的轨道范围内观测感兴趣的地区。但另一方面，该类卫星目前也面临诸多技术问题。首先，在运载火箭兼容性上存在问题，116°的轨道倾角超出了Vega运载火箭的现有设计能力。其次，椭圆轨道卫星面临较强的空间辐射，但CNES的“昴宿星”项目主任阿兰·戈莱泽斯表示，该机构已经拥有了辐射加固方面的新专利技术，可以减轻辐射对卫星的影响，但具体内容在专利公布前是保密的。再次，椭圆轨道高分辨率卫星需要更大口径的望远镜，虽然欧洲碳化硅单镜面成像系统的制造能力可以满足要求，但还需要利用较为复杂的自适应光学系统。

静止轨道高分辨率光学成像卫星

体系第三部分是分辨率为3m的静止轨道光学成像卫星，其设计寿命达到15年，具备持续监视能力，但面临很多技术难题，如：载荷设计、图像处理和轨道控制技术等。ADS公司和美国鲍尔宇航技术公司都在研究静止轨道高分辨率光学成像卫星，但认为这种卫星的技术难度最高、体积大、质量大，且成本高昂。

然而另一方面，ADS公司公布其在GEO高分辨率光学成像卫星技术上已经取得了一定的技术突破。ADS公司曾经在2011年巴黎航展上对分辨率为3m的“静止轨道空间监视系统”（GO3S）卫星的应用前景进行了模拟演示。又在2012年IAC会议上宣布初步具备了GO3S卫星的制造能力，2013年4月对外发布了GO3S卫星的应用说明书，以在全球寻找该卫星的投资。

GO3S卫星高10.3m，发射质量8840kg，采用最大口径达4m的单块主反射镜装配光学成像相机，其主镜由碳化硅材料制成，遮光罩质量为350kg。卫星幅宽可达100km，能够持续覆盖南北纬50°范围内的区域，提供高分辨率图像和视频，具有动目标监视能力。GO3S卫星的应用可能是为政府部门进行海洋监视和环境监测。

4 结束语

随着法国新型CSO低轨光学成像侦察卫星的发展，军用卫星成像能力已达到0.2m水平，其实力已接近美国，强于俄罗斯。军用CSO系列卫星多种轨道配合组网，一方面兼顾甚高分辨率重访和较大幅宽覆盖，提高了重访能力，另一方面也提升了体系弹性。在发展道路上，法国新一代军用卫星和民用卫星来源于共同立项的技术研发项目，使民用卫星在空间分辨率方面大体追平军用卫星。

在光学成像卫星设计中，法国统筹考虑卫星体系的综合能力，军星在追求单星更高分辨率、更轻量化、更好的自主运行能力的同时，也对多轨道卫星组成体系非常重视；民星注重卫星的搭配组网，在空间分辨率、时间分辨率上达到了一个前所未有的层次。法国新型光学成像卫星的技术发展和发展模式值得参考借鉴。