國外光學成像衛星發展現狀簡析

趙煒渝，崔瀟瀟

（北京跟蹤與通信技術研究所，北京100094）

0 引言

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，在國際航天偵察領域呈現了三個層次的發展態勢。目前，處于第一集團的是絕對領先的美國，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，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。處于第二集團的是歐洲、俄羅斯、以色列、印度、日本，軍用全色分辨率優于1m。這些國家在光學偵察衛星方面強于雷達偵察衛星，目前一方面在提高光學衛星性能，另一方面在大力發展雷達偵察衛星，完善衛星偵察體系。處于第三世界的國家正處在起步階段，例如土耳其、埃及、沙特、卡塔爾、阿聯酋、南非、尼日利亞等，不僅對偵察衛星有較強烈的需求，也期望借助偵察衛星項目帶動自身航天技術的發展。

1 國外光學成像偵察衛星發展現狀

當前，美國有3 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800km，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。具體如表1所示。

歐洲正在向一體化衛星偵察系統方向努力，但由于各國偵察衛星技術發展不均衡，以及在軌衛星數量少等原因，目前還處于一種比較松散的合作狀態。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。

表1 美國在軌軍用光學成像偵察衛星

俄羅斯現役成像偵察衛星的可見光分辨率最高已達0.3m，多光譜空間分辨率2～3m，有些具備一定的星上數據處理能力和較高的數據傳輸能力。與歐美等國家研制的同類衛星相比，它們在壽命和可靠性方面還有一定差距。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。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，但都未達壽命即失效。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。

日本“情報收集衛星”（IGS）星座現由4顆光學衛星和1顆雷達衛星組成。其光學衛星的分辨率為0.6～1m，雷達衛星的分辨率為1～3m。具體如表2所示。

表2日本IGS成像偵察衛星

印度從1988年發射首顆自主研制的衛星——“印度遙感衛星”（IRS）-1A 以來，已經建成了一個龐大的對地觀測衛星體系，目前在役的衛星有10顆，在軌的光學成像偵察衛星有4顆，如表3所示，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。

表3 印度在軌光學成像偵察衛星

當今世界，商用高分辨率遙感衛星發展迅速，高分辨率商業成像衛星主要由美國、歐洲等國家的商業公司運行管理，例如，數字全球公司運行管理了3顆衛星（“快鳥”-2、“世界觀測”-1／2），地球之眼公司運行管理了2顆衛星（“伊科諾斯”、“地球之眼”-1）；阿斯特里姆地理信息服務公司運行管理了多顆衛星，包括“昴宿星”-1、“斯波特”系列、“陸地合成孔徑雷達”等。其中，“世界觀測”-2衛星和“地球之眼”-1衛星的空間分辨率均優于0.5m，分別達到0.41m 和0.46m。具體如表4所示。

表4 國外典型商業光學成像衛星的基本參數

2 國外光學成像偵察衛星主要在研項目

美國政府在2009年4月推出了新的光學成像偵察衛星計劃——“下一代光電系統”，亦稱“2＋2”計劃。“2＋2”計劃的主要內容包括：制造2顆先進的光學成像偵察衛星；增加商業衛星圖像的購買經費，以支持商業衛星圖像運營公司制造與發射2顆新的商業成像衛星。為避免超出預算或進度推遲，“2＋2”計劃中偵察衛星的性能將與目前在軌的高分辨率光學偵察衛星等同或略有提升。從目前來看，“2＋2”計劃的推出仍是一項過渡性的權宜之計。

2006年12月，美軍成功發射“戰術星”-2（載有直徑50cm 的高分辨率成像儀），試驗為戰區提供戰術級分辨率圖像的能力。2009年5月，美軍成功發射“戰術星”-3，該星載有“先進快速響應戰術有效軍用超光譜成像儀”。在為期13個月的試驗飛行階段，“戰術星”-3完成的主要工作是：1）拍攝了2100 張圖像，驗證了衛星能在接收指令后10min內向地面終端傳輸經過處理的目標信息；2）驗證了美陸軍的戰術作戰概念，即為旅級機動作戰部隊提供作戰任務規劃所需的偵察信息。

歐洲在研的項目主要是歐洲多國天基成像系統（MUSIS），該項目由法國牽頭，系統由不同型號的光學、雷達小衛星組成，預計數量10顆以上，將取代之前歐洲各國的多個偵察衛星系統，如法國“太陽神”-2系統，德國“合成孔徑雷達-放大鏡”星座等。

俄羅斯目前正在研制新一代光電傳輸型“別爾索那”成像偵察衛星，最高分辨率達0.25m，在軌壽命3年以上。但由于偵察衛星壽命較短且價格昂貴，難以大量裝備，俄羅斯光學成像偵察衛星的主要任務仍是執行戰略偵察。

日本正在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 的衛星偵察能力。日本計劃2014年發射第三代情報收集衛星——O5，分辨率達到0.4m。

印度決定在“十一五”到“十二五”（2012 ～2017年）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2012～2013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2014～2015年發射，比“制圖衛星”-3增加了主體測繪能力，分辨率為全色0.3m，多光譜1m。

商業遙感衛星運營商正在積極發展下一代商業遙感衛星，如美國“地球之眼”-2衛星和“世界觀測”-3衛星，以及歐洲阿斯特里姆公司的“斯波特”-6／7 衛星等。

“地球之眼”-2 衛星和“世界觀測”-3 衛星是美國國家地理空間情報局（NGA）在“增強視景”項目計劃下研制的商業成像衛星，分別計劃于2013年和2014年發射，空間分辨率可達到0.34m 和0.31m。其中，地球之眼公司的“地球之眼”-2衛星將在“地球之眼”-1衛星“全色＋4波段”的基礎上增加4個成像波段；數字全球公司的“世界觀測”-3衛星在沿用“全色＋8波段”模式（包括海洋藍、藍色、綠色、黃色、紅色、紅端和近紅外-1／2）的同時，將增加8個短波紅外（SWIR）波段。新增加的短波紅外波段可獲取空間分辨率為3.7m的紅外圖像。這也使得數字全球公司成為目前世界上唯一具有多譜段短波紅外成像能力的公司。

“斯波特”-6／7 衛星是阿斯特里姆公司自籌資金研制的2顆“斯波特”系列后繼衛星，以取代超過設計壽命的“斯波特”-5 衛星。這2 顆衛星采用新型衛星平臺，發射質量由3000kg降低到800kg，體積僅為“斯波特”-5 衛星的1／8；有效載荷是2 臺NAOMI成像儀，其全色／多光譜圖像的分辨率分別可達到1.5m／6m，而“斯波特”-5衛星的全色圖像分辨率為5m。“斯波特”-6／7衛星分別計劃于2012年和2014年發射，其軌道部署方式與法國“昴宿星”（Pleiades）系統相同，即2顆衛星運行在同一軌道面上，相位相差180°。

3 國外光學成像偵察衛星發展趨勢

世界上越來越多的國家正在發展高分辨率光學成像偵察衛星，并以此作為突破口帶動本國航天技術的發展。其發展和應用呈現出以下趨勢：

1）空間分辨率、光譜分辨率、輻射分辨率、時間分辨率持續提高

空間分辨率幾近物理極限，軍用光學成像偵察衛星分辨率最高達0.1m（美國“鎖眼”光學成像偵察衛星），紅外成像的空間分辨率達到米級，光譜分辨率達到納米級。美國2009年“戰術星”-3搭載的超光譜成像儀可以覆蓋可見光和短波紅外波段，工作譜段為400～2500nm，光譜段多達400個，光譜分辨率可達5nm，能夠精細探測地面目標的光譜特征，發現和判別偽裝目標和各類新目標。

2）光學成像偵察衛星軍事應用取得新突破

目前美國光學成像偵察衛星的發展正處于一個瓶頸期，一方面美通過“2＋2”計劃，試圖以發射技術較為成熟的高分辨率成像衛星和購買商業衛星圖像相結合的方式，維持天基情報偵察能力；另一方面尋求以“戰術星”概念引領低成本光學成像偵察技術的突破，來滿足戰場廣域偵察和近實時偵察的需求。特別是2011年6月，首顆面向作戰用戶戰術應用需求的“作戰響應空間”-1（ORS-1）成功發射，標志著光學成像偵察衛星軍事應用取得關鍵性進展。可以預見，美軍將加快探索成像偵察戰術小衛星未來的戰場應用能力。

3）高分辨率商業成像衛星軍事應用廣泛

高分辨率商業成像衛星已經成為強國軍事行動的常規情報源。美國“世界觀測”-1衛星50%的成像能力和“世界觀測”-2衛星60%的成像能力專用于美國地理空情報局（NGA）的地圖測繪和情報偵察監視（ISR）任務，而“伊科諾斯”衛星和“快鳥”-1衛星在阿富汗戰爭和伊拉克戰爭期間就已經為偵察衛星提供了很好的補充，充分展示了商業成像衛星在圖像情報（IMINT）領域的巨大應用潛力。在利比亞戰事期間，“世界觀測”-2和“地球之眼”-1為法、英等國的軍事行動提供了大量圖像。高分辨率商業衛星圖像已廣泛用于軍事目標偵察、打擊效果評估、戰場資源勘察、戰爭潛力評估等領域。

4 結束語

一直以來，光學成像衛星作為重要的航天力量得到了迅猛的發展，但是美國光學成像衛星的發展正處于一個瓶頸期：一方面試圖以運用軍事成像衛星和購買商業衛星圖像相結合的方式維持天基情報偵察能力；另一方面積極尋求“戰術星”概念引領的低成本光學成像衛星的新突破，來滿足戰場廣域偵察以及近實時偵察的需求。值得關注的是，越來越多的國家邁入了天基成像偵察的行列，特別是法國、日本等國家的天基光學成像能力已經接近世界先進水平，俄羅斯也在積極重建其天基偵察網絡。可以預見，在未來熱點地區以及重大事件的態勢感知方面，天基光學成像衛星系統將會發揮越來越大的作用。■

［1］夏亞茜.國外光學成像偵察衛星發展研究［J］.國際太空，2012（9）：39-43.

［2］梁巍，周潤松.國外偵察衛星最新進展［J］.航天器工程，2007（2）：30-40.

［3］何立萍.國外空間偵察監視系統的發展［J］.航天電子對抗，2007（6）：7-11.

［4］李云.國外下一代偵察預警衛星裝備發展分析［J］.中國航天，2012（5）：31-36.