· 文|北京空間科技信息研究所 原民輝 王余濤

近年來，全球?qū)Φ赜^測系統(tǒng)快速發(fā)展，系統(tǒng)性能不斷提升，應(yīng)用向深度化發(fā)展，產(chǎn)業(yè)發(fā)展初具規(guī)模，已成為各國重要的戰(zhàn)略資源和基礎(chǔ)設(shè)施。

一、全球?qū)Φ赜^測系統(tǒng)總體情況

1.對地觀測衛(wèi)星數(shù)量統(tǒng)計

截至2013年12月18日，全球已成功發(fā)射6771個航天器，其中對地觀測衛(wèi)星2284顆，發(fā)射數(shù)量最多，占全球總量的1/3，見圖1。

>>圖1 全球已成功發(fā)射的航天器統(tǒng)計

2013年，國外共發(fā)射15顆對地觀測衛(wèi)星，其中高分辨率衛(wèi)星10顆。而2012年共發(fā)射16顆對地觀測衛(wèi)星，其中高分辨率衛(wèi)星5顆。與2012年相比，2013年成像高分辯率衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量同比增長一倍。

目前，國外在軌的成像高分辨率衛(wèi)星系統(tǒng)主要集中于美俄歐日印等國，見圖2。在軌工作高分辨率衛(wèi)星已達(dá)58顆，與2012年底的48顆相比，同比增長21%。這標(biāo)志著對地觀測向高分發(fā)展趨勢更加顯著。

>>圖2 2013年國外在軌工作成像高分辨率衛(wèi)星數(shù)量統(tǒng)計

2.對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)能力

目前，國外成像類衛(wèi)星系統(tǒng)主要部署于低軌道。光學(xué)和微波成像能力同步發(fā)展，軍用系統(tǒng)和民用系統(tǒng)同步發(fā)展。新型衛(wèi)星普遍具備多種成像模式，定位精度接近航空攝影成像水平。

從2013年國外對地觀測衛(wèi)星發(fā)射情況來看，美國仍然保持領(lǐng)先，并開始升級換代，成功發(fā)射了最后一顆“鎖眼”-12（KH-12）衛(wèi)星和第三顆新一代“未來成像體系-雷達(dá)”（FIA-Radar）衛(wèi)星，光學(xué)分辨率達(dá)0.1m，雷達(dá)分辨率達(dá)0.3m。

俄歐日印緊隨其后，補(bǔ)網(wǎng)加強(qiáng)在軌成像能力，未來2～3年內(nèi)將達(dá)到0.3m水平。俄羅斯于2013年6月接連發(fā)射3顆高分辨率衛(wèi)星，分別是1顆“角色”-2（Persona-2）軍用光學(xué)成像偵察衛(wèi)星，分辨率0.33m；1顆“資源”-P（Resurs-P）民用光學(xué)成像衛(wèi)星，分辨率1m；1顆“禿鷹”-E（Kondor-E）軍用雷達(dá)成像偵察衛(wèi)星，分辨率1m。但與蘇聯(lián)時代相比，俄羅斯對地觀測衛(wèi)星仍處于發(fā)展低谷，目前正在快速發(fā)展傳輸型衛(wèi)星，以補(bǔ)充光學(xué)和雷達(dá)成像偵察能力。日本于2013年1月一箭雙星發(fā)射“情報采集衛(wèi)星-雷達(dá)”-4（IGS-R4）和“情報采集衛(wèi)星-光學(xué)”-5（IGS-O5）試驗(yàn)星，在補(bǔ)充缺失的雷達(dá)成像偵察能力的同時，積極驗(yàn)證第三代衛(wèi)星光學(xué)成像技術(shù)。

韓國、阿聯(lián)酋等國通過國際合作或購買等方式，發(fā)展高分辨率成像衛(wèi)星，未來3～5年內(nèi)將達(dá)到0.5m水平。韓國于2013年8月發(fā)射了首顆韓國多用途衛(wèi)星-5（KOMPSAT-5）雷達(dá)成像衛(wèi)星，分辨率1m，通過引進(jìn)國外技術(shù)發(fā)展，首次具備了雷達(dá)成像衛(wèi)星觀測能力。阿聯(lián)酋于2013年11月通過國際合作，研制并發(fā)射了1顆迪拜衛(wèi)星-2（DubaiSat-2），光學(xué)分辨率1m，使阿聯(lián)酋進(jìn)入具有高分成像能力的國家行列。

目前，國外環(huán)境探測類衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)和科學(xué)交織，綜合化和精細(xì)化觀測能力進(jìn)一步增強(qiáng)。美國、歐洲系統(tǒng)性能先進(jìn)，日本、印度加強(qiáng)自主建設(shè)，積極應(yīng)對全球環(huán)境變化。目前國外最先進(jìn)的環(huán)境探測類衛(wèi)星光學(xué)探測通道達(dá)上千個，微波探測通道達(dá)60余個，可實(shí)現(xiàn)不同探測要素綜合、局部與全球綜合、多源數(shù)據(jù)綜合等能力。

近年來，環(huán)境污染問題日益突出。美國國家航空航天局（NASA）主導(dǎo)的地球觀測系統(tǒng)（EOS）體系，能夠利用多手段探測大氣環(huán)境要素，監(jiān)測包括PM2.5等環(huán)境問題（圖3）。

>>圖3 EOS體系中的“土”、“水”等衛(wèi)星測繪中國PM2.5濃度分布圖

二、高分辨率對地觀測系統(tǒng)空間段的主要特點(diǎn)

1. 體系結(jié)構(gòu)

（1）日本提出低軌綜合觀測星座，監(jiān)視重點(diǎn)海域

日本政府于2013年5月提出發(fā)展新的低軌綜合觀測星座，通過光學(xué)與SAR結(jié)合，太陽同步軌道與傾斜軌道組合，高分辨率與大幅寬結(jié)合，實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)地區(qū)持續(xù)監(jiān)視，特別是日本海上運(yùn)輸線的持續(xù)監(jiān)視。

該星座由5顆光學(xué)和4顆SAR衛(wèi)星組網(wǎng)，光學(xué)成像衛(wèi)星采用全色、多光譜、高光譜的綜合觀測手段，采用高分辨率（0.5m）與寬幅寬（50km）相結(jié)合的配置，能夠每天數(shù)次重訪，雷達(dá)成像衛(wèi)星采用中傾角和太陽同步軌道（46°）結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高頻度觀測全球熱點(diǎn)地區(qū)的海上戰(zhàn)略要道。

（2）法國提出高、中、低軌結(jié)合的光學(xué)衛(wèi)星體系，兼顧超高分辨率與區(qū)域持續(xù)監(jiān)視能力

法國于2013年10月提出發(fā)展高、中、低軌結(jié)合的光學(xué)成像衛(wèi)星體系。該體系將包括3種新型光學(xué)成像衛(wèi)星，分別是分辨率為0.2～0.3m的低軌光學(xué)成像衛(wèi)星、分辨率為1m的橢圓軌道光學(xué)成像衛(wèi)星、分辨率為3m的靜止軌道光學(xué)成像衛(wèi)星。

0.2 ～0.3m超高分辨率的低軌光學(xué)成像衛(wèi)星關(guān)注圖像紋理、地影等細(xì)節(jié)，單顆衛(wèi)星的重訪周期為1～2天。1m分辨率的橢圓軌道光學(xué)成像衛(wèi)星的突出特點(diǎn)是在6353km遠(yuǎn)地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)1m分辨率/50km幅寬觀測能力，持續(xù)觀測時間達(dá)45min，兼顧高分辨率與持續(xù)監(jiān)視。3m分辨率的靜止軌道面陣光學(xué)成像衛(wèi)星具有靜態(tài)圖像和動態(tài)視頻兩種能力，實(shí)現(xiàn)持續(xù)監(jiān)視。

（3）美國提出“彈性與分散”戰(zhàn)略，優(yōu)化體系結(jié)構(gòu)

2013年8月，美國空軍航天司令部發(fā)布《彈性和分散空間體系白皮書》，明確了未來美國軍事航天系統(tǒng)發(fā)展的頂層思路和航天體系轉(zhuǎn)型方向，將全面推進(jìn)空間體系向“彈性和分散”體系的轉(zhuǎn)型。

美國考慮以5種具體的分散形式實(shí)現(xiàn)體系的彈性：①多軌分散，利用多個軌道平面來提高彈性。例如法國提出的高、中、低軌光學(xué)成像衛(wèi)星體系等；②多域分散，將能力分散于海、陸、空、天、網(wǎng)多域，相互冗余和備份。例如天臨空地一體化發(fā)展；③載荷搭載，將一些有效載荷搭載在其他類型衛(wèi)星上，例如美國商業(yè)搭載紅外有效載荷（CHIRP）2010年搭載在歐洲靜止軌道商業(yè)通信衛(wèi)星上，試驗(yàn)了下一代紅外寬視場凝視技術(shù)，驗(yàn)證了通過商業(yè)搭載的方式提高系統(tǒng)彈性的可行性；④系統(tǒng)分解，由多個以無線方式相互作用的模塊提供單一系統(tǒng)的功能；⑤功能分散，將一顆衛(wèi)星上的多個載荷或多項(xiàng)任務(wù)分散到多個衛(wèi)星上。例如對于防護(hù)衛(wèi)星系統(tǒng)，美軍計劃將戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)任務(wù)分離。

2.系統(tǒng)技術(shù)

（1）美國靜止軌道大口徑衍射光學(xué)成像技術(shù)取得新突破

美國國防高級研究計劃局（DARPA）于2010年開展了大口徑衍射光學(xué)成像技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目——“薄膜光學(xué)成像儀實(shí)時利用”（MOIRE）。項(xiàng)目旨在突破衍射薄膜、大型可展開支撐結(jié)構(gòu)、星上處理和壓縮等關(guān)鍵技術(shù)，為未來開發(fā)靜止軌道高分辨率衍射成像衛(wèi)星提供技術(shù)準(zhǔn)備。

項(xiàng)目分2個階段實(shí)施。第一階段，目標(biāo)是開發(fā)滿足空間飛行要求的薄膜材料，研制一個米級口徑的衍射薄膜主鏡，并開展完整光學(xué)薄膜成像系統(tǒng)的方案設(shè)計。第二階段研制5m口徑光學(xué)薄膜成像系統(tǒng)的地面原理樣機(jī)。目前，第一階段已經(jīng)完成，第二階段取得了一些成果。

DARPA還計劃在MOIRE項(xiàng)目取得成功后，進(jìn)一步研制一顆10m口徑的靜止軌道衍射成像技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星，對大系統(tǒng)進(jìn)行全面的演示驗(yàn)證。

業(yè)務(wù)型實(shí)用系統(tǒng)將交由美國國家偵察局開發(fā)，見圖4。系統(tǒng)計劃于2020年部署，能夠在靜止軌道實(shí)現(xiàn)1m的高分辨率，視場為10km×10km，成像速率可高達(dá)每秒1幅，實(shí)現(xiàn)對敵方軍事目標(biāo)的連續(xù)監(jiān)視，將大幅提升對艦船、導(dǎo)彈發(fā)射車等時敏目標(biāo)的動態(tài)監(jiān)視能力。

>>圖4 業(yè)務(wù)型靜止軌道衍射成像衛(wèi)星概念圖

（2）歐洲完成靜止軌道大口徑光學(xué)成像衛(wèi)星的系統(tǒng)總體方案

歐洲采用傳統(tǒng)反射成像技術(shù)發(fā)展靜止軌道光學(xué)成像衛(wèi)星，利用大口徑高精度單體反射鏡，實(shí)現(xiàn)10m分辨率，計劃2020年部署。歐洲阿斯特里姆公司（現(xiàn)已并入空中客車公司）完成10m分辨率靜止軌道光學(xué)衛(wèi)星（Geo-Oculus）的設(shè)計方案后，宣布初步具備3m分辨率靜止軌道光學(xué)衛(wèi)星的工程化能力。因此，目前歐洲已轉(zhuǎn)向3m分辨率靜止軌道偵察監(jiān)視系統(tǒng)（GO3S）衛(wèi)星的系統(tǒng)方案論證，見圖5。

>>圖5 Geo-Oculus衛(wèi)星示意圖（左）和GO3S衛(wèi)星示意圖（右）

（3）美國即將發(fā)射大規(guī)模商業(yè)小衛(wèi)星星座

2013年，美國行星實(shí)驗(yàn)室（Planet Labs）公司和天空盒子成像（Skybox Imaging）公司相繼發(fā)射對地觀測衛(wèi)星，使得美國擁有在軌衛(wèi)星的私營遙感衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)營商達(dá)到三家。這兩家公司均計劃在近期內(nèi)發(fā)射超大規(guī)模的對地觀測微小衛(wèi)星星座，有望改變北美乃至全球商業(yè)對地觀測產(chǎn)業(yè)布局，具有里程碑意義。

Skybox公司的首顆衛(wèi)星“天空衛(wèi)星”-1（SkySat-1）（圖6）發(fā)射于2013年11月21日。衛(wèi)星質(zhì)量91kg，分辨率0.9m，設(shè)計壽命4年，采用550萬像素分辨率的CMOS面陣傳感器，并具有星上圖像校正和實(shí)時壓縮能力，是世界上首顆亞米級分辨率的面陣COMS成像衛(wèi)星。Skybox公司計劃發(fā)射24顆衛(wèi)星組成星座，實(shí)現(xiàn)8小時全球數(shù)據(jù)更新。

>>圖6 SkySat-1衛(wèi)星外形圖

Planet Labs公司在2013年內(nèi)已先后發(fā)射4顆“鴿子”（Dove）技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星，單星質(zhì)量僅6kg左右，分辨率3～5m，見圖7。在此基礎(chǔ)上，該公司計劃于2014年一次性發(fā)射28顆納衛(wèi)星，并由國際空間站在軌部署，組成“羊群”（Flock-1）星座。Flock-1星座將運(yùn)行于高度400km，傾角52°的軌道，可實(shí)現(xiàn)對人類主要活動區(qū)域的近實(shí)時覆蓋。該星座衛(wèi)星將采用對陸地連續(xù)開機(jī)的工作模式，無需對星上相機(jī)下達(dá)特定區(qū)域的成像指令，即可滿足用戶需求。

>>圖7 DOVE-1衛(wèi)星圖像（左）和DOVE-2衛(wèi)星（右）

三、高分辨率對地觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用的發(fā)展

1. 軍用系統(tǒng)深度融合，發(fā)展戰(zhàn)術(shù)快響應(yīng)用

軍事偵察衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)正逐步融入部隊信息化系統(tǒng)，同時功能逐漸從戰(zhàn)略支撐向戰(zhàn)術(shù)支持?jǐn)U展。既可為軍事戰(zhàn)略決策提供依據(jù)，又可為一體化聯(lián)合作戰(zhàn)、實(shí)施遠(yuǎn)程精確打擊等提供關(guān)鍵信息保障。從長遠(yuǎn)來看，高度融合、功能完備的信息化系統(tǒng)將成為為部隊作戰(zhàn)構(gòu)建數(shù)字化戰(zhàn)場的關(guān)鍵基礎(chǔ)，甚至可能改變未來戰(zhàn)爭的形態(tài)。

與此同時，在“快速響應(yīng)”概念的推動下，美軍瞄準(zhǔn)軍事作戰(zhàn)需求，縮短衛(wèi)星指控鏈條，戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用能力大幅提升。通過推廣“虛擬任務(wù)操作中心”（VMOC），美軍的衛(wèi)星指控和管理鏈條大幅縮短。作戰(zhàn)部隊指揮官可直接調(diào)配衛(wèi)星資源、完成任務(wù)規(guī)劃和數(shù)據(jù)分發(fā)，其操作見面見圖8。

>>圖8 ORS-1衛(wèi)星指控體系

2013年4月，美國中央司令部讓前線指揮部隊通過集成在車載終端上的“虛擬任務(wù)操作中心”，直接調(diào)度“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”-1（ORS-1）快響衛(wèi)星，獲取了墜毀在偏遠(yuǎn)地區(qū)的CH-53型“海上種馬”運(yùn)輸直升機(jī)的圖像，其天基數(shù)據(jù)鏈和圖像處理系統(tǒng)均采用航空現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，便于地面應(yīng)用系統(tǒng)的兼容與互操作。美國中央司令部評價：ORS-1衛(wèi)星及其團(tuán)隊在此次事件中“反應(yīng)迅速，超出預(yù)期”。美軍通過此次實(shí)際案例，進(jìn)一步檢驗(yàn)了ORS直接服務(wù)戰(zhàn)區(qū)、面向戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的能力。

2. 產(chǎn)業(yè)保持快速發(fā)展，數(shù)據(jù)應(yīng)用收入將持續(xù)增長

2012年，全球天基對地觀測數(shù)據(jù)及增值服務(wù)收入達(dá)到22億美元，再創(chuàng)歷史新高。其中，三家商業(yè)對地觀測衛(wèi)星運(yùn)營商——數(shù)字全球（DigitalGlobe）公司、地球眼（GeoEye）公司和視寶（SPOT）公司的數(shù)據(jù)銷售收入占全球?qū)Φ赜^測衛(wèi)星數(shù)據(jù)銷售總收入的78%。2013年，數(shù)字全球公司和地球眼公司完成合并。合并后的數(shù)字全球公司將至少占有全球?qū)Φ赜^測衛(wèi)星數(shù)據(jù)市場60%的份額。

從應(yīng)用領(lǐng)域來看，國防情報領(lǐng)域的收入份額最高，占2012年總收入的38%。服務(wù)領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)需求的增長速度最快，而生物資源領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)需求的增長速度最為緩慢，其具體份額見圖9。

>>圖9 2012年各應(yīng)用領(lǐng)域的收入份額比例

北方天空研究所（NSR）預(yù)測：到2022年，全球天基對地觀測數(shù)據(jù)及增值服務(wù)年收入將達(dá)到60億美元。同時，受到更低的數(shù)據(jù)成本、更高的圖像分辨率、新興應(yīng)用以及資源需求增長的推動，商業(yè)市場各個領(lǐng)域的增長率將高于非商業(yè)市場。預(yù)計到2022年，商業(yè)市場收入將占全球天基對地觀測市場總收入的50%。

未來十年，亞洲地區(qū)將成為增長速度最快的區(qū)域市場，而歐洲仍將是增長速度最慢的市場。拉丁美洲、亞洲、中東和非洲地區(qū)的發(fā)展速度將超越北美和歐洲地區(qū)。

3. 數(shù)據(jù)政策引導(dǎo)應(yīng)用有序發(fā)展，分辨率將進(jìn)一步放開

美國、歐洲、俄羅斯、印度等主要航天國家都制定了對地觀測數(shù)據(jù)政策，以引導(dǎo)衛(wèi)星對地觀測產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展。美國的政策和法規(guī)體系最為成熟和完善，從保障國家安全的角度出發(fā)，對商業(yè)數(shù)據(jù)設(shè)立了0.5m/24h的雙重限制。歐洲各國分別制定政策，分辨率限制也為0.5m。俄羅斯于2013年發(fā)布《地球遙感數(shù)據(jù)條例》草案，提出可銷售分辨率優(yōu)于2m的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。印度執(zhí)行2011年版《印度遙感數(shù)據(jù)政策》，分辨率限制從5.8m提高到1m。

由于0.5m分辨率的商業(yè)數(shù)據(jù)已難以滿足當(dāng)前的商業(yè)市場需求，美國和歐洲正在研究將分辨率限制放寬到0.25m。美國數(shù)字全球公司、參議院情報委員會等機(jī)構(gòu)不斷建議政府將商業(yè)衛(wèi)星圖像銷售的分辨率限制從0.5m放寬至0.25m。歐洲泰雷茲（Thales）公司建議法國政府放寬分辨率限制。德國正積極發(fā)展0.25m分辨率的民用雷達(dá)成像衛(wèi)星。

分辨率限制門檻的降低，將進(jìn)一步激發(fā)商業(yè)市場的活力。商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)與航空數(shù)據(jù)的質(zhì)量差距將大幅縮小，有助于提升衛(wèi)星數(shù)據(jù)的市場競爭力，促進(jìn)多源數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用。數(shù)字全球公司預(yù)測：分辨率門檻降低之后，公司收入組成將發(fā)生明顯變化，政府與商業(yè)用戶收入份額將更加均衡。

4. 現(xiàn)代信息技術(shù)催生全新商業(yè)模式

IT企業(yè)Skybox公司致力于建立融合天基、航空等各類圖像數(shù)據(jù)的開放式云服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)持續(xù)更新，提供網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)。用戶無需建設(shè)地面站，只需要一部小型化“天空節(jié)點(diǎn)”（SkyNode）終端和2.4m直徑的衛(wèi)星天線，就可直接下達(dá)成像指令和下載衛(wèi)星數(shù)據(jù)，最快20min即可完成圖像處理。Skybox公司希望通過大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)提供定制服務(wù)，并進(jìn)一步催生全新的商業(yè)模式。因此，Skybox公司被評為年度最具革命性的50家公司之一。

Skybox公司計劃部署的小衛(wèi)星星座將采用地面合成時間延遲積分（TDI）專利技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)超分處理和多圖像拼接。該星座除支持全色0.9m、多光譜2m、幅寬8km的高分辨率圖像以外，還可提供1.1m分辨率、最長90s、每秒30幀的高清視頻，將推動數(shù)據(jù)應(yīng)用從單幅圖像處理向時序數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)變。

利用視頻特征提取技術(shù)，用戶可自行定制多樣化的特色應(yīng)用。例如：通過計算停車場的車輛數(shù)量，得出商場、超市等商業(yè)場所的客流量或經(jīng)營狀況；通過計算道路上行駛的車輛數(shù)量，分析交通擁堵、尾氣排放等信息；跟蹤和識別水面船只，包括船只的類型（大、中、?。㈤L度和重量等信息等，如圖10。

>>圖10 用戶基于開放式云服務(wù)平臺開發(fā)滿足自己需求的應(yīng)用