美國行星公司商業(yè)遙感衛(wèi)星星座的現(xiàn)狀與發(fā)展

龔燃 （北京空間科技信息研究所）

美國行星公司（Planet）由美國國家航空航天局（NASA）的科學(xué)家創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)于2010年在加利福尼亞州舊金山成立，主要從事光學(xué)遙感業(yè)務(wù)，迄今已經(jīng)建造并發(fā)射了在軌運(yùn)行規(guī)模最大的商業(yè)遙感衛(wèi)星星座，以高分辨率、高頻次日更地球表面高清圖像，滿足農(nóng)業(yè)、林業(yè)、國防等不同部門的需求。2021年底，行星公司在紐約證券交易所上市，估值達(dá)28億美元，在行業(yè)中的體量和業(yè)務(wù)規(guī)模都處于領(lǐng)先地位，其自稱為地球數(shù)據(jù)的“彭博終端”。

行星公司擁有先進(jìn)、多樣化的小衛(wèi)星技術(shù)能力，包括中分辨率成像能力、高分辨率成像和視頻成像能力。按分辨率從低到高，行星公司擁有的衛(wèi)星星座分別為：“快眼”（RapidEye）、“行星范圍”（PlanetScope）和“天空衛(wèi)星”（SkySat）。其中，“快眼”小衛(wèi)星星座已于2020年3月31日失效，目前仍可提供存檔數(shù)據(jù)；“行星范圍”衛(wèi)星和“天空衛(wèi)星”迄今在軌運(yùn)行200多顆。同時(shí)，公司計(jì)劃發(fā)射下一代“鵜鶘”（Pelican）衛(wèi)星星座，以補(bǔ)充和升級當(dāng)前在軌的21顆“天空衛(wèi)星”；并正在研制“唐納雀”（Tanager）高光譜分辨率衛(wèi)星星座，以進(jìn)一步提高觀測能力、增加觀測手段和豐富數(shù)據(jù)類型。

1 “快眼”衛(wèi)星星座

“快眼”衛(wèi)星星座是由5顆多光譜小衛(wèi)星組成的商業(yè)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)，提供商業(yè)遙感衛(wèi)星服務(wù)，并具有較大的軍事測繪制圖應(yīng)用潛力。該星座于2008年8月29日發(fā)射升空，2015年7月被行星公司收購，2020年3月31日失效。

“快眼”衛(wèi)星在軌示意圖

“快眼”衛(wèi)星運(yùn)行在高度630km（±10km）、傾角97°的太陽同步軌道（SSO），軌道周期96.7min，降交點(diǎn)地方時(shí)（LTDN）為11：00。5顆衛(wèi)星運(yùn)行在同一軌道面內(nèi)，等間隔布置。星座內(nèi)衛(wèi)星的飛行間隔時(shí)間約19min。結(jié)合側(cè)擺機(jī)動能力，“快眼”星座可對南北緯70°范圍內(nèi)的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)當(dāng)天重訪，在用戶提出需求后的24小時(shí)內(nèi)交付產(chǎn)品。

“快眼”衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命7年，采用英國薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司（SSTL）的SSTL-150小衛(wèi)星平臺，箱型結(jié)構(gòu)，尺寸0.78m×0.94m×1.17m，發(fā)射質(zhì)量156kg。衛(wèi)星有效載荷為快眼地球成像系統(tǒng)（REIS），是一臺推掃式多光譜相機(jī)，質(zhì)量43kg，功率93W。REIS具有5個(gè)譜段，天底點(diǎn)分辨率6.5m，成像幅寬77km（對應(yīng)視場±6.75°），數(shù)據(jù)量化12bit。

2 “行星范圍”衛(wèi)星星座

“行星范圍”衛(wèi)星星座是大規(guī)模遙感小衛(wèi)星星座，用于提供高重訪、低成本的全球衛(wèi)星圖像，拓展遙感圖像用戶群體，并利用其中蘊(yùn)含的信息更好地解決人道主義、環(huán)境及商業(yè)問題。

“行星范圍”又稱“鴿群”（Flock）或“鴿子”（Dove），計(jì)劃平均每6個(gè)月進(jìn)行一次發(fā)射，維持約200顆3U立方體衛(wèi)星在軌運(yùn)行，能夠每天對地球的整個(gè)陸地表面進(jìn)行成像，每日采集范圍為2×108km2。

“行星范圍”衛(wèi)星在軌釋放圖

“行星范圍”星座主要有兩類軌道：從“國際空間站”（ISS）釋放的衛(wèi)星星座運(yùn)行在高度400km、傾角52°的圓形軌道；運(yùn)載火箭發(fā)射的衛(wèi)星星座則運(yùn)行在高度約620km、傾角97.98°的太陽同步軌道，以適當(dāng)延長衛(wèi)星在軌工作壽命。該星座的測控完全自動化實(shí)現(xiàn)，衛(wèi)星白天過頂陸地上方時(shí)會拍攝圖像，過頂?shù)孛嬲緯r(shí)將下傳這些圖像，其余時(shí)間衛(wèi)星處于閑置的狀態(tài)，給電池充電。整個(gè)星座使用差分拖拽技術(shù)，通過調(diào)整大氣阻力，實(shí)現(xiàn)整個(gè)星座衛(wèi)星之間的相位保持。

行星公司于2013年發(fā)射了4顆技術(shù)驗(yàn)證納衛(wèi)星，即鴿子-1～4（Dove-1～4）衛(wèi)星，用于為“行星范圍”衛(wèi)星星座測試相關(guān)技術(shù)及驗(yàn)證任務(wù)概念。截至2023年9月底，行星公司共計(jì)發(fā)射了506顆“行星范圍”衛(wèi)星（其中39顆發(fā)射失?。?，182顆衛(wèi)星在軌運(yùn)行。

“行星范圍”衛(wèi)星外表呈黑色，由鋁合金制成，單星尺寸為10cm×10cm×30cm，質(zhì)量約5kg。衛(wèi)星采用標(biāo)準(zhǔn)化平臺，包括2000多個(gè)部件。衛(wèi)星裝有2個(gè)可展開的太陽電池陣，每個(gè)電池陣包括3塊太陽電池板，每塊板安裝了多個(gè)三角形太陽電池單元，太陽電池表面不覆蓋玻璃，成本、質(zhì)量降低，發(fā)電效率提高。衛(wèi)星安裝了6～8個(gè)鋰離子電池單元，總?cè)萘?0Ah，姿態(tài)測量精度0.01°，姿態(tài)控制精度1°，星上存儲容量128GB。衛(wèi)星的通信系統(tǒng)包括甚高頻（VHF）頻段遙測鏈路，S頻段跳擴(kuò)頻雙向通信鏈路，下行速率115kbit/s，上行速率30kbit/s。

衛(wèi)星星體中間是一個(gè)用鍍金隔熱條帶包裹的圓柱形望遠(yuǎn)鏡，采用馬克蘇托夫-卡塞格林式光學(xué)系統(tǒng)，鏡長0.2m，焦距1.14m，沿軌方向視場角1.26°，垂軌方向視場角1.86°。光軸沿衛(wèi)星的中軸布置，焦陣放置在從口徑向后大約0.32m處，因此電荷耦合器件（CCD）放置在衛(wèi)星的最后面，由于相機(jī)電路無法放置在衛(wèi)星內(nèi)部，在衛(wèi)星后部增加了一個(gè)圓柱段。同時(shí)，為了使光線到達(dá)衛(wèi)星尾部，在衛(wèi)星尾部中央安置了一個(gè)窄光學(xué)管。相機(jī)采用對地連續(xù)開機(jī)的工作模式，大規(guī)模星座能夠?qū)崿F(xiàn)覆蓋區(qū)域內(nèi)的近實(shí)時(shí)覆蓋。對地連續(xù)開機(jī)的工作模式，部署成本低，大規(guī)模星座能夠?qū)崿F(xiàn)覆蓋區(qū)域內(nèi)的近實(shí)時(shí)覆蓋，壽命1～3年。

“行星范圍”衛(wèi)星載有光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和高分辨率CCD相機(jī)，分辨率3～5m?！靶行欠秶毙l(wèi)星已發(fā)展了三代光學(xué)儀器：行星范圍2（儀器編號PS2）、行星范圍2.SD（儀器編號PS2.SD）和行星范圍B.SD（儀器編號PSB.SD）。前兩代儀器均為4個(gè)譜段，從行星范圍B.SD儀器開始擁有8個(gè)譜段。根據(jù)軌道高度和儀器類型不同，拍攝的圖像具有不同屬性。

3 “天空衛(wèi)星”星座

“天空衛(wèi)星”為商業(yè)視頻（高頻成像）對地觀測小衛(wèi)星星座，主要用于獲取時(shí)序圖像，制作視頻產(chǎn)品，并服務(wù)于高分辨率遙感大數(shù)據(jù)應(yīng)用。“天空衛(wèi)星”星座由24顆衛(wèi)星組成（目前已在軌21顆，天空衛(wèi)星-1和天空衛(wèi)星-2被稱為A代和B代衛(wèi)星，其他19顆衛(wèi)星被稱為現(xiàn)代化的C代衛(wèi)星），星座重訪時(shí)間優(yōu)于3小時(shí)?！疤炜招l(wèi)星”是全球首顆100kg量級亞米分辨率微衛(wèi)星，是首顆采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）面陣探測器的低軌亞米級分辨率衛(wèi)星。

前15顆“天空衛(wèi)星”運(yùn)行在太陽同步軌道上，而其余6顆運(yùn)行在傾斜的非太陽同步軌道上，傾角為53°。根據(jù)衛(wèi)星的具體軌道，高度從400～600km不等，太陽同步衛(wèi)星的降交點(diǎn)地方時(shí)為10：30和13：30。

“天空衛(wèi)星”裝有卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡，相機(jī)口徑0.35m，焦距3.6m，由3個(gè)550萬像素的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體成像探測器組成焦平面，能夠在白天和晚上收集幀圖像、立體圖像和視頻圖像。2013年發(fā)射的第1顆天空衛(wèi)星-1相機(jī)分辨率0.86m，幅寬8km，后續(xù)采用降軌策略在不改變相機(jī)設(shè)計(jì)情況下顯著提高了分辨率（0.57m），但幅寬也相應(yīng)縮窄至5.33km。“天空衛(wèi)星”還可提供全色視頻，分辨率1.1m，每秒30幀，單次能夠持續(xù)拍攝90s，輸出H.264編碼格式的1080P高清視頻。

4 新一代“鵜鶘”衛(wèi)星星座

2021年10月，行星公司首次公布了“天空衛(wèi)星”的下一代——“鵜鶘”衛(wèi)星星座，旨在有效地捕捉短暫而迅速變化的事件。“鵜鶘”不會取代現(xiàn)有的由21顆衛(wèi)星組成的“天空衛(wèi)星”星座，而是會補(bǔ)充和改善公司現(xiàn)有的能力。該星座計(jì)劃2023年開始發(fā)射，到2025年完成32顆衛(wèi)星的部署，并全面投入使用，用于監(jiān)測全球政治沖突、自然災(zāi)害和持續(xù)的氣候變化影響等情況。“鵜鶘”衛(wèi)星星座將運(yùn)行在高度325km的低地球軌道，能夠?qū)蝹€(gè)地點(diǎn)進(jìn)行更頻繁的成像、具有更高的空間分辨率以及加快數(shù)據(jù)訪問速度，以滿足客戶不斷變化的需求。主要特點(diǎn)如下：

1）更高分辨率：從“天空衛(wèi)星”的0.5m提高到0.3m；

2）快速重訪：每日拍攝相同位置圖像12次，中緯度地區(qū)每日拍攝多達(dá)30次（美國麥克薩技術(shù)公司目前為15次）；

3）快速訂購和交付：利用第三方通信衛(wèi)星，減少下載數(shù)據(jù)的延遲，從而縮短全球任務(wù)和接收數(shù)據(jù)之間的時(shí)間；

4）高度互補(bǔ)：與“行星范圍”其他星座協(xié)同工作，與其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)相補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，幫助更加深入地了解瞬息萬變的事件；

5）將配備Ka頻段星間鏈路，以提高數(shù)據(jù)傳輸速率，并與商業(yè)衛(wèi)星通信商合作提供數(shù)據(jù)中繼；

6）擁有快速、高效的星載計(jì)算能力，能快速對一些意外情況進(jìn)行分析；

7）將配備霍爾效應(yīng)電推進(jìn)器，進(jìn)行軌道微調(diào)，用于防止衛(wèi)星漂移、避免空間碎片，同時(shí)在低空飛行以提高分辨率，而“天空衛(wèi)星”采用的是布拉德福德空間公司（Bradford Space）的高性能綠色推進(jìn)器；

8）在衛(wèi)星設(shè)計(jì)和制造階段，采用一種稱為“敏捷航空航天”的迭代方法，這意味著當(dāng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一致時(shí)，星座提供服務(wù)后，可由光學(xué)星間鏈路取代射頻星間鏈路。

5 新一代“唐納雀”高光譜成像衛(wèi)星星座

2022年10月，行星公司發(fā)布名為“唐納雀”的高光譜成像衛(wèi)星星座。該星座由行星公司與一家名為碳制圖儀（CarbonMapper）的非營利組織通過公私合營的方式開發(fā)。首批兩顆“唐納雀”高光譜演示驗(yàn)證衛(wèi)星計(jì)劃在2024年前發(fā)射，每顆衛(wèi)星將包含400個(gè)光譜帶，分辨率為每像素30m，大約每90min繞地球一圈，用于監(jiān)測識別甲烷和二氧化碳的特征，以精確定位、量化和跟蹤甲烷和二氧化碳的來源。此外，還為客戶提供密切監(jiān)測地球健康所需的數(shù)十種其他環(huán)境應(yīng)用和指標(biāo)的數(shù)據(jù)。主要特點(diǎn)包括：

1）快速重訪和廣泛覆蓋：可更加頻繁地監(jiān)測生命發(fā)展模式；

2）寬光譜覆蓋范圍和窄采樣距離：光譜范圍為400～2500nm，地面采樣距離為5nm；

3）高靈敏度：比同類高光譜成像儀靈敏度高3～6倍。

“唐納雀”是中美洲和南美洲一種色彩繽紛、視覺多樣的鳥類，行星公司以此鳥類命名，可為從農(nóng)業(yè)到能源再到政府的應(yīng)用提供支持。該星座也將用于保護(hù)生物多樣性。后續(xù)，兩顆“唐納雀”衛(wèi)星將加入行星公司的200顆大型衛(wèi)星星座，將高光譜數(shù)據(jù)與“行星范圍”“鵜鶘”和“天空衛(wèi)星”衛(wèi)星獲得的光學(xué)圖像結(jié)合起來，為政府和商業(yè)客戶提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)與見解。

“唐納雀”衛(wèi)星在軌示意圖

6 結(jié)束語

當(dāng)前，在全球商業(yè)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)“更快、更廣、更精細(xì)”的趨勢之下，行星公司已穩(wěn)坐全球規(guī)模最大的商業(yè)遙感衛(wèi)星星座的“寶座”，創(chuàng)造了“敏捷航空航天”組裝方法，并建立了龐大的客戶群（遍布65個(gè)國家的600多個(gè)客戶），國內(nèi)外政府機(jī)構(gòu)、林業(yè)和學(xué)術(shù)界用戶等均對其高時(shí)間頻次數(shù)據(jù)表現(xiàn)出了強(qiáng)勁需求，公司上一財(cái)年的收入已達(dá)1億美元。盡管如此，行星公司并未給自己設(shè)限，隨著全球變化不斷加速，公司正在建造新一代遙感衛(wèi)星星座，通過技術(shù)手段提高分辨率、豐富觀測手段，并通過深度學(xué)習(xí)驅(qū)動圖像分析，生產(chǎn)新產(chǎn)品，不斷拓展創(chuàng)新應(yīng)用市場，為全球客戶提供更快、更明智應(yīng)對全球變化的能力，包括政治沖突、海岸線變化、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、自然災(zāi)害等多個(gè)領(lǐng)域。

曾有業(yè)內(nèi)人士表示：“每一個(gè)無人關(guān)注的角落，都有可能是下一次飛躍的起點(diǎn)”。從衛(wèi)星數(shù)據(jù)到產(chǎn)品應(yīng)用，行星公司敏銳洞察市場需求，持續(xù)從衛(wèi)星制造向衛(wèi)星服務(wù)端深入，并向下游服務(wù)拓展衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域，印證著自己“利用太空來幫助地球生命”的創(chuàng)始愿景！