國外高分辨率小衛星星座進入高速發展期

周潤松 劉韜（ 中國航天科技集團公司 北京空間科技信息研究所）

國外高分辨率小衛星星座進入高速發展期

Foreign High-Resolution Small Satellite Constellation Entered a Period of Rapid Development

周潤松1劉韜2（1 中國航天科技集團公司 2 北京空間科技信息研究所）

近年，小衛星技術、新型成像探測器和圖像處理技術以及以移動通信技術和大數據技術為代表的IT技術高速發展，帶動了美國特拉貝拉公司（Terra Bella）、美國黑天全球公司（BSG）、美國赫拉系統公司（Hera Systems）、加拿大地球直播公司（UrtheCast）和阿根廷衛星邏輯公司（Satellogic）等一大批新興商業對地觀測衛星公司進入市場。

2016年，這些初創公司的高分辨率對地觀測星座獲得實質性進展，有的已發射多顆業務星，有的已不是停留在衛星星座宏偉設計藍圖上，而是已經發射了技術能力較強的技術驗證衛星，有的已獲得政府和軍方的扶植。同時，以美國為代表，政府出臺了相關戰略，引導新興初創公司發展。美軍將成立新機構，促進軍方對新興商業對地觀測小衛星星座的利用。由于軍方情報對圖像質量要求較高，加之商業市場對高分辨率圖像需求強烈，有高重訪能力的對地觀測小衛星星座已呈現出從中分辨率向高分辨率發展的勢頭。

1 初創公司及其高分辨率小衛星星座

美國特拉貝拉公司

美國天空盒子成像公司（Skybox Imaging）成立于2009年，因其成像探測器、超分辨率處理等技術先進，被“麻省理工學院技術評論”評為2012年最具“摧毀性”的50家公司之一。2014年，谷歌公司（Google）以5億美元將其收購，更名為特拉貝拉公司。

相比于其他公司，特拉貝拉公司較早提出“小衛星、大數據”概念，計劃建造由24顆微衛星組成的“天空衛星”（SkySat）對地觀測星座，重訪時間6～8h。該公司將衛星獲得的地球圖像或視頻數據建立大數據庫，提供基于云平臺的數據訪問服務，顛覆了傳統的由代理商負責數據銷售的理念。“天空衛星”是全球首顆100千克量級亞米級分辨率商業視頻遙感小衛星，也是首顆采用互補金屬氧化物半導體（CMOS）面陣探測器的低軌亞米級分辨率衛星。目前“天空衛星”已成功發射了7顆。

繼2013年和2014年發射了天空衛星－1和2（SkySat－1、2）后，2016年，該公司又發射了5顆天空衛星－C系列衛星。天空衛星－C與前2顆衛星的成像指標基本相同，全色分辨率0.9m，4譜段多光譜分辨率2m，幅寬8km。采用視頻模式工作時，只能提供全色視頻，分辨率1.1m，幅寬2km×1.1km。視頻30幀/s，單次能夠持續拍攝90s，輸出H.264編碼格式的1080P高清視頻。最大的不同是，天空衛星－C系列衛星具備推進能力，從而使衛星質量從90kg提高到120kg，設計壽命超過10年。而天空衛星－1、2不具備推進能力，谷歌公司計劃通過軟件來抵消軌道衰退的影響。

美國黑天全球公司

美國黑天全球公司成立于2013年。該公司部分高層曾供職于軍方，其衛星設計深受美軍彈性航天體系發展思路影響，這體現在其低成本小衛星設計、多軌道平面運行、技術快速更新等理念上。目前，該公司正在發展由60顆衛星組成的星座，星座計劃在2019年部署完畢，具備10～60min重訪能力。其單星質量小于50kg，探路者－1（Pathfinder－1）衛星作為星座的首顆技術驗證星，已于2016年9月25日成功發射，其相機由哈里斯公司（Harris）研制，多光譜分辨率達1m，視場覆蓋4.4km×6.6km。該公司計劃在2017年開始發射業務型衛星，名為“全球”（Global）衛星。單顆衛星成本為1500萬～2000萬美元。

在“全球”衛星星座軌道設計方面，將采用多個軌道面，一對衛星處于太陽同步軌道（SSO），實現全球覆蓋，而鑒于全球人口多分布于55°（N）～55°（S），剩余衛星位于8個軌道傾角小于90°的軌道平面（包括51.6°、45°和28.5°傾角）。這種軌道設計可以使周期達到90min，更快速地對商業活動和人類活動進行監測。星座數據接收至少需要17個地面站，產品交付時間達到20min。衛星遙測控制使用特高頻（UHF）和S頻段，數傳采用8080MHz的X頻段。

在衛星平臺方面，具有在軌推進能力，側擺角達到±30°，星上存儲能力達到30Gb；在有效載荷方面，采用工業級相機，能夠提供1m分辨率的紅綠藍（RGB）共3譜段多光譜圖像（400～510nm、510～580nm和590～750nm），在高度為450km的軌道運行，視場覆蓋4.4km×6.6km。該相機還可拍攝1幀/s的視頻。

衛星設計不追求長壽命，其3年的設計壽命一方面可以降低衛星成本，另一方面，新的替換衛星可以使用時下最新技術，使在軌星座的技術保持領先。可以看出，該公司低成本、多軌道運行、小衛星設計、快速更新技術的理念，完全符合美軍彈性和分散軍事航天體系的要求。

在衛星運控方面，“全球”衛星星座的一大突出特點是用戶無需運管衛星即可直接對衛星下達成像指令。這一操作概念類似美軍快速響應衛星作戰概念。實際上，該公司首席技術官維勒（Wegner）曾在美軍作戰響應空間（ORS）辦公室任職，他將美軍“虛擬任務操作中心”（VMOC）概念引向了商業應用。黑天全球公司構建了基于網絡的衛星指控系統，用戶只需登錄系統，即可通過地圖點選的方式直接對衛星下達成像指令。

在營銷模式上，黑天全球公司的理念是以低價格和高重訪能力，基于高分辨率變化檢測，打開未來商業對地觀測市場。公司計劃采用“每幅圖像付款”（pay-per-picture）的營銷模式，星座建成后，每幅圖像需支付100美元。

美國赫拉系統公司

美國赫拉系統公司成立于2013年，總部設在加利福尼亞州。該公司計劃使用戶通過手機應用輕松下單，即可收集全球任意地點的高時效性、高分辨率圖像和視頻。

該公司聲稱其圖像售價很低，1m分辨率存檔圖像為1美元，1m分辨率新圖像為2美元，0.5m分辨率圖像為3美元（以上均為每平方千米的圖像價格）。這將改變目前的衛星圖像價格昂貴、阻礙用戶應用的現狀。用戶通過名為“地理快照”（GeoSnap）的APP，采用自助模式獲取產品，極大地簡化訂購流程，使衛星圖像更易獲得。

赫拉系統公司計劃在2016年11月發射9顆“第一代高光學性能衛星”（1HOPSat）（截至2016年底尚未發射），分辨率為1m，具有成像和視頻拍攝能力。該衛星基于12U立方體衛星制造，質量22kg。

2 0 1 6年8月，赫拉系統公司與美國航空航天局（NASA）簽署了“無償空間行動協議”（NRSAA），NASA艾姆斯（AMES）研究中心和赫拉系統公司合作，基于NASA的“衛星電子學與技術成本優化試驗”（COTSAT）衛星技術，研制升級版的衛星。這類協議在航空航天界極其罕見，協議允許赫拉系統公司使用美國航空航天局的“衛星電子學與技術成本優化試驗”技術，進行商業衛星的研制，該升級版衛星稱為“第二代高光學性能衛星”（2HOPSat），其空間分辨率高達0.22m，平臺質量約400kg。該公司計劃最終部署由48顆衛星組成的星座。

加拿大地球直播公司

加拿大地球直播公司成立于2010年，是利用大數據技術，以互聯網和移動終端為平臺，為用戶提供衛星數據定制服務的新型宇航企業。2013年，該公司在“國際空間站”（ISS）上安裝了中分辨率相機（MRC）和高分辨率相機（HRC）。中分辨率相機的分辨率為5m，幅寬約50km。高分辨率相機分辨率為1.1m，視場為5km×3.4km，能夠拍攝單幅圖像和幀速率為3.25幀/s的視頻，每天可產出150段每段90s的視頻，且能與谷歌地球（Google Earth）的相關架構兼容。2015年，該公司收購了德莫斯成像公司（Deimos Imaging），擁有了德莫斯－1和2（Deimos－1、2）衛星的運營權，還獲得了與此相關的衛星圖像采集、存儲、處理、分析、分發和銷售許可能力，加速了公司在數據分發、網絡平臺開發以及自主衛星星座建設方面的戰略布局。

2015年6月，地球直播公司宣布，計劃制造、發射并運營世界上第一個多光譜與合成孔徑雷達（SAR）完全集成的商業對地觀測衛星星座，名為“光學合成孔徑雷達”（OptiSAR）星座，計劃于2020年開始運行。

“光學合成孔徑雷達”星座預計由16顆衛星組成，包括8顆光學衛星和8顆合成孔徑雷達衛星，衛星分布在2個軌道面，每個軌道面內有4對衛星，每對衛星等間隔分布。每對衛星包括1顆多模式成像高分辨率光學衛星和1顆雙頻高分辨率合成孔徑雷達衛星，2顆衛星串列飛行。該星座采用2個軌道面的設計方案，對中緯度地區的重訪率最高，并且能夠完全覆蓋極區。地球直播公司計劃通過多次發射部署該星座，并于2020年開始運行。該星座的合成孔徑雷達成像衛星質量1400kg，X頻段分辨率為1m，L頻段分辨率為5m。光學衛星質量700kg，拍攝0.5m分辨率圖像，經過處理可生成0.25m分辨率圖像，還可拍攝30幀/s、分辨率為0.4m的視頻影像。

目前，“光學合成孔徑雷達”星座的發展引起了包括加拿大本國政府甚至美國軍方的高度關注。該星座項目于2016年獲得2份重量級合作協議，一份是加拿大航天局（CSA）“航天技術發展計劃”（STDP）200萬美元的技術出資協議（CA），另一份是與美國國家地理空間情報局（NGA）簽訂的合作研究和開發協議（CRADA）。前者表明加拿大政府意在支持該星座的研發，以提高加拿大航天產業在國際上的競爭力；后者旨在為美國國家地理空間情報局的國家安全任務提供強有力的支持，研發活動聚焦在使該星座獲得最大使用效能上。具體研發領域主要包括：①多源融合—開發工具、服務和分析處理；②提高/確保度量準確度；③優化采集/分發策略。

阿根廷衛星邏輯公司

阿根廷衛星邏輯公司成立于2010年，總部設在美國加利福尼亞州。該公司計劃制造和發射300顆小衛星并構建星座，星座具有5min重訪能力。單顆衛星質量約35kg，多光譜分辨率達到1m。公司在阿根廷建造了衛星制造廠，具有年產50余顆衛星的能力。2016年5月30日利用中國長征－4B火箭發射了2顆技術驗證星。

2 政府引導新興商業能力的發展

近年，美國政府通過多項舉措積極引導新興對地觀測衛星星座的發展。

2015年10月26日，美國國家地理空間情報局發布《商業地理空間情報戰略》，旨在充分利用當前蓬勃發展的商業衛星產業，以及商業衛星運營商和數據分析公司的技術優勢，整合大量非保密數據源，提高國家地理空間情報局的采辦靈活性和敏捷性。該戰略有3個目標：①在作戰要求時限內提供多樣化圖像、情報產品和服務，保障情報用戶做出明智決策；②在用戶所需的地點及時提供商業數據、信息和知識，提高戰術用戶的任務成功率；③提供持續、多樣的商業數據流、基礎產品和服務等。該戰略順應已有和新興商業遙感圖像供應商帶來的巨大變革。

美國國家地理空間情報局和國家偵察局（NRO）于2016年啟動“商業地理空間情報”（CGA）項目辦公室，該辦公室進行聯合評估，向兩家機構建議投資對象，使兩家機構進行同步聯合采辦，并幫助其更好地利用商業圖像。該項目辦公室要求商業界不僅提供數據收集能力，還要提供對其有益的數據分析能力。可以看出，“商業地理空間情報”項目辦公室的成立旨在向商業界拋出政府的聲音，促進新興商業地理空間情報的發展。

3 啟示

美國將商業能力納入國家對地觀測衛星體系，充分提高了航天體系的彈性，培育了國家商業天基對地觀測這一戰略性新興產業，提高了相關產業在國際上的競爭力。其次，美國軍方通過出臺戰略引導商業對地觀測衛星系統發展，并建立辦公室促進軍方對新興商業對地觀測小衛星星座的利用。以美國為代表的眾多國家已將目光放在高分辨率小衛星星座發展上，這些發展動向值得高度關注。