視頻成像衛星發展現狀與啟示

● 文|中國空間技術研究院西安分院 朱厲洪 回征 任德鋒 陶孝鋒

視頻成像衛星發展現狀與啟示

● 文|中國空間技術研究院西安分院 朱厲洪 回征 任德鋒 陶孝鋒

一、概述

視頻衛星是一種新型對地觀測衛星，可以采用“凝視”的方式對某一區域進行連續觀察，并以視頻的方式來記錄觀察信息，特別適用于動態目標的觀測。所謂“凝視”是指隨著衛星的運動，光學成像系統始終盯住某一目標區域，可以連續觀察視場內的變化。其優點在于可同時連續觀測全視場內發生的現象，能實時、定點地觀測；可靈活、機動地獲得圖像，根據用戶需要直接定制圖像；凝視模式無需機械掃描機構，可減輕衛星的質量和功耗[1]。

當前主要有兩種手段實現“凝視”[2]：一是采用靜止軌道光學成像衛星；二是采用具備較高姿態敏捷能力或具備圖像運動補償能力的低軌光學成像衛星，見圖1。靜止軌道衛星由于軌道動力學特性，衛星與地面相對靜止，從而實現凝視。但為了在高軌實現米級地面分辨率，其成像系統口徑必須足夠大，目前美、歐正在積極研制大口徑（至少大于4m）光學成像系統。而對于低軌衛星而言，其利用平臺的高敏捷能力來實現“凝視”，典型代表為印尼與德國合作研制的“印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術大學衛星”（LAPAN-Tubsat）和美國“天空衛星”等。

圖1 低軌目標凝視示意圖

我國由國防科技大學設計、聯合中國空間技術研究院生產的“天拓二號”視頻微衛星，于2014年9月8日發射升空，準確進入預定軌道。其主要任務是進行視頻成像與實時傳輸、動態目標連續跟蹤觀測等科學試驗，為發展高分辨率視頻成像衛星奠定技術基礎。是我國繼研制成功世界上首顆單板納星——“天拓一號”之后，在航天領域取得的又一重要創新成果[3]。

二、視頻成像衛星發展現狀

1.靜止軌道視頻衛星

地球靜止軌道（GEO）衛星“站得高、看的遠”，可以實現對地球表面移動目標的偵查監視、地球各種自然要素的長期演變監視等，能在感興趣的區域內拍攝單目標乃至多個活動目標的視頻，可彌補傳統偵察衛星的時間分辨率低和覆蓋范圍小等問題，在動目標監視和變化監測上具有廣闊的應用前景。

(1)美國“莫爾紋”

美國國防高級研究計劃局（DARPA）為了解決靜止軌道光學偵察衛星的技術難題，提出使用可折疊伸展的光學薄膜，在軌道上展開作為衛星光學系統的物鏡，滿足靜止軌道高分辨率成像苛刻要求的方案，這就是著名的薄膜光學成像儀實時利用（MOIRE）項目，一次可覆蓋40%的地表區域，能夠在任何時間傳輸世界上任何地點的實時高清晰影像，圖2為“莫爾紋“項目示意圖。

圖2“莫爾紋”項目示意圖

MOIRE采用了巨型薄膜結構，薄膜厚度與家用保鮮膜相當，采用衍射成像技術。先以折疊形式被送入軌道，然后在太空中伸展到直徑68英尺（20.7m）。目前，體積最大的地面望遠鏡的口徑只有它的一半，哈勃太空望遠鏡的口徑比它小8英尺（2.4m）。美國國防高級研究計劃局已于2010年8月授出了“莫爾紋”項目的研制合同，目前宣稱的業務系統成本約5億美元，系統能夠在靜止軌道實現1m的高分辨率，視場為10km×10km，成像速率1幅/s，可提供實時地部隊移動監視、跟蹤和戰場破壞評估（BDA），最終達到導彈發射探測和跟蹤的能力。

2013年12月,美國國防高級研究計劃局已經對MOIRE衛星原型進行地面測試，但還沒有確定具體發射時間。

（2） 歐洲“GO3S”衛星

2009 年，阿斯特留姆（Astrium）完成了10.5m分辨率的“靜止軌道-眼睛” 星（Geo- Oculus）設計方案論證工作。2011 年，該公司在巴黎航展上展示了“地球靜止軌道空間監視系統”（GO3S）衛星項目。GO3S 衛星的分辨率為3m，主鏡口徑達到4m，可拍攝視頻影像，實時監視移動目標。2013年3月，新加坡表示可能為該衛星的研制進行投資，如果該意向得到落實，Astrium將于2016年開始制造衛星，并于2020年發射[4]。2顆衛星示意圖見圖3。

圖3 Geo-Oculus衛星示意圖（左）和GO3S衛星示意圖（右）

“靜止軌道監視系統“（GO3S）衛星是歐洲Astrium公司從2011年開始發展的3m分辨率靜止軌道光學成像衛星，其具備100km幅寬，5幀/s視頻拍攝能力，裝配4m口徑的光學成像系統，衛星質量約8t。

GO3S衛星有3個視頻工作模式。“突發”模式（快速連拍模式）是在短時間內以較高的幀速率拍攝視頻，該模式用于快速獲取時敏目標的速度、方向等瞬時特性；“持續視頻”模式（短片視頻模式）是在數分鐘的拍攝時間內以較高幀速率拍攝視頻，盡管達不到24幀/s的真正視頻效果，但該模式盡量使每幀圖像連貫起來；“時延視頻”模式是以一定時間間隔（如分鐘、數小時或天）拍攝視頻，這種模式主要用于跟蹤艦船，也可用于獲取海洋環境的長時間演化特性。后兩者可用于長期獲取海洋環境等長時間演化特性。

2.低軌視頻衛星

低軌道視頻衛星具有高敏捷性、持續觀測和低成本的特點，在對動態目標的跟蹤和監測方面具有很廣泛的應用潛力[5]。近年來，國內外出現了眾多能夠拍攝視頻的低軌道衛星，例如印度尼西亞于2007年1月10日發射的“印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術大學衛星”（LAPAN-TUBSAT），南非于2009年9月發射了與LAPAN-TUBSAT類似的小衛星Sumbandliasat，美國于2013年11月發射了分辨率約1m的“天空衛星-1”業務型視頻衛星等，我國也于2014年9月發射了首顆視頻衛星。

（1）LAPAN-TUBSAT衛星

LAPAN-TUBSAT衛星，是印度尼西亞與德國柏林技術大學從2003年開始合作研制的微衛星。在德國DLR-Tubsat的基礎上進行研發，主要用于對地觀測和高度控制試驗，屬于試驗星。衛星的尺寸為45cm×45cm×27cm，三軸穩定，質量為56kg，位于太陽同步軌道，高度為635km，設計壽命2年。有效載荷為1臺高分辨率攝像機和1臺低分辨率攝像機。高分辨率攝像機主要由索尼公司的高清晰度DXC-990P型民用可遙控攝像機和尼康公司制造的焦距1m、相對孔徑f/11的折射望遠鏡組成，包括支撐結構的總質量為7.8kg。空間分辨率為6m，幅寬為3.5km，見圖4。

DXC-990P是1臺可換鏡頭式3CCD攝像機，每塊CCD的像元數為752×582，合430萬像素，像元尺寸為7μm。另外，DXC-990P監控攝像機采用了Exwave HAD技術，適于光照強度大范圍變化的場合使用，如存在部分云覆蓋的目標區域。該攝像機的行掃描速度為15.625KHz，列掃描速度為50Hz，可以產生50幀/s的視頻，輸出清晰度達到850線，輸出格式為PAL制式。

圖4 LAPAN-TUBSAT衛星

低分辨率攝像機由德國Kappa公司研制，使用50mm焦距鏡頭，采用752像素×582像素CCD面陣探測器，空間分辨率200m，幅寬81km。

（2）LAPAN-A2衛星

印度尼西亞國家航空航天研究所-A2（LAPAN-A2）衛星是在LAPAN-TUBSAT的基礎上進行研制的，計劃于2015年發射[6]。該衛星帶有一個船舶自動識別系統（AIS），用于確定在印度尼西亞水域上的船舶的類型和編號等，其監視的覆蓋范圍是LAPAN-TUBSAT衛星的3倍[7]，見圖5。

圖5 印度尼西亞國家航空航天研究所-A2衛星結構透視圖

衛星運行在近赤道軌道，高度650km，傾角8°，平臺尺寸為47cm×50cm×36cm，發射質量76kg。在俯仰和滾動向可側擺機動±30°。它共攜帶4個有效載荷，包括與印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術大學衛星相同的視頻相機、試驗型空間數字相機、船舶自動識別系統和無線電通信載荷。研制成本約350萬美元。試驗型空間數字相機基于德國西塔系統電子股份有限公司（Theta System Elektronik-GmbH）的名稱為C4000型空間攝像機（SpaceCam）商業現貨研制，空間分辨率6m，幅寬12km。

（3）天空衛星

美國天空盒子（Skybox）公司計劃在低地球軌道部署名為“天空衛星”（SkySat）的對地觀測星座，該星座由24顆小衛星構成，見圖6。它們采用“互補金屬氧化物半導體”（CMOS）成像敏感器，具有高分辨率成像和高清視頻能力，目前已完成了前2顆業務星部署[8]。2013年11月21日“天空衛星”星座的首發星天空衛星-1成功發射，該衛星除硬件先進外，還采用了地面圖像處理等軟件技術。

圖6 天空衛星星座示意圖

天空衛星-1質量約100kg，設計壽命6年，運行在近地點563km、遠地點597km的太陽同步軌道。攜帶碳化硅制造的里奇-克萊琴（R-C）反射光學成像系統。天空衛星-1在成像模式工作時，其全色分辨率0.9m，4譜段多光譜分辨率2m，幅寬8km；在視頻模式工作時，只能提供全色視頻，分辨率1.1m，幅寬2km×1.1km，可見視頻產品的幅寬比成像模式時的幅寬下降3倍。視頻30幀/S，持續時間90s，輸出H.264編碼的1080P高清MPEG4格式視頻。天空衛星-2與天空衛星-1設計完全一致，于2014年7月8日搭乘聯盟-2-1b（Soyuz-2-1b）火箭進入近地點623km、遠地點637km的太陽同步軌道。

空間相機拍攝高幀速率視頻對探測器所需的積分時間和電路讀出時間的要求比拍攝傳統靜態圖像的要求高。拍攝視頻要求在較短的積分時間內滿足圖像信噪比的要求。傳統的線陣探測器難以滿足這一要求，因此天空衛星-1使用550萬像素的CMOS面陣探測器，實現畫幅式推掃成像。根據天空盒子公司公布的有限資料推測，“天空衛星”使用了錯位排列拼接的CMOS面陣探測器。使用拼接陣列的原因通常是受限于當時的探測器加工技術，難以制造像素數多的探測器，因此采用拼接，以擴大觀測幅寬。由于面陣探測器單次成像面積比線陣探測器大，因此同一目標區域可以獲得多次拍攝機會，通過多幅圖像疊加處理，提高了信噪比。

天空衛星-2[9]于2014年7月8日由俄羅斯聯邦-2.1b/微風-M火箭送入太空，在軌高度450km，質量約100kg，用于獲得高分辨率全色和多光譜地球圖像。它比第一顆增加了肼推進系統，以進行軌道控制。它所攜帶的光學成像儀覆蓋全色450～900nm頻段，全色分辨率0.9m；4個多光譜通道覆蓋藍450～515nm，綠515～595nm，紅605～695nm，近紅外740～900nm頻段，分辨率2m，幅寬8km，支持立體成像。衛星在全色模式最長可獲取90s的高清視頻，通過快速瞄準地面目標、補償軌道運動持續觀測地面目標，視頻獲取可實現30幀/s，分辨率1.1m，最小視場2.0km×1.1km。

為了實現“凝視”以拍攝視頻，“天空衛星”能夠在俯仰、滾動和偏航3個方向實現側擺機動。同時CMOS探測器還具有前后左右4個方向的自由度，配合平臺的3個自由度，共計7個自由度，由此實現圖像運動補償，從而加強了凝視效果。

2014年2月10日，天空盒子公司與美國勞拉空間系統（SSL）公司宣布簽訂了一項衛星制造合同。根據合同要求，勞拉空間系統公司將利用天空盒子公司提供的衛星設計方案為其制造13顆商業高分辨率對地觀測衛星。這些衛星單星質量約120kg，尺寸為60cm×60cm× 95cm，設計壽命超過6年，計劃于2015-2016年發射，進入高度約500km的太陽同步軌道。勞拉空間系統公司研制的這13顆衛星沿用天空衛星-1的設計方案和相關技術，軌道比天空衛星-1軌道偏低，因此空間分辨率有所提高，預計約為0.8m。待這13顆衛星發射入軌后，其構成的“天空衛星”星座將具備對地面指定區域8h重訪成像的能力。

用戶無需建設地面站，只需要一部小型化“天空節點”（SkyNode）終端和2.4m 直徑的衛星天線，就可直接下達成像指令和下載衛星數據，最快20min 即可完成圖像處理。利用視頻特征提取技術，用戶可自行定制多樣化的特色應用。例如：通過計算停車場的車輛數量，得出商場、超市等商業場所的客流量或經營狀況；通過計算道路上行駛的車輛數量，分析交通擁堵、尾氣排放等信息；跟蹤和識別水面船只，包括船只的類型（大、中、小）、長度和重量等信息等。

（4）V1C型小衛星

2014年4月，薩瑞美國（SST-US）公司發布了其新近研制的具有彩色視頻成像能力的V1C型小衛星。

V1C型小衛星價格低于2000萬美元，星下點空間分辨率優于1m，地面幅寬為10km，幀頻高達100幀/s。V1C型衛星基于薩瑞公司新近推出的SSTL-X50衛星平臺研制，具有星上大數據存儲能力。此外，薩瑞美國公司還推出了具有0. 5m分辨率光學成像能力的L1型衛星。V1C型衛星和L1型衛星具有任務可再配置能力，可以應用在一系列情報收集領域，如監視、探測和確認等。

根據衛星發射數量不同，V1C型衛星可構成多種不同的星座構型，如以30～60min的時間間隔部署在同一軌道，以便于在每天特定時段提供近實時的視頻覆蓋。

（5）地球直播公司的“國際空間站”高分辨率視頻相機項目

2013年11月25日，加拿大地球直播（Urthecast）公司的兩部光學成像系統-高分辨率相機和中分辨率相機，由俄羅斯“進步”貨運飛船送往“國際空間站”。2014年1月27日，高分辨率相機和中分辨率相機在“國際空間站”的俄羅斯星辰號服務艙上成功安裝。

其中高分辨率相機由英國盧瑟福-阿普爾頓實驗室（RAL）與加拿大麥德（MDA）公司合作研制，安裝在二維轉向平臺上，分辨率為1.1m，視場為5km×3.4km，采用3048像素×4560像素的面陣探測器，能夠拍攝單幅圖像和幀速率3.25fps（1fps=0.304m/s）的視頻，高分辨率相機每天可產出150段（每段90s）的視頻。中分辨率相機（MRC）天底點指向時分辨率為5m，幅寬為45km，安裝在固定平臺上，可對南北緯51.60范圍內拍攝多光譜圖像。未壓縮的視頻和圖像數據經相機采集后，通過地面站傳給大容量的服務器，用戶可以通過在網站上免費注冊來共享這些圖像和視頻。

UrtheCast還計劃于2017年在“國際空間站”的寧靜號節點艙上安裝遙感相機和雷達成像載荷。

3.我國視頻衛星現狀

繼美國Skybox Imaging 公司在衛星實時圖像和視頻監控領域探索可行的商業和民用價值之后，中國也已叩開這扇門。“天拓二號”是我國首顆采用視頻成像體制的微衛星，見圖7。

圖7 天拓-2衛星

“天拓二號”衛星運行于太陽同步近圓軌道，尺寸為515mm×524mm×685mm，質量為67kg，有效載荷為4臺不同性能的攝像機，可實現對地最高5m分辨率的視頻成像。其主要任務是進行視頻成像與實時傳輸、動態目標連續跟蹤觀測等科學試驗，為發展高分辨率視頻成像衛星奠定技術基礎。“天拓二號”的研制成功并進入預定軌道運行，是國防科大繼研制成功世界上首顆單板納星——“天拓一號”之后，在航天領域取得的又一重要創新成果。

“天拓二號”采用視頻成像和視頻圖像實時傳輸的工作方式，具有實時視頻成像、人在回路交互式操作、基于網絡的遠程操作控制等功能，能實現對動態運動過程的連續觀測和跟蹤，獲取觀測區域的視頻數據，能以25幀/s的速度對某處拍攝3min的影像。據介紹，“天拓二號”采用了80%的工業級元器件和70%的商業現貨部組件，科研人員通過空間環境適應性改造、加固、篩選與環境實驗，實現了衛星研制的低成本和高可靠，在視頻成像體制、交互式操作、網絡操控、工業級元器件篩選及加固等方面，取得了一系列關鍵技術突破，“天拓二號”視頻衛星作為一種新型對地觀測衛星，在資源普查、災害監測、動態事件觀測等方面具有廣泛的應用前景。

三、發展趨勢

（1）視頻衛星從技術試驗向業務型應用過渡

2007年發射的LAPAN-TUBSAT和2009年發射的Sumbandliasat尚屬于技術試驗星，但隨著小衛星技術、大像元數面陣探測器以及圖像處理等技術的發展，高分辨率的視頻小衛星得以實現。當前，還有公司構想利用“圖像”來獲取“信息”，例如，找到輸油管道上的漏油點，或者統計出沃爾瑪超市停車場中停車的數量，從而估計出該公司的季報盈利情況。

（2）地球靜止軌道高分辨率對地觀測得到重視

高軌視頻衛星具有覆蓋范圍廣、能對目標進行連續監測等優點。由于GEO軌道高度約36000km，成像物距是LEO軌道的數十倍，獲得高分辨率的成像成為了挑戰。根據美、歐計算，在靜止軌道實現1m分辨率至少要求光學系統的口徑達到13m，現階段美、歐單體空間反射鏡制造水平在3～4m水平，僅能達到星下點3m的空間分辨率，因此當前只能滿足部分軍事應用需求，如艦船監視等。但隨著分塊可成像、衍射成像等技術的發展，GEO高分辨衛星成為了可能，例如，2010年3月，美國國防高級研究計劃局（DARPA）啟動了薄膜光學成像器實時應用（MOIRE）計劃，用衍射成像技術實現靜止軌道1m分辨率成像，物鏡口徑20m。

（3）星座組網的方式成為趨勢

通過多顆低軌小衛星組成星座的方式，既能獲得高空間分辨率、高時間分辨率，增加覆蓋面，又能互為備份，提高系統的生存能力和空間體系的彈性，實現單顆大衛星難以實現的功能和性能[10]。

（4）載荷向智能化方向發展

為向用戶提供更實時、更便利的服務，高分辨率對地觀測載荷開始向智能化方向發展：可實現無地面控制點的幾何定位，具體圖像在軌處理能力，可實現全自動化目標識別和分類，以及有用信息在軌提取等[11]。

四、總結與啟示

1）相對于靜止圖像而言，視頻成像最大的優勢在于對動態環境的持續監視和對運動目標的長期跟蹤。而目前發展的低軌視頻成像系統由于受軌道條件約束，導致這一優勢難以充分發揮。Skybox公司計劃發射24顆SkySat衛星組成星座，隨著在軌衛星數量的增加，SkySat星座的重訪周期可縮短至8小時左右。而Iris相機得益于“國際空間站”的軌道設計，重訪周期僅約為90min。薩瑞公司則表示，通過合理的星座配置，多顆Surrey-V1C衛星可以實現30～60min的重訪周期。但即便如此，低軌視頻成像系統仍始終無法實現對目標區域的連續觀測。因此，如何克服視頻長度短、重訪周期長的問題需要進一步的研究。

2）隨著相關技術的發展，通過衛星來獲得高分辨率的視頻圖像得以實現，然而如何通過這些獲取的海量視頻圖像來獲取用戶關注的敏感信息，既是將來的發展趨勢，又是視頻衛星應用的關鍵點。因此，在發展和提高視頻衛星技術的同時，如何結合大數據、圖像處理等技術來實現和推廣視頻衛星的應用需要進一步的研究。

3）在衛星探測技術蓬勃發展的同時，反衛星技術的研究也得到了各國的重視。美國、俄羅斯都有成體系的空間探測系統，在反衛星武器方面，也有一些國家進行反衛星導彈、高能激光設備等方面的研究[12]。視頻衛星由于其優越的偵察性能，必然成為敵方攻擊的主要目標，因此，如何保障衛星的安全問題需要進一步的研究。

[1]鄔樹楠,孫兆偉,葉東，等.低軌對地凝視衛星姿態控制[J].上海航天.2010(1)：15-19.

[2]劉韜. 國外視頻衛星發展研究[J]. 國際太空.2014(9)：50-56.

[3]陳立,張航宇.天拓二號：動態萬千盡收眼底[N]. 中國航天報.2014.9.10.

[4]劉韜. 靜止軌道高分辨率光學成像衛星展示海洋監視的重大潛力[J]. 衛星應用.2014(12)： 70-74.

[5]付凱林,楊芳,黃敏,等.低軌道視頻衛星任務模式的研究與應用[C].北京力學會第21屆學術年會暨北京振動工程學會第22屆學術年會論文集.2015.17-22.

[6]許菁菁, 劉佳. 2015年世界航天發射計劃[J]. 國際太空,2015(3)：16-24.

[7]http：//space.skyrocket.de/doc_sdat/lapantubsat.htm.

[8]張召才.國外新型商業對地觀測系統[J].國際太空,2014(9)：10-15.

[9]http：//www.satimagingcorp.com/satellite-sensors/skysat-2.

[10]童子軍.小衛星井噴為哪般[J].太空探索,2014(6)：18-21.

[11]王小勇. 當代高分辨率光學載荷前沿技術[J].國際太空,2013(5)：13-18.

[12]蘇抗.微小衛星低可觀測關鍵技術研究[D].南京航空航天大學博士論文.2011.