對地觀測小衛(wèi)星最新發(fā)展研究

張召才 朱魯青 （北京空間科技信息研究所）

2014年，全球共成功發(fā)射262個航天器，其中成功發(fā)射小衛(wèi)星（質(zhì)量低于500kg的衛(wèi)星）162顆，占全球同期入軌航天器總數(shù)的61.8%，全球小衛(wèi)星發(fā)射總數(shù)再創(chuàng)新高，其中對地觀測小衛(wèi)星發(fā)展尤為活躍。

1 小衛(wèi)星數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

美國發(fā)射數(shù)量遙遙領(lǐng)先，日本發(fā)射數(shù)量躍居次席

從所屬國家看，美國2014年發(fā)射90顆小衛(wèi)星，高居全球首位；日本發(fā)射21顆小衛(wèi)星，發(fā)射數(shù)量增幅巨大，躍居全球次席；歐洲成功發(fā)射14顆小衛(wèi)星，發(fā)射數(shù)量有所回落；俄羅斯小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量相對穩(wěn)定。此外，中小國家開始借助小衛(wèi)星開展本國航天活動，如匈牙利、立陶宛和烏拉圭等國家，均在2014年發(fā)射了本國首顆衛(wèi)星，開始走向世界航天舞臺，推動了航天技術(shù)在全球的普及，加深了航天在世界范圍內(nèi)的影響，在全球掀起了一場“軌道革命”。

宇航公司關(guān)注力度加大，新興商業(yè)公司大量涌現(xiàn)

從小衛(wèi)星研制商看，宇航公司對小衛(wèi)星關(guān)注力度逐步加大，超越大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)，成為2014年度全球小衛(wèi)星研制的主要力量。2014年，全球共有106顆小衛(wèi)星由宇航公司研制，占比達(dá)到64.5%。一方面，以研制大衛(wèi)星為主的宇航公司開始關(guān)注小衛(wèi)星業(yè)務(wù)，如波音公司推出了“502鳳凰”（502 Phoenix）系列小衛(wèi)星平臺。另一方面，國外近年又涌現(xiàn)出大量新興商業(yè)小衛(wèi)星公司，如美國天空盒子成像公司（Skybox Imaging）、行星實驗室公司（Planet Labs）等。這些新興公司均提出商業(yè)小衛(wèi)星星座計劃，發(fā)展面向定制化需求的創(chuàng)新應(yīng)用和商業(yè)運營模式，推動了全球范圍內(nèi)小衛(wèi)星活動的發(fā)展與繁榮。

各國小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量統(tǒng)計（單位：顆）

宇航公司對小衛(wèi)星關(guān)注力度加大（單位：顆）

業(yè)務(wù)型小衛(wèi)星數(shù)量激增，對地觀測成為主要驅(qū)動

業(yè)務(wù)型小衛(wèi)星數(shù)量大幅增長（單位：顆）

從應(yīng)用領(lǐng)域看，隨著小衛(wèi)星能力不斷提升，小衛(wèi)星應(yīng)用不再只局限于科學(xué)與技術(shù)試驗，開始邁入業(yè)務(wù)化、裝備化運營階段，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，在對地觀測、電子偵察、通信、空間攻防、空間目標(biāo)監(jiān)視、在軌服務(wù)、戰(zhàn)術(shù)快響、空間科學(xué)探測、空間天氣、深空探測等領(lǐng)域的應(yīng)用能力穩(wěn)步增長，并且已成為空間系統(tǒng)的重要組成部分。小衛(wèi)星業(yè)務(wù)能力不斷提升，在軍事領(lǐng)域和商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景已獲得各方高度關(guān)注。2014年6月，美國航天基金會發(fā)布的《2014年航天報告》指出，“未來幾年，一個可能的趨勢是小衛(wèi)星將占據(jù)更多的市場份額。”

2 對地觀測小衛(wèi)星最新發(fā)展

美國低軌商用小衛(wèi)星批量入軌，開啟航天大數(shù)據(jù)時代

在“新航天經(jīng)濟(jì)”驅(qū)動下，美國大量硅谷IT企業(yè)開始進(jìn)入航天領(lǐng)域，相繼提出“小衛(wèi)星、大數(shù)據(jù)”、“小衛(wèi)星、大星座”商業(yè)計劃，發(fā)展低軌新型商業(yè)對地觀測系統(tǒng)。

2014年7月8日，美國天空盒子成像公司的“天空衛(wèi)星”（SkySat）星座第二顆衛(wèi)星天空衛(wèi)星－2搭乘俄羅斯聯(lián)盟－2（Soyuz－2）火箭發(fā)射，進(jìn)入傾角97.2°、高度為623km×637km的太陽同步軌道。天空衛(wèi)星－2與天空衛(wèi)星－1采用完全相同的設(shè)計方案，單星質(zhì)量91kg，設(shè)計壽命4年，其星下點全色圖像分辨率優(yōu)于1m（天空衛(wèi)星－1分辨率0.9m，天空衛(wèi)星－2分辨率0.95m），多光譜分辨率為2m，成像幅寬8km，并能夠獲取時長90s、30幀/s的高清視頻。其星下點視頻分辨率為1.1m，標(biāo)準(zhǔn)覆蓋范圍為2km×1.1km。截至2015年9月底，天空衛(wèi)星－1和2均在軌工作正常。

裝配中的美國“天空衛(wèi)星”

歐洲薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司的S頻段“新型合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星”（NovaSAR）

2014年2月11－28日期間，行星實驗室公司首個運營級微納衛(wèi)星星座鴿群－1（Flock－1）陸續(xù)從“國際空間站”釋放，進(jìn)入高度約400km、傾角52°的圓形軌道。鴿群－1星座由28顆3U立方體衛(wèi)星組成，是當(dāng)時全球最大的對地觀測衛(wèi)星星座，對地分辨率達(dá)到3～5m。該星座于2014年1月7日搭乘軌道科學(xué)公司（OSC）的“安塔瑞斯”（Antares）火箭進(jìn)入“國際空間站”，然后由“日本小衛(wèi)星軌道部署器”（J-SSOD）釋放入軌。截至2015年9月底，行星實驗室公司共發(fā)射了135顆衛(wèi)星，其中成功101顆，失敗34顆。

歐洲薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司小衛(wèi)星性能持續(xù)提升，發(fā)布視頻成像衛(wèi)星平臺

薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司（SSTL）的“災(zāi)害監(jiān)測星座”（DMC）性能不斷提升，規(guī)模不斷擴(kuò)大，開辟了多國合作共贏的低軌小衛(wèi)星發(fā)展模式。自2011年質(zhì)量300kg、分辨率2.5m的光學(xué)成像小衛(wèi)星投入使用后，薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司已研制出新一代350kg、分辨率1m的光學(xué)成像小衛(wèi)星—災(zāi)害監(jiān)測星座－3和首顆400kg、分辨率6m的S頻段雷達(dá)成像驗證小衛(wèi)星。其中，災(zāi)害監(jiān)測星座－3已于北京時間2015年7月11日成功發(fā)射入軌。S頻段雷達(dá)成像驗證小衛(wèi)星原計劃2015年第一季度發(fā)射，但發(fā)射日期已確定推遲，薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司未給出發(fā)射推遲原因及新的發(fā)射日期。

歐洲VIC型小衛(wèi)星

歐洲薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司發(fā)布了新一代視頻成像衛(wèi)星平臺，2014年4月，薩瑞衛(wèi)星技術(shù)美國公司（SSTUS）又發(fā)布了具有彩色視頻成像能力的V1C型小衛(wèi)星。V1C型小衛(wèi)星設(shè)計緊湊，單星價格低于2000萬美元，能夠獲得高清晰畫質(zhì)的真彩色（紅、綠、藍(lán)）視頻，星下點指向時地面分辨率優(yōu)于1m，地面幅寬為10km，幀頻高達(dá)100幀/s。V1C型小衛(wèi)星具有任務(wù)可再配置能力，可以應(yīng)用在一系列情報收集領(lǐng)域，如監(jiān)視、探測和確認(rèn)，面向需要快速獲取和分析衛(wèi)星數(shù)據(jù)的組織，提供快速變化的地面人群或基礎(chǔ)設(shè)施的態(tài)勢感知和實時情報（ABI）信息。根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量不同，V1C型小衛(wèi)星可構(gòu)成多種不同的星座構(gòu)型，如以30～60min的時間間隔部署在同一軌道，以便在每天特定時段提供近實時的視頻覆蓋。

日本發(fā)射新型通用平臺首發(fā)星，最高分辨率優(yōu)于0.5m

日本積極推動對地觀測小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展，政府和商業(yè)公司聯(lián)合研制并發(fā)射了具備新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的先進(jìn)觀測衛(wèi)星－1（ASNARO－1，簡稱先進(jìn)觀測衛(wèi)星－1），高校則專注發(fā)展100kg以下微納型對地觀測衛(wèi)星。

2014年11月6日，日本利用俄羅斯“第聶伯”（Dnepr）火箭成功發(fā)射了采用新型高分辨率通用衛(wèi)星平臺的首發(fā)星—先進(jìn)觀測衛(wèi)星－1。該衛(wèi)星質(zhì)量約450kg，全色分辨率優(yōu)于0.5m、多光譜分辨率優(yōu)于2m，幅寬10km，星下點側(cè)擺能力±45°。“先進(jìn)觀測衛(wèi)星”平臺基于通用化架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計，采用SpaceWire協(xié)議，具有柔性化、開放式特點，能夠搭載多種對地觀測載荷，如包括高分辨率光學(xué)成像載荷、高分辨率合成孔徑雷達(dá)、高光譜遙感器和紅外遙感器等，滿足多種對地觀測任務(wù)需求。“先進(jìn)觀測衛(wèi)星”平臺具有高分辨率、高敏捷、低成本、短周期和小型化的特點，能夠快速響應(yīng)用戶需求，是日本未來發(fā)展低成本、低軌道對地觀測系統(tǒng)的重要力量。

韓國重視對地觀測衛(wèi)星長期規(guī)劃，成功發(fā)射0.5米級高分辨率對地觀測衛(wèi)星

韓國一直非常重視對地觀測小衛(wèi)星的發(fā)展。2013年底，韓國政府發(fā)布面向2040年的《航天發(fā)展中長期規(guī)劃》，根據(jù)該規(guī)劃，韓國在對地觀測衛(wèi)星領(lǐng)域，未來在持續(xù)研制并發(fā)射低軌道高分辨率光學(xué)和雷達(dá)成像的“韓國多用途衛(wèi)星”（KOMPSAT）系列、靜止軌道氣象衛(wèi)星及海洋與環(huán)境衛(wèi)星。與此同時，將研制500千克級、載荷多樣的“下一代中型衛(wèi)星”，滿足多樣化的對地觀測需求，提高時間分辨率。

日本“先進(jìn)觀測衛(wèi)星”可支持不同的任務(wù)載荷

2015年3月26日，韓國利用俄羅斯“第聶伯”運載火箭成功發(fā)射了韓國多用途衛(wèi)星－3A光學(xué)成像衛(wèi)星。該衛(wèi)星是“韓國多用途衛(wèi)星”系列第5顆衛(wèi)星，是韓國多用途衛(wèi)星－3的增強(qiáng)版，增加了紅外成像能力，降低了衛(wèi)星運行軌道，全色分辨率從0.7m提升至0.55m，使韓國成為世界上第6個擁有0.5米級光學(xué)分辨率衛(wèi)星系統(tǒng)的國家。

韓國多用途衛(wèi)星－3A的衛(wèi)星平臺由韓國航空航天研究院（KARI）研制，衛(wèi)星成像載荷由空客防務(wù)與航天公司德國分公司研制，項目總成本2.12億美元。衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量約1100kg，直徑2m，高3.8m，整星功率1.4kW，設(shè)計壽命4年，衛(wèi)星運行于528km高的太陽同步軌道像。

3 對地觀測小衛(wèi)星創(chuàng)新應(yīng)用

隨著空間技術(shù)發(fā)展和小衛(wèi)星能力提升，國外提出了大量“小衛(wèi)星、大星座”概念，計劃利用低軌小衛(wèi)星星座提供近實時更新的大數(shù)據(jù)服務(wù)。尤其是在移動互聯(lián)網(wǎng)時代，信息技術(shù)與衛(wèi)星應(yīng)用結(jié)合，瞄準(zhǔn)利益市場，催生顛覆式創(chuàng)新的商業(yè)模式和衛(wèi)星應(yīng)用模式。小衛(wèi)星在軍事應(yīng)用方面也表現(xiàn)出“改變游戲規(guī)則”的巨大力量，成為美國、俄羅斯等大國發(fā)展軍事航天能力的重要手段。

指令成像工作模式（左）與“永遠(yuǎn)在線”工作模式（右）

創(chuàng)新商業(yè)應(yīng)用

對地觀測小衛(wèi)星創(chuàng)新商業(yè)應(yīng)用的典型代表是美國天空盒子成像公司和行星實驗室公司，兩家公司均由IT技術(shù)起步，并采用了顛覆式創(chuàng)新的商業(yè)模式，衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計也以滿足其創(chuàng)新商業(yè)應(yīng)用為前提。如天空盒子成像公司構(gòu)建云服務(wù)平臺，鼓勵用戶或第三方開發(fā)專業(yè)應(yīng)用APP，提供定制化服務(wù)；行星實驗室公司采用“永遠(yuǎn)在線”（Always On）工作模式，無需地面下達(dá)指令即可對陸地連續(xù)開機(jī)成像，確保全球近實時數(shù)據(jù)更新。

與傳統(tǒng)對地觀測系統(tǒng)相比，“天空衛(wèi)星”星座和“鴿群”星座等以小衛(wèi)星為主體的新興商業(yè)對地觀測系統(tǒng)呈現(xiàn)出一些新的技術(shù)特點與運營模式：①衛(wèi)星公司均是非傳統(tǒng)航天企業(yè)，均以互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)自居，引入大數(shù)據(jù)、云計算等互聯(lián)網(wǎng)理念，并提供在線數(shù)據(jù)瀏覽、直銷和分發(fā)等業(yè)務(wù)；②提供云服務(wù)平臺，鼓勵用戶或第三方開發(fā)專業(yè)化應(yīng)用APP，嘗試天基對地觀測應(yīng)用的近實時響應(yīng)和定制化服務(wù)模式；③除提供天基對地觀測圖像數(shù)據(jù)外，還可提供變化監(jiān)測信息，驅(qū)動對地觀測應(yīng)用從圖像向信息發(fā)展；④系統(tǒng)重訪周期高，對地觀測數(shù)據(jù)更新快，能實現(xiàn)全球近實時觀測，兼顧全球“熱點”地區(qū)和“非熱點”地區(qū)。

創(chuàng)新軍事應(yīng)用

當(dāng)前全球范圍內(nèi)，以信息化為主要特征的新型作戰(zhàn)模式強(qiáng)調(diào)力量資源集成，驅(qū)動軍事航天發(fā)展開始轉(zhuǎn)型，使得小衛(wèi)星獲得廣泛軍事應(yīng)用，推動航天裝備從支撐作戰(zhàn)向融入作戰(zhàn)轉(zhuǎn)變，縮短了從敏感器到指揮官的鏈條，提升了信息化條件下的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)效能。

美國“隼眼”星座軍事作戰(zhàn)流程

在國防部“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”（ORS）計劃主導(dǎo)推進(jìn)下，美軍通過戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星－2、3、4（TacSat－2、3、4）和作戰(zhàn)響應(yīng)空間－1等4顆衛(wèi)星持續(xù)進(jìn)行在軌驗證與能力完善，已經(jīng)發(fā)展了直接服務(wù)于作戰(zhàn)用戶的天基信息獲取和傳輸能力，建立了成熟的小衛(wèi)星融入作戰(zhàn)概念。“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”衛(wèi)星融入作戰(zhàn)的突出特點是縮短指控鏈條，直接服務(wù)戰(zhàn)區(qū)。2013年4月，美國中央司令部讓前線指揮部隊通過“虛擬任務(wù)操作中心”直接調(diào)度作戰(zhàn)響應(yīng)空間－1，獲取了墜毀在偏遠(yuǎn)地區(qū)的直升機(jī)圖像，實現(xiàn)基層指揮官—天基敏感器的端到端快速聯(lián)接與直接應(yīng)用，提升了作戰(zhàn)能力。受“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”計劃激勵，美國陸軍提出的“隼眼”（Kestrel Eye）計劃也以滿足戰(zhàn)區(qū)基本作戰(zhàn)需求為發(fā)展宗旨。“隼眼”星座用于向基層作戰(zhàn)人員快速、按需提供近實時的戰(zhàn)場圖像數(shù)據(jù)，支持“即指即拍”（Point and Shoot）作戰(zhàn)模式，在10min內(nèi)完成從前方作戰(zhàn)用戶發(fā)出任務(wù)請求到分發(fā)圖像的全部操作。

4 結(jié)論

總體來看，小衛(wèi)發(fā)展高度活躍，已成為世界航天活動的重要構(gòu)成部分，并呈現(xiàn)出以下特點：①大衛(wèi)星小型化、小衛(wèi)星微型化趨勢明顯；②微納衛(wèi)星發(fā)展高度活躍，立方體衛(wèi)星發(fā)展前景廣闊；③小衛(wèi)星業(yè)務(wù)能力不斷提升，成為宇航公司業(yè)務(wù)發(fā)展的新增長點；④商用對地觀測小衛(wèi)星發(fā)展勢頭勁猛，催生全新的衛(wèi)星應(yīng)用模式和商業(yè)運營模式。此外，隨著能力不斷提升，對地觀測小衛(wèi)星應(yīng)用正不斷孕育新模式。現(xiàn)代信息技術(shù)的廣泛“移植”和應(yīng)用，激活了小衛(wèi)星應(yīng)用市場。空間技術(shù)與大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)深度融合趨勢明顯，加速了定制化衛(wèi)星應(yīng)用時代的到來。