全球高分光學星概述（三）：亞洲與俄羅斯

朱仁璋 叢云天，3 王鴻芳 白照廣

（1北京航空航天大學，北京 100191）（2航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）（3中國空間技術研究院，北京 100094）

全球高分光學星概述（三）：亞洲與俄羅斯

朱仁璋1叢云天1，3王鴻芳2白照廣2

（1北京航空航天大學，北京 100191）（2航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）（3中國空間技術研究院，北京 100094）

亞洲國家與俄羅斯正在努力提高低軌軍用衛星與民用遙感衛星性能，并積極開展地球靜止軌道高分星的研發工作。日本、以色列、中國、印度、韓國等國家以及俄羅斯的低軌高分星地面分辨率最高已達（或優于）0．5m。地球靜止軌道光學星中，中國高分四號地面分辨率達50m。此外，俄羅斯正在構建新型大橢圓軌道/地球靜止軌道預警衛星星座。文章著重闡述亞洲與俄羅斯高分光學星的運作、技術狀態與發展趨勢。

亞洲衛星；俄羅斯衛星；高分辨率光學衛星

1 引言

亞洲國家與俄羅斯正在努力提高低軌軍用衛星與民用遙感衛星性能，并積極開展地球靜止軌道高分星的研發工作。低軌光學星中，日本、以色列、中國、印度、韓國等亞洲國家已發射亞米級分辨率衛星，最高可達0．5m（或優于0．5m）。地球靜止軌道光學星中，韓國通信海洋與氣象衛星/地球靜止海洋彩色成像儀（COMS/GOCI）目標區彩色圖像的地面分辨率為500m（星下點分辨率360m），中國高分四號地面分辨率（多光譜）達50m，研制中的印度地球靜止軌道成像衛星（GISAT）分辨率相同于中國的高分四號。

俄羅斯膠片回收型衛星已在2015年退役，目前軍用衛星以Persona－3偵察衛星和EKS預警衛星為主，Persona－3地面分辨率為0．5m。民用遙感衛星以Resurs－P為主，地面分辨率為全色0．9m、多光譜3m、高光譜30m。

2 中國

目前，中國大陸的低軌亞米級光學星有高分二號，高分九號，以及吉林一號等；地球靜止軌道高分星有高分四號。中國航天科技集團公司將于2016年年底前發射兩顆分辨率為0．5m的光學星，初步規劃2022年前后建成0．5米級高分商業遙感衛星系統［1］。

此外，臺灣太空組織提出福爾摩沙衛星（FormoSat，簡稱福衛）地球遙感衛星項目。其中，福衛一號（已退役）、福衛二號（在軌）、福衛五號（尚未發射）為光學星［2－4］。

2．1 高分一號、二號、九號對地觀測衛星

高分一號、二號、九號分別于2013年4月26日、2014年8月19日和2015年9月14日發射，主要用于地球觀測、國土普查、城市規劃、土地確權、路網設計、農作物估產和防災減災等領域。高分一號地面分辨率（全色）優于2m，高分二號、九號的分辨率優于1m。高分一號載有兩臺窄幅全色/多光譜相機，四臺寬幅多光譜相機；高分二號載有兩臺全色/多光譜相機。高分一號和高分二號衛星性能參數見表1，相機性能指標分別見表2和表3［5－6］。

表1 高分一號和高分二號衛星性能參數Table 1 Performance parameters of Gaofen－1/2

表3 高分二號衛星全色/多光譜相機性能指標Table 3 Specification of Gaofen－2 high－resolution camera

2．2 吉林一號商業遙感衛星

2015年10月7日，吉林一號在酒泉衛星發射中心成功發射。吉林一號由中國科學院長春光機所研制，是中國第一顆亞米級分辨率小衛星，也是中國第一顆商業遙感衛星。在小型光學星中，吉林一號的性能接近世界先進水平。吉林一號由4顆星組成：①主星（光學A星），質量為420kg，地面分辨率全色0．72m、多光譜2．88m；②兩顆視頻星，每顆質量為95kg，地面分辨率1．13m；③驗證星，質量為54kg，分辨率優于5m，主要驗證非沿軌延時積分（TDI）推掃成像技術。吉林一號主星和視頻星示意圖見圖1和圖2。吉林一號光學A星于2015年10～11月拍攝的法拉利世界見圖3。吉林一號首發4顆星后，2016年還將發射12顆衛星，完成16顆星組網；到2020年，在軌衛星數量將達到60顆；2030年實現138顆衛星在軌運行［7－8］。

圖1 吉林一號光學A星示意圖Fig．1 Illustration of Jilin－1optical－A

2．3 高分四號對地觀測靜止軌道衛星

高分四號于2015年12月29日發射，是目前世界上分辨率最高的地球靜止軌道光學星。高分四號（見圖4）發射質量4600kg，通過采用高精度敏感器和大力矩輸出執行機構，實現整星快速機動和高穩定性控制，完成對變化目標持續監視、大范圍區域目標快速成像以及多個熱點地區的交替巡查成像。高分四號衛星相機可在數分鐘之內對三個不同區域連續成像，地面分辨率為多光譜50m、中波紅外400m，單景幅寬為400km。衛星觀測覆蓋范圍見圖5，圖6為2016年1月25日拍攝的北京多光譜影像［9－10］。

圖4 高分四號衛星示意圖Fig．4 Illustration of Gaofen－4satellite

圖5 高分四號觀測覆蓋范圍Fig．5 View coverage of Gaofen－4

2．4 福衛二號、五號臺灣地球遙感衛星

2．4．1 福衛二號

福衛二號于2004年5月20日發射，在軌拍攝的地面分辨率全色2m和多光譜8m的圖像適于測繪、林業、農業、環境災害監測等領域。衛星平臺Leostar 500XO由歐洲空客防務與航天公司下屬部門Astrium SAS設計，三軸穩定姿態。平臺上半部分載有遙感儀器（Remote Sensing Instrument，RSI）、紅閃（注：發生在雷暴云上方的一種巨大放電現象）及上層大氣閃電成像儀（Imager of Sprites and Upper Atmospheric Lightning，ISUAL）以及部分姿態控制系統，下半部分載有4個反作用輪和自主推進系統。其中，RSI由相機和儀器處理單元組成。衛星成像能力為每圈8min，成像面積為單圈連續推掃成像3000km×24km，或兩組立體成像100km×24km，或4組推掃成像100km×24 km，或8景［11］。

福衛二號衛星參數和相機性能指標分別見表4和表5，福衛二號衛星組成結構見圖7，RSI相機望遠鏡結構見圖8［11］。福衛二號拍攝的北京影像圖（分辨率2m）見圖9［12］。

表5 RSI技術指標Table 5 Specification of RSI

圖7 福衛二號衛星組成結構Fig．7 Layout of FormoSat－2

圖8 RSI相機望遠鏡結構Fig．8 Schematic view of RSI telescope

圖9 福衛二號衛星拍攝的北京影像圖（分辨率2m）Fig．9 Image of Beijing acquired by FormoSat－2

2．4．2 福衛五號

福衛五號由臺灣獨立研制，計劃2016年發射，地面分辨率為全色2m、多光譜4m。衛星主要載荷為遙感成像儀（Remote Sensing Imager，RSI），成像敏感器采用互補金屬氧化物半導體（CMOS）陣列，陣列尺寸為12cm×2．4cm。福衛五號性能參數和相機設計指標分別見表6和表7，衛星結構見圖10，RSI相機結構見圖11［10］。

表7 RSI相機技術指標Table 7 Specifications of RSI instrument

3 日本

3．1 IGS系列光學/雷達偵察衛星

日本情報收集衛星（Information Gathering Satellite，IGS）是光學/雷達偵察衛星系列，于1998年研發，由日本宇宙航空研究開發機構（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）和內閣衛星情報中心（Cabinet Satellite Information Center）負責運作。IGS系列衛星由三菱電氣工業（Mitsubishi Electric）研制，可能采用商業衛星平臺。根據H－IIA火箭的運載能力（4000kg），IGS衛星成對發射時單星發射質量約1000～1400kg。IGS系統中，光學星已發射8顆（其中1顆發射失敗），預計2016年發射下一顆光學星［13］。

在成功發射的光學星中，光學一號（IGS－1A）、光學二號（IGS－3A）、光學三號試驗星（IGS－4A）已退役，仍在軌運作的光學星有：①光學三號（IGS－5A），2009年11月28日發射，地面分辨率優于1m；②光學四號（IGS－6A），2011年9月22日發射，分辨率約為0．6m；③光學五號試驗星（IGS－8B），2013年1月27日發射，分辨率優于0．5m；④光學五號（IGSOptical 5），2015年3月26日發射，分辨率可能達到0．4m［13－14］。圖12為光學一號（IGS－1A）和雷達一號（IGS－1B）衛星示意圖［15］。

圖12 IGS－1A/1B示意圖Fig．12 Illustration of IGS－1A/1Bsatellites

3．2 ALOS系列陸地觀測大衛星

先進陸地觀測衛星（Advanced Land Observing Satellite，ALOS）系列包括：①ALOS－1，載有合成孔徑雷達和光學相機；②ALOS－2，繼承ALOS－1的合成孔徑雷達使命；③ALOS－3，繼承ALOS－1的光學成像使命［16］。

3．2．1 ALOS－1

ALOS－1于2006年1月24日發射，2011年5月12日與地面失去聯絡而終止任務。衛星載有光學探測器和微波探測器，用于制圖、測繪和環境與災害監測。全色遙感立體測繪儀（Panchromatic Remote－sensing Instrument for Stereo Mapping，PRISM）和先進可見光/近紅外輻射計2型（Advanced Visible and Near－Infrared Radiometer－2，AVNIR－2）分別提供地面分辨率為全色2．5m和多光譜10m的圖像，用以繪制1：25 000比例尺的地圖［17］。其中，PRISM采用三線成像儀成像方式，同一相機可提供星下點、前視、后視成像，實現沿軌跡方向的立體測繪。

ALOS－1衛星參數和PRISM性能指標見表8和表9，ALOS－1衛星結構見圖13，PRISM相機與三線成像方式見圖14，衛星拍攝的圣彼得堡照片見圖15［18－19］。

表9 PRISM性能指標Table 9 Specifications of PRISM

圖13 ALOS－1衛星結構Fig．13 Schematic illustration of ALOS spacecraft

圖15 ALOS－1衛星拍攝的圣彼得堡照片Fig．15 Image of Saint Petersburg acquired by ALOS－1

3．2．2 ALOS－3

ALOS－3預計2016年發射，載有全色相機PRISM－2與高光譜成像儀組件（Hyperspectral Imager Suite，HISUI）。PRISM－2在PRISM基礎上改進，采用雙線推掃成像方式，地面分辨率（全色）為0．8m、幅寬50km。依靠衛星星體的指向機動能力，PRISM－2可在一天內快速實現對日本任一地點的觀測。HISUI由多光譜成像儀（Multispectral Sensor，MSS）和高光譜成像儀（Hyperspectral Sensor，HSS）組成，地面分辨率分別為5m和30m。HSS采用TMA型光學系統，孔徑30cm，F數 2．2［20］。ALOS－3衛星設計參數及相機設計指標見表10和表11。ALOS－3衛星示意見圖16，PRISM－2光路示意見圖17。PRISM－2雙線推掃立體條圖成像與衛星星體指向機動能力（±60°錐形）見圖18［21－22］。

表11 PRISM－2和HISUI設計指標Table 11 Design specification of PRISM－2and HISUI

3．3 ASNARO－1地球觀測小衛星

ASNARO－1即先進的地球感知小衛星（Small Advanced Satellite for Knowledge of Earth，SASKE），旨在驗證高性能低成本對地觀測衛星平臺的性能。2014年11月6日，ASNARO－1由俄羅斯Dnepr－1運載火箭發射，地面分辨率全色優于0．5m、多光譜優于2m［23］。

衛星采用日本電氣株式會社（NEC）研制的NEXTAR－300L通用平臺，在姿軌控制分系統中引進SpaceWire技術，成功研發了“標準姿軌控制分系統平臺”（Standard Platform Attitude and Orbit Control System），在模塊級實現硬件與軟件的標準化。衛星所載光學敏感器（Optical Sensor，OPS）采用三反射鏡TMA型光學系統，主鏡基底采用新型碳化硅（SiC）材料，具有強度高、熱膨脹率低、導熱性高、密度低和穩定性好的特點［23］。

ASNARO－1衛星技術參數和相機性能指標分別見表12和表13，衛星展開結構見圖19，相機構型見圖20［23］。

表13 OPS相機性能指標Table 13 Specifications of OPS instrument

圖19 ASNARO－1衛星展開結構Fig．19 Deployed configuration of ASNARO－1spacecraft

3．4 PRISM技術試驗納衛星

遙感與創新空間使命衛星（Picosatellite for Remote－sensing and Innovative Space Missions，PRISM）是由日本東京大學智能空間系統實驗室研制的新一代技術試驗納衛星，于2009年1月23日由日本H－IIA型火箭發射，進入高度為660km的太陽同步軌道。衛星質量8．5kg，地面分辨率為10m，旨在在軌驗證納衛星提供中/高分辨率圖像的能力［24］。

衛星所載相機在設計時考慮到協調相機尺寸和地面分辨率的關系，采用衛星平臺和載荷一體化設計，引入可伸展的遠距攝影數字相機系統。該相機在光學系統中引入可伸展機構，提供成像所需焦距。可伸展機構作用主要為：①機構一端連接一透鏡，伸展后增加透鏡和成像敏感器的距離，進而增大焦距；②展開機構作為重力梯度桿，增強衛星穩定性。相機成像敏感器采用面陣CMOS，為比利時FillFactory公司生產的IBIS－5A產品。衛星儀器分布和展開構型見圖21，所載相機伸展機構組成見圖22［24］。

圖21 PRISM衛星儀器分布及在軌展開構型Fig．21 Equipment layout and deployed confirguration of PRISM

圖22 PRISM衛星相機伸展機構組成Fig．22 Components of the deployed boom of PRISM

3．5 GRUS微小衛星遙感星座

GRUS為日本Axelspace公司研制的下一代微小衛星遙感星座。第一代3顆星預計2017年發射，后續將發射更多衛星，實現高重訪率（1天）觀測。GRUS采用太陽同步軌道（600km），地面分辨率為全色2．5m、多光譜5m，適合農業、林業、漁業、測繪、地理信息系統、災害監測等商業應用。GRUS衛星設計參數及所載相機性能指標分別見表14和表15，衛星示意見圖23［25］。

表15 GRUS相機性能指標Table 15 Specifications of GRUS camera

圖23 GRUS示意圖Fig．23 Illustration of GRUS spacecraft

4 印度

印度遙感衛星（Indian Remote Sensing Satellite，IRS）系列是印度空間研究組織（Indian Space Research Organisation，ISRO）研制的地球觀測衛星系統。自1988年3月起，IRS系列衛星陸續發射，從技術上支持印度農業、水資源、森林與生態、地質、水利設施、漁業、海岸線管理等方面的發展。目前，IRS系列發展為Resourcesat資源衛星系列和CartoSat制圖/地球觀測/偵察衛星系列。此外，印度正在研制地球靜止軌道成像衛星（Geo Imaging Satellite，GISAT），地面分辨率（多光譜）為50m。

4．1 TES

技術實驗衛星（Technology Experiment Satellite，TES）于2001年10月22日發射，旨在驗證低軌全色成像技術，并只為政府和國防應用提供圖像，2012年起每天僅在軌工作幾分鐘。衛星采用IRS系列平臺，三軸穩定設計，具有沿軌跡方向和沿橫向的星體指向能力。所載高分辨率全色成像相機（High Resolution Panchromatic Imaging Camera，HRPIC）由以色列光電工業（Electro－optics Industries，ElOp）研制，地面分辨率（全色）優于1m。HRPIC相機與以色列EROS－A搭載的PIC相機相類似，采用兩反射鏡光學系統。TES衛星的成功發射和對地觀測應用推動了印度高分光學星技術的進展［26］。TES衛星參數見表16，衛星示意見圖24［26］。

圖24 TES衛星示意圖Fig．24 Artist’s view of TES spacecraft

4．2 Resourcesat系列資源衛星

Resourcesat－1（IRS－P6）于2003年10月17日發射，進入高817km的太陽同步軌道。衛星載有3種相機：①中分辨率線性成像自主掃描儀LISS－3（Medium Resolution Linear Imaging Self－Scanner）；②高分辨率線性成像自主掃描儀LISS－4（High Resolution Linear Imaging Self－Scanner）；③先進寬視場敏感器（Advanced Wide Field Sensor，AWiFS）。衛星可提供地面分辨率5．8m的全色圖像和23．5m或56m的多光譜圖像［27］。

Resourcesat－2于2011年4月20日進入和Resourcesat－1相同的軌道，相位成180°，提升對地觀測連續性和時間分辨率。衛星平臺延續IRS－1C/1D－P3的設計。相比Resourcesat－1，Resourcesat－2質量減少約160kg，并改進LISS－4相機性能，全色和多光譜幅寬均達到70km［27］。

Resourcesat－1/2載荷艙分為載荷組件平臺和旋轉平臺兩層，LISS－4相機固定在旋轉平臺上。平臺與載荷導向電機（Payload Steering Motor，PSM）連接，可旋轉±26°，使重訪周期縮短至4天。Resourcesat－1衛星發射構型見圖25［27］。

圖25 Resourcesat－1發射構型圖Fig．25 Schematic view of Resourcesat－1 launch configuration

4．3 CartoSat系列制圖/地球觀測/偵察衛星

4．3．1 CartoSat－1

CartoSat－1（IRS－P5）于2005年5月5日發射。衛星平臺繼承IRS－1C/1D－P3設計，載有全色前視相機（Panchromatic Forward－pointing Camera，PAN－F）和全色后視相機（Panchromatic Aft－pointing Camera，PAN－A），提供2．5m地面分辨率（全色）的測繪數據，用于建立數字高程模型與數字地形模型［28］。CartoSat－1性能參數和相機性能指標分別見表17和表18。CartoSat－1衛星展開示意見圖26，成像方式見圖27，衛星測繪的數字高程模型見圖28［28］。

4．3．2 CartoSat－2/2A/2B

CartoSat－2是CartoSat－1后續衛星，于2007年1月10日發射。衛星所載全色相機地面分辨率（全色）為0．8m。相機反射鏡由微晶玻璃制成，質量約為CartoSat－1全色相機反射鏡的60%［29］。

CartoSat－2A和CartoSat－2B分別于2008年4月28日和2010年7月12日發射。兩顆衛星采用與CartoSat－2相同的平臺，地面分辨率（全色）0．8m，幅寬9．6km，為印度武裝部隊提供定點高分辨率圖像［30－31］。

CartoSat－2/2A/2B衛星參數和相機性能指標分別見表19和表20。CartoSat－2/2A/2B衛星展開構型見圖29，全色相機結構見圖30，CartoSat－2衛星拍攝的照片見圖31［29－31］。

表19 CartoSat－2/2A/2B衛星參數比較Table 19 Parameters comparision of CartoSat－2/2A/2Bspacecraft

圖29 CartoSat－2/2A/2B展開構型Fig．29 Illustration of deployed CartoSat－2/2A/2Bspacecraft

4．3．3 CartoSat－2C/2D/2E

CartoSat－2C/2D/2E預計2016－2017年發射，進入高500km的太陽同步軌道［32］。衛星地面分辨率為全色0．64m、多光譜2m，拍攝的立體圖像用于制圖與城市規劃。CartoSat－2C/2D/2E衛星所載相機設計指標見表21，CartoSat－2C/2D/2E衛星示意見圖32，望遠鏡結構見圖33［33－35］。

表21 CartoSat－2C/2D/2E衛星所載相機設計指標Table 21 Design parameters of CartoSat－2C/2D/2Ecamera

圖33 CartoSat－2C/2D/2E望遠鏡結構Fig．33 Configuration of CartoSat－2C/2D/2Etelescope

4．3．4 CartoSat－3系列

印度ISRO正在研制甚高分辨率多光譜/高光譜地球觀測衛星CartoSat－3/3A/3B，預計2018～2020年發射，進入高度為450km的太陽同步軌道。衛星采用IRS－2平臺結構，設計壽命5年。衛星設計地面分辨率為全色0．25m，多光譜（4譜段）1m，高光譜（200譜段）12m。相機主鏡直徑1．2m，光學器件質量比Cartosat－2減少60%。CartoSat－3系列衛星示意見圖34［34－36］。

圖34 CartoSat－3系列衛星示意圖Fig．34 Illustration of CartoSat－3satellites

4．4 HySIS高光譜成像衛星

高光譜成像衛星（Hyper Spectral Imaging Satellite，HySIS）預計2016年12月發射，進入高630km的太陽同步軌道，在可見光/近紅外和短波紅外成像，地面分辨率為30m。衛星采用IMS－2平臺，質量為400kg，設計壽命5年。衛星載有高光譜成像儀（Hyper Spectral Imager，HYSI），采用面陣探測器進行推掃成像。HYSI設計指標見表22，HySIS衛星示意見圖35［35］。

4．5 GISAT地球靜止軌道成像衛星

GISAT于2012年由ISRO開始研制，預計2017年初發射，進入93°E赤道上空同步高度［37－38］。衛星在軌可提供實時圖像，用于國土邊境監視，自然災害、洪水和火災監測。衛星具有兩種成像模式，即多光譜與“多光譜＋高光譜”，每5min衛星可對所選擇的區域拍照一次，每30min可對印度大陸地區拍照一次。多光譜地面分辨率可達50m。

GISAT設計特點：①改進型I－1K（I－1000）平臺，平臺質量約為1000kg；②通過平臺掃描生成圖像；③載有地球靜止軌道成像儀（GEO Imager），為印度CartoSat－2所載相機的改進版本，孔徑直徑均為0．7m；④4個有效載荷共用同一光學器件；⑤高光譜分光裝置采用凸面光柵分光儀；⑥小型14－bit和16－bit相機電子器件［34，39］。

GISAT衛星相機GEO Imager設計參數見表23，衛星示意見圖36，光學系統結構見圖37［35］。

圖37 GISAT光學系統結構Fig．37 Configuration of GISAT optical system

5 以色列

5．1 Ofeq系列偵察衛星

以色列偵察衛星Ofeq系列又稱為地平線（Horizon），于20世紀80年代初開始研制［39］。第一顆星于1988年發射，至今已發射10顆（包括Ofeq－4與Ofeq－6兩顆失敗的光學星）。其中，Ofeq－1和Ofeq－2為技術驗證星，從Ofeq－3開始為實用偵察衛星，Ofeq－3/5/7/9為光學星，Ofeq－8/10為雷達星。受限于以色列的地理位置，在地中海上空有一條發射路徑，Ofeq系列衛星一般采用逆行橢圓軌道，軌道傾角約為142°～143°［40－44］。

Ofeq系列衛星所載相機由以色列光電工業部門（ElOp）研制。其中，Ofeq－9所載高分辨率相機是最新型Neptune相機（即EROS－B所載PIC－2）。ElOp研制的下一代相機為Jupiter相機，可在600km軌道高度獲取分辨率為全色0．5m、多光譜2m的圖像。Ofeq－3/5/7/9衛星參數見表24，衛星示意見圖38［41－44］。

圖38 Ofeq系列衛星示意圖Fig．38 Illustration of Ofeq satellites

5．2 EROS系列地球遙感衛星

以色列地球遙感觀測系統（Earth Remote Observation System，EROS）目前包括3顆衛星，即EROS－A/B/C。EROS－A和EROS－B分別于2000年12月5日和2006年4月25日發射［45］。EROSC預計2016年發射，進入高520km的太陽同步軌道，地面分辨率0．5m，幅寬12km，設計壽命10年［46］。

EROS－A/B所載相機分別為全色成像相機（Panchromatic Imaging Camera，PIC）和全色成像相機2型（PIC－2），由ElOp研發，均采用Cassegrain型望遠鏡。PIC相機采用CCD推掃技術，PIC－2在PIC相機基礎上結合延時積分（TDI）技術提高圖像品質，且地面分辨率（全色）提高至0．7m。

EROS－A/B衛星參數和所載相機性能指標見表25和表26。EROS－B衛星及部件分布見圖39，EROS－B于2010年2月27日拍攝智利8．8級地震震后照片見圖40［45－47］。

表25 EROS－A/B衛星參數比較Table 25 Parameters comparision of EROS－A/B spacecrafts

表26 PIC/PIC－2相機性能指標Table 26 Specifications of PIC and PIC－2

圖39 EROS－B衛星及部件分布Fig．39 EROS－B spacecraft and the accommodation of its components

圖40 EROS－B拍攝的智利8．8級震后照片Fig．40 Image of Chile after 8．8magnitute earthquake acquired by EROS－B

6 韓國

6．1 KOMPSAT系列光學/雷達多用途衛星

韓國的對地觀測項目稱為阿里郎（Arirang），衛星代號為KOMPSAT（Korea Multi－Purpose Satellite），由韓國宇航研究機構（Korea Aerospace Research Institute，KARI）于1995年開始研發。目前已發射5顆對地觀測衛星，KOMPSAT－1/2/3/3A為光學星，KOMPSAT－5為雷達星。KOMPSAT－1于2007年12月30日與地面失去聯系，KOMPSAT－2/3/3A仍在軌運行［48－52］。

（1）KOMPSAT－1。衛星載有光電相機（Electro Optical Camera，EOC），目標是獲取韓國測繪影像，地面分辨率（全色）為6．6m［49］。

（2）KOMPSAT－2。衛星采用與KOMPSAT－1相同的軌道，兩顆星在軌相位成180°。所載多光譜相機（Multi－Spectral Camera，MSC）由KARI和以色列光電工業（ElOp）以及德國OHB系統公司合作研制，采用TDI CCD成像，地面分辨率為全色1m、多光譜4m［50］。

（3）KOMPSAT－3。衛星由KARI和韓國SI公司共同研制。衛星所載先進地球成像敏感器系統（Advanced Earth Image Sensor System，AEISS）由KARI和空客防務與航天公司下屬的Astrium部門聯合研制。德國航空航天署（Deutsches Zentrum für Luftund Raumfahrt，DLR）負責焦平面組件和數字電子單元的研制。地面分辨率為全色0．7m、多光譜2．8m［51］。

（4）KOMPSAT－3A。衛星采用與KOMPSAT－3相似的平臺結構，并載有兩個光學成像系統：①先進地球成像敏感器系統－A（Advanced Earth Imaging Sensor System－A，AEISS－A），由空客防務與航天公司和DLR提供技術支持，KARI研制，地面分辨率為全色0．5m、多光譜2m；②紅外成像系統（Infrared Imaging System，IIS），地面分辨率5．5m［52］。

KOMPSAT－1/2/3/3A衛星參數見表27，相機性能指標見表28和表29。KOMPSAT－1衛星設計構型和結構見圖41。KOMPSAT－2衛星結構見圖42，MSC相機結構見圖43。KOMPSAT－3衛星示意見圖44，AEISS相機結構見圖45。KOMPSAT－3A衛星結構見圖46，KOMPSAT－3A于2015年4月1日在軌測試時拍攝的迪拜帆船酒店照片見圖47（分辨率為0．55m）［4952］。

表27 KOMPSAT－1/2/3/3A衛星參數比較Table 27 Parameters comparision of KOMPSAT－1/2/3/3Aspacecraft

表28 MSC性能指標Table 28 Specifications of MSC

圖41 KOMPSAT－1設計構型圖Fig．41 Overview of KOMPSAT－1design architecture

圖43 MSC相機結構Fig．43 Illustration of MSC

圖44 KOMPSAT－3衛星示意圖Fig．44 Illustration of KOMPSAT－3spacecraft

圖45 AEISS相機結構及光學系統Fig．45 Configuration and alternative view of AEISS optical system

圖47 KOMPSAT－3A拍攝的迪拜帆船酒店照片Fig．47 Image of Burj Al acquired by KOMPSAT－3A

6．2 COMS/GOCI多用途地球靜止軌道衛星/海洋彩色成像儀

韓國“通信海洋與氣象衛星”（Communication，Ocean and Meteorological Satellite－1，COMS）于2010年6月26日發射，是韓國用于通信、海洋、氣象等任務的地球靜止軌道多用途對地觀測衛星，也是首個載有海洋彩色成像儀的地球靜止軌道衛星。

COMS采用歐洲原Astrium公司研制的Eurostar－3000平臺。衛星所載地球靜止海洋彩色成像儀（Geostationary Ocean Color Imager，GOCI），采用“凝視－步進”成像模式，16次成像可覆蓋2500km×2500km的區域。GOCI對目標區域（130°E－36°N）成像的地面分辨率為500m（赤道星下點地面分辨率360m）［53］。COMS衛星參數和GOCI相機性能指標見表30和表31，COMS衛星構型見圖48，相機結構和光學系統見圖49，GOCI相機于2010年7月15日拍攝的照片見圖50［53－55］。

表30 COMS衛星技術參數Table 30 Parameters of COMS

表31 GOCI相機性能指標Table 31 Specifications of GOCI

圖48 COMS衛星構型Fig．48 Configuration of COMS

圖50 COMS海洋彩色成像儀拍攝的照片Fig．50 Image from Geostationary Ocean Color Imager

6．3 GEO－KOMPSAT－2地球靜止軌道雙星計劃

GEO－KOMPSAT－2計劃由GEO－KOMPSAT－2A/2B（簡記為GK－2A和GK－2B）兩顆地球靜止軌道衛星組成，預計分別于2018年5月和2019年3月由Ariane－5（阿里安－5）火箭發射［56］。

GK－2A載有先進氣象成像儀（Advandced Meteorological Imager，AMI）和韓國空間環境監測儀（Korean Space Environment Monitor，KSEM），使命為氣象觀測和空間環境監測；GK－2B載有地球靜止海洋彩色成像儀II型（Geostationary Ocean Color Imager－II，GOCI－II）和環境監測敏感器（Environmental monitoring sensor，GEMS），使命為海洋和地球環境監測。其中，GOCI－II于2013年由韓國委托法國Astrium研制，在COMS所載GOCI基礎上改進：①目標區域地面分辨率提高至250m；②增加全色譜段（370～885nm）；③可見光/近紅外譜段由8個增加至12個［55－57］。GK－2B衛星性能參數見表32，GK－2B衛星結構見圖51。GOCI－II相機構型見圖52［57－58］。

7 俄羅斯

俄羅斯膠片回收型偵察衛星已于2015年退役。最后一顆（Kobalt－M系列第10顆星）于2015年6月5日發射，同年9月17日主載荷艙返回地面。衛星質量約6600kg，由服務艙、儀器艙和載荷艙組成，膠片可分時由兩個副返回艙與一個主返回艙返回地面。望遠鏡估計孔徑直徑0．6m，焦距3～4m，地面分辨率可達到0．3m［59－60］。俄羅斯傳輸型偵察衛星Persona－3地面分辨率達0．5m，資源衛星Resurs系列地面分辨率（全色）優于1m，測繪衛星Bars－M1地面分辨率可達1．1m，下一代光學遙感衛星星座Obzor－O處于研制之中。此外，俄羅斯正在構建新型預警衛星星座。

7．1 Persona系列偵察衛星

Persona系列衛星在蘇聯Yantar偵察衛星基礎上研發，衛星平臺由俄羅斯進步國家航天研究與火箭生產中心（Progress State Research ＆Space Rocket Production Center，TsSKB Progress）研制。衛星質量為6500kg，設計壽命3～5年。相機采用改進型Korsch望遠鏡，主鏡直徑1．5m，焦距20m，地面分辨率為0．5m［61］。Persona衛星示意見圖53，LOMO望遠鏡光學系統見圖54［62－63］。

（1）Persona－1（Kosmos－2441）于2008年7月26日發射，進入高720km的太陽同步軌道。2009年2月，衛星星上電子設備和控制系統出現故障，已無法向地面傳輸照片［64］。

（2）Persona－2（Kosmos－2486）于2013年6月7日發射，進入太陽同步軌道，近地點高703km，遠地點高721km。2013年11月4日，衛星推進器多次點火導致近地點高度小幅度（2km）震蕩，由于地面站存在觀測誤差，無法捕捉衛星。2014年6月，地面站將新的程序上載到Persona－2星載主控計算機中，執行軌道機動修正軌道，恢復了地面和衛星通信［64］。

（3）Persona－3于2015年6月23日發射，進入太陽同步軌道，近地點高714km，遠地點高732km。Persona－3載有激光數傳系統，通過地球靜止軌道上的中繼衛星傳輸圖片，實現下行數據高速數傳［64］。

圖53 Persona系列衛星示意圖Fig．53 Illustration of Persona satellite

7．2 EKS系統預警衛星

蘇聯/俄羅斯天基導彈預警系統最初于1965年提出并開始研制，包含3個階段：①OKO系統（1972～1997年）；②OKO－1系統（1991～2012年）；③EKS系統（2015年至今）。各系統均由大橢圓軌道和地球靜止軌道衛星組成。其中，OKO系統由早期的USK（73D6）衛星和US－KS（74Kh6）衛星組成，OKO－1系統由后期US－K（73D6）衛星和US－KMO（71Kh6）組成。

2011年，俄羅斯開展新型預警系統即探查、作戰指揮和控制集成空間系統（Edinaya Kosmicheskaya Sistema Obnaruzheniya i Boevogo Upravleniya，integrated space system for detection，battle command and control，EKS）的研制，系統內衛星為Tundra。EKS系統不僅可探測并定位彈道導彈和巡航導彈的發射，還可全程追蹤導彈飛行，一次導彈發射可在25s內被探測到。衛星相機具有側視掃描功能，可在紫外、自然光以及三種紅外譜段成像。此外，EKS系統具備通信功能，衛星可通過抗干擾頻段傳遞大量信息。衛星還可接替原先要在地面進行的數據處理工作。Tundra衛星示意見圖55，Tundra衛星光學系統見圖56［65］。

EKS星座包含大橢圓軌道和地球靜止軌道上的多顆衛星，至少由8顆衛星組成。計劃至2018年發射10顆衛星（含備份星）。第一顆星EKS－1于2015年11月17日發射，進入大橢圓軌道，軌道高度為近地點1626km、遠地點38 552km，傾角63．79°，軌道周期12h［66］。第二顆星預計2016年發射。4顆與EKS－1相同軌道的衛星理論上可一天24h監測北美大陸；2～3顆地球靜止軌道衛星可提供全球覆蓋，2顆地球靜止軌道衛星可追蹤來自太平洋和大西洋的彈道導彈發射［67］。俄羅斯預警衛星系統擬用構型見圖57［68］。

圖56 Tundra衛星光學系統Fig．56 An optical system for Tundra

7．3 Resurs系列資源衛星

7．3．1 Resurs－DK1

Resurs－DK1為俄羅斯高分辨率（1m）民用資源衛星，第一顆于2006年6月15日發射，進入傾角70．4°的橢圓軌道［69］。

Resurs－DK1衛星采用原偵察衛星Yantar平臺結構［70］。衛星所載的光電推掃式成像儀Geoton－1的敏感器由4個TDI CCD陣列構成，第一個陣列生成全色圖像，其余三個分別生成綠色、紅色和近紅外圖像。每個陣列由36個獨立的Kruiz CCD芯片組成［71］。Resurs系列衛星的相機采用長焦距攝遠透鏡望遠鏡，由7個透鏡元件組成，孔徑直徑500mm，焦距4m［72］。

Resurs－DK1衛星參數和Geoton－1相機性能指標分別見表33和表34。Resurs－DK1衛星結構見圖58，星上圖像信息采集、處理及傳輸流程見圖59，衛星拍攝的照片見圖60（分辨率為1m）［6973］。

表33 Resurs－DK1衛星技術參數Table 33 Parameters of Resurs－DK1

7．3．2 Resurs－P星座

Resurs－P是資源衛星Resurs－DK1的后繼衛星星座。Resurs－P1/P2/P3分別于2013年6月25日、2014年12月26日和2016年3月13日發射，Resurs－P4/P5預計分別于2017年和2018年發射。

Resurs－P1衛星載有：①Geoton－L1成像儀，地面分辨率全色0．9m、多光譜3～4m，幅寬38km；②廣角相機ShMSA由高分辨率和中分辨率光學系統組成，地面分辨率分別為全色12m和59m、多光譜23．8m和118m，幅寬分別為97．2km和441．7km；③高光譜拍攝設備（Hyperspectral Shooting Apparatus，HSA），地面分辨率30m，幅寬30km。Resurs－P2衛星平臺和載荷與Resurs－P1相近，僅附加高能粒子探測儀Nuklon。

Resurs－P1/P2衛星參數見表35，Geoton－L1、ShMSA和HSA性能指標分別見表36、表37和表38［74－75］。Resurs－P2衛星結構見圖61，HSA光學系統結構與相機示意見圖62，衛星于2013年拍攝的全色和高光譜圖像見圖63和圖64［76－78］。

表37 ShMSA性能指標Table 37 Specifications of ShMSA multispectral spectrometer

圖64 Resurs－P1拍攝的都柏林的高光譜圖像Fig．64 Hyperspectral image of Dublin acquired by Resurs－P1

7．4 Bars－M系列測繪衛星

Bars－M是俄羅斯的空間測繪計劃，該計劃于2007年提出。Bars－M系列衛星原計劃2014、2016和2018年各發射一顆衛星，但第一顆星Bars－M1（軍事測繪）推遲至2015年2月27日發射。2011年，俄羅斯提出Kartograph－OE衛星計劃，預計2017年和2018年各發射一顆光學星［79］。

Bars－M1衛星由有效載荷艙，服務艙和推進系統組成。推進系統由4臺軌道修正主推力器、12臺姿態控制推力器和4個推進劑貯箱組成。有效載荷艙內主要儀器為Karat相機，采用三透鏡光學系統。衛星還載有激光發射器，校準和引導激光測距儀和激光反射鏡。Bars－M1衛星參數見表39，Karat相機性能指標見表40。衛星關鍵結構及望遠鏡系統見圖65和圖66［79］。

7．5 Obzor－O星座民用遙感衛星

2012年10月，俄羅斯聯邦航天局提出研制Obzor－O光學遙感衛星星座（4顆）計劃，為民用部門提供地球表面圖像，衛星預計運行在700km太陽同步軌道上。Obzor－O將在光學和紅外等8個譜段成像，光學儀器地面分辨率5m，紅外敏感器可探測尺寸為20m的細節。2顆星可在30天內實現全部俄羅斯領土成像；4顆星可在7天內覆蓋全俄羅斯。衛星原計劃于2015年、2017年和2019年發射，后被推遲。此外，Obzor－R雷達星星座（兩顆）將于2018年前發射，與Obzor－O協同觀測。Obzor－O衛星示意見圖67［80］。

圖67 Obzor－O衛星示意圖Fig．67 Illustration of Obzor－O

8 結束語

日本、以色列、中國、印度、韓國等亞洲國家均已研制并應用地面分辨率（全色）優于1m的低軌光學星，目前地面分辨率最高優于0．5m（全色）。韓國已發射并應用地球靜止軌道多用途（通信/海洋/氣象）衛星，海洋彩色成像儀地面分辨率達500m；并正在研制地球靜止雙星星座，分辨率提高至250m。中國高分四號是目前地面分辨率最高的地球靜止光學星（多光譜50m）。印度地球靜止光學星GISAT尚未發射，地面分辨率與中國高分四號相當。隨著膠片回收型偵察衛星退役，俄羅斯正在加緊研制與發射傳輸型偵察衛星、資源衛星、測繪衛星，以及多光譜星座，最高分辨率（全色）已達0．5m。此外，俄羅斯已開始構建新一代預警衛星星座。在高分光學星技術與應用領域，總體上，美國處于領先地位，歐洲隨后，亞洲與俄羅斯不及美歐。高分光學星性能的提高主要取決于空間相機的革新與創新。

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［78］Anatoly Zak．Resurs－P2［EB/OL］．［2015－02－26］．http：//www．russianspaceweb．com/resurs＿p2．html

［79］Bars－M：Russia＇s first digital cartographer［EB/OL］．［2015－04－06］．http：//www．russianspaceweb．com/bars－m．html

［80］Russia to develop new remote－sensing satellite constellation Obzor－O［EB/OL］．［2016－02－18］．http：//www．russianspaceweb．com/obzor＿o．html

（編輯：李多）

Global High－resolution Optical Satellite Overview（3）：Asia and Russia

ZHU Renzhang1CONG Yuntian1，3WANG Hongfang2BAI Zhaoguang2
（1Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）
（2DFH Satellite Co．，Ltd．，Beijing 100094，China）
（3China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

Asian countries and Russia are making efforts to improve the performance of military and civilian remote sensing satellites in low earth orbit and geostationary earth orbit．Japan，Israel，China，India，Korea，Russia etc．have already launched sub－meter resolution satellites in low earth orbit，among which the highest resolution reaches 0．5meter or better．Among the geostationary optical satellites，Gaofen－4can achieve 50－meter resolution．Russia has been constructing new－generation constellation of early warning satellites in both highly elliptical orbit and geostationary earth orbit．In this paper，Asian and Russian high－resolution optical satellites are introduced，including their operations，technologies and trends．

Asian satellite；Russian satellite；high－resolution optical satellite

V474．2

A

10．3969/j．issn．1673－8748．2016．02．012

2015－06－23；

2016－02－26

朱仁璋，男，慕尼黑工業大學博士，北京航空航天大學教授。Email：renzhang．zhu@tom．com。