遙感衛星系統及其應用的發展與思考

· 文|中國空間技術研究院 李忠寶

遙感衛星系統及其應用的發展與思考

· 文|中國空間技術研究院 李忠寶

介紹了遙感衛星系統的組成及其應用效果影響要素，對比分析了國內外遙感衛星系統技術發展現狀和應用進展，從系統關鍵技術與應用等方面闡述了我國遙感衛星系統及其應用與國外的差距，并從頂層規劃、關鍵技術研究、政策法規與商業化運營等方面提出了對策與建議。

衛星遙感 遙感應用 標準

遙感對地觀測是人類獲取地球空間信息的重要手段，在國民經濟建設和國防建設中具有不可替代的作用。隨著航天技術和傳感器技術的發展，初步形成了一個多層次、多角度、全方位和全天候的全球立體遙感網絡——高、中、低軌道結合，大、中、小衛星協同，可以獲得粗、細、精分辨率互補的遙感數據。通過星地一體化的全球立體遙感網絡，人類得以全方位對大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈、土壤圈、冰凍圈和人類圈七大圈層進行綜合觀測，以全球性的整體觀、系統觀和多時空尺度來研究地球整體行為。以“感知無限”為目標，當前國際上遙感數據的獲取趨向于三多（多平臺、多傳感器、多角度）和三高（高空間分辨率、高光譜分辨率和高時間分辨率）。國際市場上，商業遙感衛星的空間分辨率由WorldView-2的0.45m提高到WorldView-3的0.3m，我國高分辨率遙感衛星已從數米提高到1m的水平，給遙感應用帶來了無限的商機和潛力。

一、遙感衛星系統及其應用

1．遙感衛星系統組成

遙感衛星系統由衛星數據獲取系統和數據反演系統組成，如圖1所示。在遙感數據獲取系統中完成的是遙感的正演過程，在反演系統中完成的是反演過程。衛星數據獲取系統包括載有遙感器的遙感衛星系統和用于遙感數據接收和處理的地面系統，遙感衛星系統的輸入是載有景物(實體)信息的電磁波，輸出是景物包含的有關信息。這些信息再送入遙感數據反演系統以獲取有關知識，以滿足衛星遙感最終用戶的任務需求。

圖 1 遙感衛星系統組成

2.影響遙感衛星系統應用效果的要素

目前，遙感衛星系統在取得顯著成就的同時，也面臨著許多問題。集中表現在：一方面大量的遙感數據仍未得到真正有效的利用，另一方面遙感應用所需求的有效信息又十分匱乏。這兩者實際上是從不同側面反映了遙感數據應用的有效性問題，為此有必要從遙感信息鏈的角度分析影響遙感衛星系統應用效果的關鍵要素，指導后續遙感衛星系統應用效能的提升。

（1）衛星平臺要素

承載能力、供電能力、姿態穩定、軌道保持、微振動抑制、機動能力、溫度控制等直接影響遙感衛星載荷的性能和應用效能。

（2）有效載荷要素

安裝在衛星平臺上對地面或天體目標進行感知的精密光學或電子儀器。與衛星平臺、星地鏈路都存在緊密的耦合關系，直接影響遙感衛星數據的質量。

（3）傳輸鏈路要素

主要需考慮遙感衛星信號傳遞響應和衰減、大氣影響、空間電磁環境影響、信息安全、信息壓縮解壓等影響因素。

（4）地面系統要素

一般由地面數據接收系統、地面處理系統和應用系統組成。接收、處理和應用受到衛星平臺、載荷、星地鏈路的綜合影響，系統指標通常從服務能力、服務效率和應用精度等方面衡量。

上述各環節緊密耦合、相互作用，對遙感衛星應用效能產生直接影響。除此以外，在遙感衛星系統頂層設計時，還需要重點關注衛星系統、地面系統和應用系統之間技術指標的科學合理分配，進行多方案比較以實現更好的優化。目前遙感衛星系統頂層設計時，往往特別關注的是系統所獲取的遙感數據的質量，但遙感衛星系統的最終產品是從應用系統輸出的，因此需要特別關注遙感衛星系統輸出產品質量與獲取的遙感數據質量的關系，分清各自的貢獻，使系統最終輸出產品滿足應用需求。

二、國外遙感衛星系統及其應用進展情況

1.國外遙感衛星系統技術發展現狀

遙感衛星系統技術集中了空間、電子、光學、計算機通信和地學等學科的最新成就，是當代高新技術的一個重要組成部分。西方發達國家十分重視發展遙感衛星系統技術，從政策、資金等方面給予特別的重視和傾斜，并圍繞遙感衛星系統的設計、研制、生產以及衛星遙感數據獲取、接收、處理、分發、應用等全鏈路的關鍵環節制定了相應的標準。推動遙感衛星系統性能不斷提升，由分立系統向綜合體系發展過渡。

國外有代表性的遙感衛星系統包括地球觀測系統（EOS）、全球對地觀測系統（GEOSS），主要的光學衛星系列包括SPOT系列、QuickBird、以及WorldView系列、IRS系列、RapidEye系列、DMC星座；主要的雷達衛星包括RadarSat系列、Terra X-SAR系列、ENVISAT系列、ALOS系列等。

（1）成像衛星空間分辨率普遍達到亞米級，具有多種成像模式

美國保持領先，歐洲、日本、印度等國緊隨其后。光學和微波成像能力同步發展。

1） 光學分辨率0.1 ～ 1m，雷達分辨率0.3 ～ 1m，光譜分辨率納米級。

2） 均采用全球覆蓋軌道，向高敏捷能力、成像測繪一體化發展。

（2）氣象衛星綜合性和精細化能力強，短期氣象和長期氣候監測結合

美歐系統性能先進，領先其他國家至少一代，下一代新型系統即將服役。

1） 可以晝夜監測，監測范圍已能覆蓋對流層——平流層上部。

2） 具備太陽活動監測、空間環境探測等空間氣象監測能力。

3） 以微波探測儀器為主，具備三維大氣活動監測能力，水平分辨率最高達500m，垂直分辨率最高達550m。

（3）海洋衛星精度顯著提升，靜態環境和動態環境監測結合

1） 海洋水色探測由極軌衛星向靜止軌道衛星拓展，不僅可以探測水溫，還能監測氣溶膠。

2） 海洋風場探測向微波輻射計和微波散射計結合發展，風向精度達±20°，風速精度達2m/s。

整體來看，國外衛星遙感技術的發展趨勢體現為衛星系統由單一系列向星座組網發展；衛星傳感器由中高分辨率向高分辨率延伸，由單角度觀測向多角度和立體測量跨越，由空間維向光譜維拓寬。但國外遙感衛星系統工程技術標準相對少，遙感標準分布在不同的應用領域，沒有一個比較系統的、完善的遙感技術標準體系。數據及應用類標準主要以地理空間數據管理、交換、集成、共享與服務類標準為主，特別是地理信息方面的標準較為集中，涉及遙感數據獲取、下行傳輸方面的標準較少。

2.國外遙感衛星應用現狀

（1）采取靈活的高分辨率衛星數據運營策略

美國采用軍、民、商相結合，寓軍于商的發展策略，出臺支持國家高分辨率遙感產業發展的國家遙感政策，平時通過政府大量定購商業遙感公司圖像，為其新一代系統研制注入資金，推動商業遙感衛星技術發展，戰時嚴格控制衛星圖像數據的獲取與分發，通過買斷過頂成像時間或行使“快門控制權”等滿足國家安全與外交利益需求。

歐洲通過“分工協作、合作開發、交換數據”的方式運營歐洲的高分辨率遙感衛星系統，在法意和法德之間建立起了廣泛的數據交換合作機制，只有具備數據交換資本的國家才能參與這一高分辨率遙感數據俱樂部。

（2）成立遙感圖像銷售公司，拓寬銷售渠道

創建專門的遙感圖像銷售公司，樹立數據產品品牌，積極開拓市場，提高數據的利用率和市場競爭力，同時積極參與國際合作，采取全球建站或是建立全球圖像銷售網絡的形式擴展數據分發領域，擴大應用范圍。各遙感公司之間還通過簽訂合同或建立伙伴關系，代銷或經銷其他公司或非商業化的民用遙感衛星圖片，包括美國LandSat、加拿大RadarSat、法國SPOT以及印度IRS等衛星的圖片，代銷經銷這些衛星圖片無需支付這些衛星的巨額制造費和發射費，從而實現運營成本的大幅度降低。

（3）重視存檔數據價值的挖掘和使用，加強圖像增值處理

各國以往注重的是向用戶出售在軌衛星實時傳輸回來的圖像，并盡量縮短向用戶交付實時傳輸圖像的時間，而對大批已存檔的圖像重視不夠。美國偵察局已經開始重視存檔信息的處理，將早期的一些偵察衛星數據經過解密后供民用部門使用。圖像衛星國際公司宣布將EROS-A1的存檔圖像削價50%出售，由此可見，存檔的圖像也是一筆可觀的財富。盡管存檔圖像可能有點陳舊、過時，但對于某些需要地面靜態或緩變自然信息或社會信息的用戶來說，仍有很高的使用價值，商業遙感衛星公司可以用它來創收增效。

（4）與專業應用緊密結合，產業化、商業化產生巨大效益

美國農業部外國農業局的全球作物遙感估產系統每年從其國際農產品貿易中獲益高達十幾億美元。

（5）重視標準產品的生產，為大批量業務化應用提供可能

美國的NASA組織了由眾多著名科學家組成的科學小組研究MODIS處理算法，在所提出的32種算法的理論基礎上可以處理出44種標準的數據產品，用于不同專業的科學研究。

（6）建設高效地面系統，實現數據共享

美國宇航局戈達得飛行中心的EOSDIS 數據系統，其處理和管理的數據量，僅其EOS AM-1 平臺達到每天1500GB，這些數據源源不斷地通過網絡或其他途徑向全世界用戶提供服務。

（7）衛星發展、地面系統和支撐建設與遙感應用緊密相連

在美國MODIS和法國SPOT的研發階段，應用系統的開發與載荷及地面支撐系統同步研制，其經費占到了整個計劃的30%。通過開展應用系統的研制，一旦衛星發射成功，遙感數據可以迅速轉為信息，并直接到達用戶的手中，迅速得到應用，很快產生效益。在國土資源規劃、防災減災、環境監測等多個領域獲得更廣泛應用。

三、中國空間技術研究院遙感衛星系統及其應用

1.中國空間技術研究院遙感衛星系統技術發展介紹

（1）平臺與載荷

經過幾十年的發展和沉淀，中國空間技術研究院（五院）遙感領域已經形成了系列化、產品化的大、中、小遙感平臺型譜，以此為基礎發展形成了系列遙感衛星系統，廣泛應用于陸地觀測、軍事偵察、海洋信息獲取和環境監測等各個領域，為我國社會經濟和軍事國防的建設和發展，發揮了重要作用。

目前，五院中大型遙感衛星平臺型譜由ZY1000、ZY2000、ZY3000和ZY4000等四個衛星平臺。小衛星遙感衛星平臺型譜由CAST100、CAST968、CAST2000等衛星平臺組成，具備覆蓋高、中、低軌，承載大、中、小型載荷的能力，能夠滿足未來10～15年的研制需求。

（2）系統關鍵技術體系

面對衛星組成越來越復雜，功能越來越多，性能指標越來越高，系統技術水平越來越高的發展趨勢，五院以技術推動、需求牽引為動力，掌握了遙感衛星在軌智能管理、敏捷機動成像模式設計、微振動隔振抑制設計、遙感衛星全鏈路成像質量分析與設計、平臺載荷一體化設計等關鍵技術，初步具備衛星多層次遙感數據獲取、數據分析與處理、遙感數據綜合應用能力，并形成了較為完備的遙感衛星系統關鍵技術體系。

2.中國空間技術研究院遙感衛星應用情況

中國空間技術研究院借助星地一體化優勢，經過30多年發展，在遙感衛星應用方面，已經掌握了從遙感衛星測控、運行管理、數據接收、產品生產、綜合應用、存檔管理到分發服務等方面的一系列核心技術，研制開發了覆蓋遙感產業鏈的多個遙感專業應用產品，見圖2。目前已經具備衛星遙感數據接收、處理分發和增值服務的全鏈條業務能力。具備遙感影像輻射校正、系統幾何校正、定標、精/正射校正、影像增強、圖像融合、拼接鑲嵌等技術及系統建設能力和遙感影像定量應用能力。

圖 2 星地一體化遙感應用示意圖

四、我國遙感衛星系統及其應用差距分析

我國遙感衛星系統技術及其應用已形成一定基礎，但總體上與國際先進水平相比仍有較大差距，天地一體化系統缺少頂層規劃和設計，衛星與地面相對脫節，遙感衛星信息資源的最大效能尚未充分發揮，一些核心技術和關鍵產品仍受制于人，高效衛星信息融合處理機制及技術、信息安全理論與技術等方面的研究存在較大差距，突出表現在系統頂層設計、衛星平臺技術、遙感信息高精度處理和空間信息融合等幾個方面。

1.遙感衛星系統關鍵技術環節差距分析

（1）連續、穩定運行的商業遙感體系尚未形成

在衛星遙感領域，國外已經建立了軍用系統、民用系統和商業系統三大相互獨立和有機聯系的系統，其中軍用系統主要集中實現極高的分辨率，民用系統主要集中在中、低分辨率的公益型系統，商業化系統則是民用高分辨率數據的主要來源，由國家支持、商業化發展。我國目前軍用和民用兩個系統已經成為規模，商業化系統未能成氣候。

當前我國存在的主要問題是國產有用、有效的數據源缺乏，對國外數據的強力依賴性，連續穩定運行的軍、民、商有機聯系的遙感體系尚未形成。

（2）不同軌道綜合組網協同觀測能力相對落后

由于缺乏業務需求為主導的國家空間基礎設施建設機制，長遠統籌不足，加之體制方面的問題，目前我國國家層面的遙感衛星系統建設的統一規劃還沒有實施。各應用部門需求迫切的衛星資源得不到很好滿足，形成了衛星立項一事一議、地面系統自成體系、業務應用時斷時續的不利局面。

（3）高性能、高集成度遙感衛星平臺技術相對落后

我國的遙感衛星平臺與國外先進平臺相比，仍存在不小的差距。突出表現在研制成本高，平臺承載比低，衛星平臺電子系統集成化、智能化水平偏低，圖像定位精度不足，微振動抑制能力弱，姿態機動能力不足等方面。

（4）高精度的基礎地理信息獲取能力不夠

從用戶的需求來看，各行業部門需求量最大的基礎地理信息要求高分辨率的遙感數據作為數據源，而我國目前用于測繪的衛星平臺的穩定度、POS精度和姿態測量精度都比較低，使得測繪數據的整體精度不高，無法滿足更高比例尺基礎測繪數據的需求。

（5）精細化、定量化的信息獲取與處理技術落后

國內光學遙感器的星上輻射定標技術不夠成熟，地面實驗室輻射定標的精度不高，絕對輻射定標精度僅能達到10%，幾何精度標定等研究還較少開展，還不能滿足光學遙感衛星的遙感定量化的需要。

2.遙感衛星應用差距分析

（1）數據加工處理能力弱，高質量影像數據產品時效性差

我國遙感衛星的地面接收處理隊伍規模小，負責專題產品生產的用戶部門一般都只有十幾人、幾十人的隊伍。國產遙感衛星地面接收處理的產能低，與接收的衛星數據量有較大的差距，導致數據處理時延長，不能滿足用戶的需求。

（2）信息數據分發手段與渠道不足，積壓與貧乏矛盾突出

目前國產遙感衛星數據缺乏數據分發服務平臺、手段和渠道，形成了供方產品積壓與需方數據缺乏的矛盾局面。一方面國產衛星數據分發銷售不暢，衛星用戶仍然局限于少數政府行業部門，大量產品積壓，另一方面，衛星影像應用用戶、包括大量的省市縣級的行業用戶和企業個人用戶不能順暢地獲取國產衛星影像。

（3）行業應用不深入，沒有融入常態管理、實現業務化

我國衛星遙感數據及其行業應用普遍存在深度不夠的狀況，數據源和數據處理、加工、分析的可靠性不高。導致衛星遙感數據及應用科研、試驗層面多，一次性決策分析應用多，未能與行業用戶的日常生產業務相結合、融入用戶的常態管理與日常工作，未能形成高可靠性的業務化行業應用系統，無法實現高頻次、流程化的應用局面。業務化、可靠性是我國衛星遙感行業應用推廣普及的核心問題，也是衛星遙感信息產業發展的核心問題。

（4）數據比較分散、共享程度低，導致重復建設、資源浪費

目前，我國使用對地觀測數據的單位有數百家，較大的用戶部門有10 余家。大的部門有自己的數據處理、開發應用中心，小的部門僅僅是開發應用。由于缺乏國家數據政策的支持和統一管理，各行業部門之間條塊分割，數據共享程度有限，造成了一定的重復建設。此外，數據接收和共性處理( 預處理) 系統互相分割，結構不合理，低水平重復建設嚴重。

五、對策和建議

（1）加強頂層規劃，構建遙感衛星綜合系統

衛星遙感系統是空間應用領域中最為重要的一部分，我國應該在已有的遙感衛星系統基礎上，建設一個大型綜合的衛星遙感系統，研制新型先進星載遙感器和高性能通用遙感衛星平臺，結合以IP為基礎的天基互聯網技術發展、以高性能敏捷智能成像衛星為基礎，通過多星協同組網或編隊，形成高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率的空間觀測網絡，使用戶可以足不出戶實時獲取全球范圍任意地區空間信息。

（2）大力推動靜止軌道對地觀測技術的研究

隨著減災、資源、環境等應用領域對衛星遙感數據的時間分辨率要求越來越高，傳統低軌道對地觀測衛星已經很難滿足遙感用戶高時間分辨率的要求。開發超高分辨率成像技術，構建先進的靜止軌道對地監視系統，可以實現區域精準農業評估、環境監測、災害監測評估、邊境與危機沖突地區監視等功能，極大提高區域監視與決策輔助支持能力。

靜止軌道對地觀測技術可以分為四類開展研究：高分辨率光學成像監視、高分辨率SAR成像、高光譜探測與輻射測量、微波被動遙感探測（微波輻射計、散射計）。

（3）發展多手段基礎地理信息系統

目前，對地物目標觀測已不再局限于只獲取二維平面信息，而是要得到三維的立體信息。對地三維測繪衛星一般包括：光學測圖衛星、干涉雷達衛星和激光雷達衛星。光學成像立體測繪技術發展較早，但要實現更高測繪精度還需要大力攻關；而干涉SAR技術已開展了很多關鍵技術攻關，但投入力度和推動力都不足，與國外差距較大，需重點投入并向工程應用大力推進；激光雷達技術由于受各種基礎元件（如激光器、探測器、窄帶濾光片等）的限制發展較慢，而國外近年則進展非常大，各種大氣測量、測高用的激光雷達紛紛發射投入使用，需要給與高度重視及早布局開始研究。

（4）制定國家級衛星遙感數據使用和推廣法規

結合國家當前和未來發展需求，在遙感衛星規劃、研制、數據應用、數據分發和數據保密等方面制定針對性的政策，促進衛星遙感產業的發展，加強國際合作，提升在國際遙感領域的競爭力。探索“軍星民用”和“民星軍用”的共享服務模式，鼓勵軍民單位共建衛星應用技術基地，研究軍星數據進行民用的技術問題并建立商業運營平臺。

（5）建立綜合數據處理中心，實現多星多類型數據綜合地面數據處理、歸檔、分發和服務

隨著衛星遙感數據源性能的不斷增強以及數據量的極大膨脹，需要建立綜合數據處理中心對數據進行有效管理和維護，通過標準、規范和法規政策的制定加強對數據質量的控制，提高數據的質量和精度，進而提高對衛星遙感數據的應用效益。從衛星遙感技術的發展來看，遙感衛星的空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率都在迅速提高，遙感器種類迅速增加，為避免重復建設，提高效率，地面數據處理系統已經向多顆衛星、多種有效載荷數據集中處理、產品生產、歸檔與分發的模式轉變。

（6）鼓勵央企和民間資本進入全球商用遙感衛星運營市場，提升競爭力

鑒于衛星遙感數據具有的巨大市場價值，以及我國在全球市場中市場份額過低的現狀，應積極支持和鼓勵航天類央企和民間資本投入到遙感衛星特別是高分辨率遙感衛星的商業運營中。通過“公平、公正、自由競爭、擇優支持”的原則營造良好的商業競爭環境，支持衛星應用企業健康快速發展，逐漸退出以政府為主導的發展模式。條件成熟時，鼓勵企業走出去，將我國航天制造技術和衛星應用技術推廣到全球尤其是第三世界國家。

六、結論

遙感衛星及其應用系統的建設是世界大國的重要戰略發展領域，其發展水平直接關系到國家安全、經濟建設和大眾民生，具有巨大的市場價值潛力，是國家實力的重要標志。由于種種原因，我國的遙感衛星系統技術及其應用的發展目前還存在多部門低水平重復建設、數據應用效率低、可持續發展乏力等問題。為促進遙感衛星系統及其應用技術的發展，必須加強對遙感衛星系統建設和遙感數據應用的宏觀規劃指導與協調，以應用為主導發展衛星遙感產業，促進遙感衛星系統技術及其應用的科技創新，不斷縮小與國際先進水平的差距。

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