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)

高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(以下簡稱高分專項)是《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》中確定的16個重大專項之一。高分專項重點是發(fā)展基于衛(wèi)星、飛機、平流層飛艇、地面系統(tǒng)組成的高分辨率先進觀測體系，并結(jié)合其它中低分辨率觀測手段，形成“天地一體、時空協(xié)調(diào)”的高分辨率數(shù)據(jù)獲取及應用服務保障能力[1-2]。

高分專項肩負著填補領(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！高分專項實施方案論證提出了2020年前的工程目標、科技目標和應用目標，全面指導專項的建設(shè)實施。

本文主要回顧了高分辨率對地觀測體系建設(shè)進展情況，綜述了天基、臨近空間、航空、地面等系統(tǒng)的建設(shè)成果，并針對經(jīng)濟社會發(fā)展、國家安全的新形勢，以及對地觀測體系應用樣式發(fā)生的重大轉(zhuǎn)變，提出高分辨率對地觀測體系應用需進一步提升高冗余組網(wǎng)、高容量觀測、高連續(xù)跟蹤、高時效認知、高深遠支持等“五高”能力，體系建設(shè)應更加突出發(fā)展高性能衛(wèi)星、部署高密度星座、拓展高遠全視野、構(gòu)建全球精準觀測應用基礎(chǔ)環(huán)境、提升臨近空間系統(tǒng)應用能力。

1 高分辨率對地觀測體系

1.1 體系組成

高分辨率對地觀測體系主要由天基、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，填補臨近空間領(lǐng)域空白，發(fā)揮航空已有優(yōu)勢，地面協(xié)調(diào)配套發(fā)展，實現(xiàn)全球和周邊重點地區(qū)的高分辨率觀測。其中，天基系統(tǒng)主要實現(xiàn)全球長期穩(wěn)定觀測，臨近空間系統(tǒng)主要實現(xiàn)國內(nèi)國境實時連續(xù)觀測，航空系統(tǒng)主要實現(xiàn)國內(nèi)區(qū)域快速精細觀測，地面系統(tǒng)主要實現(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、精細化應用服務，軟環(huán)境系統(tǒng)主要提供政策法規(guī)、標準規(guī)范、知識產(chǎn)權(quán)、科技情報、國際合作、應用推廣等配套保障。

圖1 高分辨率對地觀測體系組成

在高分辨率對地觀測體系設(shè)計建設(shè)中，天基系統(tǒng)主要實現(xiàn)空間維的大尺度觀測，臨近空間系統(tǒng)主要實現(xiàn)時間維的連續(xù)觀測，航空系統(tǒng)主要豐富觀測手段，拓展信息維的獲取能力。地面系統(tǒng)是高分專項的出發(fā)點和落腳點，是高分辨率對地觀測體系聯(lián)合運用的核心，既可提供大回路、全體系的應用能力，也可提供數(shù)據(jù)、算法支持，用戶利用機動、便攜、手持等應用終端，小回路邊緣就近快速提報需求，開展信息應用。

1.2 專項特點

高分專項的實施，通過自主創(chuàng)新、技術(shù)跨越，重點推進了三大創(chuàng)新，實現(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)觀測層以及應用系統(tǒng)構(gòu)成，涵蓋大氣、陸地、海洋的高分對地觀測體系，尤其是建立天空地一體化的多尺度數(shù)據(jù)源獲取體系，對于實現(xiàn)我國高分對地觀測體系完整性、前瞻性具有重要戰(zhàn)略意義。

其次是技術(shù)創(chuàng)新，攻關(guān)研制天基先進的對地觀測平臺與載荷技術(shù)；填補國內(nèi)平流層飛艇技術(shù)空白；掌握具有自主知識產(chǎn)權(quán)的航空先進對地觀測載荷技術(shù)；突破先進的數(shù)據(jù)接收、處理、共享、應用服務技術(shù)。

最后是機制創(chuàng)新，創(chuàng)新建立數(shù)據(jù)和信息共享機制，制定配套政策法規(guī)，為不同用戶之間實現(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、多樣化應急行動的應用服務機制，提高應用能力水平。

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、有機銜接、高度集成的國家對地觀測體系，用技術(shù)發(fā)展帶動機制創(chuàng)新，引領(lǐng)我國對地觀測體系的建設(shè)和發(fā)展。

(2)引領(lǐng)科技進步，瞄準制約高分觀測技術(shù)瓶頸，重點安排了在對地觀測領(lǐng)域具有引領(lǐng)性和標志性的項目研制和技術(shù)攻關(guān)，帶動我國機械、電子、材料、能源等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步。

(3)引領(lǐng)資源整合，地面系統(tǒng)建設(shè)注重結(jié)合實際、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，通過應用示范系統(tǒng)的研制建設(shè)，統(tǒng)籌開展共性關(guān)鍵應用技術(shù)的協(xié)同攻關(guān)，解決在技術(shù)與管理方面的產(chǎn)學研轉(zhuǎn)化、服務推廣的瓶頸問題，確保高分數(shù)據(jù)“好用”和“用好”。

1.3 應用流程

高分辨率對地觀測體系的工作流程見圖2。

圖2 高分辨率對地觀測體系工作流程圖

高分辨率對地觀測體系的典型工作流程為：

(1)用戶提出高分辨率觀測任務需求；

(2)資源共享與服務平臺進行需求籌劃，檢索資源，當存檔的數(shù)據(jù)資源不能滿足需求時，制定任務需求發(fā)送任務管控系統(tǒng)；

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

(4)衛(wèi)星、平流層飛艇、航空平臺根據(jù)計劃獲取相應區(qū)域的高分辨率觀測數(shù)據(jù)，通過星地或中繼數(shù)傳傳至地面；應急情況下可通過機動接收處理系統(tǒng)完成觀測數(shù)據(jù)的接收、處理，快速應用；

(5)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)定標與質(zhì)量評定系統(tǒng)提供的參數(shù)，對接收到的衛(wèi)星、平流層飛艇、航空平臺觀測數(shù)據(jù)進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、專業(yè)信息處理和綜合態(tài)勢生成；

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

(7)資源共享與服務平臺統(tǒng)一管理各級數(shù)據(jù)，向各用戶節(jié)點分發(fā)共享；各用戶單位獲取數(shù)據(jù)后，可按需進行專業(yè)處理，生成高級數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

圍繞對地觀測數(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，高分專項建設(shè)了“六庫、一場、一平臺”(全球空間基礎(chǔ)地理信息保障庫、目標/地物特性庫、目標/地物知識庫、應用軟件插件庫、基礎(chǔ)模型算法庫、試驗樣本數(shù)據(jù)庫等六個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，一個應用試驗場，一個測試評估平臺)，為高分辨率對地觀測數(shù)據(jù)處理與應用提供基礎(chǔ)支撐。

2 高分辨率對地觀測體系建設(shè)成果

高分專項實施以來，以創(chuàng)新為綱、以應用為目，重點在天基系統(tǒng)的體系創(chuàng)新、臨近空間的平臺創(chuàng)新、航空載荷的技術(shù)創(chuàng)新、地面系統(tǒng)的體制創(chuàng)新等方面進行了探索與實踐，取得積極成果。

2.1 天基系統(tǒng)體系創(chuàng)新

構(gòu)建了骨干+增強的體系架構(gòu)，骨干系統(tǒng)重點實現(xiàn)全球高分辨率觀測、廣域連續(xù)監(jiān)測和大比例尺測繪。按需發(fā)展增強系統(tǒng)，實現(xiàn)特定區(qū)域的能力增強。

1)骨干體系建設(shè)

高分專項中，重點發(fā)展了低軌高分辨率光學/微波、高精度測繪和高軌成像等先進對地觀測衛(wèi)星，突破了大口徑長焦距光學相機、大信號帶寬合成孔徑雷達(SAR)、高敏捷姿態(tài)機動與控制、高精度測繪、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

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

對于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，高分專項重點攻關(guān)提高了電源、T/R組件效率，降低損耗，最高成像分辨率達到亞米級；并開展了新技術(shù)、新機理、新模式等探索研究。

(2)高時間分辨率

時間分辨率，是指對同一區(qū)域進行的相鄰兩次觀測的最小時間間隔。對于天基系統(tǒng)而言，時間分辨率與衛(wèi)星軌道高度、傾角、可視觀測帶寬，以及衛(wèi)星數(shù)量規(guī)模有關(guān)。對于單星而言，高分專項重點提升了光學衛(wèi)星的敏捷姿態(tài)機動能力、微波衛(wèi)星的方位掃描成像能力，實現(xiàn)多目標、多視角觀測和拼接成像。

(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[3]：一是高光譜分辨率與高空間分辨率難以同時實現(xiàn)。二是紅外高光譜譜段需要在低溫環(huán)境下工作，對制冷機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)，對光譜數(shù)據(jù)的高保真壓縮要求高。因此，高分專項重點是實現(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)，光譜分辨率達到納米級。

(4)高定位精度

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

光學衛(wèi)星可通過單線陣、多線陣和面陣體制實現(xiàn)高精度定位。SAR衛(wèi)星通過干涉成像(InSAR)的方式進行高精度測繪，典型系統(tǒng)包括單平臺雙天線干涉SAR系統(tǒng)、重復軌道干涉SAR系統(tǒng)和分布式衛(wèi)星干涉SAR系統(tǒng)。高分專項重點安排了雙線陣光學測繪和分布式衛(wèi)星干涉SAR系統(tǒng)攻關(guān)，突破了平臺高精度定軌定姿與姿控熱控、微振動測量/抑制與補償，載荷內(nèi)外方位元素控制、地面控制點與高程模型數(shù)據(jù)修正、高精度定標等關(guān)鍵技術(shù)，定位精度達到1∶1萬比例尺。

2)增強系統(tǒng)建設(shè)

在配套系統(tǒng)支持下，按任務所需，快速發(fā)射衛(wèi)星，迅速、靈活增強和重塑空間系統(tǒng)，以低建設(shè)成本、快響應時間、短信息鏈路，滿足突發(fā)性局部區(qū)域觀測要求。增強系統(tǒng)具有預案化任務設(shè)計、標準化產(chǎn)品生產(chǎn)、模塊化衛(wèi)星組裝、快速性測試發(fā)射、靈活性指揮控制、快捷性信息應用等顯著特點。

高分專項中，增強系統(tǒng)建設(shè)主要實現(xiàn)了衛(wèi)星節(jié)點三統(tǒng)一、體系運用六自主、能力生成四快速。

(1)衛(wèi)星節(jié)點三統(tǒng)一

一是統(tǒng)軟硬件架構(gòu)，采用體系開放的硬件架構(gòu)，實現(xiàn)產(chǎn)品即插即用、快速自主測試，采用平臺共用的軟件架構(gòu)，實現(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)標準規(guī)范，建立了38份快響小衛(wèi)星標準規(guī)范，支撐貨架式、低成本產(chǎn)品體系建立，支持快速研制、應急發(fā)射、快速應用。

(2)體系運用六自主

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)支持數(shù)據(jù)信息快速匯聚。二是自主協(xié)同，多星可協(xié)同觀測，實現(xiàn)引導、接力、拼接等。三是自主規(guī)劃，星簇任務管理、單星任務規(guī)劃。四是自主處理，星上進行快速數(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，快速測試發(fā)射。三是快速測試，入軌后快速完成整星功能自測試。四是快速應用，信息和有效數(shù)據(jù)快速推送。

2.2 臨近空間平臺創(chuàng)新

臨近空間系統(tǒng)是高分專項支持發(fā)展的一個新領(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，具有獨特的環(huán)境優(yōu)勢和潛在的應用價值。

平流層飛艇是部署在臨近空間的主要探測平臺，其利用20 km高度附近風速較小等有利條件，攜帶任務載荷，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]。高分專項在臨近空間系統(tǒng)方面的工作可總結(jié)如下。

1)準確識別平流層飛艇基礎(chǔ)科學問題

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

(1)安全進入。飛艇上升過程中，風場、空氣密度、環(huán)境溫度劇烈變化，對飛艇上升控制、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，內(nèi)外溫差最高可達30～60 ℃，引起艇內(nèi)壓力劇烈變化，對飛艇結(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、控制響應緩慢。為實現(xiàn)區(qū)域可控飛行，需完成光電轉(zhuǎn)換、能源存儲到動力輸出的循環(huán)控制。主要關(guān)鍵技術(shù)包括：氣動外形優(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。平流層飛艇若實現(xiàn)可重復使用，可顯著提升應用效益，但受低空惡劣環(huán)境影響，安全返場難度極大。主要關(guān)鍵技術(shù)包括：可預測降落與控制、著陸安全控制、返場地空動力、平臺快速回收等技術(shù)。

同時，統(tǒng)籌推進平流層飛艇共性技術(shù)攻關(guān)。囊體材料面密度/強度/透氦率/環(huán)境適應性、太陽能電池組件效率、鋰電池比能量、螺旋槳和電機效率等技術(shù)指標均有較大提升，達到或接近世界先進水平。

2)科學確定平流層飛艇平臺發(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、工程試驗”三步走的發(fā)展路線，推動飛艇平臺的關(guān)鍵技術(shù)研究。

方案探索研究階段，重點開展多技術(shù)路線可行性探索，驗證基礎(chǔ)科學問題。技術(shù)試驗階段，重點突破總體關(guān)鍵技術(shù)技術(shù)，開展試驗驗證。工程試驗階段，重點提升飛艇駐空時間，拓展承載應用能力。

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)體制驗證工程試驗體系。

2.3 航空觀測手段創(chuàng)新

航空系統(tǒng)通過飛機平臺和無人機搭載多種觀測載荷，獲取高分辨率對地觀測數(shù)據(jù)，具有分辨率高、時效性強、實現(xiàn)難度小等優(yōu)勢，是獲取國內(nèi)以及國土周邊區(qū)域高分辨率對地觀測數(shù)據(jù)的重要方式。高分專項航空系統(tǒng)載荷研制的總體定位：①解決有無，升級換代；②實現(xiàn)國產(chǎn)化，自主可控；③開展技術(shù)驗證，推動天、臨載荷創(chuàng)新發(fā)展。

1)拓展觀測手段

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

2)提升觀測能力

圍繞高分辨率、高精度觀測要求和定量化反演目標，提升能力。一是分辨率由分米級提升至厘米級；二是高精度定位由相對到絕對、由有控向無控提升，對地觀測由定性到定量提升；三是開展了機上實時處理、目標自動檢測識別等智能處理研究。

3)載荷綜合應用

載荷應用綜合化，實現(xiàn)“一載荷、多模式、多功能、多應用”。開展了多功能一體化雷達技術(shù)研究，綜合實現(xiàn)高分辨率SAR成像、高精度InSAR測高、地面動目標探測、海面目標探測等功能。

4)推動技術(shù)創(chuàng)新

開展視頻SAR、圖譜關(guān)聯(lián)探測載荷、主被動復合成像、輕小型位置與姿態(tài)測量等新技術(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“分布式對等、資源虛擬化整合、通用平臺+專用插件”等技術(shù)體制，完成典型系統(tǒng)建設(shè)，實現(xiàn)任務管控、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)預處理、定標與質(zhì)量評定、資源共享服務、通用機動接收處理、資源共享交換等功能，如圖3所示。

圖3 高分專項地面系統(tǒng)組成

1)任務管控

開展了“1+N”模式聯(lián)合任務規(guī)劃(體系聯(lián)合規(guī)劃和節(jié)點自主規(guī)劃)、多類型平臺多載荷協(xié)同調(diào)度、觀測數(shù)傳資源一體化調(diào)度、滾動式動態(tài)任務管控等技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)天、臨、空資源一體化協(xié)同規(guī)劃，多星、多任務一體化任務管控。

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)接收測控綜合等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收資源高效利用。

3)數(shù)據(jù)預處理

集成航天和航空平臺相關(guān)傳感器的專用數(shù)據(jù)預處理算法插件，實現(xiàn)一體化、自動化、高精度、低延遲的0～3級基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)。

4)定標與質(zhì)量評定

研制了地表光學反射特性自動觀測儀、光學輻射定標大氣特性自動檢測儀、遠程監(jiān)控通用角反射器、有源定標器觀測數(shù)據(jù)遠程傳輸設(shè)備等，形成天基、航空、臨近空間載荷一體化、定制化定標能力。

5)資源共享服務

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

6)通用機動接收處理

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、標準接口，可接收衛(wèi)星、無人機載荷數(shù)據(jù)并存儲管理，實現(xiàn)機動伴隨保障，一鍵展開、一鍵對星、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)務化運行，實現(xiàn)衛(wèi)星資源按需共享使用。

3 后續(xù)發(fā)展展望

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

航天已邁入千星萬星時代！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]。美國國防部先進研究計劃局(DARPA)啟動了黑杰克(Blackjack)創(chuàng)新項目，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劃(Artemis)[6]。2020年10月，美、英、日、意等八國集體簽署計劃協(xié)議。2019年2月，俄羅斯擬制了月球綜合探索與開發(fā)計劃草案，提出2040年月球開發(fā)4個階段路線圖[7]。

針對經(jīng)濟社會發(fā)展、國家安全的新形勢，對地觀測體系的應用樣式發(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)合支撐向邊緣動態(tài)組合轉(zhuǎn)變；③人機協(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撥開迷霧向認知迷霧和利用迷霧等轉(zhuǎn)變；⑥靜態(tài)規(guī)劃向動態(tài)管理轉(zhuǎn)變。

因此，高分辨率對地觀測體系建設(shè)發(fā)展應在高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率和高定位精度基礎(chǔ)上，進一步提升高冗余組網(wǎng)、高容量觀測、高連續(xù)跟蹤、高時效認知、高深遠支持等“五高”能力。據(jù)此，我們提出了“三高一基礎(chǔ)一提升”的對地觀測體系建設(shè)發(fā)展方向。

(1)三高：高性能衛(wèi)星、高密度星座、高遠全視野。

(2)一基礎(chǔ)：全球精準觀測應用基礎(chǔ)環(huán)境。

(3)一提升：臨近空間系統(tǒng)應用能力。

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是對地觀測領(lǐng)域發(fā)展的永恒主題。

(1)針對光學成像系統(tǒng)，開展新體制超大口徑光學成像技術(shù)研究，包括：分塊可展開光學成像技術(shù)，實現(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現(xiàn)大口徑成像。

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

(3)開展高精度目標特性測量技術(shù)研究，包括高分辨率高光譜成像、全時相紅外特性測量、高分辨率雷達散射特性測量、電磁特征測量與精細識別等技術(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)點部署規(guī)?；?、體系建設(shè)一體化、聯(lián)合應用智能化：①節(jié)點部署規(guī)?；瑪?shù)百乃至上萬顆衛(wèi)星，部署于多個低地球軌道，形成規(guī)模效應；②體系建設(shè)一體化，通信、導航、遙感功能一體，以彈性泛在網(wǎng)絡(luò)為紐帶，實現(xiàn)陸?？仗於嘤蛉诤希虎勐?lián)合應用智能化，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)、運管和應用模式都將發(fā)生改變。

(1)研產(chǎn)模式。衛(wèi)星制造采用自主可控器件、標準化部組件、柔性化集成生產(chǎn)線；運載火箭重復使用、多星大批量發(fā)射部署，降低進入太空成本；快速在軌測試、快速應用。

(2)運管模式。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)同和有人參與的動態(tài)任務管理。

(3)應用模式。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、自動化解譯。其次，進行智能關(guān)聯(lián)分析，實現(xiàn)從地物、目標的智能感知到要素之間關(guān)系認知的躍遷，實現(xiàn)基于知識的態(tài)勢認知。再次，利用人工智能學習掌握用戶對天基信息的使用習慣，實現(xiàn)用戶需求的精準預測、用戶服務精準推送。

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，既可作為深空探測的中繼站，又是對外天文觀測的理想基地[8]。2004年，我國提出了月球探測“繞”、“落”、“回”三步走計劃，計劃在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年前利用機器人將月壤樣品采回地球。隨著嫦娥五號完成月球采樣任務，我國已成功實現(xiàn)了上述三步走計劃。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、通信和導航服務[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 筑強全球精準觀測應用基礎(chǔ)環(huán)境

為實現(xiàn)全球精準觀測及定量化遙感應用，提升數(shù)據(jù)使用效益，需要建設(shè)高精度定標場，保證觀測數(shù)據(jù)的精度和可用度。同時，現(xiàn)有遙感數(shù)據(jù)的處理算法、模型、規(guī)則等缺乏定量評估，需建設(shè)真實性檢驗系統(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，推廣高分辨率對地觀測數(shù)據(jù)的應用，需建立完善全球精準觀測應用信息基礎(chǔ)環(huán)境，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品、算法、規(guī)則、模型的定量化、真實性檢驗，保障數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度和信息知識可信度，并提供一個平時數(shù)據(jù)積累的框架，支持數(shù)據(jù)處理精度和處理時效性的提升。

(1)完善高精度定標場網(wǎng)，積累傳感器定標基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)傳感器的高精度、全鏈路、多源交叉定標。

(2)建設(shè)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品、算法真實性檢驗系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品、算法的指標性能定量化檢驗評估。

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

3.5 持續(xù)提升臨近空間系統(tǒng)應用能力

在高分專項臨近空間系統(tǒng)平臺攻關(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)，提升飛艇駐空時間；二是拓展承載應用能力，開展遙感、通信、導航應用試驗。同時，發(fā)展太陽能無人機，與平流層飛艇協(xié)同構(gòu)建臨近空間觀測系統(tǒng)。太陽能無人機具有飛行航時長、抗風能力強、起降部署靈活等特點，是極具潛力的新型臨近空間無人飛行器[10]。

4 結(jié)束語

當前，我國基本建成了高分辨率對地觀測體系，天基、臨近空間、航空和地面協(xié)同形成高分辨率對地觀測能力。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，對地觀測領(lǐng)域應具備高冗余組網(wǎng)、高容量觀測、高連續(xù)跟蹤、高時效認知、高深遠支持的能力，更好地服務于國家安全與國民經(jīng)濟建設(shè)。