國外光學成像偵察衛(wèi)星發(fā)展研究

21世紀是信息化戰(zhàn)爭時代，光學成像偵察衛(wèi)星作為最重要的天基信息獲取系統(tǒng)，一直以來是各主要航天國家的重點發(fā)展對象。提高空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率是光學成像偵察衛(wèi)星長期追求的目標；通過擴大幅寬、升高軌道、靈活姿態(tài)機動提高駐留時間；發(fā)展光學和雷達綜合系統(tǒng)；不斷提高快速響應能力已成為當前研究的熱點。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

光學成像偵察衛(wèi)星已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭信息獲取系統(tǒng)的重要裝備。在空間分辨率方面，美國光學成像衛(wèi)星的軍用全色分辨率為0.1m、商用分辨率為0.4m；紅外分辨率為1m；俄羅斯、法國、以色列衛(wèi)星的軍用全色分辨率優(yōu)于0.5m。在光譜分辨率方面，美國戰(zhàn)術衛(wèi)星－3（TacSat－3）的光譜分辨率為5nm。

當前，美國有4顆鎖眼－12（KH－12）光學成像偵察衛(wèi)星在軌運行，衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量18t，光學口徑約3m，焦距27m，壽命8年，采用大型光學系統(tǒng)、自適應光學、大面陣探測器、機動變軌、長壽命、高可靠等技術，全色分辨率達0.1～0.15m，紅外分辨率0.6～1m。另外，美國還有1顆“8X”成像偵察衛(wèi)星在軌運行，軌道高度2000km，它帶有光學和雷達兩種有效載荷，具有寬覆蓋、快速重訪能力。

歐洲光學成像偵察衛(wèi)星主要使用法國太陽神－2（Helios－2）衛(wèi)星。該衛(wèi)星帶有1臺全色（具有紅外能力）高分辨率相機（HRZ）和1臺寬視場相機（HRG）。高分辨率相機主要采用推掃成像，高分辨率通道分辨率為0.5m，超高分辨率通道分辨率為0.25～0.35m，紅外通道可拍攝紅外圖像，使該衛(wèi)星具備了夜間光學偵察能力；寬視場相機標稱分辨率5m，幅寬60km，主要進行普查與測繪制圖。

“昴宿星”（Pleiades）是法國新研制的軍民兩用光學成像衛(wèi)星。其質(zhì)量約900kg，設計壽命5年，采用太陽同步近圓軌道，高度為695km，軌道重復周期26天。衛(wèi)星的相機口徑0.65m，焦距12.9m。天底點全色分辨率為0.7m，多光譜分辨率為2.8m，成像幅寬大于20km。在沒有外部參考的情況下定位精度優(yōu)于20m，以80km間隔的地面控制點校正下定位精度優(yōu)于0.5m。

法國太陽神－2衛(wèi)星外形圖

2011年12月16日發(fā)射的法國首顆“昴宿星”

美國地球之眼－1對地成像示意圖

進入21世紀以來，俄羅斯一般每年發(fā)射1顆代號為“鈷”（Kobalt，又名琥珀－4K1）的返回式詳查衛(wèi)星，2010年4月16日發(fā)射了宇宙－2462（Cosmos－2462）。俄羅斯傳輸型衛(wèi)星從可見光到近紅外區(qū)域（0.4～1.1μm）的8個譜段，根據(jù)軌道高度不同，分辨率在2～5m，相機視角0.56°，對應幅寬＞27km。其傳輸型光學成像偵察衛(wèi)星是從1997年6月開始發(fā)射的，2002年7月發(fā)射了第2顆，但都未達壽命失效。2008年7月27日發(fā)射的宇宙－2441衛(wèi)星為最新型的“角色”（Persona N1）傳輸型詳查衛(wèi)星，質(zhì)量6500kg，光學口徑1.5m，焦距20m，全色分辨率0.33m，但入軌3個月后失效，未投入現(xiàn)役。可以看出，俄羅斯至今仍是用返回式“鈷”衛(wèi)星進行軍事詳查，測繪任務也由返回式衛(wèi)星承擔，傳輸型光學成像偵察衛(wèi)星還未能實現(xiàn)業(yè)務操作。

以色列一直利用小衛(wèi)星進行軍事偵察，目前最新的衛(wèi)星為地平線－9（Ofeq－9）衛(wèi)星。該衛(wèi)星長2.3m，最大寬度1.2m，總質(zhì)量約350kg，比第二代“地平線”衛(wèi)星質(zhì)量增加了33%，設計壽命4年。其相機分辨率從第二代的1m以上提高到了0.5m，成像幅寬約為7km。

以色列“地平線”系列光學成像偵察衛(wèi)星部署情況

日本“情報收集衛(wèi)星”（IGS）星座現(xiàn)由3顆光學衛(wèi)星和1顆雷達衛(wèi)星組成。其光學衛(wèi)星的分辨率0.6～1m，雷達衛(wèi)星的分辨率1～3m。

印度在軌的軍民兩用光學成像衛(wèi)星有4顆，其中制圖衛(wèi)星－2B（Cartosat－2B）光學成像衛(wèi)星天底點分辨率1m，幅寬9.6km，順軌方向分辨率0.8m。

現(xiàn)在，世界上商用高分辨率遙感衛(wèi)星發(fā)展迅速，從1999年開始陸續(xù)部署了多種商用光學高分辨率衛(wèi)星，其中地球之眼－1（GeoEye－1）衛(wèi)星的分辨率最高，達到0.4m，圖像定位精度優(yōu)于3m，相機指向側(cè)擺300km耗時9s。

2 在研項目

美國

美國目前正在根據(jù)未來信息化作戰(zhàn)的特點，研制新一代光學成像偵察衛(wèi)星，將時間分辨率和戰(zhàn)術應用作為評判系統(tǒng)性能的關鍵指標。

美國曾以國家偵察局為主發(fā)展“未來成像體系”（FIA），它由光學和雷達衛(wèi)星組成混合星座，提高了衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星數(shù)量、定位精度和姿態(tài)機動能力，并采用光學變焦技術、自動抖動補償技術、高功率雷達技術等。“未來成像體系”包括可見光/近紅外傳輸型詳查衛(wèi)星和合成孔徑雷達衛(wèi)星兩部分，原計劃由10～12顆衛(wèi)星組成。整個系統(tǒng)預期成本近90億美元（空間段60億美元和地面段27億美元）。衛(wèi)星采用太陽同步軌道，設計壽命6～8年，質(zhì)量約6500kg，不到現(xiàn)有系統(tǒng)的1/2，而性能卻更高。

由于向軍事作戰(zhàn)轉(zhuǎn)型過程許多技術、管理和經(jīng)費問題沒有處理得當，所以導致“未來成像體系”光學衛(wèi)星在投入50億美元后被迫中止，并很可能使整個星座崩潰。為了消除美國衛(wèi)星成像偵察出現(xiàn)間斷的風險，保持偵察能力，美國積極尋求補救措施。美國國家偵察局重新選擇洛馬公司，在其光學成像偵察衛(wèi)星原有基礎上重新建造了2顆鎖眼－12衛(wèi)星。第1顆已于2011年1月20日發(fā)射，未來2年內(nèi)還將再發(fā)射另外一顆。

歐洲

歐洲各國正在積極活動，走合作發(fā)展的道路，整合各國資源，力求建立一體化的歐洲軍用航天系統(tǒng)。法國正牽頭開展“多國天基成像系統(tǒng)”（MUSIS）星座，系統(tǒng)由多種分辨率、不同型號的光學和雷達小型衛(wèi)星組成，預計數(shù)量10顆以上，2014－2015年開始發(fā)射。

2010年12月法國向阿斯特留姆（Astrium）公司授出“光學空間段”（CSO）新型光學成像偵察衛(wèi)星合同，價值7.95億歐元，它為2顆高分辨率偵察衛(wèi)星，更低軌道的衛(wèi)星正在論證中。“光學空間段”為三星星座，包括2顆位于同一軌道上的高分辨率偵察衛(wèi)星，1顆軌道較低的超高分辨率偵察衛(wèi)星，衛(wèi)星采用高敏捷衛(wèi)星平臺，計劃2016年開始部署。

2011年1月，美德以商業(yè)合作為幌子，開始共同發(fā)展偵察衛(wèi)星項目—“高分辨率光學衛(wèi)星”（HiROS）。該項目計劃用3顆衛(wèi)星在同一軌道面進行等相位分布，從而組成星座，它們都運行在太陽同步圓軌道，高490km，降交點當?shù)貢r10：30。衛(wèi)星的發(fā)射質(zhì)量820kg，平均功率380W。其主要有效載荷為全色/4通道多光譜相機，口徑0.75m；全色分辨率為0.5m，幅寬12km；4譜段多光譜分辨率2m；可側(cè)擺±10°或±30°，單軌立體成像，單次過頂時可成像5個條帶，拼接成60km×60km圖像，無地面控制點圖像定位精度±2.4m。

法國“光學空間段”衛(wèi)星在軌示意圖

2005年12月19日，瑞典政府決定研制光學成像偵察衛(wèi)星，從而成為繼法國、英國、意大利和德國之后歐盟第5個擁有偵察衛(wèi)星的國家。這顆偵察衛(wèi)星稱為“思維”（Svea），由瑞典空間公司負責研制，采用俄羅斯/烏克蘭的“第聶伯” （Dnepr）火箭發(fā)射，總成本約3810萬美元，包括3年的在軌運行費用。“思維”運行在500～700km高的近極地軌道上，地面分辨率1.2～1.5m，成像幅寬為8～12km。星上存儲容量為4Gbit，衛(wèi)星具有側(cè)擺45°成像能力，提高了重訪時間。衛(wèi)星總質(zhì)量約200kg。

日本

日本發(fā)展迅猛，積極推進新一代成像偵察衛(wèi)星系統(tǒng)研制部署，預計5年內(nèi)將擁有光學分辨率優(yōu)于0.5m、雷達分辨率優(yōu)于1m的衛(wèi)星偵察能力。日本計劃2012年發(fā)射情報收集衛(wèi)星－R4進入下午軌道面，至此第二代情報收集衛(wèi)星部署完畢。2012年，日本還將發(fā)射第三代情報收集衛(wèi)星－O5試驗星來試驗三代系統(tǒng)；2014年，發(fā)射第三代情報收集衛(wèi)星－O5，分辨率達到0.4m。

印度

印度在“十一五”（2007－2012）計劃指出，著重鞏固特定專題衛(wèi)星，加強高分對地觀測衛(wèi)星的災害監(jiān)測和減災應用。印度決定在“十一五”到“十二五”（2012－2017）之間，研制具有更高分辨率的制圖衛(wèi)星－3、4（CartoSat－3、4）。

制圖衛(wèi)星－3將于2012年－2013年發(fā)射，衛(wèi)星質(zhì)量約600kg，全色分辨率0.3m，幅寬為6km。制圖衛(wèi)星－4將于2014年－2015年發(fā)射，比制圖衛(wèi)星－3增加了立體測繪能力，分辨率為全色0.3m，多光譜1m。

3 軍商兩用

1999年，美國空間成像公司（Space Imaging）1m分辨率的“艾科諾斯”（Ikonos）衛(wèi)星發(fā)射成功，此后，世界商用高分辨率衛(wèi)星迅速發(fā)展，打破了衛(wèi)星高分辨率圖像由情報部門和軍隊獨家把持的局面。

為了保證圖像信息來源不間斷，避免成像偵察出現(xiàn)間斷，美國實施了“清晰圖像”（ClearView）、“下一代圖像”（NextView）和“增強圖像”（EnhanceView）三項計劃，以滿足美國情報和軍事測繪的需要。“清晰圖像”計劃提供了3～5年的圖像購買擔保，挽救了瀕臨破產(chǎn)的美國高分辨率商業(yè)遙感公司；“下一代圖像”計劃進一步支持美國高分辨率商業(yè)衛(wèi)星公司發(fā)展0.5m分辨率衛(wèi)星及業(yè)務運行；“增強圖像”計劃支持美國高分辨率商業(yè)衛(wèi)星公司發(fā)展0.25m分辨率衛(wèi)星及業(yè)務運行。

日本“情報收集衛(wèi)星”統(tǒng)計

“宇宙-地中海”衛(wèi)星星座

此外，商用遙感衛(wèi)星技術水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)增長，目前商用衛(wèi)星最高分辨率已達到0.41m。一些商業(yè)遙感衛(wèi)星公司已開始著手建立光學和雷達衛(wèi)星星座，預計未來5～10年商業(yè)遙感衛(wèi)星光學分辨率將達到0.25m，雷達分辨率達到0.5m。

4 發(fā)展趨勢

未來幾年，國外光學成像偵察衛(wèi)星分辨率將普遍優(yōu)于0.5m，注重多種分辨率、多幅寬、多種譜段綜合利用，采用先進光機材料和技術正成為研究熱點。

（1）更加注重戰(zhàn)術應用

美軍歷次作戰(zhàn)中均使用了光學成像偵察衛(wèi)星系統(tǒng)，在應用過程中也取得了許多經(jīng)驗和教訓，其中，最重要的一點就是要向戰(zhàn)術應用擴展。

但嚴格的說，美軍目前的空間系統(tǒng)只有通信衛(wèi)星系統(tǒng)和導航衛(wèi)星系統(tǒng)基本實現(xiàn)戰(zhàn)術級應用。而成像偵察衛(wèi)星系統(tǒng)仍屬于原有基礎上的演進型系統(tǒng)，技術進步不大，主要是改進了地面系統(tǒng)，如要取得進一步的突破，還要以全新思路發(fā)展全新的系統(tǒng)才能滿足全新的軍事需求。美國在未來的發(fā)展規(guī)劃中要將目前的機載戰(zhàn)術偵察和監(jiān)視系統(tǒng)逐漸向天基轉(zhuǎn)移。

（2）提升衛(wèi)星軌道

目前0.1m的分辨率已經(jīng)接近了衍射極限，很難再進一步提高，而衛(wèi)星從更高的軌道上達到同樣的分辨率也意味著技術上的突破。在更高的軌道上，雖然衛(wèi)星的周期較長，但在目標上空的駐留時間更長，視場更大，側(cè)擺觀測范圍也更大，可以抵消周期變長而改善重訪時間，并且能減少星座中的衛(wèi)星數(shù)量。

對于已經(jīng)擁有了較完備的光學成像偵察衛(wèi)星系統(tǒng)的美國，下一步光學成像偵察衛(wèi)星發(fā)展的目標就是在更高的軌道上提供超高分辨率圖像。現(xiàn)在，美國和歐洲都在探索研究靜止軌道成像偵察系統(tǒng)。

（3）混合星座

未來的成像偵察衛(wèi)星大部分以光學和雷達混合型星座形式出現(xiàn)，如美國的“未來成像體系”、歐洲的太陽神－2/“合成孔徑雷達-放大鏡”（SAR-Lupe）系統(tǒng)、“宇宙-地中海”（Cosmo-Skymed）/“昴宿星”系統(tǒng)和日本的“情報收集衛(wèi)星”系統(tǒng)等。由于目前成像偵察衛(wèi)星的應用領域已經(jīng)從戰(zhàn)略偵察向戰(zhàn)術應用轉(zhuǎn)移，因此系統(tǒng)的時間分辨率成為了評價系統(tǒng)效能的關鍵指標之一。為此除了技術較落后或剛開始發(fā)展軍事航天的國家外，未來的系統(tǒng)大多組成星座進行觀測，而且為了提高彌補光學衛(wèi)星固有的缺陷，都采用光學衛(wèi)星和雷達衛(wèi)星組成混合星座。

（4）軍民商結合

重視商業(yè)圖像和民用遙感圖像的利用，建立軍民商結合的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，才能更好地發(fā)揮偵察數(shù)據(jù)的效能。美國軍方每年都要為情報部門和作戰(zhàn)部隊采購大量高分辨率商業(yè)衛(wèi)星圖像，在美軍內(nèi)部設置了專門的商業(yè)利用小組（CET）維護其商業(yè)衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)庫，商業(yè)利用小組根據(jù)請求把圖像提供給作戰(zhàn)部隊。印度正在整合本國高分辨率成像衛(wèi)星資源，研制信息處理分發(fā)體系，建立軍民用衛(wèi)星一體化偵察系統(tǒng)。俄羅斯也開始轉(zhuǎn)向軍民協(xié)調(diào)的發(fā)展途徑。韓國政府投資發(fā)展高分辨率衛(wèi)星的同時也在積極尋求商業(yè)化運營手段。