静止轨道高分辨率光学成像卫星展示海洋监视的重大潜力

2014-07-02北京空间科技信息研究所刘韬

卫星应用 2014年12期

· 文|北京空间科技信息研究所刘韬

· 文|北京空间科技信息研究所刘韬

海洋对于一个国家具有重要的战略地位，任何一个国家或国家联盟，要想成为世界强国，必须首先控制海洋。然而飞机难以对茫茫大海进行大范围的持续监视，卫星作为一种有效的海洋监视系统受到国外的高度重视。

从20世纪60年代末期美国就开始了海洋监视卫星的研制计划，目前已经发展了三代海军海洋监视卫星（NOSS），最新一代NOSS也称为“天基广域监视系统”（SB-WASS）。这类卫星携带电子侦察载荷监视舰船的雷达信号或无线电通信信号，对舰船的定位精度约为2km，卫星组网运行，能够每天对地球中纬度海域的舰船监视30次以上。电子型海洋监视卫星星座在覆盖范围、时间分辨率方面基本满足舰船监视需要，但定位精度不高、难以测定舰船的瞬时速度，随着高精度、高敏捷卫星平台技术和光学有效载荷技术的发展，不但具备持续监视能力、大范围覆盖能力，而且具备快速响应能力、更高定位精度（优于200m）的静止轨道（GEO）高分辨率光学成像卫星（以下简称“GEO高分卫星”）已经在军事海洋监视领域展现了强大的应用潜力，这类卫星的另一个突出特点是可以驻留在目标上空，录制观测地区的视频，用于舰船的速度和航向测定。（本文限定GEO光学成像卫星的分辨率优于10m为高分辨率）

一、地球静止轨道高分辨率光学成像卫星的特点

地球静止轨道（GEO）光学成像卫星“站的高，看的远”，可以实现对重点目标的连续监视，不仅可以弥补传统侦察卫星的时间分辨率低和覆盖范围小等问题，还将推出一系列新型的应用领域，包括可以基于视频拍摄手段，实现对地球表面移动目标的侦查监视、地球各种自然要素的长期演变监测等。

GEO高分卫星具备快速响应能力，从用户提出申请到地理空间信息的交付时间可以减少到数分钟，而现有卫星系统需要数小时甚至数天。更特别的是，GEO高分卫星具备拍摄目标视频的独特功能，可以在感兴趣的区域内拍摄单目标乃至多个活动目标的视频。利用这些特点，这类卫星在动目标监视和变化检测上具有广阔的应用前景。

欧洲Astrium公司最新提出的3m分辨率地球静止轨道空间监视系统（GO3S）卫星具有3个视频工作模式（如图1）。“突发”模式是在极短时间内以1Hz或更高的帧速率拍摄视频，该模式用于快速获取时敏目标的速度、方向等瞬时特性；“持续视频”模式以数分钟的采样时间间隔拍摄视频；“时延视频”模式是以更长的时间间隔（如数小时，或天）拍摄视频，后两者可用于长期获取海洋环境等长时间演化特性。与机载视频系统不同，GO3S卫星的视频模式具有长时间、宽覆盖的优势，而飞机或无人机需要中途返回补给燃料，此外，卫星视频监视是无法被目标发现的。

图1 三种视频工作模式

目前GEO对地观测卫星主要是气象卫星，空间分辨率大多在几百米到几千米的量级，比较先进的韩国“通信、海洋与气象卫星”（COMS-1），空间分辨率也仅达到了500m。对于大空间尺度的气象监测和环境监测，上述分辨率是可以满足应用需求的；但对于侦察监视和重点目标监测来说，上述分辨率就远远无法满足需求了。在这样的应用背景下，如何在GEO轨道实现目前低轨卫星所能达到的高分辨率成像能力，得到美、欧的广泛关注。

近年来，美国、欧洲开展了一系列关键技术攻关项目，欧洲采用的传统反射成像技术取得了很多进展。本文将简述欧洲静止轨道高分辨率光学成像卫星技术的发展情况，并以欧洲最新提出的3m分辨率GO3S卫星项目为重点，分析其方案内容和海洋监视应用方向。

二、欧洲静止轨道高分辨率光学成像卫星的发展概况

欧洲从21世纪初开始发展GEO高分卫星，前期进行了大量的理论研究工作，从21世纪末开始了GEO高分卫星方案设计论证工作，目前准备开始工程化实施。Astrium公司在GEO高分成像技术上较为领先，提出了覆盖低、中、高分辨率的一系列工程化方案。比如，Astrium和韩国联合研制并于2010年发射了COMS-1卫星，该卫星携带了世界上首台静止轨道水色成像仪，空间分辨率为500m。尽管该星用于环境探测，但拉开了GEO高分辨率成像载荷研制的序幕。

2009年，Astrium完成了10.5m分辨率的“静止轨道-眼睛”卫星（Geo-Oculus）设计方案论证工作。2011年，该公司在巴黎航展上展示了“地球静止轨道空间监视系统”（GO3S）卫星项目（表1）。GO3S卫星的分辨率为3m，主镜口径达到4m，可拍摄视频影像，实时监视移动目标。2013年3月，新加坡表示可能为该卫星的研制进行投资，如果该意向得到落实，Astrium将于2016年开始制造卫星，并于2020年发射。

表1 GEO-Oculus和GO3S卫星的设计方案

三、欧洲GO3S卫星的海洋监视应用

GEO高分卫星对海洋目标的侦察监视可以用“以静制动”来形容，GEO卫星相对于覆盖区域保持相对静止不动，通过拍摄一连串图像形成图像序列或视频，用于分析移动目标的速度和方向。基于图像定位精度，判断目标位置，还可结合其他辅助定位系统，更为精确地判断目标位置。

GO3S的分辨率为3m，其主要的海洋监视对象为舰船。海洋监视应用分为4种，表2归纳了这4种应用的产品类型、产品内容、实现方法和技术优势。

表2 GO3S卫星的海洋监视应用

1.对于出发地的常态监视

对于出发地（边境、港口、机场、火车站等）的常态监视，感兴趣的用户为处理非法交易或非法移民的机构用户，包括海关、海军、海岸警卫队、欧盟边防局（FRONTEX）和海洋分析和运行中心-辑毒组（MAOC-N，欧盟成员国之间的专责小组）。

演示案例模拟（见图2，3，4）。

图2 正常状态

注：发现了6艘正在作业的渔船，没有发现其他船舶，没有发现可疑的路面活动。

图3 出现可疑活动

注：1天后，除渔船外，在非寻常区域发现两艘停泊的大型船（18m），在无人居住地区发现一辆卡车。发现可疑活动后，产生预警，卫星观测进入每30分钟1次的密切监视状态。

图4 确认可疑活动

注：半小时后，发现其中一艘快船已经离开海岸，卡车已经消失，为用户拉响警报。

2.海上目标舰船的重定位

用户设置拍摄图像的时间间隔，卫星以该间隔拍摄目标地区的一系列图像。对舰船的重定位，必须已知舰船的上一个地点。根据上一个地点最后的位置信息和速度信息就可以对目标进行重定位。

演示案例模拟（见图5）。

图5 目标舰船重定位

注：目标船在航行一夜后被重定位，新的位置在原位置西南方9海里处。

3.舰船跟踪

GEO高分卫星无法对大于视场范围的区域进行持续监视，因此无法对偏离宣称航线的所有舰船进行监视。GEO高分卫星可以监视通过情报获知的可能偏离宣称航线的舰船。

演示案例模拟（见图6）。

图6 舰船跟踪案例

注：一艘商船驶离预定的宣称航线。有情报显示一艘商船可能参与非法活动。用户启动GO3S卫星的舰船跟踪服务，以监视商船的航线。卫星显示该商船确实驶离了宣称航线，停靠在非洲海岸。

4.可疑活动监视

可疑活动监视服务主要用于确认非法或可疑活动，如偷渡、毒品交易和走私等。GEO高分卫星的这种功能优于现有的卫星，GEO高分卫星不但可以持续监视目标地区，还可以快速启动新的任务监视新发现的目标。此外，该服务可突出感兴趣目标周围的活动，可对目标周围舰船进行鉴别和特征识别，如长度、航向和速度。

演示案例模拟（图7、图8）。

图7 案例模拟

注：2012年12月27日，德国一艘运送化学物品的货船，在索马里海岸附近向南行驶，途中怀疑受到一艘小型海盗船的尾随，海盗船从东面向其逼近。随后，船长向总部发送警报。此后，再没有收到货船的任何信息，出事海域也没有可提供支援或提供侦察的海军。通过分析GO3S的图像，就可以确认发生的情况。货舱受到18名海盗的劫持，被迫向索马里海岸行驶，随后停泊在海岸。GO3S的船只重定位服务提供海盗船的更新位置信息，为营救货船提供支持。

图8 发现可疑船只

注：通过该服务的模拟，可以发现3m GEO轨道高分卫星可以对长度为5m、航行速度为12knts（12节=12海里/小时）的小型船只进行检测。

综上，GO3S卫星可以对5m左右的渔船或快艇等小型舰船进行检测。在海洋监视方面，主要有两种检测方式，一种是不基于先验知识的情况，比如离境地区的可疑活动监视应用。另一种基于目标位置的先验知识，比如在海上舰船跟踪和舰船重定位应用中，必须通过情报或其他数据来源，事先知道舰船上一次出现的位置信息，才可以对舰船进行跟踪和重定位。此外，卫星产品可与基于GPS的自动船只识别系统（AIS）或其他数据源进行融合，为用户提供更加准确、更加清晰的图像数据产品。

目前，对马六甲海峡拥有部分主权的新加坡，已经对GO3S卫星表现出浓厚兴趣，可能对该星进行投资。新加坡看重的就是GO3S卫星单景就可覆盖整个新加坡，可对其国土进行实时监视。新加坡是世界上最大的贸易转载中心，对马六甲海峡的监控对新加坡的经济具有战略地位。GO3S通过侧摆可对整个马六甲海峡的舰船进行监视，其特有的动目标监视能力在航线管理、舰船监视等应用领域可以发挥重要作用。