歐洲“新一代昴宿星”發展與特點分析

李博 趙惠惠 劉韜（ 中國空間技術研究院， 北京空間科技信息研究所）

歐洲新一代商業高分辨率光學成像衛星——“新一代昴宿星”（Pleiades Neo）于2021年4月29日成功發射，首星命名為新一代昴宿星－3。“新一代昴宿星”具有分辨率高、偵測一體、圖像采集能力強、衛星高度敏捷和星座高頻重訪等特點。

1 發展歷程

在法國太陽神－2（Helios－2）軍用光學成像衛星和軍民兩用“昴宿星”（Pleiades）部署完畢后，法國國家空間研究中心（CNES）尋求下一代光學成像衛星的研制方案，旨在實現小時級重訪和更高的分辨率，并提升衛星持續觀測時間以及高響應能力。為了響應CNES的需求，阿斯特留姆公司（Astrium）,也就是現在的空客防務與航天公司（ADS），于2013年前后提出了3個項目，包括：“阿克托斯”（ARCTOS）低軌甚高分辨率（0.2～0.35m分辨率）成像衛星項目、“高時間重訪”（HRT）中軌高分辨率光學成像衛星項目和“靜止軌道觀測空間監視系統”（GO3S）高分辨率成像衛星項目。同期，阿斯特留姆公司還承擔了CNES的“高分辨率對地觀測光學系統”（OTOS）項目，該項目旨在研制分辨率為0.2～0.35m的法國下一代“光學空間段”（CSO）軍用光學成像衛星。

但是，CNES相關項目并未有明確的、實質性的推進。同時，隨著旗下在軌上一代“昴宿星”等衛星接近壽命末期，ADS公司計劃獨資發展下一代“昴宿星”。2016年9月，ADS公司正式宣布建造4顆甚高分辨率光學成像衛星，原計劃2020年和2021年發射。衛星雖然由ADS公司獨資研制，但其客戶將包括法國國防部等軍方機構。2017年1月，ADS公司總裁宣布星座名稱為VHR2020，并明確分辨率為0.3m。2017年9月，ADS公司修改星座名稱為“新一代昴宿星”，同時明確衛星將攜帶Ka頻段接收機，可通過“歐洲數據中繼衛星”（EDRS）系統進行快速任務規劃，還帶有EDRS激光數據終端。

2系統基本情況

全面轉為純商業發展模式

“新一代昴宿星”是歐洲ADS公司獨資的純商業衛星，而上一代“昴宿星”由CNES和法國國防部共同出資。對于上一代“昴宿星”，一般情況下，2顆“昴宿星”每天可獲取約1000幅圖像，法國國防部具有優先權，每天可獲取50幅圖像，CNES按照投資比例每天獲取約900幅圖像，其中40%分發給各民用部門，另外60%交由ADS公司進行商業銷售。而對于“新一代昴宿星”，由ADS公司獨資建造、管理和運營，星座投資約5.5億歐元，能在發射后15年內為各行各業的客戶提供超高水平的衛星遙感數據服務。

系統設計與性能指標較上一代大幅提升

1）在系統設計方面。“新一代昴宿星”部署在太陽同步軌道，軌道高度620km。星座由4顆相同衛星組成，4顆衛星位于同一軌道面，相鄰兩顆衛星相位成90°，星座重訪每日2次，任務規劃時間少于25min。衛星設計壽命10年。

2）在平臺方面?！靶乱淮乃扌恰辈捎肁DS公司的“S950光學”平臺，發射質量為920kg，衛星功耗1kW?！癝950光學”平臺呈六面體構型，攜帶控制力矩陀螺。平臺采用兩個圓形太陽電池翼；而“昴宿星”的天體衛星－1000（AstroSat－1000）平臺呈六面體構型，3個太陽電池翼以120°間隔均勻分布，整星干質量940kg，燃料質量為75kg。

3）在有效載荷方面。相比上一代衛星，“新一代昴宿星”全色分辨率從“昴宿星”的0.7m提高到0.3m，多光譜分辨率從2.8m提供到1.2m，達到美國世界觀測－3（WorldView－3）衛星的全色和多光譜分辨率水平?！靶乱淮乃扌恰狈鶎?4km，圖像量化位數12bit，圖像定位精度優于5m，相機口徑約為1.35m，具有1個全色譜段，6個多光譜譜段（包括深藍、藍、綠、紅、紅邊、近紅外）。其中，深藍譜段和紅邊譜段比較特殊，深藍譜段具有一定的海水穿透能力，而紅邊譜段用于植被監測。衛星可側擺±52°，大區域成像模式能夠單軌獲取70km×110km的圖像，相當于單軌可獲取東京或上海城區的圖像，單星每日可收集5×105km2的圖像。

“S950光學”平臺

“昴宿星”效果圖

兩代“昴宿星”參數對比

與上一代星座相比，“新一代昴宿星”在技術上還有如下特點：

1）引入了數據中繼系統。采用靜止軌道衛星進行指令和數據中繼，緊急模式下從發送指令到接收數據可在40min內完成。用戶上傳指令可在15～25min內完成，圖像獲取的時間為20～50min。具體來說，“新一代昴宿星”搭載了Ka頻段的指令接收機和激光數據中繼終端，用戶向靜止軌道EDRS衛星發送任務規劃指令，經過其中繼后發送給“新一代昴宿星”。圖像數據也可經過EDRS衛星中繼下傳，這樣可以避免衛星不在地面站覆蓋區域時無法接收指令和下傳數據的問題，大幅縮短響應時間。

2）輕量化技術水平顯著提升。相比上一代“昴宿星”0.65m口徑相機，“新一代昴宿星”在采用1.35m大口徑相機的同時，整星質量下降到920kg，說明歐洲在衛星輕量化技術方面取得較大成果。

多手段提升系統效率與應用效能

（1）縮短任務規劃時間和數據回傳時間

“新一代昴宿星”星座正式運行后，將具備極快的反應速度和數據傳輸速度。空客公司優化了整個星座的任務規劃能力。作為一個基本要求，新的任務規劃從軟件計算到上傳衛星的時間能夠縮短到25min，這使衛星能夠執行緊急任務請求。同時，衛星還能夠根據最新的天氣預報，將成像任務放在成功率較高的區域?？傮w來看，與現有“昴宿星”星座相比，該星座規劃任務的速度是其6倍。

“新一代昴宿星”具備激光通信終端，數傳速率達到1.8Gbit/s，可直接訪問歐洲EDRS系統。該數據中繼系統原本主要服務于歐盟“哥白尼”（Copernicus）計劃中的“哨兵”（Sentinel）系列衛星，“新一代昴宿星”星座將是第一個可直接訪問該系統的商業遙感星座。該星座將充分利用該系統，給衛星系統提供極快的反應速度、極低的響應延遲和極大的數據傳輸，每天高達40TB的數據可以實時傳輸到地球。上述激光通信終端由德國特薩特空間通信公司（Tesat Spacecom）研制，德國航天局（DLR）和ADS公司提供了相關支持。

（2）ADS公司強大的地面處理系統支持“新一代昴宿星”的使用

用戶將利用“新一代昴宿星”星座更強的監測能力和運行效率開展應用。根據空客集團提升數字化程度和連通性的戰略部署，公司將增強地面部分的信息訪問能力，提供機器學習和自動化分析應用，這些應用具備多重任務和大規模圖像處理能力。

在應用方面，客戶可直接通過ADS公司的數字平臺“一個地圖集”（OneAtlas）獲取超高分辨率圖像，OneAtlas平臺是面向用戶的協作環境，使用戶能夠輕松訪問不斷更新的衛星圖像，并執行大規模圖像處理；能夠根據特定需求，獲取定制化的分析結果。此外，OneAtlas是一個多源數據融合處理平臺，平臺還可融合ADS公司擁有的其他光學和雷達數據，這些數據與“新一代昴宿星”衛星數據進行融合處理，供客戶進行分析。基于“新一代昴宿星”衛星的數據和“像素工廠”（Pixel Factory Neo），用戶可以快速、可靠地創建城市和偏遠地區的三維紋理模型和數字高程模型等產品。此外，ADS公司已于2019年與瑞典航天公司（SSC）建立合作伙伴關系，SSC公司負責提供極地站有關的服務，為“新一代昴宿星”提供遙測服務。

3 分析研判

從全球商業光學成像衛星能力看，歐洲仍處于第二位

“新一代昴宿星”盡管圖像定位精度相比上一代提升1倍，優于5m，但是仍然沒有達到美國世界觀測－3衛星的3.5m圖像定位精度水平。其次，盡管增加譜段數量達到7個，但譜段數量與世界觀測－3衛星相差10個，并且缺少短波紅外譜段。在重訪能力方面，相比于美國新型“世界觀測軍團”（WorldView Legion）衛星系統來說，“新一代昴宿星”四星星座提升重訪時間1倍是建立在衛星數量增加1倍的基礎上的?！靶乱淮乃扌恰辈捎玫娜匀皇翘柾杰壍?，可見單純采用太陽同步軌道難以大幅提升重訪能力。而美國新型“世界觀測軍團”六星星座混合使用2星部署在太陽同步軌道和4星部署在中傾角軌道，使星座重訪能力提升至每日13次。從軌道設計上，歐洲發展思路相對保守。

“新一代昴宿星”提升分辨能力的途徑分析

1）分辨率提升主要依靠大口徑反射鏡?！瓣乃扌恰辈捎?.65m口徑的反射鏡，而“新一代昂宿星”采用約1.35m口徑的反射鏡。由于相機口徑越大，分辨率越高，“新一代昂宿星”分辨率從上一代的0.7m提升至0.3m。此外，軌道高度從694km下降到620km，也起到一定的提升分辨率的作用。

2）應用效果提升，主要依靠多星組網和數據中繼。一方面，多星組網提升了任務響應能力；另一方面，通過靜止軌道衛星數據和指令的中繼，既可提升響應能力，也可縮短圖像數據下傳時間?！靶乱淮乃扌恰睌y帶激光通信終端，可由EDRS衛星進行數據中繼，極大提升對地觀測數據交付時效性。

綜合提升應用性指標已成為未來遙感衛星的重要發展趨勢

在新型商業光學成像衛星發展方面，“新一代昴宿星”將提高重訪能力與圖像定位精度、縮短任務規劃與圖像下傳時間等指標放在重要位置。歐洲“新一代昴宿星”采用增加系統衛星數量實現高重訪，美國“世界觀測軍團”既增加系統衛星數量,又采用優化軌道實現高重訪。上述新衛星系統還將提升衛星圖像定位精度作為一項重要內容，旨在提升在制圖、自動駕駛等應用領域的競爭力。“新一代昴宿星”也重視縮短任務規劃與圖像下傳時間，旨在提升快速響應和應急事件監測等應用能力。目前，歐洲利用極地地面站和靜止軌道激光中繼衛星實現這一能力。

4 結束語

“新一代昴宿星”發射后，歐、美主流商業對地觀測運營商進入0.3m甚高分辨率時代，意味著國際對地觀測市場將展開激烈競爭。同時，歐、美高分辨率商業光學衛星圖像定位精度全部優于5m，個別達到3.5m，在制圖精度方面占據技術優勢。歐、美衛星譜段數量多，應用更加精細化。可見，甚高分辨率、高圖像定位精度、多譜段已成為未來高端商業對地觀測衛星的發展方向。