2017年 国外军用对地观测卫星发展综述

刘韬 徐冰 （北京空间科技信息研究所）

2017年，国外军用对地观测卫星发展呈现了新的发展态势。美国陆军发射第一颗自己运管的光学成像侦察卫星，为美国成像侦察卫星应用模式的新发展埋下了伏笔。同时，欧洲各国加速发展本国的侦察卫星。越来越多的新兴航天国家采用整星采购方式，发展本国的军用对地观测卫星。除了重视天基系统的发展外，国外越来越重视对地观测卫星应用技术的发展，人工智能技术正在引领成像侦察卫星应用的变革，使传统人工图像判读解译目标向目标自动发现和识别发展，大幅度提升了效率。

2017年，国外共有6个国家发射了11颗军用对地观测卫星，这些国家分别是美国、俄罗斯、意大利、印度、日本和摩洛哥，其中美国发射数量最多，达到4颗。从卫星类型来看，光学成像侦察卫星仍然最多，为5颗，电子侦察卫星4颗，雷达成像侦察卫星1颗，大地测量卫星1颗。

2017年国外军用对地观测卫星发射活动概览

1 2017年发展现状

美国

整体来看，在侦察监视卫星方面，美国仍以补网加强国家侦察局（NRO）发展的现有卫星型号为主，并持续研发新一代系统。同时在“快响”理念带动下，军兵种尝试发展成像侦察卫星，增强应对战术作战的能力。2017年，陆军已发射首颗光学成像侦察卫星验证星。在技术发展上，高度重视新型高分辨率光学成像技术和小型雷达侦察卫星技术的攻关，同时高度重视人工智能在成像侦察卫星应用方面的技术发展。

（1）受“快响”理念带动，美国陆军探索发展战术型光学成像侦察卫星取得初步成果

美军传统光学成像侦察卫星系统能力先进，技术领先其他国家一代，但这些系统主要支持战略应用，对战术应用的支撑非常有限。陆军空间与导弹防御司令部（SMDC）围绕战术应用、低成本、短周期、高响应的航天装备发展思路，启动了“鹰眼”项目。

美国于2017年8月14日利用猎鹰-9（Falcon-9）运载火箭将鹰眼-2M光学成像侦察小卫星成功发射至“国际空间站”，10月24日，该卫星通过释放方式成功部署。鹰眼-2M卫星由陆军运管，陆军拥有成像侦察卫星的愿景经过10余年的发展，终于初步实现。该卫星是质量50kg的小卫星，运行在500km高轨道上，单景图像面积4km×6km，地面分辨率1.5m。未来，美军将在5个低轨轨道面部署约40颗具有类似作战能力的“鹰眼”小卫星，每个轨道面布署8颗卫星，每颗卫星成本约130万美元，运行寿命约为1年。

利用“鹰眼”卫星，美军将通过数据中继网络直接向作战部队提供卫星图像，图像交付周期仅需10min或更短时间。士兵通过手持设备可以对卫星进行任务编程。此外，鹰眼-2M卫星已进行过网络攻击脆弱性分析，能够承受一定的网络攻击。该卫星的部署意味着旅级或以下级别的战术指挥官将首次被授予控制卫星成像全流程的权力，包括从卫星任务规划到数据分发。

此次部署的鹰眼-2M卫星属于技术验证星，该任务对于未来陆军是否推进小型光学成像侦察卫星星座部署的决策具有重要影响。

（2）电子侦察卫星补网加强，替换超期服役卫星，确保在轨电子侦察能力的连续性

2 0 1 7年3月1日，美国联合发射联盟公司（U L A）在范登堡空军基地利用宇宙神-5（Atlas-5）火箭成功发射了国家侦察局的2颗“海军海洋监视系统”卫星——NOSS-3-8A和8B。这2颗卫星又称为国家侦察局载荷-79（NROL-79），是美国的信号情报卫星。

鹰眼-2M卫星及其可充气天线示意图

NOSS-3-8A和8B是NOSS第三代的第8对卫星，目前共有5对（共10颗）卫星在轨工作（不包括本次发射的2颗卫星），每对卫星运行在同一轨道面上，并保持编队飞行。根据火箭运载能力推算，NOSS-3-8A和8B卫星的发射质量约为6500kg，设计寿命约8年。NOSS-3卫星双星构型完全相同，带有时差/频差测向定位载荷、低噪声接收机、星上信号处理机等载荷，对海上舰船的定位精度优于2km。NOSS-3-8A和8B卫星入轨至1010km×1200km、倾角63.4°的近圆轨道，近地点幅角接近180°。

2017年9月24日，美国成功发射了军号-后继星-2-2卫星，由国家侦察局运管，技术指标高度保密。该卫星是大椭圆轨道电子侦察卫星，主要用于获取包括俄罗斯、朝鲜和中国北部等高纬度地区的信号情报。

（3）军方重视小型合成孔径雷达卫星及其应用技术发展

洛马公司公布的“蜘蛛”相机模拟成像结果（左为拟成像目标，右为模拟成像结果）

作为五角大楼一个专门负责研发尖端技术以解决国家安全问题的团队，美国国防创新部门实验室（DIUx）在预算缩减的背景下，仍积极发展商业微卫星合成孔径雷达（SAR）技术。2017年10月6日，美国众议院和参议院国防拨款小组委员会否决了五角大楼为DIUx计划提供5000万美元拨款，该拨款原计划用于商业微卫星SAR样机技术研发及深度分析。DIUx当时未发表任何意见，但据推测，五角大楼正在为获得全天候条件下昼夜成像的持续能力寻求其他资金来源。DIUx已经开始向少数几家公司提供资金，用于开发商业SAR和SAR分析工具。

（4）重视小型高分辨率卫星创新成像技术发展

美国洛马公司（LM）于2017年8年曝光了新型高分辨率成像技术—微透镜阵列干涉成像技术的发展情况。该技术可以有效地降低星载相机体积和质量，微透镜阵列生产周期较短，工艺较为成熟，成本较低，易于大规模的部署，是低轨高分辨率卫星小型化的重要发展方向之一，也是高轨卫星实现高分辨率成像的重要技术。从项目发展伊始就得到美国军方资助，并由洛马公司牵头技术攻关，说明美国对其重视程度。

采用该技术的“蜘蛛”（Spider）相机在尺寸、质量和功率（SWaP）上均大幅下降，这可以大幅度降低卫星和火箭发射成本。对比传统的庞大和复杂的光学望远镜，新技术可以使望远镜的质量仅为原来的10%。在成像能力方面，微透镜阵列干涉相机的性能十分可观，对于500nm的波长、300km轨道高度、0.5m基线长度的微透镜阵列干涉成像相机，其空间分辨率可以高达0.3m。

2017年8月的测试模拟了一个天基过顶成像侦察的场景，所使用的成像相机由30组微透镜阵列和相应的光子集成电路组成，每个微透镜的口径小于1mm。模拟成像目标是一个火车站。

从2017年8月曝光的图像看，还存在图像模糊的问题，说明还存在一些需要解决的关键技术。洛马公司预计用5～10年的时间，相关技术才可以发展成熟。

（5）高度重视人工智能在成像侦察领域的发展

随着军用和军商两用成像侦察卫星的快速发展，以及卫星拍摄效率的大幅度提高，侦察卫星图像人工判读的方式已经逐步显露出效率较低的问题。美国五角大楼已把机器学习与人工智能确定为武器与信息系统军事现代化战略的核心要素。在侦察卫星领域，美军重视利用人工智能技术促进侦察卫星图像判读，提升发现目标的效率。美国国家地理空间情报局（NGA）官员呼吁商业公司和学术界研制机器学习工具，来进行自动重复耗时的图像分析任务，这样就可以解放技术娴熟的分析专家，把更多的时间花在计算机无法解决的难题上。美国国家地理空间情报局局长罗伯特·卡迪略（Robert Cardillo）最近表示，他希望75%的重复任务分析可以自动完成，25%的其他任务需要专业人员重点关注，深度学习可以帮助实现。

欧洲

2017年，欧洲成功发射了1颗军用对地观测卫星。整体来看，2017年欧洲军用对地观测卫星的发展道路呈现出新的发展趋势，一是保持在“多国天基成像系统”（MUSIS）框架下，发展军用对地观测卫星；二是各国独立发展侦察卫星的愿望更加强烈。

（1）持续推进MUSlS建设

欧洲作为一个整体，通过MUSIS计划，积极推进欧洲一体化的军用对地观测卫星体系，满足欧洲各国安全防务等领域的应用需求。

MUSIS军用卫星系统主要由法国、意大利和德国分别研制，法国负责光学成像侦察卫星，德国和意大利主要发展雷达成像侦察卫星，并通过多国间的共享协议来换取对方不具备的情报数据。具体来说，光学成像侦察卫星方面，法国持续推进“光学空间段”（CSO）卫星、西班牙持续推进“智慧”（Ingenio）军民两用光学卫星；在雷达成像侦察卫星方面，德国推进新型军用雷达成像侦察卫星（称为SARah卫星），意大利正式签署了第二代“地中海盆地观测小卫星星座”（CSG）军民两用雷达成像侦察卫星的发射合同，西班牙持续推进“帕兹”（Paz）卫星军民两用雷达卫星。CSO、Ingenio光学成像侦察卫星，以及SARah、CSG和Paz雷达成像侦察卫星，都是MUSIS的核心组成部分。

（2）意大利加速建成本国成像侦察卫星体系

2017年，意大利成功构建了由高分辨率光学和雷达成像侦察卫星组成的成像侦察卫星体系。8月2日，意大利发射0.5m分辨率的OptSat-3000光学成像侦察卫星。9月，泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（TAS）与阿里安空间公司（Arianespace）正式签署意大利2颗第二代CSG卫星的发射合同。意大利成像侦察卫星系统发展迅猛，使之成为欧洲第一个同时拥有高分辨率光学和雷达成像侦察卫星的国家。

OptSat-3000卫星质量368kg，卫星直径3.35m，高4.58m。卫星运行在450km高、倾角97.28°的太阳同步轨道。该卫星所载光学成像相机具有全色和多光谱成像能力，全色分辨率为0.5m。

CSG系列是意大利航天局（ASI）与意大利国防部联合发展的军民两用雷达成像卫星星座。2颗二代CSG卫星的发射质量均约为2200kg，将运行在太阳同步圆轨道，搭载X频段SAR有效载荷。卫星在成像模式上延续上代卫星的聚束、条带和扫描模式，但在极化方式上增加了双极化和全极化，分辨率更高，幅宽更大。

第二代“地中海盆地观测小卫星星座”

（3）德国新的情报法案从侧面促进本国侦察卫星的发展

2016年10月，德国议会批准了一项有争议的法案，授予本国情报机构更广泛的权力，包括对欧盟设施进行监视。当时该法律被批评为“违宪”。2017年2月，明镜周刊报道称，自1999年以来，德国情报机构对西方新闻媒体，包括BBC和路透社在内的国际新闻机构都进行了窥探。

2017年11月，德国议会预算委员会又批准为德国联邦情报局（BND）建造3颗侦察卫星，预计将耗资4亿欧元。而2016年，德国情报界仅计划采办1颗侦察卫星。本次卫星采办数量的增加说明德国加速发展本国侦察卫星的愿望更加强烈。目前，空客防务与航天公司（ADS）和德国不莱梅轨道高技术公司（OHB）都提交了为德国联邦情报局命名为“乔治”（George）的新卫星项目的标书。此外，以色列航空航天工业公司（IAI）也提交了申请。德国官方没有明确George卫星是何种类型的侦察卫星，但德国已经发展了军用雷达成像侦察卫星，不太可能重复发展雷达卫星。同时，根据这些公司现有的技术实力，George卫星是电子侦察卫星的可能性极低，因此判断该卫星是光学成像侦察卫星的可能性最大。德国认为，利用商业卫星或者从德国的国际伙伴获得的卫星图像已经不能满足需求。联邦情报局希望利用本国卫星迅速且独立地提供信息，从而能够尽可能独立地对时局做出最及时的评估。

根据分析，德国情报机构监视欧盟被曝光、德国新法案实施和本国侦察卫星发展愿望的进一步增强，都将在一定程度上对泛欧MUSIS计划的实施产生负面影响。

俄罗斯

2017年，俄罗斯成功发射了2颗军用对地观测卫星。从整体来看，近3年来，俄罗斯均保持每年都有军用对地观测卫星发射，加强新卫星系统研发和部署，光学成像侦察、雷达成像侦察和电子侦察卫星均在补网加强。

（1）电子侦察卫星更新换代

俄罗斯国防部长谢尔盖·绍伊古于2017年1月10日向媒体透露，俄罗斯将继续发展由Lotos-S与介子-NKS（Pion-NKS）卫星组成的新一代“蔓藤”（Liana）电子侦察卫星综合系统。

（2）俄罗斯发射一颗军用大地测量卫星

2 0 1 7年6月2 3日，俄罗斯利用联盟-2.1（Soyuz-2.1）运载火箭从普列谢茨克航天发射场成功发射了1颗军用测地卫星，该卫星编号为宇宙-2519，代号水平仪-ZU-1，俄罗斯官方没有公布该卫星的细节。美国军方的跟踪数据显示，该卫星进入高约660km、倾角98°的轨道。据推测，该卫星是俄罗斯新型的测地卫星，用于测量地球精确形状和重力场，这些数据可改进弹道导弹的制导精度。根据火箭运载能力，该卫星质量约为1400kg。

日本

2017年，日本补网现役军用对地观测星座，并重视弹性体系发展。一方面，日本继续推进2015年提出的新型IGS星座。IGS-R5卫星于2017年3月17日成功发射，其分辨率约为1m。另一方面，日本初步开展了空间系统弹性研究，明确了“弹性”的定义，提出了加强“弹性”的原则、分类和应对措施。与之相呼应，日本为了确保作为最重要的军事侦察资产的IGS卫星在发生突发事件无法正常提供服务时，能够拥有替代系统发挥作用，正在开展短期内可发射的小型“快响”卫星系统的验证研究，质量不足100kg，光学分辨率优于1m，研制周期仅为2～3个月，将于2022年开始发射，进行约2年的技术验证试验。

印度

2017年，印度在光学卫星方面取得了进展，成功发射CartoSat-2D和2E，与2016年发射的Cartosat-2C同属二代改进型。CartoSat-2D和2E发射质量均为727.5kg，功率986W，采用高500km、倾角97.5°的近圆太阳同步轨道，星上携带了全色和多光谱相机，全色分辨率0.65m，4通道多光谱分辨率2m，幅宽10km。

其他国家或地区

其他国家中，仅摩洛哥在2017年11月8日成功发射了军用对地观测卫星，即Mohammed-VI-A。主承包商是空客防务与航天公司，卫星以法国“昴宿星”（Pleiades）高分辨率对地观测卫星的改进型号为基础，推测分辨率约为0.7m。

Lotos-S卫星

2 发展趋势

战术型光学成像侦察卫星有望快速发展

在“快响”理论带动下，经过数年的技术积淀以及多域作战军事需求的牵引，战术型光学成像侦察卫星即将进入发展的快车道。美国陆军发射了第一颗自己运营的光学侦察卫星，可以满足战术作战应用，战场人员可以通过移动终端进行指挥控制，图像交付时间大幅度缩短。若该卫星在战绩评估方面进展顺利，美国陆军将大批量发射该型卫星，构建40星星座，实现近持续监视能力。

对地观测加人工智能技术促进军事应用变革

人工智能技术的高速发展使对地观测卫星开始从交付图像向交付产品转变，并且大幅缩短产品交付的时间。2017年，美国国家地理空间情报局呼吁商业公司和学术界研制机器学习工具来进行自动重复耗时的图像分析任务。密苏里大学地理空间情报研究中心利用深度学习神经网络，帮助研究分析人员在中国东南部地区大范围搜索地对空导弹发射场。结果显示，人工智能是传统的人类视觉搜索效率的80多倍。