欧洲“新一代昴宿星”发展与特点分析

李博 赵惠惠 刘韬（ 中国空间技术研究院， 北京空间科技信息研究所）

欧洲新一代商业高分辨率光学成像卫星——“新一代昴宿星”（Pleiades Neo）于2021年4月29日成功发射，首星命名为新一代昴宿星－3。“新一代昴宿星”具有分辨率高、侦测一体、图像采集能力强、卫星高度敏捷和星座高频重访等特点。

1 发展历程

在法国太阳神－2（Helios－2）军用光学成像卫星和军民两用“昴宿星”（Pleiades）部署完毕后，法国国家空间研究中心（CNES）寻求下一代光学成像卫星的研制方案，旨在实现小时级重访和更高的分辨率，并提升卫星持续观测时间以及高响应能力。为了响应CNES的需求，阿斯特留姆公司（Astrium）,也就是现在的空客防务与航天公司（ADS），于2013年前后提出了3个项目，包括：“阿克托斯”（ARCTOS）低轨甚高分辨率（0.2～0.35m分辨率）成像卫星项目、“高时间重访”（HRT）中轨高分辨率光学成像卫星项目和“静止轨道观测空间监视系统”（GO3S）高分辨率成像卫星项目。同期，阿斯特留姆公司还承担了CNES的“高分辨率对地观测光学系统”（OTOS）项目，该项目旨在研制分辨率为0.2～0.35m的法国下一代“光学空间段”（CSO）军用光学成像卫星。

但是，CNES相关项目并未有明确的、实质性的推进。同时，随着旗下在轨上一代“昴宿星”等卫星接近寿命末期，ADS公司计划独资发展下一代“昴宿星”。2016年9月，ADS公司正式宣布建造4颗甚高分辨率光学成像卫星，原计划2020年和2021年发射。卫星虽然由ADS公司独资研制，但其客户将包括法国国防部等军方机构。2017年1月，ADS公司总裁宣布星座名称为VHR2020，并明确分辨率为0.3m。2017年9月，ADS公司修改星座名称为“新一代昴宿星”，同时明确卫星将携带Ka频段接收机，可通过“欧洲数据中继卫星”（EDRS）系统进行快速任务规划，还带有EDRS激光数据终端。

2系统基本情况

全面转为纯商业发展模式

“新一代昴宿星”是欧洲ADS公司独资的纯商业卫星，而上一代“昴宿星”由CNES和法国国防部共同出资。对于上一代“昴宿星”，一般情况下，2颗“昴宿星”每天可获取约1000幅图像，法国国防部具有优先权，每天可获取50幅图像，CNES按照投资比例每天获取约900幅图像，其中40%分发给各民用部门，另外60%交由ADS公司进行商业销售。而对于“新一代昴宿星”，由ADS公司独资建造、管理和运营，星座投资约5.5亿欧元，能在发射后15年内为各行各业的客户提供超高水平的卫星遥感数据服务。

系统设计与性能指标较上一代大幅提升

1）在系统设计方面。“新一代昴宿星”部署在太阳同步轨道，轨道高度620km。星座由4颗相同卫星组成，4颗卫星位于同一轨道面，相邻两颗卫星相位成90°，星座重访每日2次，任务规划时间少于25min。卫星设计寿命10年。

2）在平台方面。“新一代昴宿星”采用ADS公司的“S950光学”平台，发射质量为920kg，卫星功耗1kW。“S950光学”平台呈六面体构型，携带控制力矩陀螺。平台采用两个圆形太阳电池翼；而“昴宿星”的天体卫星－1000（AstroSat－1000）平台呈六面体构型，3个太阳电池翼以120°间隔均匀分布，整星干质量940kg，燃料质量为75kg。

3）在有效载荷方面。相比上一代卫星，“新一代昴宿星”全色分辨率从“昴宿星”的0.7m提高到0.3m，多光谱分辨率从2.8m提供到1.2m，达到美国世界观测－3（WorldView－3）卫星的全色和多光谱分辨率水平。“新一代昴宿星”幅宽14km，图像量化位数12bit，图像定位精度优于5m，相机口径约为1.35m，具有1个全色谱段，6个多光谱谱段（包括深蓝、蓝、绿、红、红边、近红外）。其中，深蓝谱段和红边谱段比较特殊，深蓝谱段具有一定的海水穿透能力，而红边谱段用于植被监测。卫星可侧摆±52°，大区域成像模式能够单轨获取70km×110km的图像，相当于单轨可获取东京或上海城区的图像，单星每日可收集5×105km2的图像。

“S950光学”平台

“昴宿星”效果图

两代“昴宿星”参数对比

与上一代星座相比，“新一代昴宿星”在技术上还有如下特点：

1）引入了数据中继系统。采用静止轨道卫星进行指令和数据中继，紧急模式下从发送指令到接收数据可在40min内完成。用户上传指令可在15～25min内完成，图像获取的时间为20～50min。具体来说，“新一代昴宿星”搭载了Ka频段的指令接收机和激光数据中继终端，用户向静止轨道EDRS卫星发送任务规划指令，经过其中继后发送给“新一代昴宿星”。图像数据也可经过EDRS卫星中继下传，这样可以避免卫星不在地面站覆盖区域时无法接收指令和下传数据的问题，大幅缩短响应时间。

2）轻量化技术水平显著提升。相比上一代“昴宿星”0.65m口径相机，“新一代昴宿星”在采用1.35m大口径相机的同时，整星质量下降到920kg，说明欧洲在卫星轻量化技术方面取得较大成果。

多手段提升系统效率与应用效能

（1）缩短任务规划时间和数据回传时间

“新一代昴宿星”星座正式运行后，将具备极快的反应速度和数据传输速度。空客公司优化了整个星座的任务规划能力。作为一个基本要求，新的任务规划从软件计算到上传卫星的时间能够缩短到25min，这使卫星能够执行紧急任务请求。同时，卫星还能够根据最新的天气预报，将成像任务放在成功率较高的区域。总体来看，与现有“昴宿星”星座相比，该星座规划任务的速度是其6倍。

“新一代昴宿星”具备激光通信终端，数传速率达到1.8Gbit/s，可直接访问欧洲EDRS系统。该数据中继系统原本主要服务于欧盟“哥白尼”（Copernicus）计划中的“哨兵”（Sentinel）系列卫星，“新一代昴宿星”星座将是第一个可直接访问该系统的商业遥感星座。该星座将充分利用该系统，给卫星系统提供极快的反应速度、极低的响应延迟和极大的数据传输，每天高达40TB的数据可以实时传输到地球。上述激光通信终端由德国特萨特空间通信公司（Tesat Spacecom）研制，德国航天局（DLR）和ADS公司提供了相关支持。

（2）ADS公司强大的地面处理系统支持“新一代昴宿星”的使用

用户将利用“新一代昴宿星”星座更强的监测能力和运行效率开展应用。根据空客集团提升数字化程度和连通性的战略部署，公司将增强地面部分的信息访问能力，提供机器学习和自动化分析应用，这些应用具备多重任务和大规模图像处理能力。

在应用方面，客户可直接通过ADS公司的数字平台“一个地图集”（OneAtlas）获取超高分辨率图像，OneAtlas平台是面向用户的协作环境，使用户能够轻松访问不断更新的卫星图像，并执行大规模图像处理；能够根据特定需求，获取定制化的分析结果。此外，OneAtlas是一个多源数据融合处理平台，平台还可融合ADS公司拥有的其他光学和雷达数据，这些数据与“新一代昴宿星”卫星数据进行融合处理，供客户进行分析。基于“新一代昴宿星”卫星的数据和“像素工厂”（Pixel Factory Neo），用户可以快速、可靠地创建城市和偏远地区的三维纹理模型和数字高程模型等产品。此外，ADS公司已于2019年与瑞典航天公司（SSC）建立合作伙伴关系，SSC公司负责提供极地站有关的服务，为“新一代昴宿星”提供遥测服务。

3 分析研判

从全球商业光学成像卫星能力看，欧洲仍处于第二位

“新一代昴宿星”尽管图像定位精度相比上一代提升1倍，优于5m，但是仍然没有达到美国世界观测－3卫星的3.5m图像定位精度水平。其次，尽管增加谱段数量达到7个，但谱段数量与世界观测－3卫星相差10个，并且缺少短波红外谱段。在重访能力方面，相比于美国新型“世界观测军团”（WorldView Legion）卫星系统来说，“新一代昴宿星”四星星座提升重访时间1倍是建立在卫星数量增加1倍的基础上的。“新一代昴宿星”采用的仍然是太阳同步轨道，可见单纯采用太阳同步轨道难以大幅提升重访能力。而美国新型“世界观测军团”六星星座混合使用2星部署在太阳同步轨道和4星部署在中倾角轨道，使星座重访能力提升至每日13次。从轨道设计上，欧洲发展思路相对保守。

“新一代昴宿星”提升分辨能力的途径分析

1）分辨率提升主要依靠大口径反射镜。“昴宿星”采用0.65m口径的反射镜，而“新一代昂宿星”采用约1.35m口径的反射镜。由于相机口径越大，分辨率越高，“新一代昂宿星”分辨率从上一代的0.7m提升至0.3m。此外，轨道高度从694km下降到620km，也起到一定的提升分辨率的作用。

2）应用效果提升，主要依靠多星组网和数据中继。一方面，多星组网提升了任务响应能力；另一方面，通过静止轨道卫星数据和指令的中继，既可提升响应能力，也可缩短图像数据下传时间。“新一代昴宿星”携带激光通信终端，可由EDRS卫星进行数据中继，极大提升对地观测数据交付时效性。

综合提升应用性指标已成为未来遥感卫星的重要发展趋势

在新型商业光学成像卫星发展方面，“新一代昴宿星”将提高重访能力与图像定位精度、缩短任务规划与图像下传时间等指标放在重要位置。欧洲“新一代昴宿星”采用增加系统卫星数量实现高重访，美国“世界观测军团”既增加系统卫星数量,又采用优化轨道实现高重访。上述新卫星系统还将提升卫星图像定位精度作为一项重要内容，旨在提升在制图、自动驾驶等应用领域的竞争力。“新一代昴宿星”也重视缩短任务规划与图像下传时间，旨在提升快速响应和应急事件监测等应用能力。目前，欧洲利用极地地面站和静止轨道激光中继卫星实现这一能力。

4 结束语

“新一代昴宿星”发射后，欧、美主流商业对地观测运营商进入0.3m甚高分辨率时代，意味着国际对地观测市场将展开激烈竞争。同时，欧、美高分辨率商业光学卫星图像定位精度全部优于5m，个别达到3.5m，在制图精度方面占据技术优势。欧、美卫星谱段数量多，应用更加精细化。可见，甚高分辨率、高图像定位精度、多谱段已成为未来高端商业对地观测卫星的发展方向。