國外空間對地觀測領域最新發(fā)展

文 | 周一鳴 劉韜

北京空間科技信息研究所

歷經(jīng)近60 年發(fā)展，空間對地觀測體系和能力日趨完備，已經(jīng)開啟大變革時代的序幕，空間對地觀測領域顯現(xiàn)出兩方面特點：一是系統(tǒng)規(guī)模和能力穩(wěn)步發(fā)展，應用廣度和深度不斷延伸，服務能力和產(chǎn)業(yè)化水平顯著提高；二是在大國競爭的時代背景下衍生出的需求變化，已成為未來新一代空間對地觀測系統(tǒng)轉(zhuǎn)型發(fā)展、技術(shù)創(chuàng)新的主導推動力量。

一、總體情況

1.全球?qū)Φ赜^測衛(wèi)星發(fā)射狀況

截至2020 年10 月31 日，全球已發(fā)射10556個航天器，其中對地觀測衛(wèi)星達3273 顆，占比超過三成，位居第二（圖1）。

從時間尺度看，對地觀測衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量在2000-2009、2010-2019 兩個十年間實現(xiàn)快速躍升，由218 顆至1080 顆，增加近5 倍（圖2）。

圖1 全球衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量統(tǒng)計

圖2 近20 年全球?qū)Φ赜^測衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量統(tǒng)計

對地觀測衛(wèi)星發(fā)射規(guī)模顯現(xiàn)兩種“新”趨向，一是傳統(tǒng)大衛(wèi)星（質(zhì)量＞500kg）發(fā)展平穩(wěn)，發(fā)射占比23%；二是創(chuàng)新小衛(wèi)星發(fā)展躍升，發(fā)射占比77%。

2. 全球?qū)Φ赜^測衛(wèi)星在軌狀況

截至2020 年10 月31 日，國外在軌對地觀測衛(wèi)星633 顆，與五年前的在軌數(shù)量255 顆相比，數(shù)量翻了一番。目前美國對地觀測衛(wèi)星數(shù)量最多，約占63.5%（圖3）。

圖3 國外在軌衛(wèi)星數(shù)量統(tǒng)計

對地觀測衛(wèi)星在軌規(guī)模顯現(xiàn)兩種“新”狀態(tài)，一是傳統(tǒng)大衛(wèi)星數(shù)量趨穩(wěn)，占比47%；二是創(chuàng)新小衛(wèi)星數(shù)量躍升，占比53%，已反超大衛(wèi)星。

二、戰(zhàn)略政策最新發(fā)展

目前，美國戰(zhàn)略政策體系最為完備，基于2018 年《國家太空戰(zhàn)略》、2020 年《國防太空戰(zhàn)略》《主宰太空2030 規(guī)劃》等戰(zhàn)略，布局包括對地觀測的新一代太空體系建設。其他國家紛紛發(fā)布對地觀測相關戰(zhàn)略或規(guī)劃，旨在進一步提升對地觀測系統(tǒng)能力。

1.美國提出包括軍用對地觀測的頂層發(fā)展路線，推動體系能力升級

基于上述戰(zhàn)略，美國軍用對地觀測發(fā)展路線可概括為：

2018-2023 年，集成情報界與國防部力量形成統(tǒng)一指揮控制，建立大國對抗基礎能力；

2020-2025 年，太空力量與戰(zhàn)區(qū)陸?？樟α繀f(xié)同部署聯(lián)合運用，依托強大的整體軍力懾止戰(zhàn)爭開始或延伸到太空；

2023-2028 年，通過功能分離、多軌分散等多重手段提升天基戰(zhàn)略體系彈性，設劃紅線，利用核威懾確保保底系統(tǒng)安全；

2026-2030 年，構(gòu)建軍民商盟、高中低軌多層分散的戰(zhàn)區(qū)天基信息支援體系，全面提升天基系統(tǒng)抗毀彈性。在高超跟蹤目指基礎上，進一步集成定位導航授時、戰(zhàn)術(shù)情報監(jiān)視偵察、環(huán)境監(jiān)視等功能。

2. 美國發(fā)布新版商業(yè)對地觀測監(jiān)管規(guī)則，推動數(shù)據(jù)管控分級

2020 年5 月，美國商務部發(fā)布最新版《私營遙感航天系統(tǒng)許可最終規(guī)則》，改革監(jiān)管規(guī)則，構(gòu)建“三級”管控體系。概括來說，第一級對應“能力相當”系統(tǒng)，采取最低限度限制（不設限制）；第二級對應“能力優(yōu)于”系統(tǒng)，由商務部審批；第三級對應“全新能力”系統(tǒng)，商務部與國防部聯(lián)合審批。具體來說：

第一級：指所生成的未增強數(shù)據(jù)與非經(jīng)商務部許可的渠道（如國外系統(tǒng)）“本質(zhì)相同”的系統(tǒng)，其限制條件最少。商務部認為，無論監(jiān)管有多嚴，也無法防止“第一級”系統(tǒng)可能給國家安全造成的損害，因為大致相同的未增強數(shù)據(jù)也能從美國之外的渠道獲得，因此對此類系統(tǒng)的運營不設限制。

第二級：指所生成的未增強數(shù)據(jù)只有美國國內(nèi)部分系統(tǒng)“本質(zhì)相同”的系統(tǒng)?！暗诙墶毕到y(tǒng)沒有國外競爭者，因此除了與“第一級”系統(tǒng)審批條件相同外，還需遵守其他限制性運營指令。例如，可對非地球成像（NEI）、夜間成像（NIT）等進行限制，進行非地球成像（NEI）任務前須獲得人造空間物體（ARSO）所有者的許可，并在執(zhí)行拍攝任務前提前五天向商務部通報。

第三級：指擬建系統(tǒng)將生成的未增強數(shù)據(jù)能力無法在市場上獲得，屬于“全新能力”。因為沒有其他競爭者，所以受到的限制更加嚴格，除了遵守“第二級”系統(tǒng)所需的限制性運營指令外，還需根據(jù)國防部的要求，經(jīng)與商務部協(xié)商，遵守一些暫時性的條件。暫時性條件的有效期為一年（從系統(tǒng)首顆衛(wèi)星投入運營時算起），國防部提出要求并獲得商務部認可后還有兩次可延長一年的機會。

3. 其他國家和地區(qū)紛紛提出對地觀測領域新政策和規(guī)劃

俄羅斯構(gòu)建“球體”（Sfera）天基綜合信息網(wǎng)絡系統(tǒng)，計劃發(fā)展通、導、遙衛(wèi)星組成的600 余顆衛(wèi)星星座，其中遙感衛(wèi)星占1/3。

歐洲推進航天一體化建設，提高歐洲太空技術(shù)獨立性，建設軍民空間基礎設施，積極發(fā)展下一代“哥白尼”（Copernicus）計劃衛(wèi)星，提升歐洲在國際太空舞臺的地位。

日本新版國家太空戰(zhàn)略把“確保太空安全”設為首要目標，提出建設完整的軍事航天體系，將對地觀測（即“活動空間”）作為四項主要內(nèi)容之一。

印度制定了《軍事航天愿景》和《技術(shù)展望與能力路線圖》，構(gòu)建未來天基信息系統(tǒng)。

三、系統(tǒng)技術(shù)最新發(fā)展

目前，對地觀測系統(tǒng)技術(shù)及演進正進入承上啟下的關鍵階段，總體來看，傳統(tǒng)大型衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)穩(wěn)步升級，觀測性能和效能顯著提升；新型小型衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)蓬勃發(fā)展，服務時效性和產(chǎn)品多樣性顯露優(yōu)勢；新一代對地觀測系統(tǒng)技術(shù)呼之欲出，高、低軌衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)多途徑發(fā)展。

1. 傳統(tǒng)大型衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)穩(wěn)步升級，觀測性能和效能顯著提升

（1）大型光學對地觀測衛(wèi)星

近年，美國在軍用大型對地觀測衛(wèi)星方面持續(xù)發(fā)展“鎖眼”（KH）系列衛(wèi)星，4 顆KH-12 衛(wèi)星在軌，衛(wèi)星全色分辨率0.1m，紅外分辨率0.5m，機動能力強。

在大型商業(yè)衛(wèi)星方面，麥克薩公司發(fā)展接替“世界觀測”（WorldView）衛(wèi)星的新星座，含6 顆“軍團”（Legion）衛(wèi)星和6 顆“偵察兵”（SCOUT）衛(wèi)星。Legion 首星計劃于2021 年發(fā)射，該衛(wèi)星以750kg 的質(zhì)量實現(xiàn)0.29m 全色分辨率，而上一代WorldView-3 衛(wèi)星質(zhì)量2.8t，可實現(xiàn)0.31m 分辨率。此外，Legion 衛(wèi)星敏捷能力大幅度提升，星座對重點目標的重訪速率大于20 次重訪/天。同時，綜合軌道的優(yōu)化設計，1 顆Legion 衛(wèi)星具備單軌大區(qū)域覆蓋能力，單軌覆蓋整個臺灣島，而一顆“天空衛(wèi)星”（SkySat）單軌僅能覆蓋臺灣島3%的面積（圖4）。

圖4 Legion 衛(wèi)星單軌大區(qū)域覆蓋能力

法國持續(xù)發(fā)展“光學空間段”（CSO）衛(wèi)星系統(tǒng)，在軌2 顆，其中CSO-1 衛(wèi)星全色分辨率0.35m，CSO-2 衛(wèi)星全色分辨率0.2m，2 顆衛(wèi)星均具備紅外成像能力。印度發(fā)展制圖衛(wèi)星-3（CartoSat-3），全色分辨率0.25m，紅外分辨率5.5m。

（2）大型雷達對地觀測衛(wèi)星

美、歐、印等國持續(xù)發(fā)展大型雷達對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)。美國保持5 顆“未來成像體系”（FIA）雷達衛(wèi)星在軌，分辨率優(yōu)于0.3m。

加拿大發(fā)展接替“雷達衛(wèi)星”（RadarSat）的“雷達衛(wèi)星星座任務”（RCM）三星星座，分辨率1m，每天全球90%區(qū)域覆蓋，具有單軌合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）能力。

德國研發(fā)接替“X 頻段陸地合成孔徑雷達”（TerraSAR-X）星座的“高分辨率寬測繪帶”（HRWS）衛(wèi)星，采用基于數(shù)字波束形成（DBF）技術(shù)的多波束體制，計劃2022 年發(fā)射。

意大利發(fā)展“第二代地中海盆地觀測小衛(wèi)星星座”（CSG），1 顆在軌，提高了短時多點密集成像能力，具備同等分辨率更大幅寬。

印度發(fā)展“雷達成像衛(wèi)星”（RISAT）后續(xù)星，2 顆在軌，最高分辨率0.3m。

（3）紅外對地觀測衛(wèi)星

導彈預警衛(wèi)星具備對地觀測能力，美國利用導彈預警衛(wèi)星對地紅外探測能力，建立了戰(zhàn)場事件監(jiān)視新服務。

70 年代“國防支援計劃”（DSP）衛(wèi)星部署后，工程師評估數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，蘇聯(lián)領土內(nèi)獲得紅外數(shù)據(jù)總有一些很規(guī)則的呈直線狀的紅外信號，經(jīng)多源情報比對后認定為轟炸機基地附近的逆火轟炸機加力起飛。80 年代，海軍建立基于DSP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的反艦攻擊告警系統(tǒng)。1982 年，海軍實施“慢行者”（Slow Walker）項目，進駐到澳大利亞松峽地面站，研究證實可發(fā)現(xiàn)逆火起飛和發(fā)射導彈。美國于1996 年起正式利用“天基紅外系統(tǒng)”（SBIRS）執(zhí)行戰(zhàn)區(qū)情報、監(jiān)視和偵察（ISR）任務，并于2016 年形成初始作戰(zhàn)能力，未來能力將持續(xù)提升。

2. 新型小型衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)蓬勃發(fā)展，服務時效性和產(chǎn)品多樣性顯露優(yōu)勢

（1）小型光學對地觀測衛(wèi)星

美國行星公司（Planet）已部署19 顆100 千克級SkySat 衛(wèi)星，可提供分辨率0.9m、幅寬8km 的圖像產(chǎn)品和分辨率1.1m、時長90s 的視頻產(chǎn)品；行星公司已部署230 顆5 千克級“鴿群”（Flock）衛(wèi)星，可以提供3 ～5m 分辨率圖像，實現(xiàn)8 小時全球數(shù)據(jù)更新。

美國黑色天空公司于2020 年開始部署50 千克級60 星星座，可提供分辨率1m 圖像產(chǎn)品，星座建成后，中低緯區(qū)域重訪時間10 ～60min。

（2）小型雷達對地觀測衛(wèi)星

美國、芬蘭、日本等國的眾多初創(chuàng)公司都在積極發(fā)展商業(yè)微小合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星星座，衛(wèi)星成本只有數(shù)百萬美元，衛(wèi)星體積只有傳統(tǒng)大型SAR 衛(wèi)星的三十分之一。

美國“卡佩拉”（Capella）星座由36顆衛(wèi)星組成，2022 年建成后可實現(xiàn)1 小時重訪和4 小時InSAR重訪，分辨率優(yōu)于0.5m、幅寬5km，具備數(shù)據(jù)采集后30 分鐘交付能力。

芬蘭“冰眼”（ICEYE）星座由18 顆衛(wèi)星組成，2022 年建成后可實現(xiàn)平均3 小時重訪能力，分辨率0.25m，幅寬5km。

同時，在微納衛(wèi)星制造方面，國外大力推進自動化、智能化、批量化生產(chǎn)模式改造，積極應用3D 打印、AR 輔助、智能裝配、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)等新型智能制造技術(shù)。正在探索改變制造模式，例如嘗試利用類似于汽車、航空行業(yè)的“脈動生產(chǎn)線”制造小衛(wèi)星。

3. 新一代對地觀測系統(tǒng)技術(shù)呼之欲出，高、低軌衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)多途徑發(fā)展

（1）高軌衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)

國外高度關注具備“持續(xù)監(jiān)視”能力的高軌對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展。大口徑（＞3m）單體反射鏡成像、分割孔徑（分塊可展開）、稀疏孔徑、薄膜衍射成像等技術(shù)并行發(fā)展。目前，大口徑單體反射鏡成像、分割孔徑技術(shù)成熟度最高，或即將具備工程應用能力。例如，采用分塊可展開成像技術(shù)的“詹姆斯-韋伯空間望遠鏡”（JWST）計劃于2021 年末發(fā)射。

（2）低軌衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)

近年來，國外低軌衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展迅速。特別是面向高超聲速武器等新威脅，美國航天發(fā)展局（SDA）2019 年提出面向2030 以遠的國防太空體系（“七層體系”），其中八大能力需求中三項涉及對地觀測，包括先進導彈目標全球持續(xù)監(jiān)視和目標指示能力；先進導彈威脅征候識別、預警、目標指示和跟蹤能力；大規(guī)模、低時延、人工智能輔助的全球持續(xù)監(jiān)視能力。這三項需求主要由“七層體系”中的看護層落實?？醋o層聚焦時敏目標監(jiān)視，提供火控級別的目標指示信息。看護層相關技術(shù)重視軟、硬件創(chuàng)新發(fā)展。

在硬件創(chuàng)新發(fā)展方面，看護層以及“七層體系”其他功能層的自主指控和處理系統(tǒng)將采用“黑杰克”（BlackJack）項目的“賭臺官”（Pit Boss）智能型系統(tǒng)技術(shù)。2018 年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）啟動“黑杰克”項目，借助Pit Boss 智能型系統(tǒng)發(fā)展星座級別的自主、協(xié)作、分布式系統(tǒng)，負責星座指揮控制、自主重構(gòu)、載荷管理規(guī)劃調(diào)度、星上數(shù)據(jù)處理、衛(wèi)星健康監(jiān)測和修復等。

在軟件創(chuàng)新發(fā)展方面，美重視發(fā)展“無質(zhì)量載荷”。SDA 提出發(fā)展“看護層多源情報融合軟件”，旨在開發(fā)射前時敏目標指示算法，關注目標跟蹤數(shù)量、定位精度和虛警率等指標。

（3）超低軌衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)

美國、日本近年試圖探索超低軌衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)途徑實現(xiàn)高分辨率對地觀測。日本400 千克級超低軌試驗衛(wèi)星“燕”（SLATS）進入268km 軌道后分辨率0.5m，后期規(guī)劃分辨率0.28m 的超低軌衛(wèi)星。美國地球觀測者公司發(fā)展30 星組網(wǎng)的商業(yè)甚低軌道（VLEO）衛(wèi)星星座，2020 年8 月獲空軍合同。星座重訪周期為2 小時，具備星上處理能力，首星計劃2022 年發(fā)射。

四、應用產(chǎn)業(yè)最新發(fā)展

1. 即用性大幅提升

對地觀測衛(wèi)星對重大事件的應急響應能力大幅提升。例如，美國曝光偵察衛(wèi)星對伊朗火箭突發(fā)爆炸的精確觀測。2019 年8 月，特朗普推特透露伊朗火箭發(fā)射失敗的現(xiàn)場圖像（圖5），《空間飛行進行時》（Spaceflight Now）等航天專業(yè)媒體認為，這幅圖像分辨率優(yōu)于美國商業(yè)衛(wèi)星，應為機密偵察衛(wèi)星圖像，因該圖像下方文字清晰可見。

圖5 伊朗火箭發(fā)射失敗的現(xiàn)場圖像

再例如，美國商業(yè)無線電信號接收定位衛(wèi)星和光學成像衛(wèi)星對中印邊境對峙的精確觀測。2020 年5 月，美國鷹眼360 公司曝光其利用商業(yè)無線電信號接收定位衛(wèi)星——“鷹”（Hawk）衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)中國加勒萬河谷地區(qū)無線電信號增多，并與行星公司合作，調(diào)度SkySat 衛(wèi)星進行了成像驗證（圖6），聲稱發(fā)現(xiàn)中國火炮、裝甲車和卡車的活動。

圖6 美國商業(yè)公司發(fā)布中印邊境對峙圖像（本文僅引用國外報道，不做考證）

2. 識別性大幅提升

國外對地觀測衛(wèi)星運營商利用人工智能技術(shù)大幅提升圖像識別性。例如，空客公司與法國地球立方體公司合作，開發(fā)和銷售“防御站點監(jiān)視”（DSM）系統(tǒng)，這是一種專門針對國防人員的戰(zhàn)略性站點監(jiān)視的在線解決方案，已經(jīng)能夠自動探測、識別和區(qū)分民用和軍用的各類飛機和船只。美國黑色天空公司的Spectra AI 平臺可提供數(shù)據(jù)高效分析能力。例如，用戶可設置要跟蹤的主題，該平臺可以監(jiān)視主題關聯(lián)的地理位置，甚至融合新聞摘要、社交媒體的信息。2020 年8 月10 日，新型“黑色天空”（BlackSky）衛(wèi)星在發(fā)射58 小時后，對南非伊麗莎白港上空連續(xù)快速采集了圖像。在Spectra AI 平臺的幫助下，計算港口集裝箱堆數(shù)、停泊的貨船數(shù)、港口車輛數(shù)量、跟蹤地面車輛的移動，甚至確定正在裝載哪些貨艙。通過分析這些圖像，該公司能夠提取關鍵的經(jīng)濟和金融指標，從而提供該港商業(yè)活動的近實時視圖。

3. 地面網(wǎng)“云”化，實現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸、處理

云技術(shù)為美軍利用商業(yè)遙感數(shù)據(jù)創(chuàng)造了新途徑，也為大數(shù)據(jù)智能處理提供了平臺。美國太空與導彈系統(tǒng)中心（SMC）的“賭場”（CASINO）項目中的“處理、利用和分發(fā)”（PED）子項目，旨在利用云服務使商業(yè)遙感公司衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)上云、自動處理和數(shù)據(jù)快速交付給作戰(zhàn)用戶。亞馬遜、鮑爾等3 家公司參與該項目。

亞馬遜公司已于2020 年建成6 座云地面站，未來計劃再建設6 座。美國商業(yè)遙感衛(wèi)星運營商已經(jīng)普遍使用亞馬遜公司的云地面站服務。

微軟公司2020 年9 月宣布進軍云地面站領域，籌劃Azure Orbital 衛(wèi)星云服務，與亞馬遜公司競爭。此外，微軟公司已經(jīng)獲得美國防部100 億美元“聯(lián)合體系國防基礎設施”（JEDI）云網(wǎng)合同，勢必促進其云地面站的軍事應用。

4. 空間對地觀測產(chǎn)業(yè)情況

據(jù)歐洲咨詢公司報告，2019 年衛(wèi)星對地觀測產(chǎn)業(yè)收入共46 億美元，預計2029 年可達80 億美元。據(jù)《全球地理空間產(chǎn)業(yè)展望（2018）》報告，截至2018 年全球地理空間產(chǎn)業(yè)所取得的經(jīng)濟社會價值和效益估計超過5000 億美元，同比增加25%。盡管衛(wèi)星對地觀測產(chǎn)業(yè)收入占地理空間產(chǎn)業(yè)收入仍較小，但未來衛(wèi)星對地觀測發(fā)展空間巨大。

五、結(jié)論

國外對地觀測衛(wèi)星處于高速發(fā)展階段，新系統(tǒng)和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，應用能力不斷發(fā)展。世界強國正大力加速空間部署，將對國際空間安全和空間利用格局產(chǎn)生重大影響。同時，世界強國高度重視應用創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新，未來10 年將是新空間體系的設計期和成形期，應加強未來應用場景和能力需求分析，推進“云”體系建設、人工智能、創(chuàng)新材料等使能性技術(shù)在對地觀測領域的應用研究，加速空間體系和技術(shù)的升級換代。