靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星展示海洋監(jiān)視的重大潛力

· 文|北京空間科技信息研究所 劉韜

靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星展示海洋監(jiān)視的重大潛力

· 文|北京空間科技信息研究所 劉韜

海洋對(duì)于一個(gè)國(guó)家具有重要的戰(zhàn)略地位，任何一個(gè)國(guó)家或國(guó)家聯(lián)盟，要想成為世界強(qiáng)國(guó)，必須首先控制海洋。然而飛機(jī)難以對(duì)茫茫大海進(jìn)行大范圍的持續(xù)監(jiān)視，衛(wèi)星作為一種有效的海洋監(jiān)視系統(tǒng)受到國(guó)外的高度重視。

從20世紀(jì)60年代末期美國(guó)就開(kāi)始了海洋監(jiān)視衛(wèi)星的研制計(jì)劃，目前已經(jīng)發(fā)展了三代海軍海洋監(jiān)視衛(wèi)星（NOSS），最新一代NOSS也稱為“天基廣域監(jiān)視系統(tǒng)”（SB-WASS）。這類(lèi)衛(wèi)星攜帶電子偵察載荷監(jiān)視艦船的雷達(dá)信號(hào)或無(wú)線電通信信號(hào)，對(duì)艦船的定位精度約為2km，衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行，能夠每天對(duì)地球中緯度海域的艦船監(jiān)視30次以上。電子型海洋監(jiān)視衛(wèi)星星座在覆蓋范圍、時(shí)間分辨率方面基本滿足艦船監(jiān)視需要，但定位精度不高、難以測(cè)定艦船的瞬時(shí)速度，隨著高精度、高敏捷衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)和光學(xué)有效載荷技術(shù)的發(fā)展，不但具備持續(xù)監(jiān)視能力、大范圍覆蓋能力，而且具備快速響應(yīng)能力、更高定位精度（優(yōu)于200m）的靜止軌道（GEO）高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星（以下簡(jiǎn)稱“GEO高分衛(wèi)星”）已經(jīng)在軍事海洋監(jiān)視領(lǐng)域展現(xiàn)了強(qiáng)大的應(yīng)用潛力，這類(lèi)衛(wèi)星的另一個(gè)突出特點(diǎn)是可以駐留在目標(biāo)上空，錄制觀測(cè)地區(qū)的視頻，用于艦船的速度和航向測(cè)定。（本文限定GEO光學(xué)成像衛(wèi)星的分辨率優(yōu)于10m為高分辨率）

一、地球靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星的特點(diǎn)

地球靜止軌道（GEO）光學(xué)成像衛(wèi)星“站的高，看的遠(yuǎn)”，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)的連續(xù)監(jiān)視，不僅可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)偵察衛(wèi)星的時(shí)間分辨率低和覆蓋范圍小等問(wèn)題，還將推出一系列新型的應(yīng)用領(lǐng)域，包括可以基于視頻拍攝手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)地球表面移動(dòng)目標(biāo)的偵查監(jiān)視、地球各種自然要素的長(zhǎng)期演變監(jiān)測(cè)等。

GEO高分衛(wèi)星具備快速響應(yīng)能力，從用戶提出申請(qǐng)到地理空間信息的交付時(shí)間可以減少到數(shù)分鐘，而現(xiàn)有衛(wèi)星系統(tǒng)需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天。更特別的是，GEO高分衛(wèi)星具備拍攝目標(biāo)視頻的獨(dú)特功能，可以在感興趣的區(qū)域內(nèi)拍攝單目標(biāo)乃至多個(gè)活動(dòng)目標(biāo)的視頻。利用這些特點(diǎn)，這類(lèi)衛(wèi)星在動(dòng)目標(biāo)監(jiān)視和變化檢測(cè)上具有廣闊的應(yīng)用前景。

歐洲Astrium公司最新提出的3m分辨率地球靜止軌道空間監(jiān)視系統(tǒng)（GO3S）衛(wèi)星具有3個(gè)視頻工作模式（如圖1）?！巴话l(fā)”模式是在極短時(shí)間內(nèi)以1Hz或更高的幀速率拍攝視頻，該模式用于快速獲取時(shí)敏目標(biāo)的速度、方向等瞬時(shí)特性；“持續(xù)視頻”模式以數(shù)分鐘的采樣時(shí)間間隔拍攝視頻；“時(shí)延視頻”模式是以更長(zhǎng)的時(shí)間間隔（如數(shù)小時(shí)，或天）拍攝視頻，后兩者可用于長(zhǎng)期獲取海洋環(huán)境等長(zhǎng)時(shí)間演化特性。與機(jī)載視頻系統(tǒng)不同，GO3S衛(wèi)星的視頻模式具有長(zhǎng)時(shí)間、寬覆蓋的優(yōu)勢(shì)，而飛機(jī)或無(wú)人機(jī)需要中途返回補(bǔ)給燃料，此外，衛(wèi)星視頻監(jiān)視是無(wú)法被目標(biāo)發(fā)現(xiàn)的。

圖1 三種視頻工作模式

目前GEO對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星主要是氣象衛(wèi)星，空間分辨率大多在幾百米到幾千米的量級(jí)，比較先進(jìn)的韓國(guó)“通信、海洋與氣象衛(wèi)星”（COMS-1），空間分辨率也僅達(dá)到了500m。對(duì)于大空間尺度的氣象監(jiān)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)，上述分辨率是可以滿足應(yīng)用需求的；但對(duì)于偵察監(jiān)視和重點(diǎn)目標(biāo)監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)，上述分辨率就遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足需求了。在這樣的應(yīng)用背景下，如何在GEO軌道實(shí)現(xiàn)目前低軌衛(wèi)星所能達(dá)到的高分辨率成像能力，得到美、歐的廣泛關(guān)注。

近年來(lái)，美國(guó)、歐洲開(kāi)展了一系列關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目，歐洲采用的傳統(tǒng)反射成像技術(shù)取得了很多進(jìn)展。本文將簡(jiǎn)述歐洲靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展情況，并以歐洲最新提出的3m分辨率GO3S衛(wèi)星項(xiàng)目為重點(diǎn)，分析其方案內(nèi)容和海洋監(jiān)視應(yīng)用方向。

二、 歐洲靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星的發(fā)展概況

歐洲從21世紀(jì)初開(kāi)始發(fā)展GEO高分衛(wèi)星，前期進(jìn)行了大量的理論研究工作，從21世紀(jì)末開(kāi)始了GEO高分衛(wèi)星方案設(shè)計(jì)論證工作，目前準(zhǔn)備開(kāi)始工程化實(shí)施。Astrium公司在GEO高分成像技術(shù)上較為領(lǐng)先，提出了覆蓋低、中、高分辨率的一系列工程化方案。比如，Astrium和韓國(guó)聯(lián)合研制并于2010年發(fā)射了COMS-1衛(wèi)星，該衛(wèi)星攜帶了世界上首臺(tái)靜止軌道水色成像儀，空間分辨率為500m。盡管該星用于環(huán)境探測(cè)，但拉開(kāi)了GEO高分辨率成像載荷研制的序幕。

2009年，Astrium完成了10.5m分辨率的“靜止軌道-眼睛”衛(wèi)星（Geo-Oculus）設(shè)計(jì)方案論證工作。2011年，該公司在巴黎航展上展示了“地球靜止軌道空間監(jiān)視系統(tǒng)”（GO3S）衛(wèi)星項(xiàng)目（表1）。GO3S衛(wèi)星的分辨率為3m，主鏡口徑達(dá)到4m，可拍攝視頻影像，實(shí)時(shí)監(jiān)視移動(dòng)目標(biāo)。2013年3月，新加坡表示可能為該衛(wèi)星的研制進(jìn)行投資，如果該意向得到落實(shí)，Astrium將于2016年開(kāi)始制造衛(wèi)星，并于2020年發(fā)射。

表1 GEO-Oculus和GO3S衛(wèi)星的設(shè)計(jì)方案

三、歐洲GO3S衛(wèi)星的海洋監(jiān)視應(yīng)用

GEO高分衛(wèi)星對(duì)海洋目標(biāo)的偵察監(jiān)視可以用“以靜制動(dòng)”來(lái)形容，GEO衛(wèi)星相對(duì)于覆蓋區(qū)域保持相對(duì)靜止不動(dòng)，通過(guò)拍攝一連串圖像形成圖像序列或視頻，用于分析移動(dòng)目標(biāo)的速度和方向。基于圖像定位精度，判斷目標(biāo)位置，還可結(jié)合其他輔助定位系統(tǒng)，更為精確地判斷目標(biāo)位置。

GO3S的分辨率為3m，其主要的海洋監(jiān)視對(duì)象為艦船。海洋監(jiān)視應(yīng)用分為4種，表2歸納了這4種應(yīng)用的產(chǎn)品類(lèi)型、產(chǎn)品內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

表2 GO3S衛(wèi)星的海洋監(jiān)視應(yīng)用

1.對(duì)于出發(fā)地的常態(tài)監(jiān)視

對(duì)于出發(fā)地（邊境、港口、機(jī)場(chǎng)、火車(chē)站等）的常態(tài)監(jiān)視，感興趣的用戶為處理非法交易或非法移民的機(jī)構(gòu)用戶，包括海關(guān)、海軍、海岸警衛(wèi)隊(duì)、歐盟邊防局（FRONTEX）和海洋分析和運(yùn)行中心-輯毒組（MAOC-N，歐盟成員國(guó)之間的專(zhuān)責(zé)小組）。

演示案例模擬（見(jiàn)圖2，3，4）。

圖2 正常狀態(tài)

注：發(fā)現(xiàn)了6艘正在作業(yè)的漁船，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他船舶，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)可疑的路面活動(dòng)。

圖3 出現(xiàn)可疑活動(dòng)

注：1天后，除漁船外，在非尋常區(qū)域發(fā)現(xiàn)兩艘停泊的大型船（18m），在無(wú)人居住地區(qū)發(fā)現(xiàn)一輛卡車(chē)。發(fā)現(xiàn)可疑活動(dòng)后，產(chǎn)生預(yù)警，衛(wèi)星觀測(cè)進(jìn)入每30分鐘1次的密切監(jiān)視狀態(tài)。

圖4 確認(rèn)可疑活動(dòng)

注：半小時(shí)后，發(fā)現(xiàn)其中一艘快船已經(jīng)離開(kāi)海岸，卡車(chē)已經(jīng)消失，為用戶拉響警報(bào)。

2.海上目標(biāo)艦船的重定位

用戶設(shè)置拍攝圖像的時(shí)間間隔，衛(wèi)星以該間隔拍攝目標(biāo)地區(qū)的一系列圖像。對(duì)艦船的重定位，必須已知艦船的上一個(gè)地點(diǎn)。根據(jù)上一個(gè)地點(diǎn)最后的位置信息和速度信息就可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行重定位。

演示案例模擬（見(jiàn)圖5）。

圖5 目標(biāo)艦船重定位

注：目標(biāo)船在航行一夜后被重定位，新的位置在原位置西南方9海里處。

3.艦船跟蹤

GEO高分衛(wèi)星無(wú)法對(duì)大于視場(chǎng)范圍的區(qū)域進(jìn)行持續(xù)監(jiān)視，因此無(wú)法對(duì)偏離宣稱航線的所有艦船進(jìn)行監(jiān)視。GEO高分衛(wèi)星可以監(jiān)視通過(guò)情報(bào)獲知的可能偏離宣稱航線的艦船。

演示案例模擬（見(jiàn)圖6）。

圖6 艦船跟蹤案例

注：一艘商船駛離預(yù)定的宣稱航線。有情報(bào)顯示一艘商船可能參與非法活動(dòng)。用戶啟動(dòng)GO3S衛(wèi)星的艦船跟蹤服務(wù)，以監(jiān)視商船的航線。衛(wèi)星顯示該商船確實(shí)駛離了宣稱航線，停靠在非洲海岸。

4.可疑活動(dòng)監(jiān)視

可疑活動(dòng)監(jiān)視服務(wù)主要用于確認(rèn)非法或可疑活動(dòng)，如偷渡、毒品交易和走私等。GEO高分衛(wèi)星的這種功能優(yōu)于現(xiàn)有的衛(wèi)星，GEO高分衛(wèi)星不但可以持續(xù)監(jiān)視目標(biāo)地區(qū)，還可以快速啟動(dòng)新的任務(wù)監(jiān)視新發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)。此外，該服務(wù)可突出感興趣目標(biāo)周?chē)幕顒?dòng)，可對(duì)目標(biāo)周?chē)灤M(jìn)行鑒別和特征識(shí)別，如長(zhǎng)度、航向和速度。

演示案例模擬（圖7、圖8）。

圖7 案例模擬

注：2012年12月27日，德國(guó)一艘運(yùn)送化學(xué)物品的貨船，在索馬里海岸附近向南行駛，途中懷疑受到一艘小型海盜船的尾隨，海盜船從東面向其逼近。隨后，船長(zhǎng)向總部發(fā)送警報(bào)。此后，再?zèng)]有收到貨船的任何信息，出事海域也沒(méi)有可提供支援或提供偵察的海軍。通過(guò)分析GO3S的圖像，就可以確認(rèn)發(fā)生的情況。貨艙受到18名海盜的劫持，被迫向索馬里海岸行駛，隨后停泊在海岸。GO3S的船只重定位服務(wù)提供海盜船的更新位置信息，為營(yíng)救貨船提供支持。

圖8 發(fā)現(xiàn)可疑船只

注：通過(guò)該服務(wù)的模擬，可以發(fā)現(xiàn)3m GEO軌道高分衛(wèi)星可以對(duì)長(zhǎng)度為5m、航行速度為12knts（12節(jié)=12海里/小時(shí)）的小型船只進(jìn)行檢測(cè)。

綜上，GO3S衛(wèi)星可以對(duì)5m左右的漁船或快艇等小型艦船進(jìn)行檢測(cè)。在海洋監(jiān)視方面，主要有兩種檢測(cè)方式，一種是不基于先驗(yàn)知識(shí)的情況，比如離境地區(qū)的可疑活動(dòng)監(jiān)視應(yīng)用。另一種基于目標(biāo)位置的先驗(yàn)知識(shí)，比如在海上艦船跟蹤和艦船重定位應(yīng)用中，必須通過(guò)情報(bào)或其他數(shù)據(jù)來(lái)源，事先知道艦船上一次出現(xiàn)的位置信息，才可以對(duì)艦船進(jìn)行跟蹤和重定位。此外，衛(wèi)星產(chǎn)品可與基于GPS的自動(dòng)船只識(shí)別系統(tǒng)（AIS）或其他數(shù)據(jù)源進(jìn)行融合，為用戶提供更加準(zhǔn)確、更加清晰的圖像數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

目前，對(duì)馬六甲海峽擁有部分主權(quán)的新加坡，已經(jīng)對(duì)GO3S衛(wèi)星表現(xiàn)出濃厚興趣，可能對(duì)該星進(jìn)行投資。新加坡看重的就是GO3S衛(wèi)星單景就可覆蓋整個(gè)新加坡，可對(duì)其國(guó)土進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。新加坡是世界上最大的貿(mào)易轉(zhuǎn)載中心，對(duì)馬六甲海峽的監(jiān)控對(duì)新加坡的經(jīng)濟(jì)具有戰(zhàn)略地位。GO3S通過(guò)側(cè)擺可對(duì)整個(gè)馬六甲海峽的艦船進(jìn)行監(jiān)視，其特有的動(dòng)目標(biāo)監(jiān)視能力在航線管理、艦船監(jiān)視等應(yīng)用領(lǐng)域可以發(fā)揮重要作用。

五、結(jié)束語(yǔ)

GEO高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星是新一代的光學(xué)遙感衛(wèi)星，它的突出特點(diǎn)可用兩個(gè)詞概括，一是“動(dòng)目標(biāo)監(jiān)視”、二是“實(shí)時(shí)監(jiān)視”。它使衛(wèi)星的偵察功能向監(jiān)視功能發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星應(yīng)用的大幅躍變。GEO高分衛(wèi)星可以基于全新的產(chǎn)品類(lèi)型提升信息應(yīng)用價(jià)值。