龔燃(北京空間科技信息研究所)
2021年,國外民商用對地觀測衛(wèi)星領(lǐng)域加快體系化構(gòu)建,建立全球資源、環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),在保持平穩(wěn)發(fā)展的同時注重能力拓展,呈現(xiàn)新的發(fā)展態(tài)勢與趨勢:一方面,美國、歐洲等國家開始探索低成本、小型化發(fā)展途徑,以保持數(shù)據(jù)連續(xù)性和填補能力空白;另一方面,商業(yè)遙感衛(wèi)星星座進入常態(tài)化補網(wǎng)階段,國外2021年共部署112顆衛(wèi)星,時間分辨率和空間分辨率持續(xù)提高,全球?qū)Φ赜^測能力與綜合效益不斷提升。
2021年,國外民商用對地觀測衛(wèi)星領(lǐng)域共進行了18次發(fā)射,共計發(fā)射了120顆衛(wèi)星(其中失敗3顆,成功117顆)。在發(fā)射主體方面,主要發(fā)射活動基本集中在美國,共發(fā)射89顆(含失敗2顆),歐洲15顆,俄羅斯1顆,日本5顆,印度1顆(發(fā)射失敗),其他國家9顆。從衛(wèi)星類型來看,光學對地成像衛(wèi)星數(shù)量最多,為74顆(含失敗3顆),雷達對地成像衛(wèi)星13顆,氣象環(huán)境探測衛(wèi)星20顆,其他環(huán)境探測衛(wèi)星2顆,射頻信號接收定位衛(wèi)星11顆。從用途來看,大部分為商用衛(wèi)星,達112顆,民用衛(wèi)星8顆。
截至2021年底,國外共有618顆民商用對地觀測衛(wèi)星在軌運行,美國402顆,歐洲77顆,俄羅斯15顆,日本26顆,印度18顆,其他國家80顆。美國仍是擁有民商用對地觀測衛(wèi)星最多的國家,并且在數(shù)量和能力上占有絕對優(yōu)勢。按用途統(tǒng)計,民用衛(wèi)星178顆,商用衛(wèi)星440顆。
2021年國外民商用對地觀測衛(wèi)星成功發(fā)射數(shù)量(按類型統(tǒng)計)
截至2021年底國外民商用對地觀測衛(wèi)星在軌數(shù)量(按國家統(tǒng)計)
截至2021年底國外民商用對地觀測衛(wèi)星在軌數(shù)量(按類型統(tǒng)計)
2021年,美國成功發(fā)射87顆民商用對地觀測衛(wèi)星,其中民用衛(wèi)星1顆,商用衛(wèi)星86顆,從衛(wèi)星類型來看,光學對地成像衛(wèi)星56顆,雷達對地成像衛(wèi)星6顆,氣象環(huán)境探測衛(wèi)星18顆,其他環(huán)境探測衛(wèi)星1顆,射頻信號接收定位衛(wèi)星6顆。截至2021年底,美國共有402顆民商用對地觀測衛(wèi)星在軌運行。從衛(wèi)星類型來看,光學對地成像衛(wèi)星223顆,雷達對地成像衛(wèi)星9顆,氣象環(huán)境探測衛(wèi)星142顆,海洋環(huán)境探測衛(wèi)星1顆,其他環(huán)境探測衛(wèi)星18顆,射頻信號接收定位衛(wèi)星9顆。從衛(wèi)星用途來看,民用衛(wèi)星38顆,商用衛(wèi)星364顆。
2021年,隨著總統(tǒng)的更替,美國新政府明確提出氣候變化為其四項優(yōu)先工作之一,持續(xù)提升對地球科學與環(huán)境觀測的重視程度,開展和加強一系列民用對地觀測衛(wèi)星計劃,以改善地球環(huán)境和人類生活;商業(yè)對地觀測衛(wèi)星方面,行星公司(Planet)、黑天全球公司(BlaceSky Global)等新興企業(yè),持續(xù)部署光學、SAR、視頻等小衛(wèi)星星座,成為政府對地觀測能力的有效補充。
2021年6月,美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)宣布將于2022年3月1日盡快發(fā)射其最新的地球靜止氣象衛(wèi)星GOES-T(發(fā)射后稱為GOES-18),以替換在軌故障的GOES—17衛(wèi)星。2021年11月,NOAA啟動新一代“地球靜止軌道擴展觀測”(GEO—XO)項目。GeoXO衛(wèi)星計劃于2023年開始發(fā)射,并在21世紀30年代初完成衛(wèi)星部署,用于監(jiān)測天氣、沿海地區(qū)的海洋條件和空氣質(zhì)量等。GEO—XO衛(wèi)星星座擬包括美國東部和西部的兩顆衛(wèi)星,以及美國中部的第三顆衛(wèi)星。GEO—XO西經(jīng)和GEO—XO東經(jīng)衛(wèi)星將攜帶閃電成像儀(LM)、空間氣象儀以及用于監(jiān)測沿海地區(qū)和識別有害藻華的海色遙感器(OCI);GEO—XO—中心衛(wèi)星將攜帶高光譜紅外探測儀、大氣成分遙感器,另一個有效載荷尚未選定。GeoXO衛(wèi)星數(shù)據(jù)將有助于天氣預報模型并推動短期天氣預報和惡劣天氣警報,同時以補充NOAA在歐洲和亞洲的合作伙伴的數(shù)據(jù),建立一個重要的全球觀測系統(tǒng),此外,還將提供對野火、煙霧、灰塵、火山灰、干旱和洪水等要素的監(jiān)測。
美國2021年發(fā)射的唯一一顆民用衛(wèi)星即為美國陸地衛(wèi)星—9(Landsat—9),該衛(wèi)星是Landsat系列的最新一顆,于9月27日發(fā)射。Landsat—9衛(wèi)星屬于美國國家航空航天局(NASA)開展的“可持續(xù)陸地成像”(SLI)計劃,將與Landsat—8衛(wèi)星編隊飛行,為全球用戶提供與現(xiàn)有的40余年的Landsat存檔數(shù)據(jù)兼容的高質(zhì)量、全球覆蓋、連續(xù)的陸地成像數(shù)據(jù)。
Landsat—9衛(wèi)星發(fā)射后與Landsat—8衛(wèi)星處于共面軌道,相距180°編隊飛行,雙星重訪周期為8天。Landsat—9衛(wèi)星很大程度上復制了目前在軌運行的Landsat—8衛(wèi)星,旨在與存檔數(shù)據(jù)保持一致,以減少陸地成像數(shù)據(jù)斷檔的風險。盡管如此,總體上衛(wèi)星成像能力更高,包括輻射分辨率與幾何精度,且壽命更長、定標精度更高。Landsat—9衛(wèi)星也攜帶兩臺有效載荷儀器,包括業(yè)務(wù)陸地成像儀—2(OLI—2)和熱紅外遙感器—2(TIRS—2)。OLI—2和TIRS—2設(shè)計壽命均為5年,衛(wèi)星攜帶燃料可維持約10年以上。
Landsat—9衛(wèi)星在軌示意圖(來源:NASA)
2021年,美國商業(yè)對地觀測衛(wèi)星星座進入常態(tài)化部署階段,全年共成功發(fā)射10個系列共計86顆衛(wèi)星,包括現(xiàn)有系列補充和新型號發(fā)射,為政府對地觀測能力提供了有力補充。
2021年12月14日,NOAA向商業(yè)對地觀測公司——反照率公司(Albedo)頒發(fā)全球首個0.1m分辨率的光學遙感衛(wèi)星圖像的銷售許可證。Albedo公司將在極低地球軌道上運行一個小衛(wèi)星星座,全色分辨率0.1m、熱紅外分辨率4m。該衛(wèi)星星座將擁有全球商業(yè)遙感衛(wèi)星領(lǐng)域的最高分辨率水平,可應(yīng)用于更多遙感細分領(lǐng)域,同時,其圖像采集的限制條件也將最多。
Albedo公司的0.1m分辨率對地觀測衛(wèi)星(來源:Albedo官網(wǎng))
2021年美國發(fā)射的商業(yè)對地觀測衛(wèi)星統(tǒng)計
2021年,歐洲共計成功發(fā)射15顆商用對地觀測衛(wèi)星,未發(fā)射民用衛(wèi)星。截至2021年底,歐洲共有77顆民商用對地觀測衛(wèi)星在軌運行。從衛(wèi)星類型來看,光學對地成像衛(wèi)星21顆,雷達對地成像衛(wèi)星21顆,氣象環(huán)境探測衛(wèi)星10顆,海洋環(huán)境探測衛(wèi)星2顆,其他環(huán)境探測衛(wèi)星11顆,射頻信號接收定位12顆。從衛(wèi)星用途來看,民用衛(wèi)星40顆,商用衛(wèi)星37顆。
2021年,歐洲平穩(wěn)推進“哥白尼”(Copernicus)、“地球探索者”(Earth Explorer)等計劃后續(xù)任務(wù),同時,歐洲各國的商業(yè)衛(wèi)星公司廣泛開展合作,傳統(tǒng)高分辨率商業(yè)對地觀測衛(wèi)星和新興對地觀測小衛(wèi)星星座均快速發(fā)展,以更低成本提供更高時間分辨率、更多樣化的對地觀測數(shù)據(jù)。
為實現(xiàn)“碳中和”目標,除了進一步加強“哥白尼”計劃的實施外,歐洲還計劃開發(fā)“哥白尼人為二氧化碳監(jiān)測”(CO2M)、哨兵—5P(Sentinel—5P)、“甲烷遙感激光雷達任務(wù)”(MERLIN)、“微碳”(MicroCarb)、“環(huán)境制圖和分析計劃”(EnMAP)衛(wèi)星等專用溫室氣體衛(wèi)星系統(tǒng),以測量人為二氧化碳和甲烷的排放,減少目前在全國和區(qū)域范圍內(nèi)化石燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放估算中的不確定性;建立獨立的信息來源,評估減排政策的有效性。CO2M衛(wèi)星于2021年4月通過空間段需求評審(SSRR),將攜帶:用于測量人為產(chǎn)生的二氧化碳的近紅外與短波紅外的光譜儀、多角度偏振成像儀(MAP)、云成像儀(CLIM)等,首顆衛(wèi)星計劃于2025年底發(fā)射。
2021年3月,歐洲航天局(ESA)授予薩里衛(wèi)星技術(shù)有限公司(SSTL)一份合同,為其建造一顆名為“水文全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”(HydroGNSS)的對地觀測小衛(wèi)星。該衛(wèi)星質(zhì)量40kg,屬于ESA的“偵察兵”(Scout)系列任務(wù)的第二顆衛(wèi)星,將成為首個使用GNSS反射技術(shù)進行水文測量的衛(wèi)星,將以高空間分辨率和更低成本來測量水文氣候關(guān)鍵變量。
2021年4月29日和8月17日,歐洲“新一代昴宿星”(Pleiades Neo)星座中的前兩顆順利部署,分別命名為Pleiades Neo—3、4。Pleiades Neo衛(wèi)星星座將由4顆相同衛(wèi)星組成,4顆衛(wèi)星位于1個軌道平面,相鄰兩顆衛(wèi)星相位成90°,星座重訪每日2次。任務(wù)規(guī)劃時間優(yōu)于25min。衛(wèi)星采用“S950光學”平臺,發(fā)射質(zhì)量920kg,全色分辨率從Pleiades的0.7m提高到0.3m,多光譜分辨率從2.8m提高到1.2m。Pleiades Neo衛(wèi)星幅寬14km,圖像定位精度優(yōu)于5m。具有1個全色譜段,6個多光譜譜段,包括深藍、藍、綠、紅、紅邊、近紅外。其中,深藍譜段和紅邊譜段比較特殊,深藍譜段具有一定的海水穿透能力,而紅邊譜段用于植被監(jiān)測。
2021年歐洲發(fā)射的商業(yè)對地觀測衛(wèi)星統(tǒng)計
2021年1月24日和6月30日,芬蘭冰眼公司(ICEYE)分別補網(wǎng)2顆與4顆衛(wèi)星,使在軌衛(wèi)星總數(shù)達到14顆。其中6月30日發(fā)射的4顆衛(wèi)星中的一顆為下一代衛(wèi)星的驗證星。該新驗證星配備了最新的SAR衛(wèi)星技術(shù),將地面分辨率提高一倍,并實現(xiàn)了成像和下傳同時進行的近實時數(shù)據(jù)交付能力。10月14日,冰眼公司被指定為“‘哥白尼’貢獻任務(wù)”的首家商業(yè)合成孔徑雷達初創(chuàng)公司(SAR),為歐盟“哥白尼”計劃提供其小型SAR衛(wèi)星星座數(shù)據(jù)。
2021年,俄羅斯成功發(fā)射1顆民用對地觀測衛(wèi)星,即全球首顆北極地區(qū)專用氣象衛(wèi)星——北極—M1(Arktika—M1)。截至2021年底,俄羅斯共有15顆民用對地觀測衛(wèi)星在軌運行。從衛(wèi)星類型來看,光學對地成像衛(wèi)星9顆,氣象環(huán)境探測衛(wèi)星6顆。從衛(wèi)星用途來看,俄羅斯目前沒有商用對地觀測在軌運行。
2021年俄羅斯在民商對地觀測衛(wèi)星方面體系仍不完備,雖然發(fā)展了陸地衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星,但海洋衛(wèi)星方面的短板比較明顯??傮w上,俄羅斯注重加強新衛(wèi)星系統(tǒng)研發(fā)和部署,積極恢復對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè),著力縮短與其他國家的差距。
Arktika—M1衛(wèi)星于2021年2月28日發(fā)射,為俄羅斯提升北極地區(qū)天基信息支援能力。正在構(gòu)建的Arktika—M衛(wèi)星系統(tǒng)由2顆衛(wèi)星組成,Arktika—M1為其首星。Arktika—M為軍民兩用氣象衛(wèi)星,用于北極地區(qū)天氣預報以及氣候與環(huán)境監(jiān)測,能重點滿足高緯度地區(qū)的戰(zhàn)場環(huán)境觀測需求。Arktika—M衛(wèi)星運行在大橢圓(Molniya)軌道,該軌道位置采集的極區(qū)數(shù)據(jù),將補充目前在軌運行的靜止軌道氣象衛(wèi)星電子—L(Elektro—L)的覆蓋缺口。
2021年,日本共發(fā)射5顆商用對地觀測衛(wèi)星,未發(fā)射民用衛(wèi)星。截至2021年底,日本共有26顆民商用對地觀測衛(wèi)星在軌運行。從衛(wèi)星類型來看,光學對地成像衛(wèi)星14顆,雷達對地成像衛(wèi)星6顆,氣象環(huán)境探測衛(wèi)星3顆,其他環(huán)境探測衛(wèi)星4顆。從衛(wèi)星用途來看,民用衛(wèi)星14顆,商用衛(wèi)星12顆。
2021年,日本在民用對地觀測能力相對穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,繼續(xù)發(fā)展后續(xù)衛(wèi)星,并重視商用小衛(wèi)星星座的補網(wǎng)。日本2021年發(fā)射的5顆商用對地觀測小衛(wèi)星分別為:日本阿克塞爾航天公司(Axelspace)的“仙鶴”(GRUS)對地觀測微衛(wèi)星星座,攜帶高性能望遠鏡,全色分辨率2.5m,多光譜分辨率5m,幅寬超過50km;日本iQPS公司的36顆商業(yè)SAR微衛(wèi)星星座的第2顆技術(shù)驗證星QPS—SAR—2,衛(wèi)星質(zhì)量約100kg,分辨率1m,采用圓極化合成孔徑雷達,帶有3.6m口徑拋物面天線,該星座具備近實時(平均10min重訪)的全球觀測能力。
2021年,印度僅發(fā)射1顆民用對地觀測衛(wèi)星,即地球靜止軌道成像衛(wèi)星—1(GISAT—1),且衛(wèi)星發(fā)射失敗。截至2021年底,印度共有18顆民商用對地觀測衛(wèi)星在軌運行,均為民用衛(wèi)星。從衛(wèi)星類型來看,光學對地成像衛(wèi)星12顆,雷達對地成像衛(wèi)星1顆,氣象環(huán)境探測衛(wèi)星3顆,海洋環(huán)境探測衛(wèi)星2顆。
印度雖然在2021年未成功部署新的民商用對地觀測衛(wèi)星,但其在軌民用對地觀測衛(wèi)星體系相對完善,用途上覆蓋氣象衛(wèi)星、陸地衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星等,遙感手段上涵蓋高分辨率光學成像和雷達成像,基本具備多樣化對地觀測能力。目前,印度商業(yè)對地觀測公司也開始計劃建造對地觀測衛(wèi)星星座。
GISAT—1衛(wèi)星于2021年8月12日發(fā)射,因低溫上面級技術(shù)故障而未能進入軌道。該衛(wèi)星又名對地觀測衛(wèi)星—03(EOS—03),質(zhì)量達2268kg,星上搭載了6譜段多光譜可見光和近紅外成像載荷(分辨率50m~1.5km)、158譜段高光譜可見光和近紅外載荷(分辨率318m)、256譜段高光譜短波紅外載荷(分辨率191m),設(shè)計壽命7年。
2021年3月22日,印度私營遙感衛(wèi)星公司—像素公司(Pixxel)宣布完成730萬美元的種子輪融資,這筆資金將用于建造高光譜成像小衛(wèi)星星座,以滿足大眾對高光譜遙感數(shù)據(jù)不斷增長的需求。該星座單星質(zhì)量15kg,分辨率5m,含150個譜段,將提供優(yōu)質(zhì)高分辨率高光譜圖像。公司計劃后續(xù)將在軌衛(wèi)星規(guī)模擴充到30顆,實現(xiàn)24h全球高光譜覆蓋能力。
2021年,其他國家或地區(qū)共計成功發(fā)射9顆民商用對地觀測衛(wèi)星,包括阿根廷4顆、阿聯(lián)酋1顆、巴西1顆、韓國1顆、加拿大1顆、緬甸1顆,其中民用衛(wèi)星5顆,商用衛(wèi)星4顆。截至2021年底,其他國家或地區(qū)共有80顆民商用對地觀測衛(wèi)星在軌運行。從衛(wèi)星類型來看,光學對地成像衛(wèi)星62顆,雷達對地成像衛(wèi)星7顆,氣象環(huán)境探測衛(wèi)星3顆,海洋環(huán)境探測衛(wèi)星1顆,其他環(huán)境探測衛(wèi)星7顆。從衛(wèi)星用途來看,民用衛(wèi)星53顆,商用衛(wèi)星27顆。
2021年1月24日,加拿大溫室氣體公司(GHGSat)成功發(fā)射了其第3顆溫室氣體衛(wèi)星——“雨果”(Hugo),之前發(fā)射的衛(wèi)星包括2016年和2020年分別發(fā)射的“克萊爾”(Claire)和“虹膜”(Iris)。Hugo衛(wèi)星由ABB公司建造,配備了先進的遙感器,可檢測到原來1/100的甲烷排放量,分辨率是其他任何商業(yè)或國家資助的衛(wèi)星的100倍以上。
2021年2月,加拿大麥克唐納·迪特維利聯(lián)合有限公司(MDA)宣布已啟動研制其雷達衛(wèi)星—2(Radarsat—2)的后續(xù)衛(wèi)星——“雷達衛(wèi)星—2連續(xù)任務(wù)”(Radarsat—2 Continuty Mission),以替換2007年12月發(fā)射、已超期服役6年以上的Radarsat—2衛(wèi)星。該衛(wèi)星仍由MDA公司與加拿大航天局(CSA)以公私合營的方式合作建造,采用C頻段合成孔徑雷達(SAR)技術(shù),以確保Radarsat—2用戶獲得數(shù)據(jù)的連續(xù)性。MDA公司還將基于其領(lǐng)先的“多任務(wù)地球觀測地面站”,以及機器學習、深度學習等人工智能技術(shù),來提升跨遙感器的大量數(shù)據(jù)管理能力,并增強SAR數(shù)據(jù)分析能力。
2021年2月28日,巴西首顆自主研制的對地觀測衛(wèi)星——亞馬遜—1(Amazonia—1)成功發(fā)射,該衛(wèi)星質(zhì)量為290kg,搭載中分辨率光學成像儀——AWFI,分辨率40m,幅寬780km,覆蓋可見光和近紅外譜段。
2021年3月22日,阿聯(lián)酋環(huán)境監(jiān)測納衛(wèi)星——迪拜環(huán)境監(jiān)測納衛(wèi)星—1(DMSat—1)成功發(fā)射,該衛(wèi)星搭載了兩個有效載荷:主有效載荷是多光譜偏振計,在可見光和近紅外具有3個譜段,分辨率為40m(650km高度),該偏振計能以多達7個視角對同一目標成像,主要用于監(jiān)測氣溶膠;次有效載荷是一對光譜儀,能夠監(jiān)測阿聯(lián)酋上方的二氧化碳、甲烷等溫室氣體。DMSat—1衛(wèi)星每天可繞地球運行14次,重訪時間為3~5天,每天覆蓋面積達80000km,將為阿聯(lián)酋環(huán)境研究提供重要數(shù)據(jù)。
2021年8月18日,韓國韓華集團(Hanwha Group)下屬衛(wèi)星制造企業(yè)——韓國衛(wèi)星技術(shù)研究初創(chuàng)公司(SI)宣布將在2024年發(fā)射天眼—T(SpaceEye—T)商業(yè)高分辨率光學成像衛(wèi)星。SpaceEye—T衛(wèi)星質(zhì)量700kg,在600km軌道高度可實現(xiàn)0.3m的空間分辨率以及14km的幅寬。該衛(wèi)星在能源、氣候監(jiān)測、災(zāi)害管理以及軍事偵察監(jiān)視等領(lǐng)域有較大的應(yīng)用價值。SI下屬SI成像服務(wù)公司(SIIS)和SI分析公司(SIA)將分別負責衛(wèi)星數(shù)據(jù)商業(yè)銷售和圖像產(chǎn)品處理加工。
2021年其他國家和地區(qū)發(fā)射的民商用對地觀測衛(wèi)星統(tǒng)計
當前,民用對地觀測衛(wèi)星更為清晰地形成業(yè)務(wù)化成熟型應(yīng)用衛(wèi)星和低成本探索型驗證衛(wèi)星兩個類別。成熟型應(yīng)用衛(wèi)星呈平穩(wěn)發(fā)展態(tài)勢,主要屬于政府規(guī)劃的民用對地觀測衛(wèi)星計劃,用于氣象、海洋、減災(zāi)等環(huán)境領(lǐng)域的高精度觀測;探索型驗證衛(wèi)星數(shù)量持續(xù)攀升,主要采用立方體小衛(wèi)星或搭載載荷的方式,可以在低成本、縮短研制周期等條件下快速實現(xiàn)在軌驗證和目標要素探測,對大衛(wèi)星進行技術(shù)驗證和數(shù)據(jù)補充。
繼美國世界觀測—3(Worldview—3)衛(wèi)星之后,2021年,歐洲成功部署2顆0.3m分辨率的商業(yè)光學遙感衛(wèi)星,同時,韓國、以色列等國家均在研制分辨率0.3m的新一代商業(yè)對地成像衛(wèi)星,這意味著國際主流商業(yè)對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)將全面進入0.3m甚高分辨率時代。此外,隨著2021年12月NOAA向反照率公司頒發(fā)全球首個0.1m分辨率的光學遙感衛(wèi)星圖像的銷售許可證,美國開始在0.3m分辨率的基礎(chǔ)上進一步提高技術(shù)水平,即將擁有全球商用對地觀測衛(wèi)星的最高分辨率水平。未來,國際商業(yè)對地觀測衛(wèi)星市場將進一步開展激烈競爭。