法國新一代成像偵察衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展

劉韜（北京空間科技信息研究所）

2018年12月19日，法國光學(xué)空間段－1（CSO－1）衛(wèi)星由歐洲阿里安集團(tuán)采用俄羅斯聯(lián)盟號運(yùn)載火箭成功發(fā)射，標(biāo)志著法國最新一代光學(xué)成像偵察衛(wèi)星開始部署。CSO－1衛(wèi)星運(yùn)行在800km的軌道，分辨率達(dá)到0.35m，具有自主運(yùn)行能力，技術(shù)水平幾乎達(dá)到美國鎖眼－12（KH－12）光學(xué)成像偵察衛(wèi)星水平，其先進(jìn)的偵察能力引發(fā)國內(nèi)外高度關(guān)注。

法國軍用光學(xué)成像偵察衛(wèi)星起步晚于美國和俄羅斯，但發(fā)展很快，代表了歐洲天基光學(xué)成像的最高水平。隨著高時(shí)效性觀測、精細(xì)化觀測、圖像快速下傳等需求對衛(wèi)星系統(tǒng)能力的要求進(jìn)一步加強(qiáng)。近年，法國十分重視光學(xué)成像偵察衛(wèi)星的更新?lián)Q代，最新一代光學(xué)偵察衛(wèi)星計(jì)劃于2018－2022年陸續(xù)部署，軍用“光學(xué)空間段”光學(xué)成像偵察衛(wèi)星將接替太陽神－2（Helios－2）光學(xué)成像偵察衛(wèi)星，使其分辨率從0.5m提高到0.2m。

同時(shí)，法國光學(xué)成像偵察衛(wèi)星向體系化發(fā)展，正在論證地球靜止軌道、大橢圓軌道光學(xué)成像衛(wèi)星，未來有望與低軌衛(wèi)星共同組建高低軌結(jié)合的光學(xué)成像偵察衛(wèi)星體系。

1 “光學(xué)空間段”衛(wèi)星發(fā)展歷程

“光學(xué)空間段”衛(wèi)星是法國軍用高分辨率光學(xué)成像偵察衛(wèi)星，也是歐洲聯(lián)合發(fā)展的“多國天基成像系統(tǒng)”（MUSIS）的重要組成部分。法國是歐洲“多國天基成像系統(tǒng)”計(jì)劃的主導(dǎo)國家之一，歐洲國家通過該計(jì)劃推進(jìn)歐洲一體化的軍用對地觀測衛(wèi)星體系，滿足歐洲各國安全防務(wù)等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。“多國天基成像系統(tǒng)”主要由法國、意大利和德國分別研制，法國負(fù)責(zé)光學(xué)成像偵察衛(wèi)星，德國和意大利主要負(fù)責(zé)雷達(dá)成像偵察衛(wèi)星，并通過多國間的共享協(xié)議來換取對方不具備的情報(bào)數(shù)據(jù)。具體來說，光學(xué)成像偵察衛(wèi)星方面，法國持續(xù)推進(jìn)“光學(xué)空間段”衛(wèi)星，西班牙持續(xù)推進(jìn)“智慧”（Ingenio）軍民兩用光學(xué)衛(wèi)星；雷達(dá)成像偵察衛(wèi)星方面，德國推進(jìn)新型軍用雷達(dá)成像偵察衛(wèi)星（SARah），意大利正式簽署了“第二代地中海盆地觀測小衛(wèi)星星座”（CSG）軍民兩用雷達(dá)成像偵察衛(wèi)星的發(fā)射合同，西班牙已經(jīng)發(fā)射了“帕茲”（Paz）軍民兩用雷達(dá)衛(wèi)星。上述衛(wèi)星都是MUSIS的核心組成部分。

2010年12月，法國國防部向阿斯特留姆公司，也就是現(xiàn)在的空客防務(wù)與航天公司(ADS）,授出了2顆CSO衛(wèi)星合同，價(jià)值7.95億歐元。CSO衛(wèi)星將為法國軍方和其合作伙伴(比利時(shí)、意大利、德國、希臘和西班牙)提供高分辨率光學(xué)圖像。2011年，法國國防部和法國航天局開始了“光學(xué)空間段”衛(wèi)星的論證工作，于2011年2月立項(xiàng)，項(xiàng)目名稱為CXCI，2012年項(xiàng)目名稱改為“高分辨率對地觀測光學(xué)系統(tǒng)”（OTOS），項(xiàng)目目的是同時(shí)為法國軍用“光學(xué)空間段”衛(wèi)星和“下一代昴宿星”（Pleiades Neo）進(jìn)行技術(shù)鋪墊。該項(xiàng)目重點(diǎn)關(guān)注新型有效載荷技術(shù)的發(fā)展，包括質(zhì)量更輕、體積更小的空間相機(jī)技術(shù)（包括輕質(zhì)量大口徑主鏡技術(shù)、相機(jī)光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)和相關(guān)材料技術(shù)等）、自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)（包括變形反射鏡等技術(shù)）、時(shí)間延遲積分電荷耦合器件（TDI CCD）和面陣互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）探測器的論證選擇等問題。

2013年9月，法國國防部長伊夫·勒德里昂表示，已包括2顆衛(wèi)星的CSO系統(tǒng)需要第三顆衛(wèi)星，法國應(yīng)當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目。并且如果歐盟執(zhí)行委員會作為用戶加入該系統(tǒng)，將可能融資建造第三顆衛(wèi)星。勒德里昂在法國航天局（CNES）內(nèi)部刊物的訪談欄目中表示，法國希望加強(qiáng)與德國和意大利對于CSO系統(tǒng)的圖像共享協(xié)議，即根據(jù)分別簽署的雙邊協(xié)議，法國向上述兩國提供光學(xué)圖像，以換取雷達(dá)圖像。法國希望制造第三顆CSO衛(wèi)星以保持在歐洲光學(xué)成像偵察方面的優(yōu)勢。2015年3月，法、德達(dá)成初步協(xié)議，德國為法國開發(fā)第3顆CSO衛(wèi)星投入部分資金，作為回報(bào)，德國可獲得CSO三星星座20%的圖像數(shù)據(jù)。至此，3顆CSO衛(wèi)星資金基本到位，整個(gè)CSO衛(wèi)星系統(tǒng)成本為13億歐元。

2 CSO衛(wèi)星系統(tǒng)指標(biāo)

CSO星座包括3顆光學(xué)成像偵察衛(wèi)星，以兼顧甚高分辨率詳查和較快的重訪能力。3顆衛(wèi)星設(shè)計(jì)基本相似，但部署軌道有所差異。CSO－1衛(wèi)星運(yùn)行在800km的軌道，分辨率達(dá)到0.35m，旨在提供較寬覆蓋和戰(zhàn)區(qū)的快速重訪能力；CSO－2衛(wèi)星運(yùn)行在480km軌道，分辨率達(dá)到0.2m，更高的分辨率更適于對目標(biāo)進(jìn)行識別，特別適合為分析決策服務(wù)，計(jì)劃于2021年發(fā)射。CSO－3衛(wèi)星更加注重高重訪能力，具體部署軌道高度和分辨率指標(biāo)還不明確，CSO－3衛(wèi)星的發(fā)射合同已于2018年授出，將由阿里安－6（Ariane－6）火箭發(fā)射。

CSO衛(wèi)星質(zhì)量為3.5t，平臺具備很高的敏捷能力，部分技術(shù)來源于“昴宿星”，CSO衛(wèi)星具有自主軌道控制能力，可保持精確軌位，載荷具有可見光和紅外成像能力。其紅外探測器基于碲鎘汞（MCT）技術(shù)，由法國Sofradir公司研制。CSO衛(wèi)星具備較強(qiáng)的敏捷能力，具有多種成像模式，能夠拍攝三維圖片。在載荷方面，CSO衛(wèi)星的空間相機(jī)與太陽神-2的相機(jī)相比，取得了重大技術(shù)進(jìn)步，采用了全新的可見光和紅外探測器、高度集成的視頻電子器件、用于紅外通道的新制冷機(jī)制以及相機(jī)的新陶瓷支撐架構(gòu)。與太陽神-2相機(jī)相比，CSO空間相機(jī)大30%，部件數(shù)是其兩倍，但研制時(shí)間縮短了40%。CSO的空間相機(jī)是歐洲有史以來最大和最為復(fù)雜的相機(jī)。此外，由于對地面站進(jìn)行了優(yōu)化，CSO衛(wèi)星圖像下傳時(shí)間從上一代太陽神-2衛(wèi)星的6h提高到90min?？傮w來說，CSO衛(wèi)星是高度保密的偵察衛(wèi)星，具體技術(shù)細(xì)節(jié)沒有公開報(bào)道，但其技術(shù)來源于CNES開展的“高分辨率對地觀測光學(xué)系統(tǒng)”項(xiàng)目。

成像探測器和相應(yīng)的望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)方案

OTOS項(xiàng)目根據(jù)700km軌道、0.2～0.3m分辨率的設(shè)計(jì)需求，給出了若干探測器和相機(jī)設(shè)計(jì)方案，2016年又曝光了最終設(shè)計(jì)方案，可以合理推測CSO衛(wèi)星的技術(shù)指標(biāo)。OTOS項(xiàng)目研制的相機(jī)主鏡口徑1.5m，在700km軌道可實(shí)現(xiàn)全色0.2～0.3m的分辨率，視場1.2°,幅寬15km。OTOS在技術(shù)論證過程中，探測器有3個(gè)方案，包括2種面陣探測器方案和TDI方案，對應(yīng)6種望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)方案。

泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）為OTOS項(xiàng)目研制了基于微晶玻璃的主鏡，ADS公司為其研制了碳化硅（SiC）主鏡。相機(jī)采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，TAS和ADS公司分別為這兩種不同材料的主鏡研制了兩套不同的變形反射鏡，TAS公司研制了微晶玻璃變形反射鏡；由ADS公司牽頭，法國CILAS公司研制了基于單晶壓電陶瓷的變形反射鏡。

法國研究表明，兩種Korsch型望遠(yuǎn)鏡方案滿足相機(jī)小型化、設(shè)計(jì)容差、圖像變形約束和望遠(yuǎn)鏡質(zhì)量的要求。法國選擇的最終方案為F/20 Korsch型望遠(yuǎn)鏡方案。

從曝光的CSO衛(wèi)星技術(shù)指標(biāo)來看，其分辨率和部署軌道高度均與OTOS預(yù)研衛(wèi)星項(xiàng)目相似，除已曝光的分辨率指標(biāo)外，根據(jù)OTOS項(xiàng)目透露的指標(biāo)，推測CSO衛(wèi)星空間相機(jī)口徑為1.5m、幅寬約為15km（該值為700km高度的幅寬，根據(jù)實(shí)際軌道高度，有所改變）。

最后，OTOS項(xiàng)目研發(fā)的衛(wèi)星在700km軌道可實(shí)現(xiàn)0.2～0.3m全色空間分辨率估算，假設(shè)CSO衛(wèi)星部署在300km軌道，可近似達(dá)到0.1m水平，已達(dá)到美國KH-12衛(wèi)星全色分辨率指標(biāo)。而CSO衛(wèi)星質(zhì)量僅為3.5t，KH-12衛(wèi)星干質(zhì)量達(dá)到10t，可見法國以更低的質(zhì)量實(shí)現(xiàn)了近似相同的分辨率。

法國高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星對比

3 法國光學(xué)成像偵察衛(wèi)星體系展望

在升級換代低軌光學(xué)成像偵察衛(wèi)星的同時(shí)，法國也十分重視發(fā)展由低軌、橢圓軌道和靜止軌道衛(wèi)星構(gòu)成光學(xué)成像偵察衛(wèi)星體系。

低軌光學(xué)成像衛(wèi)星

未來法國低軌光學(xué)成像偵察衛(wèi)星主要由CSO衛(wèi)星和商為軍用的Pleiades Neo組成。

目前，ADS公司正在研制Pleiades Neo衛(wèi)星，以追趕美國數(shù)字全球公司（DigitalGlobe）的世界觀測-3、4（WorldView-3、4）衛(wèi)星的能力水平，從而獲得更多的市場。ADS公司兼顧對地成像與通信數(shù)傳能力融合發(fā)展，Pleiades Neo將4星組網(wǎng)，分辨率提高到0.3m，具備激光通信鏈路，通過歐洲數(shù)據(jù)中繼（EDRS）靜止軌道通信衛(wèi)星獲得的中繼數(shù)據(jù)，以大幅度增加數(shù)據(jù)獲取能力。

與現(xiàn)有“昴宿星”星座相比，該星座每天的重訪次數(shù)是其2倍，重新規(guī)劃任務(wù)的速度是其6倍。用戶將利用Pleiades Neo星座更強(qiáng)的監(jiān)測能力和運(yùn)行效率開展應(yīng)用。根據(jù)ADS公司提升數(shù)字化程度和連通性的戰(zhàn)略部署，公司將增強(qiáng)地面部分的信息訪問能力，提供機(jī)器學(xué)習(xí)和自動化分析應(yīng)用，這些應(yīng)用具備多重任務(wù)和大規(guī)模圖像處理能力。

每顆衛(wèi)星每天可拍攝5×105km2的圖像數(shù)據(jù)。衛(wèi)星拍攝的圖像將被上傳至“綜合地圖集”（OneAtlas）在線平臺，與ADS公司擁有的光學(xué)和雷達(dá)數(shù)據(jù)融合，供客戶進(jìn)行即時(shí)數(shù)據(jù)訪問和分析。

Pleiades Neo星座可直接連接“歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)”，該系統(tǒng)又名“太空數(shù)據(jù)高速公路”（Space Data Highway），由歐洲航天局（ESA）和ADS公司以公私合作（PPP）形式聯(lián)合開發(fā)，已為歐盟“哥白尼”計(jì)劃中的Sentinel系列衛(wèi)星提供服務(wù)。Pleiades Neo星座將是第一個(gè)可直接連接EDRS的商業(yè)對地觀測衛(wèi)星星座，能夠確保星座具有最快反應(yīng)速率、最低響應(yīng)延遲和高容量數(shù)據(jù)傳輸能力。Pleiades Neo星座采用先進(jìn)的激光通信技術(shù)，與地球靜止軌道上的中繼衛(wèi)星的通信帶寬達(dá)1.8Gbit/s，借助中繼衛(wèi)星每天可實(shí)現(xiàn)高達(dá)40TB的準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。Pleiades Neo星座的集成激光終端由德國Tesat空間通信公司（TesatSpacecom）設(shè)計(jì)，德國航天局（DLR）和ADS公司聯(lián)合研制，德國航天局為終端的研發(fā)和驗(yàn)證提供技術(shù)支撐，德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)和能源部提供資金支持，這種聯(lián)合研制的方式可顯著提升設(shè)計(jì)和集成的成本效率。與現(xiàn)有終端相比，新一代激光終端的功率得到了優(yōu)化，質(zhì)量和尺寸減少了60%。4顆衛(wèi)星均載有快速反應(yīng)式Ka頻段終端，這對于自然災(zāi)害和一線應(yīng)急響應(yīng)評估相當(dāng)重要。

法國橢圓軌道高分辨率對地觀測衛(wèi)星參數(shù)表

橢圓軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星

體系第二部分是分辨率為1m的橢圓軌道衛(wèi)星（該項(xiàng)目名稱為HRT），其持續(xù)觀測時(shí)間達(dá)到45min。據(jù)分析，法國這顆橢圓軌道衛(wèi)星的突出特點(diǎn)是致力于在軌道高度6353km的遠(yuǎn)地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)1m空間分辨率/50km幅寬的寬幅高分觀測能力。相比來說，俄羅斯運(yùn)行在高度2000～3000km的橢圓軌道的“阿拉克斯”（Araks）衛(wèi)星，其2m的最高分辨率是在近地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的；美國的運(yùn)行于300～1000km軌道的鎖眼－12衛(wèi)星也是在近地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)最高分辨率的。

橢圓軌道衛(wèi)星相對于低軌衛(wèi)星的優(yōu)勢是在遠(yuǎn)地點(diǎn)弧段駐留目標(biāo)上空的時(shí)間較長，可在近一半的軌道范圍內(nèi)觀測感興趣的地區(qū)。但另一方面，該類衛(wèi)星目前也面臨諸多技術(shù)問題。首先，在運(yùn)載火箭兼容性上存在問題，116°的軌道傾角超出了Vega運(yùn)載火箭的現(xiàn)有設(shè)計(jì)能力。其次，橢圓軌道衛(wèi)星面臨較強(qiáng)的空間輻射，但CNES的“昴宿星”項(xiàng)目主任阿蘭·戈萊澤斯表示，該機(jī)構(gòu)已經(jīng)擁有了輻射加固方面的新專利技術(shù)，可以減輕輻射對衛(wèi)星的影響，但具體內(nèi)容在專利公布前是保密的。再次，橢圓軌道高分辨率衛(wèi)星需要更大口徑的望遠(yuǎn)鏡，雖然歐洲碳化硅單鏡面成像系統(tǒng)的制造能力可以滿足要求，但還需要利用較為復(fù)雜的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。

靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星

體系第三部分是分辨率為3m的靜止軌道光學(xué)成像衛(wèi)星，其設(shè)計(jì)壽命達(dá)到15年，具備持續(xù)監(jiān)視能力，但面臨很多技術(shù)難題，如：載荷設(shè)計(jì)、圖像處理和軌道控制技術(shù)等。ADS公司和美國鮑爾宇航技術(shù)公司都在研究靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星，但認(rèn)為這種衛(wèi)星的技術(shù)難度最高、體積大、質(zhì)量大，且成本高昂。

然而另一方面，ADS公司公布其在GEO高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星技術(shù)上已經(jīng)取得了一定的技術(shù)突破。ADS公司曾經(jīng)在2011年巴黎航展上對分辨率為3m的“靜止軌道空間監(jiān)視系統(tǒng)”（GO3S）衛(wèi)星的應(yīng)用前景進(jìn)行了模擬演示。又在2012年IAC會議上宣布初步具備了GO3S衛(wèi)星的制造能力，2013年4月對外發(fā)布了GO3S衛(wèi)星的應(yīng)用說明書，以在全球?qū)ふ以撔l(wèi)星的投資。

GO3S衛(wèi)星高10.3m，發(fā)射質(zhì)量8840kg，采用最大口徑達(dá)4m的單塊主反射鏡裝配光學(xué)成像相機(jī)，其主鏡由碳化硅材料制成，遮光罩質(zhì)量為350kg。衛(wèi)星幅寬可達(dá)100km，能夠持續(xù)覆蓋南北緯50°范圍內(nèi)的區(qū)域，提供高分辨率圖像和視頻，具有動目標(biāo)監(jiān)視能力。GO3S衛(wèi)星的應(yīng)用可能是為政府部門進(jìn)行海洋監(jiān)視和環(huán)境監(jiān)測。

4 結(jié)束語

隨著法國新型CSO低軌光學(xué)成像偵察衛(wèi)星的發(fā)展，軍用衛(wèi)星成像能力已達(dá)到0.2m水平，其實(shí)力已接近美國，強(qiáng)于俄羅斯。軍用CSO系列衛(wèi)星多種軌道配合組網(wǎng)，一方面兼顧甚高分辨率重訪和較大幅寬覆蓋，提高了重訪能力，另一方面也提升了體系彈性。在發(fā)展道路上，法國新一代軍用衛(wèi)星和民用衛(wèi)星來源于共同立項(xiàng)的技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，使民用衛(wèi)星在空間分辨率方面大體追平軍用衛(wèi)星。

在光學(xué)成像衛(wèi)星設(shè)計(jì)中，法國統(tǒng)籌考慮衛(wèi)星體系的綜合能力，軍星在追求單星更高分辨率、更輕量化、更好的自主運(yùn)行能力的同時(shí)，也對多軌道衛(wèi)星組成體系非常重視；民星注重衛(wèi)星的搭配組網(wǎng)，在空間分辨率、時(shí)間分辨率上達(dá)到了一個(gè)前所未有的層次。法國新型光學(xué)成像衛(wèi)星的技術(shù)發(fā)展和發(fā)展模式值得參考借鑒。