美国对地观测卫星系统在轨运行与应用服务管理

● 文|中国空间技术研究院 及莉

美国对地观测卫星系统在轨运行与应用服务管理

● 文|中国空间技术研究院 及莉

目前，对地观测卫星已经成为国家的战略性和基础性资源，是全球各国保障国家安全、促进国民经济发展的重要情报获取手段。随着对地观测卫星的发展，对地观测卫星的在轨运行管理模式也逐渐形成，以确保对地观测卫星能够在运行寿命内高效完成预定任务。随着在轨运行对地观测卫星数量的不断增长，型号更加丰富、类型更加复杂、应用更加广泛、寿命持续增长，对卫星在轨运行管理工作也提出了更高要求。

美国拥有规模庞大、种类齐全、功能强大的对地观测卫星系统，在轨卫星数量、类型、功能均处于全球领先地位。从世界范围看，在对地观测卫星各个系统的运行与应用管理方面，美国最为领先，不仅拥有体系齐备的空间系统，还拥有完善的管理体系，以及强大的应用和服务能力，运行管理模式齐备，发展较为成熟，其丰富的管理成功经验值得深入研究。

对地观测卫星系统的在轨运行与应用服务管理包括对地观测卫星系统的空间系统、地面系统和应用系统的在轨运行管理情况，包括发射入轨、试运行测试阶段的测控、业务运行阶段的测控、故障处理和应急事件处理等部分，其中在轨管理包括测控管理、应急管理、故障管理等，应用服务管理则主要体现在相关的数据政策、应用服务政策中，包括从需求提出、需求审批、执行、监督等方面的管理流程。

一、美国对地观测卫星在轨运行与应用服务管理概述

1.在轨卫星发展情况

美国的对地观测体系最为完备，在轨卫星数量最多，达148颗（截至2016年8月，军用卫星51颗，民用卫星20颗，商用卫星77颗），其对地观测技术能力最为先进，远远领先于其他国家，已形成光学、雷达、气象、海洋和环境多类型，覆盖全色、可见光、多/高/超光谱、红外等谱段，高、低轨配合，成像和视频相结合，军、民、商协调发展的对地观测卫星体系。

图1 美国在轨对地观测卫星应用分布情况

在军用对地观测卫星方面，美国构建并保持由光学成像侦察、雷达成像侦察、电子侦察卫星（包括海洋监视）、军事气象、海洋和其他环境监测卫星组成的军用对地观测卫星体系，系统建设最为完备、技术水平最高、各系统分工明确，体系弹性较强。在侦察监视方面，建成了光学、雷达、电子结合，高中低轨结合，详普查结合，全球区域兼顾，军民商融合，骨干系统与应急系统同时发展、协同工作的综合卫星系统。在环境监测方面，建有全军用的气象环境监测卫星系统和海洋环境监测卫星系统，同时发展民用的气象、海洋、重力场和磁力场卫星作为补充，与各类成像与测绘一体卫星共同构成综合环境监测卫星体系。

在民、商用对地观测卫星方面，美国已建成光学对地成像、气象环境探测和其他环境探测卫星三大体系，其中环境探测卫星占民商用对地观测卫星的大部分，可见美国民商用对地观测领域对环境监测和气候变化方面的重视。最值得注意的是，在“轨道革命”的推动下，微纳卫星发展日渐活跃，美国有多家商业初创公司谋划发展大规模商业小卫星星座，目前已呈现大规模部署态势，由于具有高时效性的优势，已引起美国军方的重视。

2.在轨运行和应用管理情况

美国对地观测卫星系统的在轨运行管理涵盖测控管理、数据接收与分发管理、应急管理、故障管理等，以及对地观测卫星应用服务管理。美国已经形成较完善的对地观测运行控制和数据接收、处理、分发管理体系，将对地观测数据广泛应用于军事、政治、经济、环境监测、减灾防灾、科研等领域，取得了显著的军事、经济和社会效益。对地观测卫星应用服务管理则主要体现在相关的数据政策、应用服务政策中，包括从需求提出、需求审批、执行、监督等方面的管理流程。对地观测卫星在轨运行管理依赖于卫星研制单位、用户单位和测控单位的多方参与，因此在管理过程中极易遇到多方协同工作的问题。

美国军用对地观测、民用对地观测和商用对地观测分别服务于不同的用户，相应的卫星运行管理模式也有所不同。

美国军用对地观测卫星采用军方机构运行管理模式。主要依托美国国家侦察局和空军等部门或部队，战时作战任务的卫星信息支援依托战略司令部收集、统筹来自于战区的需求，并统一指挥卫星运行管理部门实现卫星资源的任务统筹规划。军用对地观测卫星的保密程度较高，当卫星发射入轨并交付业务化运行后，卫星的运行管理由军事航天机构或专业航天部队独立完成，运管人员由军方机构人员组成，运管基础设施的建设和维护也由军方机构负责。美军军政与军令分立，军事航天体系也是建、用分离，运行管理部门和军事指挥应用部门各司其职并相互协作。

美国民用对地观测卫星采用政府部门运行管理模式。民用对地观测卫星主要基于民用目的设计，立足于公益应用，当卫星发射入轨并交付业务化运行后，卫星的运行管理由政府部门完成，提供面向公益、科研等方面的应用服务，运管人员由政府部门人员组成，运管基础设施的建设和维护也由政府相关部门负责。

美国商业对地观测公司运行管理模式较为显著，商业对地观测卫星主要基于商业盈利目的而设计，卫星发射入轨并交付业务化运行后，卫星的运行管理由商业对地观测公司完成，提供各种类型的商业对地观测服务和产品，运管人员由商业对地观测公司人员组成，运管基础设施的建设和维护也由商业对地观测公司负责。

二、美国民用对地观测卫星在轨运行与应用服务管理

美国的民用对地观测卫星大多由美国政府部门直接进行运行管理，他们既是卫星的运管单位，同时也是卫星的用户。美国国家航空航天局（NASA）、美国地质调查局（USGS）和美国国家海洋和大气管理局（NOAA）是美国民用对地观测卫星的三大主要卫星运行管理部门。

表1 美国现役典型民用对地观测卫星的运行管理单位列表

1.在轨运行管理

（1）美国地质调查局

美国地质调查局负责运行和管理“陆地卫星”（Landsat）系列卫星。目前在轨的陆地卫星－7和陆地卫星－8卫星均由美国地质调查局负责运行管理。陆地卫星-8卫星于2013年2月11日发射后，由美国国家航空航天局负责运管，完成在轨测试后，将运行管理权转交给美国地质调查局。

美国地质调查局提供任务运行中心、地面处理系统（包括存档和数据网络）和飞行运行团队，负责在轨验证完成后的标定、卫星运行、数据产品生成。此外还负责“陆地卫星”科学团队，并提供资金。飞行运行团队操作任务运行中心的两个计算机系统：数据采集计划部分（CAPE）和任务运行部分（MOE）。数据采集计划部分负责规划科学数据的采集，给出采集的优先级，每天向陆地卫星－8的图像传感器发送请求，任务运行部分负责将这些请求转化为软件指令发送给卫星。图2为陆地卫星－8任务管理结构。

图2 陆地卫星-8任务管理结构

（2）美国国家海洋和大气管理局

美国国家海洋和大气管理局负责运行和管理“地球静止轨道环境业务卫星”（GOES）系列和“诺阿”（NOAA）极轨气象卫星系列。“诺阿”气象卫星的运行管理由美国国家海洋和大气管理局位于休特兰的卫星运行控制中心（SOCC）负责，卫星的运行管理包括两支队伍：任务运行支持队伍和数据运行支持队伍，这两支队伍均由政府组建。任务运行支持队伍的工作涉及发射前的计划和研发、发射和轨道提升、发射后测试以及移交运管权长期运行后的所有方面，由卫星平台和有效载荷的工程师、系统工程师、飞行和地面控制人员、任务计划和进度人员、地面系统工程师、软件维护人员和相关支持人员组成。数据运行支持队伍主要负责数据产品的管理，涉及开发数据产品运行规程、计划并进行发射前外部用户接口测试、参加产品生成和产品分布系统验收和回归测试、参加发射后测试中的数据产品性能特性的验证、数据产品生成和分布性能的离线工程分析、将数据提交卫星数据处理和分发办公室等各个方面，主要由卫星用户接口、数据产品用户应用、数据产品生成系统方面和其他相关学科的专家组成。

（3）美国国家航空航天局

美国国家航空航天局主要负责运管“地球观测系统”（EOS）计划下发展的对地观测小卫星，例如“热带降雨测量任务”（TRMM）、“微风”（Aura）、“水”（Aqua）等卫星。

“地球观测系统”卫星的在轨运行管理由其地面核心系统（ECS）下的飞行运行系统（FOS）负责。飞行运行系统负责对所有“地球观测系统”卫星进行测控，提供发射任务计划表，监视卫星及其仪器设备的运行，飞行运行系统任务具体由“地球观测系统”运行中心（EOC）完成。“地球观测系统”运行中心设在美国国家航空航天局戈达德航天飞行中心，其任务是承担飞行运行系统的职责，承担所有卫星和载荷的管理和控制，包括发射计划、计划时间表、监视、控制和分析等。“地球观测系统”运行中心设计时考虑到有能力同时对多颗卫星进行测控。

2.在轨故障管理

对于民用对地观测卫星的在轨故障管理，美国普遍基于尽可能保障任务顺利进行为的原则。卫星在轨故障包括突然发生的，也有渐进式的。故障发生后，由现场操作者根据预定的规程对异常做出反应，任务运行工程部门通过与操作者接触或通过自动地面系统功能得到实际的或怀疑的卫星故障。如需要，卫星工程支持人员也将及时做出反应。远程访问系统使工程师通过场外获得并分析卫星遥测数据的方法，提高对异常的反应能力。如，地球静止轨道环境业务卫星-13（GOES-13）卫星于2013年5月22日在轨出现故障，星上两台主要设备中断服务，卫星被迫进入安全模式。故障发生后，一方面，作为临时的应急措施，美国国家海洋和大气管理局立即对地球静止轨道环境业务卫星-15（GOES-15）卫星下达重新配置指令，使其可以覆盖美国东部，保证气象数据获取的连续性，后于5月23日启用地球静止轨道环境业务卫星-14（GOES-14）在轨备份星，以维持美国东海岸数据覆盖的连续性。另一方面，美国国家海洋和大气管理局与卫星制造商波音公司、有效载荷研制单位——美国国际电话电报公司（ITT）的工程师组成故障分析团队，一起分析GOES-13卫星的工程数据，寻找问题的原因，并确定解决方案，全力开展挽救工作。经过试验分析得出故障原因为，卫星太阳翼因受到微型陨石撞击，卫星失去姿态平衡控制，导致星上主要设备自动关机。GOES-13卫星于6月10日恢复正常运行，继续获取美国东海岸数据。

3.数据接收与分发管理

美国具有覆盖全球的卫星系统和遍布全世界的接收与分发地面站，这使美国具有快速获得全球对地观测卫星信息资料的能力。为实现全球数据接收和处理，美国目前在轨运行的地面接收站已达21个。全球陆地仅剩南极洲、中亚、西伯利亚等少数空白区。各国的接收站每接收一幅图，都要在当天发送至地球资源观测系统数据中心。

美国的地面接收站网主要由美国国家航空航天局负责建设和运营，目前美国国家航空航天局运行的地面站有12个。这些地面站的管理和运作模式灵活多样，分为四种形式：美国国家航空航天局与私营公司合作经营、美国国家航空航天局与大学联合开发研究、由政府其他部门投资共同建设运作以及美国国家航空航天局自行组建运作。目前，美国国家航空航天局地面接收站网主要由6个美国国家航空航天局自有地面站和7个商业合作站构成。

4.应用服务管理

民用对地观测卫星应用服务鼓励共享和获取公开，主要体现在对地观测卫星数据政策内容里。民用对地观测卫星数据政策是建立数据获取、定价政策、分发渠道以及与数据相关知识产权的规章。

美国国家航空航天局地球科学数据政策中规定，美国国家航空航天局所有的地球科学任务、项目、专项基金和合作协议都应当包含数据管理计划，以有效管理数据。此外，美国国家航空航天局重视跨部门协作，与现有合作伙伴和更多联邦部门合作，提高美国国家航空航天局地球科学项目的效率，降低成本。这种跨机构合作包括：共享来自卫星和其他资源的数据、共享真实性检验与定标数据等。

美国国家海洋和大气管理局成立了卫星产品与运行办公室（OSPO）负责管理中央地面设施的运行，包括获取、处理和分发环境卫星数据与衍生产品，下属国家环境卫星数据和信息服务中心（NESDIS）负责管理规模庞大的气象卫星数据，并利用这些数据开展气象学、气候学和海洋环境应用研究。美国国家海洋和大气管理局环境卫星数据和产品获取与分发政策中明确了美国国家海洋和大气管理局环境卫星数据申请格式和相关流程，并针对不同的用户设置了不同的数据获取权限。在最终数据获取审查委员会批准申请后，美国国家海洋和大气管理局和申请方之间将签署一份互连安全协议（ISA），对系统互连进行定义，以便于获取数据和信息资源。

美国地质调查局拥有“陆地卫星”数据的所有权，及时可靠地向民用、国家安全、商业和国外用户交付数据产品。“陆地卫星”数据获取后，传送到地球资源观测系统数据中心完成处理、分发和存档，确保对地观测数据能够及时地、可靠地提供给民用用户、国家安全部门、商业用户和外国用户，以及国家土地对地观测数据存档中心。2009年1月，美国地质调查局已将所有陆地卫星数据，包括存档数据一律免费提供，由美国环境系统研究所（ESRI）向全球免费发布存档的“陆地卫星”数据。陆地卫星-8卫星通过美国地质调查局地球资源观测系统数据中心向美国地质调查局国家卫星陆地对地观测数据档案中心（NSLRSDA）提供卫星数据产品至少5年以上。

三、美国商业对地观测卫星在轨运行与应用服务管理

1.在轨运行管理

美国的商用对地观测卫星一般由各自的商业对地观测卫星公司负责运行管理，当前主要商业对地观测卫星公司即数字地球公司（DigitalGlobe）（注：2017年2月，数字地球公司被麦克唐纳-德特威勒联合公司收购）已建立完整的接收、处理和分发的集成网络，向全球用户分发高质量的图像产品。

2.数据接收与分发管理

数字地球公司建立了接收、处理和分布的集成网络，向全世界的用户提供高质量的图像产品。数字地球公司地面部分的合作者包括IBM公司、加拿大麦克唐纳-德特威勒联合公司（MDA）。麦克唐纳-德特威勒联合公司负责地面部分设施的升级。接收天线有4个，位于达拉斯和阿拉斯加巴罗的接收天线属于数字地球公司，位于挪威特罗姆瑟市和南极洲的天线向康斯伯格卫星服务（Kongsberg Satellite Services）租借使用。任务的运行由达拉斯运行中心完成。

此外，特拉贝拉（Terra Bella）公司（原天空盒子成像公司）、行星公司（Planet）（原名行星实验室公司）（注：2017年2月，行星公司被特拉贝拉公司收购）等新兴商业对地观测公司均在数据分发方面不断创新，通过兼并相关公司不断扩大自身业务，拥有更多卫星资源和广泛的数据分发网络，同时，以大数据、云计算等IT前沿技术为驱动，力图在移动互联时代实现卫星对地观测应用的实时响应和定制化服务，提供基于云平台的数据访问服务，颠覆传统的由代理商负责数据销售的理念。

表2 美国数字地球公司现役卫星的运行管理单位列表

3.应用服务管理

美国商业对地观测卫星数据通过各自的销售网络给用户提供图像数据，用户主要是美国政府部门，也包括一些国外政府部门，但必须在美国对地观测政策的框架内运作。美国在保证国家信息安全利益的前提下，对于国有数据和原始数据的公开共享政策定位为“完全与开放”，遵循三个原则，即：无偿、无限制和无歧视。美国作为技术领先国家，图像分辨率开放界限最大，达到0.25m。

根据《信息公开法》和《联邦地理空间数据共享政策》的有关规定，美国允许开放使用地理空间数据。然而，为维护国家安全利益，对获取和使用高分辨率对地观测图像数据，用户必须申请并获得相应的权限许可。美国主要通过对管理机制和用户分类，以及敏感目标信息的确定和安全措施（遵循2005年美国联邦地理数据委员会（FGDC）发布的《美国有关安全访问地理空间数据的指导方针》）两种方式来管理商业对地观测数据分发，以限制敏感对地观测数据，同时在规定的分辨率范围内推动数据和应用服务市场化。

[1]Lynnes, Christophe;Walter, Jef. Taming Big Data Variety in the Earth Observing System Data and Information System. 2015.

[2]Moses, Joh. Architectures Toward Reusable Science Data Systems. 2015.

[3]Yonsook Enloe;Richard E. Ullman. NASA’s Earth Science Data Systems Standards Process experiences. July 2007. Geoscience and Remote Sensing Symposium, 2007. IGARSS 2007. IEEE International.

[4]http://space.skyrocket.de/doc_chr/lau2016.htm.