国外商业遥感的新进展

· 文|北京空间科技信息研究所 刘韬

国外商业遥感的新进展

· 文|北京空间科技信息研究所 刘韬

从商业遥感政策、商业遥感卫星系统和运行方式、商业遥感卫星制造企业竞争力和商业遥感卫星应用四个方面介绍2013-2014年国外商业遥感的新进展。

一、美国商业遥感新政策加速商业遥感卫星的升级

随着美国商业遥感卫星运营商面临欧洲商业遥感卫星运营商和航空遥感公司的压力与日俱增，美国政府禁止商业遥感卫星运营商向美国政府以外的用户销售优于0.5m分辨率的卫星图像数据政策已经越来越为美国国内卫星运营商和用户所诟病。

2013年，美国商业遥感卫星运营商数字地球（DigitalGlobe）公司正式向美国政府申请销售0.25m分辨率的卫星图像数据。2013年11月，美国参议院情报委员会在其公布的一份报告中，鼓励美国国家地理空间情报局（NGA）和国家情报总监办公室认真考虑美国商业遥感运营商提出的收集并销售0.25m分辨率光学卫星图像的要求。2014年4月，美国情报总监、NGA局长和国家侦查局（NRO）局长相继公开支持DigitalGlobe公司的诉求。2014年6月，在征得美国国防部和国务院的同意之后，负责颁发商业遥感卫星运营许可的美国商务部正式批准了DigitalGlobe公司的申请。新政策允许DigitalGlobe向其用户销售全色分辨率高达0.25m、多光谱分辨率1m的卫星图像数据。

随着新政策的实施，DigitalGlobe公司于2014年8月发射了最新型“世界观测”-3（WorldView-3）卫星，在发射6个月以后，DigitalGlobe公司可公开销售0.31m的全色图像。未来，DigitalGlobe公司将加速“地球眼”-2（GeoEye-2）卫星（已改名为WorldView-4）的部署，预计于2016年发射，届时可向用户分发分辨率高达0.25m的全色图像数据。

二、 商业遥感卫星多星组网

提高时间分辨率成为新趋势

1.欧洲商业光学遥感卫星组网运行

目前，欧洲空中客车防务与空间公司在轨的4颗商用光学成像卫星已组网运行（图1），这4颗卫星是斯波特-6（SPOT-6）卫星、SPOT-7、昴宿星-1A（Pleiades-1A）和Pleiades-1B。4星卫星星座位于同一轨道平面，彼此相隔90°。该星座具备每日2次的重访能力，由SPOT卫星提供大幅宽普查图像，Pleiades针对特定目标区域提供0.5m的详查图像。

图1 空中客车防务与空间公司的4颗光学对地观测卫星组网

4星星座中的2颗斯波特卫星每天的图像获取能力就达到600万平方千米，是法国国土面积的10倍。SPOT-6/7星座能力因此大幅超过SPOT-5的能力，图像分辨率更高、响应速度更快、指向精度和敏捷性更优，可快速瞄准地球上星下点1500km半径内的任意一点。

2.美国构建24颗Skysat星座，开启商业视频对地观测时代

美国新型商业遥感“天空盒子”成像公司（Skybox）计划构建的“天空卫星”（Skysat）星座由24颗小卫星构成，目前已完成前两颗业务星部署。Skysat具有0.9m分辨率成像和每秒30帧1.1m分辨率1080P高清视频拍摄能力，既是传统意义上的高分辨率光学成像卫星，又是新型的视频对地观测卫星。Skysat卫星采用了先进的面阵探测器技术和相应的图像处理技术，使之摘得世界100kg级光学成像卫星最高分辨率桂冠。（Skysat卫星具体性能和技术请参阅2014年第3期《卫星应用》）。

除研究先进的高分辨率成像技术外，作为创新型的商业遥感公司，Skybox公司非常注重畅通全球数据分发渠道，扩展全球影响力。

一方面，Skybox公司继续拓展与对地观测数据分销商的合作范围。继2013年5月与日本空间成像（JSI）公司达成数据分发合作协议后，Skybox公司又在2014年分别与澳大利亚地理图像（Geoimage）公司、阿联酋空间成像（ESI）公司和英国麦肯锡情报服务（MSI）公司达成数据销售和分发合作协议。Geoimage公司负责澳大利亚、印尼、马来西亚和菲律宾等国家的业务。ESI公司购买了2个SkyNode地面站，分别放置在位于迪拜的空间成像中东（SIME）分公司和位于慕尼黑的欧洲空间成像（EUSI）分公司。其中，SIME分公司负责中东、东非和中亚地区的业务；EUSI分公司负责欧洲和北非地区的业务。MSI公司负责Skybox公司在英国和非洲的数据分发业务。

另一方面，Skybox公司注重提高自身数据直销能力，不断发展高分辨率对地观测数据在线读取和交互式访问技术，为用户提供便捷易用的在线服务。2014年3月，Skybox公司与美国地图盒子（Mapbox）公司展开合作，将后者开发的MBTiles标准集成到Skybox公司“巴士男孩”（BusBoy）大数据平台上。用户订阅的图像将转换为MBTiles格式，快速、流畅的发送至指定Mapbox账户。用户可以通过移动设备登录账户，对图像添加注释或标签，制作个性化地图。2014年6月10日，Skybox公司与全球互联网搜索巨擘谷歌公司达成协议，后者以5亿美元现金收购Skybox公司。此次交易不仅使谷歌公司获得了自主的天基高分辨率图像和视频数据采集能力，完善其谷歌地图和谷歌地球服务，更使Skybox公司大数据存储、处理和分布式计算能力大幅提升，推动其在对地观测数据应用与互联网技术结合浪潮中占得先机。

3.行星实验室“鸽群”（Flock）星座连续观测关注全球变化

行星实验室（Planet Labs）公司构建的“鸽群”-1（Flock-1）星座是目前世界上最大的对地观测卫星星座，由3U立方体卫星组成，具有3～5m中分辨率成像能力。Planet Labs公司是美国借助风险投资发展的新兴对地观测公司，目前已完成两轮合计6510万美元的融资。Planet Labs公司已研制3类Flock-1星座，即Flock-1、Flock-1b和Flock-1c。截至2014年7月底，Planet Labs公司共完成3次Flock星座发射任务，合计发射67颗卫星进入低地球轨道，其中25颗已再入大气层并燃尽。Flock-1星座规模足够大，地面覆盖范围足够广，已超过实现全球覆盖所需的卫星数量。卫星采用“永远在线”（Always On）工作模式，无需对星上相机下达特定区域的成像指令即可成像。这种“永远在线”工作模式可持续获取图像数据，进而能够对全球变化进行检测。

三、新兴商业遥感卫星制造商逐步进入军用遥感卫星制造领域

美国军方选择新兴商业遥感卫星制造商参与军用遥感卫星研制，传统大型卫星制造商面临严酷竞争。在成像侦察领域，美国DigitalGlobe公司已经得到美国政府的大力支持，成为军用成像侦察卫星的强有力竞争者，但其分辨率0.41m的地球眼（GeoEye-1）卫星和分辨率0.31m的WorldView-3卫星性能尚不能代替洛马公司研制的现役“锁眼”-12（KH-12）军用光学成像侦察卫星，因其分辨率高达0.1m，且具备很强的红外成像能力。而在另一个军用遥感领域，即气象观测领域，新兴商业遥感卫星制造商已与传统航天企业展开激烈的竞争，有望替代传统大型企业，占领低轨军用气象卫星制造领域。

目前，美国军用航天体系已开始向“弹性和分散的空间体系”转型，军用气象卫星作为体系转型技术验证的重要试点。美国现役“国防气象卫星计划”卫星（Defense Meteorological Satellite Program，DMSP）已经历半个世纪的发展，这些卫星全部是占垄断地位的美国大型企业洛马公司研制的。DMSP卫星从1962年开始发射，到2014年10月，共发展了5个系列，12个型号，发射卫星52颗，成功47颗。这类传统大型卫星功能高度集成，却造成单颗卫星成本很高，研制周期较长，部署数量有限，因此美国不得不采用“诺阿”（NOAA）民用气象卫星和欧洲等盟国的气象卫星补充观测能力。此外，当卫星发射时，传统卫星性能甚至不如研制周期较短的小型商业遥感卫星，也就是说传统大型卫星的研制模式不利于技术的更新。为了克服上述问题，美军开始研制采用分散式的小型军用气象卫星。“分散”被美国空军航天司令部定义为“将天基任务、功能或传感器分散到一个或多个轨道平面、平台、载具或多域的多个系统之中”。“分散”可以理解为将传统大型卫星系统的功能分解到组网的多颗小卫星中，在确保系统功能和性能的前提下实现去中心化、分散风险，使潜在对手无法通过攻击节点卫星而使整个体系瘫痪；同时利用小卫星的快速研制、发射和补网能力，提高整个空间体系在战争中的抗毁能力。在军用气象卫星领域，美国空军于2013年与“千年空间系统”公司（Millennium Space system）签订固定价值合同，开展“分散式气象卫星探路者”项目（disaggregation weather satellite pathfinder，DWSP），目的是深入研究军事气象卫星系统通过分散的方式如何使成本降低，使抗毁能力提升。2014年4月28日，DWSP卫星初期设计方案通过评审，DWSP卫星将采用“千年空间系统”公司的AQUILA M2平台，该公司在未来24个月将开始研制并装配DWSP卫星，弥补现役DMSP卫星覆盖区域的不足，同时为分散的气象卫星体系提供早期在轨运行试验。DWSP卫星将携带NASA喷气推进实验室（JPL）研制的紧凑型海风矢量辐射计（COWVR）等有效载荷。DWSP卫星与重达1.1t的现役DMSP卫星相比，其质量大幅度下降，约360kg。一旦DWSP卫星成功研制，洛马公司将丧失大量军用气象卫星订单。

四、时间分辨率的提高带动卫星图像时序分析新应用

不同于传统卫星拍摄单幅静态图像，视频对地观测卫星携带装配面阵探测器的面阵相机，结合卫星平台高敏捷机动能力，可拍摄目标的一系列图像，甚至组成视频，实现了低轨卫星在一定时间间隔内的持续监视能力。如Skysat这样的视频对地观测卫星使图像分析从静态向时序图像分析转变，给卫星应用领域带来前所未有的新机遇，在静态目标的变化检测和动目标的监测与跟踪等领域有十分广泛的应用前景。再加之星座部署，极大缩短了重访周期，提高了时间分辨率。

在静态目标的变化检测方面，Skybox公司已做了大量研究，如分析石油储量、矿区生产力和港口进出量等。Skybox公司发现利用浮顶随油量变化的几何关系，就可以计算出油罐中的油量。通过星下点和侧视两幅图像就可以得到计算浮顶油罐内石油存储量的必要数据，再通过统计石油储备库的油罐数量就可以得到一个石油储备库总的石油储量。石油储备量数据的用途关系国家安全，它的商业价值是十分明显的。目前，Skybox公司已经开发了基于Skysat星座进行浮顶油罐石油储量计算的算法，算法基本原理如图2。

图2 Skybox公司计算石油储量的公式手稿

由于天基时序图像分析是近两年发展起来的新兴技术，它潜在的应用领域十分广泛，为了开阔思路，Skybox公司对外征集Skysat星座应用“点子”，并进行比赛，获奖者可获得数十万美元的奖金。

在动目标的监测与跟踪方面，通过两幅图像就可以分析出地面车辆或海上舰船运动的方向和速度，这些因素是无法从单幅静态图像中分析得出的。

五、几点思考

（1）商业小卫星应用能力日益增强，得到蓬勃发展，商业甚高分辨率大卫星的发展相对放缓

甚高分辨率大型卫星由于研制周期较长，成本高昂，数年才能部署一颗。而小卫星单星成本低，星座部署经济也可承受，随着探测器、敏捷型小卫星平台的发展，小卫星逐步拥有传统大卫星才有的亚米高分辨率与快速姿态机动能力，正在成为新兴航天企业发展的热点。同时，小卫星星座部署结合互联网技术、大数据和云计算等新技术为遥感卫星市场引入了新的活力。而今年大型遥感卫星的发展已经呈现出逐渐放缓的态势，如欧洲空客等国外传统商业运营商也开始尝试大型卫星星座运行，但从数量上难以超过小卫星，产品成本较高，在商业市场上，未来的发展前景不如小卫星明朗。

（2）商业天基高分辨率视频拍摄将扩展商业遥感卫星应用

得益于小卫星相关技术的提高，小卫星平台敏捷能力和面阵相机大幅度提高了同一目标的拍摄机会，使卫星拍摄静态图像向拍摄高清视频发展，使遥感卫星应用领域得到极大地扩展，静态目标变化分析和动目标监测与跟踪将对遥感卫星应用产生重大变革。

（3）商业遥感卫星制造商将打破垄断局面，进入军用遥感卫星制造领域

过去，成像侦察、气象卫星等军用遥感卫星制造领域一直被洛马等大型航天企业占据，主要原因是这些卫星功能高度集成，小型企业进入门槛极高。随着美国向弹性和分散空间体系转型，进一步鼓励商业卫星制造商参与竞争，在这一有利政策环境下，加之小卫星技术能力逐步提升，新兴商业遥感卫星制造商得到了空前的发展机会，有望进入军用遥感卫星制造领域。