地球觀測衛星發展現狀分析

信 晟，楊 超，張 悅，劉 祺

（自然資源部國土衛星遙感應用中心，北京 100048）

1 概述

傳統意義上對地觀測技術通過衛星遙感平臺對地表自然環境、經濟作物、交通狀況等進行動態監測分析，提供宏觀、準確、綜合、連續的信息數據，為人們在地球上的生活和行動提供重要的經濟分析和指導。但無論是歐美國家還是在中國，政府直接出資進行衛星規劃和建設的都越來越少，更多的是通過政策調整，或政府和社會資本合作，政府通過購買社會服務的模式獲取數據和服務。

2 對地觀測系統發展現狀

具有經濟實力和技術實力的國家，一方面從空間系統的頂層設計入手保持空間對地觀測系統規模；一方面通過改進有效載荷、傳感器、火箭回收等技術，降低衛星發射成本，推動遙感觀測衛星向小型化、規模化、應用化和服務化的方向發展。

2.1 國外對地觀測技術發展

美國是在軌遙感衛星數量最多的國家，也是航天遙感能力最強的國家，在光學、激光測高、重力等衛星研制及應用方面處于領先地位，高中低分辨率并存、商業遙感衛星與民用遙感衛星互補。Landsat系統主要用于陸地資源、水資源等的調查和管理及測繪制圖[1]，中國科學院遙感與數字地球研究所接收、處理、存檔和分發Landsat-5、Landsat-7、Landsat-8和Landsat-9 4顆 衛 星的數據。美國數字地球公司第二代高分辨率商業遙感衛星中WorldView-3的分辨率達到0.31 m，WorldView系列面向不同行業提供高質量衛星影像，包括Google、Microsoft等互聯網巨頭，同時也向美國情報部門提供服務。

SkySat擁有最多的亞米級高分辨率衛星群，可以1日內完成2次對地球上任何位置的觀測[2]。美國宇航局正在放棄在低軌的深空網并轉交給商業公司處理，SpaceX名列其中，其Starlink衛星可以無限升級，隨時下架，靈活調整整個衛星的覆蓋范圍，其2.0版的性能、重量、尺寸均有大幅提高，每顆星的帶寬達到140～160 Gbit/s，未來在星艦上可以搭載110～120顆此衛星[3]。美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）的“黑杰克”項目研發較低尺寸、重量、功耗及成本的低軌軍事通信與監視衛星，但能力與在地球同步軌道上運行的軍事通信系統相似，而成本遠低于后者[4]。美國普里達公司通過在SAR衛星上安裝激光通信終端，將數據傳遞至“黑杰克”衛星星座，展示低軌衛星架構的軍事用途，長期目標是在低地球軌道創建政府-商業混合架構，向政府的衛星星座提供商業衛星收集的數據。美國雷達小衛星企業（Capella Space）計劃打造36顆衛星組網的SAR衛星星座，提供0.5 m高分辨率圖像，為其在國防與情報領域、航運和供應鏈的市場提供服務[5]。

日本雷達小衛星企業（Synspective）是日本排名前十的初創企業之一，已經使用美國火箭實驗室電子火箭發射了StriX-α和StriX-β兩顆SAR衛星，可提供1 m分辨率的圖像。該公司計劃在今年晚些時候發射第一顆商用原型衛星 StriX-1，到2023年將衛星數量增加到6顆。

芬蘭雷達衛星運營商（ICEYE）截止2022年初，共有16顆在軌衛星，建立了全球最大的小型SAR衛星星座，能夠提供分辨率在0.5 m的圖像，并計劃在年底前再發射9顆。ICEYE不只提供上游衛星影像和數據，在擴展下游應用業務，提供行業解決方案，包括洪水監測解決方案，在洪水事件后24 h內為保險和再保險行業提供近乎實時的洪水范圍和深度數據，以及建筑物級別的分辨率數據。2021年7月，鄭州市發生特大暴雨災害，河南省衛星中心緊急協調一批SAR衛星數據幫助抗洪救災，ICEYE數據就是之一[6]。

2.2 國內對地觀測技術發展現狀

國內在軌衛星數量全球第二，與美國相比發展對地觀測的時間要晚，衛星性能也存在一定差距。國內正在形成由產品、供給、服務、政策、人才、創新網狀關聯的空間信息產業鏈全鏈條發展格局。目前，國內對地觀測衛星體系包含多個國家日常觀測和應急觀測骨干網，同時借助商業衛星服務系統，對骨干網進行填充與補強。共同為自然資源部、生態環境部、應急管理部等10余個國家部委、國內及全球用戶提供可持續運行、安全穩定可靠的衛星遙感大數據和空間信息綜合應用服務。

2.2.1 國內骨干衛星網發展現狀

“高分專項”是國內最為重要的遙感技術發展項目，包含可見光、多光譜、紅外線、SAR等多種衛星系統，高分一號正式開啟了國產高分辨率衛星為國土資源管理提供遙感數據支撐的新時代；高分二號民用光學遙感衛星標志著國內遙感衛星進入了亞米級“高分時代”；國內第一枚 C波段多極化 SAR衛星（GF-3）標志著國內雷達成像衛星技術的飛躍；高分七號填補了國內亞米級衛星立體測繪空白，實現1：1萬比例尺的重大技術跨越。

“風云”系列衛星觀測的氣象資料廣泛服務于天氣預報、氣候預測、災害監測、環境監測、軍事、航天氣象保障等重要領域，在國內災害應急管理工作中發揮著重要作用[7-9]。

“海洋”系列衛星是國內自主研制的國內海洋環境衛星監測系統，該系列衛星已研制出3種型號，分別是海洋（HY-1）衛星為海洋水色衛星，海洋二號（HY-2）衛星為海洋動力環境衛星，海洋三號（HY-3）衛星為海洋監視衛星。國內海洋衛星起步晚，數量少，對海洋領域的高頻率監測能力尚有不足[10]。

“資源”系列衛星是專門用于探測和研究地球資源的一系列衛星。在國內“資源-1”原方案的基礎上，與巴西共同研制“資源-1 01、02、02B、03、04、04A”衛星型號，國內自主研制了“資源-1 02C、02D、02E”衛星型號，以及資源-2和資源-3系列衛星。資源-3系列是國內高分辨率三維測繪衛星，服務于基礎測繪、國土、農業、環境、減災、規劃等各行業影像數據需求[11]。

2.2.2 國內商業衛星網發展現狀

2020年，衛星互聯網首次被納入“新基建”范疇，“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要也提出，要“建設高速泛在、天地一體、集成互聯、安全高效的信息基礎設施”。可以說國內商業衛星遙感產業進入高速發展階段的拐點階段[12]。

“北京3號”A星是中國航天與世紀空間首次合作的高性能新型光學商業服務遙感衛星，采用太陽同步軌道，可獲取全色0.5 m、多光譜2 m分辨率的衛星影像。衛星采用了大量創新技術，利用人工智能可以自行規劃飛行路線，1天來回近100次，以監測全球多達500個值得關注的地區。反應速度比全球最先進觀測衛星之一的“WorldView-4”快2～3倍，掃描帶寬77%，重量輕一半。在42 s內拍攝超過10萬張照片，即可以拍攝一切高速運動的物體，包括飛行中的衛星和彈道導彈[13]。

“吉林1號”是另一個重要的光學遙感衛星星座，采用太陽同步軌道，計劃2025年左右實現138顆衛星組網，具備全球任意地點10 min內重訪能力。其寬幅01C衛星的幅寬大于150 km，可提供分辨率全色0.5 m、多光譜2 m的影像產品。高分04衛星可以星上任務自主規劃、實時數傳和星上AI功能，分辨率優于0.5 m。視頻衛星使用光學偵察鏡頭跟蹤監測飛行中的戰斗機。長光衛星的第三代高分03衛星重量只有40 kg，發射成本僅為第一代衛星的十分之一[14]。

2022年4月“四維高景一號 01/02 衛星”發射成功，采用太陽同步軌道，全色分辨率 0.5 m，多光譜分辨率 2 m，高景一號系列衛星興寧具有一套三視立體成像，可以實現地表快速三維建模；通過多條帶拼接成像可實現對大范圍目標的快速信息采集；具備大容量存儲能力，快速機動中數據高速下傳等。

“珠海一號”是國內首家由民營上市公司建設并運營的遙感微納衛星星座，總體規劃由34顆衛星組成，包括視頻衛星、高光譜衛星、雷達衛星、高分光學衛星以及紅外衛星。目前已經在軌12顆。[15]

國內目前還有很多公司、高校、科研單位都有自己的衛星建造計劃或已經發射升空的自主研制的衛星平臺。天儀研究院有25顆衛星在軌，從衛星發射數量和服務能力比較基本領跑國內民營航天，且已經具備低軌科學試驗衛星任務結束后快速離軌的技術實力。天儀研究院的“海絲一號”是國內首顆商業SAR衛星，基于C波段，重量小于185 kg，成像最高分辨率1 m，可全天時、全天候、全透明對陸地、海洋、海岸港口進行成像觀測[16]。另外“巢湖一號”則標志著國產商業SAR衛星批產組網和在軌商業運營的開始。“巢湖一號”在成像幅寬、分辨率、成像時間等方面進行了進一步的改進；同時引入了對多個區域的連續成像、精密軌道定軌能力和在軌AI運算等新技術、新手段。

微納星空也是國內民營高端衛星研制代表，其研制的泰景三號01星是0.5 m分辨率可見光遙感衛星，泰景四號01星是國內首顆X波段商業SAR衛星，文昌一號01、文昌一號02是兩個廣域的遙感衛星，其質量為62 kg左右，主要任務是對地觀察、海洋成像、船舶信息的獲取[17]。

銀河航天首發星是全球首顆Q/V頻段的低軌寬帶衛星，由國內自主研制，通信能力可達10 Gbit/s，單星覆蓋30萬km2，軌道高度1 200 km，構建太空互聯網及5G衛星網絡的連接。

齊魯衛星是低軌遙感星座，衛星之間采用激光通訊互聯，在國內首次采用“天基互聯網+小衛星”創新應用的模式，分辨率0.5 m，“齊魯一號”是Ku波段高分辨率雷達衛星；“齊魯二號”是高分辨率敏捷光學衛星，具有熱紅外譜段;“齊魯三號”是寬幅光學衛星，幅寬120 km;“齊魯四號”是多模式高分辨率光學實驗衛星。

航天宏圖是提供衛星運營與應用服務的公司，已經布局低軌遙感衛星星座，計劃在2022年底發射自主SAR衛星宏圖一號。

3 現狀分析

3.1 降低成本促進商業化小衛星群急速發展

對地觀測利用遙感衛星群實現更短的重訪周期和更大的觀測覆蓋范圍，實現商業化，成本是繞不開的問題，具體在衛星制造成本和發射成本。通過集成商用現成產品和技術（Commercial Off-the-Shelf，COTS）使得衛星研制和生產更簡單，成本更低；降低衛星重量和運載火箭的成本都可以降低發射成本，于是商業化的小衛星群應運而生。例如Spark雙星的高光譜成像儀重量僅為10 kg，比國內外同等指標高光譜成像儀至少輕5倍；而體積只有一臺微波爐大小；其研制成本不到同類航天載荷的十分之一。一箭多星發射以及火箭重復使用也極大分攤了發射成本。SpaceX能夠一枚火箭重復使用4次，國內能一箭攜帶22顆衛星順利入軌，印度甚至實現過108顆星，美國60顆星。組合模式降低成本促進商業化小衛星群急速發展。

3.2 衛星產業集中更多的技術挑戰

全球低軌資源競爭白熱化，衛星行業蓬勃發展，測試與測量貫穿于標準制定、設計研發、生產制造、認證運營、場景落地等整條產業生命周期，新技術不斷被挑戰。例如對更高分辨率的挑戰，對SAR圖像的方法、代碼庫、數據集和預訓練模型的獲取和可用性的挑戰，對SAR技術的自動目標識別、分布式雷達成像、數字信號處理等的挑戰，是擺在全世界的課題[18]。

3.3 數據服務模式由主導變為合作

商業衛星的加入極大地改變了過去以政府為主導的航天發展模式。政府越來越多地以采購服務的模式整合民用、商用數據資源，并通過大力促進發展衛星應用產業，來釋放海量空間數據資源的社會與經濟價值[19]。新的空間數據資源服務模式將遙感大數據云計算服務模式植入星地計算架構，通過“星地協同”的技術創新，衛星端拍攝的圖像可以被快速處理，提取有用信息，同時又驅動相應的應用，遙感衛星整體行業都在突飛猛進[20]。

3.4 遙感服務對象由政府下沉

基于GIS三維動態演示的經濟分析報告生動、震撼；衛星電話可以為百姓大眾在野外探險、海洋作業以及其他應急救援場景提供保障；衛星地圖已漸漸融入到大眾的網絡生活，甚至有的運營商和普通大眾對實景衛星影像還有一定的使用習慣。

4 總結

對地觀測數據成果在很多行業工程建設中被使用，包括鐵路勘測設計和路基邊坡沉降監測等。了解對地觀測技術的發展增加行業間更廣泛技術結合的機會，也是集成社會成熟技術和產品共同降低建設成本的契機，繼續挑戰高科技的戰場，相信最終受益的是鐵路行業的企業和蕓蕓眾生。