高分辨率對(duì)地觀測(cè)體系建設(shè)回顧與展望

白鶴峰 黃石生 喬凱 趙斐 于春銳 張永賀 高鵬

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)

高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)(以下簡(jiǎn)稱高分專項(xiàng))是《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》中確定的16個(gè)重大專項(xiàng)之一。高分專項(xiàng)重點(diǎn)是發(fā)展基于衛(wèi)星、飛機(jī)、平流層飛艇、地面系統(tǒng)組成的高分辨率先進(jìn)觀測(cè)體系，并結(jié)合其它中低分辨率觀測(cè)手段，形成“天地一體、時(shí)空協(xié)調(diào)”的高分辨率數(shù)據(jù)獲取及應(yīng)用服務(wù)保障能力[1-2]。

高分專項(xiàng)肩負(fù)著填補(bǔ)領(lǐng)域空白、打破技術(shù)封鎖、引領(lǐng)未來發(fā)展的重任和使命！高分專項(xiàng)實(shí)施方案論證提出了2020年前的工程目標(biāo)、科技目標(biāo)和應(yīng)用目標(biāo)，全面指導(dǎo)專項(xiàng)的建設(shè)實(shí)施。

本文主要回顧了高分辨率對(duì)地觀測(cè)體系建設(shè)進(jìn)展情況，綜述了天基、臨近空間、航空、地面等系統(tǒng)的建設(shè)成果，并針對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、國家安全的新形勢(shì)，以及對(duì)地觀測(cè)體系應(yīng)用樣式發(fā)生的重大轉(zhuǎn)變，提出高分辨率對(duì)地觀測(cè)體系應(yīng)用需進(jìn)一步提升高冗余組網(wǎng)、高容量觀測(cè)、高連續(xù)跟蹤、高時(shí)效認(rèn)知、高深遠(yuǎn)支持等“五高”能力，體系建設(shè)應(yīng)更加突出發(fā)展高性能衛(wèi)星、部署高密度星座、拓展高遠(yuǎn)全視野、構(gòu)建全球精準(zhǔn)觀測(cè)應(yīng)用基礎(chǔ)環(huán)境、提升臨近空間系統(tǒng)應(yīng)用能力。

1 高分辨率對(duì)地觀測(cè)體系

1.1 體系組成

高分辨率對(duì)地觀測(cè)體系主要由天基、臨近空間、航空、地面和軟環(huán)境等五大系統(tǒng)組成，見圖1。系統(tǒng)以天基為核心，填補(bǔ)臨近空間領(lǐng)域空白，發(fā)揮航空已有優(yōu)勢(shì)，地面協(xié)調(diào)配套發(fā)展，實(shí)現(xiàn)全球和周邊重點(diǎn)地區(qū)的高分辨率觀測(cè)。其中，天基系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)全球長期穩(wěn)定觀測(cè)，臨近空間系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)國內(nèi)國境實(shí)時(shí)連續(xù)觀測(cè)，航空系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)國內(nèi)區(qū)域快速精細(xì)觀測(cè)，地面系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)一體化管控接收、專業(yè)化數(shù)據(jù)處理、柵格化分發(fā)共享、精細(xì)化應(yīng)用服務(wù)，軟環(huán)境系統(tǒng)主要提供政策法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、知識(shí)產(chǎn)權(quán)、科技情報(bào)、國際合作、應(yīng)用推廣等配套保障。

圖1 高分辨率對(duì)地觀測(cè)體系組成

在高分辨率對(duì)地觀測(cè)體系設(shè)計(jì)建設(shè)中，天基系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)空間維的大尺度觀測(cè)，臨近空間系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)時(shí)間維的連續(xù)觀測(cè)，航空系統(tǒng)主要豐富觀測(cè)手段，拓展信息維的獲取能力。地面系統(tǒng)是高分專項(xiàng)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，是高分辨率對(duì)地觀測(cè)體系聯(lián)合運(yùn)用的核心，既可提供大回路、全體系的應(yīng)用能力，也可提供數(shù)據(jù)、算法支持，用戶利用機(jī)動(dòng)、便攜、手持等應(yīng)用終端，小回路邊緣就近快速提報(bào)需求，開展信息應(yīng)用。

1.2 專項(xiàng)特點(diǎn)

高分專項(xiàng)的實(shí)施，通過自主創(chuàng)新、技術(shù)跨越，重點(diǎn)推進(jìn)了三大創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了四大引領(lǐng)。

1)三大創(chuàng)新

首先是體系創(chuàng)新，首次建立由天基、臨空、航空系統(tǒng)觀測(cè)層以及應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成，涵蓋大氣、陸地、海洋的高分對(duì)地觀測(cè)體系，尤其是建立天空地一體化的多尺度數(shù)據(jù)源獲取體系，對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國高分對(duì)地觀測(cè)體系完整性、前瞻性具有重要戰(zhàn)略意義。

其次是技術(shù)創(chuàng)新，攻關(guān)研制天基先進(jìn)的對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)與載荷技術(shù)；填補(bǔ)國內(nèi)平流層飛艇技術(shù)空白；掌握具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的航空先進(jìn)對(duì)地觀測(cè)載荷技術(shù)；突破先進(jìn)的數(shù)據(jù)接收、處理、共享、應(yīng)用服務(wù)技術(shù)。

最后是機(jī)制創(chuàng)新，創(chuàng)新建立數(shù)據(jù)和信息共享機(jī)制，制定配套政策法規(guī)，為不同用戶之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享提供保證；創(chuàng)新建立直接面向用戶終端、支持多任務(wù)、多樣化應(yīng)急行動(dòng)的應(yīng)用服務(wù)機(jī)制，提高應(yīng)用能力水平。

2)四大引領(lǐng)

(1)引領(lǐng)體系建設(shè)，首次構(gòu)建了天基、臨空、航空三位一體、有機(jī)銜接、高度集成的國家對(duì)地觀測(cè)體系，用技術(shù)發(fā)展帶動(dòng)機(jī)制創(chuàng)新，引領(lǐng)我國對(duì)地觀測(cè)體系的建設(shè)和發(fā)展。

(2)引領(lǐng)科技進(jìn)步，瞄準(zhǔn)制約高分觀測(cè)技術(shù)瓶頸，重點(diǎn)安排了在對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域具有引領(lǐng)性和標(biāo)志性的項(xiàng)目研制和技術(shù)攻關(guān)，帶動(dòng)我國機(jī)械、電子、材料、能源等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步。

(3)引領(lǐng)資源整合，地面系統(tǒng)建設(shè)注重結(jié)合實(shí)際、統(tǒng)籌規(guī)劃，避免“煙囪式”建設(shè)。

(4)引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，通過應(yīng)用示范系統(tǒng)的研制建設(shè)，統(tǒng)籌開展共性關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)的協(xié)同攻關(guān)，解決在技術(shù)與管理方面的產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化、服務(wù)推廣的瓶頸問題，確保高分?jǐn)?shù)據(jù)“好用”和“用好”。

1.3 應(yīng)用流程

高分辨率對(duì)地觀測(cè)體系的工作流程見圖2。

圖2 高分辨率對(duì)地觀測(cè)體系工作流程圖

高分辨率對(duì)地觀測(cè)體系的典型工作流程為：

(1)用戶提出高分辨率觀測(cè)任務(wù)需求；

(2)資源共享與服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行需求籌劃，檢索資源，當(dāng)存檔的數(shù)據(jù)資源不能滿足需求時(shí)，制定任務(wù)需求發(fā)送任務(wù)管控系統(tǒng)；

(3)任務(wù)管控分系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星、平流層飛艇、航空平臺(tái)及載荷信息，制定對(duì)地觀測(cè)任務(wù)，發(fā)送給相應(yīng)的平臺(tái)；根據(jù)地面站網(wǎng)資源及中繼資源信息，制定地面接收計(jì)劃，發(fā)送給數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)；

(4)衛(wèi)星、平流層飛艇、航空平臺(tái)根據(jù)計(jì)劃獲取相應(yīng)區(qū)域的高分辨率觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過星地或中繼數(shù)傳傳至地面；應(yīng)急情況下可通過機(jī)動(dòng)接收處理系統(tǒng)完成觀測(cè)數(shù)據(jù)的接收、處理，快速應(yīng)用；

(5)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)定標(biāo)與質(zhì)量評(píng)定系統(tǒng)提供的參數(shù)，對(duì)接收到的衛(wèi)星、平流層飛艇、航空平臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、專業(yè)信息處理和綜合態(tài)勢(shì)生成；

(6)定標(biāo)與質(zhì)量評(píng)定系統(tǒng)定期開展載荷的輻射與幾何定標(biāo)、產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定等；

(7)資源共享與服務(wù)平臺(tái)統(tǒng)一管理各級(jí)數(shù)據(jù)，向各用戶節(jié)點(diǎn)分發(fā)共享；各用戶單位獲取數(shù)據(jù)后，可按需進(jìn)行專業(yè)處理，生成高級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

圍繞對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、專業(yè)信息處理和綜合產(chǎn)品生成等數(shù)據(jù)處理任務(wù)，高分專項(xiàng)建設(shè)了“六庫、一場(chǎng)、一平臺(tái)”(全球空間基礎(chǔ)地理信息保障庫、目標(biāo)/地物特性庫、目標(biāo)/地物知識(shí)庫、應(yīng)用軟件插件庫、基礎(chǔ)模型算法庫、試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)庫等六個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，一個(gè)應(yīng)用試驗(yàn)場(chǎng)，一個(gè)測(cè)試評(píng)估平臺(tái))，為高分辨率對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐。

2 高分辨率對(duì)地觀測(cè)體系建設(shè)成果

高分專項(xiàng)實(shí)施以來，以創(chuàng)新為綱、以應(yīng)用為目，重點(diǎn)在天基系統(tǒng)的體系創(chuàng)新、臨近空間的平臺(tái)創(chuàng)新、航空載荷的技術(shù)創(chuàng)新、地面系統(tǒng)的體制創(chuàng)新等方面進(jìn)行了探索與實(shí)踐，取得積極成果。

2.1 天基系統(tǒng)體系創(chuàng)新

構(gòu)建了骨干+增強(qiáng)的體系架構(gòu)，骨干系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全球高分辨率觀測(cè)、廣域連續(xù)監(jiān)測(cè)和大比例尺測(cè)繪。按需發(fā)展增強(qiáng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域的能力增強(qiáng)。

1)骨干體系建設(shè)

高分專項(xiàng)中，重點(diǎn)發(fā)展了低軌高分辨率光學(xué)/微波、高精度測(cè)繪和高軌成像等先進(jìn)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，突破了大口徑長焦距光學(xué)相機(jī)、大信號(hào)帶寬合成孔徑雷達(dá)(SAR)、高敏捷姿態(tài)機(jī)動(dòng)與控制、高精度測(cè)繪、高碼速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，形成高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率、高定位精度等能力。

(1)高空間分辨率

對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)而言，空間分辨率與探測(cè)器像元間距和軌道高度成正比，與相機(jī)焦距成反比[3]。實(shí)現(xiàn)高空間分辨率通常需要大口徑光學(xué)反射鏡、長焦距光學(xué)系統(tǒng)、高性能的探測(cè)器、較低的運(yùn)行軌道。因此，高分專項(xiàng)重點(diǎn)攻關(guān)了高動(dòng)態(tài)高靈敏度大規(guī)模探測(cè)器、高速低噪聲高集成度相機(jī)電子學(xué)、大口徑反射鏡研制/加工/裝調(diào)/檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，成像分辨率達(dá)到亞米級(jí)；并開展了分塊鏡展開、稀疏孔徑、衍射成像等探索研究。

對(duì)于SAR系統(tǒng)而言，分辨率通常按照距離向和方位向定義，距離向分辨率主要取決于系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)的帶寬，方位向分辨率主要取決于系統(tǒng)的多普勒帶寬[3]。因此，高分專項(xiàng)重點(diǎn)攻關(guān)提高了電源、T/R組件效率，降低損耗，最高成像分辨率達(dá)到亞米級(jí)；并開展了新技術(shù)、新機(jī)理、新模式等探索研究。

(2)高時(shí)間分辨率

時(shí)間分辨率，是指對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行的相鄰兩次觀測(cè)的最小時(shí)間間隔。對(duì)于天基系統(tǒng)而言，時(shí)間分辨率與衛(wèi)星軌道高度、傾角、可視觀測(cè)帶寬，以及衛(wèi)星數(shù)量規(guī)模有關(guān)。對(duì)于單星而言，高分專項(xiàng)重點(diǎn)提升了光學(xué)衛(wèi)星的敏捷姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力、微波衛(wèi)星的方位掃描成像能力，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)、多視角觀測(cè)和拼接成像。

(3)高光譜分辨率

光譜分辨率，是傳感器接收、記錄電磁輻射(反射或發(fā)射)最小波長范圍的能力。光譜分辨率越高，傳感器可區(qū)分地物屬性的能力越高。

高光譜遙感具有以下特點(diǎn)[3]：一是高光譜分辨率與高空間分辨率難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)。二是紅外高光譜譜段需要在低溫環(huán)境下工作，對(duì)制冷機(jī)在軌長壽命工作提出較高要求。三是高光譜遙感獲取的是三維數(shù)據(jù)，對(duì)光譜數(shù)據(jù)的高保真壓縮要求高。因此，高分專項(xiàng)重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)空間分辨率與光譜分辨率合理搭配，突破了高通量、高穩(wěn)定、精細(xì)分光，以及圖譜特征提取、圖像分類處理等關(guān)鍵技術(shù)，光譜分辨率達(dá)到納米級(jí)。

(4)高定位精度

定位精度是指從遙感圖像中獲取目標(biāo)地理空間位置的精度，包括絕對(duì)定位精度和相對(duì)定位精度。

光學(xué)衛(wèi)星可通過單線陣、多線陣和面陣體制實(shí)現(xiàn)高精度定位。SAR衛(wèi)星通過干涉成像(InSAR)的方式進(jìn)行高精度測(cè)繪，典型系統(tǒng)包括單平臺(tái)雙天線干涉SAR系統(tǒng)、重復(fù)軌道干涉SAR系統(tǒng)和分布式衛(wèi)星干涉SAR系統(tǒng)。高分專項(xiàng)重點(diǎn)安排了雙線陣光學(xué)測(cè)繪和分布式衛(wèi)星干涉SAR系統(tǒng)攻關(guān)，突破了平臺(tái)高精度定軌定姿與姿控?zé)峥?、微振?dòng)測(cè)量/抑制與補(bǔ)償，載荷內(nèi)外方位元素控制、地面控制點(diǎn)與高程模型數(shù)據(jù)修正、高精度定標(biāo)等關(guān)鍵技術(shù)，定位精度達(dá)到1∶1萬比例尺。

2)增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)

在配套系統(tǒng)支持下，按任務(wù)所需，快速發(fā)射衛(wèi)星，迅速、靈活增強(qiáng)和重塑空間系統(tǒng)，以低建設(shè)成本、快響應(yīng)時(shí)間、短信息鏈路，滿足突發(fā)性局部區(qū)域觀測(cè)要求。增強(qiáng)系統(tǒng)具有預(yù)案化任務(wù)設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品生產(chǎn)、模塊化衛(wèi)星組裝、快速性測(cè)試發(fā)射、靈活性指揮控制、快捷性信息應(yīng)用等顯著特點(diǎn)。

高分專項(xiàng)中，增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)主要實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)三統(tǒng)一、體系運(yùn)用六自主、能力生成四快速。

(1)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)三統(tǒng)一

一是統(tǒng)軟硬件架構(gòu)，采用體系開放的硬件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品即插即用、快速自主測(cè)試，采用平臺(tái)共用的軟件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)開放兼容、快速重構(gòu)。二是統(tǒng)產(chǎn)品體系，創(chuàng)新小衛(wèi)星研制理念，明確了31種產(chǎn)品規(guī)格及研制要求，推動(dòng)衛(wèi)星從定制化藝術(shù)品研制向批量化工業(yè)品生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型。三是統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建立了38份快響小衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，支撐貨架式、低成本產(chǎn)品體系建立，支持快速研制、應(yīng)急發(fā)射、快速應(yīng)用。

(2)體系運(yùn)用六自主

一是自主組網(wǎng)，星間低速網(wǎng)支持衛(wèi)星自主接入、退出，星間高速網(wǎng)支持?jǐn)?shù)據(jù)信息快速匯聚。二是自主協(xié)同，多星可協(xié)同觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)、接力、拼接等。三是自主規(guī)劃，星簇任務(wù)管理、單星任務(wù)規(guī)劃。四是自主處理，星上進(jìn)行快速數(shù)據(jù)處理。五是自主融合，多星多源信息規(guī)則化融合，提升信息準(zhǔn)確度。六是自主分發(fā)，多路由選擇，分發(fā)地面終端。

(3)能力生成四快速

一是快速研制，采用貨架式產(chǎn)品，整星快速組裝集成。二是快速發(fā)射，優(yōu)化流程，快速測(cè)試發(fā)射。三是快速測(cè)試，入軌后快速完成整星功能自測(cè)試。四是快速應(yīng)用，信息和有效數(shù)據(jù)快速推送。

2.2 臨近空間平臺(tái)創(chuàng)新

臨近空間系統(tǒng)是高分專項(xiàng)支持發(fā)展的一個(gè)新領(lǐng)域。臨近空間一般指距地面20～100 km高度之間的空間范圍，介于一般航空和航天高度范圍的空天結(jié)合區(qū)域，具有獨(dú)特的環(huán)境優(yōu)勢(shì)和潛在的應(yīng)用價(jià)值。

平流層飛艇是部署在臨近空間的主要探測(cè)平臺(tái)，其利用20 km高度附近風(fēng)速較小等有利條件，攜帶任務(wù)載荷，依靠浮力升空和高度保持，通過太陽能再生能源供電，采用螺旋槳作為動(dòng)力裝置，在特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定駐留、可控飛行[4]。高分專項(xiàng)在臨近空間系統(tǒng)方面的工作可總結(jié)如下。

1)準(zhǔn)確識(shí)別平流層飛艇基礎(chǔ)科學(xué)問題

深入開展了平流層飛艇“升、駐、控、返”全過程機(jī)理和科學(xué)問題研究，圍繞飛艇總體及共性基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)，梳理形成50項(xiàng)重難點(diǎn)問題、92項(xiàng)基礎(chǔ)問題，牽引技術(shù)攻關(guān)。

(1)安全進(jìn)入。飛艇上升過程中，風(fēng)場(chǎng)、空氣密度、環(huán)境溫度劇烈變化，對(duì)飛艇上升控制、壓力/溫度調(diào)節(jié)、結(jié)構(gòu)安全等帶來極大挑戰(zhàn)。主要關(guān)鍵技術(shù)包括：浮力與速度控制、壓力控制、上升段控制律設(shè)計(jì)等技術(shù)。

(2)長期駐空。受太陽輻照晝夜變化影響，艇內(nèi)升浮氣體溫度波動(dòng)，內(nèi)外溫差最高可達(dá)30～60 ℃，引起艇內(nèi)壓力劇烈變化，對(duì)飛艇結(jié)構(gòu)安全、高度保持等產(chǎn)生影響。主要關(guān)鍵技術(shù)包括：熱分析與控制、超壓特性與控制等技術(shù)。

(3)可控飛行。平流層飛艇體積巨大、控制響應(yīng)緩慢。為實(shí)現(xiàn)區(qū)域可控飛行，需完成光電轉(zhuǎn)換、能源存儲(chǔ)到動(dòng)力輸出的循環(huán)控制。主要關(guān)鍵技術(shù)包括：氣動(dòng)外形優(yōu)化與減阻、航路飛行控制、區(qū)域駐留飛行控制等技術(shù)。

(4)安全返回。平流層飛艇若實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用，可顯著提升應(yīng)用效益，但受低空惡劣環(huán)境影響，安全返場(chǎng)難度極大。主要關(guān)鍵技術(shù)包括：可預(yù)測(cè)降落與控制、著陸安全控制、返場(chǎng)地空動(dòng)力、平臺(tái)快速回收等技術(shù)。

同時(shí)，統(tǒng)籌推進(jìn)平流層飛艇共性技術(shù)攻關(guān)。囊體材料面密度/強(qiáng)度/透氦率/環(huán)境適應(yīng)性、太陽能電池組件效率、鋰電池比能量、螺旋槳和電機(jī)效率等技術(shù)指標(biāo)均有較大提升，達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平。

2)科學(xué)確定平流層飛艇平臺(tái)發(fā)展路線

制定并發(fā)布了平流層飛艇系統(tǒng)發(fā)展綱要，提出了“方案探索研究、技術(shù)試驗(yàn)、工程試驗(yàn)”三步走的發(fā)展路線，推動(dòng)飛艇平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)研究。

方案探索研究階段，重點(diǎn)開展多技術(shù)路線可行性探索，驗(yàn)證基礎(chǔ)科學(xué)問題。技術(shù)試驗(yàn)階段，重點(diǎn)突破總體關(guān)鍵技術(shù)技術(shù)，開展試驗(yàn)驗(yàn)證。工程試驗(yàn)階段，重點(diǎn)提升飛艇駐空時(shí)間，拓展承載應(yīng)用能力。

借鑒航天工程組織管理模式，構(gòu)建了工程總體抓總、各大系統(tǒng)分工協(xié)作的平流層飛艇技術(shù)體制驗(yàn)證工程試驗(yàn)體系。

2.3 航空觀測(cè)手段創(chuàng)新

航空系統(tǒng)通過飛機(jī)平臺(tái)和無人機(jī)搭載多種觀測(cè)載荷，獲取高分辨率對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，具有分辨率高、時(shí)效性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)難度小等優(yōu)勢(shì)，是獲取國內(nèi)以及國土周邊區(qū)域高分辨率對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的重要方式。高分專項(xiàng)航空系統(tǒng)載荷研制的總體定位：①解決有無，升級(jí)換代；②實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，自主可控；③開展技術(shù)驗(yàn)證，推動(dòng)天、臨載荷創(chuàng)新發(fā)展。

1)拓展觀測(cè)手段

拓展航空載荷探測(cè)手段，豐富傳統(tǒng)高光譜、激光雷達(dá)、Ku波段SAR、Ka波段SAR等成像手段，發(fā)展重力探測(cè)、磁力探測(cè)、大氣海洋環(huán)境探測(cè)等信號(hào)探測(cè)手段。

2)提升觀測(cè)能力

圍繞高分辨率、高精度觀測(cè)要求和定量化反演目標(biāo)，提升能力。一是分辨率由分米級(jí)提升至厘米級(jí)；二是高精度定位由相對(duì)到絕對(duì)、由有控向無控提升，對(duì)地觀測(cè)由定性到定量提升；三是開展了機(jī)上實(shí)時(shí)處理、目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別等智能處理研究。

3)載荷綜合應(yīng)用

載荷應(yīng)用綜合化，實(shí)現(xiàn)“一載荷、多模式、多功能、多應(yīng)用”。開展了多功能一體化雷達(dá)技術(shù)研究，綜合實(shí)現(xiàn)高分辨率SAR成像、高精度InSAR測(cè)高、地面動(dòng)目標(biāo)探測(cè)、海面目標(biāo)探測(cè)等功能。

4)推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新

開展視頻SAR、圖譜關(guān)聯(lián)探測(cè)載荷、主被動(dòng)復(fù)合成像、輕小型位置與姿態(tài)測(cè)量等新技術(shù)研究，為后續(xù)發(fā)展與能力提升提供技術(shù)支撐。

2.4 地面系統(tǒng)體制創(chuàng)新

提出了“分布式對(duì)等、資源虛擬化整合、通用平臺(tái)+專用插件”等技術(shù)體制，完成典型系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)管控、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)預(yù)處理、定標(biāo)與質(zhì)量評(píng)定、資源共享服務(wù)、通用機(jī)動(dòng)接收處理、資源共享交換等功能，如圖3所示。

圖3 高分專項(xiàng)地面系統(tǒng)組成

1)任務(wù)管控

開展了“1+N”模式聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃(體系聯(lián)合規(guī)劃和節(jié)點(diǎn)自主規(guī)劃)、多類型平臺(tái)多載荷協(xié)同調(diào)度、觀測(cè)數(shù)傳資源一體化調(diào)度、滾動(dòng)式動(dòng)態(tài)任務(wù)管控等技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)天、臨、空資源一體化協(xié)同規(guī)劃，多星、多任務(wù)一體化任務(wù)管控。

2)數(shù)據(jù)接收

攻關(guān)高速解調(diào)譯碼、S/X/Ka三頻段一體化接收、極地站數(shù)據(jù)接收測(cè)控綜合等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收資源高效利用。

3)數(shù)據(jù)預(yù)處理

集成航天和航空平臺(tái)相關(guān)傳感器的專用數(shù)據(jù)預(yù)處理算法插件，實(shí)現(xiàn)一體化、自動(dòng)化、高精度、低延遲的0～3級(jí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)。

4)定標(biāo)與質(zhì)量評(píng)定

研制了地表光學(xué)反射特性自動(dòng)觀測(cè)儀、光學(xué)輻射定標(biāo)大氣特性自動(dòng)檢測(cè)儀、遠(yuǎn)程監(jiān)控通用角反射器、有源定標(biāo)器觀測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸設(shè)備等，形成天基、航空、臨近空間載荷一體化、定制化定標(biāo)能力。

5)資源共享服務(wù)

集成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、專用數(shù)據(jù)服務(wù)、需求及任務(wù)管理等專用插件，實(shí)現(xiàn)空天數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一存儲(chǔ)、組織管理、高效檢索、資源訪問、高效分發(fā)等服務(wù)。

6)通用機(jī)動(dòng)接收處理

天線按口徑大小分為4.5 m、2.4 m和1.2 m三型，覆蓋L/S/X/Ku/Ka頻段，饋源模塊設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)接口，可接收衛(wèi)星、無人機(jī)載荷數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)管理，實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)伴隨保障，一鍵展開、一鍵對(duì)星、一鍵收藏。

7)資源共享交換

部署一主中心、四分中心，構(gòu)建國家數(shù)據(jù)安全高效的交換鏈路，開展各行業(yè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星資源按需共享使用。

3 后續(xù)發(fā)展展望

當(dāng)前，太空科技革命孕育興起，太空架構(gòu)正發(fā)生歷史性變遷，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。

航天已邁入千星萬星時(shí)代！美國太空發(fā)展局(SDA)提出了新一代太空體系架構(gòu)，將在2024年前部署150顆低軌衛(wèi)星，并授予跟蹤層、傳輸層0批次數(shù)十顆衛(wèi)星合同[5]。美國國防部先進(jìn)研究計(jì)劃局(DARPA)啟動(dòng)了黑杰克(Blackjack)創(chuàng)新項(xiàng)目，授予了數(shù)十顆黑杰克衛(wèi)星合同。星鏈公司(Starlink)已完成數(shù)十次發(fā)射，部署2000余顆衛(wèi)星。

美國和俄羅斯等正在制定地月空間發(fā)展計(jì)劃。2020年4月，美國提出月球持續(xù)探索和開發(fā)規(guī)劃，公布了阿爾忒彌斯計(jì)劃(Artemis)[6]。2020年10月，美、英、日、意等八國集體簽署計(jì)劃協(xié)議。2019年2月，俄羅斯擬制了月球綜合探索與開發(fā)計(jì)劃草案，提出2040年月球開發(fā)4個(gè)階段路線圖[7]。

針對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、國家安全的新形勢(shì)，對(duì)地觀測(cè)體系的應(yīng)用樣式發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變。具體體現(xiàn)在：①網(wǎng)絡(luò)中心向決策中心轉(zhuǎn)變；②體系聯(lián)合支撐向邊緣動(dòng)態(tài)組合轉(zhuǎn)變；③人機(jī)協(xié)同向有人監(jiān)督和無人自主轉(zhuǎn)變；④間發(fā)局部沖突向常態(tài)混合博弈轉(zhuǎn)變；⑤撥開迷霧向認(rèn)知迷霧和利用迷霧等轉(zhuǎn)變；⑥靜態(tài)規(guī)劃向動(dòng)態(tài)管理轉(zhuǎn)變。

因此，高分辨率對(duì)地觀測(cè)體系建設(shè)發(fā)展應(yīng)在高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率和高定位精度基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升高冗余組網(wǎng)、高容量觀測(cè)、高連續(xù)跟蹤、高時(shí)效認(rèn)知、高深遠(yuǎn)支持等“五高”能力。據(jù)此，我們提出了“三高一基礎(chǔ)一提升”的對(duì)地觀測(cè)體系建設(shè)發(fā)展方向。

(1)三高：高性能衛(wèi)星、高密度星座、高遠(yuǎn)全視野。

(2)一基礎(chǔ)：全球精準(zhǔn)觀測(cè)應(yīng)用基礎(chǔ)環(huán)境。

(3)一提升：臨近空間系統(tǒng)應(yīng)用能力。

3.1 前瞻開展高性能衛(wèi)星技術(shù)攻關(guān)

高空間分辨率和高精度觀測(cè)是對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域發(fā)展的永恒主題。

(1)針對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)，開展新體制超大口徑光學(xué)成像技術(shù)研究，包括：分塊可展開光學(xué)成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分塊拼接、在軌展開；合成孔徑成像技術(shù)，以稀疏孔徑達(dá)到接近于傳統(tǒng)超大口徑的效果；薄膜衍射成像技術(shù)，利用平面衍射透鏡實(shí)現(xiàn)大口徑成像。

(2)針對(duì)SAR成像系統(tǒng)，開展超大功率孔徑積合成孔徑雷達(dá)技術(shù)研究，包括大型輕量化天線、大功率空間合成與發(fā)射、長合成孔徑時(shí)間成像、大型多體撓性附件展開與振動(dòng)抑制、天線高精度指向控制等技術(shù)研究。

(3)開展高精度目標(biāo)特性測(cè)量技術(shù)研究，包括高分辨率高光譜成像、全時(shí)相紅外特性測(cè)量、高分辨率雷達(dá)散射特性測(cè)量、電磁特征測(cè)量與精細(xì)識(shí)別等技術(shù)研究。

3.2 眾籌融合發(fā)展高密度星座

世界航天發(fā)展經(jīng)歷了模擬化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，正在向航天4.0方向發(fā)展，典型特征是節(jié)點(diǎn)部署規(guī)?；?、體系建設(shè)一體化、聯(lián)合應(yīng)用智能化：①節(jié)點(diǎn)部署規(guī)?；?，數(shù)百乃至上萬顆衛(wèi)星，部署于多個(gè)低地球軌道，形成規(guī)模效應(yīng)；②體系建設(shè)一體化，通信、導(dǎo)航、遙感功能一體，以彈性泛在網(wǎng)絡(luò)為紐帶，實(shí)現(xiàn)陸?？仗於嘤蛉诤?；③聯(lián)合應(yīng)用智能化，多域協(xié)同的智能感知、決策、控制等體系能力。

發(fā)展低軌高密度星座，將改變航天發(fā)展格局，衛(wèi)星的研產(chǎn)、運(yùn)管和應(yīng)用模式都將發(fā)生改變。

(1)研產(chǎn)模式。衛(wèi)星制造采用自主可控器件、標(biāo)準(zhǔn)化部組件、柔性化集成生產(chǎn)線；運(yùn)載火箭重復(fù)使用、多星大批量發(fā)射部署，降低進(jìn)入太空成本；快速在軌測(cè)試、快速應(yīng)用。

(2)運(yùn)管模式。全星座布設(shè)互操作資源(網(wǎng)絡(luò)化隨遇接入管控處理環(huán)節(jié))和自主管控資源(機(jī)器自主操作系統(tǒng))，支持星座按需自主管控協(xié)同和有人參與的動(dòng)態(tài)任務(wù)管理。

(3)應(yīng)用模式。首先，改變傳統(tǒng)遙感信息人工解譯的模式，支持海量數(shù)據(jù)智能化、自動(dòng)化解譯。其次，進(jìn)行智能關(guān)聯(lián)分析，實(shí)現(xiàn)從地物、目標(biāo)的智能感知到要素之間關(guān)系認(rèn)知的躍遷，實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)的態(tài)勢(shì)認(rèn)知。再次，利用人工智能學(xué)習(xí)掌握用戶對(duì)天基信息的使用習(xí)慣，實(shí)現(xiàn)用戶需求的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、用戶服務(wù)精準(zhǔn)推送。

3.3 積極拓展地月空間發(fā)展視野

月球是距離地球最近的天體，既可作為深空探測(cè)的中繼站，又是對(duì)外天文觀測(cè)的理想基地[8]。2004年，我國提出了月球探測(cè)“繞”、“落”、“回”三步走計(jì)劃，計(jì)劃在3年內(nèi)發(fā)射衛(wèi)星繞月飛行，6年內(nèi)月球車將在月球上軟著陸，2020年前利用機(jī)器人將月壤樣品采回地球。隨著嫦娥五號(hào)完成月球采樣任務(wù)，我國已成功實(shí)現(xiàn)了上述三步走計(jì)劃。地月空間拓展已成為后續(xù)發(fā)展的新視野。

(1)拓展地月空間發(fā)展視野，建設(shè)地月空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，提供遙感、通信和導(dǎo)航服務(wù)[9]，支持地月空間開發(fā)利用。

(2)建設(shè)深空中轉(zhuǎn)站，支持外太空探索。

3.4 筑強(qiáng)全球精準(zhǔn)觀測(cè)應(yīng)用基礎(chǔ)環(huán)境

為實(shí)現(xiàn)全球精準(zhǔn)觀測(cè)及定量化遙感應(yīng)用，提升數(shù)據(jù)使用效益，需要建設(shè)高精度定標(biāo)場(chǎng)，保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度和可用度。同時(shí)，現(xiàn)有遙感數(shù)據(jù)的處理算法、模型、規(guī)則等缺乏定量評(píng)估，需建設(shè)真實(shí)性檢驗(yàn)系統(tǒng)，保證由遙感數(shù)據(jù)處理生成的信息產(chǎn)品的可信度。

因此，為降低遙感數(shù)據(jù)的用戶門檻，推廣高分辨率對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用，需建立完善全球精準(zhǔn)觀測(cè)應(yīng)用信息基礎(chǔ)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品、算法、規(guī)則、模型的定量化、真實(shí)性檢驗(yàn)，保障數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度和信息知識(shí)可信度，并提供一個(gè)平時(shí)數(shù)據(jù)積累的框架，支持?jǐn)?shù)據(jù)處理精度和處理時(shí)效性的提升。

(1)完善高精度定標(biāo)場(chǎng)網(wǎng)，積累傳感器定標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)傳感器的高精度、全鏈路、多源交叉定標(biāo)。

(2)建設(shè)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品、算法真實(shí)性檢驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品、算法的指標(biāo)性能定量化檢驗(yàn)評(píng)估。

(3)基于統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)和數(shù)據(jù)規(guī)范，構(gòu)建涵蓋全球基準(zhǔn)數(shù)據(jù)、樣本數(shù)據(jù)、目標(biāo)特性、知識(shí)、模型算法和數(shù)據(jù)產(chǎn)品的全球基準(zhǔn)數(shù)據(jù)資源池，提供智能認(rèn)知所需的樣本、特性、知識(shí)、模型等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.5 持續(xù)提升臨近空間系統(tǒng)應(yīng)用能力

在高分專項(xiàng)臨近空間系統(tǒng)平臺(tái)攻關(guān)成果基礎(chǔ)上，采取邊建邊用與持續(xù)提升相結(jié)合，一是進(jìn)一步圍繞“升、駐、控、返”等核心問題開展技術(shù)攻關(guān)，提升飛艇駐空時(shí)間；二是拓展承載應(yīng)用能力，開展遙感、通信、導(dǎo)航應(yīng)用試驗(yàn)。同時(shí)，發(fā)展太陽能無人機(jī)，與平流層飛艇協(xié)同構(gòu)建臨近空間觀測(cè)系統(tǒng)。太陽能無人機(jī)具有飛行航時(shí)長、抗風(fēng)能力強(qiáng)、起降部署靈活等特點(diǎn)，是極具潛力的新型臨近空間無人飛行器[10]。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，我國基本建成了高分辨率對(duì)地觀測(cè)體系，天基、臨近空間、航空和地面協(xié)同形成高分辨率對(duì)地觀測(cè)能力。后續(xù)，隨著太空科技革命的孕育興起、太空架構(gòu)的歷史性變遷，對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域應(yīng)具備高冗余組網(wǎng)、高容量觀測(cè)、高連續(xù)跟蹤、高時(shí)效認(rèn)知、高深遠(yuǎn)支持的能力，更好地服務(wù)于國家安全與國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)。