周潤松 劉韜（ 中國航天科技集團公司 北京空間科技信息研究所）

國外高分辨率小衛(wèi)星星座進入高速發(fā)展期

Foreign High-Resolution Small Satellite Constellation Entered a Period of Rapid Development

周潤松1劉韜2（1 中國航天科技集團公司 2 北京空間科技信息研究所）

近年，小衛(wèi)星技術(shù)、新型成像探測器和圖像處理技術(shù)以及以移動通信技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)為代表的IT技術(shù)高速發(fā)展，帶動了美國特拉貝拉公司（Terra Bella）、美國黑天全球公司（BSG）、美國赫拉系統(tǒng)公司（Hera Systems）、加拿大地球直播公司（UrtheCast）和阿根廷衛(wèi)星邏輯公司（Satellogic）等一大批新興商業(yè)對地觀測衛(wèi)星公司進入市場。

2016年，這些初創(chuàng)公司的高分辨率對地觀測星座獲得實質(zhì)性進展，有的已發(fā)射多顆業(yè)務(wù)星，有的已不是停留在衛(wèi)星星座宏偉設(shè)計藍圖上，而是已經(jīng)發(fā)射了技術(shù)能力較強的技術(shù)驗證衛(wèi)星，有的已獲得政府和軍方的扶植。同時，以美國為代表，政府出臺了相關(guān)戰(zhàn)略，引導(dǎo)新興初創(chuàng)公司發(fā)展。美軍將成立新機構(gòu)，促進軍方對新興商業(yè)對地觀測小衛(wèi)星星座的利用。由于軍方情報對圖像質(zhì)量要求較高，加之商業(yè)市場對高分辨率圖像需求強烈，有高重訪能力的對地觀測小衛(wèi)星星座已呈現(xiàn)出從中分辨率向高分辨率發(fā)展的勢頭。

1 初創(chuàng)公司及其高分辨率小衛(wèi)星星座

美國特拉貝拉公司

美國天空盒子成像公司（Skybox Imaging）成立于2009年，因其成像探測器、超分辨率處理等技術(shù)先進，被“麻省理工學(xué)院技術(shù)評論”評為2012年最具“摧毀性”的50家公司之一。2014年，谷歌公司（Google）以5億美元將其收購，更名為特拉貝拉公司。

相比于其他公司，特拉貝拉公司較早提出“小衛(wèi)星、大數(shù)據(jù)”概念，計劃建造由24顆微衛(wèi)星組成的“天空衛(wèi)星”（SkySat）對地觀測星座，重訪時間6～8h。該公司將衛(wèi)星獲得的地球圖像或視頻數(shù)據(jù)建立大數(shù)據(jù)庫，提供基于云平臺的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，顛覆了傳統(tǒng)的由代理商負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)銷售的理念?！疤炜招l(wèi)星”是全球首顆100千克量級亞米級分辨率商業(yè)視頻遙感小衛(wèi)星，也是首顆采用互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）面陣探測器的低軌亞米級分辨率衛(wèi)星。目前“天空衛(wèi)星”已成功發(fā)射了7顆。

繼2013年和2014年發(fā)射了天空衛(wèi)星－1和2（SkySat－1、2）后，2016年，該公司又發(fā)射了5顆天空衛(wèi)星－C系列衛(wèi)星。天空衛(wèi)星－C與前2顆衛(wèi)星的成像指標(biāo)基本相同，全色分辨率0.9m，4譜段多光譜分辨率2m，幅寬8km。采用視頻模式工作時，只能提供全色視頻，分辨率1.1m，幅寬2km×1.1km。視頻30幀/s，單次能夠持續(xù)拍攝90s，輸出H.264編碼格式的1080P高清視頻。最大的不同是，天空衛(wèi)星－C系列衛(wèi)星具備推進能力，從而使衛(wèi)星質(zhì)量從90kg提高到120kg，設(shè)計壽命超過10年。而天空衛(wèi)星－1、2不具備推進能力，谷歌公司計劃通過軟件來抵消軌道衰退的影響。

美國黑天全球公司

美國黑天全球公司成立于2013年。該公司部分高層曾供職于軍方，其衛(wèi)星設(shè)計深受美軍彈性航天體系發(fā)展思路影響，這體現(xiàn)在其低成本小衛(wèi)星設(shè)計、多軌道平面運行、技術(shù)快速更新等理念上。目前，該公司正在發(fā)展由60顆衛(wèi)星組成的星座，星座計劃在2019年部署完畢，具備10～60min重訪能力。其單星質(zhì)量小于50kg，探路者－1（Pathfinder－1）衛(wèi)星作為星座的首顆技術(shù)驗證星，已于2016年9月25日成功發(fā)射，其相機由哈里斯公司（Harris）研制，多光譜分辨率達1m，視場覆蓋4.4km×6.6km。該公司計劃在2017年開始發(fā)射業(yè)務(wù)型衛(wèi)星，名為“全球”（Global）衛(wèi)星。單顆衛(wèi)星成本為1500萬～2000萬美元。

在“全球”衛(wèi)星星座軌道設(shè)計方面，將采用多個軌道面，一對衛(wèi)星處于太陽同步軌道（SSO），實現(xiàn)全球覆蓋，而鑒于全球人口多分布于55°（N）～55°（S），剩余衛(wèi)星位于8個軌道傾角小于90°的軌道平面（包括51.6°、45°和28.5°傾角）。這種軌道設(shè)計可以使周期達到90min，更快速地對商業(yè)活動和人類活動進行監(jiān)測。星座數(shù)據(jù)接收至少需要17個地面站，產(chǎn)品交付時間達到20min。衛(wèi)星遙測控制使用特高頻（UHF）和S頻段，數(shù)傳采用8080MHz的X頻段。

在衛(wèi)星平臺方面，具有在軌推進能力，側(cè)擺角達到±30°，星上存儲能力達到30Gb；在有效載荷方面，采用工業(yè)級相機，能夠提供1m分辨率的紅綠藍（RGB）共3譜段多光譜圖像（400～510nm、510～580nm和590～750nm），在高度為450km的軌道運行，視場覆蓋4.4km×6.6km。該相機還可拍攝1幀/s的視頻。

衛(wèi)星設(shè)計不追求長壽命，其3年的設(shè)計壽命一方面可以降低衛(wèi)星成本，另一方面，新的替換衛(wèi)星可以使用時下最新技術(shù)，使在軌星座的技術(shù)保持領(lǐng)先?？梢钥闯觯摴镜统杀?、多軌道運行、小衛(wèi)星設(shè)計、快速更新技術(shù)的理念，完全符合美軍彈性和分散軍事航天體系的要求。

在衛(wèi)星運控方面，“全球”衛(wèi)星星座的一大突出特點是用戶無需運管衛(wèi)星即可直接對衛(wèi)星下達成像指令。這一操作概念類似美軍快速響應(yīng)衛(wèi)星作戰(zhàn)概念。實際上，該公司首席技術(shù)官維勒（Wegner）曾在美軍作戰(zhàn)響應(yīng)空間（ORS）辦公室任職，他將美軍“虛擬任務(wù)操作中心”（VMOC）概念引向了商業(yè)應(yīng)用。黑天全球公司構(gòu)建了基于網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星指控系統(tǒng)，用戶只需登錄系統(tǒng)，即可通過地圖點選的方式直接對衛(wèi)星下達成像指令。

在營銷模式上，黑天全球公司的理念是以低價格和高重訪能力，基于高分辨率變化檢測，打開未來商業(yè)對地觀測市場。公司計劃采用“每幅圖像付款”（pay-per-picture）的營銷模式，星座建成后，每幅圖像需支付100美元。

美國赫拉系統(tǒng)公司

美國赫拉系統(tǒng)公司成立于2013年，總部設(shè)在加利福尼亞州。該公司計劃使用戶通過手機應(yīng)用輕松下單，即可收集全球任意地點的高時效性、高分辨率圖像和視頻。

該公司聲稱其圖像售價很低，1m分辨率存檔圖像為1美元，1m分辨率新圖像為2美元，0.5m分辨率圖像為3美元（以上均為每平方千米的圖像價格）。這將改變目前的衛(wèi)星圖像價格昂貴、阻礙用戶應(yīng)用的現(xiàn)狀。用戶通過名為“地理快照”（GeoSnap）的APP，采用自助模式獲取產(chǎn)品，極大地簡化訂購流程，使衛(wèi)星圖像更易獲得。

赫拉系統(tǒng)公司計劃在2016年11月發(fā)射9顆“第一代高光學(xué)性能衛(wèi)星”（1HOPSat）（截至2016年底尚未發(fā)射），分辨率為1m，具有成像和視頻拍攝能力。該衛(wèi)星基于12U立方體衛(wèi)星制造，質(zhì)量22kg。

2 0 1 6年8月，赫拉系統(tǒng)公司與美國航空航天局（NASA）簽署了“無償空間行動協(xié)議”（NRSAA），NASA艾姆斯（AMES）研究中心和赫拉系統(tǒng)公司合作，基于NASA的“衛(wèi)星電子學(xué)與技術(shù)成本優(yōu)化試驗”（COTSAT）衛(wèi)星技術(shù)，研制升級版的衛(wèi)星。這類協(xié)議在航空航天界極其罕見，協(xié)議允許赫拉系統(tǒng)公司使用美國航空航天局的“衛(wèi)星電子學(xué)與技術(shù)成本優(yōu)化試驗”技術(shù)，進行商業(yè)衛(wèi)星的研制，該升級版衛(wèi)星稱為“第二代高光學(xué)性能衛(wèi)星”（2HOPSat），其空間分辨率高達0.22m，平臺質(zhì)量約400kg。該公司計劃最終部署由48顆衛(wèi)星組成的星座。

加拿大地球直播公司

加拿大地球直播公司成立于2010年，是利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，以互聯(lián)網(wǎng)和移動終端為平臺，為用戶提供衛(wèi)星數(shù)據(jù)定制服務(wù)的新型宇航企業(yè)。2013年，該公司在“國際空間站”（ISS）上安裝了中分辨率相機（MRC）和高分辨率相機（HRC）。中分辨率相機的分辨率為5m，幅寬約50km。高分辨率相機分辨率為1.1m，視場為5km×3.4km，能夠拍攝單幅圖像和幀速率為3.25幀/s的視頻，每天可產(chǎn)出150段每段90s的視頻，且能與谷歌地球（Google Earth）的相關(guān)架構(gòu)兼容。2015年，該公司收購了德莫斯成像公司（Deimos Imaging），擁有了德莫斯－1和2（Deimos－1、2）衛(wèi)星的運營權(quán)，還獲得了與此相關(guān)的衛(wèi)星圖像采集、存儲、處理、分析、分發(fā)和銷售許可能力，加速了公司在數(shù)據(jù)分發(fā)、網(wǎng)絡(luò)平臺開發(fā)以及自主衛(wèi)星星座建設(shè)方面的戰(zhàn)略布局。

2015年6月，地球直播公司宣布，計劃制造、發(fā)射并運營世界上第一個多光譜與合成孔徑雷達（SAR）完全集成的商業(yè)對地觀測衛(wèi)星星座，名為“光學(xué)合成孔徑雷達”（OptiSAR）星座，計劃于2020年開始運行。

“光學(xué)合成孔徑雷達”星座預(yù)計由16顆衛(wèi)星組成，包括8顆光學(xué)衛(wèi)星和8顆合成孔徑雷達衛(wèi)星，衛(wèi)星分布在2個軌道面，每個軌道面內(nèi)有4對衛(wèi)星，每對衛(wèi)星等間隔分布。每對衛(wèi)星包括1顆多模式成像高分辨率光學(xué)衛(wèi)星和1顆雙頻高分辨率合成孔徑雷達衛(wèi)星，2顆衛(wèi)星串列飛行。該星座采用2個軌道面的設(shè)計方案，對中緯度地區(qū)的重訪率最高，并且能夠完全覆蓋極區(qū)。地球直播公司計劃通過多次發(fā)射部署該星座，并于2020年開始運行。該星座的合成孔徑雷達成像衛(wèi)星質(zhì)量1400kg，X頻段分辨率為1m，L頻段分辨率為5m。光學(xué)衛(wèi)星質(zhì)量700kg，拍攝0.5m分辨率圖像，經(jīng)過處理可生成0.25m分辨率圖像，還可拍攝30幀/s、分辨率為0.4m的視頻影像。

目前，“光學(xué)合成孔徑雷達”星座的發(fā)展引起了包括加拿大本國政府甚至美國軍方的高度關(guān)注。該星座項目于2016年獲得2份重量級合作協(xié)議，一份是加拿大航天局（CSA）“航天技術(shù)發(fā)展計劃”（STDP）200萬美元的技術(shù)出資協(xié)議（CA），另一份是與美國國家地理空間情報局（NGA）簽訂的合作研究和開發(fā)協(xié)議（CRADA）。前者表明加拿大政府意在支持該星座的研發(fā)，以提高加拿大航天產(chǎn)業(yè)在國際上的競爭力；后者旨在為美國國家地理空間情報局的國家安全任務(wù)提供強有力的支持，研發(fā)活動聚焦在使該星座獲得最大使用效能上。具體研發(fā)領(lǐng)域主要包括：①多源融合—開發(fā)工具、服務(wù)和分析處理；②提高/確保度量準(zhǔn)確度；③優(yōu)化采集/分發(fā)策略。

阿根廷衛(wèi)星邏輯公司

阿根廷衛(wèi)星邏輯公司成立于2010年，總部設(shè)在美國加利福尼亞州。該公司計劃制造和發(fā)射300顆小衛(wèi)星并構(gòu)建星座，星座具有5min重訪能力。單顆衛(wèi)星質(zhì)量約35kg，多光譜分辨率達到1m。公司在阿根廷建造了衛(wèi)星制造廠，具有年產(chǎn)50余顆衛(wèi)星的能力。2016年5月30日利用中國長征－4B火箭發(fā)射了2顆技術(shù)驗證星。

2 政府引導(dǎo)新興商業(yè)能力的發(fā)展

近年，美國政府通過多項舉措積極引導(dǎo)新興對地觀測衛(wèi)星星座的發(fā)展。

2015年10月26日，美國國家地理空間情報局發(fā)布《商業(yè)地理空間情報戰(zhàn)略》，旨在充分利用當(dāng)前蓬勃發(fā)展的商業(yè)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)，以及商業(yè)衛(wèi)星運營商和數(shù)據(jù)分析公司的技術(shù)優(yōu)勢，整合大量非保密數(shù)據(jù)源，提高國家地理空間情報局的采辦靈活性和敏捷性。該戰(zhàn)略有3個目標(biāo)：①在作戰(zhàn)要求時限內(nèi)提供多樣化圖像、情報產(chǎn)品和服務(wù)，保障情報用戶做出明智決策；②在用戶所需的地點及時提供商業(yè)數(shù)據(jù)、信息和知識，提高戰(zhàn)術(shù)用戶的任務(wù)成功率；③提供持續(xù)、多樣的商業(yè)數(shù)據(jù)流、基礎(chǔ)產(chǎn)品和服務(wù)等。該戰(zhàn)略順應(yīng)已有和新興商業(yè)遙感圖像供應(yīng)商帶來的巨大變革。

美國國家地理空間情報局和國家偵察局（NRO）于2016年啟動“商業(yè)地理空間情報”（CGA）項目辦公室，該辦公室進行聯(lián)合評估，向兩家機構(gòu)建議投資對象，使兩家機構(gòu)進行同步聯(lián)合采辦，并幫助其更好地利用商業(yè)圖像。該項目辦公室要求商業(yè)界不僅提供數(shù)據(jù)收集能力，還要提供對其有益的數(shù)據(jù)分析能力?？梢钥闯觯吧虡I(yè)地理空間情報”項目辦公室的成立旨在向商業(yè)界拋出政府的聲音，促進新興商業(yè)地理空間情報的發(fā)展。

3 啟示

美國將商業(yè)能力納入國家對地觀測衛(wèi)星體系，充分提高了航天體系的彈性，培育了國家商業(yè)天基對地觀測這一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，提高了相關(guān)產(chǎn)業(yè)在國際上的競爭力。其次，美國軍方通過出臺戰(zhàn)略引導(dǎo)商業(yè)對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展，并建立辦公室促進軍方對新興商業(yè)對地觀測小衛(wèi)星星座的利用。以美國為代表的眾多國家已將目光放在高分辨率小衛(wèi)星星座發(fā)展上，這些發(fā)展動向值得高度關(guān)注。