2017年 國外軍用對地觀測衛星發展綜述

劉韜 徐冰 （北京空間科技信息研究所）

2017年，國外軍用對地觀測衛星發展呈現了新的發展態勢。美國陸軍發射第一顆自己運管的光學成像偵察衛星，為美國成像偵察衛星應用模式的新發展埋下了伏筆。同時，歐洲各國加速發展本國的偵察衛星。越來越多的新興航天國家采用整星采購方式，發展本國的軍用對地觀測衛星。除了重視天基系統的發展外，國外越來越重視對地觀測衛星應用技術的發展，人工智能技術正在引領成像偵察衛星應用的變革，使傳統人工圖像判讀解譯目標向目標自動發現和識別發展，大幅度提升了效率。

2017年，國外共有6個國家發射了11顆軍用對地觀測衛星，這些國家分別是美國、俄羅斯、意大利、印度、日本和摩洛哥，其中美國發射數量最多，達到4顆。從衛星類型來看，光學成像偵察衛星仍然最多，為5顆，電子偵察衛星4顆，雷達成像偵察衛星1顆，大地測量衛星1顆。

2017年國外軍用對地觀測衛星發射活動概覽

1 2017年發展現狀

美國

整體來看，在偵察監視衛星方面，美國仍以補網加強國家偵察局（NRO）發展的現有衛星型號為主，并持續研發新一代系統。同時在“快響”理念帶動下，軍兵種嘗試發展成像偵察衛星，增強應對戰術作戰的能力。2017年，陸軍已發射首顆光學成像偵察衛星驗證星。在技術發展上，高度重視新型高分辨率光學成像技術和小型雷達偵察衛星技術的攻關，同時高度重視人工智能在成像偵察衛星應用方面的技術發展。

（1）受“快響”理念帶動，美國陸軍探索發展戰術型光學成像偵察衛星取得初步成果

美軍傳統光學成像偵察衛星系統能力先進，技術領先其他國家一代，但這些系統主要支持戰略應用，對戰術應用的支撐非常有限。陸軍空間與導彈防御司令部（SMDC）圍繞戰術應用、低成本、短周期、高響應的航天裝備發展思路，啟動了“鷹眼”項目。

美國于2017年8月14日利用獵鷹-9（Falcon-9）運載火箭將鷹眼-2M光學成像偵察小衛星成功發射至“國際空間站”，10月24日，該衛星通過釋放方式成功部署。鷹眼-2M衛星由陸軍運管，陸軍擁有成像偵察衛星的愿景經過10余年的發展，終于初步實現。該衛星是質量50kg的小衛星，運行在500km高軌道上，單景圖像面積4km×6km，地面分辨率1.5m。未來，美軍將在5個低軌軌道面部署約40顆具有類似作戰能力的“鷹眼”小衛星，每個軌道面布署8顆衛星，每顆衛星成本約130萬美元，運行壽命約為1年。

利用“鷹眼”衛星，美軍將通過數據中繼網絡直接向作戰部隊提供衛星圖像，圖像交付周期僅需10min或更短時間。士兵通過手持設備可以對衛星進行任務編程。此外，鷹眼-2M衛星已進行過網絡攻擊脆弱性分析，能夠承受一定的網絡攻擊。該衛星的部署意味著旅級或以下級別的戰術指揮官將首次被授予控制衛星成像全流程的權力，包括從衛星任務規劃到數據分發。

此次部署的鷹眼-2M衛星屬于技術驗證星，該任務對于未來陸軍是否推進小型光學成像偵察衛星星座部署的決策具有重要影響。

（2）電子偵察衛星補網加強，替換超期服役衛星，確保在軌電子偵察能力的連續性

2 0 1 7年3月1日，美國聯合發射聯盟公司（U L A）在范登堡空軍基地利用宇宙神-5（Atlas-5）火箭成功發射了國家偵察局的2顆“海軍海洋監視系統”衛星——NOSS-3-8A和8B。這2顆衛星又稱為國家偵察局載荷-79（NROL-79），是美國的信號情報衛星。

鷹眼-2M衛星及其可充氣天線示意圖

NOSS-3-8A和8B是NOSS第三代的第8對衛星，目前共有5對（共10顆）衛星在軌工作（不包括本次發射的2顆衛星），每對衛星運行在同一軌道面上，并保持編隊飛行。根據火箭運載能力推算，NOSS-3-8A和8B衛星的發射質量約為6500kg，設計壽命約8年。NOSS-3衛星雙星構型完全相同，帶有時差/頻差測向定位載荷、低噪聲接收機、星上信號處理機等載荷，對海上艦船的定位精度優于2km。NOSS-3-8A和8B衛星入軌至1010km×1200km、傾角63.4°的近圓軌道，近地點幅角接近180°。

2017年9月24日，美國成功發射了軍號-后繼星-2-2衛星，由國家偵察局運管，技術指標高度保密。該衛星是大橢圓軌道電子偵察衛星，主要用于獲取包括俄羅斯、朝鮮和中國北部等高緯度地區的信號情報。

（3）軍方重視小型合成孔徑雷達衛星及其應用技術發展

洛馬公司公布的“蜘蛛”相機模擬成像結果（左為擬成像目標，右為模擬成像結果）

作為五角大樓一個專門負責研發尖端技術以解決國家安全問題的團隊，美國國防創新部門實驗室（DIUx）在預算縮減的背景下，仍積極發展商業微衛星合成孔徑雷達（SAR）技術。2017年10月6日，美國眾議院和參議院國防撥款小組委員會否決了五角大樓為DIUx計劃提供5000萬美元撥款，該撥款原計劃用于商業微衛星SAR樣機技術研發及深度分析。DIUx當時未發表任何意見，但據推測，五角大樓正在為獲得全天候條件下晝夜成像的持續能力尋求其他資金來源。DIUx已經開始向少數幾家公司提供資金，用于開發商業SAR和SAR分析工具。

（4）重視小型高分辨率衛星創新成像技術發展

美國洛馬公司（LM）于2017年8年曝光了新型高分辨率成像技術—微透鏡陣列干涉成像技術的發展情況。該技術可以有效地降低星載相機體積和質量，微透鏡陣列生產周期較短，工藝較為成熟，成本較低，易于大規模的部署，是低軌高分辨率衛星小型化的重要發展方向之一，也是高軌衛星實現高分辨率成像的重要技術。從項目發展伊始就得到美國軍方資助，并由洛馬公司牽頭技術攻關，說明美國對其重視程度。

采用該技術的“蜘蛛”（Spider）相機在尺寸、質量和功率（SWaP）上均大幅下降，這可以大幅度降低衛星和火箭發射成本。對比傳統的龐大和復雜的光學望遠鏡，新技術可以使望遠鏡的質量僅為原來的10%。在成像能力方面，微透鏡陣列干涉相機的性能十分可觀，對于500nm的波長、300km軌道高度、0.5m基線長度的微透鏡陣列干涉成像相機，其空間分辨率可以高達0.3m。

2017年8月的測試模擬了一個天基過頂成像偵察的場景，所使用的成像相機由30組微透鏡陣列和相應的光子集成電路組成，每個微透鏡的口徑小于1mm。模擬成像目標是一個火車站。

從2017年8月曝光的圖像看，還存在圖像模糊的問題，說明還存在一些需要解決的關鍵技術。洛馬公司預計用5～10年的時間，相關技術才可以發展成熟。

（5）高度重視人工智能在成像偵察領域的發展

隨著軍用和軍商兩用成像偵察衛星的快速發展，以及衛星拍攝效率的大幅度提高，偵察衛星圖像人工判讀的方式已經逐步顯露出效率較低的問題。美國五角大樓已把機器學習與人工智能確定為武器與信息系統軍事現代化戰略的核心要素。在偵察衛星領域，美軍重視利用人工智能技術促進偵察衛星圖像判讀，提升發現目標的效率。美國國家地理空間情報局（NGA）官員呼吁商業公司和學術界研制機器學習工具，來進行自動重復耗時的圖像分析任務，這樣就可以解放技術嫻熟的分析專家，把更多的時間花在計算機無法解決的難題上。美國國家地理空間情報局局長羅伯特·卡迪略（Robert Cardillo）最近表示，他希望75%的重復任務分析可以自動完成，25%的其他任務需要專業人員重點關注，深度學習可以幫助實現。

歐洲

2017年，歐洲成功發射了1顆軍用對地觀測衛星。整體來看，2017年歐洲軍用對地觀測衛星的發展道路呈現出新的發展趨勢，一是保持在“多國天基成像系統”（MUSIS）框架下，發展軍用對地觀測衛星；二是各國獨立發展偵察衛星的愿望更加強烈。

（1）持續推進MUSlS建設

歐洲作為一個整體，通過MUSIS計劃，積極推進歐洲一體化的軍用對地觀測衛星體系，滿足歐洲各國安全防務等領域的應用需求。

MUSIS軍用衛星系統主要由法國、意大利和德國分別研制，法國負責光學成像偵察衛星，德國和意大利主要發展雷達成像偵察衛星，并通過多國間的共享協議來換取對方不具備的情報數據。具體來說，光學成像偵察衛星方面，法國持續推進“光學空間段”（CSO）衛星、西班牙持續推進“智慧”（Ingenio）軍民兩用光學衛星；在雷達成像偵察衛星方面，德國推進新型軍用雷達成像偵察衛星（稱為SARah衛星），意大利正式簽署了第二代“地中海盆地觀測小衛星星座”（CSG）軍民兩用雷達成像偵察衛星的發射合同，西班牙持續推進“帕茲”（Paz）衛星軍民兩用雷達衛星。CSO、Ingenio光學成像偵察衛星，以及SARah、CSG和Paz雷達成像偵察衛星，都是MUSIS的核心組成部分。

（2）意大利加速建成本國成像偵察衛星體系

2017年，意大利成功構建了由高分辨率光學和雷達成像偵察衛星組成的成像偵察衛星體系。8月2日，意大利發射0.5m分辨率的OptSat-3000光學成像偵察衛星。9月，泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）與阿里安空間公司（Arianespace）正式簽署意大利2顆第二代CSG衛星的發射合同。意大利成像偵察衛星系統發展迅猛，使之成為歐洲第一個同時擁有高分辨率光學和雷達成像偵察衛星的國家。

OptSat-3000衛星質量368kg，衛星直徑3.35m，高4.58m。衛星運行在450km高、傾角97.28°的太陽同步軌道。該衛星所載光學成像相機具有全色和多光譜成像能力，全色分辨率為0.5m。

CSG系列是意大利航天局（ASI）與意大利國防部聯合發展的軍民兩用雷達成像衛星星座。2顆二代CSG衛星的發射質量均約為2200kg，將運行在太陽同步圓軌道，搭載X頻段SAR有效載荷。衛星在成像模式上延續上代衛星的聚束、條帶和掃描模式，但在極化方式上增加了雙極化和全極化，分辨率更高，幅寬更大。

第二代“地中海盆地觀測小衛星星座”

（3）德國新的情報法案從側面促進本國偵察衛星的發展

2016年10月，德國議會批準了一項有爭議的法案，授予本國情報機構更廣泛的權力，包括對歐盟設施進行監視。當時該法律被批評為“違憲”。2017年2月，明鏡周刊報道稱，自1999年以來，德國情報機構對西方新聞媒體，包括BBC和路透社在內的國際新聞機構都進行了窺探。

2017年11月，德國議會預算委員會又批準為德國聯邦情報局（BND）建造3顆偵察衛星，預計將耗資4億歐元。而2016年，德國情報界僅計劃采辦1顆偵察衛星。本次衛星采辦數量的增加說明德國加速發展本國偵察衛星的愿望更加強烈。目前，空客防務與航天公司（ADS）和德國不萊梅軌道高技術公司（OHB）都提交了為德國聯邦情報局命名為“喬治”（George）的新衛星項目的標書。此外，以色列航空航天工業公司（IAI）也提交了申請。德國官方沒有明確George衛星是何種類型的偵察衛星，但德國已經發展了軍用雷達成像偵察衛星，不太可能重復發展雷達衛星。同時，根據這些公司現有的技術實力，George衛星是電子偵察衛星的可能性極低，因此判斷該衛星是光學成像偵察衛星的可能性最大。德國認為，利用商業衛星或者從德國的國際伙伴獲得的衛星圖像已經不能滿足需求。聯邦情報局希望利用本國衛星迅速且獨立地提供信息，從而能夠盡可能獨立地對時局做出最及時的評估。

根據分析，德國情報機構監視歐盟被曝光、德國新法案實施和本國偵察衛星發展愿望的進一步增強，都將在一定程度上對泛歐MUSIS計劃的實施產生負面影響。

俄羅斯

2017年，俄羅斯成功發射了2顆軍用對地觀測衛星。從整體來看，近3年來，俄羅斯均保持每年都有軍用對地觀測衛星發射，加強新衛星系統研發和部署，光學成像偵察、雷達成像偵察和電子偵察衛星均在補網加強。

（1）電子偵察衛星更新換代

俄羅斯國防部長謝爾蓋·紹伊古于2017年1月10日向媒體透露，俄羅斯將繼續發展由Lotos-S與介子-NKS（Pion-NKS）衛星組成的新一代“蔓藤”（Liana）電子偵察衛星綜合系統。

（2）俄羅斯發射一顆軍用大地測量衛星

2 0 1 7年6月2 3日，俄羅斯利用聯盟-2.1（Soyuz-2.1）運載火箭從普列謝茨克航天發射場成功發射了1顆軍用測地衛星，該衛星編號為宇宙-2519，代號水平儀-ZU-1，俄羅斯官方沒有公布該衛星的細節。美國軍方的跟蹤數據顯示，該衛星進入高約660km、傾角98°的軌道。據推測，該衛星是俄羅斯新型的測地衛星，用于測量地球精確形狀和重力場，這些數據可改進彈道導彈的制導精度。根據火箭運載能力，該衛星質量約為1400kg。

日本

2017年，日本補網現役軍用對地觀測星座，并重視彈性體系發展。一方面，日本繼續推進2015年提出的新型IGS星座。IGS-R5衛星于2017年3月17日成功發射，其分辨率約為1m。另一方面，日本初步開展了空間系統彈性研究，明確了“彈性”的定義，提出了加強“彈性”的原則、分類和應對措施。與之相呼應，日本為了確保作為最重要的軍事偵察資產的IGS衛星在發生突發事件無法正常提供服務時，能夠擁有替代系統發揮作用，正在開展短期內可發射的小型“快響”衛星系統的驗證研究，質量不足100kg，光學分辨率優于1m，研制周期僅為2～3個月，將于2022年開始發射，進行約2年的技術驗證試驗。

印度

2017年，印度在光學衛星方面取得了進展，成功發射CartoSat-2D和2E，與2016年發射的Cartosat-2C同屬二代改進型。CartoSat-2D和2E發射質量均為727.5kg，功率986W，采用高500km、傾角97.5°的近圓太陽同步軌道，星上攜帶了全色和多光譜相機，全色分辨率0.65m，4通道多光譜分辨率2m，幅寬10km。

其他國家或地區

其他國家中，僅摩洛哥在2017年11月8日成功發射了軍用對地觀測衛星，即Mohammed-VI-A。主承包商是空客防務與航天公司，衛星以法國“昴宿星”（Pleiades）高分辨率對地觀測衛星的改進型號為基礎，推測分辨率約為0.7m。

Lotos-S衛星

2 發展趨勢

戰術型光學成像偵察衛星有望快速發展

在“快響”理論帶動下，經過數年的技術積淀以及多域作戰軍事需求的牽引，戰術型光學成像偵察衛星即將進入發展的快車道。美國陸軍發射了第一顆自己運營的光學偵察衛星，可以滿足戰術作戰應用，戰場人員可以通過移動終端進行指揮控制，圖像交付時間大幅度縮短。若該衛星在戰績評估方面進展順利，美國陸軍將大批量發射該型衛星，構建40星星座，實現近持續監視能力。

對地觀測加人工智能技術促進軍事應用變革

人工智能技術的高速發展使對地觀測衛星開始從交付圖像向交付產品轉變，并且大幅縮短產品交付的時間。2017年，美國國家地理空間情報局呼吁商業公司和學術界研制機器學習工具來進行自動重復耗時的圖像分析任務。密蘇里大學地理空間情報研究中心利用深度學習神經網絡，幫助研究分析人員在中國東南部地區大范圍搜索地對空導彈發射場。結果顯示，人工智能是傳統的人類視覺搜索效率的80多倍。