地球觀測(cè)衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀分析

信 晟，楊 超，張 悅，劉 祺

（自然資源部國(guó)土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心，北京 100048）

1 概述

傳統(tǒng)意義上對(duì)地觀測(cè)技術(shù)通過(guò)衛(wèi)星遙感平臺(tái)對(duì)地表自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)作物、交通狀況等進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析，提供宏觀、準(zhǔn)確、綜合、連續(xù)的信息數(shù)據(jù)，為人們?cè)诘厍蛏系纳詈托袆?dòng)提供重要的經(jīng)濟(jì)分析和指導(dǎo)。但無(wú)論是歐美國(guó)家還是在中國(guó)，政府直接出資進(jìn)行衛(wèi)星規(guī)劃和建設(shè)的都越來(lái)越少，更多的是通過(guò)政策調(diào)整，或政府和社會(huì)資本合作，政府通過(guò)購(gòu)買(mǎi)社會(huì)服務(wù)的模式獲取數(shù)據(jù)和服務(wù)。

2 對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

具有經(jīng)濟(jì)實(shí)力和技術(shù)實(shí)力的國(guó)家，一方面從空間系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)入手保持空間對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)規(guī)模；一方面通過(guò)改進(jìn)有效載荷、傳感器、火箭回收等技術(shù)，降低衛(wèi)星發(fā)射成本，推動(dòng)遙感觀測(cè)衛(wèi)星向小型化、規(guī)?；?、應(yīng)用化和服務(wù)化的方向發(fā)展。

2.1 國(guó)外對(duì)地觀測(cè)技術(shù)發(fā)展

美國(guó)是在軌遙感衛(wèi)星數(shù)量最多的國(guó)家，也是航天遙感能力最強(qiáng)的國(guó)家，在光學(xué)、激光測(cè)高、重力等衛(wèi)星研制及應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位，高中低分辨率并存、商業(yè)遙感衛(wèi)星與民用遙感衛(wèi)星互補(bǔ)。Landsat系統(tǒng)主要用于陸地資源、水資源等的調(diào)查和管理及測(cè)繪制圖[1]，中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所接收、處理、存檔和分發(fā)Landsat-5、Landsat-7、Landsat-8和Landsat-9 4顆 衛(wèi) 星的數(shù)據(jù)。美國(guó)數(shù)字地球公司第二代高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星中WorldView-3的分辨率達(dá)到0.31 m，WorldView系列面向不同行業(yè)提供高質(zhì)量衛(wèi)星影像，包括Google、Microsoft等互聯(lián)網(wǎng)巨頭，同時(shí)也向美國(guó)情報(bào)部門(mén)提供服務(wù)。

SkySat擁有最多的亞米級(jí)高分辨率衛(wèi)星群，可以1日內(nèi)完成2次對(duì)地球上任何位置的觀測(cè)[2]。美國(guó)宇航局正在放棄在低軌的深空網(wǎng)并轉(zhuǎn)交給商業(yè)公司處理，SpaceX名列其中，其Starlink衛(wèi)星可以無(wú)限升級(jí)，隨時(shí)下架，靈活調(diào)整整個(gè)衛(wèi)星的覆蓋范圍，其2.0版的性能、重量、尺寸均有大幅提高，每顆星的帶寬達(dá)到140～160 Gbit/s，未來(lái)在星艦上可以搭載110～120顆此衛(wèi)星[3]。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）的“黑杰克”項(xiàng)目研發(fā)較低尺寸、重量、功耗及成本的低軌軍事通信與監(jiān)視衛(wèi)星，但能力與在地球同步軌道上運(yùn)行的軍事通信系統(tǒng)相似，而成本遠(yuǎn)低于后者[4]。美國(guó)普里達(dá)公司通過(guò)在SAR衛(wèi)星上安裝激光通信終端，將數(shù)據(jù)傳遞至“黑杰克”衛(wèi)星星座，展示低軌衛(wèi)星架構(gòu)的軍事用途，長(zhǎng)期目標(biāo)是在低地球軌道創(chuàng)建政府-商業(yè)混合架構(gòu)，向政府的衛(wèi)星星座提供商業(yè)衛(wèi)星收集的數(shù)據(jù)。美國(guó)雷達(dá)小衛(wèi)星企業(yè)（Capella Space）計(jì)劃打造36顆衛(wèi)星組網(wǎng)的SAR衛(wèi)星星座，提供0.5 m高分辨率圖像，為其在國(guó)防與情報(bào)領(lǐng)域、航運(yùn)和供應(yīng)鏈的市場(chǎng)提供服務(wù)[5]。

日本雷達(dá)小衛(wèi)星企業(yè)（Synspective）是日本排名前十的初創(chuàng)企業(yè)之一，已經(jīng)使用美國(guó)火箭實(shí)驗(yàn)室電子火箭發(fā)射了StriX-α和StriX-β兩顆SAR衛(wèi)星，可提供1 m分辨率的圖像。該公司計(jì)劃在今年晚些時(shí)候發(fā)射第一顆商用原型衛(wèi)星 StriX-1，到2023年將衛(wèi)星數(shù)量增加到6顆。

芬蘭雷達(dá)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商（ICEYE）截止2022年初，共有16顆在軌衛(wèi)星，建立了全球最大的小型SAR衛(wèi)星星座，能夠提供分辨率在0.5 m的圖像，并計(jì)劃在年底前再發(fā)射9顆。ICEYE不只提供上游衛(wèi)星影像和數(shù)據(jù)，在擴(kuò)展下游應(yīng)用業(yè)務(wù)，提供行業(yè)解決方案，包括洪水監(jiān)測(cè)解決方案，在洪水事件后24 h內(nèi)為保險(xiǎn)和再保險(xiǎn)行業(yè)提供近乎實(shí)時(shí)的洪水范圍和深度數(shù)據(jù)，以及建筑物級(jí)別的分辨率數(shù)據(jù)。2021年7月，鄭州市發(fā)生特大暴雨災(zāi)害，河南省衛(wèi)星中心緊急協(xié)調(diào)一批SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)幫助抗洪救災(zāi)，ICEYE數(shù)據(jù)就是之一[6]。

2.2 國(guó)內(nèi)對(duì)地觀測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)在軌衛(wèi)星數(shù)量全球第二，與美國(guó)相比發(fā)展對(duì)地觀測(cè)的時(shí)間要晚，衛(wèi)星性能也存在一定差距。國(guó)內(nèi)正在形成由產(chǎn)品、供給、服務(wù)、政策、人才、創(chuàng)新網(wǎng)狀關(guān)聯(lián)的空間信息產(chǎn)業(yè)鏈全鏈條發(fā)展格局。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星體系包含多個(gè)國(guó)家日常觀測(cè)和應(yīng)急觀測(cè)骨干網(wǎng)，同時(shí)借助商業(yè)衛(wèi)星服務(wù)系統(tǒng)，對(duì)骨干網(wǎng)進(jìn)行填充與補(bǔ)強(qiáng)。共同為自然資源部、生態(tài)環(huán)境部、應(yīng)急管理部等10余個(gè)國(guó)家部委、國(guó)內(nèi)及全球用戶(hù)提供可持續(xù)運(yùn)行、安全穩(wěn)定可靠的衛(wèi)星遙感大數(shù)據(jù)和空間信息綜合應(yīng)用服務(wù)。

2.2.1 國(guó)內(nèi)骨干衛(wèi)星網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

“高分專(zhuān)項(xiàng)”是國(guó)內(nèi)最為重要的遙感技術(shù)發(fā)展項(xiàng)目，包含可見(jiàn)光、多光譜、紅外線(xiàn)、SAR等多種衛(wèi)星系統(tǒng)，高分一號(hào)正式開(kāi)啟了國(guó)產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星為國(guó)土資源管理提供遙感數(shù)據(jù)支撐的新時(shí)代；高分二號(hào)民用光學(xué)遙感衛(wèi)星標(biāo)志著國(guó)內(nèi)遙感衛(wèi)星進(jìn)入了亞米級(jí)“高分時(shí)代”；國(guó)內(nèi)第一枚 C波段多極化 SAR衛(wèi)星（GF-3）標(biāo)志著國(guó)內(nèi)雷達(dá)成像衛(wèi)星技術(shù)的飛躍；高分七號(hào)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)亞米級(jí)衛(wèi)星立體測(cè)繪空白，實(shí)現(xiàn)1：1萬(wàn)比例尺的重大技術(shù)跨越。

“風(fēng)云”系列衛(wèi)星觀測(cè)的氣象資料廣泛服務(wù)于天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事、航天氣象保障等重要領(lǐng)域，在國(guó)內(nèi)災(zāi)害應(yīng)急管理工作中發(fā)揮著重要作用[7-9]。

“海洋”系列衛(wèi)星是國(guó)內(nèi)自主研制的國(guó)內(nèi)海洋環(huán)境衛(wèi)星監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系列衛(wèi)星已研制出3種型號(hào)，分別是海洋（HY-1）衛(wèi)星為海洋水色衛(wèi)星，海洋二號(hào)（HY-2）衛(wèi)星為海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星，海洋三號(hào)（HY-3）衛(wèi)星為海洋監(jiān)視衛(wèi)星。國(guó)內(nèi)海洋衛(wèi)星起步晚，數(shù)量少，對(duì)海洋領(lǐng)域的高頻率監(jiān)測(cè)能力尚有不足[10]。

“資源”系列衛(wèi)星是專(zhuān)門(mén)用于探測(cè)和研究地球資源的一系列衛(wèi)星。在國(guó)內(nèi)“資源-1”原方案的基礎(chǔ)上，與巴西共同研制“資源-1 01、02、02B、03、04、04A”衛(wèi)星型號(hào)，國(guó)內(nèi)自主研制了“資源-1 02C、02D、02E”衛(wèi)星型號(hào)，以及資源-2和資源-3系列衛(wèi)星。資源-3系列是國(guó)內(nèi)高分辨率三維測(cè)繪衛(wèi)星，服務(wù)于基礎(chǔ)測(cè)繪、國(guó)土、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、減災(zāi)、規(guī)劃等各行業(yè)影像數(shù)據(jù)需求[11]。

2.2.2 國(guó)內(nèi)商業(yè)衛(wèi)星網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

2020年，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)首次被納入“新基建”范疇，“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要也提出，要“建設(shè)高速泛在、天地一體、集成互聯(lián)、安全高效的信息基礎(chǔ)設(shè)施”。可以說(shuō)國(guó)內(nèi)商業(yè)衛(wèi)星遙感產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段的拐點(diǎn)階段[12]。

“北京3號(hào)”A星是中國(guó)航天與世紀(jì)空間首次合作的高性能新型光學(xué)商業(yè)服務(wù)遙感衛(wèi)星，采用太陽(yáng)同步軌道，可獲取全色0.5 m、多光譜2 m分辨率的衛(wèi)星影像。衛(wèi)星采用了大量創(chuàng)新技術(shù)，利用人工智能可以自行規(guī)劃飛行路線(xiàn)，1天來(lái)回近100次，以監(jiān)測(cè)全球多達(dá)500個(gè)值得關(guān)注的地區(qū)。反應(yīng)速度比全球最先進(jìn)觀測(cè)衛(wèi)星之一的“WorldView-4”快2～3倍，掃描帶寬77%，重量輕一半。在42 s內(nèi)拍攝超過(guò)10萬(wàn)張照片，即可以拍攝一切高速運(yùn)動(dòng)的物體，包括飛行中的衛(wèi)星和彈道導(dǎo)彈[13]。

“吉林1號(hào)”是另一個(gè)重要的光學(xué)遙感衛(wèi)星星座，采用太陽(yáng)同步軌道，計(jì)劃2025年左右實(shí)現(xiàn)138顆衛(wèi)星組網(wǎng)，具備全球任意地點(diǎn)10 min內(nèi)重訪(fǎng)能力。其寬幅01C衛(wèi)星的幅寬大于150 km，可提供分辨率全色0.5 m、多光譜2 m的影像產(chǎn)品。高分04衛(wèi)星可以星上任務(wù)自主規(guī)劃、實(shí)時(shí)數(shù)傳和星上AI功能，分辨率優(yōu)于0.5 m。視頻衛(wèi)星使用光學(xué)偵察鏡頭跟蹤監(jiān)測(cè)飛行中的戰(zhàn)斗機(jī)。長(zhǎng)光衛(wèi)星的第三代高分03衛(wèi)星重量只有40 kg，發(fā)射成本僅為第一代衛(wèi)星的十分之一[14]。

2022年4月“四維高景一號(hào) 01/02 衛(wèi)星”發(fā)射成功，采用太陽(yáng)同步軌道，全色分辨率 0.5 m，多光譜分辨率 2 m，高景一號(hào)系列衛(wèi)星興寧具有一套三視立體成像，可以實(shí)現(xiàn)地表快速三維建模；通過(guò)多條帶拼接成像可實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍目標(biāo)的快速信息采集；具備大容量存儲(chǔ)能力，快速機(jī)動(dòng)中數(shù)據(jù)高速下傳等。

“珠海一號(hào)”是國(guó)內(nèi)首家由民營(yíng)上市公司建設(shè)并運(yùn)營(yíng)的遙感微納衛(wèi)星星座，總體規(guī)劃由34顆衛(wèi)星組成，包括視頻衛(wèi)星、高光譜衛(wèi)星、雷達(dá)衛(wèi)星、高分光學(xué)衛(wèi)星以及紅外衛(wèi)星。目前已經(jīng)在軌12顆。[15]

國(guó)內(nèi)目前還有很多公司、高校、科研單位都有自己的衛(wèi)星建造計(jì)劃或已經(jīng)發(fā)射升空的自主研制的衛(wèi)星平臺(tái)。天儀研究院有25顆衛(wèi)星在軌，從衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量和服務(wù)能力比較基本領(lǐng)跑?chē)?guó)內(nèi)民營(yíng)航天，且已經(jīng)具備低軌科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)結(jié)束后快速離軌的技術(shù)實(shí)力。天儀研究院的“海絲一號(hào)”是國(guó)內(nèi)首顆商業(yè)SAR衛(wèi)星，基于C波段，重量小于185 kg，成像最高分辨率1 m，可全天時(shí)、全天候、全透明對(duì)陸地、海洋、海岸港口進(jìn)行成像觀測(cè)[16]。另外“巢湖一號(hào)”則標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)商業(yè)SAR衛(wèi)星批產(chǎn)組網(wǎng)和在軌商業(yè)運(yùn)營(yíng)的開(kāi)始?！俺埠惶?hào)”在成像幅寬、分辨率、成像時(shí)間等方面進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)；同時(shí)引入了對(duì)多個(gè)區(qū)域的連續(xù)成像、精密軌道定軌能力和在軌AI運(yùn)算等新技術(shù)、新手段。

微納星空也是國(guó)內(nèi)民營(yíng)高端衛(wèi)星研制代表，其研制的泰景三號(hào)01星是0.5 m分辨率可見(jiàn)光遙感衛(wèi)星，泰景四號(hào)01星是國(guó)內(nèi)首顆X波段商業(yè)SAR衛(wèi)星，文昌一號(hào)01、文昌一號(hào)02是兩個(gè)廣域的遙感衛(wèi)星，其質(zhì)量為62 kg左右，主要任務(wù)是對(duì)地觀察、海洋成像、船舶信息的獲取[17]。

銀河航天首發(fā)星是全球首顆Q/V頻段的低軌寬帶衛(wèi)星，由國(guó)內(nèi)自主研制，通信能力可達(dá)10 Gbit/s，單星覆蓋30萬(wàn)km2，軌道高度1 200 km，構(gòu)建太空互聯(lián)網(wǎng)及5G衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的連接。

齊魯衛(wèi)星是低軌遙感星座，衛(wèi)星之間采用激光通訊互聯(lián)，在國(guó)內(nèi)首次采用“天基互聯(lián)網(wǎng)+小衛(wèi)星”創(chuàng)新應(yīng)用的模式，分辨率0.5 m，“齊魯一號(hào)”是Ku波段高分辨率雷達(dá)衛(wèi)星；“齊魯二號(hào)”是高分辨率敏捷光學(xué)衛(wèi)星，具有熱紅外譜段;“齊魯三號(hào)”是寬幅光學(xué)衛(wèi)星，幅寬120 km;“齊魯四號(hào)”是多模式高分辨率光學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。

航天宏圖是提供衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)與應(yīng)用服務(wù)的公司，已經(jīng)布局低軌遙感衛(wèi)星星座，計(jì)劃在2022年底發(fā)射自主SAR衛(wèi)星宏圖一號(hào)。

3 現(xiàn)狀分析

3.1 降低成本促進(jìn)商業(yè)化小衛(wèi)星群急速發(fā)展

對(duì)地觀測(cè)利用遙感衛(wèi)星群實(shí)現(xiàn)更短的重訪(fǎng)周期和更大的觀測(cè)覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，成本是繞不開(kāi)的問(wèn)題，具體在衛(wèi)星制造成本和發(fā)射成本。通過(guò)集成商用現(xiàn)成產(chǎn)品和技術(shù)（Commercial Off-the-Shelf，COTS）使得衛(wèi)星研制和生產(chǎn)更簡(jiǎn)單，成本更低；降低衛(wèi)星重量和運(yùn)載火箭的成本都可以降低發(fā)射成本，于是商業(yè)化的小衛(wèi)星群應(yīng)運(yùn)而生。例如Spark雙星的高光譜成像儀重量?jī)H為10 kg，比國(guó)內(nèi)外同等指標(biāo)高光譜成像儀至少輕5倍；而體積只有一臺(tái)微波爐大小；其研制成本不到同類(lèi)航天載荷的十分之一。一箭多星發(fā)射以及火箭重復(fù)使用也極大分?jǐn)偭税l(fā)射成本。SpaceX能夠一枚火箭重復(fù)使用4次，國(guó)內(nèi)能一箭攜帶22顆衛(wèi)星順利入軌，印度甚至實(shí)現(xiàn)過(guò)108顆星，美國(guó)60顆星。組合模式降低成本促進(jìn)商業(yè)化小衛(wèi)星群急速發(fā)展。

3.2 衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)集中更多的技術(shù)挑戰(zhàn)

全球低軌資源競(jìng)爭(zhēng)白熱化，衛(wèi)星行業(yè)蓬勃發(fā)展，測(cè)試與測(cè)量貫穿于標(biāo)準(zhǔn)制定、設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造、認(rèn)證運(yùn)營(yíng)、場(chǎng)景落地等整條產(chǎn)業(yè)生命周期，新技術(shù)不斷被挑戰(zhàn)。例如對(duì)更高分辨率的挑戰(zhàn)，對(duì)SAR圖像的方法、代碼庫(kù)、數(shù)據(jù)集和預(yù)訓(xùn)練模型的獲取和可用性的挑戰(zhàn)，對(duì)SAR技術(shù)的自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、分布式雷達(dá)成像、數(shù)字信號(hào)處理等的挑戰(zhàn)，是擺在全世界的課題[18]。

3.3 數(shù)據(jù)服務(wù)模式由主導(dǎo)變?yōu)楹献?/h3>

商業(yè)衛(wèi)星的加入極大地改變了過(guò)去以政府為主導(dǎo)的航天發(fā)展模式。政府越來(lái)越多地以采購(gòu)服務(wù)的模式整合民用、商用數(shù)據(jù)資源，并通過(guò)大力促進(jìn)發(fā)展衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，來(lái)釋放海量空間數(shù)據(jù)資源的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值[19]。新的空間數(shù)據(jù)資源服務(wù)模式將遙感大數(shù)據(jù)云計(jì)算服務(wù)模式植入星地計(jì)算架構(gòu)，通過(guò)“星地協(xié)同”的技術(shù)創(chuàng)新，衛(wèi)星端拍攝的圖像可以被快速處理，提取有用信息，同時(shí)又驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)用，遙感衛(wèi)星整體行業(yè)都在突飛猛進(jìn)[20]。

3.4 遙感服務(wù)對(duì)象由政府下沉

基于GIS三維動(dòng)態(tài)演示的經(jīng)濟(jì)分析報(bào)告生動(dòng)、震撼；衛(wèi)星電話(huà)可以為百姓大眾在野外探險(xiǎn)、海洋作業(yè)以及其他應(yīng)急救援場(chǎng)景提供保障；衛(wèi)星地圖已漸漸融入到大眾的網(wǎng)絡(luò)生活，甚至有的運(yùn)營(yíng)商和普通大眾對(duì)實(shí)景衛(wèi)星影像還有一定的使用習(xí)慣。

4 總結(jié)

對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)成果在很多行業(yè)工程建設(shè)中被使用，包括鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)和路基邊坡沉降監(jiān)測(cè)等。了解對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展增加行業(yè)間更廣泛技術(shù)結(jié)合的機(jī)會(huì)，也是集成社會(huì)成熟技術(shù)和產(chǎn)品共同降低建設(shè)成本的契機(jī)，繼續(xù)挑戰(zhàn)高科技的戰(zhàn)場(chǎng)，相信最終受益的是鐵路行業(yè)的企業(yè)和蕓蕓眾生。