吉林一号商业航天遥感服务体系建设

文 | 钟兴 安源 王栋 戴路 张雷 徐开

1.长光卫星技术有限公司 2.吉林省卫星遥感应用技术重点实验室

一、前言

近年来，随着高分专项的实施和商业化卫星遥感服务的兴起，高分辨率卫星遥感数据源日益丰富，应用研究逐步深入。面对日益增长的应用需求，迫切要求高分辨率遥感数据的供给更加及时，相关应用技术更加成熟，具备赋能众多产业的社会化服务能力。面向市场的商业化航天遥感服务是遥感产业升级的重要手段，锡安市场研究（Zion Market Research）公司分析[1]，2020年至2025年，全球商业卫星数据市场规模将从53亿美元发展到83亿美元。

区别于政府立项的科学和公益性遥感卫星服务，商业航天遥感的定位是从用户需求出发，寻求其中高价值部分并提供解决方案。遥感应用已经跨越发展初期的示范阶段，向着业务化阶段发展，应用端信息需求频次更高、维度更多。商业航天遥感服务的关键，在于通过可持续的、丰富的服务模式，满足应用端的增长性需求。

二、应用需求分析

不同的用户对遥感信息的服务需求各有侧重。比如应急减灾用户，需要通过直接的卫星编程服务，尽可能接近实时获取影像，数据的时效性尤为关键；环境监测和自然资源管理等用户，需要大面积周期性更新的标准产品，且满足各类指数计算要求，数据的精度与稳定持续更新最为重要。不同用户的个性化需求主要体现在数据的分辨率、更新周期、光谱通道以及时间范围等维度方面。总的来说，所有用户都要求数据产品技术指标满足应用要求、质量稳定可靠，在此基础上能够及时更新。

数据产品的技术指标是应用的基础，可以用一套较为完整的体系来描述，主要由遥感卫星及其处理技术决定。最基本的技术指标是遥感数据的空间分辨率，在很大程度上决定了应用场景。比如10～30m的遥感数据可以在农林方面使用，但却无法用于违法建筑监测。而数据的及时更新则包含更多因素的影响，除卫星的拍摄能力和组网形式外，还有任务接收与上注、拍摄后数据回传、数据处理和传送，以及面向用户的需求响应方式等。受卫星建造成本等因素制约，空间分辨率和数据更新周期是天然的矛盾，因此空间分辨率越高，视场越小，数据的更新越慢。例如气象遥感卫星可以实现分钟级的整个国土范围的数据更新，而高分辨率卫星数据的更新周期则以月计。加上目前高分辨率特别是1m分辨率以内的卫星仅占所有遥感卫星的一小部分，因此高分辨率应用场景的用户经常面临这样的情况：满足应用的数据更新太慢，更新及时的数据又不满足应用要求。此外，获取数据的维度缺失，也是用户面临的应用痛点，比如光谱通道丰富的卫星，空间分辨率往往较低，难以支撑分析结论。

世界范围来看，政府支持的遥感卫星以科研和公益目的为主，具有数据免费、更新周期固定的特点，但以中低分辨率为主，如美国的陆地卫星（Landsat）和欧洲的哨兵（Sentinel）卫星。为满足行业应用需求，商业化遥感服务成为及时提供高分辨率、多维度遥感数据的重要途径。比如美国行星（Planet）公司的“鸽群”（Flock）星座，每天用5m分辨率对全球地表更新一次，提供最高时效的中等分辨率图像；麦克萨（Maxar）公司的世界观测卫星（Worldview）星座，可提供3小时内应急编程服务，其中的Worldview-3卫星在分辨率达到0.31m的同时，具有8个可见近红外谱段和8个短波红外谱段，可满足精细化地物光谱分类的需求。据欧洲咨询公司（Euroconsult）报告[2]，位置服务、国防安全、灾害应急、能源和建设等领域是大量使用高分辨率和甚高分辨率商业数据的传统客户，而能源、自然资源管理和海事等领域也在逐渐扩大商业数据使用，呈快速发展趋势。从国际商业卫星数据的定价策略可以看出，遥感数据商业价值主要取决于空间分辨率和时效性，且新鲜、越高数据的价格随时间和空间分辨率呈明显幂指数分布，越实时、越高分辨率的数据价格越高。在所有数据销售中，3个月内的亚米级数据，占据最多销售额。

因此，在商业化高分辨率遥感服务中，提高时效性是首要环节。在此基础上，通过技术和模式创新，提供多维度遥感服务满足用户个性化需求，才能创造更多价值。

三、高时效服务实现途径分析

卫星重访周期是决定服务时效性的基础。缩短重访周期有两种途径。第一种是增强单星能力。卫星轨道越高、侧摆越大，重访周期越短。法国的昴宿星（Pleaides）采用694km轨道高度，双星即实现1天重访。但要获取相同分辨率，轨道升高将导致相机焦距变长、口径变大；侧摆角的加大引起大气等效光学厚度增加，要求载荷具有更高传函；侧摆效率提升要求卫星具有快速姿态机动、高动态姿态确定和快速姿态稳定能力，这些都依赖于高性能硬件。因此，单星能力提升带来制造成本急剧增加。第二种途径是大规模组网，Planet公司的“鸽群”星座已经给出了很好的例证，只要卫星的数量够多，影像的更新速度就会够快，而其单颗卫星的制造成本仅为20万美元。对比可知，第一种途径主要由技术门槛和单星造价决定，需要较高技术水平和较高成本，风险相对较大；第二种途径主要由商业模式决定，产出随投入线性增加，风险相对分散。

在星座具备较短重访周期的前提下，还需要实现任务的随时上注，缩短任务从发起到卫星响应的时间，才能满足应急需求。目前，全球布站和天基测控已经有较好的解决方案。特别是在低轨遥感卫星上安装小型无线终端，利用中高轨卫星进行天基测控的方式，不受地域限制，可以实现任务的分钟级上注。在数据获取后还需缩短信息回传的时间，否则回传周期大于重访周期，将导致星座效能无法发挥。星间数传链路和星上智能处理的结合是最具前景的发展方向。通过星上智能处理技术，直接提取用户关心的高价值信息，可以将需要传输的数据量大大减少，在短期内迅速提升系统效能。

四、吉林一号商业模式与卫星设计理念

1.商业模式

虽然基于低成本卫星的大规模星座是提供高时效服务的最佳选择，但简单地重复生产某个型号的低成本卫星却难以实现好的服务。Planet公司在仅有“鸽子”（Dove）卫星的情况下，虽然拥有高时效，但分辨率和辐射精度都很难满足众多用户的需求[3]，直到通过合并拥有了多光谱“快眼”（RapidEye）和亚米级天空卫星（Skysat）多颗卫星之后，多维度、高精度的服务能力才得到了大幅提升。Dove卫星也经历了十几次升级，虽然成本略微上涨，但性价比的提升更加显著。Planet公司采用了不同于传统航天各个环节由不同单位负责的模式，自己研发卫星、运营卫星和销售图像。同样采用类似模式的全链路新航天（New Space）创业公司还有阿根廷卫星逻辑公司（Satellogic），黑天全球公司（BlackSky Global）等。

商业数据成本核心在于卫星研制发射成本，而卫星性价比的提升将直接带来数据获取成本的降低，结合高时效、多维度服务扩大市场，商业服务才能创造更大价值。从上述思路出发，长光卫星技术有限公司（以下简称长光卫星）也采用了全链路发展模式，产业布局包含三大领域，航天装备制造、卫星在轨运营和遥感信息服务。从如图1所示的商业模式分析可以看出，三个领域对应不同的成本环节，串联形成卫星价值，并以航天信息服务为最终体现形式。在内部迭代加快的同时，具有全产业服务能力。

图1 长光卫星商业模式

2.卫星设计理念

在全链路商业模式下，卫星设计理念必然以整体性价比最优为目标。长光卫星早期技术来源于以载荷为中心的“星载一体化”研究，其核心是提升卫星的集成度和性价比。近年来，在吉林一号系列卫星研制中，通过不断实践，长光卫星逐渐实现了从“星载一体化”到“载荷即平台”的突破，卫星集成度不断提升。传统的“平台加载荷”卫星，载荷和平台界限分明，体积质量大、成本高；早期的“星载一体化”卫星，虽然实现了以载荷为中心，平台围绕载荷需求设计，体积质量大幅减少，但仍保留了较多独立结构功能（去掉载荷部分后卫星并不“散架”），电子学软硬件也只是部分集成，2015年发射的吉林一号光学A星就属于这一类；而2019年发射的吉林一号高分03A星，第一次采用了“载荷即平台”设计理念，由载荷完全主导卫星设计，大幅减少平台结构，电子学软硬件高度集成，有效载荷比显著提升。在吉林一号系列卫星的研制过程中，长光卫星团队创新地采用了大量的优化设计和仿真、试验方法，紧密围绕载荷高性能成像的核心，突破了系列关键技术。同时，为了服务时效性的提升，吉林一号系列卫星在数传方面也从第一代卫星的拍摄后准实时传输，升级为第二代采用双通道900Mbit/s相控阵实时数传，目前正在发展采用“天基测控+星上智能”的第三代信息传输技术，已取得了良好的在轨试验结果。

成本优化方面，传统遥感卫星平台成本远大于载荷成本，发射入轨和地面系统的成本仅占全部成本的小部分；而长光卫星对成本构成优化后，载荷成本和平台成本基本1:1，整星成本和发射入轨、地面系统成本基本1:1。成本优化的主要方式有：通过不同载荷配置不同平台部件，评估发射入轨和地面系统的费用后确定整星研制成本，并在成本控制基础上着力提升载荷性能；并通过地面系统通用化，减少重复投入，降低单个型号建设分摊成本；通过技术升级使整体投入不断降低，使卫星遥感服务整体性价比持续提高。

五、吉林一号星座建设进展

1.进展概述

吉林一号星座的具体建设目标是“提升热点重访能力，缩短大区域覆盖周期，采集多维度信息”。目前，经9次发射，星座已有16颗卫星在轨，见表1。

表1 吉林一号在轨卫星

吉林一号星座目前已形成全球任意一点米级重访大于5次/天，每天获取120万平方千米亚米级影像，及36小时内交付编程遥感数据的服务能力，数据种类包括推扫、视频及宽波段多光谱等。

2.提升热点重访能力

提升重访能力的关键是星座卫星数量，卫星的研制发射成本至关重要。2019年6月发射入轨的吉林一号高分03A星，是长光卫星新一代高集成度卫星，在质量仅有39kg的条件下，实现了1.06m分辨率，如图2所示。高分03星目前已经进入批量研制阶段，单颗研制成本不到800万人民币，小型固体运载火箭即可实现“一箭九星”发射，可在短时间内实现星座部署，极大提升高分辨率和重访能力。

图2 吉林一号高分03A星及其在轨获取图像

3.缩短大区域覆盖周期

对于大区域覆盖任务，毗邻图像相隔时间越长，辐射归一化处理越难，侧摆角、大气等因素差异将给影像镶嵌质量带来影响。为了短周期、小侧摆完成大区域覆盖，遥感卫星的幅宽成为关键。最近几个月，长光卫星连续发射了三颗大幅宽0.75m分辨率卫星，动态传函、无控精度等数据质量指标按照国际主流水平设计，满足常态化大区域覆盖更新需求。其中两颗为500kg以下的小卫星—高分02星A、B星，它们设计相同，单星幅宽达到40km。而 红旗一号-H9宽幅型卫星（简称宽幅星，如图3所示）则是一颗大卫星，质量1250kg，在分辨率达到0.75m的同时，幅宽达到136km。

图3 宽幅星及其在轨获取图像

4.采集多维度信息

吉林一号星座在建设早期就开展了米级彩色视频卫星的研制，实现了4K及12K彩色视频卫星的研制[4]。近几年完成了多项技术升级，在兼顾传统推扫的基础上，具有多角度成像、夜光成像等多维信息采集能力。在宽波段多光谱卫星研制应用方面，通过与林业部门和研究机构的联合论证，完成了吉林一号光谱双星的研制发射，空间分辨率5m，幅宽115km，谱段覆盖可见、近红外、短波、中波和长波红外，解译性能优异，辐射和光谱质量良好，可应用于森林资源保护、生态环境监测、作物分类等领域。

六、多维度特色应用开发

1.亚米级时间序列产品

高分辨率影像的时间序列产品可以更好地反映人类活动，通过重点区域细节变化对比，可反映投资、建设、运输等经济行为，具有高价值信息。目前吉林一号星座已经建立了多个系列全球热点目标数据库产品，相关图像达到近二十万景。典型产品形式如图4所示。

图4 时间序列变化对比产品

2.运动信息产品

卫星视频可以反映目标运动特性。为满足高解析度卫星视频的交互式操作，长光卫星自主开发了专用卫星视频播放及处理软件。同时，为了直接提供运动目标信息，可将动态视频生产为图5所示的信息提取产品，仅用一张自动标注后的静态影像，即可反映一段时间内视频中所有目标的运动情况，减少了传输、分发中的数据量。

图5 目标运动信息提取产品

3.多角度及DSM产品

通过长时间凝视，视频卫星可实现大角度范围的多角度成像模式[5]，如图6（a）所示。在侧摆条件下，通过5分钟定点拍摄，从建筑物的光照面可以一直观测到建筑物的背阴面，视角变化大于90°，可用于立体建模、目标材质多角度BRDF反演等方面。与此同时，吉林一号系列卫星也提供标准DSM产品，包括基于视频星立体像对生产的多帧平差产品，以及推扫卫星同轨和异轨立体产品。图6（b）为吉林一号视频星数据生产的DSM产品，网格大小为2m，相对高程精度优于3m。

4.米级夜光产品

传统夜光遥感空间分辨率较低，主要用于宏观研究。而高分辨率米级夜光影像，如图7（a）所示，可提供城市精细化空间关联信息[6]，用于道路分析、城市功能区域面积精细分析等[7]。围绕夜光影像，长光卫星已开发白天-夜晚融合图像、专用住宅空置率和灯光分类工具等应用产品，如图7（b）所示。

图7 米级夜光影像及应用产品

5.宽波段多光谱产品

利用同一区域以及同一时间区间下的Landsat和Sentinel卫星数据，采用相同方法对分类结果进行比较，结果显示，分辨率达到5m的吉林一号光谱卫星图像分类精度明显更优。与保险行业合作开展的农作物种植面积精确评估，验证结果显示精度高达95%，且种植作物的可分类种类有明显提升。光谱卫星典型应用产品如图8所示，可广泛应用于农业、林业、自然资源保护等领域。

图8 吉林一号光谱卫星及宽波段多光谱产品

七、智能化高时效服务探索

1.快速响应

传统遥感服务系统影响服务时效的问题主要包括数据获取流程繁琐、可扩展性差、资源分散、处理效率低等方面，针对上述问题，吉林一号信息服务系统通过星地一体优化设计，实现内外部资源协调整合，具有需求响应快、服务能力强的特点，已形成由任务规划、卫星成像、数据接收、数据生产到数据分发的整套全自动快速响应流程。通过同步并行和智能化调度，解密解压缩效率和硬件资源使用率大幅提升。常规编程摄影任务，可在36小时内提供标准影像；应急任务可在成像同时数传，用户最快可在指令上注15分钟内获得生产完成的标准影像。

2.接收处理一体化

为了进一步提升用户获取数据时效，长光卫星开发了接收处理一体机产品，由快速接收处理、可扩展客户端和便携式应用平台三个模块组成，如图9所示。三个模块既可整体使用，也可分别独自使用，具有移动便携、部署灵活、即插即用的优点，可实现用户对卫星的直接接入及数据的本地处理，适应各类固定及移动地面站使用。其中，快速接收处理包含数据解密解压缩、辐射校正、传感器校正等标准产品生产功能；可扩展客户端可进行任务自动规划、数据在线管理和查询浏览；便携式应用平台包含大容量存贮及应用工具，具有数据离线查询、解译与分析等功能。

图9 吉林一号遥感数据处理一体机产品

3.星上智能处理

同时，为在大规模星座的条件下，实现任意时段的近实时信息快速获取，长光卫星在星上智能处理技术方面也开展了深入研究，已开发了基于多核DSP的第一代星上智能处理系统，搭载于吉林一号光谱卫星；第二代嵌入式GPU系统搭载于吉林一号高分03星，具有基于机器学习的地面目标识别功能[8]。两代系统的在轨试验均取得了成功。2019年3月，吉林一号光谱卫星利用第一代星上智能处理进行了森林火点的成功识别。卫星在无地面站通信条件下，获取图像后进行星上处理，提取的火点经纬度、面积等信息通过天基测控方式，以文本方式回传至国内地面终端。事后图像回传进行对比，验证表明星上处理结果正确。

八、展望

航天技术即将进入“一星多用、多星组网、多网融合”的星座大规模应用阶段。卫星遥感作为重要的信息获取手段，具有面向众多产业提供社会化服务的巨大潜力。只有通过上下游协同努力，通过数据资源、处理技术和应用模式的结合，才能推动航天遥感技术应用和相关产业的升级。长光卫星将通过在一体化卫星技术方面的不断创新和航天遥感信息服务探索实践，努力使遥感卫星从“高大上”的航天技术，转变为“接地气”的信息生产工具，朝着提供更高时效、更高质量的航天遥感服务方向发展，使卫星遥感技术在国民经济各个领域得到更好应用。