國外商業(yè)遙感的新進展

· 文|北京空間科技信息研究所 劉韜

國外商業(yè)遙感的新進展

· 文|北京空間科技信息研究所 劉韜

從商業(yè)遙感政策、商業(yè)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)和運行方式、商業(yè)遙感衛(wèi)星制造企業(yè)競爭力和商業(yè)遙感衛(wèi)星應(yīng)用四個方面介紹2013-2014年國外商業(yè)遙感的新進展。

一、美國商業(yè)遙感新政策加速商業(yè)遙感衛(wèi)星的升級

隨著美國商業(yè)遙感衛(wèi)星運營商面臨歐洲商業(yè)遙感衛(wèi)星運營商和航空遙感公司的壓力與日俱增，美國政府禁止商業(yè)遙感衛(wèi)星運營商向美國政府以外的用戶銷售優(yōu)于0.5m分辨率的衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)政策已經(jīng)越來越為美國國內(nèi)衛(wèi)星運營商和用戶所詬病。

2013年，美國商業(yè)遙感衛(wèi)星運營商數(shù)字地球（DigitalGlobe）公司正式向美國政府申請銷售0.25m分辨率的衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)。2013年11月，美國參議院情報委員會在其公布的一份報告中，鼓勵美國國家地理空間情報局（NGA）和國家情報總監(jiān)辦公室認真考慮美國商業(yè)遙感運營商提出的收集并銷售0.25m分辨率光學(xué)衛(wèi)星圖像的要求。2014年4月，美國情報總監(jiān)、NGA局長和國家偵查局（NRO）局長相繼公開支持DigitalGlobe公司的訴求。2014年6月，在征得美國國防部和國務(wù)院的同意之后，負責(zé)頒發(fā)商業(yè)遙感衛(wèi)星運營許可的美國商務(wù)部正式批準了DigitalGlobe公司的申請。新政策允許DigitalGlobe向其用戶銷售全色分辨率高達0.25m、多光譜分辨率1m的衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)。

隨著新政策的實施，DigitalGlobe公司于2014年8月發(fā)射了最新型“世界觀測”-3（WorldView-3）衛(wèi)星，在發(fā)射6個月以后，DigitalGlobe公司可公開銷售0.31m的全色圖像。未來，DigitalGlobe公司將加速“地球眼”-2（GeoEye-2）衛(wèi)星（已改名為WorldView-4）的部署，預(yù)計于2016年發(fā)射，屆時可向用戶分發(fā)分辨率高達0.25m的全色圖像數(shù)據(jù)。

二、 商業(yè)遙感衛(wèi)星多星組網(wǎng)

提高時間分辨率成為新趨勢

1.歐洲商業(yè)光學(xué)遙感衛(wèi)星組網(wǎng)運行

目前，歐洲空中客車防務(wù)與空間公司在軌的4顆商用光學(xué)成像衛(wèi)星已組網(wǎng)運行（圖1），這4顆衛(wèi)星是斯波特-6（SPOT-6）衛(wèi)星、SPOT-7、昴宿星-1A（Pleiades-1A）和Pleiades-1B。4星衛(wèi)星星座位于同一軌道平面，彼此相隔90°。該星座具備每日2次的重訪能力，由SPOT衛(wèi)星提供大幅寬普查圖像，Pleiades針對特定目標(biāo)區(qū)域提供0.5m的詳查圖像。

圖1 空中客車防務(wù)與空間公司的4顆光學(xué)對地觀測衛(wèi)星組網(wǎng)

4星星座中的2顆斯波特衛(wèi)星每天的圖像獲取能力就達到600萬平方千米，是法國國土面積的10倍。SPOT-6/7星座能力因此大幅超過SPOT-5的能力，圖像分辨率更高、響應(yīng)速度更快、指向精度和敏捷性更優(yōu)，可快速瞄準地球上星下點1500km半徑內(nèi)的任意一點。

2.美國構(gòu)建24顆Skysat星座，開啟商業(yè)視頻對地觀測時代

美國新型商業(yè)遙感“天空盒子”成像公司（Skybox）計劃構(gòu)建的“天空衛(wèi)星”（Skysat）星座由24顆小衛(wèi)星構(gòu)成，目前已完成前兩顆業(yè)務(wù)星部署。Skysat具有0.9m分辨率成像和每秒30幀1.1m分辨率1080P高清視頻拍攝能力，既是傳統(tǒng)意義上的高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星，又是新型的視頻對地觀測衛(wèi)星。Skysat衛(wèi)星采用了先進的面陣探測器技術(shù)和相應(yīng)的圖像處理技術(shù)，使之摘得世界100kg級光學(xué)成像衛(wèi)星最高分辨率桂冠。（Skysat衛(wèi)星具體性能和技術(shù)請參閱2014年第3期《衛(wèi)星應(yīng)用》）。

除研究先進的高分辨率成像技術(shù)外，作為創(chuàng)新型的商業(yè)遙感公司，Skybox公司非常注重暢通全球數(shù)據(jù)分發(fā)渠道，擴展全球影響力。

一方面，Skybox公司繼續(xù)拓展與對地觀測數(shù)據(jù)分銷商的合作范圍。繼2013年5月與日本空間成像（JSI）公司達成數(shù)據(jù)分發(fā)合作協(xié)議后，Skybox公司又在2014年分別與澳大利亞地理圖像（Geoimage）公司、阿聯(lián)酋空間成像（ESI）公司和英國麥肯錫情報服務(wù)（MSI）公司達成數(shù)據(jù)銷售和分發(fā)合作協(xié)議。Geoimage公司負責(zé)澳大利亞、印尼、馬來西亞和菲律賓等國家的業(yè)務(wù)。ESI公司購買了2個SkyNode地面站，分別放置在位于迪拜的空間成像中東（SIME）分公司和位于慕尼黑的歐洲空間成像（EUSI）分公司。其中，SIME分公司負責(zé)中東、東非和中亞地區(qū)的業(yè)務(wù)；EUSI分公司負責(zé)歐洲和北非地區(qū)的業(yè)務(wù)。MSI公司負責(zé)Skybox公司在英國和非洲的數(shù)據(jù)分發(fā)業(yè)務(wù)。

另一方面，Skybox公司注重提高自身數(shù)據(jù)直銷能力，不斷發(fā)展高分辨率對地觀測數(shù)據(jù)在線讀取和交互式訪問技術(shù)，為用戶提供便捷易用的在線服務(wù)。2014年3月，Skybox公司與美國地圖盒子（Mapbox）公司展開合作，將后者開發(fā)的MBTiles標(biāo)準集成到Skybox公司“巴士男孩”（BusBoy）大數(shù)據(jù)平臺上。用戶訂閱的圖像將轉(zhuǎn)換為MBTiles格式，快速、流暢的發(fā)送至指定Mapbox賬戶。用戶可以通過移動設(shè)備登錄賬戶，對圖像添加注釋或標(biāo)簽，制作個性化地圖。2014年6月10日，Skybox公司與全球互聯(lián)網(wǎng)搜索巨擘谷歌公司達成協(xié)議，后者以5億美元現(xiàn)金收購Skybox公司。此次交易不僅使谷歌公司獲得了自主的天基高分辨率圖像和視頻數(shù)據(jù)采集能力，完善其谷歌地圖和谷歌地球服務(wù)，更使Skybox公司大數(shù)據(jù)存儲、處理和分布式計算能力大幅提升，推動其在對地觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合浪潮中占得先機。

3.行星實驗室“鴿群”（Flock）星座連續(xù)觀測關(guān)注全球變化

行星實驗室（Planet Labs）公司構(gòu)建的“鴿群”-1（Flock-1）星座是目前世界上最大的對地觀測衛(wèi)星星座，由3U立方體衛(wèi)星組成，具有3～5m中分辨率成像能力。Planet Labs公司是美國借助風(fēng)險投資發(fā)展的新興對地觀測公司，目前已完成兩輪合計6510萬美元的融資。Planet Labs公司已研制3類Flock-1星座，即Flock-1、Flock-1b和Flock-1c。截至2014年7月底，Planet Labs公司共完成3次Flock星座發(fā)射任務(wù)，合計發(fā)射67顆衛(wèi)星進入低地球軌道，其中25顆已再入大氣層并燃盡。Flock-1星座規(guī)模足夠大，地面覆蓋范圍足夠廣，已超過實現(xiàn)全球覆蓋所需的衛(wèi)星數(shù)量。衛(wèi)星采用“永遠在線”（Always On）工作模式，無需對星上相機下達特定區(qū)域的成像指令即可成像。這種“永遠在線”工作模式可持續(xù)獲取圖像數(shù)據(jù)，進而能夠?qū)θ蜃兓M行檢測。

三、新興商業(yè)遙感衛(wèi)星制造商逐步進入軍用遙感衛(wèi)星制造領(lǐng)域

美國軍方選擇新興商業(yè)遙感衛(wèi)星制造商參與軍用遙感衛(wèi)星研制，傳統(tǒng)大型衛(wèi)星制造商面臨嚴酷競爭。在成像偵察領(lǐng)域，美國DigitalGlobe公司已經(jīng)得到美國政府的大力支持，成為軍用成像偵察衛(wèi)星的強有力競爭者，但其分辨率0.41m的地球眼（GeoEye-1）衛(wèi)星和分辨率0.31m的WorldView-3衛(wèi)星性能尚不能代替洛馬公司研制的現(xiàn)役“鎖眼”-12（KH-12）軍用光學(xué)成像偵察衛(wèi)星，因其分辨率高達0.1m，且具備很強的紅外成像能力。而在另一個軍用遙感領(lǐng)域，即氣象觀測領(lǐng)域，新興商業(yè)遙感衛(wèi)星制造商已與傳統(tǒng)航天企業(yè)展開激烈的競爭，有望替代傳統(tǒng)大型企業(yè)，占領(lǐng)低軌軍用氣象衛(wèi)星制造領(lǐng)域。

目前，美國軍用航天體系已開始向“彈性和分散的空間體系”轉(zhuǎn)型，軍用氣象衛(wèi)星作為體系轉(zhuǎn)型技術(shù)驗證的重要試點。美國現(xiàn)役“國防氣象衛(wèi)星計劃”衛(wèi)星（Defense Meteorological Satellite Program，DMSP）已經(jīng)歷半個世紀的發(fā)展，這些衛(wèi)星全部是占壟斷地位的美國大型企業(yè)洛馬公司研制的。DMSP衛(wèi)星從1962年開始發(fā)射，到2014年10月，共發(fā)展了5個系列，12個型號，發(fā)射衛(wèi)星52顆，成功47顆。這類傳統(tǒng)大型衛(wèi)星功能高度集成，卻造成單顆衛(wèi)星成本很高，研制周期較長，部署數(shù)量有限，因此美國不得不采用“諾阿”（NOAA）民用氣象衛(wèi)星和歐洲等盟國的氣象衛(wèi)星補充觀測能力。此外，當(dāng)衛(wèi)星發(fā)射時，傳統(tǒng)衛(wèi)星性能甚至不如研制周期較短的小型商業(yè)遙感衛(wèi)星，也就是說傳統(tǒng)大型衛(wèi)星的研制模式不利于技術(shù)的更新。為了克服上述問題，美軍開始研制采用分散式的小型軍用氣象衛(wèi)星。“分散”被美國空軍航天司令部定義為“將天基任務(wù)、功能或傳感器分散到一個或多個軌道平面、平臺、載具或多域的多個系統(tǒng)之中”?！胺稚ⅰ笨梢岳斫鉃閷鹘y(tǒng)大型衛(wèi)星系統(tǒng)的功能分解到組網(wǎng)的多顆小衛(wèi)星中，在確保系統(tǒng)功能和性能的前提下實現(xiàn)去中心化、分散風(fēng)險，使?jié)撛趯κ譄o法通過攻擊節(jié)點衛(wèi)星而使整個體系癱瘓；同時利用小衛(wèi)星的快速研制、發(fā)射和補網(wǎng)能力，提高整個空間體系在戰(zhàn)爭中的抗毀能力。在軍用氣象衛(wèi)星領(lǐng)域，美國空軍于2013年與“千年空間系統(tǒng)”公司（Millennium Space system）簽訂固定價值合同，開展“分散式氣象衛(wèi)星探路者”項目（disaggregation weather satellite pathfinder，DWSP），目的是深入研究軍事氣象衛(wèi)星系統(tǒng)通過分散的方式如何使成本降低，使抗毀能力提升。2014年4月28日，DWSP衛(wèi)星初期設(shè)計方案通過評審，DWSP衛(wèi)星將采用“千年空間系統(tǒng)”公司的AQUILA M2平臺，該公司在未來24個月將開始研制并裝配DWSP衛(wèi)星，彌補現(xiàn)役DMSP衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的不足，同時為分散的氣象衛(wèi)星體系提供早期在軌運行試驗。DWSP衛(wèi)星將攜帶NASA噴氣推進實驗室（JPL）研制的緊湊型海風(fēng)矢量輻射計（COWVR）等有效載荷。DWSP衛(wèi)星與重達1.1t的現(xiàn)役DMSP衛(wèi)星相比，其質(zhì)量大幅度下降，約360kg。一旦DWSP衛(wèi)星成功研制，洛馬公司將喪失大量軍用氣象衛(wèi)星訂單。

四、時間分辨率的提高帶動衛(wèi)星圖像時序分析新應(yīng)用

不同于傳統(tǒng)衛(wèi)星拍攝單幅靜態(tài)圖像，視頻對地觀測衛(wèi)星攜帶裝配面陣探測器的面陣相機，結(jié)合衛(wèi)星平臺高敏捷機動能力，可拍攝目標(biāo)的一系列圖像，甚至組成視頻，實現(xiàn)了低軌衛(wèi)星在一定時間間隔內(nèi)的持續(xù)監(jiān)視能力。如Skysat這樣的視頻對地觀測衛(wèi)星使圖像分析從靜態(tài)向時序圖像分析轉(zhuǎn)變，給衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域帶來前所未有的新機遇，在靜態(tài)目標(biāo)的變化檢測和動目標(biāo)的監(jiān)測與跟蹤等領(lǐng)域有十分廣泛的應(yīng)用前景。再加之星座部署，極大縮短了重訪周期，提高了時間分辨率。

在靜態(tài)目標(biāo)的變化檢測方面，Skybox公司已做了大量研究，如分析石油儲量、礦區(qū)生產(chǎn)力和港口進出量等。Skybox公司發(fā)現(xiàn)利用浮頂隨油量變化的幾何關(guān)系，就可以計算出油罐中的油量。通過星下點和側(cè)視兩幅圖像就可以得到計算浮頂油罐內(nèi)石油存儲量的必要數(shù)據(jù)，再通過統(tǒng)計石油儲備庫的油罐數(shù)量就可以得到一個石油儲備庫總的石油儲量。石油儲備量數(shù)據(jù)的用途關(guān)系國家安全，它的商業(yè)價值是十分明顯的。目前，Skybox公司已經(jīng)開發(fā)了基于Skysat星座進行浮頂油罐石油儲量計算的算法，算法基本原理如圖2。

圖2 Skybox公司計算石油儲量的公式手稿

由于天基時序圖像分析是近兩年發(fā)展起來的新興技術(shù)，它潛在的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，為了開闊思路，Skybox公司對外征集Skysat星座應(yīng)用“點子”，并進行比賽，獲獎?wù)呖色@得數(shù)十萬美元的獎金。

在動目標(biāo)的監(jiān)測與跟蹤方面，通過兩幅圖像就可以分析出地面車輛或海上艦船運動的方向和速度，這些因素是無法從單幅靜態(tài)圖像中分析得出的。

五、幾點思考

（1）商業(yè)小衛(wèi)星應(yīng)用能力日益增強，得到蓬勃發(fā)展，商業(yè)甚高分辨率大衛(wèi)星的發(fā)展相對放緩

甚高分辨率大型衛(wèi)星由于研制周期較長，成本高昂，數(shù)年才能部署一顆。而小衛(wèi)星單星成本低，星座部署經(jīng)濟也可承受，隨著探測器、敏捷型小衛(wèi)星平臺的發(fā)展，小衛(wèi)星逐步擁有傳統(tǒng)大衛(wèi)星才有的亞米高分辨率與快速姿態(tài)機動能力，正在成為新興航天企業(yè)發(fā)展的熱點。同時，小衛(wèi)星星座部署結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)和云計算等新技術(shù)為遙感衛(wèi)星市場引入了新的活力。而今年大型遙感衛(wèi)星的發(fā)展已經(jīng)呈現(xiàn)出逐漸放緩的態(tài)勢，如歐洲空客等國外傳統(tǒng)商業(yè)運營商也開始嘗試大型衛(wèi)星星座運行，但從數(shù)量上難以超過小衛(wèi)星，產(chǎn)品成本較高，在商業(yè)市場上，未來的發(fā)展前景不如小衛(wèi)星明朗。

（2）商業(yè)天基高分辨率視頻拍攝將擴展商業(yè)遙感衛(wèi)星應(yīng)用

得益于小衛(wèi)星相關(guān)技術(shù)的提高，小衛(wèi)星平臺敏捷能力和面陣相機大幅度提高了同一目標(biāo)的拍攝機會，使衛(wèi)星拍攝靜態(tài)圖像向拍攝高清視頻發(fā)展，使遙感衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域得到極大地擴展，靜態(tài)目標(biāo)變化分析和動目標(biāo)監(jiān)測與跟蹤將對遙感衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)生重大變革。

（3）商業(yè)遙感衛(wèi)星制造商將打破壟斷局面，進入軍用遙感衛(wèi)星制造領(lǐng)域

過去，成像偵察、氣象衛(wèi)星等軍用遙感衛(wèi)星制造領(lǐng)域一直被洛馬等大型航天企業(yè)占據(jù)，主要原因是這些衛(wèi)星功能高度集成，小型企業(yè)進入門檻極高。隨著美國向彈性和分散空間體系轉(zhuǎn)型，進一步鼓勵商業(yè)衛(wèi)星制造商參與競爭，在這一有利政策環(huán)境下，加之小衛(wèi)星技術(shù)能力逐步提升，新興商業(yè)遙感衛(wèi)星制造商得到了空前的發(fā)展機會，有望進入軍用遙感衛(wèi)星制造領(lǐng)域。