高分辨率对地观测体系建设回顾与展望

2022-11-15白鹤峰黄石生乔凯赵斐于春锐张永贺高鹏

航天器工程 2022年5期

白鹤峰黄石生乔凯赵斐于春锐张永贺高鹏

(北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094)

高分辨率对地观测系统重大专项(以下简称高分专项)是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中确定的16个重大专项之一。高分专项重点是发展基于卫星、飞机、平流层飞艇、地面系统组成的高分辨率先进观测体系，并结合其它中低分辨率观测手段，形成“天地一体、时空协调”的高分辨率数据获取及应用服务保障能力[1-2]。

高分专项肩负着填补领域空白、打破技术封锁、引领未来发展的重任和使命！高分专项实施方案论证提出了2020年前的工程目标、科技目标和应用目标，全面指导专项的建设实施。

本文主要回顾了高分辨率对地观测体系建设进展情况，综述了天基、临近空间、航空、地面等系统的建设成果，并针对经济社会发展、国家安全的新形势，以及对地观测体系应用样式发生的重大转变，提出高分辨率对地观测体系应用需进一步提升高冗余组网、高容量观测、高连续跟踪、高时效认知、高深远支持等“五高”能力，体系建设应更加突出发展高性能卫星、部署高密度星座、拓展高远全视野、构建全球精准观测应用基础环境、提升临近空间系统应用能力。

1 高分辨率对地观测体系

1.1 体系组成

高分辨率对地观测体系主要由天基、临近空间、航空、地面和软环境等五大系统组成，见图1。系统以天基为核心，填补临近空间领域空白，发挥航空已有优势，地面协调配套发展，实现全球和周边重点地区的高分辨率观测。其中，天基系统主要实现全球长期稳定观测，临近空间系统主要实现国内国境实时连续观测，航空系统主要实现国内区域快速精细观测，地面系统主要实现一体化管控接收、专业化数据处理、栅格化分发共享、精细化应用服务，软环境系统主要提供政策法规、标准规范、知识产权、科技情报、国际合作、应用推广等配套保障。

图1 高分辨率对地观测体系组成

在高分辨率对地观测体系设计建设中，天基系统主要实现空间维的大尺度观测，临近空间系统主要实现时间维的连续观测，航空系统主要丰富观测手段，拓展信息维的获取能力。地面系统是高分专项的出发点和落脚点，是高分辨率对地观测体系联合运用的核心，既可提供大回路、全体系的应用能力，也可提供数据、算法支持，用户利用机动、便携、手持等应用终端，小回路边缘就近快速提报需求，开展信息应用。

1.2 专项特点

高分专项的实施，通过自主创新、技术跨越，重点推进了三大创新，实现了四大引领。

1)三大创新

首先是体系创新，首次建立由天基、临空、航空系统观测层以及应用系统构成，涵盖大气、陆地、海洋的高分对地观测体系，尤其是建立天空地一体化的多尺度数据源获取体系，对于实现我国高分对地观测体系完整性、前瞻性具有重要战略意义。

其次是技术创新，攻关研制天基先进的对地观测平台与载荷技术；填补国内平流层飞艇技术空白；掌握具有自主知识产权的航空先进对地观测载荷技术；突破先进的数据接收、处理、共享、应用服务技术。

最后是机制创新，创新建立数据和信息共享机制，制定配套政策法规，为不同用户之间实现数据共享提供保证；创新建立直接面向用户终端、支持多任务、多样化应急行动的应用服务机制，提高应用能力水平。

2)四大引领

(1)引领体系建设，首次构建了天基、临空、航空三位一体、有机衔接、高度集成的国家对地观测体系，用技术发展带动机制创新，引领我国对地观测体系的建设和发展。

(2)引领科技进步，瞄准制约高分观测技术瓶颈，重点安排了在对地观测领域具有引领性和标志性的项目研制和技术攻关，带动我国机械、电子、材料、能源等基础产业技术进步。

(3)引领资源整合，地面系统建设注重结合实际、统筹规划，避免“烟囱式”建设。

(4)引领产业化发展，通过应用示范系统的研制建设，统筹开展共性关键应用技术的协同攻关，解决在技术与管理方面的产学研转化、服务推广的瓶颈问题，确保高分数据“好用”和“用好”。

1.3 应用流程

高分辨率对地观测体系的工作流程见图2。

图2 高分辨率对地观测体系工作流程图

高分辨率对地观测体系的典型工作流程为：

(1)用户提出高分辨率观测任务需求；

(2)资源共享与服务平台进行需求筹划，检索资源，当存档的数据资源不能满足需求时，制定任务需求发送任务管控系统；

(3)任务管控分系统根据卫星、平流层飞艇、航空平台及载荷信息，制定对地观测任务，发送给相应的平台；根据地面站网资源及中继资源信息，制定地面接收计划，发送给数据接收系统；

(4)卫星、平流层飞艇、航空平台根据计划获取相应区域的高分辨率观测数据，通过星地或中继数传传至地面；应急情况下可通过机动接收处理系统完成观测数据的接收、处理，快速应用；

(5)数据处理系统根据定标与质量评定系统提供的参数，对接收到的卫星、平流层飞艇、航空平台观测数据进行基础数据处理、专业信息处理和综合态势生成；

(6)定标与质量评定系统定期开展载荷的辐射与几何定标、产品质量评定等；

(7)资源共享与服务平台统一管理各级数据，向各用户节点分发共享；各用户单位获取数据后，可按需进行专业处理，生成高级数据产品。

围绕对地观测数据的基础数据处理、专业信息处理和综合产品生成等数据处理任务，高分专项建设了“六库、一场、一平台”(全球空间基础地理信息保障库、目标/地物特性库、目标/地物知识库、应用软件插件库、基础模型算法库、试验样本数据库等六个基础数据库，一个应用试验场，一个测试评估平台)，为高分辨率对地观测数据处理与应用提供基础支撑。

2 高分辨率对地观测体系建设成果

高分专项实施以来，以创新为纲、以应用为目，重点在天基系统的体系创新、临近空间的平台创新、航空载荷的技术创新、地面系统的体制创新等方面进行了探索与实践，取得积极成果。

2.1 天基系统体系创新

构建了骨干+增强的体系架构，骨干系统重点实现全球高分辨率观测、广域连续监测和大比例尺测绘。按需发展增强系统，实现特定区域的能力增强。

1)骨干体系建设

高分专项中，重点发展了低轨高分辨率光学/微波、高精度测绘和高轨成像等先进对地观测卫星，突破了大口径长焦距光学相机、大信号带宽合成孔径雷达(SAR)、高敏捷姿态机动与控制、高精度测绘、高码速率数据传输等关键技术，形成高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、高定位精度等能力。

(1)高空间分辨率

对于光学系统而言，空间分辨率与探测器像元间距和轨道高度成正比，与相机焦距成反比[3]。实现高空间分辨率通常需要大口径光学反射镜、长焦距光学系统、高性能的探测器、较低的运行轨道。因此，高分专项重点攻关了高动态高灵敏度大规模探测器、高速低噪声高集成度相机电子学、大口径反射镜研制/加工/装调/检测等关键技术，成像分辨率达到亚米级；并开展了分块镜展开、稀疏孔径、衍射成像等探索研究。

对于SAR系统而言，分辨率通常按照距离向和方位向定义，距离向分辨率主要取决于系统发射信号的带宽，方位向分辨率主要取决于系统的多普勒带宽[3]。因此，高分专项重点攻关提高了电源、T/R组件效率，降低损耗，最高成像分辨率达到亚米级；并开展了新技术、新机理、新模式等探索研究。

(2)高时间分辨率

时间分辨率，是指对同一区域进行的相邻两次观测的最小时间间隔。对于天基系统而言，时间分辨率与卫星轨道高度、倾角、可视观测带宽，以及卫星数量规模有关。对于单星而言，高分专项重点提升了光学卫星的敏捷姿态机动能力、微波卫星的方位扫描成像能力，实现多目标、多视角观测和拼接成像。

(3)高光谱分辨率

光谱分辨率，是传感器接收、记录电磁辐射(反射或发射)最小波长范围的能力。光谱分辨率越高，传感器可区分地物属性的能力越高。

高光谱遥感具有以下特点[3]：一是高光谱分辨率与高空间分辨率难以同时实现。二是红外高光谱谱段需要在低温环境下工作，对制冷机在轨长寿命工作提出较高要求。三是高光谱遥感获取的是三维数据，对光谱数据的高保真压缩要求高。因此，高分专项重点是实现空间分辨率与光谱分辨率合理搭配，突破了高通量、高稳定、精细分光，以及图谱特征提取、图像分类处理等关键技术，光谱分辨率达到纳米级。

(4)高定位精度

定位精度是指从遥感图像中获取目标地理空间位置的精度，包括绝对定位精度和相对定位精度。

光学卫星可通过单线阵、多线阵和面阵体制实现高精度定位。SAR卫星通过干涉成像(InSAR)的方式进行高精度测绘，典型系统包括单平台双天线干涉SAR系统、重复轨道干涉SAR系统和分布式卫星干涉SAR系统。高分专项重点安排了双线阵光学测绘和分布式卫星干涉SAR系统攻关，突破了平台高精度定轨定姿与姿控热控、微振动测量/抑制与补偿，载荷内外方位元素控制、地面控制点与高程模型数据修正、高精度定标等关键技术，定位精度达到1∶1万比例尺。

2)增强系统建设

在配套系统支持下，按任务所需，快速发射卫星，迅速、灵活增强和重塑空间系统，以低建设成本、快响应时间、短信息链路，满足突发性局部区域观测要求。增强系统具有预案化任务设计、标准化产品生产、模块化卫星组装、快速性测试发射、灵活性指挥控制、快捷性信息应用等显著特点。

高分专项中，增强系统建设主要实现了卫星节点三统一、体系运用六自主、能力生成四快速。

(1)卫星节点三统一

一是统软硬件架构，采用体系开放的硬件架构，实现产品即插即用、快速自主测试，采用平台共用的软件架构，实现开放兼容、快速重构。二是统产品体系，创新小卫星研制理念，明确了31种产品规格及研制要求，推动卫星从定制化艺术品研制向批量化工业品生产模式转型。三是统标准规范，建立了38份快响小卫星标准规范，支撑货架式、低成本产品体系建立，支持快速研制、应急发射、快速应用。

(2)体系运用六自主

一是自主组网，星间低速网支持卫星自主接入、退出，星间高速网支持数据信息快速汇聚。二是自主协同，多星可协同观测，实现引导、接力、拼接等。三是自主规划，星簇任务管理、单星任务规划。四是自主处理，星上进行快速数据处理。五是自主融合，多星多源信息规则化融合，提升信息准确度。六是自主分发，多路由选择，分发地面终端。

(3)能力生成四快速

一是快速研制，采用货架式产品，整星快速组装集成。二是快速发射，优化流程，快速测试发射。三是快速测试，入轨后快速完成整星功能自测试。四是快速应用，信息和有效数据快速推送。

2.2 临近空间平台创新

临近空间系统是高分专项支持发展的一个新领域。临近空间一般指距地面20～100 km高度之间的空间范围，介于一般航空和航天高度范围的空天结合区域，具有独特的环境优势和潜在的应用价值。

平流层飞艇是部署在临近空间的主要探测平台，其利用20 km高度附近风速较小等有利条件，携带任务载荷，依靠浮力升空和高度保持，通过太阳能再生能源供电，采用螺旋桨作为动力装置，在特定区域实现稳定驻留、可控飞行[4]。高分专项在临近空间系统方面的工作可总结如下。

1)准确识别平流层飞艇基础科学问题

深入开展了平流层飞艇“升、驻、控、返”全过程机理和科学问题研究，围绕飞艇总体及共性基础关键技术，梳理形成50项重难点问题、92项基础问题，牵引技术攻关。

(1)安全进入。飞艇上升过程中，风场、空气密度、环境温度剧烈变化，对飞艇上升控制、压力/温度调节、结构安全等带来极大挑战。主要关键技术包括：浮力与速度控制、压力控制、上升段控制律设计等技术。

(2)长期驻空。受太阳辐照昼夜变化影响，艇内升浮气体温度波动，内外温差最高可达30～60 ℃，引起艇内压力剧烈变化，对飞艇结构安全、高度保持等产生影响。主要关键技术包括：热分析与控制、超压特性与控制等技术。

(3)可控飞行。平流层飞艇体积巨大、控制响应缓慢。为实现区域可控飞行，需完成光电转换、能源存储到动力输出的循环控制。主要关键技术包括：气动外形优化与减阻、航路飞行控制、区域驻留飞行控制等技术。

(4)安全返回。平流层飞艇若实现可重复使用，可显著提升应用效益，但受低空恶劣环境影响，安全返场难度极大。主要关键技术包括：可预测降落与控制、着陆安全控制、返场地空动力、平台快速回收等技术。

同时，统筹推进平流层飞艇共性技术攻关。囊体材料面密度/强度/透氦率/环境适应性、太阳能电池组件效率、锂电池比能量、螺旋桨和电机效率等技术指标均有较大提升，达到或接近世界先进水平。

2)科学确定平流层飞艇平台发展路线

制定并发布了平流层飞艇系统发展纲要，提出了“方案探索研究、技术试验、工程试验”三步走的发展路线，推动飞艇平台的关键技术研究。

方案探索研究阶段，重点开展多技术路线可行性探索，验证基础科学问题。技术试验阶段，重点突破总体关键技术技术，开展试验验证。工程试验阶段，重点提升飞艇驻空时间，拓展承载应用能力。

借鉴航天工程组织管理模式，构建了工程总体抓总、各大系统分工协作的平流层飞艇技术体制验证工程试验体系。

2.3 航空观测手段创新

航空系统通过飞机平台和无人机搭载多种观测载荷，获取高分辨率对地观测数据，具有分辨率高、时效性强、实现难度小等优势，是获取国内以及国土周边区域高分辨率对地观测数据的重要方式。高分专项航空系统载荷研制的总体定位：①解决有无，升级换代；②实现国产化，自主可控；③开展技术验证，推动天、临载荷创新发展。

1)拓展观测手段

拓展航空载荷探测手段，丰富传统高光谱、激光雷达、Ku波段SAR、Ka波段SAR等成像手段，发展重力探测、磁力探测、大气海洋环境探测等信号探测手段。

2)提升观测能力

围绕高分辨率、高精度观测要求和定量化反演目标，提升能力。一是分辨率由分米级提升至厘米级；二是高精度定位由相对到绝对、由有控向无控提升，对地观测由定性到定量提升；三是开展了机上实时处理、目标自动检测识别等智能处理研究。

3)载荷综合应用

载荷应用综合化，实现“一载荷、多模式、多功能、多应用”。开展了多功能一体化雷达技术研究，综合实现高分辨率SAR成像、高精度InSAR测高、地面动目标探测、海面目标探测等功能。

4)推动技术创新

开展视频SAR、图谱关联探测载荷、主被动复合成像、轻小型位置与姿态测量等新技术研究，为后续发展与能力提升提供技术支撑。

2.4 地面系统体制创新

提出了“分布式对等、资源虚拟化整合、通用平台+专用插件”等技术体制，完成典型系统建设，实现任务管控、数据接收、数据预处理、定标与质量评定、资源共享服务、通用机动接收处理、资源共享交换等功能，如图3所示。

图3 高分专项地面系统组成

1)任务管控

开展了“1+N”模式联合任务规划(体系联合规划和节点自主规划)、多类型平台多载荷协同调度、观测数传资源一体化调度、滚动式动态任务管控等技术攻关，实现天、临、空资源一体化协同规划，多星、多任务一体化任务管控。

2)数据接收

攻关高速解调译码、S/X/Ka三频段一体化接收、极地站数据接收测控综合等关键技术，实现遥感卫星数据接收资源高效利用。

3)数据预处理

集成航天和航空平台相关传感器的专用数据预处理算法插件，实现一体化、自动化、高精度、低延迟的0～3级基础数据产品生产。

4)定标与质量评定

研制了地表光学反射特性自动观测仪、光学辐射定标大气特性自动检测仪、远程监控通用角反射器、有源定标器观测数据远程传输设备等，形成天基、航空、临近空间载荷一体化、定制化定标能力。

5)资源共享服务

集成数据存储管理、专用数据服务、需求及任务管理等专用插件，实现空天数据资源的统一存储、组织管理、高效检索、资源访问、高效分发等服务。

6)通用机动接收处理

天线按口径大小分为4.5 m、2.4 m和1.2 m三型，覆盖L/S/X/Ku/Ka频段，馈源模块设计、标准接口，可接收卫星、无人机载荷数据并存储管理，实现机动伴随保障，一键展开、一键对星、一键收藏。

7)资源共享交换

部署一主中心、四分中心，构建国家数据安全高效的交换链路，开展各行业业务化运行，实现卫星资源按需共享使用。

3 后续发展展望

当前，太空科技革命孕育兴起，太空架构正发生历史性变迁，机遇与挑战并存。

航天已迈入千星万星时代！美国太空发展局(SDA)提出了新一代太空体系架构，将在2024年前部署150颗低轨卫星，并授予跟踪层、传输层0批次数十颗卫星合同[5]。美国国防部先进研究计划局(DARPA)启动了黑杰克(Blackjack)创新项目，授予了数十颗黑杰克卫星合同。星链公司(Starlink)已完成数十次发射，部署2000余颗卫星。

美国和俄罗斯等正在制定地月空间发展计划。2020年4月，美国提出月球持续探索和开发规划，公布了阿尔忒弥斯计划(Artemis)[6]。2020年10月，美、英、日、意等八国集体签署计划协议。2019年2月，俄罗斯拟制了月球综合探索与开发计划草案，提出2040年月球开发4个阶段路线图[7]。

针对经济社会发展、国家安全的新形势，对地观测体系的应用样式发生了重大转变。具体体现在：①网络中心向决策中心转变；②体系联合支撑向边缘动态组合转变；③人机协同向有人监督和无人自主转变；④间发局部冲突向常态混合博弈转变；⑤拨开迷雾向认知迷雾和利用迷雾等转变；⑥静态规划向动态管理转变。

因此，高分辨率对地观测体系建设发展应在高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率和高定位精度基础上，进一步提升高冗余组网、高容量观测、高连续跟踪、高时效认知、高深远支持等“五高”能力。据此，我们提出了“三高一基础一提升”的对地观测体系建设发展方向。

(1)三高：高性能卫星、高密度星座、高远全视野。

(2)一基础：全球精准观测应用基础环境。

(3)一提升：临近空间系统应用能力。

3.1 前瞻开展高性能卫星技术攻关

高空间分辨率和高精度观测是对地观测领域发展的永恒主题。

(1)针对光学成像系统，开展新体制超大口径光学成像技术研究，包括：分块可展开光学成像技术，实现分块拼接、在轨展开；合成孔径成像技术，以稀疏孔径达到接近于传统超大口径的效果；薄膜衍射成像技术，利用平面衍射透镜实现大口径成像。

(2)针对SAR成像系统，开展超大功率孔径积合成孔径雷达技术研究，包括大型轻量化天线、大功率空间合成与发射、长合成孔径时间成像、大型多体挠性附件展开与振动抑制、天线高精度指向控制等技术研究。

(3)开展高精度目标特性测量技术研究，包括高分辨率高光谱成像、全时相红外特性测量、高分辨率雷达散射特性测量、电磁特征测量与精细识别等技术研究。

3.2 众筹融合发展高密度星座

世界航天发展经历了模拟化、数字化和网络化，正在向航天4.0方向发展，典型特征是节点部署规模化、体系建设一体化、联合应用智能化：①节点部署规模化，数百乃至上万颗卫星，部署于多个低地球轨道，形成规模效应；②体系建设一体化，通信、导航、遥感功能一体，以弹性泛在网络为纽带，实现陆海空天多域融合；③联合应用智能化，多域协同的智能感知、决策、控制等体系能力。

发展低轨高密度星座，将改变航天发展格局，卫星的研产、运管和应用模式都将发生改变。

(1)研产模式。卫星制造采用自主可控器件、标准化部组件、柔性化集成生产线；运载火箭重复使用、多星大批量发射部署，降低进入太空成本；快速在轨测试、快速应用。

(2)运管模式。全星座布设互操作资源(网络化随遇接入管控处理环节)和自主管控资源(机器自主操作系统)，支持星座按需自主管控协同和有人参与的动态任务管理。

(3)应用模式。首先，改变传统遥感信息人工解译的模式，支持海量数据智能化、自动化解译。其次，进行智能关联分析，实现从地物、目标的智能感知到要素之间关系认知的跃迁，实现基于知识的态势认知。再次，利用人工智能学习掌握用户对天基信息的使用习惯，实现用户需求的精准预测、用户服务精准推送。

3.3 积极拓展地月空间发展视野

月球是距离地球最近的天体，既可作为深空探测的中继站，又是对外天文观测的理想基地[8]。2004年，我国提出了月球探测“绕”、“落”、“回”三步走计划，计划在3年内发射卫星绕月飞行，6年内月球车将在月球上软着陆，2020年前利用机器人将月壤样品采回地球。随着嫦娥五号完成月球采样任务，我国已成功实现了上述三步走计划。地月空间拓展已成为后续发展的新视野。

(1)拓展地月空间发展视野，建设地月空间信息基础设施，提供遥感、通信和导航服务[9]，支持地月空间开发利用。

(2)建设深空中转站，支持外太空探索。

3.4 筑强全球精准观测应用基础环境

为实现全球精准观测及定量化遥感应用，提升数据使用效益，需要建设高精度定标场，保证观测数据的精度和可用度。同时，现有遥感数据的处理算法、模型、规则等缺乏定量评估，需建设真实性检验系统，保证由遥感数据处理生成的信息产品的可信度。

因此，为降低遥感数据的用户门槛，推广高分辨率对地观测数据的应用，需建立完善全球精准观测应用信息基础环境，实现数据、产品、算法、规则、模型的定量化、真实性检验，保障数据产品精度和信息知识可信度，并提供一个平时数据积累的框架，支持数据处理精度和处理时效性的提升。

(1)完善高精度定标场网，积累传感器定标基础数据库，实现传感器的高精度、全链路、多源交叉定标。

(2)建设数据、产品、算法真实性检验系统，实现数据、产品、算法的指标性能定量化检验评估。

(3)基于统一时空基准和数据规范，构建涵盖全球基准数据、样本数据、目标特性、知识、模型算法和数据产品的全球基准数据资源池，提供智能认知所需的样本、特性、知识、模型等基础数据。

3.5 持续提升临近空间系统应用能力

在高分专项临近空间系统平台攻关成果基础上，采取边建边用与持续提升相结合，一是进一步围绕“升、驻、控、返”等核心问题开展技术攻关，提升飞艇驻空时间；二是拓展承载应用能力，开展遥感、通信、导航应用试验。同时，发展太阳能无人机，与平流层飞艇协同构建临近空间观测系统。太阳能无人机具有飞行航时长、抗风能力强、起降部署灵活等特点，是极具潜力的新型临近空间无人飞行器[10]。