周擁軍，羌 麗, 李元祥

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院·上?！?00240；2.上海航天信息研究所·上海·201109；3.上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院·上?！?00240)

0 引 言

隨著航天和航空遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，對地觀測衛(wèi)星的空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率等不斷提高。高分辨率對地觀測技術(shù)具有重大的軍事與經(jīng)濟效益。在國防領(lǐng)域，高分辨率遙感衛(wèi)星是各國進(jìn)行全球監(jiān)視、偵察和測繪的基本設(shè)施，被廣泛應(yīng)用于情報搜集、國防監(jiān)視、精確測圖和戰(zhàn)場目標(biāo)導(dǎo)引等多個領(lǐng)域[1]。在民用領(lǐng)域，高分辨率對地觀測系統(tǒng)在國土普查、防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域中具有重要的作用。高分辨率對地觀測系統(tǒng)的建設(shè)具有技術(shù)含量高、投入大、周期長、對相關(guān)行業(yè)的拉動作用大等特點，而高分辨率遙感數(shù)據(jù)已成為國家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性資源，也是全球各國科技競爭的主要領(lǐng)域[2]。

廣義的高分辨率包括了高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率，而狹義的高分辨率主要指高空間分辨率。隨著高分辨率對地觀測技術(shù)的發(fā)展，高分辨率指標(biāo)也在不斷提高。目前，空間分辨率已達(dá)到亞米級，光譜分辨率已達(dá)到納米級，時間分辨率具備了實時或準(zhǔn)實時觀測能力[3]。高分辨率遙感衛(wèi)星具有分辨率高、定位精度準(zhǔn)、技術(shù)難度大等特點，可廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟、社會發(fā)展以及國家安全等諸多領(lǐng)域。

21世紀(jì)以來，伴隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、通信鏈路等技術(shù)的快速發(fā)展，世界大國都規(guī)劃或建設(shè)了新一代的對地觀測系統(tǒng)。同時，我國的高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項將于今年建設(shè)完成。本文通過文獻(xiàn)研究和情報分析的方式，分析了國外高分辨率對地觀測系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為新一代對地觀測系統(tǒng)的規(guī)劃、建設(shè)和科技攻關(guān)提供了信息支撐。

1 國外對地觀測系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 對地觀測系統(tǒng)的組成

對地觀測系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)傳輸、地面站接收、數(shù)據(jù)處理等流程，最終得到面向應(yīng)用的信息產(chǎn)品。高分辨率對地觀測系統(tǒng)通常由遙感平臺、有效載荷、通信鏈路、地面系統(tǒng)四個子系統(tǒng)組成，上述系統(tǒng)緊密耦合、相互作用，對系統(tǒng)效能產(chǎn)生直接影響[1]。圖1為對地觀測系統(tǒng)的組成架構(gòu)示意圖。

圖1 對地觀測系統(tǒng)的組成架構(gòu)示意圖

遙感平臺：包括衛(wèi)星平臺、平流層平臺和航空平臺。其中，平臺高度、承載能力、姿態(tài)穩(wěn)定性、軌道保持能力、微振動抑制能力、機動能力、溫度控制能力等直接影響系統(tǒng)的性能。

有效載荷：載荷是指安裝在平臺上對地面進(jìn)行觀測的感知設(shè)備。目前的對地觀測模式主要以成像觀測為主，所采用的載荷類型主要包括光學(xué)、雷達(dá)、多光譜/高光譜等。載荷的性能直接關(guān)系到對地觀測的分辨率，以及成像質(zhì)量。

通信鏈路：主要指遙感衛(wèi)星接收到的數(shù)據(jù)傳遞到地面接收站或用戶的能力，衡量通信鏈路性能的技術(shù)指標(biāo)包括通信模式、傳輸帶寬、通信協(xié)議、傳輸延遲、誤碼率等技術(shù)指標(biāo)。

地面系統(tǒng)：由數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、地面處理系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)組成。地面系統(tǒng)的效能主要可用響應(yīng)時間、目標(biāo)解譯和識別能力、定位精度、任務(wù)的執(zhí)行能力等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行評價。

1.2 國外的高分辨率對地成像觀測系統(tǒng)

目前，美國、法國、俄羅斯、日本、歐空局等國家和機構(gòu)都建設(shè)和規(guī)劃了高分辨率對地觀測系統(tǒng)。高分辨率對地系統(tǒng)的建設(shè)和規(guī)劃分為兩大類，一類是原有規(guī)劃的實施、更新或升級，主要通過提升平臺和載荷的性能升級和完善原有的系統(tǒng)；另一類是規(guī)劃新一代的對地觀測系統(tǒng)，即利用小衛(wèi)星、人工智能等新技術(shù)，通過建設(shè)智能化的平臺、載荷和地面系統(tǒng)，提升系統(tǒng)的整體效能。

在國外有代表性的高分辨率對地成像觀測系統(tǒng)中，光學(xué)衛(wèi)星系列包括美國的WorldView、SBIRS系列,法國的SPOT系列等；雷達(dá)衛(wèi)星系列包括加拿大的 RadarSat系列、德國的Terra X-SAR 系列等。美國仍然是高分辨率對地觀測領(lǐng)域在軌衛(wèi)星最多、技術(shù)最為領(lǐng)先的國家，在軍用、民用、商用領(lǐng)域均保持著優(yōu)勢[4]。全球空間分辨率最高的商用對地觀測系統(tǒng)為美國Digital Globe公司發(fā)射的WorldView系列衛(wèi)星，該系列衛(wèi)星可提供全球高分辨率光學(xué)影像。自2007年以來，WorldView系列衛(wèi)星已成功發(fā)射了4顆，最新的WorldView-4衛(wèi)星的最高空間分辨率達(dá)到了0.3m。圖2所示為分辨率最高的在軌軍用與商用光學(xué)載荷。

(a)KH-12光學(xué)衛(wèi)星

在軍事偵察系統(tǒng)領(lǐng)域，美國“未來影像構(gòu)圖”(Future Imagery Architecture，F(xiàn)IA)衛(wèi)星旨在為美國國家偵查局設(shè)計新一代的光學(xué)和雷達(dá)成像偵察衛(wèi)星，用以替代現(xiàn)有的軍用衛(wèi)星偵查系統(tǒng)[4]。目前，分辨率最高的軍用對地觀測衛(wèi)星為美國的“鎖眼”衛(wèi)星。其中，KH-12衛(wèi)星的空間分辨率達(dá)到了0.1m，新一代的鎖眼衛(wèi)星有望達(dá)到0.05m。取代“長曲棍球”衛(wèi)星(如圖3所示)的FIA雷達(dá)衛(wèi)星，采用了逆行軌道，軌道高度達(dá)到了1000km。同時，F(xiàn)IA雷達(dá)衛(wèi)星提高了雷達(dá)功率，其對地觀測性能得到了大幅度的提升，最新的FIA雷達(dá)衛(wèi)星的空間分辨率已達(dá)到了0.15m。法國的Helios系列衛(wèi)星系統(tǒng)除具備可見光譜段的高分辨率觀測能力外，還具備紅外夜視能力。Helios-2B衛(wèi)星的光學(xué)影像分辨率達(dá)到了0.25m。德國軍用雷達(dá)成像衛(wèi)星SAR-Lupe(合成孔徑雷達(dá)-放大鏡)作為德國軍方的戰(zhàn)略偵察資源TerraSAR-X(X頻段陸地雷達(dá)衛(wèi)星)的新一代替代衛(wèi)星，空間分辨率優(yōu)于1.0m。

圖3 “長曲棍球”雷達(dá)成像衛(wèi)星

“黑杰克”(Blackjack)是美國國防部高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agen-cy，DARPA)于 2018 年啟動的低軌星座項目，如圖4所示。該計劃旨在探索具有較低尺寸、質(zhì)量、功耗及成本的軍事通信與監(jiān)視衛(wèi)星，在提高衛(wèi)星對地觀測分辨率和通信能力的同時，降低衛(wèi)星的研制和發(fā)射成本、縮短建設(shè)周期，提升衛(wèi)星的全球監(jiān)視能力[5]。根據(jù)該計劃，DARPA通過與商用公司合作，在500km～1300km的軌道高度范圍內(nèi)建設(shè)約60～200 顆規(guī)模的微衛(wèi)星星座，實現(xiàn)全球連續(xù)覆蓋。系統(tǒng)采用了智能化的自主控制思路，具備在無地面控制指令的情況下自主運行30天的能力。DARPA計劃將系統(tǒng)分為商業(yè)衛(wèi)星平臺、有效載荷、星座級自主能力、節(jié)點集成及發(fā)射和運行維護五大部分。根據(jù)最新報道，DARPA已完成衛(wèi)星平臺、有效載荷和星上自主處理單元 (Pit Boss)的技術(shù)論證及合作單位招標(biāo)工作，預(yù)計于2022年完成20顆衛(wèi)星的布設(shè)和測試工作。

圖4 “黑杰克”星座概念圖

“星鏈”(Starlink)計劃是美國太空探索技術(shù)公司(Space X)于2015年年初提出的、由約上萬顆相互鏈接的小衛(wèi)星和若干地面基站組成的覆蓋全球的太空通信系統(tǒng)，旨在為全球用戶提供廉價、快速的寬帶互聯(lián)，以及高分辨率對地觀測服務(wù)[6]。圖5所示為“星鏈”星座概念圖?！靶擎湣?Starlink)計劃計劃在2019年至2024年間，在太空搭建由1.2萬顆衛(wèi)星(后來增加至4.2萬顆)組成的“星鏈”網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星在地球上空300km～550km處的近地軌道，從2020年開始工作。

圖5 “星鏈”星座概念圖

在高光譜全球?qū)Φ赜^測方面，世界地球觀測組織“未來十年(2016～2025)戰(zhàn)略規(guī)劃”[7](該計劃包括了戰(zhàn)略框架和實施計劃兩部分)，明確了對地觀測系統(tǒng)重點聚焦于可持續(xù)發(fā)展、氣候變化和防災(zāi)減災(zāi)等三大優(yōu)先發(fā)展事項。各成員國共建了全球綜合地球觀測系統(tǒng)(Global Earth Observation System of Systems，GEOSS)，該組織為生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)管理、防災(zāi)減災(zāi)、能源和礦產(chǎn)資源管理、糧食安全、基礎(chǔ)設(shè)施和交通系統(tǒng)管理、公共衛(wèi)生監(jiān)測、城鎮(zhèn)可持續(xù)發(fā)展、水資源管理等八個社會受益領(lǐng)域提供實時信息服務(wù)，為決策提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)、信息及知識。

2 高分辨率對地觀測衛(wèi)星平臺的發(fā)展趨勢

衛(wèi)星平臺作為高分辨率對地觀測最重要的平臺，近年來取得了快速發(fā)展，許多國家和商業(yè)公司制定了龐大的遙感衛(wèi)星發(fā)射計劃。傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感平臺以近地軌道為主，大多采用了面向行業(yè)應(yīng)用的獨立觀測平臺和載荷的工作模式。未來的遙感平臺呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢：

(1)高軌道衛(wèi)星平臺

目前，對地觀測衛(wèi)星軌道的高度大多為300km～800km，提高衛(wèi)星的軌道高度，可提高影像的幅寬和時間分辨率。但受成像載荷技術(shù)和衛(wèi)星姿態(tài)控制能力的限制，高軌衛(wèi)星難以獲得高空間分辨率的探測圖像。隨著成像技術(shù)的發(fā)展，利用高軌衛(wèi)星也可以實現(xiàn)高分辨率對地成像觀測。許多國家已經(jīng)規(guī)劃和建設(shè)了軌道高度大于1000km的對地成像觀測衛(wèi)星，特別是對靜止軌道優(yōu)于5m分辨率的對地觀測系統(tǒng)進(jìn)行了前期研究和論證[8]。

美國和俄羅斯已經(jīng)有了高度在1500km以上的衛(wèi)星遙感平臺。美國的IKONOS-2衛(wèi)星在1850km軌道高度上能夠獲取分辨率為lm的圖像。法國也在論證軌道高度為3000km左右的衛(wèi)星遙感器系統(tǒng)。美國麻省理工學(xué)院空間系統(tǒng)實驗室開展了基于Golay-3 布局的自適應(yīng)偵察光學(xué)衛(wèi)星(Adaptive Reconnaissance Golay-3 Optical Satellite, ARGOS)項目的研究。波音公司開展了基于 Golay-6 布局的靜止軌道對地光學(xué)遙感器項目的研究。歐洲阿斯特留姆公司開展了面向地球靜止軌道(Geosta-tionary Orbit, GEO)高分衛(wèi)星Geo-Oculus、HRGeo系統(tǒng)的研究和試驗。美國天基紅外系統(tǒng)(Space-Based Infrared System, SBIRS)衛(wèi)星規(guī)劃了由4顆地球同步軌道衛(wèi)星和2個大橢圓軌道探測載荷組成的下一代導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星。

(2)衛(wèi)星的輕型化和小型化

傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星的質(zhì)量通常大于1000kg，體積大，研制周期長，發(fā)射成本高。為確保分辨率和成像質(zhì)量，空間分辨率優(yōu)于1m的光學(xué)遙感衛(wèi)星大多體積較大。例如，WorldView-4衛(wèi)星的高度為3.6m、寬度為2.5m，太陽能電池帆板展開后的長度為7.1m、質(zhì)量為2500kg。近年來，隨著微電子、微機械和新材料等技術(shù)的不斷發(fā)展，小衛(wèi)星進(jìn)入了實用化、業(yè)務(wù)化、規(guī)?；陌l(fā)展階段。微小衛(wèi)星成本低、研制周期短、可及時發(fā)射，并且可由多顆航天器組成星座或進(jìn)行編隊，可完成對重點目標(biāo)的及時準(zhǔn)確跟蹤監(jiān)測[9]。

2018年，全球共發(fā)射了461個航天器，質(zhì)量在500kg 以下的小衛(wèi)星為321顆，占年度發(fā)射衛(wèi)星總數(shù)的69.6%。其中，123顆衛(wèi)星為對地觀測衛(wèi)星[10]。例如，DOVE衛(wèi)星的體積為10cm×10cm×30cm，質(zhì)量約為5kg?？梢灶A(yù)見，基于小衛(wèi)星平臺的對地觀測系統(tǒng)將成為未來對地觀測系統(tǒng)的重要組成部分。美國可能用于空間目標(biāo)監(jiān)視的微小衛(wèi)星項目包括了“近場自主評估防御鈉星計劃”、“空間試驗衛(wèi)星計劃”和“小型軌道碎片探測、捕獲與跟蹤”計劃等。正在建設(shè)的新一代對地觀測計劃，如DAPAR的“黑杰克計劃”、Space X的“星鏈計劃”，均以微小衛(wèi)星平臺為主。

(3)衛(wèi)星與載荷的一體化

在傳統(tǒng)的對地觀測模式中，平臺與載荷相對獨立，僅在構(gòu)型上基于接口而開展設(shè)計。在發(fā)射段抵抗惡劣的力學(xué)環(huán)境，以及在軌時抗振顫和輻照時，衛(wèi)星的機動和載荷成像性能等各方面的耦合程度不足，這些因素影響了系統(tǒng)的性能和壽命，更使系統(tǒng)難以滿足用戶對高性能的需求。廣義的平臺載荷一體化設(shè)計是為提升系統(tǒng)的分辨率、成像質(zhì)量、定位精度等整體性能在技術(shù)體制和工作模式上的一體化。狹義上的平臺載荷一體化設(shè)計是指平臺與載荷在光、機、電、熱等方面的多層次和多維度的綜合設(shè)計，包括衛(wèi)星與載荷的結(jié)構(gòu)功能一體化、一體化構(gòu)型布局、一體化振動抑制、一體化熱設(shè)計、一體化時空基準(zhǔn)、一體化光機電熱集成等[11]。隨著整星和載荷規(guī)模的增大，通過更加精細(xì)化、集約化的平臺與載荷一體化設(shè)計和研制，可從光機結(jié)構(gòu)超穩(wěn)定、主被動減振、高精度定位、在軌圖像校正等方面，全面提升系統(tǒng)的性能。

傳統(tǒng)的平臺和載荷的一體化有以WorldView 系列衛(wèi)星為代表的基于接口的一體化設(shè)計，以GeoEye 系列衛(wèi)星為代表的基于模型協(xié)同一體化的設(shè)計，以哈勃空間望遠(yuǎn)鏡(Hubble Space Telescope, HST)和詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡(James Webb Space Telescope, JWST)為代表的功能性能一體化設(shè)計等三種模式。針對微衛(wèi)星和輕小型載荷，衛(wèi)星和載荷的一體化、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計，可降低系統(tǒng)的總質(zhì)量，并提升系統(tǒng)的應(yīng)用效能。DAPAR的“黑杰克”演示項目計劃將多個衛(wèi)星層和有效載荷的一體化整合為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集和分發(fā)體系，以實現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用效能的提升。針對地球靜止軌道衛(wèi)星平臺和載荷，通過載荷和平臺一體化設(shè)計，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、成像質(zhì)量和定位精度，并延長系統(tǒng)的壽命。

(4)高敏捷衛(wèi)星

高敏捷性可使衛(wèi)星的觀測范圍增大、重訪時間縮短，并且可實現(xiàn)單軌立體成像或干涉成像。將高敏捷性結(jié)合高速成像器件，還可大幅度提高衛(wèi)星的圖像采集量。天基對地偵察、防災(zāi)減災(zāi)等需求，對衛(wèi)星的敏捷性提出了更高的要求。國外新一代對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)在衛(wèi)星設(shè)計方面，要求衛(wèi)星具備大角度快速姿態(tài)機動能力，以實現(xiàn)敏捷觀測。衛(wèi)星敏捷機動能力通常用機動范圍、機動角度、機動時間和姿態(tài)穩(wěn)定度等指標(biāo)進(jìn)行描述。高敏捷衛(wèi)星姿態(tài)機動方向的任意性和機動的高速性，對衛(wèi)星的姿態(tài)測量和控制部件均提出了很高的要求。因此，衛(wèi)星不僅需要大的力矩執(zhí)行機構(gòu)、大的角動量吸收和控制能力，相應(yīng)的姿態(tài)測量部件還應(yīng)具有更高的精度、更高的動態(tài)范圍，以及更高的更新頻率。

國外先進(jìn)的高分辨率遙感衛(wèi)星，如World-View 系列衛(wèi)星，均采用了敏捷成像體制。敏捷成像體制不僅可以實現(xiàn)大角度側(cè)擺/俯仰成像，提高時間分辨率，還可以實現(xiàn)多條帶拼接成像、多點目標(biāo)成像、立體測繪等多種成像模式，提高了成像的靈活性和觀測效能。國外的偵察衛(wèi)星和防災(zāi)減災(zāi)衛(wèi)星，大多采用了敏捷型高分辨率偵測一體式衛(wèi)星。

(5)軟件定義衛(wèi)星

軟件定義衛(wèi)星技術(shù)是新一代開放架構(gòu)的衛(wèi)星系統(tǒng)，支持用戶需求可定義、有效載荷動態(tài)重組、應(yīng)用軟件動態(tài)重配、衛(wèi)星功能動態(tài)重構(gòu)，利用軟件定義技術(shù)提升了衛(wèi)星的性能。該技術(shù)以計算為中心，以軟件為手段，通過軟件定義無線電、軟件定義載荷、軟件定義數(shù)據(jù)處理機、軟件定義網(wǎng)絡(luò)等手段，將由分系統(tǒng)實現(xiàn)的通信、載荷等功能以軟件方式進(jìn)行了實現(xiàn)。將軟件與衛(wèi)星技術(shù)相結(jié)合，可有效提高衛(wèi)星產(chǎn)品的軟件密集度，逐步增強衛(wèi)星的功能和性能。通過通用產(chǎn)品的提前研制，可極大地縮短研發(fā)周期，降低研制成本，是發(fā)展智能衛(wèi)星的前提和基礎(chǔ)[12]。軟件定義衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)包括了天基超算平臺、星載操作環(huán)境、軟件化有效載荷、應(yīng)用軟件等多個方面，涉及多個學(xué)科和多個專業(yè)。

軟件定義衛(wèi)星的研究目前處于起步階段，如洛馬公司正在研制“智能衛(wèi)星”軟件定義衛(wèi)星，通過軟件的在軌更新改變或增加衛(wèi)星的功能，不僅帶寬可調(diào)、波束可變，還可自主監(jiān)測和防御網(wǎng)絡(luò)威脅。目前，“智能衛(wèi)星”已發(fā)射了兩顆測試衛(wèi)星。

(6)衛(wèi)星的集群化

隨著衛(wèi)星星座和編隊飛行等技術(shù)的發(fā)展，集群化的衛(wèi)星星座已成為了目前衛(wèi)星行業(yè)的研究重點和發(fā)展趨勢。特別是依靠微小衛(wèi)星構(gòu)建的星群將成為地球觀測和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的主要手段。小衛(wèi)星星群以其成本低、周期短、機動性高、組網(wǎng)強、技術(shù)新等優(yōu)勢，最大程度地提升了全球系統(tǒng)組網(wǎng)運營能力。衛(wèi)星星群已不再以單一功能為主，而是側(cè)重于“傳感器+數(shù)據(jù)傳輸+導(dǎo)航控制”綜合功能網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)自適應(yīng)、自組織、智能化的星間“通信—導(dǎo)航—遙感”一體化網(wǎng)絡(luò)，并可以動態(tài)調(diào)整衛(wèi)星數(shù)量和編隊構(gòu)型。星群常用的配置形式包括星座、星群和編隊飛行等。通過組網(wǎng)協(xié)同工作，或由多顆衛(wèi)星共同完成同一任務(wù)，或攜帶不同載荷從而擴展星群的業(yè)務(wù)能力，提升了系統(tǒng)的應(yīng)用能力。

“SkySat計劃”是谷歌子公司Terra Bella發(fā)射的一系列小型衛(wèi)星，用于為谷歌地圖采集高分辨率的全球影像。自2013年成功發(fā)射分辨率為0.9m的 SkySat-1衛(wèi)星(圖6)以來，“SkySat計劃”已成功發(fā)射了該系列的10余顆衛(wèi)星。美國衛(wèi)星成像初創(chuàng)公司Planet Labs研制的遙感衛(wèi)星群是全球最大規(guī)模的地球影像衛(wèi)星星座群。自2014年由28顆鴿子衛(wèi)星組成的Flock-1衛(wèi)星(圖7)星座發(fā)射以來，合計發(fā)射升空的衛(wèi)星已超過了100顆，可以實現(xiàn)全球范圍內(nèi)每天一次的重復(fù)觀測頻率。DAPAR的“黑杰克計劃”通過建設(shè)60～200顆規(guī)模的微衛(wèi)星群，實現(xiàn)了全球連續(xù)覆蓋。

圖6 SKYSAT-1視頻衛(wèi)星及星座

圖7 FLOCK-1衛(wèi)星

3 有效載荷發(fā)展趨勢

高分辨率對地成像觀測系統(tǒng)的有效載荷是指主動發(fā)射或被動接收各種譜段的電磁波信號，并將接收的信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字圖像，以提供給用戶。對地成像觀測的波譜范圍包括可見光(380nm～780nm)、紅外(780nm～0.1mm)和微波(0.1mm～1m)范圍。其中，太赫茲(頻率為0.1THz～10THz，波長為0.03mm～3mm)范圍可視為獨立于微波的獨立頻帶[3]。常用的載荷包括光學(xué)、雷達(dá)、多/高光譜等常見的類型?？傮w上而言，有效載荷的發(fā)展趨勢如下：

(1)向更高分辨率的方向發(fā)展

為了獲取對地面目標(biāo)的精細(xì)化成像能力，以適應(yīng)軍事偵察、對地觀測等需要，載荷向高空間分辨率、高時間分辨率和高光譜分辨率的方向發(fā)展。研究重點在于提高對地觀測的空間分辨率、定位精度、成像質(zhì)量，針對不同的需求提供高質(zhì)量的產(chǎn)品。

目前，在軌的民用光學(xué)載荷WorldView-4的最高分辨率已達(dá)到了0.3m，軍用光學(xué)衛(wèi)星“鎖眼”衛(wèi)星KH-12的最高空間分辨率為0.1m，雷達(dá)載荷“長曲棍球”Lacrosse-5的空間分辨率為0.3m，衛(wèi)星在空間分辨率上已能滿足大多數(shù)的應(yīng)用需求。未來研究的方向是：面向地球靜止軌道實現(xiàn)亞米級的空間分辨率，對測繪衛(wèi)星提高定位精度，對低軌高分辨率載荷提高時間分辨率和覆蓋寬度，在提高光譜分辨率的同時兼顧空間和時間分辨率。

(2)載荷的輕量化、小型化、智能化

傳統(tǒng)的衛(wèi)星載荷體積大、周期長、發(fā)射成本高。近年來，新材料、微納米、微電子機械、高密度能源及空間微推進(jìn)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得低成本的微納衛(wèi)星已成為了一種新型的遙感平臺。微納衛(wèi)星同時推動載荷向集成化、小型化、模塊化和多功能化方向發(fā)展，以減小質(zhì)量、降低成本、節(jié)省燃料、延長整星壽命。同時，隨著人工智能技術(shù)和在軌處理技術(shù)的發(fā)展，利用智能化技術(shù)提升載荷的應(yīng)用效能是載荷發(fā)展的趨勢。

新研制的載荷大多采用微封裝和微組裝技術(shù)，通過封裝存儲、計算單元、電路等設(shè)備，降低芯片、模塊的體積和功耗，提高系統(tǒng)的質(zhì)量、集成度和可靠性。新規(guī)劃的微納衛(wèi)星和衛(wèi)星集群，大多采用了載荷的輕量化、小型化、智能化技術(shù)。

(3)載荷的一體化和集成化

傳統(tǒng)的遙感載荷采用了單星單載荷或單星多載荷獨立工作的模式，降低了對地觀測系統(tǒng)的效能，同時也增加了系統(tǒng)的研制成本。在同一衛(wèi)星平臺下，光學(xué)、雷達(dá)、多光譜載荷的集成化和一體化，對于提高系統(tǒng)效能而言有著重要的作用。面向特定任務(wù)，研究多載荷一體化、集成化，是載荷發(fā)展的趨勢。

美國的SBIRS衛(wèi)星都裝有一臺高速寬視場掃描型短波紅外捕獲探測器(在熱助推段觀測明亮的導(dǎo)彈尾焰)和一臺窄視場凝視多譜段(中波、中長波和長波紅外及可見光)跟蹤探測器，通過不同載荷的高度集成化提升對地觀測性能。

(4)載荷的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化

以應(yīng)用需求為導(dǎo)向，研究遙感衛(wèi)星載荷空間分辨率標(biāo)準(zhǔn)化的可行性，在載荷通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的發(fā)展趨勢下，以滿足國家安全、國民經(jīng)濟發(fā)展、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和國際合作的需求，完善國家對地觀測系統(tǒng)，提升多維和全方位的空間信息獲取能力，加快航天遙感從應(yīng)用試驗型向業(yè)務(wù)服務(wù)型的轉(zhuǎn)變，并通過載荷系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的設(shè)計，實現(xiàn)載荷的高效靈活和快速的技術(shù)更新。

“黑杰克計劃”、“DOVE計劃”等以小衛(wèi)星平臺為主的系統(tǒng)，采用了商用現(xiàn)貨零部件研制模式。通過載荷的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，提高了載荷的研制速度和使用效率，并同時降低了研制成本。

除了上述共性的研究和發(fā)展趨勢，對于不同類型的高分辨率對地成像觀測載荷，重點的研究領(lǐng)域還包括：

光學(xué)載荷仍然是對地成像觀測最主要的載荷，目前研究的重點仍然是提高載荷的空間分辨率、成像的質(zhì)量和定位的精度，以及光學(xué)與紅外、多光譜等載荷的一體化。而提高空間分辨率和成像質(zhì)量，則需要增加成像透鏡的成像焦距和孔徑。研究的前沿技術(shù)還包括了空間分塊可展開技術(shù)、薄膜衍射成像技術(shù)、光學(xué)合成孔徑成像技術(shù)、大口徑單體反射鏡技術(shù)、在軌裝配成像技術(shù)等[13]。

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，SAR)載荷具備全天候、全天時的成像能力，以及良好的穿透能力，是實現(xiàn)軍事偵察、自然資源普查、自然災(zāi)害監(jiān)測等應(yīng)用的重要技術(shù)手段。目前研究的前沿技術(shù)包括：多頻、多極化、多角度SAR、干涉SAR、高分辨率寬測繪帶SAR、激光SAR、層析SAR等[14]。

多/高光譜載荷的研究趨勢主要表現(xiàn)為探測波段不斷拓展，幅寬不斷擴大，分辨率不斷提高，面向任務(wù)研發(fā)同時具有空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率和成像幅寬的新型高光譜載荷[15]。研究新型能濾光、分光器件，以及新型的對地觀測模式[16]。

太赫茲頻譜區(qū)域聚集了豐富的頻譜特征。作為一種新型的對地觀測載荷，其理論機理研究日益完善，在氣象遙感、深空探測、天文探測和頻譜分析等方面有著廣泛的應(yīng)用前景，引起了國內(nèi)外研究機構(gòu)越來越多的關(guān)注。

4 結(jié) 論

隨著微納衛(wèi)星、高性能載荷、人工智能等關(guān)鍵技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，對地觀測系統(tǒng)的建設(shè)和研發(fā)進(jìn)入了新階段。在對地觀測系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè)方面，已規(guī)劃的觀測系統(tǒng)仍需持續(xù)更新和優(yōu)化。以智能小衛(wèi)星集群為特點的新一代對地觀測系統(tǒng)，已成為許多國家和企業(yè)的規(guī)劃和建設(shè)重點。在衛(wèi)星平臺方面，相關(guān)研究主要集中于微納衛(wèi)星、軟件定義衛(wèi)星、小衛(wèi)星群組等。在有效載荷方面，提高載荷的時間分辨率、空間分辨率、光譜分辨率仍是研究重點。同時，載荷的一體化、智能化、輕小型化，已成為了新的研究熱點。隨著高分對地觀測系統(tǒng)建設(shè)的完成，我國對地觀測系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè)已進(jìn)入了新的階段，把握高分辨率對地觀測系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，借鑒國外對地觀測領(lǐng)域的最新成果，科學(xué)規(guī)劃未來的科技攻關(guān)和系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)，對于提高我國在對地觀測領(lǐng)域的技術(shù)水平和競爭力而言，有著重要的價值。