國外新型商業(yè)對地觀測系統(tǒng)

張召才（北京空間科技信息研究所）

2014年6月10日，美國天空盒子（Skybox）公司與全球互聯(lián)網(wǎng)搜索巨擘谷歌公司達成協(xié)議，后者將以5億美元現(xiàn)金收購天空盒子公司。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)，更使天空盒子公司大數(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。

1 引言

近年來，國外出現(xiàn)了眾多商業(yè)天基對地觀測初創(chuàng)公司，包括美國天空盒子公司、行星實驗室（Planet Labs）公司、歐姆尼地球（Omni Earth）公司、俄羅斯達斡利亞宇航（Dauria Aerospace）公司、加拿大地球直播（UrtheCast）公司以及阿根廷衛(wèi)星邏輯（Satellogic）公司等。這些公司以大數(shù)據(jù)、云計算等IT前沿技術(shù)為驅(qū)動，嘗試全新的對地觀測數(shù)據(jù)分發(fā)與應(yīng)用模式，并提供云服務(wù)平臺，鼓勵用戶或第三方開發(fā)專業(yè)化應(yīng)用（APP），力圖在移動互聯(lián)時代實現(xiàn)天基對地觀測應(yīng)用的實時響應(yīng)和定制化服務(wù)。

目前，天空盒子公司、行星實驗室公司和加拿大地球直播公司率先在各自新型低地球軌道對地觀測系統(tǒng)的部署方面獲得重要進展，并初步或即將具備業(yè)務(wù)應(yīng)用能力。天空盒子公司計劃建造由24顆小衛(wèi)星構(gòu)成的對地觀測星座，目前已完成前2顆業(yè)務(wù)星部署，它們采用“互補金屬氧化物半導(dǎo)體”（CMOS）成像敏感器，具有高分辨率成像和高清視頻能力；行星實驗室公司已建造由3U立方體衛(wèi)星組成的全球迄今為止最大的對地觀測衛(wèi)星星座；加拿大地球直播公司以“國際空間站”為平臺搭載視頻和成像相機，獲取對地觀測數(shù)據(jù)。

三家對地觀測公司的基本信息（截至2014年6月）

2 天空盒子公司授出后續(xù)星研制合同，推進全球數(shù)據(jù)分發(fā)合作

首發(fā)星在軌工作正常，后續(xù)星研制逐步推進

天空盒子公司位于美國加利福尼亞州山景城（Mountain View），計劃在低地球軌道部署名為“天空衛(wèi)星”（SkySat）的對地觀測星座?！疤炜招l(wèi)星”星座的衛(wèi)星還采用合成時間積分延遲（TDI）技術(shù)，具有亞米級高分辨率成像、多幅圖像拼接和支持高清視頻能力。

2013年11月21日，“天空衛(wèi)星”星座的首發(fā)星天空衛(wèi)星－1搭乘“第聶伯”（Dnepr）火箭成功進入近地點563km、遠地點597km的太陽同步軌道。天空衛(wèi)星－1質(zhì)量100kg，設(shè)計壽命6年，其星下點全色圖像分辨率為0.9m，多光譜分辨率為2m，成像幅寬8km，并能夠獲取時長90s、每秒30幀的高清視頻。其星下點視頻分辨率為1.1m，標準覆蓋為2km×1.1km。天空衛(wèi)星－2與天空衛(wèi)星－1設(shè)計完全一致，于2014年7月8日搭乘聯(lián)盟－2-1b（Soyuz－2-1b）火箭進入近地點623km、遠地點637km的太陽同步軌道。

2014年5月15日天空衛(wèi)星－1拍攝的阿布扎比法拉利世界主題公園

美國“天空衛(wèi)星”星座

2013年12月11日，天空盒子公司發(fā)布了天空衛(wèi)星－1拍攝的首幅對地觀測圖像；12月27日，該公司又發(fā)布了由天空衛(wèi)星－1拍攝的、全球首個商業(yè)天基對地觀測視頻。2014年7月10日，天空衛(wèi)星－2在發(fā)射入軌兩天后即成功拍攝首幅對地觀測圖像并下傳至地面站。目前，天空衛(wèi)星－1在軌運行良好，已完成星載相機在軌標定工作，正處于圖像定位精度測試階段；天空衛(wèi)星－2正處于相機在軌標定階段。待投入業(yè)務(wù)應(yīng)用后，這2顆衛(wèi)星獲取的對地觀測數(shù)據(jù)將在作物預(yù)測、礦產(chǎn)和陸地監(jiān)測等業(yè)務(wù)應(yīng)用中發(fā)揮作用。

2014年2月10日，天空盒子公司與美國勞拉空間系統(tǒng)（SSL）公司宣布簽訂了一項衛(wèi)星制造合同。根據(jù)合同要求，勞拉空間系統(tǒng)公司將利用天空盒子公司提供的衛(wèi)星設(shè)計方案為其制造13顆商業(yè)高分辨率對地觀測衛(wèi)星。這些衛(wèi)星單星質(zhì)量約120kg，尺寸為60cm×60cm×95cm，設(shè)計壽命超過6年，計劃于2015—2016年發(fā)射進入高度約500km的太陽同步軌道。勞拉空間系統(tǒng)公司研制的這13顆衛(wèi)星沿用天空衛(wèi)星－1的設(shè)計方案和相關(guān)技術(shù)，軌道比天空衛(wèi)星－1軌道偏低，因此空間分辨率有所提高，預(yù)計約為0.8m。待這13顆衛(wèi)星發(fā)射入軌后，其構(gòu)成的“天空衛(wèi)星”星座將具備對地面指定區(qū)域8h重訪成像的能力。

鴿群－1星座首批2顆衛(wèi)星從“國際空空間站”釋放

天空盒子公司負責衛(wèi)星系統(tǒng)的副總裁邁克·特雷拉（Michael Trela）說：“此次與勞拉空間系統(tǒng)公司合作，我們可以利用他們強大的生產(chǎn)能力來大幅提高成本效益和制造速度，從而使我們能夠?qū)Ｗ⒂谘芯肯乱淮l(wèi)星系統(tǒng)，以便更好地為客戶提供服務(wù)。”同時，此次合作將幫助勞拉空間系統(tǒng)公司從制造地球靜止軌道高功率通信衛(wèi)星領(lǐng)域向低軌對地觀測衛(wèi)星領(lǐng)域擴展，為未來爭取美國和其他國家更多的低軌對地觀測衛(wèi)星研制合同奠定基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)分發(fā)采用多種方式，業(yè)務(wù)服務(wù)能力不斷提升

在規(guī)劃未來業(yè)務(wù)星研制任務(wù)的同時，天空盒子公司注重暢通全球數(shù)據(jù)分發(fā)渠道，擴展全球影響力。

一方面，天空盒子公司繼續(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，天空盒子公司又于2014年2月12日、2月14日和3月25日，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。地理圖像公司負責澳大利亞、印尼、馬來西亞和菲律賓等國家的業(yè)務(wù)。阿聯(lián)酋空間成像公司購買了2個“天空衛(wèi)星”衛(wèi)星地面站，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，空間成像中東分公司負責中東、東非和中亞地區(qū)的業(yè)務(wù)；歐洲空間成像分公司負責歐洲和北非地區(qū)的業(yè)務(wù)。麥肯錫情報服務(wù)公司負責天空盒子公司在英國和非洲的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分發(fā)業(yè)務(wù)。

鴿群－1星座衛(wèi)星外形圖

另一方面，天空盒子公司不斷發(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)，著力改善用戶體驗度，為用戶提供便捷易用服務(wù)，提高數(shù)據(jù)直銷能力。天空盒子公司基于Hadoop開源架構(gòu)設(shè)計了“天空節(jié)點”（SkyNode）地面站，包括1副2.4m口徑的天線和2套支持軟件等，能夠?qū)崿F(xiàn)地理空間海量數(shù)據(jù)分布式處理任務(wù)?！疤炜展?jié)點”地面站支持軟件基于用戶友好的互聯(lián)網(wǎng)平臺，能夠使用戶便捷、高效的收集圖像、規(guī)劃衛(wèi)星任務(wù)和處理圖像產(chǎn)品等。2014年3月，天空盒子公司又與美國地圖盒子（Mapbox）公司展開合作。屆時，用戶訂閱的圖像將轉(zhuǎn)換格式，快速、流暢的發(fā)送至指定地圖盒子公司賬戶。用戶可以通過移動設(shè)備登錄賬戶，對圖像添加注釋或標簽，制作個性化地圖。

除對地觀測圖像和視頻數(shù)據(jù)外，天空盒子公司還與地理空間成像解決方案公司合作，致力于為客戶提供數(shù)據(jù)處理、信息提取與分析服務(wù)。2014年2月24日，天空盒子公司與加拿大PCI地理矩陣（PCI Geomatics）公司達成合作協(xié)議，利用其Geomatica 2013款軟件實現(xiàn)天空衛(wèi)星－1原始圖像高精度、自動化校正。2014年6月5日，天空盒子公司與六角地理空間（Hexagon Geospatial）公司達成合作協(xié)議，利用其ERDAS IMAGINE 2014款軟件的嚴格傳感器模型和RPC模型等改善天空衛(wèi)星－1圖像，使客戶能夠快速、高效地從對地觀測圖像中提取有價值的應(yīng)用信息。

此外，天空盒子公司還積極落實后續(xù)業(yè)務(wù)衛(wèi)星發(fā)射機會，在2014年2月20日與軌道科學(xué)公司簽署了商業(yè)發(fā)射合同，計劃于2015年底從范登堡空軍基地利用“人牛怪”（Minotaur）運載火箭一次性發(fā)射6顆“天空衛(wèi)星”衛(wèi)星入軌。目前，軌道科學(xué)公司正在開發(fā)一種“天空衛(wèi)星”分配器，以便每次最多可同時發(fā)射6顆衛(wèi)星。

3 行星實驗室公司首批星座部署完畢，開始規(guī)劃后續(xù)任務(wù)

2014年2月11日－28日期間，美國行星實驗室公司研制的鴿群－1（Flock－1）星座的28顆衛(wèi)星已陸續(xù)從“國際空間站”釋放入軌，完成了全球首個業(yè)務(wù)化對地觀測納衛(wèi)星星座部署。行星實驗室公司是美國借助風投資本發(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。

鴿群－1星座由28顆3U立方體衛(wèi)星組成，是迄今為止最大的對地觀測衛(wèi)星星座，可對地球南北緯52°范圍內(nèi)成像，對地分辨率達到3～5m。該星座于2014年1月7日搭乘軌道科學(xué)公司（OSC）的“安塔瑞斯”（Antares）火箭進入“國際空間站”，并利用NanoRacks公司提供的“國際空間站”小衛(wèi)星商業(yè)部署業(yè)務(wù)，由“小衛(wèi)星軌道部署器”（SSOD）送入高度400km、傾角52°的圓形軌道。由于鴿群－1星座軌道較低，其28顆衛(wèi)星將在地球引力作用下再入大氣層，不會長期滯軌影響“國際空間站”安全。截至2014年7月10日，鴿群－1星座僅余3顆在軌工作，其余25顆已在再入大氣層過程中燃盡。

鴿子－2衛(wèi)星于2013年4月26日拍攝的瑞典尼亞灣海冰圖像

2013年，行星實驗室公司曾發(fā)射了4顆名為“鴿子”（Dove）的技術(shù)驗證星，對鴿群－1星座平臺和載荷能力進行驗證。2013年4月26日，鴿子－2衛(wèi)星拍攝了瑞典尼亞灣海冰圖像，驗證了鴿群－1星座中分辨率對地成像能力。鴿群－1星座規(guī)模已超過實現(xiàn)全球覆蓋所需的衛(wèi)星數(shù)量，足以保證任務(wù)運行的可靠性。同時，由于星座規(guī)模足夠大，地面覆蓋范圍足夠廣，無需對星上相機下達特定區(qū)域的成像指令即可滿足用戶需求。在業(yè)務(wù)運營期間，鴿群－1星座可以頻繁地獲取南北緯52°以內(nèi)區(qū)域的圖像，獲取的數(shù)據(jù)將實現(xiàn)全球共享，商業(yè)應(yīng)用包括制圖、房地產(chǎn)和建筑、石油和天然氣監(jiān)測等?！拔覀児镜哪繕耸菐椭總€人頻繁獲取各地圖像，”行星實驗室公司聯(lián)合創(chuàng)始人羅比·辛德勒（Robbie Schingler）解釋說?！澳阆氆@取某地的圖像，你就能在那里成像。這對于許多國家和公司而言都將是翻天覆地的變化?！?/p>

加拿大地球直播相機在“國際空間站”上安裝的位置示意圖

在完成首個對地觀測星座部署后，行星實驗室公司開始規(guī)劃未來星座任務(wù)。據(jù)“航天參考”（SpaceRef）網(wǎng)站2014年3月17日報道，行星實驗室公司將在未來12～18個月內(nèi)發(fā)射超過100顆類似衛(wèi)星以增強其“鴿群”星座能力。2014年6月19日，鴿群－1c星座的11顆衛(wèi)星搭乘俄羅斯“第聶伯”火箭進入傾角98°、近地點602km、遠地點622km的太陽同步軌道。7月13日，鴿群－1b星座28顆衛(wèi)星搭乘“安塔瑞斯”火箭運抵“國際空間站”，計劃采用類似鴿群－1星座部署方式，從“國際空間站”釋放進入低地球軌道。目前，作為空間創(chuàng)新型地球效益創(chuàng)造任務(wù)，行星實驗室公司的“鴿群”星座能力已實現(xiàn)飛躍。

4 加拿大地球直播公司完成相機安裝工作，發(fā)布首批中分辨率圖像

2014年2月28日，加拿大地球直播公司宣布其在“國際空間站”星辰號服務(wù)艙外表面安裝的兩部對地觀測相機已成功完成初始功能測試。其中高分辨率相機（HRC）地面分辨率為1.1m，地面標準覆蓋為5km×3.4km，安裝在二維轉(zhuǎn)向平臺上，可對南北緯55°范圍內(nèi)區(qū)域拍攝時長60s、每秒30幀的4K超高清全彩色視頻；中分辨率相機（MRC）天底點指向時分辨率為5m，幅寬為47km，安裝在固定平臺上，可對南北緯51.6°范圍內(nèi)區(qū)域拍攝多光譜圖像。

俄羅斯航天員在“國際空間站”外安裝相機

中分辨率相機和高分辨率相機是于2013年11月25日由俄羅斯聯(lián)盟－U（Soyuz－U）火箭運抵“國際空間站”的。此后，俄羅斯航天員奧列格·卡托夫和謝爾蓋·梁贊斯基在2013年12月27日出艙活動期間嘗試安裝中分辨率相機和高分辨率相機，但相關(guān)測試顯示，相機無法正常工作。因此，航天員不得不將相機拆卸下來，并帶回“國際空間站”內(nèi)進行檢查，并最終于2014年1月27日成功完成相機安裝工作。隨后，由加拿大地球直播公司和俄羅斯能源火箭與空間公司（RSC Energia）聯(lián)合組成的工程團隊成功獲取了這兩部相機的遙測數(shù)據(jù)。

2014年3月28日，裝在艙外的中分辨率相機拍攝了首幅對地觀測圖像。圖像尺寸為3200像素×8000像素，地面分辨率為6 m，覆蓋牙買加蒙涅葛市（Moneague）及周邊約300km2的地區(qū)。同一天稍后，該中分辨率相機又拍攝了第二幅圖像，圖像尺寸為3000像素×5000像素，覆蓋委內(nèi)瑞拉圣克魯斯德瑪拉市（Santa Cruz de Mara）及周邊約260km2的地區(qū)。

中分辨率相機拍攝的首批圖片：左為蒙涅葛市，右為圣克魯斯德瑪拉市

與中分辨率相機相比，高分辨率相機需要在平臺指向性精度的定標工作完成后，才能開始獲取圖像。按計劃，加拿大地球直播公司將于2014年下半年首次公布高分辨率相機獲取的全彩色超高清視頻。

目前，加拿大地球直播公司在莫斯科、牛津、迪拜、南非、毛里求斯和新加坡規(guī)劃了五個數(shù)據(jù)接收站。未來，加拿大地球直播公司計劃利用高分辨率和中分辨率相機，以互聯(lián)網(wǎng)和移動終端為平臺，為全球用戶提供涵蓋對地觀測視頻與圖像數(shù)據(jù)的免費在線瀏覽和商業(yè)定制服務(wù)。截至2014年3月，加拿大地球直播公司已經(jīng)與16家分銷商簽訂了數(shù)據(jù)分銷協(xié)議，按照協(xié)議中規(guī)定的最低銷售額計算，加拿大地球直播公司的年銷售額至少將達到2600萬美元。

5 結(jié)束語

近年來，國外高分辨率對地觀測領(lǐng)域呈現(xiàn)出一些新的發(fā)展特點，并隨著一系列創(chuàng)新型高分辨率對地觀測系統(tǒng)的逐步部署和完善而愈發(fā)明顯，包括與大數(shù)據(jù)、云計算等IT技術(shù)緊密結(jié)合，采用風險投資作為發(fā)展手段，天基對地觀測數(shù)據(jù)逐漸由圖像向視頻過渡等。在未來，這些創(chuàng)新系統(tǒng)將改變商業(yè)數(shù)據(jù)應(yīng)用、銷售和分發(fā)模式，推動天基對地觀測數(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。