国外高分辨率对地成像观测系统现状与发展趋势*

周拥军，羌 丽, 李元祥

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院·上海·200240；2.上海航天信息研究所·上海·201109；3.上海交通大学 航空航天学院·上海·200240)

0 引 言

随着航天和航空遥感技术的飞速发展，对地观测卫星的空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率等不断提高。高分辨率对地观测技术具有重大的军事与经济效益。在国防领域，高分辨率遥感卫星是各国进行全球监视、侦察和测绘的基本设施，被广泛应用于情报搜集、国防监视、精确测图和战场目标导引等多个领域[1]。在民用领域，高分辨率对地观测系统在国土普查、防灾减灾、环境监测等领域中具有重要的作用。高分辨率对地观测系统的建设具有技术含量高、投入大、周期长、对相关行业的拉动作用大等特点，而高分辨率遥感数据已成为国家的基础性、战略性资源，也是全球各国科技竞争的主要领域[2]。

广义的高分辨率包括了高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率，而狭义的高分辨率主要指高空间分辨率。随着高分辨率对地观测技术的发展，高分辨率指标也在不断提高。目前，空间分辨率已达到亚米级，光谱分辨率已达到纳米级，时间分辨率具备了实时或准实时观测能力[3]。高分辨率遥感卫星具有分辨率高、定位精度准、技术难度大等特点，可广泛应用于国民经济、社会发展以及国家安全等诸多领域。

21世纪以来，伴随着人工智能、大数据、通信链路等技术的快速发展，世界大国都规划或建设了新一代的对地观测系统。同时，我国的高分辨率对地观测系统重大专项将于今年建设完成。本文通过文献研究和情报分析的方式，分析了国外高分辨率对地观测系统的现状和发展趋势，为新一代对地观测系统的规划、建设和科技攻关提供了信息支撑。

1 国外对地观测系统现状

1.1 对地观测系统的组成

对地观测系统通过数据获取、数据传输、地面站接收、数据处理等流程，最终得到面向应用的信息产品。高分辨率对地观测系统通常由遥感平台、有效载荷、通信链路、地面系统四个子系统组成，上述系统紧密耦合、相互作用，对系统效能产生直接影响[1]。图1为对地观测系统的组成架构示意图。

图1 对地观测系统的组成架构示意图

遥感平台：包括卫星平台、平流层平台和航空平台。其中，平台高度、承载能力、姿态稳定性、轨道保持能力、微振动抑制能力、机动能力、温度控制能力等直接影响系统的性能。

有效载荷：载荷是指安装在平台上对地面进行观测的感知设备。目前的对地观测模式主要以成像观测为主，所采用的载荷类型主要包括光学、雷达、多光谱/高光谱等。载荷的性能直接关系到对地观测的分辨率，以及成像质量。

通信链路：主要指遥感卫星接收到的数据传递到地面接收站或用户的能力，衡量通信链路性能的技术指标包括通信模式、传输带宽、通信协议、传输延迟、误码率等技术指标。

地面系统：由数据接收系统、地面处理系统和应用系统组成。地面系统的效能主要可用响应时间、目标解译和识别能力、定位精度、任务的执行能力等技术指标进行评价。

1.2 国外的高分辨率对地成像观测系统

目前，美国、法国、俄罗斯、日本、欧空局等国家和机构都建设和规划了高分辨率对地观测系统。高分辨率对地系统的建设和规划分为两大类，一类是原有规划的实施、更新或升级，主要通过提升平台和载荷的性能升级和完善原有的系统；另一类是规划新一代的对地观测系统，即利用小卫星、人工智能等新技术，通过建设智能化的平台、载荷和地面系统，提升系统的整体效能。

在国外有代表性的高分辨率对地成像观测系统中，光学卫星系列包括美国的WorldView、SBIRS系列,法国的SPOT系列等；雷达卫星系列包括加拿大的 RadarSat系列、德国的Terra X-SAR 系列等。美国仍然是高分辨率对地观测领域在轨卫星最多、技术最为领先的国家，在军用、民用、商用领域均保持着优势[4]。全球空间分辨率最高的商用对地观测系统为美国Digital Globe公司发射的WorldView系列卫星，该系列卫星可提供全球高分辨率光学影像。自2007年以来，WorldView系列卫星已成功发射了4颗，最新的WorldView-4卫星的最高空间分辨率达到了0.3m。图2所示为分辨率最高的在轨军用与商用光学载荷。

(a)KH-12光学卫星

在军事侦察系统领域，美国“未来影像构图”(Future Imagery Architecture，FIA)卫星旨在为美国国家侦查局设计新一代的光学和雷达成像侦察卫星，用以替代现有的军用卫星侦查系统[4]。目前，分辨率最高的军用对地观测卫星为美国的“锁眼”卫星。其中，KH-12卫星的空间分辨率达到了0.1m，新一代的锁眼卫星有望达到0.05m。取代“长曲棍球”卫星(如图3所示)的FIA雷达卫星，采用了逆行轨道，轨道高度达到了1000km。同时，FIA雷达卫星提高了雷达功率，其对地观测性能得到了大幅度的提升，最新的FIA雷达卫星的空间分辨率已达到了0.15m。法国的Helios系列卫星系统除具备可见光谱段的高分辨率观测能力外，还具备红外夜视能力。Helios-2B卫星的光学影像分辨率达到了0.25m。德国军用雷达成像卫星SAR-Lupe(合成孔径雷达-放大镜)作为德国军方的战略侦察资源TerraSAR-X(X频段陆地雷达卫星)的新一代替代卫星，空间分辨率优于1.0m。

图3 “长曲棍球”雷达成像卫星

“黑杰克”(Blackjack)是美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agen-cy，DARPA)于 2018 年启动的低轨星座项目，如图4所示。该计划旨在探索具有较低尺寸、质量、功耗及成本的军事通信与监视卫星，在提高卫星对地观测分辨率和通信能力的同时，降低卫星的研制和发射成本、缩短建设周期，提升卫星的全球监视能力[5]。根据该计划，DARPA通过与商用公司合作，在500km～1300km的轨道高度范围内建设约60～200 颗规模的微卫星星座，实现全球连续覆盖。系统采用了智能化的自主控制思路，具备在无地面控制指令的情况下自主运行30天的能力。DARPA计划将系统分为商业卫星平台、有效载荷、星座级自主能力、节点集成及发射和运行维护五大部分。根据最新报道，DARPA已完成卫星平台、有效载荷和星上自主处理单元 (Pit Boss)的技术论证及合作单位招标工作，预计于2022年完成20颗卫星的布设和测试工作。

图4 “黑杰克”星座概念图

“星链”(Starlink)计划是美国太空探索技术公司(Space X)于2015年年初提出的、由约上万颗相互链接的小卫星和若干地面基站组成的覆盖全球的太空通信系统，旨在为全球用户提供廉价、快速的宽带互联，以及高分辨率对地观测服务[6]。图5所示为“星链”星座概念图。“星链”(Starlink)计划计划在2019年至2024年间，在太空搭建由1.2万颗卫星(后来增加至4.2万颗)组成的“星链”网络。卫星在地球上空300km～550km处的近地轨道，从2020年开始工作。

图5 “星链”星座概念图

在高光谱全球对地观测方面，世界地球观测组织“未来十年(2016～2025)战略规划”[7](该计划包括了战略框架和实施计划两部分)，明确了对地观测系统重点聚焦于可持续发展、气候变化和防灾减灾等三大优先发展事项。各成员国共建了全球综合地球观测系统(Global Earth Observation System of Systems，GEOSS)，该组织为生物多样性和生态系统管理、防灾减灾、能源和矿产资源管理、粮食安全、基础设施和交通系统管理、公共卫生监测、城镇可持续发展、水资源管理等八个社会受益领域提供实时信息服务，为决策提供关键数据、信息及知识。

2 高分辨率对地观测卫星平台的发展趋势

卫星平台作为高分辨率对地观测最重要的平台，近年来取得了快速发展，许多国家和商业公司制定了庞大的遥感卫星发射计划。传统的卫星遥感平台以近地轨道为主，大多采用了面向行业应用的独立观测平台和载荷的工作模式。未来的遥感平台呈现出以下发展趋势：

(1)高轨道卫星平台

目前，对地观测卫星轨道的高度大多为300km～800km，提高卫星的轨道高度，可提高影像的幅宽和时间分辨率。但受成像载荷技术和卫星姿态控制能力的限制，高轨卫星难以获得高空间分辨率的探测图像。随着成像技术的发展，利用高轨卫星也可以实现高分辨率对地成像观测。许多国家已经规划和建设了轨道高度大于1000km的对地成像观测卫星，特别是对静止轨道优于5m分辨率的对地观测系统进行了前期研究和论证[8]。

美国和俄罗斯已经有了高度在1500km以上的卫星遥感平台。美国的IKONOS-2卫星在1850km轨道高度上能够获取分辨率为lm的图像。法国也在论证轨道高度为3000km左右的卫星遥感器系统。美国麻省理工学院空间系统实验室开展了基于Golay-3 布局的自适应侦察光学卫星(Adaptive Reconnaissance Golay-3 Optical Satellite, ARGOS)项目的研究。波音公司开展了基于 Golay-6 布局的静止轨道对地光学遥感器项目的研究。欧洲阿斯特留姆公司开展了面向地球静止轨道(Geosta-tionary Orbit, GEO)高分卫星Geo-Oculus、HRGeo系统的研究和试验。美国天基红外系统(Space-Based Infrared System, SBIRS)卫星规划了由4颗地球同步轨道卫星和2个大椭圆轨道探测载荷组成的下一代导弹预警卫星。

(2)卫星的轻型化和小型化

传统遥感卫星的质量通常大于1000kg，体积大，研制周期长，发射成本高。为确保分辨率和成像质量，空间分辨率优于1m的光学遥感卫星大多体积较大。例如，WorldView-4卫星的高度为3.6m、宽度为2.5m，太阳能电池帆板展开后的长度为7.1m、质量为2500kg。近年来，随着微电子、微机械和新材料等技术的不断发展，小卫星进入了实用化、业务化、规模化的发展阶段。微小卫星成本低、研制周期短、可及时发射，并且可由多颗航天器组成星座或进行编队，可完成对重点目标的及时准确跟踪监测[9]。

2018年，全球共发射了461个航天器，质量在500kg 以下的小卫星为321颗，占年度发射卫星总数的69.6%。其中，123颗卫星为对地观测卫星[10]。例如，DOVE卫星的体积为10cm×10cm×30cm，质量约为5kg。可以预见，基于小卫星平台的对地观测系统将成为未来对地观测系统的重要组成部分。美国可能用于空间目标监视的微小卫星项目包括了“近场自主评估防御钠星计划”、“空间试验卫星计划”和“小型轨道碎片探测、捕获与跟踪”计划等。正在建设的新一代对地观测计划，如DAPAR的“黑杰克计划”、Space X的“星链计划”，均以微小卫星平台为主。

(3)卫星与载荷的一体化

在传统的对地观测模式中，平台与载荷相对独立，仅在构型上基于接口而开展设计。在发射段抵抗恶劣的力学环境，以及在轨时抗振颤和辐照时，卫星的机动和载荷成像性能等各方面的耦合程度不足，这些因素影响了系统的性能和寿命，更使系统难以满足用户对高性能的需求。广义的平台载荷一体化设计是为提升系统的分辨率、成像质量、定位精度等整体性能在技术体制和工作模式上的一体化。狭义上的平台载荷一体化设计是指平台与载荷在光、机、电、热等方面的多层次和多维度的综合设计，包括卫星与载荷的结构功能一体化、一体化构型布局、一体化振动抑制、一体化热设计、一体化时空基准、一体化光机电热集成等[11]。随着整星和载荷规模的增大，通过更加精细化、集约化的平台与载荷一体化设计和研制，可从光机结构超稳定、主被动减振、高精度定位、在轨图像校正等方面，全面提升系统的性能。

传统的平台和载荷的一体化有以WorldView 系列卫星为代表的基于接口的一体化设计，以GeoEye 系列卫星为代表的基于模型协同一体化的设计，以哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope, HST)和詹姆斯·韦伯空间望远镜(James Webb Space Telescope, JWST)为代表的功能性能一体化设计等三种模式。针对微卫星和轻小型载荷，卫星和载荷的一体化、标准化和模块化设计，可降低系统的总质量，并提升系统的应用效能。DAPAR的“黑杰克”演示项目计划将多个卫星层和有效载荷的一体化整合为统一的数据采集和分发体系，以实现系统应用效能的提升。针对地球静止轨道卫星平台和载荷，通过载荷和平台一体化设计，可提高系统的稳定性、成像质量和定位精度，并延长系统的寿命。

(4)高敏捷卫星

高敏捷性可使卫星的观测范围增大、重访时间缩短，并且可实现单轨立体成像或干涉成像。将高敏捷性结合高速成像器件，还可大幅度提高卫星的图像采集量。天基对地侦察、防灾减灾等需求，对卫星的敏捷性提出了更高的要求。国外新一代对地观测卫星系统在卫星设计方面，要求卫星具备大角度快速姿态机动能力，以实现敏捷观测。卫星敏捷机动能力通常用机动范围、机动角度、机动时间和姿态稳定度等指标进行描述。高敏捷卫星姿态机动方向的任意性和机动的高速性，对卫星的姿态测量和控制部件均提出了很高的要求。因此，卫星不仅需要大的力矩执行机构、大的角动量吸收和控制能力，相应的姿态测量部件还应具有更高的精度、更高的动态范围，以及更高的更新频率。

国外先进的高分辨率遥感卫星，如World-View 系列卫星，均采用了敏捷成像体制。敏捷成像体制不仅可以实现大角度侧摆/俯仰成像，提高时间分辨率，还可以实现多条带拼接成像、多点目标成像、立体测绘等多种成像模式，提高了成像的灵活性和观测效能。国外的侦察卫星和防灾减灾卫星，大多采用了敏捷型高分辨率侦测一体式卫星。

(5)软件定义卫星

软件定义卫星技术是新一代开放架构的卫星系统，支持用户需求可定义、有效载荷动态重组、应用软件动态重配、卫星功能动态重构，利用软件定义技术提升了卫星的性能。该技术以计算为中心，以软件为手段，通过软件定义无线电、软件定义载荷、软件定义数据处理机、软件定义网络等手段，将由分系统实现的通信、载荷等功能以软件方式进行了实现。将软件与卫星技术相结合，可有效提高卫星产品的软件密集度，逐步增强卫星的功能和性能。通过通用产品的提前研制，可极大地缩短研发周期，降低研制成本，是发展智能卫星的前提和基础[12]。软件定义卫星的关键技术包括了天基超算平台、星载操作环境、软件化有效载荷、应用软件等多个方面，涉及多个学科和多个专业。

软件定义卫星的研究目前处于起步阶段，如洛马公司正在研制“智能卫星”软件定义卫星，通过软件的在轨更新改变或增加卫星的功能，不仅带宽可调、波束可变，还可自主监测和防御网络威胁。目前，“智能卫星”已发射了两颗测试卫星。

(6)卫星的集群化

随着卫星星座和编队飞行等技术的发展，集群化的卫星星座已成为了目前卫星行业的研究重点和发展趋势。特别是依靠微小卫星构建的星群将成为地球观测和物联网服务的主要手段。小卫星星群以其成本低、周期短、机动性高、组网强、技术新等优势，最大程度地提升了全球系统组网运营能力。卫星星群已不再以单一功能为主，而是侧重于“传感器+数据传输+导航控制”综合功能网络，从而实现自适应、自组织、智能化的星间“通信—导航—遥感”一体化网络，并可以动态调整卫星数量和编队构型。星群常用的配置形式包括星座、星群和编队飞行等。通过组网协同工作，或由多颗卫星共同完成同一任务，或携带不同载荷从而扩展星群的业务能力，提升了系统的应用能力。

“SkySat计划”是谷歌子公司Terra Bella发射的一系列小型卫星，用于为谷歌地图采集高分辨率的全球影像。自2013年成功发射分辨率为0.9m的 SkySat-1卫星(图6)以来，“SkySat计划”已成功发射了该系列的10余颗卫星。美国卫星成像初创公司Planet Labs研制的遥感卫星群是全球最大规模的地球影像卫星星座群。自2014年由28颗鸽子卫星组成的Flock-1卫星(图7)星座发射以来，合计发射升空的卫星已超过了100颗，可以实现全球范围内每天一次的重复观测频率。DAPAR的“黑杰克计划”通过建设60～200颗规模的微卫星群，实现了全球连续覆盖。

图6 SKYSAT-1视频卫星及星座

图7 FLOCK-1卫星

3 有效载荷发展趋势

高分辨率对地成像观测系统的有效载荷是指主动发射或被动接收各种谱段的电磁波信号，并将接收的信号转换为标准化的数字图像，以提供给用户。对地成像观测的波谱范围包括可见光(380nm～780nm)、红外(780nm～0.1mm)和微波(0.1mm～1m)范围。其中，太赫兹(频率为0.1THz～10THz，波长为0.03mm～3mm)范围可视为独立于微波的独立频带[3]。常用的载荷包括光学、雷达、多/高光谱等常见的类型。总体上而言，有效载荷的发展趋势如下：

(1)向更高分辨率的方向发展

为了获取对地面目标的精细化成像能力，以适应军事侦察、对地观测等需要，载荷向高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率的方向发展。研究重点在于提高对地观测的空间分辨率、定位精度、成像质量，针对不同的需求提供高质量的产品。

目前，在轨的民用光学载荷WorldView-4的最高分辨率已达到了0.3m，军用光学卫星“锁眼”卫星KH-12的最高空间分辨率为0.1m，雷达载荷“长曲棍球”Lacrosse-5的空间分辨率为0.3m，卫星在空间分辨率上已能满足大多数的应用需求。未来研究的方向是：面向地球静止轨道实现亚米级的空间分辨率，对测绘卫星提高定位精度，对低轨高分辨率载荷提高时间分辨率和覆盖宽度，在提高光谱分辨率的同时兼顾空间和时间分辨率。

(2)载荷的轻量化、小型化、智能化

传统的卫星载荷体积大、周期长、发射成本高。近年来，新材料、微纳米、微电子机械、高密度能源及空间微推进技术的迅速发展，使得低成本的微纳卫星已成为了一种新型的遥感平台。微纳卫星同时推动载荷向集成化、小型化、模块化和多功能化方向发展，以减小质量、降低成本、节省燃料、延长整星寿命。同时，随着人工智能技术和在轨处理技术的发展，利用智能化技术提升载荷的应用效能是载荷发展的趋势。

新研制的载荷大多采用微封装和微组装技术，通过封装存储、计算单元、电路等设备，降低芯片、模块的体积和功耗，提高系统的质量、集成度和可靠性。新规划的微纳卫星和卫星集群，大多采用了载荷的轻量化、小型化、智能化技术。

(3)载荷的一体化和集成化

传统的遥感载荷采用了单星单载荷或单星多载荷独立工作的模式，降低了对地观测系统的效能，同时也增加了系统的研制成本。在同一卫星平台下，光学、雷达、多光谱载荷的集成化和一体化，对于提高系统效能而言有着重要的作用。面向特定任务，研究多载荷一体化、集成化，是载荷发展的趋势。

美国的SBIRS卫星都装有一台高速宽视场扫描型短波红外捕获探测器(在热助推段观测明亮的导弹尾焰)和一台窄视场凝视多谱段(中波、中长波和长波红外及可见光)跟踪探测器，通过不同载荷的高度集成化提升对地观测性能。

(4)载荷的标准化和模块化

以应用需求为导向，研究遥感卫星载荷空间分辨率标准化的可行性，在载荷通用化、标准化、系列化的发展趋势下，以满足国家安全、国民经济发展、科学技术进步和国际合作的需求，完善国家对地观测系统，提升多维和全方位的空间信息获取能力，加快航天遥感从应用试验型向业务服务型的转变，并通过载荷系统标准化和模块化的设计，实现载荷的高效灵活和快速的技术更新。

“黑杰克计划”、“DOVE计划”等以小卫星平台为主的系统，采用了商用现货零部件研制模式。通过载荷的标准化和模块化，提高了载荷的研制速度和使用效率，并同时降低了研制成本。

除了上述共性的研究和发展趋势，对于不同类型的高分辨率对地成像观测载荷，重点的研究领域还包括：

光学载荷仍然是对地成像观测最主要的载荷，目前研究的重点仍然是提高载荷的空间分辨率、成像的质量和定位的精度，以及光学与红外、多光谱等载荷的一体化。而提高空间分辨率和成像质量，则需要增加成像透镜的成像焦距和孔径。研究的前沿技术还包括了空间分块可展开技术、薄膜衍射成像技术、光学合成孔径成像技术、大口径单体反射镜技术、在轨装配成像技术等[13]。

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)载荷具备全天候、全天时的成像能力，以及良好的穿透能力，是实现军事侦察、自然资源普查、自然灾害监测等应用的重要技术手段。目前研究的前沿技术包括：多频、多极化、多角度SAR、干涉SAR、高分辨率宽测绘带SAR、激光SAR、层析SAR等[14]。

多/高光谱载荷的研究趋势主要表现为探测波段不断拓展，幅宽不断扩大，分辨率不断提高，面向任务研发同时具有空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率和成像幅宽的新型高光谱载荷[15]。研究新型能滤光、分光器件，以及新型的对地观测模式[16]。

太赫兹频谱区域聚集了丰富的频谱特征。作为一种新型的对地观测载荷，其理论机理研究日益完善，在气象遥感、深空探测、天文探测和频谱分析等方面有着广泛的应用前景，引起了国内外研究机构越来越多的关注。

4 结 论

随着微纳卫星、高性能载荷、人工智能等关键技术的快速发展和应用，对地观测系统的建设和研发进入了新阶段。在对地观测系统的规划和建设方面，已规划的观测系统仍需持续更新和优化。以智能小卫星集群为特点的新一代对地观测系统，已成为许多国家和企业的规划和建设重点。在卫星平台方面，相关研究主要集中于微纳卫星、软件定义卫星、小卫星群组等。在有效载荷方面，提高载荷的时间分辨率、空间分辨率、光谱分辨率仍是研究重点。同时，载荷的一体化、智能化、轻小型化，已成为了新的研究热点。随着高分对地观测系统建设的完成，我国对地观测系统的规划和建设已进入了新的阶段，把握高分辨率对地观测系统及其相关技术的发展现状和趋势，借鉴国外对地观测领域的最新成果，科学规划未来的科技攻关和系统建设任务，对于提高我国在对地观测领域的技术水平和竞争力而言，有着重要的价值。