美國(guó)甚高分辨率商業(yè)光學(xué)成像衛(wèi)星的發(fā)展情況和數(shù)據(jù)服務(wù)模式

· 文 |中國(guó)航天科技集團(tuán)公司 周潤(rùn)松

美國(guó)甚高分辨率商業(yè)光學(xué)成像衛(wèi)星的發(fā)展情況和數(shù)據(jù)服務(wù)模式

· 文 |中國(guó)航天科技集團(tuán)公司 周潤(rùn)松

美國(guó)世界觀測(cè)（WorldView）和地球眼（Geoeye）等亞米級(jí)分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星是目前世界上性能最強(qiáng)的在軌商業(yè)光學(xué)成像衛(wèi)星，這些衛(wèi)星的發(fā)展有濃厚的軍方背景，其業(yè)務(wù)應(yīng)用的一半以上服務(wù)于美國(guó)軍方。本文首先簡(jiǎn)要介紹這類衛(wèi)星的發(fā)展背景，并介紹近年曝光的該類商業(yè)光學(xué)成像衛(wèi)星的軍事應(yīng)用模式。

一、美國(guó)甚高分辨率商業(yè)光學(xué)成像衛(wèi)星的軍事背景

2003年10月，美國(guó)國(guó)家地理空間情報(bào)局（NGA）在“下一代視景”（NextView）計(jì)劃下，以預(yù)付圖像采購(gòu)費(fèi)的方式資助數(shù)字全球公司（DigitalGlobe）發(fā)展WorldView系列衛(wèi)星，用于取代當(dāng)時(shí)0.6m分辨率快鳥-2（QuickBird-2）衛(wèi)星。WorldView-1和WorldView-2衛(wèi)星分別于2007年和2009年成功發(fā)射入軌。2004年9月，NGA在NextView計(jì)劃下，以相同方式資助當(dāng)時(shí)的“軌道圖像”（Orbimage）公司發(fā)展軌道觀測(cè)-5 （OrbView-5）衛(wèi)星，2006年Orbimage公司重組為“地球眼”（Geoeye）公司，OrbView-5也改名為Geoeye-1，該星于2008年成功發(fā)射，空間分辨率達(dá)到0.41m。

2010年，NGA與數(shù)字全球公司和“地球眼”公司分別簽訂了為期10年的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)采購(gòu)合同—增強(qiáng)視景（EnhancedView）計(jì)劃合同，合同數(shù)額分別高達(dá)35.5億美元和38億美元，支持這兩家公司發(fā)展更高分辨率的Geoeye-2和WorldView-3等衛(wèi)星。由于2012年美國(guó)航天預(yù)算緊縮，NGA消減了EnhancedView合同額，導(dǎo)致“地球眼”公司被數(shù)字全球公司兼并，Geoeye-2衛(wèi)星也改名為WorldView-4衛(wèi)星。WorldView-3衛(wèi)星于2014年成功發(fā)射，全色分辨率高達(dá)0.31m。分辨率0.25m的Geoeye-2衛(wèi)星也完成了研制，計(jì)劃于2016年后發(fā)射。

可以看到，當(dāng)前在軌的甚高分辨率商業(yè)光學(xué)成像衛(wèi)星的幕后推手均是NGA。NGA原名國(guó)家圖像與測(cè)繪局（NIMA），1996年由中央情報(bào)局國(guó)家圖像判讀中心（NPIC）、國(guó)防部情報(bào)局辦公室、國(guó)防部情報(bào)局圖像分析處、中央圖像局和國(guó)防情報(bào)分發(fā)計(jì)劃局等五個(gè)機(jī)構(gòu)組建而成，隸屬于美國(guó)國(guó)防部，主要任務(wù)是及時(shí)準(zhǔn)確地向軍事決策者和行動(dòng)部門提供戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)圖像情報(bào)支援的同時(shí)，滿足國(guó)家決策層及其他非軍事部門對(duì)圖像情報(bào)的各類需要。此外，國(guó)家圖像與測(cè)繪局還執(zhí)行國(guó)防情報(bào)局、國(guó)家偵察局和國(guó)防航空偵察局等機(jī)構(gòu)的某些職能。隨著美國(guó)《2004財(cái)年國(guó)防授權(quán)法案》的簽署，國(guó)家圖像與測(cè)繪局正式更名為NGA。NGA是美國(guó)情報(bào)界的一個(gè)要害部門，也是重要的作戰(zhàn)保障機(jī)構(gòu)，它接受中央情報(bào)局和國(guó)防部的雙重領(lǐng)導(dǎo)，其主要任務(wù)是研究美國(guó)通過(guò)軍事偵察衛(wèi)星、高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星或其他途徑得到的各種圖像數(shù)據(jù)，繪制出相應(yīng)的地圖產(chǎn)品，提供地理空間情報(bào)，包括地球自然特征和地理基準(zhǔn)的分析與描繪，以支持國(guó)家安全行動(dòng)。

二、美國(guó)甚高分辨率商業(yè)光學(xué)成像衛(wèi)星的軍事應(yīng)用模式

作為Geoeye、WorldView系列衛(wèi)星的運(yùn)營(yíng)商，近年曝光了服務(wù)NGA的應(yīng)用模式，值得我們高度關(guān)注。

美國(guó)數(shù)字全球公司的“全球增強(qiáng)地理空間情報(bào)交付（G-EGD）項(xiàng)目”（如圖1所示）向NGA及其用戶提供最新、非密的高分辨率圖像，以支持作戰(zhàn)決策、突發(fā)事件和態(tài)勢(shì)感知。在NextView計(jì)劃授權(quán)下，G-EGD的正射校正和正射鑲嵌產(chǎn)品在線上和線下均可獲取，包括近無(wú)云基礎(chǔ)圖像底層產(chǎn)品、全球圖像條帶連續(xù)交付產(chǎn)品、高優(yōu)先級(jí)地理位置的“快速響應(yīng)”圖像產(chǎn)品等。任何連接互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備均可按需訪問(wèn)。憑借世界最先進(jìn)的商業(yè)成像衛(wèi)星星座，數(shù)字全球公司每天增加近1百萬(wàn)平方千米的新圖像，使G-EGD項(xiàng)目的多數(shù)產(chǎn)品可當(dāng)天交付，保證向客戶提供最新的數(shù)據(jù)。

圖1　全球增強(qiáng)地理空間情報(bào)交付項(xiàng)目

增強(qiáng)視景計(jì)劃虛擬主機(jī)服務(wù)（EV WHS）是G-EGD項(xiàng)目的核心，EV WHS向業(yè)界用戶提供最全面、基于互聯(lián)網(wǎng)/非安全互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議路由網(wǎng)絡(luò)（NIPRNET）/安全互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議路由網(wǎng)絡(luò)（SIPRNET）的高分辨率正射影像在線接入服務(wù)，相關(guān)數(shù)據(jù)包括多層圖像和多種數(shù)據(jù)源。EV WHS訪問(wèn)方式包括以下3種：

（1）通過(guò)“開放地理空間聯(lián)盟”（OGC）服務(wù)訪問(wèn)。該服務(wù)與OGC相符的政府或商業(yè)應(yīng)用兼容，在線門戶例如FalconView、ArcGIS、SA和Gaia。開放地理空間聯(lián)盟服務(wù)項(xiàng)目見表1。

（2）通過(guò)“我的數(shù)字全球”訪問(wèn)。該產(chǎn)品是一個(gè)直觀的、基于瀏覽器的工具，用戶可根據(jù)位置、觀看內(nèi)容等需求進(jìn)行搜索，具有多樣化的輸出形式，用戶可獲得虛擬鑲嵌的“混搭”產(chǎn)品，可輸出并保存為多種格式文件。圖2 所示是“我的數(shù)字全球”工具界面。

（3）通過(guò)“數(shù)字全球地球服務(wù)”訪問(wèn)。該產(chǎn)品是基于瀏覽器的圖像選擇工具，與基于“鎖眼標(biāo)記語(yǔ)言”（KML）的瀏覽器兼容，如Google Earth、ArcGIS Explorer、World Wind瀏覽器。用戶可以分割并按照多種文件格式下載圖像。

EV WHS可交付的產(chǎn)品包括3類：

表1　開放地理空間聯(lián)盟服務(wù)

（1）基礎(chǔ)地理空間情報(bào)（FG）層：目前是由0.25°地理區(qū)域構(gòu)成的無(wú)縫、近無(wú)云或正射鑲嵌底層，當(dāng)前可滿足6個(gè)月到3年間隔的需求。

（2）圖像條帶（IS）層：線上提供的、及時(shí)的正射校正的圖像條帶，可在24小時(shí)內(nèi)交付。

（3）快速響應(yīng)正射（RRO）層：按需的、正射校正/正射鑲嵌的圖像，以用戶申請(qǐng)?zhí)峁?，從訂單確認(rèn)到圖像可交付的時(shí)間為單條帶24小時(shí)內(nèi)，大于1500km2圖像的交付時(shí)間需72小時(shí)以上。

數(shù)字全球公司實(shí)施了下列措施以保證敏感數(shù)據(jù)的安全性：

（1）采用128位加密套接字協(xié)議層（SSL）加密；

（2）實(shí)施用戶訪問(wèn)限制。構(gòu)建了全球獨(dú)一驗(yàn)證（GUID）用戶驗(yàn)證模型，通過(guò)基于圖像層級(jí)的授權(quán)訪問(wèn)和地理限制，控制個(gè)人賬戶訪問(wèn)；

（3）使用非安全互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議路由網(wǎng)絡(luò)和安全互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議路由網(wǎng)絡(luò)。

三、總結(jié)

通過(guò)公開的有限資料可以看出，美國(guó)數(shù)字全球公司在下一代視景和增強(qiáng)視景計(jì)劃下，發(fā)展了天基、空基多數(shù)據(jù)源，光學(xué)、雷達(dá)多探測(cè)手段的地理空間情報(bào)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，結(jié)合自有甚高分辨率光學(xué)衛(wèi)星星座和第三方的固定翼飛機(jī)、直升飛機(jī)、衛(wèi)星平臺(tái)，每日可大量獲取圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理，向NGA及其用戶提供及時(shí)的地理空間情報(bào)數(shù)據(jù)；建立了嚴(yán)格的用戶身份驗(yàn)證系統(tǒng)，確保敏感圖像數(shù)據(jù)的安全傳輸；利用非加密的互聯(lián)網(wǎng)和加密的軍用通信網(wǎng)絡(luò)快速有效地按需分發(fā)數(shù)據(jù)，服務(wù)于戰(zhàn)略決策者和戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)指揮人員。

圖2　“我的數(shù)字全球”工具界面