國外光學成像偵察衛星發展研究

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

1 發展現狀

光學成像偵察衛星已經成為現代戰爭信息獲取系統的重要裝備。在空間分辨率方面，美國光學成像衛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、以色列衛星的軍用全色分辨率優于0.5m。在光譜分辨率方面，美國戰術衛星－3（TacSat－3）的光譜分辨率為5nm。

當前，美國有4顆鎖眼－12（KH－12）光學成像偵察衛星在軌運行，衛星發射質量18t，光學口徑約3m，焦距27m，壽命8年，采用大型光學系統、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星主要使用法國太陽神－2（Helios－2）衛星。該衛星帶有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星。其質量約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于20m，以80km間隔的地面控制點校正下定位精度優于0.5m。

法國太陽神－2衛星外形圖

2011年12月16日發射的法國首顆“昴宿星”

美國地球之眼－1對地成像示意圖

進入21世紀以來，俄羅斯一般每年發射1顆代號為“鈷”（Kobalt，又名琥珀－4K1）的返回式詳查衛星，2010年4月16日發射了宇宙－2462（Cosmos－2462）。俄羅斯傳輸型衛星從可見光到近紅外區域（0.4～1.1μm）的8個譜段，根據軌道高度不同，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星是從1997年6月開始發射的，2002年7月發射了第2顆，但都未達壽命失效。2008年7月27日發射的宇宙－2441衛星為最新型的“角色”（Persona N1）傳輸型詳查衛星，質量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，未投入現役。可以看出，俄羅斯至今仍是用返回式“鈷”衛星進行軍事詳查，測繪任務也由返回式衛星承擔，傳輸型光學成像偵察衛星還未能實現業務操作。

以色列一直利用小衛星進行軍事偵察，目前最新的衛星為地平線－9（Ofeq－9）衛星。該衛星長2.3m，最大寬度1.2m，總質量約350kg，比第二代“地平線”衛星質量增加了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星部署情況

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

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

現在，世界上商用高分辨率遙感衛星發展迅速，從1999年開始陸續部署了多種商用光學高分辨率衛星，其中地球之眼－1（GeoEye－1）衛星的分辨率最高，達到0.4m，圖像定位精度優于3m，相機指向側擺300km耗時9s。

2 在研項目

美國

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

美國曾以國家偵察局為主發展“未來成像體系”（FIA），它由光學和雷達衛星組成混合星座，提高了衛星軌道、衛星數量、定位精度和姿態機動能力，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?！拔磥沓上耋w系”包括可見光/近紅外傳輸型詳查衛星和合成孔徑雷達衛星兩部分，原計劃由10～12顆衛星組成。整個系統預期成本近90億美元（空間段60億美元和地面段27億美元）。衛星采用太陽同步軌道，設計壽命6～8年，質量約6500kg，不到現有系統的1/2，而性能卻更高。

由于向軍事作戰轉型過程許多技術、管理和經費問題沒有處理得當，所以導致“未來成像體系”光學衛星在投入50億美元后被迫中止，并很可能使整個星座崩潰。為了消除美國衛星成像偵察出現間斷的風險，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星原有基礎上重新建造了2顆鎖眼－12衛星。第1顆已于2011年1月20日發射，未來2年內還將再發射另外一顆。

歐洲

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

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星合同，價值7.95億歐元，它為2顆高分辨率偵察衛星，更低軌道的衛星正在論證中。“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星，1顆軌道較低的超高分辨率偵察衛星，衛星采用高敏捷衛星平臺，計劃2016年開始部署。

2011年1月，美德以商業合作為幌子，開始共同發展偵察衛星項目—“高分辨率光學衛星”（HiROS）。該項目計劃用3顆衛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，降交點當地時10：30。衛星的發射質量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個擁有偵察衛星的國家。這顆偵察衛星稱為“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）火箭發射，總成本約3810萬美元，包括3年的在軌運行費用?！八季S”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，衛星具有側擺45°成像能力，提高了重訪時間。衛星總質量約200kg。

日本

日本發展迅猛，積極推進新一代成像偵察衛星系統研制部署，預計5年內將擁有光學分辨率優于0.5m、雷達分辨率優于1m的衛星偵察能力。日本計劃2012年發射情報收集衛星－R4進入下午軌道面，至此第二代情報收集衛星部署完畢。2012年，日本還將發射第三代情報收集衛星－O5試驗星來試驗三代系統；2014年，發射第三代情報收集衛星－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星，加強高分對地觀測衛星的災害監測和減災應用。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星－3、4（CartoSat－3、4）。

制圖衛星－3將于2012年－2013年發射，衛星質量約600kg，全色分辨率0.3m，幅寬為6km。制圖衛星－4將于2014年－2015年發射，比制圖衛星－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）衛星發射成功，此后，世界商用高分辨率衛星迅速發展，打破了衛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，挽救了瀕臨破產的美國高分辨率商業遙感公司；“下一代圖像”計劃進一步支持美國高分辨率商業衛星公司發展0.5m分辨率衛星及業務運行；“增強圖像”計劃支持美國高分辨率商業衛星公司發展0.25m分辨率衛星及業務運行。

日本“情報收集衛星”統計

“宇宙-地中?！毙l星星座

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

4 發展趨勢

未來幾年，國外光學成像偵察衛星分辨率將普遍優于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）更加注重戰術應用

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

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

（2）提升衛星軌道

目前0.1m的分辨率已經接近了衍射極限，很難再進一步提高，而衛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，雖然衛星的周期較長，但在目標上空的駐留時間更長，視場更大，側擺觀測范圍也更大，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星數量。

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

（3）混合星座

未來的成像偵察衛星大部分以光學和雷達混合型星座形式出現，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、“宇宙-地中海”（Cosmo-Skymed）/“昴宿星”系統和日本的“情報收集衛星”系統等。由于目前成像偵察衛星的應用領域已經從戰略偵察向戰術應用轉移，因此系統的時間分辨率成為了評價系統效能的關鍵指標之一。為此除了技術較落后或剛開始發展軍事航天的國家外，未來的系統大多組成星座進行觀測，而且為了提高彌補光學衛星固有的缺陷，都采用光學衛星和雷達衛星組成混合星座。

（4）軍民商結合

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