國外視頻衛(wèi)星發(fā)展研究

劉韜（北京空間科技信息研究所）

2013年，美國發(fā)射了1m分辨率的業(yè)務型視頻衛(wèi)星，加拿大在“國際空間站”上安裝了1m分辨率的視頻成像載荷，這些新動向說明視頻衛(wèi)星技術走向成熟，視頻衛(wèi)星從技術試驗向業(yè)務型應用過渡。我國也于2014年9月8日發(fā)射了首顆視頻成像衛(wèi)星天拓-2。 該衛(wèi)星具有實時視頻成像、人在回路交互式操作、基于網(wǎng)絡的遠程操作控制等功能，能實現(xiàn)對動態(tài)運動過程的連續(xù)觀測和跟蹤，獲取觀測區(qū)域的視頻數(shù)據(jù)。相對于靜止圖像而言，視頻拍攝最大的優(yōu)勢在于對環(huán)境的動態(tài)監(jiān)視和對運動目標的跟蹤。

1 視頻衛(wèi)星的概念

視頻衛(wèi)星是一種新型對地觀測衛(wèi)星，與傳統(tǒng)的對地觀測衛(wèi)星相比，其最大的特點是可以對某一區(qū)域進行“凝視”觀測，以“視頻錄像”的方式獲得比傳統(tǒng)衛(wèi)星更多的動態(tài)信息，特別適于觀測動態(tài)目標，分析其瞬時特性。下面介紹兩個相關概念，“視頻”和“凝視”

根據(jù)維基百科介紹，連續(xù)的圖像變化每秒超過24幀畫面以上時，根據(jù)視覺暫留原理，看上去是平滑連續(xù)的視覺效果，這樣連續(xù)的畫面叫做視頻。國外目前對視頻衛(wèi)星的幀速率指標并沒有明確的限制，例如正在發(fā)展的美國靜止軌道衍射成像系統(tǒng)能夠拍攝1幀/秒視頻，歐洲正在論證的靜止軌道空間監(jiān)視系統(tǒng)衛(wèi)星“靜止軌道監(jiān)視系統(tǒng)”（GO－3S）能夠拍攝5幀/秒視頻，而美國已發(fā)射的天空衛(wèi)星－1（Skysat－1）能夠拍攝30幀/秒的視頻。

所謂“凝視”是指隨著衛(wèi)星的運動，光學成像系統(tǒng)始終盯住某一目標區(qū)域，可以連續(xù)觀察視場內(nèi)的變化。主要有兩種手段實現(xiàn)“凝視”，一是采用靜止軌道光學成像衛(wèi)星，二是采用具備較高姿態(tài)敏捷能力或具備圖像運動補償能力的低軌光學成像衛(wèi)星。靜止軌道衛(wèi)星由于軌道動力學特性，衛(wèi)星與地面相對靜止，從而實現(xiàn)凝視。但為了在高軌實現(xiàn)米級地面分辨率，其成像系統(tǒng)口徑必須足夠大，目前美、歐正在積極研制大口徑（至少大于4m）光學成像系統(tǒng)。具備“凝視”能力的低軌衛(wèi)星又分兩類，一類是具備高敏捷能力，采用傳統(tǒng)線陣探測器的衛(wèi)星，以美國“世界觀測”（WorldView）和法國“昴宿星”（Pleiades）為代表。另一類是采用面陣探測器，綜合利用平臺的高敏捷能力從而實現(xiàn)“凝視”，典型代表為印尼與德國合作研制的“印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術大學衛(wèi)星”（LAPAN-Tubsat）和美國“天空衛(wèi)星”等。

2 視頻衛(wèi)星的用途和應用前景

視頻衛(wèi)星通過一定時間間隔的時序圖像組成視頻，適于對動態(tài)目標進行分析，獲得目標的速度和方向，這些重要信息從傳統(tǒng)靜態(tài)圖像中難以獲得。

國外正在積極研制的米級分辨率靜止軌道光學成像衛(wèi)星具備長時間視頻拍攝能力，在海洋監(jiān)視和環(huán)境監(jiān)視領域有廣闊的應用前景，能夠?qū)Υ笮偷膭討B(tài)軍事目標進行檢測。

低軌衛(wèi)星由于過頂速度快，單顆視頻衛(wèi)星對某一目標區(qū)域的視頻持續(xù)觀測時間一般在1min左右。憑借單顆衛(wèi)星難以對目標進行業(yè)務化的持續(xù)監(jiān)視。但國外發(fā)展的視頻小衛(wèi)星多采用微衛(wèi)星平臺，質(zhì)量為100kg量級，因此成本較低，可以通過星座部署的方式實現(xiàn)近實時的目標監(jiān)視。國外低軌視頻衛(wèi)星已經(jīng)從試驗研究向業(yè)務化應用轉(zhuǎn)變，分辨率已從5m左右發(fā)展到1m，結(jié)合低軌亞米級分辨率光學成像衛(wèi)星，可以實現(xiàn)對動態(tài)目標的快速檢測、確認和識別。

3 典型視頻衛(wèi)星系統(tǒng)

靜止軌道視頻衛(wèi)星

（1）美國“莫爾紋”

“莫爾紋”（MOIRE）是美國國防高級研究計劃局（DARPA）于2010年開展的大口徑衍射光學成像技術研發(fā)項目，其全稱為“薄膜光學成像儀實時利用”（Membrane Optic Imager Real－Time Exploitation）。項目旨在突破衍射薄膜、大型可展開支撐結(jié)構、星上處理和壓縮等關鍵技術，為未來開發(fā)靜止軌道高分辨率衍射成像衛(wèi)星提供技術準備。

美國國防高級研究計劃局已于2010年8月授出了“莫爾紋”項目的研制合同。美國鮑爾宇航技術公司作為主承包商，負責光學系統(tǒng)的設計、地面原理樣機研制和測試；美國“納克斯奧吾”（NeXolve）材料公司負責衍射薄膜的研制；美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室（LLNL）負責衍射鏡的研制。

該項目分2個階段實施：第一階段目標是開發(fā)滿足空間飛行要求的薄膜材料，研制一個米級口徑的衍射薄膜主鏡，并開展完整光學薄膜成像系統(tǒng)的方案設計。第二階段計劃研制5m口徑光學薄膜成像系統(tǒng)的地面原理樣機。

美國國防高級研究計劃局計劃在“莫爾紋”項目取得成功后，進一步研制1顆10m口徑的靜止軌道衍射成像技術驗證衛(wèi)星，對大系統(tǒng)進行全面的演示驗證。

業(yè)務型實用系統(tǒng)將交由美國國家偵察局開發(fā)。目前美國國防高級研究計劃局宣稱的業(yè)務系統(tǒng)成本約5億美元，光學系統(tǒng)采用菲涅爾波帶片或者光子篩形式的主鏡，口徑將達到20m，在發(fā)射時處于折疊狀態(tài)，入軌后展開。系統(tǒng)能夠在靜止軌道實現(xiàn)1m的高分辨率，視場為10km×10km，成像速率1幅/秒，實現(xiàn)對敵方軍事目標的連續(xù)監(jiān)視，將大幅提升對艦船、導彈發(fā)射車等時敏目標的動態(tài)監(jiān)視能力。

“莫爾紋”項目示意圖

（2）歐洲“靜止軌道監(jiān)視系統(tǒng)”衛(wèi)星

“靜止軌道監(jiān)視系統(tǒng)”衛(wèi)星是歐洲阿斯特留姆（Astrium）公司從2011年開始發(fā)展的3m分辨率靜止軌道光學成像衛(wèi)星，其具備100km幅寬，5幀/秒視頻拍攝能力，裝配4m口徑的光學成像系統(tǒng)，衛(wèi)星質(zhì)量約8t。

“靜止軌道監(jiān)視系統(tǒng)”衛(wèi)星有3個視頻工作模式。“突發(fā)”模式（快速連拍模式）是在短時間內(nèi)以較高的幀速率拍攝視頻，該模式用于快速獲取時敏目標的速度、方向等瞬時特性；“持續(xù)視頻”模式（短片視頻模式）是在數(shù)分鐘的拍攝時間內(nèi)以較高幀速率拍攝視頻，盡管達不到24幀/秒的真正視頻效果，但該模式盡量使每幀圖像連貫起來；“時延視頻”模式是以一定時間間隔（如分鐘、數(shù)小時或天）拍攝視頻，這種模式主要用于跟蹤艦船，也可用于獲取海洋環(huán)境的長時間演化特性。

低軌視頻衛(wèi)星

（1）傳統(tǒng)高敏捷高分辨率光學成像衛(wèi)星

據(jù)國外專家計算，衛(wèi)星平臺姿態(tài)機動能力達到1°/s，就可實現(xiàn)“凝視”。部分傳統(tǒng)高敏捷高分辨率光學成像衛(wèi)星具備這種能力。

“靜止軌道監(jiān)視系統(tǒng)”衛(wèi)星視頻工作模式

典型高敏捷高分辨率光學成像衛(wèi)星

（2）微小型敏捷視頻衛(wèi)星

目前，國外已發(fā)射了數(shù)顆具有視頻拍攝功能的小衛(wèi)星，一顆是印度尼西亞于2007年1月10日發(fā)射的“印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術大學衛(wèi)星”（LAPAN-TUBSAT）衛(wèi)星，另一顆是南非于2009年9月發(fā)射的Sumbandliasat。這兩顆衛(wèi)星的空間分辨率相當，在結(jié)構上也很類似，均采用高分辨率載荷和低分辨率載荷的組合，屬于技術試驗衛(wèi)星。隨著小衛(wèi)星平臺技術、大像元數(shù)面陣探測器技術和圖像處理技術的發(fā)展，美國于2013年11月發(fā)射了分辨率約1m的天空衛(wèi)星－1業(yè)務型視頻衛(wèi)星。

“印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術大學衛(wèi)星”

“印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術大學衛(wèi)星”由印度尼西亞出資，德國柏林工業(yè)大學為主承包商，日本索尼（SONY）、尼康（Nikon）公司和德國卡帕(kappa)公司提供有效載荷部件。該衛(wèi)星有兩種成像模式，一是傳統(tǒng)的推掃成像；另一種是為了拍攝視頻的“凝視”模式，在該模式下，相機與衛(wèi)星平臺進行“互動”，當成像出現(xiàn)像移時，相機將像移量反饋給平臺，平臺通過側(cè)擺調(diào)整姿態(tài)，以補償這種像移，從而實現(xiàn)“凝視”。

“印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術大學衛(wèi)星”尺寸為45cm×45cm×27cm，三軸穩(wěn)定，質(zhì)量為56kg，位于太陽同步軌道，高度為635km，設計壽命2年。有效載荷為1臺高分辨率攝像機和1臺低分辨率攝像機。高分辨率攝像機主要由索尼公司的高清晰度DXC－990P型民用可遙控攝像機和尼康公司制造的焦距1m、相對孔徑f/11的折射望遠鏡組成，包括支撐結(jié)構的總質(zhì)量為7.8kg?？臻g分辨率為6m，幅寬為3.5km。

目標“凝視”觀測示意圖

索尼的DXC－990P攝像機（左）星載高分辨率攝像機（右）

DXC－990P是1臺可換鏡頭式3CCD攝像機，每塊CCD的像元數(shù)為752×582，合430萬像素，像元尺寸為7μm。通過棱鏡將紅綠藍（RGB）三原色光匯聚到3個CCD上，畫質(zhì)比單CCD攝像機更好。選擇DXC－990P監(jiān)控攝像機的另一個主要原因是其具有Exwave HAD技術，適于光照強度大范圍變化的場合使用，如存在部分云覆蓋的目標區(qū)域。該攝像機的行掃描速度為15.625kHz，列掃描速度為50Hz，可以產(chǎn)生50幀/秒的視頻，輸出清晰度達到850線，輸出格式為PAL制式。

選擇全自動模式為該攝像機的默認工作模式，意味著攝像機自動控制增益、白平衡和快門速度。也可以通過星載計算機響應地面指令，手動設置上述參數(shù)。快門速度最快達到10－6s，用于補償有云區(qū)域因云反射太陽光造成的過度曝光。

D X C－990 P用戶手冊標出的工作溫度范圍是－5～45℃，衛(wèi)星熱控系統(tǒng)使溫度控制在±10°內(nèi)，而環(huán)境測試表明該攝像機在－20℃時仍能運行良好，因此該攝像機在軌工作的溫度環(huán)境不存在問題。

低分辨率攝像機由德國Kappa公司研制，使用50mm焦距鏡頭，采用752像素×582像素CCD面陣探測器，空間分辨率200m，幅寬81km。

DXC－990P攝像機的安防監(jiān)控、科研和產(chǎn)品生產(chǎn)監(jiān)視用途

低分辨率視頻相機

印度尼西亞國家航空航天研究所－A2（LAPAN-A2）衛(wèi)星

印度尼西亞國家航空航天研究所－A2衛(wèi)星計劃于2014年發(fā)射，運行在近赤道軌道，高度650km，傾角8°，平臺尺寸為47cm×50cm×36cm，發(fā)射質(zhì)量76kg。在俯仰和滾動向可側(cè)擺機動±30°。它共攜帶4個有效載荷，包括與印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術大學衛(wèi)星相同的視頻相機、試驗型空間數(shù)字相機、船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）和無線電通信載荷。研制成本約350萬美元。

試驗型空間數(shù)字相機基于德國西塔系統(tǒng)電子股份有限公司（Theta System Elektronik GmbH）的名稱為C4000型空間攝像機（SpaceCam）商業(yè)現(xiàn)貨研制。C4000型空間攝像機采用CMOSIS公司生產(chǎn)的400萬像素（2048×2048）CMOS面陣探測器，像元尺寸5.5μm，數(shù)字量化12bit?；贑4000型空間攝像機的試驗型空間數(shù)字相機采用焦距600mm鏡頭，空間分辨率6m，幅寬12km。實際上C4000型空間攝像機采用可換鏡頭設計，如果搭配口徑30cm的鏡頭，在630km的軌道高度可以實現(xiàn)優(yōu)于1m的空間分辨率。

印度尼西亞國家航空航天研究所－A2衛(wèi)星結(jié)構透視圖

“天空衛(wèi)星”

天空衛(wèi)星－1是美國的新興航天企業(yè)天空盒子（Skybox）公司于2013年底發(fā)射的商用光學成像和視頻拍攝衛(wèi)星，利用了先進的地面圖像處理等軟件技術，由于商業(yè)保密的原因，目前技術資料極少。Skybox公司認為他們是一個IT類公司而不是航天企業(yè)，說明天空衛(wèi)星－1除硬件先進外，還采用了先進的軟件技術。

天空衛(wèi)星－1質(zhì)量約91 kg，運行在高600 km的太陽同步軌道。攜帶碳化硅制造的里奇-克萊琴（R-C）反射光學成像系統(tǒng)。天空衛(wèi)星－1在成像模式工作時，其全色分辨率0.9m，4譜段多光譜分辨率2m，幅寬8km；在視頻模式工作時，只能提供全色視頻，分辨率1.1m，幅寬2km×1.1km，可見視頻產(chǎn)品的幅寬比成像模式時的幅寬下降3倍。視頻每秒30幀，持續(xù)時間90s，輸出H.264編碼的1080P高清MPEG4格式視頻。

空間相機拍攝高幀速率視頻對探測器所需的積分時間和電路讀出時間的要求比拍攝傳統(tǒng)靜態(tài)圖像的要求高。拍攝視頻要求在較短的積分時間內(nèi)滿足圖像信噪比的要求。傳統(tǒng)的線陣探測器難以滿足這一要求，因此天空衛(wèi)星－1使用550萬像素的CMOS面陣探測器，實現(xiàn)畫幅式推掃成像。根據(jù)天空盒子公司公布的有限資料推測，“天空衛(wèi)星”使用了錯位排列拼接的CMOS面陣探測器。使用拼接陣列的原因通常是受限于當時的探測器加工技術，難以制造像素數(shù)多的探測器，因此采用拼接，以擴大觀測幅寬。由于面陣探測器單次成像面積比線陣探測器大，因此同一目標區(qū)域可以獲得多次拍攝機會，通過多幅圖像疊加處理，提高了信噪比。

為了實現(xiàn)“凝視”以拍攝視頻，“天空衛(wèi)星”能夠在俯仰、滾動和偏航3個方向?qū)崿F(xiàn)側(cè)擺機動。同時CMOS探測器還具有前后左右4個方向的自由度，配合平臺的3個自由度，共計7個自由度，由此實現(xiàn)圖像運動補償，從而加強了凝視效果。

同一目標區(qū)域被多次成像

V1C型小衛(wèi)星

2014年4月，薩瑞美國（SST－US）公司發(fā)布了其新近研制的具有彩色視頻成像能力的V1C型小衛(wèi)星。

V1C型小衛(wèi)星價格低于2000萬美元，星下點空間分辨率優(yōu)于1m，地面幅寬為10km，幀頻高達100幀/秒。V1C型衛(wèi)星基于薩瑞公司新近推出的SSTL－X50衛(wèi)星平臺研制，具有星上大數(shù)據(jù)存儲能力。此外，薩瑞美國公司還推出了具有0.5m分辨率光學成像能力的L1型衛(wèi)星。VIC型衛(wèi)星和L1型衛(wèi)星具有任務可再配置能力，可以應用在一系列情報收集領域，如監(jiān)視、探測和確認等。

V1C型小衛(wèi)星外形圖

根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量不同，V1C型衛(wèi)星可構成多種不同的星座構型，如以30～60min的時間間隔部署在同一軌道，以便于在每天特定時段提供近實時的視頻覆蓋。

地球直播公司的“國際空間站”高分辨率視頻相機項目

2013年11月25日，加拿大地球直播（Urthecast）公司的兩部光學成像系統(tǒng)—高分辨率相機和中分辨率相機，由俄羅斯“進步”貨運飛船送往“國際空間站”。2014年1月27日，高分辨率相機和中分辨率相機在“國際空間站”的俄羅斯星辰號服務艙上成功安裝。

地球直播公司是利用大數(shù)據(jù)技術以互聯(lián)網(wǎng)和移動終端為平臺，為用戶提供衛(wèi)星數(shù)據(jù)定制服務的新型宇航企業(yè)。該公司允許其他開發(fā)者在其提供的開源應用程序接口（API）的基礎上制作應用程序（APP），在環(huán)保、教育、災害監(jiān)視、傳媒甚至游戲開發(fā)等領域有廣闊的應用前景。地球直播公司與Youtube和Flickr等社交和移動媒體網(wǎng)站合作，方便用戶創(chuàng)建、發(fā)布和共享圖像或視頻。用戶也可以在“地球直播”網(wǎng)站上免費注冊，訂閱關注的位置信息。商業(yè)模式包括對地觀測圖像銷售、視頻銷售、網(wǎng)絡廣告銷售和應用平臺銷售4大部分。

加拿大地球直播公司的高分辨率相機和中分辨率相機

高分辨率相機由英國盧瑟福-阿普爾頓實驗室（RAL）與加拿大麥德（MDA）公司合作研制，安裝在一個可轉(zhuǎn)向的平臺上，分辨率為1.1m，視場為5km×3.4km，采用3048像素×4560像素的面陣探測器，能夠拍攝單幅圖像和幀速率3.25fps（1fps=0.304m/s）的視頻，高分辨率相機每天可產(chǎn)出150段每段90s的視頻。高分辨率相機對地“凝視”利用的是二維轉(zhuǎn)向平臺（BPP）。

4 視頻衛(wèi)星技術總結(jié)

低軌視頻衛(wèi)星對平臺的要求

為了使得視頻衛(wèi)星光學遙感器的光軸始終對準地面目標區(qū)域進行不間斷攝像，衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)需要實時調(diào)整星體的姿態(tài)，以克服衛(wèi)星的軌道運動、姿態(tài)運動和地球自轉(zhuǎn)帶來的目標不斷偏離光軸的影響，使光學遙感器的光軸始終對準目標。凝視問題實際上就是星體對運動目標的姿態(tài)跟蹤問題。

對載荷的要求

（1）高軌視頻衛(wèi)星需要具備大口徑光學成像系統(tǒng)，才能滿足軍事應用需求

根據(jù)美、歐計算，在靜止軌道實現(xiàn)1m分辨率至少要求光學系統(tǒng)的口徑達到13m，現(xiàn)階段美、歐單體空間反射鏡制造水平在3～4m水平，僅能達到星下點3m的空間分辨率。這一指標可以滿足部分軍事應用需求，如艦船監(jiān)視等。

（2）低軌微小視頻衛(wèi)星需要面陣探測器

在進行成像過程中，低軌衛(wèi)星相對于被觀測對象處于快速運動狀態(tài)，衛(wèi)星運動使得在曝光時間內(nèi)被攝目標影像與探測器之間存在相對運動，目標在探測器上所成的像不是靜止的，而是運動的，即造成像移。

傳統(tǒng)線陣推掃拍攝靜態(tài)圖像時，被觀測目標的像在探測元上的駐留時間較長，即大于或等于探測器的積分時間，也即像移量小于或等于探測元尺寸，像移對圖像質(zhì)量的影響還可接受，進行適當像移補償或不進行像移補償都能滿足成像要求。

凝視拍攝視頻時，若被觀測目標的像在探測元上的駐留時間比探測器積分時間短，產(chǎn)生的像移量明顯大于探測元尺寸，即對圖像質(zhì)量的影響較大，不進行像移補償很難獲得較好的成像質(zhì)量。對補償有兩種方法，一種是與平臺進行互動，利用平臺調(diào)整姿態(tài)，對像移進行補充，另一種通過采用可位移的探測器進行補償，或采用擺鏡的方法進行補償。