國外光學(xué)成像衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀簡析

趙煒渝，崔瀟瀟

（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京100094）

0 引言

光學(xué)成像偵察衛(wèi)星已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭信息獲取系統(tǒng)的重要裝備，在國際航天偵察領(lǐng)域呈現(xiàn)了三個層次的發(fā)展態(tài)勢。目前，處于第一集團(tuán)的是絕對領(lǐng)先的美國，光學(xué)成像衛(wèi)星的軍用全色分辨率為0.1m、商用分辨率為0.4m，紅外分辨率為1m，在光譜分辨率方面，美國“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星”-3（TacSat-3）的光譜分辨率為5nm。處于第二集團(tuán)的是歐洲、俄羅斯、以色列、印度、日本，軍用全色分辨率優(yōu)于1m。這些國家在光學(xué)偵察衛(wèi)星方面強于雷達(dá)偵察衛(wèi)星，目前一方面在提高光學(xué)衛(wèi)星性能，另一方面在大力發(fā)展雷達(dá)偵察衛(wèi)星，完善衛(wèi)星偵察體系。處于第三世界的國家正處在起步階段，例如土耳其、埃及、沙特、卡塔爾、阿聯(lián)酋、南非、尼日利亞等，不僅對偵察衛(wèi)星有較強烈的需求，也期望借助偵察衛(wèi)星項目帶動自身航天技術(shù)的發(fā)展。

1 國外光學(xué)成像偵察衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，美國有3 顆“鎖眼”-12（KH-12）光學(xué)成像偵察衛(wèi)星在軌運行，衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量18t，光學(xué)口徑約3m，焦距27m，壽命8年，采用大型光學(xué)系統(tǒng)、自適應(yīng)光學(xué)、大面陣探測器、機動變軌、長壽命、高可靠等技術(shù)，全色分辨率達(dá)0.1～0.15m，紅外分辨率0.6～1m。另外，美國還有1 顆“8X”成像偵察衛(wèi)星在軌運行，軌道高度800km，它帶有光學(xué)和雷達(dá)兩種有效載荷，具有寬覆蓋、快速重訪能力。具體如表1所示。

歐洲正在向一體化衛(wèi)星偵察系統(tǒng)方向努力，但由于各國偵察衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展不均衡，以及在軌衛(wèi)星數(shù)量少等原因，目前還處于一種比較松散的合作狀態(tài)。歐洲光學(xué)成像偵察衛(wèi)星主要使用法國“太陽神”-2（Helios-2）衛(wèi)星。該衛(wèi)星帶有1臺全色（具有紅外能力）高分辨率相機（HRZ）和1臺寬視場相機（HRG）。高分辨率相機主要采用推掃成像，高分辨率通道分辨率為0.5m，超高分辨率通道分辨率為0.25～0.35m，紅外通道可拍攝紅外圖像，使該衛(wèi)星具備了夜間光學(xué)偵察能力；寬視場相機標(biāo)稱分辨率5m，幅寬60km，主要進(jìn)行普查與測繪制圖。

表1 美國在軌軍用光學(xué)成像偵察衛(wèi)星

俄羅斯現(xiàn)役成像偵察衛(wèi)星的可見光分辨率最高已達(dá)0.3m，多光譜空間分辨率2～3m，有些具備一定的星上數(shù)據(jù)處理能力和較高的數(shù)據(jù)傳輸能力。與歐美等國家研制的同類衛(wèi)星相比，它們在壽命和可靠性方面還有一定差距。進(jìn)入21世紀(jì)以來，俄羅斯一般每年發(fā)射1顆代號為“鈷”（Kobalt，又名“琥珀”-4K1）的返回式詳查衛(wèi)星。俄羅斯傳輸型衛(wèi)星從可見光到近紅外區(qū)域（0.4～1.1μm）的8個譜段，根據(jù)軌道高度不同，分辨率在2～5m，相機視角0.56°，對應(yīng)幅寬＞27km。其傳輸型光學(xué)成像偵察衛(wèi)星是從1997年6月開始發(fā)射的，2002年7月發(fā)射了第2顆，但都未達(dá)壽命即失效。2008年7月27日發(fā)射的“宇宙”-2441衛(wèi)星為最新型的“角色”（Persona N1）傳輸型詳查衛(wèi)星，質(zhì)量6500kg，光 學(xué) 口 徑1.5m，焦 距20m，全 色 分 辨 率0.33m，但入軌3個月后失效，未投入現(xiàn)役?？梢钥闯?，俄羅斯至今仍是用返回式“鈷”衛(wèi)星進(jìn)行軍事詳查，測繪任務(wù)也由返回式衛(wèi)星承擔(dān)，傳輸型光學(xué)成像偵察衛(wèi)星還未能實現(xiàn)業(yè)務(wù)操作。

日本“情報收集衛(wèi)星”（IGS）星座現(xiàn)由4顆光學(xué)衛(wèi)星和1顆雷達(dá)衛(wèi)星組成。其光學(xué)衛(wèi)星的分辨率為0.6～1m，雷達(dá)衛(wèi)星的分辨率為1～3m。具體如表2所示。

表2日本IGS成像偵察衛(wèi)星

印度從1988年發(fā)射首顆自主研制的衛(wèi)星——“印度遙感衛(wèi)星”（IRS）-1A 以來，已經(jīng)建成了一個龐大的對地觀測衛(wèi)星體系，目前在役的衛(wèi)星有10顆，在軌的光學(xué)成像偵察衛(wèi)星有4顆，如表3所示，其中“制圖衛(wèi)星”-2B（Cartosat-2B）光學(xué)成像衛(wèi)星天底點分辨率1m，幅寬9.6km，順軌方向分辨率0.8m。

表3 印度在軌光學(xué)成像偵察衛(wèi)星

當(dāng)今世界，商用高分辨率遙感衛(wèi)星發(fā)展迅速，高分辨率商業(yè)成像衛(wèi)星主要由美國、歐洲等國家的商業(yè)公司運行管理，例如，數(shù)字全球公司運行管理了3顆衛(wèi)星（“快鳥”-2、“世界觀測”-1／2），地球之眼公司運行管理了2顆衛(wèi)星（“伊科諾斯”、“地球之眼”-1）；阿斯特里姆地理信息服務(wù)公司運行管理了多顆衛(wèi)星，包括“昴宿星”-1、“斯波特”系列、“陸地合成孔徑雷達(dá)”等。其中，“世界觀測”-2衛(wèi)星和“地球之眼”-1衛(wèi)星的空間分辨率均優(yōu)于0.5m，分別達(dá)到0.41m 和0.46m。具體如表4所示。

表4 國外典型商業(yè)光學(xué)成像衛(wèi)星的基本參數(shù)

2 國外光學(xué)成像偵察衛(wèi)星主要在研項目

美國政府在2009年4月推出了新的光學(xué)成像偵察衛(wèi)星計劃——“下一代光電系統(tǒng)”，亦稱“2＋2”計劃。“2＋2”計劃的主要內(nèi)容包括：制造2顆先進(jìn)的光學(xué)成像偵察衛(wèi)星；增加商業(yè)衛(wèi)星圖像的購買經(jīng)費，以支持商業(yè)衛(wèi)星圖像運營公司制造與發(fā)射2顆新的商業(yè)成像衛(wèi)星。為避免超出預(yù)算或進(jìn)度推遲，“2＋2”計劃中偵察衛(wèi)星的性能將與目前在軌的高分辨率光學(xué)偵察衛(wèi)星等同或略有提升。從目前來看，“2＋2”計劃的推出仍是一項過渡性的權(quán)宜之計。

2006年12月，美軍成功發(fā)射“戰(zhàn)術(shù)星”-2（載有直徑50cm 的高分辨率成像儀），試驗為戰(zhàn)區(qū)提供戰(zhàn)術(shù)級分辨率圖像的能力。2009年5月，美軍成功發(fā)射“戰(zhàn)術(shù)星”-3，該星載有“先進(jìn)快速響應(yīng)戰(zhàn)術(shù)有效軍用超光譜成像儀”。在為期13個月的試驗飛行階段，“戰(zhàn)術(shù)星”-3完成的主要工作是：1）拍攝了2100 張圖像，驗證了衛(wèi)星能在接收指令后10min內(nèi)向地面終端傳輸經(jīng)過處理的目標(biāo)信息；2）驗證了美陸軍的戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)概念，即為旅級機動作戰(zhàn)部隊提供作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃所需的偵察信息。

歐洲在研的項目主要是歐洲多國天基成像系統(tǒng)（MUSIS），該項目由法國牽頭，系統(tǒng)由不同型號的光學(xué)、雷達(dá)小衛(wèi)星組成，預(yù)計數(shù)量10顆以上，將取代之前歐洲各國的多個偵察衛(wèi)星系統(tǒng)，如法國“太陽神”-2系統(tǒng)，德國“合成孔徑雷達(dá)-放大鏡”星座等。

俄羅斯目前正在研制新一代光電傳輸型“別爾索那”成像偵察衛(wèi)星，最高分辨率達(dá)0.25m，在軌壽命3年以上。但由于偵察衛(wèi)星壽命較短且價格昂貴，難以大量裝備，俄羅斯光學(xué)成像偵察衛(wèi)星的主要任務(wù)仍是執(zhí)行戰(zhàn)略偵察。

日本正在推進(jìn)新一代成像偵察衛(wèi)星系統(tǒng)研制部署，預(yù)計5年內(nèi)將擁有光學(xué)分辨率優(yōu)于0.5m 的衛(wèi)星偵察能力。日本計劃2014年發(fā)射第三代情報收集衛(wèi)星——O5，分辨率達(dá)到0.4m。

印度決定在“十一五”到“十二五”（2012 ～2017年）之間研制具有更高分辨率的“制圖衛(wèi)星”-3／4 （CartoSat-3／4）。“制圖衛(wèi)星”-3將于2012～2013年發(fā)射，衛(wèi)星質(zhì)量約600kg，全色分辨率0.3m，幅寬為6km?！爸茍D衛(wèi)星”-4將于2014～2015年發(fā)射，比“制圖衛(wèi)星”-3增加了主體測繪能力，分辨率為全色0.3m，多光譜1m。

商業(yè)遙感衛(wèi)星運營商正在積極發(fā)展下一代商業(yè)遙感衛(wèi)星，如美國“地球之眼”-2衛(wèi)星和“世界觀測”-3衛(wèi)星，以及歐洲阿斯特里姆公司的“斯波特”-6／7 衛(wèi)星等。

“地球之眼”-2 衛(wèi)星和“世界觀測”-3 衛(wèi)星是美國國家地理空間情報局（NGA）在“增強視景”項目計劃下研制的商業(yè)成像衛(wèi)星，分別計劃于2013年和2014年發(fā)射，空間分辨率可達(dá)到0.34m 和0.31m。其中，地球之眼公司的“地球之眼”-2衛(wèi)星將在“地球之眼”-1衛(wèi)星“全色＋4波段”的基礎(chǔ)上增加4個成像波段；數(shù)字全球公司的“世界觀測”-3衛(wèi)星在沿用“全色＋8波段”模式（包括海洋藍(lán)、藍(lán)色、綠色、黃色、紅色、紅端和近紅外-1／2）的同時，將增加8個短波紅外（SWIR）波段。新增加的短波紅外波段可獲取空間分辨率為3.7m的紅外圖像。這也使得數(shù)字全球公司成為目前世界上唯一具有多譜段短波紅外成像能力的公司。

“斯波特”-6／7 衛(wèi)星是阿斯特里姆公司自籌資金研制的2顆“斯波特”系列后繼衛(wèi)星，以取代超過設(shè)計壽命的“斯波特”-5 衛(wèi)星。這2 顆衛(wèi)星采用新型衛(wèi)星平臺，發(fā)射質(zhì)量由3000kg降低到800kg，體積僅為“斯波特”-5 衛(wèi)星的1／8；有效載荷是2 臺NAOMI成像儀，其全色／多光譜圖像的分辨率分別可達(dá)到1.5m／6m，而“斯波特”-5衛(wèi)星的全色圖像分辨率為5m。“斯波特”-6／7衛(wèi)星分別計劃于2012年和2014年發(fā)射，其軌道部署方式與法國“昴宿星”（Pleiades）系統(tǒng)相同，即2顆衛(wèi)星運行在同一軌道面上，相位相差180°。

3 國外光學(xué)成像偵察衛(wèi)星發(fā)展趨勢

世界上越來越多的國家正在發(fā)展高分辨率光學(xué)成像偵察衛(wèi)星，并以此作為突破口帶動本國航天技術(shù)的發(fā)展。其發(fā)展和應(yīng)用呈現(xiàn)出以下趨勢：

1）空間分辨率、光譜分辨率、輻射分辨率、時間分辨率持續(xù)提高

空間分辨率幾近物理極限，軍用光學(xué)成像偵察衛(wèi)星分辨率最高達(dá)0.1m（美國“鎖眼”光學(xué)成像偵察衛(wèi)星），紅外成像的空間分辨率達(dá)到米級，光譜分辨率達(dá)到納米級。美國2009年“戰(zhàn)術(shù)星”-3搭載的超光譜成像儀可以覆蓋可見光和短波紅外波段，工作譜段為400～2500nm，光譜段多達(dá)400個，光譜分辨率可達(dá)5nm，能夠精細(xì)探測地面目標(biāo)的光譜特征，發(fā)現(xiàn)和判別偽裝目標(biāo)和各類新目標(biāo)。

2）光學(xué)成像偵察衛(wèi)星軍事應(yīng)用取得新突破

目前美國光學(xué)成像偵察衛(wèi)星的發(fā)展正處于一個瓶頸期，一方面美通過“2＋2”計劃，試圖以發(fā)射技術(shù)較為成熟的高分辨率成像衛(wèi)星和購買商業(yè)衛(wèi)星圖像相結(jié)合的方式，維持天基情報偵察能力；另一方面尋求以“戰(zhàn)術(shù)星”概念引領(lǐng)低成本光學(xué)成像偵察技術(shù)的突破，來滿足戰(zhàn)場廣域偵察和近實時偵察的需求。特別是2011年6月，首顆面向作戰(zhàn)用戶戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用需求的“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”-1（ORS-1）成功發(fā)射，標(biāo)志著光學(xué)成像偵察衛(wèi)星軍事應(yīng)用取得關(guān)鍵性進(jìn)展?？梢灶A(yù)見，美軍將加快探索成像偵察戰(zhàn)術(shù)小衛(wèi)星未來的戰(zhàn)場應(yīng)用能力。

3）高分辨率商業(yè)成像衛(wèi)星軍事應(yīng)用廣泛

高分辨率商業(yè)成像衛(wèi)星已經(jīng)成為強國軍事行動的常規(guī)情報源。美國“世界觀測”-1衛(wèi)星50%的成像能力和“世界觀測”-2衛(wèi)星60%的成像能力專用于美國地理空情報局（NGA）的地圖測繪和情報偵察監(jiān)視（ISR）任務(wù)，而“伊科諾斯”衛(wèi)星和“快鳥”-1衛(wèi)星在阿富汗戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭期間就已經(jīng)為偵察衛(wèi)星提供了很好的補充，充分展示了商業(yè)成像衛(wèi)星在圖像情報（IMINT）領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。在利比亞戰(zhàn)事期間，“世界觀測”-2和“地球之眼”-1為法、英等國的軍事行動提供了大量圖像。高分辨率商業(yè)衛(wèi)星圖像已廣泛用于軍事目標(biāo)偵察、打擊效果評估、戰(zhàn)場資源勘察、戰(zhàn)爭潛力評估等領(lǐng)域。

4 結(jié)束語

一直以來，光學(xué)成像衛(wèi)星作為重要的航天力量得到了迅猛的發(fā)展，但是美國光學(xué)成像衛(wèi)星的發(fā)展正處于一個瓶頸期：一方面試圖以運用軍事成像衛(wèi)星和購買商業(yè)衛(wèi)星圖像相結(jié)合的方式維持天基情報偵察能力；另一方面積極尋求“戰(zhàn)術(shù)星”概念引領(lǐng)的低成本光學(xué)成像衛(wèi)星的新突破，來滿足戰(zhàn)場廣域偵察以及近實時偵察的需求。值得關(guān)注的是，越來越多的國家邁入了天基成像偵察的行列，特別是法國、日本等國家的天基光學(xué)成像能力已經(jīng)接近世界先進(jìn)水平，俄羅斯也在積極重建其天基偵察網(wǎng)絡(luò)。可以預(yù)見，在未來熱點地區(qū)以及重大事件的態(tài)勢感知方面，天基光學(xué)成像衛(wèi)星系統(tǒng)將會發(fā)揮越來越大的作用。■

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