我国高分辨率对地观测系统建设与发展

文 | 赵坚 孟令杰 王琦 郭丁， 申志强

1．国防科工局重大专项工程中心

2．钱学森空间技术实验室

一、前言

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，重点发展基于卫星、平流层飞艇和飞机的高分辨率先进观测系统，与其他中、低分辨率观测手段结合，形成时空协调、全天候、全天时的对地观测系统。经过多年专项建设，我国对地观测系统整体规模与能力已进入国际先进行列，为航天强国建设做出了重要而不可或缺的贡献。

高分专项的建设旨在大幅度提高我国自主对地观测信息获取能力，掌握高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率等信息资源自主权，及时把握全球经济、资源、环境、社会发展及军事斗争的态势，使我国跻身于世界对地观测强国行列，是建设我国“数字国土”“数字战场”“数字农业”等不可或缺的关键系统，为国家政治、外交、公共安全以及农业、灾害、资源、环境等重大问题提供决策支持，对保障国家安全、增强综合国力具有重大战略意义。

高分专项自2010年5月正式启动实施以来，天基系统和地面系统顺利推进，所有高分卫星已实现在轨运行，构建成比肩国际先进、性能稳定可靠、数据应用广泛的高分辨率卫星遥感系统。卫星遥感数据已基本摆脱对国外卫星的依赖，国产高分辨率卫星数据替代比率已近90%。本文重点梳理高分专项空间系统和地面系统的建设情况，系统总结高分专项的成果成效和建设经验，供后续相关系统建设提供参考。

二、高分辨率对地观测系统-天基系统

天基系统主要由运行于高低不同轨道、具备从可见光到微波不同谱段、不同观测手段的多颗高分辨率对地观测卫星（以下简称高分卫星）系统组成，与其他中、低分辨率的业务系统配合使用，完成全球观测任务，其观测数据具有高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率、高观测精度等显著特点。

1．高分一号

高分一号卫星采用CAST2000小卫星公用平台，有效载荷配置有2台分辨率为2m全色/8m多光谱的高分辨率相机和4台分辨率为16m多光谱的宽幅相机，在同一颗卫星上实现高分辨率和宽幅的成像能力，配合整星侧摆可以实现对全球小于4天重访。

2．高分二号

高分二号卫星采用CS-L3000A平台，重量为2100kg，配置两台均为23km幅宽的0.8m全色/3.2m多光谱相机（简称PMS相机），实现69天内对全球的观测覆盖和5天内对地球表面上任一区域的重复观测。高分二号卫星的成功入轨运行，标志着我国遥感卫星进入了亚米级“高分时代”。

3．高分三号

高分三号卫星是我国第一颗民用多极化微波遥感SAR卫星，设计寿命达到8年，是迄今为止我国研制的空间分辨率最高的民用SAR卫星。卫星配置一套相控阵体制合成孔径雷达系统，具有聚束、条带、扫描、波模式等12种成像模式，空间分辨率达到1～500m，观测幅宽达到10～650km。

4．高分四号

高分四号卫星是我国第一颗分辨率达到50m、设计寿命8年的地球同步轨道遥感卫星。卫星配置有1台可见光和中波红外共口径相机，同时具有全色近红外/中波红外谱段成像能力，地面像元分辨率达到全色近红外50m/中波红外400m；采用高速信号调制技术和高增益点波束天线，实现300Mbit/s数据传输速率。

5.高分五号

高分五号卫星采用SAST-ML1（SAST3000）平台，有效载荷配置有可见光-短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪、大气主要温室气体监测仪、大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪，是国际首颗对大气和陆地进行综合观测的全谱段高光谱卫星，配合整星侧摆可以实现对全球5天重访。

6．高分六号

高分六号卫星采用CAST2000小卫星公用平台，有效载荷配置有1台分辨率为2m全色/8m多光谱的高分相机和1台分辨率为16m多光谱的宽幅相机，在同一颗卫星上实现高分辨率和宽幅的成像能力，与高分一号组网运行，全球观测的时间分辨率由4天提高至2天。

7．高分七号

高分七号卫星是我国首颗民用亚米级高分辨率光学传输型立体测绘卫星，配置双线阵相机、激光测高仪等有效载荷。该卫星用于获取高空间分辨率立体测绘遥感数据和高精度激光测高数据，主要服务于我国1∶1万立体测图生产及更大比例尺基础地理信息产品的更新，大幅增强我国独立获取地理空间信息的能力，提升国家测绘地理信息服务保障水平，提高住房和城乡建设监督管理的效能、加快国家统计信息产品业务化，推动地理信息产业发展。

三、高分辨率对地观测系统-地面系统

高分专项地面系统由数据接收系统、数据处理系统和任务管理系统构成。

1．数据接收系统

负责高分系列卫星实时下传数据和延时回放数据的接收、记录和显示；根据数据传输任务计划，合理调配网络资源和系统设备资源，管理数据传输队列作业，确保高分系列卫星原始数据能够快速、准确地传送到处理系统；负责高分系列卫星接收系统的业务化运行管理，受理外部请求，规划接收系统资源，根据数据接收计划管理调度接收站网系统完成高分系列卫星数据获取、传输和质量监测任务，保障高分系列卫星接收系统的统一协调、稳定、高效运行。

地面数据接收系统总体建设目标为：充分利用现有条件，扩建现有国内对地观测卫星数据接收站网、高速数据传输网络、地面数据接收管理与监测系统，形成布局合理的高分辨率对地观测数据接收站网、快速的卫星数据传输网路，以及统一协调的业务化运行管理、监控和调度体系，具备我国高分系列卫星对地观测卫星数据的接收、传输能力，实现全球信息的获取，实现地面数据接收系统的统一协调、稳定、高效运行，为我国经济建设、社会发展和国防建设提供较全面的空间遥感数据支撑。

2．数据处理系统

负责对高分系列卫星原始数据进行自动化标准生产处理，满足可用要求的数据自动生成1级和2级产品，其他产品根据用户需求订单驱动生产；对高分系列卫星数据和各级产品进行在线、近线、离线三级存储管理，实现集中存档，安全管理；对标准化产品进行全国统一分发与服务，为用户提供高分系列卫星遥感影像标准分幅产品、区域产品、超时超分辨率产品；利用国家已有的定标场，开展高分系列卫星辐射和几何定标。

数据处理系统由数据处理分系统、数据库与管理分系统、数据模拟分系统、分发服务分系统、定标检校分系统、数据网络通信平台和数据服务网格平台等组成。

3．任务管理系统

任务管理系统由地面系统设计综合集成分系统、观测任务规划分系统、地面系统试验运行评价分系统组成。负责用户需求的汇集与分析，统筹规划星地资源的使用，实现用户需求闭环管理；编排高分系列卫星观测计划，组织实施高分系列卫星对地观测、数据接收与传输、生产任务和分发任务等。

任务管理系统从地面系统网格门户网站接收用户需求后，结合系统运行管理规定和星地资源调度策略进行需求受理与分解，根据高分系列卫星实时运行轨道、星地资源与实际状态，以及载荷观测模型、数据接收模型、目标模型及环境模型，统筹规划高分对地观测任务。然后根据规划结果，进行卫星对地观测计划编制，生成观测计划、业务测控计划、数据接收计划、产品生产计划和产品分发计划，下达并调度计划的实施。

四、高分辨率对地观测系统建设过程

1．规划论证阶段（2006—2010年）

在国防科工局、财政部等机关领导下成立论证专家组。专家组坚持贯彻了顶层设计、系统思维、创新引领等先进理念，通过自上而下与自下而上相结合、定量仿真与定性研讨相结合、统筹衔接与专题发展相结合，充分考虑我国卫星平台及有效载荷技术基础，同时结合民用航天预研技术成果，协调用户需求、地面设施及其他方面观测资源，经历用户需求统筹分析、有效载荷技术摸底、卫星平台能力评估、卫星系统演进路线等多个专题研究，逐渐汇聚、凝练形成科学合理的高分辨率对地观测系统整体方案、分阶段目标及系统发展路线、关键技术清单等，以《高分辨率对地观测系统重大专项实施方案报告》为标志，规划论证成果受到评审专家组、国家领导等高度认可，为高分专项顺利获得国家批复奠定了基础。

2．立项建设阶段（2010—2020年）

国务院于2010年5月批准高分辨率对地观测系统重大专项立项，随之成立了国防科工局重大专项工程中心，专门负责专项涉及的重大项目的立项、实施和验收。从2011年6月至2017年8月，国防科工局和财政部先后联合批复了高分一号、高分二号、高分三号、高分四号、高分五号、高分六号和高分七号卫星工程项目立项。经承研方研制，先后发射入轨，逐步形成了高分遥感应用能力。

2019年11月3日，高分七号卫星成功发射入轨，标志着高分专项天基系统完成了全部研制和部署工作，卫星在轨稳定运行，卫星技术指标全面满足工程研制总要求，卫星数据广泛应用于各行业和区域用户，高分辨率对地观测系统初步建成。

3．广泛应用阶段（2020年之后）

高分专项是典型的“边建边用”系统，从第一颗卫星入轨开始，逐渐形成强大的高分遥感应用能力。到2022年6月，高分卫星遥感数据已在20个行业、31个区域得到广泛应用，已成为自然资源、应急管理、生态环境、农业农村等部门主体业务不可或缺的手段，成为政府治理体系和治理能力现代化的重要信息技术支撑。

高分卫星数据为稳定粮食生产、发展壮大乡村农业、开展农村人居环境监测等提供了有力支持。高分卫星数据已完全融入到第三次全国国土调查、年度变更调查监测与核查、土地资源全天候遥感监测、全国矿产资源开发环境遥感监测、地质灾害调查监测、海洋权益保护、海岛海岸带调查监测等业务中。高分卫星数据在支持森林、草原、湿地、荒漠、自然保护区、林业生态工程等遥感监测应用中，实现了主要产品年度更新。高分卫星数据支持开展了国家重大活动天气变化信息、气溶胶与雾霾、区域污染气体、区域水环境、资源开发生态保护等遥感监测。在省域应用中，多个省级高分中心实现了市县级多尺度遥感精细化资源监测、统计、数据整合和空间可视化管理，使高分数据应用在区域发展中发挥了突破性作用。

五、重大创新成果成效

从技术发展角度看，我国高分系列卫星与同期在轨的美国WorldView、欧洲哨兵等系列卫星水平比肩，代表着我国遥感卫星研制、工程系统总体、卫星公用平台、有效载荷、应用与服务、运行管理等关键技术已步入国际先进行列。通过高分卫星的研制建设，极大提高了我国卫星及有效载荷设计、试验验证、制造与地面支持系统的技术水平，并对相关的机械、电子、材料、能源、通信、信息等产业形成强烈牵引和带动作用。

1．新型系统和平台技术

通过高分专项天基系统的研制建设，低轨遥感卫星分辨率由高分专项实施前最高2.1m提高到0.65m，静止轨道遥感卫星分辨率由千米级提高到50m，低轨遥感卫星设计寿命由3～5年大幅提高到8年，重点突破了一系列技术瓶颈，推动我国遥感卫星技术实现了跨越式发展。

低轨遥感卫星设计寿命普遍延长至8年。高分专项开展了遥感卫星长寿命专题研究，在卫星机电活动部件、能源系统、元器件、原材料等方面，突破了影响卫星寿命的技术瓶颈，实现了我国低轨遥感卫星设计寿命从3～5年延长到8年的重大突破，大幅提高了卫星工程技术水平和卫星的使用效能。

遥感卫星观测能力得到大幅提升，单星同时实现高分辨率与大幅宽的结合。在高分一号、高分六号卫星上，实现了2m/8m相机60～90km成像幅宽，16m相机实现大于800km成像幅宽，适应多种空间分辨率、多种光谱分辨率、多源遥感数据综合需求，满足不同应用要求。

2．新型有效载荷

在高分二号卫星配置2台相机，拼接幅宽达到45km，空间分辨率优于1m，使我国高分辨率对地观测系统实现了亚米级光学对地观测能力。

在高分三号卫星上实现了1m分辨率C波段合成孔径雷达成像，具备12种成像模式，是世界上成像模式最多的合成孔径雷达卫星，使高分辨率对地观测系统具备了全天时、全天候对地观测能力。

在高分四号卫星上采用高分辨率大面阵探测器凝视成像模式，结合平台快速姿态机动能力，实现了对我国及周边区域的近实时成像，其50m×50m的分辨率，是目前世界上地球同步轨道遥感卫星中最高的。

在高分五号卫星上配置了2台陆地观测相机和4台大气观测设备，光谱覆盖紫外到长波红外，光谱分辨率优于5nm，是世界上首次在一颗卫星上实现对陆地和大气的高光谱综合观测。

在高分七号卫星上首次了采用双线阵相机立体测图配以双波束激光测高的复合测绘体制，实现了长条带大区域立体成像，并实现了少地面控制点条件下1∶1万立体测绘。

3．地面数据处理系统

在标准化处理方面，实现对高分系列卫星下行的原始数据进行数据录入、分景编目、辐射校正、几何校正等处理，具备生成高分1～2级标准产品的能力。

在数据存储管理方面，具备对高分系列卫星标准数据产品的长期、统一存储管理与备份能力，保证归档数据与信息的安全，并提供访问服务。

在数据分发方面，具备通过光纤专线与公共互联网产品分发服务能力，为政府、行业等各级用户提供高分系列卫星标准产品的快速数据服务，满足广大用户对国产高分卫星各载荷产品的需求。

在测试数据生成评价方面，对卫星有效载荷数据与格式进行仿真并生成测试数据，对地面实验测试数据、载荷在轨性能、标准产品质量进行分析评价，跟踪载荷观测性能变化。

4．定标与真实性检验

在定标方面，高分六号卫星在国内首先开展无场定标设计，实现偏航90°定标，任意地物成像，高效实现相对定标和对月成像，支持相对和绝对定标。

高分五号卫星装载有太阳漫反射板、比辐射计、变温黑体、LED等7类星上定标器，实现绝对辐射定标精度5%，是国内定量化水平最高的卫星。

5．重大技术突破

在技术突破方面，高分辨率对地观测系统突破了长焦距、大F数、轻型相机及卫星系统设计技术、高几何分辨率和辐射分辨率，多极化多模式的SAR成像技术、高轨卫星姿态快速机动与高稳定控制技术、超大视场离轴相机成像技术、低畸变大视场测绘相机设计技术、高精度内方位元素标定技术、甚高精度星敏感器技术（在轨精度提升至亚角秒级）、高速数据传输技术（实现X频段最高2×1.2Gbit/s的可变码速率数传能力）、实现了8谱段CMOS探测器的国产化自主研制，打破了发达国家对我国该类遥感核心元器件的出口限制。

6.重大软件系统

在软件系统方面，高分辨率对地观测系统构建了星上软件、地面平台软件（数据库管理软件、作业调度软件、JAVA EE应用服务器软件、工作流引擎软件、双机热备软件、终端安全软件、网络杀毒软件）、地面定制软件（生命周期管理子系统、数据上传子系统、数据服务子系统、外置磁带机数据归档与恢复子系统、业务数据库设计）等重大软件系统。并形成一些软件品牌，如高分数据一键查系统。可提供多平台、多时相、多尺度、多层次、多维度的一站式遥感数据、信息、服务。初步具备了需求自动分析、联合任务规划、标准产品自动生成、数据自动推送等服务能力。

六、发展经验总结

1．党的集中统一领导是专项取得成功的根本保证

高分专项从酝酿、论证到立项、实施、运行，历经15年，在各级党委的坚强领导、持续关怀下完成了技术跨域、领域创新，打破了国外卫星数据垄断。高分专项代表了我国对地观测技术的新高峰，也在获得世界遥感制高点的征途上迈出了坚实一步。

高分专项从论证开始就进行系统顶层设计，引领技术研发方向，促进高分专项各系统间的协调对接。顶层设计的优化保障了专项的成功实施，高分专项是新时期航天强国建设事业的重要组成部分，为我国建成世界航天强国注入了源源动力。

2．管理创新是任务顺利推进的关键

高分专项的空间系统和地面系统涉及全国上百家研制单位，没有高效、精准、持续的工程管理是难以如此顺利实施的。

一是完善了工程大总体的文件体系，高分专项实施过程中，以研制总要求、任务书/技术要求、接口文件，以及飞行试验大纲、在轨测试大纲/细则、卫星工程技术手册等编制为抓手，完善了卫星工程大总体文件体系，是技术溯源、故障隔离和进度衔接的有效保障。二是突出了“星地一体化”数据质量，以优化高分专项卫星性能为目标，在确保技术指标先进条件下，促进卫星易用、好用，更好地满足了用户需要。三是天、地、用统一的系统建设。遥感卫星系统建设要加强天地一体化设计能力，以好用、易用为目标，从任务目标、探测要素、遥感手段、平台配置与优化、数据接收、任务规划、数据处理、应用产品等各个环节开展优化与协同设计和深度衔接。将天、地、用更紧密地结合在一起考虑，为我国构建全域覆盖、随遇接入、按需服务、天地一体的国家新一代空间综合信息网奠定基础，带动卫星应用产业上规模，在行业治理、大众消费、国际合作等领域获得更广泛的应用和更大影响。

3．杰出人才是打造高分品牌的核心

高分专项工程培育了一批科学巨匠，造就了一大批领军人才，更有在生产一线默默奉献、具备精湛专业技能、在关键环节发挥重要作用的大批优秀人才。正是一批又一批“高分人”坚持坚守、无私奉献，铸就了“洞察天地、致广精微，创新超越、砥砺前行，开放共享、造福人类”的高分精神，打造出了高质量的遥感卫星系统、高精度的遥感数据和高效益的遥感应用，大大推动了中国制造向中国创造转变、中国速度向中国质量转变、中国产品向中国品牌转变。