張召才（北京空間科技信息研究所）

2014年6月10日，美國天空盒子（Skybox）公司與全球互聯(lián)網(wǎng)搜索巨擘谷歌公司達(dá)成協(xié)議，后者將以5億美元現(xiàn)金收購天空盒子公司。此次交易不僅使谷歌公司獲得了自主的天基高分辨率圖像和視頻數(shù)據(jù)采集能力，完善其谷歌地圖和谷歌地球服務(wù)，更使天空盒子公司大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和分布式計(jì)算能力大幅提升，推動(dòng)其在對(duì)地觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合浪潮中占得先機(jī)。

1 引言

近年來，國外出現(xiàn)了眾多商業(yè)天基對(duì)地觀測初創(chuàng)公司，包括美國天空盒子公司、行星實(shí)驗(yàn)室（Planet Labs）公司、歐姆尼地球（Omni Earth）公司、俄羅斯達(dá)斡利亞宇航（Dauria Aerospace）公司、加拿大地球直播（UrtheCast）公司以及阿根廷衛(wèi)星邏輯（Satellogic）公司等。這些公司以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等IT前沿技術(shù)為驅(qū)動(dòng)，嘗試全新的對(duì)地觀測數(shù)據(jù)分發(fā)與應(yīng)用模式，并提供云服務(wù)平臺(tái)，鼓勵(lì)用戶或第三方開發(fā)專業(yè)化應(yīng)用（APP），力圖在移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代實(shí)現(xiàn)天基對(duì)地觀測應(yīng)用的實(shí)時(shí)響應(yīng)和定制化服務(wù)。

目前，天空盒子公司、行星實(shí)驗(yàn)室公司和加拿大地球直播公司率先在各自新型低地球軌道對(duì)地觀測系統(tǒng)的部署方面獲得重要進(jìn)展，并初步或即將具備業(yè)務(wù)應(yīng)用能力。天空盒子公司計(jì)劃建造由24顆小衛(wèi)星構(gòu)成的對(duì)地觀測星座，目前已完成前2顆業(yè)務(wù)星部署，它們采用“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”（CMOS）成像敏感器，具有高分辨率成像和高清視頻能力；行星實(shí)驗(yàn)室公司已建造由3U立方體衛(wèi)星組成的全球迄今為止最大的對(duì)地觀測衛(wèi)星星座；加拿大地球直播公司以“國際空間站”為平臺(tái)搭載視頻和成像相機(jī)，獲取對(duì)地觀測數(shù)據(jù)。

三家對(duì)地觀測公司的基本信息（截至2014年6月）

2 天空盒子公司授出后續(xù)星研制合同，推進(jìn)全球數(shù)據(jù)分發(fā)合作

首發(fā)星在軌工作正常，后續(xù)星研制逐步推進(jìn)

天空盒子公司位于美國加利福尼亞州山景城（Mountain View），計(jì)劃在低地球軌道部署名為“天空衛(wèi)星”（SkySat）的對(duì)地觀測星座?！疤炜招l(wèi)星”星座的衛(wèi)星還采用合成時(shí)間積分延遲（TDI）技術(shù)，具有亞米級(jí)高分辨率成像、多幅圖像拼接和支持高清視頻能力。

2013年11月21日，“天空衛(wèi)星”星座的首發(fā)星天空衛(wèi)星－1搭乘“第聶伯”（Dnepr）火箭成功進(jìn)入近地點(diǎn)563km、遠(yuǎn)地點(diǎn)597km的太陽同步軌道。天空衛(wèi)星－1質(zhì)量100kg，設(shè)計(jì)壽命6年，其星下點(diǎn)全色圖像分辨率為0.9m，多光譜分辨率為2m，成像幅寬8km，并能夠獲取時(shí)長90s、每秒30幀的高清視頻。其星下點(diǎn)視頻分辨率為1.1m，標(biāo)準(zhǔn)覆蓋為2km×1.1km。天空衛(wèi)星－2與天空衛(wèi)星－1設(shè)計(jì)完全一致，于2014年7月8日搭乘聯(lián)盟－2-1b（Soyuz－2-1b）火箭進(jìn)入近地點(diǎn)623km、遠(yuǎn)地點(diǎn)637km的太陽同步軌道。

2014年5月15日天空衛(wèi)星－1拍攝的阿布扎比法拉利世界主題公園

美國“天空衛(wèi)星”星座

2013年12月11日，天空盒子公司發(fā)布了天空衛(wèi)星－1拍攝的首幅對(duì)地觀測圖像；12月27日，該公司又發(fā)布了由天空衛(wèi)星－1拍攝的、全球首個(gè)商業(yè)天基對(duì)地觀測視頻。2014年7月10日，天空衛(wèi)星－2在發(fā)射入軌兩天后即成功拍攝首幅對(duì)地觀測圖像并下傳至地面站。目前，天空衛(wèi)星－1在軌運(yùn)行良好，已完成星載相機(jī)在軌標(biāo)定工作，正處于圖像定位精度測試階段；天空衛(wèi)星－2正處于相機(jī)在軌標(biāo)定階段。待投入業(yè)務(wù)應(yīng)用后，這2顆衛(wèi)星獲取的對(duì)地觀測數(shù)據(jù)將在作物預(yù)測、礦產(chǎn)和陸地監(jiān)測等業(yè)務(wù)應(yīng)用中發(fā)揮作用。

2014年2月10日，天空盒子公司與美國勞拉空間系統(tǒng)（SSL）公司宣布簽訂了一項(xiàng)衛(wèi)星制造合同。根據(jù)合同要求，勞拉空間系統(tǒng)公司將利用天空盒子公司提供的衛(wèi)星設(shè)計(jì)方案為其制造13顆商業(yè)高分辨率對(duì)地觀測衛(wèi)星。這些衛(wèi)星單星質(zhì)量約120kg，尺寸為60cm×60cm×95cm，設(shè)計(jì)壽命超過6年，計(jì)劃于2015—2016年發(fā)射進(jìn)入高度約500km的太陽同步軌道。勞拉空間系統(tǒng)公司研制的這13顆衛(wèi)星沿用天空衛(wèi)星－1的設(shè)計(jì)方案和相關(guān)技術(shù)，軌道比天空衛(wèi)星－1軌道偏低，因此空間分辨率有所提高，預(yù)計(jì)約為0.8m。待這13顆衛(wèi)星發(fā)射入軌后，其構(gòu)成的“天空衛(wèi)星”星座將具備對(duì)地面指定區(qū)域8h重訪成像的能力。

鴿群－1星座首批2顆衛(wèi)星從“國際空空間站”釋放

天空盒子公司負(fù)責(zé)衛(wèi)星系統(tǒng)的副總裁邁克·特雷拉（Michael Trela）說：“此次與勞拉空間系統(tǒng)公司合作，我們可以利用他們強(qiáng)大的生產(chǎn)能力來大幅提高成本效益和制造速度，從而使我們能夠?qū)Ｗ⒂谘芯肯乱淮l(wèi)星系統(tǒng)，以便更好地為客戶提供服務(wù)?！蓖瑫r(shí)，此次合作將幫助勞拉空間系統(tǒng)公司從制造地球靜止軌道高功率通信衛(wèi)星領(lǐng)域向低軌對(duì)地觀測衛(wèi)星領(lǐng)域擴(kuò)展，為未來爭取美國和其他國家更多的低軌對(duì)地觀測衛(wèi)星研制合同奠定基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)分發(fā)采用多種方式，業(yè)務(wù)服務(wù)能力不斷提升

在規(guī)劃未來業(yè)務(wù)星研制任務(wù)的同時(shí)，天空盒子公司注重暢通全球數(shù)據(jù)分發(fā)渠道，擴(kuò)展全球影響力。

一方面，天空盒子公司繼續(xù)拓展與對(duì)地觀測數(shù)據(jù)分銷商的合作范圍。繼2013年5月與日本空間成像（JSI）公司達(dá)成數(shù)據(jù)分發(fā)合作協(xié)議后，天空盒子公司又于2014年2月12日、2月14日和3月25日，分別與澳大利亞地理圖像（Geoimage）公司、阿聯(lián)酋空間成像（ESI）公司和英國麥肯錫情報(bào)服務(wù)（MSI）公司達(dá)成數(shù)據(jù)銷售和分發(fā)合作協(xié)議。地理圖像公司負(fù)責(zé)澳大利亞、印尼、馬來西亞和菲律賓等國家的業(yè)務(wù)。阿聯(lián)酋空間成像公司購買了2個(gè)“天空衛(wèi)星”衛(wèi)星地面站，分別放置在位于迪拜的空間成像中東（SIME）分公司和位于慕尼黑的歐洲空間成像（EUSI）分公司。其中，空間成像中東分公司負(fù)責(zé)中東、東非和中亞地區(qū)的業(yè)務(wù)；歐洲空間成像分公司負(fù)責(zé)歐洲和北非地區(qū)的業(yè)務(wù)。麥肯錫情報(bào)服務(wù)公司負(fù)責(zé)天空盒子公司在英國和非洲的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分發(fā)業(yè)務(wù)。

鴿群－1星座衛(wèi)星外形圖

另一方面，天空盒子公司不斷發(fā)展高分辨率對(duì)地觀測數(shù)據(jù)在線讀取和交互式訪問技術(shù)，著力改善用戶體驗(yàn)度，為用戶提供便捷易用服務(wù)，提高數(shù)據(jù)直銷能力。天空盒子公司基于Hadoop開源架構(gòu)設(shè)計(jì)了“天空節(jié)點(diǎn)”（SkyNode）地面站，包括1副2.4m口徑的天線和2套支持軟件等，能夠?qū)崿F(xiàn)地理空間海量數(shù)據(jù)分布式處理任務(wù)?！疤炜展?jié)點(diǎn)”地面站支持軟件基于用戶友好的互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，能夠使用戶便捷、高效的收集圖像、規(guī)劃衛(wèi)星任務(wù)和處理圖像產(chǎn)品等。2014年3月，天空盒子公司又與美國地圖盒子（Mapbox）公司展開合作。屆時(shí)，用戶訂閱的圖像將轉(zhuǎn)換格式，快速、流暢的發(fā)送至指定地圖盒子公司賬戶。用戶可以通過移動(dòng)設(shè)備登錄賬戶，對(duì)圖像添加注釋或標(biāo)簽，制作個(gè)性化地圖。

除對(duì)地觀測圖像和視頻數(shù)據(jù)外，天空盒子公司還與地理空間成像解決方案公司合作，致力于為客戶提供數(shù)據(jù)處理、信息提取與分析服務(wù)。2014年2月24日，天空盒子公司與加拿大PCI地理矩陣（PCI Geomatics）公司達(dá)成合作協(xié)議，利用其Geomatica 2013款軟件實(shí)現(xiàn)天空衛(wèi)星－1原始圖像高精度、自動(dòng)化校正。2014年6月5日，天空盒子公司與六角地理空間（Hexagon Geospatial）公司達(dá)成合作協(xié)議，利用其ERDAS IMAGINE 2014款軟件的嚴(yán)格傳感器模型和RPC模型等改善天空衛(wèi)星－1圖像，使客戶能夠快速、高效地從對(duì)地觀測圖像中提取有價(jià)值的應(yīng)用信息。

此外，天空盒子公司還積極落實(shí)后續(xù)業(yè)務(wù)衛(wèi)星發(fā)射機(jī)會(huì)，在2014年2月20日與軌道科學(xué)公司簽署了商業(yè)發(fā)射合同，計(jì)劃于2015年底從范登堡空軍基地利用“人牛怪”（Minotaur）運(yùn)載火箭一次性發(fā)射6顆“天空衛(wèi)星”衛(wèi)星入軌。目前，軌道科學(xué)公司正在開發(fā)一種“天空衛(wèi)星”分配器，以便每次最多可同時(shí)發(fā)射6顆衛(wèi)星。

3 行星實(shí)驗(yàn)室公司首批星座部署完畢，開始規(guī)劃后續(xù)任務(wù)

2014年2月11日－28日期間，美國行星實(shí)驗(yàn)室公司研制的鴿群－1（Flock－1）星座的28顆衛(wèi)星已陸續(xù)從“國際空間站”釋放入軌，完成了全球首個(gè)業(yè)務(wù)化對(duì)地觀測納衛(wèi)星星座部署。行星實(shí)驗(yàn)室公司是美國借助風(fēng)投資本發(fā)展的新興對(duì)地觀測公司，目前已完成兩輪合計(jì)6510萬美元的融資。

鴿群－1星座由28顆3U立方體衛(wèi)星組成，是迄今為止最大的對(duì)地觀測衛(wèi)星星座，可對(duì)地球南北緯52°范圍內(nèi)成像，對(duì)地分辨率達(dá)到3～5m。該星座于2014年1月7日搭乘軌道科學(xué)公司（OSC）的“安塔瑞斯”（Antares）火箭進(jìn)入“國際空間站”，并利用NanoRacks公司提供的“國際空間站”小衛(wèi)星商業(yè)部署業(yè)務(wù)，由“小衛(wèi)星軌道部署器”（SSOD）送入高度400km、傾角52°的圓形軌道。由于鴿群－1星座軌道較低，其28顆衛(wèi)星將在地球引力作用下再入大氣層，不會(huì)長期滯軌影響“國際空間站”安全。截至2014年7月10日，鴿群－1星座僅余3顆在軌工作，其余25顆已在再入大氣層過程中燃盡。

鴿子－2衛(wèi)星于2013年4月26日拍攝的瑞典尼亞灣海冰圖像

2013年，行星實(shí)驗(yàn)室公司曾發(fā)射了4顆名為“鴿子”（Dove）的技術(shù)驗(yàn)證星，對(duì)鴿群－1星座平臺(tái)和載荷能力進(jìn)行驗(yàn)證。2013年4月26日，鴿子－2衛(wèi)星拍攝了瑞典尼亞灣海冰圖像，驗(yàn)證了鴿群－1星座中分辨率對(duì)地成像能力。鴿群－1星座規(guī)模已超過實(shí)現(xiàn)全球覆蓋所需的衛(wèi)星數(shù)量，足以保證任務(wù)運(yùn)行的可靠性。同時(shí)，由于星座規(guī)模足夠大，地面覆蓋范圍足夠廣，無需對(duì)星上相機(jī)下達(dá)特定區(qū)域的成像指令即可滿足用戶需求。在業(yè)務(wù)運(yùn)營期間，鴿群－1星座可以頻繁地獲取南北緯52°以內(nèi)區(qū)域的圖像，獲取的數(shù)據(jù)將實(shí)現(xiàn)全球共享，商業(yè)應(yīng)用包括制圖、房地產(chǎn)和建筑、石油和天然氣監(jiān)測等?！拔覀児镜哪繕?biāo)是幫助每個(gè)人頻繁獲取各地圖像，”行星實(shí)驗(yàn)室公司聯(lián)合創(chuàng)始人羅比·辛德勒（Robbie Schingler）解釋說?！澳阆氆@取某地的圖像，你就能在那里成像。這對(duì)于許多國家和公司而言都將是翻天覆地的變化?！?/p>

加拿大地球直播相機(jī)在“國際空間站”上安裝的位置示意圖

在完成首個(gè)對(duì)地觀測星座部署后，行星實(shí)驗(yàn)室公司開始規(guī)劃未來星座任務(wù)。據(jù)“航天參考”（SpaceRef）網(wǎng)站2014年3月17日?qǐng)?bào)道，行星實(shí)驗(yàn)室公司將在未來12～18個(gè)月內(nèi)發(fā)射超過100顆類似衛(wèi)星以增強(qiáng)其“鴿群”星座能力。2014年6月19日，鴿群－1c星座的11顆衛(wèi)星搭乘俄羅斯“第聶伯”火箭進(jìn)入傾角98°、近地點(diǎn)602km、遠(yuǎn)地點(diǎn)622km的太陽同步軌道。7月13日，鴿群－1b星座28顆衛(wèi)星搭乘“安塔瑞斯”火箭運(yùn)抵“國際空間站”，計(jì)劃采用類似鴿群－1星座部署方式，從“國際空間站”釋放進(jìn)入低地球軌道。目前，作為空間創(chuàng)新型地球效益創(chuàng)造任務(wù)，行星實(shí)驗(yàn)室公司的“鴿群”星座能力已實(shí)現(xiàn)飛躍。

4 加拿大地球直播公司完成相機(jī)安裝工作，發(fā)布首批中分辨率圖像

2014年2月28日，加拿大地球直播公司宣布其在“國際空間站”星辰號(hào)服務(wù)艙外表面安裝的兩部對(duì)地觀測相機(jī)已成功完成初始功能測試。其中高分辨率相機(jī)（HRC）地面分辨率為1.1m，地面標(biāo)準(zhǔn)覆蓋為5km×3.4km，安裝在二維轉(zhuǎn)向平臺(tái)上，可對(duì)南北緯55°范圍內(nèi)區(qū)域拍攝時(shí)長60s、每秒30幀的4K超高清全彩色視頻；中分辨率相機(jī)（MRC）天底點(diǎn)指向時(shí)分辨率為5m，幅寬為47km，安裝在固定平臺(tái)上，可對(duì)南北緯51.6°范圍內(nèi)區(qū)域拍攝多光譜圖像。

俄羅斯航天員在“國際空間站”外安裝相機(jī)

中分辨率相機(jī)和高分辨率相機(jī)是于2013年11月25日由俄羅斯聯(lián)盟－U（Soyuz－U）火箭運(yùn)抵“國際空間站”的。此后，俄羅斯航天員奧列格·卡托夫和謝爾蓋·梁贊斯基在2013年12月27日出艙活動(dòng)期間嘗試安裝中分辨率相機(jī)和高分辨率相機(jī)，但相關(guān)測試顯示，相機(jī)無法正常工作。因此，航天員不得不將相機(jī)拆卸下來，并帶回“國際空間站”內(nèi)進(jìn)行檢查，并最終于2014年1月27日成功完成相機(jī)安裝工作。隨后，由加拿大地球直播公司和俄羅斯能源火箭與空間公司（RSC Energia）聯(lián)合組成的工程團(tuán)隊(duì)成功獲取了這兩部相機(jī)的遙測數(shù)據(jù)。

2014年3月28日，裝在艙外的中分辨率相機(jī)拍攝了首幅對(duì)地觀測圖像。圖像尺寸為3200像素×8000像素，地面分辨率為6 m，覆蓋牙買加蒙涅葛市（Moneague）及周邊約300km2的地區(qū)。同一天稍后，該中分辨率相機(jī)又拍攝了第二幅圖像，圖像尺寸為3000像素×5000像素，覆蓋委內(nèi)瑞拉圣克魯斯德瑪拉市（Santa Cruz de Mara）及周邊約260km2的地區(qū)。

中分辨率相機(jī)拍攝的首批圖片：左為蒙涅葛市，右為圣克魯斯德瑪拉市

與中分辨率相機(jī)相比，高分辨率相機(jī)需要在平臺(tái)指向性精度的定標(biāo)工作完成后，才能開始獲取圖像。按計(jì)劃，加拿大地球直播公司將于2014年下半年首次公布高分辨率相機(jī)獲取的全彩色超高清視頻。

目前，加拿大地球直播公司在莫斯科、牛津、迪拜、南非、毛里求斯和新加坡規(guī)劃了五個(gè)數(shù)據(jù)接收站。未來，加拿大地球直播公司計(jì)劃利用高分辨率和中分辨率相機(jī)，以互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)終端為平臺(tái)，為全球用戶提供涵蓋對(duì)地觀測視頻與圖像數(shù)據(jù)的免費(fèi)在線瀏覽和商業(yè)定制服務(wù)。截至2014年3月，加拿大地球直播公司已經(jīng)與16家分銷商簽訂了數(shù)據(jù)分銷協(xié)議，按照協(xié)議中規(guī)定的最低銷售額計(jì)算，加拿大地球直播公司的年銷售額至少將達(dá)到2600萬美元。

5 結(jié)束語

近年來，國外高分辨率對(duì)地觀測領(lǐng)域呈現(xiàn)出一些新的發(fā)展特點(diǎn)，并隨著一系列創(chuàng)新型高分辨率對(duì)地觀測系統(tǒng)的逐步部署和完善而愈發(fā)明顯，包括與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等IT技術(shù)緊密結(jié)合，采用風(fēng)險(xiǎn)投資作為發(fā)展手段，天基對(duì)地觀測數(shù)據(jù)逐漸由圖像向視頻過渡等。在未來，這些創(chuàng)新系統(tǒng)將改變商業(yè)數(shù)據(jù)應(yīng)用、銷售和分發(fā)模式，推動(dòng)天基對(duì)地觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用從單幅圖像處理向時(shí)序數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)變。