俄羅斯對地觀測衛星最新發展

王碩 徐進 （中國空間技術研究院）

俄羅斯對地觀測衛星最新發展

王碩 徐進 （中國空間技術研究院）

2016年3月13日和24日，俄羅斯分別成功發射了資源－P3（Resurs－P3）和獵豹－M2（Bar－M2）2顆高分辨率光學對地觀測衛星，這是俄羅斯實施《2013－2020年俄羅斯航天活動國家規劃》、《2030年前及未來俄羅斯航天活動發展戰略（草案）》等戰略以來，天基對地觀測能力的進一步增強，表明俄羅斯對地觀測能力正處于能力恢復和提升期，顯露出俄羅斯恢復航天大國實力的決心。目前，俄羅斯在軌對地觀測衛星數量已增至16顆，其中高分辨率衛星數量增至9顆。然而，資源－P3衛星入軌即發生單側太陽電池翼未充分展開等問題。同時，俄羅斯近幾年發射事故和在軌故障時有發生，說明其對地觀測衛星發展并不順利。

1 俄羅斯近年對地觀測衛星發展戰略

2 0 1 2年3月6日，俄羅斯聯邦航天局（Roskosmos，現已更名為俄羅斯航天國家集團）一致通過了《2030年前及未來俄羅斯航天活動發展戰略（草案）》。4月28日，俄羅斯聯邦政府審議并原則通過了該草案，并正式頒布了俄羅斯未來國家航天新戰略。新戰略對2030年前及未來俄羅斯航天發展的宏偉藍圖進行了規劃，闡釋了俄羅斯制定航天活動的原則、目標、預期成果、實施階段和途徑，為未來20年的俄羅斯航天發展指明了方向。2012年12月出臺的《2013－2020年俄羅斯航天活動國家規劃》是俄羅斯最重要的航天發展戰略之一，出臺該規劃的目的是為了滿足俄羅斯對航天活動成果的需求，樹立良好的國際形象，保持俄羅斯航天技術領先地位，鞏固俄羅斯聯邦在全球航天領域的競爭力。2012年發布的這2項未來航天發展戰略均涉及對地觀測內容，其后發布的戰略也多涉及到俄羅斯對地觀測體系建設和能力完善的內容。

恢復、鞏固、突破三步走，促對地觀測衛星上臺階

《2030年前及未來俄羅斯航天活動發展戰略（草案）》對俄羅斯在航天領域未來遠期的發展目標、發展方向等進行了規劃：2015年恢復能力；2020年鞏固能力；2030年實現突破；2030年后要保持突破并繼續發展。2030發展戰略中多處涉及到俄羅斯對地觀測能力的建設規劃：在“未來遠期航天活動的原則”章節中明確提出，“俄羅斯將鼓勵創新型定向企業持續發展對地遙感設備的商業制造能力”；在“2030年及未來俄羅斯航天發展戰略的優先方向”章節中提出，“為滿足社會經濟、科學、國防與國家安全的需求，要發展對地觀測技術和服務”；在“突破性的工藝技術”章節中明確指出，要在“光學和雷達對地觀測領域”獲得技術突破。

《2013－2020年俄羅斯航天活動國家規劃》中明確提出，“在地球遙感和氣象觀測方面”，俄羅斯計劃將實現“在軌航天器增至24個，通過部署全新的空間系統來進行測繪、自然環境監測以及緊急情況實時監測，以確保合理的農業、水利管理和其他活動，并對北極地區進行監測”。

重視民商用對地觀測衛星及產業的發展

俄羅斯在《2030年及未來俄羅斯航天活動發展戰略（草案）》中明確提出，將鼓勵創新型定向企業持續發展對地遙感設備的商業制造能力；還特別在2014年修改了航天活動規劃，制定了推進國內航天產業搶占國際市場份額的明確目標。在民用航天項目增加投資，以及將航天機構俄羅斯聯邦航天局轉變成一家商業化的公司。當前的工作重點調整為“安加拉”（Angara）運載火箭系列、通信衛星和對地觀測衛星的發展。

2 俄羅斯對地觀測衛星體系及系統能力

俄羅斯目前形成了包含地球靜止軌道（GEO）衛星及低地球軌道（LEO）衛星，兼顧軍、民、商，涵蓋光學與雷達成像/探測手段的對地觀測衛星體系。

在軍用衛星方面，形成了涵蓋光學與雷達成像的天基偵察體系，其返回式衛星全色分辨率達到0.2m，傳輸型光學成像偵察衛星全色分辨率約達到0.3m，雷達衛星分辨率達到1m。

在民用衛星方面，俄羅斯形成了GEO和LEO衛星組成的對地觀測體系。氣象衛星方面，具備光學、微波探測能力，但在軌衛星數量較少，使俄羅斯在氣象觀測方面還非常依賴他國的氣象衛星數據；在資源與環境衛星方面，目前主要以光學為主，形成資源－P系列與“老人星”（Kanopus）系列組成的詳查與普查相結合的對地觀測體系，全色分辨率最高達1m、多光譜分辨率3m、高光譜成像分辨率30m。

在商用衛星方面，俄羅斯處于發展起步階段，目前主要以發展小微衛星為途徑，并處于在軌驗證或預研階段。俄羅斯尚無如美國數字地球公司（DigitalGlobe）、歐洲空客防務與航天公司（ADS）、印度安特克斯公司（Antrix）等大型商業對地觀測衛星運營商，剛成立的人造衛星公司（SPUTNIX）、達斡利亞宇航公司（Dauria Aerospace）等運營商也無法與美國天空盒子成像公司（Skybox Imaging）、行星實驗室公司（Planetlab）等微小衛星商業運營商匹敵。為了彌補商業衛星的不足，俄羅斯民用資源－DK、P和老人星－V衛星圖像也參與商業銷售。

俄羅斯對地觀測衛星體系組成與在軌衛星數量統計（截至2016年3月底）

軍用衛星處于能力恢復期

俄羅斯近2年來高度重視成像偵察衛星體系的構建，體系中增加了軍用光學測繪衛星和高分辨率合成孔徑雷達（SAR）成像偵察衛星；發射了多顆高水平衛星，在一定程度上恢復了在軌偵察監視能力。目前，在軌衛星數量達到5顆，與美國在數量上的差距逐步縮小。其中，光學成像偵察衛星2顆，光學測繪衛星2顆，雷達成像偵察衛星1顆。

（1）光學成像偵察衛星

在光學成像偵察衛星方面，形成以“角色”（Persona）傳輸型高分辨率衛星為主、琥珀－4K2M （Yantar－4K2M）返回型衛星為輔的光學成像偵察衛星體系。“角色”是繼“薔薇輝石”（Orlets）系列和“阿爾康”（Arkon）系列傳輸型光學成像偵察衛星之后，俄羅斯研制的新一代傳輸型成像偵察衛星。“角色”是俄羅斯現役成像偵察衛星的主力型號。

俄羅斯分別于2008年7月27日、2013年6月7日和2015年6月23日發射了“角色”衛星。該衛星的主承包商為俄羅斯進步國家航天火箭科研生產中心（TsSKB-Progress，前俄羅斯進步中央設計局），有效載荷由列寧格勒光學機械聯合體（LOMO）、俄羅斯瓦維洛夫國家光學研究所（Vavilov State Optical Institute）和光學科研生產聯合體（NPO Opteks）研制，俄羅斯航天部隊負責衛星的發射和運行管理。

“角色”衛星光學系統采用三鏡消像散的科爾斯（Korsch）型望遠鏡，光學口徑1.5m，焦距20m，f/13.3。相機焦平面單元由光學科研生產聯合體研制，采用俄羅斯電子光導科研生產聯合公司（ELAR）研制的ELCT1080v1U型CCD器件，像元尺寸9μm。“角色”衛星星下點全色分辨率0.3m，是俄羅斯目前分辨率最高的傳輸型成像衛星。

近年，俄羅斯在一定程度上還依靠返回式衛星進行成像偵察任務，琥珀－4K2M是近10年發展的返回式光學成像偵察衛星的最新型號，首發于2004年9 月25日，后約以每年1顆的頻率進行發射，目前已發射了10顆，末次發射是2015年6月5日。該系列衛星分辨率高達0.2m，在軌壽命約100天。

（2）光學測繪衛星

在軍用光學測繪衛星方面，俄羅斯彌補了長期以來無軍用傳輸型光學測繪衛星的空白。2015年2月27日，俄羅斯成功發射了獵豹－M1衛星，2016年3月又成功發射了獵豹－M2衛星。獵豹－M衛星放棄了“琥珀”衛星平臺，采用了模塊化結構，相機分辨率1.1～1.35m，幅寬60km，有7個工作譜段。衛星還攜帶了激光測高系統，能夠針對很多地區難以獲取地面控制點的情況，進一步提高了測量精度。這些衛星將使俄羅斯具備全球高時效性軍用地圖測繪能力，為其軍事斗爭提供關鍵支撐。

（3）雷達成像偵察衛星

在雷達成像偵察衛星方面，俄羅斯填補了20余年無雷達成像衛星可用的嚴重短板，分別于2013年6月27日和2014年12月19日發射了新型SAR衛星—禿鷹－1（編號COSMOS－2487）以及禿鷹－E1（編號COSMOS－2503）雷達成像偵察衛星。該系列衛星質量約1150kg，采用S頻段拋物面天線，具有聚束、條帶和掃描3種成像模式，可實現對衛星兩側成像，入射角為20°～55°，視場范圍為每側500km。聚束模式分辨率1m，幅寬10～20km；條帶模式分辨率1～3m，幅寬10～15km；掃描SAR模式分辨率5～30m，幅寬20～150km，并具備一定的立體觀測和干涉測量能力。

“禿鷹”衛星

“禿鷹”與上代鉆石－1（Almaz－1）衛星相比，在技術指標上有極大提升，鉆石－1也攜帶S頻段SAR，分辨率僅為10～15m，幅寬30～45km。

民用衛星初步形成規模

近年來，俄羅斯重視民用衛星的發展，將民用遙感衛星作為近20年俄羅斯航天發展戰略中的重要領域。

在氣象衛星方面，俄羅斯發展有“流星”系列極軌衛星和電子－L地球靜止軌道衛星。現役流星－M衛星是第五代極軌衛星，總體性能與美國“諾阿”（NOAA）系列衛星相當，搭載有分辨率為50m/100m的3通道多光譜相機、分辨率為500m/1km的X頻段側視雷達，以及分辨率為35km的超光譜紅外光譜儀。俄羅斯目前沒有專用的海洋衛星在軌運行，主要采取氣象衛星搭載海洋環境探測載荷的發展方式。流星－M衛星裝載有MTVZA-GY微波輻射計，用來探測陸地和海洋表面、大氣的含水量、全球大氣溫度和濕度的垂直分布。該微波輻射計的觀測頻率為10.6～183GHz，有29個探測通道，掃描方式為圓錐掃描。電子－L衛星是第二代GEO衛星，性能與歐洲“第二代氣象衛星”（MSG）相當：3個可見光通道的分辨率為1km、7個紅外通道的分辨率為1～4km。

在資源與環境衛星方面，目前有4顆“資源”系列高分辨率光學成像衛星在軌。最新發射的一顆為資源－P3，該衛星設計與資源－P1、P2相同。

資源－P3運行于高約470km、傾角97.276°的太陽同步軌道（SSO），重訪周期為3天，設計壽命5年，發射質量約5920kg，由俄羅斯進步國家航天火箭科研生產中心基于資源－DK平臺建造。資源－P3具有在45s內側擺45°的能力，無地面控制點圖像定位精度為10～15m。

“禿鷹”衛星成像模式（左圖為聚束模式，右圖為條帶模式）

資源－P3的有效載荷包括Geoton－2相機、寬覆蓋多光譜載荷（WCME）和高光譜載荷（HSE）。Geoton－2相機為全色/多光譜高分辨率相機，采用折射成像，全色分辨率1m、多光譜分辨率4m，幅寬38km。WCME載荷包括高分辨率（HR）-寬覆蓋多光譜和中分辨率（AR）-寬覆蓋多光譜2臺相機。其中，HR-寬覆蓋多光譜相機全色分辨率11.9m，5通道多光譜分辨率23.8m，幅寬97.2km；AR-寬覆蓋多光譜相機全色分辨率59.4m，5通道多光譜分辨率118.8m，幅寬441.6km。2臺相機同步工作，共同完成多光譜成像任務。HSE載荷共有216個通道，光譜分辨率5～10nm，空間分辨率25～30m，幅寬30km。此外，資源－P還具有1：10000比例尺測繪能力。

資源－P3衛星拍攝的圖片

老人星－V－1是民用地球資源衛星，首發星于2012年7月22日發射，為俄羅斯航天局（RSA，現更名為俄羅斯航天國家集團）、俄羅斯聯邦水文氣象和環境監測局（Roshydromet/Planeta）和俄羅斯緊急事務管理局（EMERCOM）提供災害監測能力，同時還為俄羅斯聯邦自然資源和生態部、俄羅斯科學院等其他用戶提供服務。老人星－V－1衛星運行在高約500km、傾角97.5°的太陽同步圓軌道。該衛星發射質量473kg，有效載荷質量108kg，設計壽命5～7年。衛星在俯仰和滾動方向具有±40°的側擺能力。老人星－V－1衛星有效載荷為全色成像系統（PSS）、多光譜成像系統（MSS）和多光譜掃描儀（MSU－200）。PSS全色分辨率2.1m，幅寬23.5km；MSS提供4個譜段的多光譜圖像，空間分辨率10.5m，幅寬20.2km；MSU－200主要提供陸地和海面以及冰層覆蓋的圖像，空間分辨率為25m，幅寬250km。

商用衛星處于發展初期

俄羅斯的商用衛星處于發展初期，相關衛星處于在軌技術演示驗證或預研階段。

2011年，俄羅斯成立了航天技術初創公司—人造衛星公司，該公司主要從事小微衛星及其應用系統的研制，其首顆商業衛星于2014年6月19日成功發射。該衛星名為“平板衛星”，質量為26.2kg，設計壽命1年，造價約為100萬美元，衛星用于地球遙感監測，分辨率約為15m。發展該衛星的目的主要是對小微衛星系統技術進行演示驗證，人造衛星公司計劃在2020年前建成1m分辨率業務型小型衛星星座。

2014年5月12日，俄羅斯達斡利亞宇航公司與西班牙依萊克諾德莫斯公司（Elecnor Deimos）宣布將聯合建立名為“德莫斯-英仙座”（Deimos Perseus）的由9顆衛星組成的對地觀測衛星星座，為農業、森林和商業運營監測等應用提供多光譜對地觀測圖像。

“德莫斯-英仙座”包括8顆英仙座－O衛星和1顆德莫斯－1（Deimos－1）衛星，該星座將以大約每天1次的重訪頻率對地球進行多光譜成像。達斡利亞宇航公司已于2013年10月獲得了I2BF全球投資公司2000萬美元的投資，用于構建其“德莫斯-英仙座”。德莫斯－1衛星已于2009年成功發射，該衛星由依萊克諾德莫斯公司與薩瑞衛星技術公司（SSTL）基于后者的微小衛星－1（MicroSat－1）模塊化小衛星平臺聯合研制，分辨率22m，具有綠色、紅色和近紅外3個譜段。而8顆英仙座－O衛星將搭載與德莫斯－1衛星相似的相機，2個系列的衛星具有相同的分辨率和光譜范圍。

為了使用戶便于使用“德莫斯-英仙座”衛星星座的產品，達斡利亞宇航公司的子公司—云對地觀測公司（CloudEO）將提供云服務，方便用戶獲取對地觀測數據。應用開發者、地理空間數據用戶和服務提供者可以利用云服務存儲和獲取衛星圖像。

目前，達斡利亞宇航公司和依萊克諾德莫斯公司已于2014年6月19日發射了2顆攜帶船只“自動識別系統”（AIS）的英仙座－M海事監視衛星。英仙座－M和O均由康能普視系統公司（Canopus Systems）研制，該公司位于美國山景城，是達斡利亞宇航公司的子公司。此外，達斡利亞宇航公司于2014年7月8日發射了名為DX－1的通信技術試驗微衛星。可見，俄羅斯達斡利亞宇航公司在小微衛星領域已經取得了一定的技術成果，未來成功發射英仙座－O衛星星座的可能性很高，將帶動俄羅斯商業對地觀測能力的發展。

3 俄羅斯對地觀測衛星發展面臨的問題

近年，俄羅斯對地觀測衛星發射事故時有發生、衛星在軌故障頻發。同時，在對地觀測衛星體系完整性上，與美、歐還存在較大差距。

發射事故時有發生，衛星在軌故障頻發

近年，俄羅斯對地觀測衛星多次遭遇發射失敗或在軌工作異常。綜合來看，俄羅斯軍用成像偵察衛星和民用對地觀測衛星在軌故障大多由于產品質量低和電子器件可靠性差所致。

2 0 1 1年2月1日，“隆聲”/“微風”（ROCKOT/Briz）上面級火箭將軍用測地衛星—測地-IK－2（GEO-IK－2）送入錯誤軌道，隨后太陽敏感器又發生故障，進而失去控制，所有挽回措施也全部失敗，2011年6月，俄羅斯宣布衛星丟失。

2015年12月5日，俄羅斯海洋與氣象衛星老人星－ST1由于火箭分離系統故障，衛星沒有被送至預定軌道，最終再入地球大氣層。該衛星發射失敗，使俄羅斯在海洋觀測上遭遇了較為嚴重的損失。

資源－P3也險些發射失敗，第一次發射是在2016年3月12日，就在火箭發動機點火前的一剎那，系統發出了“發動機自動關閉”錯誤。2h后，俄方公布，發射中斷的原因是飛行控制系統發現了一個缺失信號，問題出在火箭點火器上。由于錯過了僅有的10s發射窗口，發射時間推遲了24h。3月13日，衛星成功發射，3月17日，俄羅斯航天國家集團（原俄羅斯聯邦航天局）宣布資源－P3成功抵達運行軌道，目前已傳回了測試圖像。

俄羅斯對地觀測衛星后續發展計劃

同時，俄羅斯對地觀測衛星在軌故障也頻繁發生。在軍用對地觀測衛星方面，光學成像偵察衛星和雷達成像偵察衛星近年的發展均暴露出俄羅斯新型軍用衛星可靠性較低的問題。

角色－1光學成像偵察衛星于2008年7月發射，但衛星入軌后不久就由于空間輻射導致了電路故障，造成整星失效。經過近5年的改進，角色－2衛星于2013年6月發射，但不久就出現星上存儲器故障問題，有50%存儲器失效。2014年，俄羅斯上傳了新的軟件，將衛星重新激活。據報道，就在馬航MH17失聯事件前，角色－2衛星及時地恢復了工作狀態。

禿鷹－E1衛星于2014年12月發射，據西方媒體報道，禿鷹－E1衛星于2015年4月中旬發生異常，原因暫不得而知。有一種解釋是，禿鷹－E1衛星的異常與俄羅斯為埃及研制的埃及衛星－2（EgyptSat－2）失效相關，后者于2014年4月12日發生星上計算機故障，導致衛星失效。2015年9月，禿鷹－1衛星雷達出現故障，使整星失效。若西方媒體報道屬實，俄羅斯目前僅有1顆禿鷹－E1衛星可用，偵察功能或不能完全發揮。

此外，2顆極軌流星－M氣象衛星分別暴露出低溫制冷器故障和雷達系統故障，導致紅外成像儀和雷達載荷2類十分重要的氣象衛星有效載荷功能無法發揮作用。2016年3月發射的資源－P3的一副太陽電池翼未能正常開啟，半張開的太陽電池翼阻擋了星跟蹤器的視線，幸運的是，該衛星還攜帶了另一套用于確定衛星姿態的系統。盡管俄羅斯航天國家集團宣布太陽電池翼問題對成像性能影響不大，但單側太陽電池翼問題必然影響衛星功率，最終影響衛星在軌壽命。

對地觀測體系尚不完整

在體系完整性上，軍用衛星方面，俄羅斯已發展光學和雷達成像偵察衛星，體系較為完整；但在民用方面，美、歐已發展眾多類型的遙感衛星，發展了激光/雷達海洋測高、海洋鹽度探測、降雨測量、土壤濕度測量、碳監測和重磁力等一系列專用衛星或載荷，具備了非常精細化的探測能力，可見俄羅斯在民用對地觀測衛星體系方面還存在較大差距。

4 發展趨勢

在目前已發射的衛星基礎上，俄羅斯規劃了各型號后續衛星系統，在軍、民兩個領域多為改進型衛星，在商業領域，俄羅斯計劃以小微衛星為突破口，利用立方體衛星平臺，發展一系列中高分辨率的衛星星座。

俄羅斯極少公布軍用偵察監視衛星的發展計劃，而較多發布關于民用對地觀測衛星的發展計劃。根據2015年最新的發布信息，俄羅斯將繼續發展“老人星”系列；完善資源－P系列，預期在2020年發射資源－PM衛星，分辨率達到0.5m；完善由流星－M系列極軌氣象衛星和電子－L系列靜止軌道氣象衛星組成的氣象水文監測衛星系統等。

此外，俄羅斯還將發展一系列新型民用衛星，包括發展S頻段禿鷹－FKA系列和X頻段Obzor－R系列SAR衛星，最高分辨率達到1m，以彌補民用雷達對地觀測的不足；開發由低軌道和大橢圓軌道衛星組成的“北極”（Arctica）系列極區監測衛星系統。預計在2020年構成地球靜止軌道、大橢圓軌道、低地球軌道衛星構成的較為完整的民用對地觀測衛星體系，衛星總數量達到25顆。

除增強衛星性能，完善體系外，俄羅斯還在國際合作方面重視對地觀測衛星及配套系統的出口，積極擴張原獨聯體國家、中東和非洲對地觀測衛星制造市場。目前，已為白俄羅斯、埃及、南非研制了對地觀測衛星－4，未來已計劃和白俄羅斯合作研制貝爾卡－2（BelKa－2）衛星。

在2015年莫斯科國際航空航天展（MAKS－2015）上，俄羅斯的2家公司和伊朗的伯顏-丹尼什-沙赫公司（Bonyan Danesh Shargh）簽署了合作建造伊朗對地觀測衛星系統的協議。根據協議，俄羅斯的NPK BARL公司將負責建立地面接收站，另一家企業俄羅斯機電科學研究所（VNIIEM）負責衛星的研發和發射工作，伯顏-丹尼什-沙赫公司負責整個對地觀測衛星系統的運營。根據協議，伊朗對地觀測衛星系統由老人星－V1的升級版衛星組成，衛星發射時間暫定于2018年。

俄羅斯獵豹－M衛星在軌示意圖

5 總結

整體上，俄羅斯對地觀測衛星處于能力恢復和能力提升的階段。在發展過程中，還接連遭遇發射失敗和在軌衛星故障頻發等問題。但總體來看，隨著相關航天發展戰略的深化實施，俄羅斯的對地觀測能力將按照戰略規劃穩步發展，在2030年左右有望實現恢復其航天大國的實力。

具體來說，在對地觀測衛星方面，軍、民、商領域將同步發展。在軍用對地觀測衛星體系較為完整的基礎上，未來的工作重點是增強衛星在軌數量，提升衛星性能；民用衛星體系將更加完整，覆蓋不同軌道、不同探測體制；商業衛星將以小微衛星星座為途徑，實現俄羅斯在商業對地觀測領域的突破。此外，將更加重視國際合作，力圖以航天實力和航天外交鞏固俄羅斯的大國地位。

陸征/本文編輯

Development of Russian Earth Observation Satellites