遥感卫星系统及其应用的发展与思考

· 文|中国空间技术研究院 李忠宝

遥感卫星系统及其应用的发展与思考

· 文|中国空间技术研究院 李忠宝

介绍了遥感卫星系统的组成及其应用效果影响要素，对比分析了国内外遥感卫星系统技术发展现状和应用进展，从系统关键技术与应用等方面阐述了我国遥感卫星系统及其应用与国外的差距，并从顶层规划、关键技术研究、政策法规与商业化运营等方面提出了对策与建议。

卫星遥感 遥感应用 标准

遥感对地观测是人类获取地球空间信息的重要手段，在国民经济建设和国防建设中具有不可替代的作用。随着航天技术和传感器技术的发展，初步形成了一个多层次、多角度、全方位和全天候的全球立体遥感网络——高、中、低轨道结合，大、中、小卫星协同，可以获得粗、细、精分辨率互补的遥感数据。通过星地一体化的全球立体遥感网络，人类得以全方位对大气圈、水圈、岩石圈、生物圈、土壤圈、冰冻圈和人类圈七大圈层进行综合观测，以全球性的整体观、系统观和多时空尺度来研究地球整体行为。以“感知无限”为目标，当前国际上遥感数据的获取趋向于三多（多平台、多传感器、多角度）和三高（高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率）。国际市场上，商业遥感卫星的空间分辨率由WorldView-2的0.45m提高到WorldView-3的0.3m，我国高分辨率遥感卫星已从数米提高到1m的水平，给遥感应用带来了无限的商机和潜力。

一、遥感卫星系统及其应用

1．遥感卫星系统组成

遥感卫星系统由卫星数据获取系统和数据反演系统组成，如图1所示。在遥感数据获取系统中完成的是遥感的正演过程，在反演系统中完成的是反演过程。卫星数据获取系统包括载有遥感器的遥感卫星系统和用于遥感数据接收和处理的地面系统，遥感卫星系统的输入是载有景物(实体)信息的电磁波，输出是景物包含的有关信息。这些信息再送入遥感数据反演系统以获取有关知识，以满足卫星遥感最终用户的任务需求。

图 1 遥感卫星系统组成

2.影响遥感卫星系统应用效果的要素

目前，遥感卫星系统在取得显著成就的同时，也面临着许多问题。集中表现在：一方面大量的遥感数据仍未得到真正有效的利用，另一方面遥感应用所需求的有效信息又十分匮乏。这两者实际上是从不同侧面反映了遥感数据应用的有效性问题，为此有必要从遥感信息链的角度分析影响遥感卫星系统应用效果的关键要素，指导后续遥感卫星系统应用效能的提升。

（1）卫星平台要素

承载能力、供电能力、姿态稳定、轨道保持、微振动抑制、机动能力、温度控制等直接影响遥感卫星载荷的性能和应用效能。

（2）有效载荷要素

安装在卫星平台上对地面或天体目标进行感知的精密光学或电子仪器。与卫星平台、星地链路都存在紧密的耦合关系，直接影响遥感卫星数据的质量。

（3）传输链路要素

主要需考虑遥感卫星信号传递响应和衰减、大气影响、空间电磁环境影响、信息安全、信息压缩解压等影响因素。

（4）地面系统要素

一般由地面数据接收系统、地面处理系统和应用系统组成。接收、处理和应用受到卫星平台、载荷、星地链路的综合影响，系统指标通常从服务能力、服务效率和应用精度等方面衡量。

上述各环节紧密耦合、相互作用，对遥感卫星应用效能产生直接影响。除此以外，在遥感卫星系统顶层设计时，还需要重点关注卫星系统、地面系统和应用系统之间技术指标的科学合理分配，进行多方案比较以实现更好的优化。目前遥感卫星系统顶层设计时，往往特别关注的是系统所获取的遥感数据的质量，但遥感卫星系统的最终产品是从应用系统输出的，因此需要特别关注遥感卫星系统输出产品质量与获取的遥感数据质量的关系，分清各自的贡献，使系统最终输出产品满足应用需求。

二、国外遥感卫星系统及其应用进展情况

1.国外遥感卫星系统技术发展现状

遥感卫星系统技术集中了空间、电子、光学、计算机通信和地学等学科的最新成就，是当代高新技术的一个重要组成部分。西方发达国家十分重视发展遥感卫星系统技术，从政策、资金等方面给予特别的重视和倾斜，并围绕遥感卫星系统的设计、研制、生产以及卫星遥感数据获取、接收、处理、分发、应用等全链路的关键环节制定了相应的标准。推动遥感卫星系统性能不断提升，由分立系统向综合体系发展过渡。

国外有代表性的遥感卫星系统包括地球观测系统（EOS）、全球对地观测系统（GEOSS），主要的光学卫星系列包括SPOT系列、QuickBird、以及WorldView系列、IRS系列、RapidEye系列、DMC星座；主要的雷达卫星包括RadarSat系列、Terra X-SAR系列、ENVISAT系列、ALOS系列等。

（1）成像卫星空间分辨率普遍达到亚米级，具有多种成像模式

美国保持领先，欧洲、日本、印度等国紧随其后。光学和微波成像能力同步发展。

1） 光学分辨率0.1 ～ 1m，雷达分辨率0.3 ～ 1m，光谱分辨率纳米级。

2） 均采用全球覆盖轨道，向高敏捷能力、成像测绘一体化发展。

（2）气象卫星综合性和精细化能力强，短期气象和长期气候监测结合

美欧系统性能先进，领先其他国家至少一代，下一代新型系统即将服役。

1） 可以昼夜监测，监测范围已能覆盖对流层——平流层上部。

2） 具备太阳活动监测、空间环境探测等空间气象监测能力。

3） 以微波探测仪器为主，具备三维大气活动监测能力，水平分辨率最高达500m，垂直分辨率最高达550m。

（3）海洋卫星精度显著提升，静态环境和动态环境监测结合

1） 海洋水色探测由极轨卫星向静止轨道卫星拓展，不仅可以探测水温，还能监测气溶胶。

2） 海洋风场探测向微波辐射计和微波散射计结合发展，风向精度达±20°，风速精度达2m/s。

整体来看，国外卫星遥感技术的发展趋势体现为卫星系统由单一系列向星座组网发展；卫星传感器由中高分辨率向高分辨率延伸，由单角度观测向多角度和立体测量跨越，由空间维向光谱维拓宽。但国外遥感卫星系统工程技术标准相对少，遥感标准分布在不同的应用领域，没有一个比较系统的、完善的遥感技术标准体系。数据及应用类标准主要以地理空间数据管理、交换、集成、共享与服务类标准为主，特别是地理信息方面的标准较为集中，涉及遥感数据获取、下行传输方面的标准较少。

2.国外遥感卫星应用现状

（1）采取灵活的高分辨率卫星数据运营策略

美国采用军、民、商相结合，寓军于商的发展策略，出台支持国家高分辨率遥感产业发展的国家遥感政策，平时通过政府大量定购商业遥感公司图像，为其新一代系统研制注入资金，推动商业遥感卫星技术发展，战时严格控制卫星图像数据的获取与分发，通过买断过顶成像时间或行使“快门控制权”等满足国家安全与外交利益需求。

欧洲通过“分工协作、合作开发、交换数据”的方式运营欧洲的高分辨率遥感卫星系统，在法意和法德之间建立起了广泛的数据交换合作机制，只有具备数据交换资本的国家才能参与这一高分辨率遥感数据俱乐部。

（2）成立遥感图像销售公司，拓宽销售渠道

创建专门的遥感图像销售公司，树立数据产品品牌，积极开拓市场，提高数据的利用率和市场竞争力，同时积极参与国际合作，采取全球建站或是建立全球图像销售网络的形式扩展数据分发领域，扩大应用范围。各遥感公司之间还通过签订合同或建立伙伴关系，代销或经销其他公司或非商业化的民用遥感卫星图片，包括美国LandSat、加拿大RadarSat、法国SPOT以及印度IRS等卫星的图片，代销经销这些卫星图片无需支付这些卫星的巨额制造费和发射费，从而实现运营成本的大幅度降低。

（3）重视存档数据价值的挖掘和使用，加强图像增值处理

各国以往注重的是向用户出售在轨卫星实时传输回来的图像，并尽量缩短向用户交付实时传输图像的时间，而对大批已存档的图像重视不够。美国侦察局已经开始重视存档信息的处理，将早期的一些侦察卫星数据经过解密后供民用部门使用。图像卫星国际公司宣布将EROS-A1的存档图像削价50%出售，由此可见，存档的图像也是一笔可观的财富。尽管存档图像可能有点陈旧、过时，但对于某些需要地面静态或缓变自然信息或社会信息的用户来说，仍有很高的使用价值，商业遥感卫星公司可以用它来创收增效。

（4）与专业应用紧密结合，产业化、商业化产生巨大效益

美国农业部外国农业局的全球作物遥感估产系统每年从其国际农产品贸易中获益高达十几亿美元。

（5）重视标准产品的生产，为大批量业务化应用提供可能

美国的NASA组织了由众多著名科学家组成的科学小组研究MODIS处理算法，在所提出的32种算法的理论基础上可以处理出44种标准的数据产品，用于不同专业的科学研究。

（6）建设高效地面系统，实现数据共享

美国宇航局戈达得飞行中心的EOSDIS 数据系统，其处理和管理的数据量，仅其EOS AM-1 平台达到每天1500GB，这些数据源源不断地通过网络或其他途径向全世界用户提供服务。

（7）卫星发展、地面系统和支撑建设与遥感应用紧密相连

在美国MODIS和法国SPOT的研发阶段，应用系统的开发与载荷及地面支撑系统同步研制，其经费占到了整个计划的30%。通过开展应用系统的研制，一旦卫星发射成功，遥感数据可以迅速转为信息，并直接到达用户的手中，迅速得到应用，很快产生效益。在国土资源规划、防灾减灾、环境监测等多个领域获得更广泛应用。

三、中国空间技术研究院遥感卫星系统及其应用

1.中国空间技术研究院遥感卫星系统技术发展介绍

（1）平台与载荷

经过几十年的发展和沉淀，中国空间技术研究院（五院）遥感领域已经形成了系列化、产品化的大、中、小遥感平台型谱，以此为基础发展形成了系列遥感卫星系统，广泛应用于陆地观测、军事侦察、海洋信息获取和环境监测等各个领域，为我国社会经济和军事国防的建设和发展，发挥了重要作用。

目前，五院中大型遥感卫星平台型谱由ZY1000、ZY2000、ZY3000和ZY4000等四个卫星平台。小卫星遥感卫星平台型谱由CAST100、CAST968、CAST2000等卫星平台组成，具备覆盖高、中、低轨，承载大、中、小型载荷的能力，能够满足未来10～15年的研制需求。

（2）系统关键技术体系

面对卫星组成越来越复杂，功能越来越多，性能指标越来越高，系统技术水平越来越高的发展趋势，五院以技术推动、需求牵引为动力，掌握了遥感卫星在轨智能管理、敏捷机动成像模式设计、微振动隔振抑制设计、遥感卫星全链路成像质量分析与设计、平台载荷一体化设计等关键技术，初步具备卫星多层次遥感数据获取、数据分析与处理、遥感数据综合应用能力，并形成了较为完备的遥感卫星系统关键技术体系。

2.中国空间技术研究院遥感卫星应用情况

中国空间技术研究院借助星地一体化优势，经过30多年发展，在遥感卫星应用方面，已经掌握了从遥感卫星测控、运行管理、数据接收、产品生产、综合应用、存档管理到分发服务等方面的一系列核心技术，研制开发了覆盖遥感产业链的多个遥感专业应用产品，见图2。目前已经具备卫星遥感数据接收、处理分发和增值服务的全链条业务能力。具备遥感影像辐射校正、系统几何校正、定标、精/正射校正、影像增强、图像融合、拼接镶嵌等技术及系统建设能力和遥感影像定量应用能力。

图 2 星地一体化遥感应用示意图

四、我国遥感卫星系统及其应用差距分析

我国遥感卫星系统技术及其应用已形成一定基础，但总体上与国际先进水平相比仍有较大差距，天地一体化系统缺少顶层规划和设计，卫星与地面相对脱节，遥感卫星信息资源的最大效能尚未充分发挥，一些核心技术和关键产品仍受制于人，高效卫星信息融合处理机制及技术、信息安全理论与技术等方面的研究存在较大差距，突出表现在系统顶层设计、卫星平台技术、遥感信息高精度处理和空间信息融合等几个方面。

1.遥感卫星系统关键技术环节差距分析

（1）连续、稳定运行的商业遥感体系尚未形成

在卫星遥感领域，国外已经建立了军用系统、民用系统和商业系统三大相互独立和有机联系的系统，其中军用系统主要集中实现极高的分辨率，民用系统主要集中在中、低分辨率的公益型系统，商业化系统则是民用高分辨率数据的主要来源，由国家支持、商业化发展。我国目前军用和民用两个系统已经成为规模，商业化系统未能成气候。

当前我国存在的主要问题是国产有用、有效的数据源缺乏，对国外数据的强力依赖性，连续稳定运行的军、民、商有机联系的遥感体系尚未形成。

（2）不同轨道综合组网协同观测能力相对落后

由于缺乏业务需求为主导的国家空间基础设施建设机制，长远统筹不足，加之体制方面的问题，目前我国国家层面的遥感卫星系统建设的统一规划还没有实施。各应用部门需求迫切的卫星资源得不到很好满足，形成了卫星立项一事一议、地面系统自成体系、业务应用时断时续的不利局面。

（3）高性能、高集成度遥感卫星平台技术相对落后

我国的遥感卫星平台与国外先进平台相比，仍存在不小的差距。突出表现在研制成本高，平台承载比低，卫星平台电子系统集成化、智能化水平偏低，图像定位精度不足，微振动抑制能力弱，姿态机动能力不足等方面。

（4）高精度的基础地理信息获取能力不够

从用户的需求来看，各行业部门需求量最大的基础地理信息要求高分辨率的遥感数据作为数据源，而我国目前用于测绘的卫星平台的稳定度、POS精度和姿态测量精度都比较低，使得测绘数据的整体精度不高，无法满足更高比例尺基础测绘数据的需求。

（5）精细化、定量化的信息获取与处理技术落后

国内光学遥感器的星上辐射定标技术不够成熟，地面实验室辐射定标的精度不高，绝对辐射定标精度仅能达到10%，几何精度标定等研究还较少开展，还不能满足光学遥感卫星的遥感定量化的需要。

2.遥感卫星应用差距分析

（1）数据加工处理能力弱，高质量影像数据产品时效性差

我国遥感卫星的地面接收处理队伍规模小，负责专题产品生产的用户部门一般都只有十几人、几十人的队伍。国产遥感卫星地面接收处理的产能低，与接收的卫星数据量有较大的差距，导致数据处理时延长，不能满足用户的需求。

（2）信息数据分发手段与渠道不足，积压与贫乏矛盾突出

目前国产遥感卫星数据缺乏数据分发服务平台、手段和渠道，形成了供方产品积压与需方数据缺乏的矛盾局面。一方面国产卫星数据分发销售不畅，卫星用户仍然局限于少数政府行业部门，大量产品积压，另一方面，卫星影像应用用户、包括大量的省市县级的行业用户和企业个人用户不能顺畅地获取国产卫星影像。

（3）行业应用不深入，没有融入常态管理、实现业务化

我国卫星遥感数据及其行业应用普遍存在深度不够的状况，数据源和数据处理、加工、分析的可靠性不高。导致卫星遥感数据及应用科研、试验层面多，一次性决策分析应用多，未能与行业用户的日常生产业务相结合、融入用户的常态管理与日常工作，未能形成高可靠性的业务化行业应用系统，无法实现高频次、流程化的应用局面。业务化、可靠性是我国卫星遥感行业应用推广普及的核心问题，也是卫星遥感信息产业发展的核心问题。

（4）数据比较分散、共享程度低，导致重复建设、资源浪费

目前，我国使用对地观测数据的单位有数百家，较大的用户部门有10 余家。大的部门有自己的数据处理、开发应用中心，小的部门仅仅是开发应用。由于缺乏国家数据政策的支持和统一管理，各行业部门之间条块分割，数据共享程度有限，造成了一定的重复建设。此外，数据接收和共性处理( 预处理) 系统互相分割，结构不合理，低水平重复建设严重。

五、对策和建议

（1）加强顶层规划，构建遥感卫星综合系统

卫星遥感系统是空间应用领域中最为重要的一部分，我国应该在已有的遥感卫星系统基础上，建设一个大型综合的卫星遥感系统，研制新型先进星载遥感器和高性能通用遥感卫星平台，结合以IP为基础的天基互联网技术发展、以高性能敏捷智能成像卫星为基础，通过多星协同组网或编队，形成高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率的空间观测网络，使用户可以足不出户实时获取全球范围任意地区空间信息。

（2）大力推动静止轨道对地观测技术的研究

随着减灾、资源、环境等应用领域对卫星遥感数据的时间分辨率要求越来越高，传统低轨道对地观测卫星已经很难满足遥感用户高时间分辨率的要求。开发超高分辨率成像技术，构建先进的静止轨道对地监视系统，可以实现区域精准农业评估、环境监测、灾害监测评估、边境与危机冲突地区监视等功能，极大提高区域监视与决策辅助支持能力。

静止轨道对地观测技术可以分为四类开展研究：高分辨率光学成像监视、高分辨率SAR成像、高光谱探测与辐射测量、微波被动遥感探测（微波辐射计、散射计）。

（3）发展多手段基础地理信息系统

目前，对地物目标观测已不再局限于只获取二维平面信息，而是要得到三维的立体信息。对地三维测绘卫星一般包括：光学测图卫星、干涉雷达卫星和激光雷达卫星。光学成像立体测绘技术发展较早，但要实现更高测绘精度还需要大力攻关；而干涉SAR技术已开展了很多关键技术攻关，但投入力度和推动力都不足，与国外差距较大，需重点投入并向工程应用大力推进；激光雷达技术由于受各种基础元件（如激光器、探测器、窄带滤光片等）的限制发展较慢，而国外近年则进展非常大，各种大气测量、测高用的激光雷达纷纷发射投入使用，需要给与高度重视及早布局开始研究。

（4）制定国家级卫星遥感数据使用和推广法规

结合国家当前和未来发展需求，在遥感卫星规划、研制、数据应用、数据分发和数据保密等方面制定针对性的政策，促进卫星遥感产业的发展，加强国际合作，提升在国际遥感领域的竞争力。探索“军星民用”和“民星军用”的共享服务模式，鼓励军民单位共建卫星应用技术基地，研究军星数据进行民用的技术问题并建立商业运营平台。

（5）建立综合数据处理中心，实现多星多类型数据综合地面数据处理、归档、分发和服务

随着卫星遥感数据源性能的不断增强以及数据量的极大膨胀，需要建立综合数据处理中心对数据进行有效管理和维护，通过标准、规范和法规政策的制定加强对数据质量的控制，提高数据的质量和精度，进而提高对卫星遥感数据的应用效益。从卫星遥感技术的发展来看，遥感卫星的空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率都在迅速提高，遥感器种类迅速增加，为避免重复建设，提高效率，地面数据处理系统已经向多颗卫星、多种有效载荷数据集中处理、产品生产、归档与分发的模式转变。

（6）鼓励央企和民间资本进入全球商用遥感卫星运营市场，提升竞争力

鉴于卫星遥感数据具有的巨大市场价值，以及我国在全球市场中市场份额过低的现状，应积极支持和鼓励航天类央企和民间资本投入到遥感卫星特别是高分辨率遥感卫星的商业运营中。通过“公平、公正、自由竞争、择优支持”的原则营造良好的商业竞争环境，支持卫星应用企业健康快速发展，逐渐退出以政府为主导的发展模式。条件成熟时，鼓励企业走出去，将我国航天制造技术和卫星应用技术推广到全球尤其是第三世界国家。

六、结论

遥感卫星及其应用系统的建设是世界大国的重要战略发展领域，其发展水平直接关系到国家安全、经济建设和大众民生，具有巨大的市场价值潜力，是国家实力的重要标志。由于种种原因，我国的遥感卫星系统技术及其应用的发展目前还存在多部门低水平重复建设、数据应用效率低、可持续发展乏力等问题。为促进遥感卫星系统及其应用技术的发展，必须加强对遥感卫星系统建设和遥感数据应用的宏观规划指导与协调，以应用为主导发展卫星遥感产业，促进遥感卫星系统技术及其应用的科技创新，不断缩小与国际先进水平的差距。

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