高分辨率對地觀測體系建設回顧與展望

白鶴峰 黃石生 喬凱 趙斐 于春銳 張永賀 高鵬

(北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094)

高分辨率對地觀測系統重大專項(以下簡稱高分專項)是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》中確定的16個重大專項之一。高分專項重點是發展基于衛星、飛機、平流層飛艇、地面系統組成的高分辨率先進觀測體系，并結合其它中低分辨率觀測手段，形成“天地一體、時空協調”的高分辨率數據獲取及應用服務保障能力[1-2]。

高分專項肩負著填補領域空白、打破技術封鎖、引領未來發展的重任和使命！高分專項實施方案論證提出了2020年前的工程目標、科技目標和應用目標，全面指導專項的建設實施。

本文主要回顧了高分辨率對地觀測體系建設進展情況，綜述了天基、臨近空間、航空、地面等系統的建設成果，并針對經濟社會發展、國家安全的新形勢，以及對地觀測體系應用樣式發生的重大轉變，提出高分辨率對地觀測體系應用需進一步提升高冗余組網、高容量觀測、高連續跟蹤、高時效認知、高深遠支持等“五高”能力，體系建設應更加突出發展高性能衛星、部署高密度星座、拓展高遠全視野、構建全球精準觀測應用基礎環境、提升臨近空間系統應用能力。

1 高分辨率對地觀測體系

1.1 體系組成

高分辨率對地觀測體系主要由天基、臨近空間、航空、地面和軟環境等五大系統組成，見圖1。系統以天基為核心，填補臨近空間領域空白，發揮航空已有優勢，地面協調配套發展，實現全球和周邊重點地區的高分辨率觀測。其中，天基系統主要實現全球長期穩定觀測，臨近空間系統主要實現國內國境實時連續觀測，航空系統主要實現國內區域快速精細觀測，地面系統主要實現一體化管控接收、專業化數據處理、柵格化分發共享、精細化應用服務，軟環境系統主要提供政策法規、標準規范、知識產權、科技情報、國際合作、應用推廣等配套保障。

圖1 高分辨率對地觀測體系組成

在高分辨率對地觀測體系設計建設中，天基系統主要實現空間維的大尺度觀測，臨近空間系統主要實現時間維的連續觀測，航空系統主要豐富觀測手段，拓展信息維的獲取能力。地面系統是高分專項的出發點和落腳點，是高分辨率對地觀測體系聯合運用的核心，既可提供大回路、全體系的應用能力，也可提供數據、算法支持，用戶利用機動、便攜、手持等應用終端，小回路邊緣就近快速提報需求，開展信息應用。

1.2 專項特點

高分專項的實施，通過自主創新、技術跨越，重點推進了三大創新，實現了四大引領。

1)三大創新

首先是體系創新，首次建立由天基、臨空、航空系統觀測層以及應用系統構成，涵蓋大氣、陸地、海洋的高分對地觀測體系，尤其是建立天空地一體化的多尺度數據源獲取體系，對于實現我國高分對地觀測體系完整性、前瞻性具有重要戰略意義。

其次是技術創新，攻關研制天基先進的對地觀測平臺與載荷技術；填補國內平流層飛艇技術空白；掌握具有自主知識產權的航空先進對地觀測載荷技術；突破先進的數據接收、處理、共享、應用服務技術。

最后是機制創新，創新建立數據和信息共享機制，制定配套政策法規，為不同用戶之間實現數據共享提供保證；創新建立直接面向用戶終端、支持多任務、多樣化應急行動的應用服務機制，提高應用能力水平。

2)四大引領

(1)引領體系建設，首次構建了天基、臨空、航空三位一體、有機銜接、高度集成的國家對地觀測體系，用技術發展帶動機制創新，引領我國對地觀測體系的建設和發展。

(2)引領科技進步，瞄準制約高分觀測技術瓶頸，重點安排了在對地觀測領域具有引領性和標志性的項目研制和技術攻關，帶動我國機械、電子、材料、能源等基礎產業技術進步。

(3)引領資源整合，地面系統建設注重結合實際、統籌規劃，避免“煙囪式”建設。

(4)引領產業化發展，通過應用示范系統的研制建設，統籌開展共性關鍵應用技術的協同攻關，解決在技術與管理方面的產學研轉化、服務推廣的瓶頸問題，確保高分數據“好用”和“用好”。

1.3 應用流程

高分辨率對地觀測體系的工作流程見圖2。

圖2 高分辨率對地觀測體系工作流程圖

高分辨率對地觀測體系的典型工作流程為：

(1)用戶提出高分辨率觀測任務需求；

(2)資源共享與服務平臺進行需求籌劃，檢索資源，當存檔的數據資源不能滿足需求時，制定任務需求發送任務管控系統；

(3)任務管控分系統根據衛星、平流層飛艇、航空平臺及載荷信息，制定對地觀測任務，發送給相應的平臺；根據地面站網資源及中繼資源信息，制定地面接收計劃，發送給數據接收系統；

(4)衛星、平流層飛艇、航空平臺根據計劃獲取相應區域的高分辨率觀測數據，通過星地或中繼數傳傳至地面；應急情況下可通過機動接收處理系統完成觀測數據的接收、處理，快速應用；

(5)數據處理系統根據定標與質量評定系統提供的參數，對接收到的衛星、平流層飛艇、航空平臺觀測數據進行基礎數據處理、專業信息處理和綜合態勢生成；

(6)定標與質量評定系統定期開展載荷的輻射與幾何定標、產品質量評定等；

(7)資源共享與服務平臺統一管理各級數據，向各用戶節點分發共享；各用戶單位獲取數據后，可按需進行專業處理，生成高級數據產品。

圍繞對地觀測數據的基礎數據處理、專業信息處理和綜合產品生成等數據處理任務，高分專項建設了“六庫、一場、一平臺”(全球空間基礎地理信息保障庫、目標/地物特性庫、目標/地物知識庫、應用軟件插件庫、基礎模型算法庫、試驗樣本數據庫等六個基礎數據庫，一個應用試驗場，一個測試評估平臺)，為高分辨率對地觀測數據處理與應用提供基礎支撐。

2 高分辨率對地觀測體系建設成果

高分專項實施以來，以創新為綱、以應用為目，重點在天基系統的體系創新、臨近空間的平臺創新、航空載荷的技術創新、地面系統的體制創新等方面進行了探索與實踐，取得積極成果。

2.1 天基系統體系創新

構建了骨干+增強的體系架構，骨干系統重點實現全球高分辨率觀測、廣域連續監測和大比例尺測繪。按需發展增強系統，實現特定區域的能力增強。

1)骨干體系建設

高分專項中，重點發展了低軌高分辨率光學/微波、高精度測繪和高軌成像等先進對地觀測衛星，突破了大口徑長焦距光學相機、大信號帶寬合成孔徑雷達(SAR)、高敏捷姿態機動與控制、高精度測繪、高碼速率數據傳輸等關鍵技術，形成高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率、高定位精度等能力。

(1)高空間分辨率

對于光學系統而言，空間分辨率與探測器像元間距和軌道高度成正比，與相機焦距成反比[3]。實現高空間分辨率通常需要大口徑光學反射鏡、長焦距光學系統、高性能的探測器、較低的運行軌道。因此，高分專項重點攻關了高動態高靈敏度大規模探測器、高速低噪聲高集成度相機電子學、大口徑反射鏡研制/加工/裝調/檢測等關鍵技術，成像分辨率達到亞米級；并開展了分塊鏡展開、稀疏孔徑、衍射成像等探索研究。

對于SAR系統而言，分辨率通常按照距離向和方位向定義，距離向分辨率主要取決于系統發射信號的帶寬，方位向分辨率主要取決于系統的多普勒帶寬[3]。因此，高分專項重點攻關提高了電源、T/R組件效率，降低損耗，最高成像分辨率達到亞米級；并開展了新技術、新機理、新模式等探索研究。

(2)高時間分辨率

時間分辨率，是指對同一區域進行的相鄰兩次觀測的最小時間間隔。對于天基系統而言，時間分辨率與衛星軌道高度、傾角、可視觀測帶寬，以及衛星數量規模有關。對于單星而言，高分專項重點提升了光學衛星的敏捷姿態機動能力、微波衛星的方位掃描成像能力，實現多目標、多視角觀測和拼接成像。

(3)高光譜分辨率

光譜分辨率，是傳感器接收、記錄電磁輻射(反射或發射)最小波長范圍的能力。光譜分辨率越高，傳感器可區分地物屬性的能力越高。

高光譜遙感具有以下特點[3]：一是高光譜分辨率與高空間分辨率難以同時實現。二是紅外高光譜譜段需要在低溫環境下工作，對制冷機在軌長壽命工作提出較高要求。三是高光譜遙感獲取的是三維數據，對光譜數據的高保真壓縮要求高。因此，高分專項重點是實現空間分辨率與光譜分辨率合理搭配，突破了高通量、高穩定、精細分光，以及圖譜特征提取、圖像分類處理等關鍵技術，光譜分辨率達到納米級。

(4)高定位精度

定位精度是指從遙感圖像中獲取目標地理空間位置的精度，包括絕對定位精度和相對定位精度。

光學衛星可通過單線陣、多線陣和面陣體制實現高精度定位。SAR衛星通過干涉成像(InSAR)的方式進行高精度測繪，典型系統包括單平臺雙天線干涉SAR系統、重復軌道干涉SAR系統和分布式衛星干涉SAR系統。高分專項重點安排了雙線陣光學測繪和分布式衛星干涉SAR系統攻關，突破了平臺高精度定軌定姿與姿控熱控、微振動測量/抑制與補償，載荷內外方位元素控制、地面控制點與高程模型數據修正、高精度定標等關鍵技術，定位精度達到1∶1萬比例尺。

2)增強系統建設

在配套系統支持下，按任務所需，快速發射衛星，迅速、靈活增強和重塑空間系統，以低建設成本、快響應時間、短信息鏈路，滿足突發性局部區域觀測要求。增強系統具有預案化任務設計、標準化產品生產、模塊化衛星組裝、快速性測試發射、靈活性指揮控制、快捷性信息應用等顯著特點。

高分專項中，增強系統建設主要實現了衛星節點三統一、體系運用六自主、能力生成四快速。

(1)衛星節點三統一

一是統軟硬件架構，采用體系開放的硬件架構，實現產品即插即用、快速自主測試，采用平臺共用的軟件架構，實現開放兼容、快速重構。二是統產品體系，創新小衛星研制理念，明確了31種產品規格及研制要求，推動衛星從定制化藝術品研制向批量化工業品生產模式轉型。三是統標準規范，建立了38份快響小衛星標準規范，支撐貨架式、低成本產品體系建立，支持快速研制、應急發射、快速應用。

(2)體系運用六自主

一是自主組網，星間低速網支持衛星自主接入、退出，星間高速網支持數據信息快速匯聚。二是自主協同，多星可協同觀測，實現引導、接力、拼接等。三是自主規劃，星簇任務管理、單星任務規劃。四是自主處理，星上進行快速數據處理。五是自主融合，多星多源信息規則化融合，提升信息準確度。六是自主分發，多路由選擇，分發地面終端。

(3)能力生成四快速

一是快速研制，采用貨架式產品，整星快速組裝集成。二是快速發射，優化流程，快速測試發射。三是快速測試，入軌后快速完成整星功能自測試。四是快速應用，信息和有效數據快速推送。

2.2 臨近空間平臺創新

臨近空間系統是高分專項支持發展的一個新領域。臨近空間一般指距地面20～100 km高度之間的空間范圍，介于一般航空和航天高度范圍的空天結合區域，具有獨特的環境優勢和潛在的應用價值。

平流層飛艇是部署在臨近空間的主要探測平臺，其利用20 km高度附近風速較小等有利條件，攜帶任務載荷，依靠浮力升空和高度保持，通過太陽能再生能源供電，采用螺旋槳作為動力裝置，在特定區域實現穩定駐留、可控飛行[4]。高分專項在臨近空間系統方面的工作可總結如下。

1)準確識別平流層飛艇基礎科學問題

深入開展了平流層飛艇“升、駐、控、返”全過程機理和科學問題研究，圍繞飛艇總體及共性基礎關鍵技術，梳理形成50項重難點問題、92項基礎問題，牽引技術攻關。

(1)安全進入。飛艇上升過程中，風場、空氣密度、環境溫度劇烈變化，對飛艇上升控制、壓力/溫度調節、結構安全等帶來極大挑戰。主要關鍵技術包括：浮力與速度控制、壓力控制、上升段控制律設計等技術。

(2)長期駐空。受太陽輻照晝夜變化影響，艇內升浮氣體溫度波動，內外溫差最高可達30～60 ℃，引起艇內壓力劇烈變化，對飛艇結構安全、高度保持等產生影響。主要關鍵技術包括：熱分析與控制、超壓特性與控制等技術。

(3)可控飛行。平流層飛艇體積巨大、控制響應緩慢。為實現區域可控飛行，需完成光電轉換、能源存儲到動力輸出的循環控制。主要關鍵技術包括：氣動外形優化與減阻、航路飛行控制、區域駐留飛行控制等技術。

(4)安全返回。平流層飛艇若實現可重復使用，可顯著提升應用效益，但受低空惡劣環境影響，安全返場難度極大。主要關鍵技術包括：可預測降落與控制、著陸安全控制、返場地空動力、平臺快速回收等技術。

同時，統籌推進平流層飛艇共性技術攻關。囊體材料面密度/強度/透氦率/環境適應性、太陽能電池組件效率、鋰電池比能量、螺旋槳和電機效率等技術指標均有較大提升，達到或接近世界先進水平。

2)科學確定平流層飛艇平臺發展路線

制定并發布了平流層飛艇系統發展綱要，提出了“方案探索研究、技術試驗、工程試驗”三步走的發展路線，推動飛艇平臺的關鍵技術研究。

方案探索研究階段，重點開展多技術路線可行性探索，驗證基礎科學問題。技術試驗階段，重點突破總體關鍵技術技術，開展試驗驗證。工程試驗階段，重點提升飛艇駐空時間，拓展承載應用能力。

借鑒航天工程組織管理模式，構建了工程總體抓總、各大系統分工協作的平流層飛艇技術體制驗證工程試驗體系。

2.3 航空觀測手段創新

航空系統通過飛機平臺和無人機搭載多種觀測載荷，獲取高分辨率對地觀測數據，具有分辨率高、時效性強、實現難度小等優勢，是獲取國內以及國土周邊區域高分辨率對地觀測數據的重要方式。高分專項航空系統載荷研制的總體定位：①解決有無，升級換代；②實現國產化，自主可控；③開展技術驗證，推動天、臨載荷創新發展。

1)拓展觀測手段

拓展航空載荷探測手段，豐富傳統高光譜、激光雷達、Ku波段SAR、Ka波段SAR等成像手段，發展重力探測、磁力探測、大氣海洋環境探測等信號探測手段。

2)提升觀測能力

圍繞高分辨率、高精度觀測要求和定量化反演目標，提升能力。一是分辨率由分米級提升至厘米級；二是高精度定位由相對到絕對、由有控向無控提升，對地觀測由定性到定量提升；三是開展了機上實時處理、目標自動檢測識別等智能處理研究。

3)載荷綜合應用

載荷應用綜合化，實現“一載荷、多模式、多功能、多應用”。開展了多功能一體化雷達技術研究，綜合實現高分辨率SAR成像、高精度InSAR測高、地面動目標探測、海面目標探測等功能。

4)推動技術創新

開展視頻SAR、圖譜關聯探測載荷、主被動復合成像、輕小型位置與姿態測量等新技術研究，為后續發展與能力提升提供技術支撐。

2.4 地面系統體制創新

提出了“分布式對等、資源虛擬化整合、通用平臺+專用插件”等技術體制，完成典型系統建設，實現任務管控、數據接收、數據預處理、定標與質量評定、資源共享服務、通用機動接收處理、資源共享交換等功能，如圖3所示。

圖3 高分專項地面系統組成

1)任務管控

開展了“1+N”模式聯合任務規劃(體系聯合規劃和節點自主規劃)、多類型平臺多載荷協同調度、觀測數傳資源一體化調度、滾動式動態任務管控等技術攻關，實現天、臨、空資源一體化協同規劃，多星、多任務一體化任務管控。

2)數據接收

攻關高速解調譯碼、S/X/Ka三頻段一體化接收、極地站數據接收測控綜合等關鍵技術，實現遙感衛星數據接收資源高效利用。

3)數據預處理

集成航天和航空平臺相關傳感器的專用數據預處理算法插件，實現一體化、自動化、高精度、低延遲的0～3級基礎數據產品生產。

4)定標與質量評定

研制了地表光學反射特性自動觀測儀、光學輻射定標大氣特性自動檢測儀、遠程監控通用角反射器、有源定標器觀測數據遠程傳輸設備等，形成天基、航空、臨近空間載荷一體化、定制化定標能力。

5)資源共享服務

集成數據存儲管理、專用數據服務、需求及任務管理等專用插件，實現空天數據資源的統一存儲、組織管理、高效檢索、資源訪問、高效分發等服務。

6)通用機動接收處理

天線按口徑大小分為4.5 m、2.4 m和1.2 m三型，覆蓋L/S/X/Ku/Ka頻段，饋源模塊設計、標準接口，可接收衛星、無人機載荷數據并存儲管理，實現機動伴隨保障，一鍵展開、一鍵對星、一鍵收藏。

7)資源共享交換

部署一主中心、四分中心，構建國家數據安全高效的交換鏈路，開展各行業業務化運行，實現衛星資源按需共享使用。

3 后續發展展望

當前，太空科技革命孕育興起，太空架構正發生歷史性變遷，機遇與挑戰并存。

航天已邁入千星萬星時代！美國太空發展局(SDA)提出了新一代太空體系架構，將在2024年前部署150顆低軌衛星，并授予跟蹤層、傳輸層0批次數十顆衛星合同[5]。美國國防部先進研究計劃局(DARPA)啟動了黑杰克(Blackjack)創新項目，授予了數十顆黑杰克衛星合同。星鏈公司(Starlink)已完成數十次發射，部署2000余顆衛星。

美國和俄羅斯等正在制定地月空間發展計劃。2020年4月，美國提出月球持續探索和開發規劃，公布了阿爾忒彌斯計劃(Artemis)[6]。2020年10月，美、英、日、意等八國集體簽署計劃協議。2019年2月，俄羅斯擬制了月球綜合探索與開發計劃草案，提出2040年月球開發4個階段路線圖[7]。

針對經濟社會發展、國家安全的新形勢，對地觀測體系的應用樣式發生了重大轉變。具體體現在：①網絡中心向決策中心轉變；②體系聯合支撐向邊緣動態組合轉變；③人機協同向有人監督和無人自主轉變；④間發局部沖突向常態混合博弈轉變；⑤撥開迷霧向認知迷霧和利用迷霧等轉變；⑥靜態規劃向動態管理轉變。

因此，高分辨率對地觀測體系建設發展應在高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率和高定位精度基礎上，進一步提升高冗余組網、高容量觀測、高連續跟蹤、高時效認知、高深遠支持等“五高”能力。據此，我們提出了“三高一基礎一提升”的對地觀測體系建設發展方向。

(1)三高：高性能衛星、高密度星座、高遠全視野。

(2)一基礎：全球精準觀測應用基礎環境。

(3)一提升：臨近空間系統應用能力。

3.1 前瞻開展高性能衛星技術攻關

高空間分辨率和高精度觀測是對地觀測領域發展的永恒主題。

(1)針對光學成像系統，開展新體制超大口徑光學成像技術研究，包括：分塊可展開光學成像技術，實現分塊拼接、在軌展開；合成孔徑成像技術，以稀疏孔徑達到接近于傳統超大口徑的效果；薄膜衍射成像技術，利用平面衍射透鏡實現大口徑成像。

(2)針對SAR成像系統，開展超大功率孔徑積合成孔徑雷達技術研究，包括大型輕量化天線、大功率空間合成與發射、長合成孔徑時間成像、大型多體撓性附件展開與振動抑制、天線高精度指向控制等技術研究。

(3)開展高精度目標特性測量技術研究，包括高分辨率高光譜成像、全時相紅外特性測量、高分辨率雷達散射特性測量、電磁特征測量與精細識別等技術研究。

3.2 眾籌融合發展高密度星座

世界航天發展經歷了模擬化、數字化和網絡化，正在向航天4.0方向發展，典型特征是節點部署規模化、體系建設一體化、聯合應用智能化：①節點部署規模化，數百乃至上萬顆衛星，部署于多個低地球軌道，形成規模效應；②體系建設一體化，通信、導航、遙感功能一體，以彈性泛在網絡為紐帶，實現陸海空天多域融合；③聯合應用智能化，多域協同的智能感知、決策、控制等體系能力。

發展低軌高密度星座，將改變航天發展格局，衛星的研產、運管和應用模式都將發生改變。

(1)研產模式。衛星制造采用自主可控器件、標準化部組件、柔性化集成生產線；運載火箭重復使用、多星大批量發射部署，降低進入太空成本；快速在軌測試、快速應用。

(2)運管模式。全星座布設互操作資源(網絡化隨遇接入管控處理環節)和自主管控資源(機器自主操作系統)，支持星座按需自主管控協同和有人參與的動態任務管理。

(3)應用模式。首先，改變傳統遙感信息人工解譯的模式，支持海量數據智能化、自動化解譯。其次，進行智能關聯分析，實現從地物、目標的智能感知到要素之間關系認知的躍遷，實現基于知識的態勢認知。再次，利用人工智能學習掌握用戶對天基信息的使用習慣，實現用戶需求的精準預測、用戶服務精準推送。

3.3 積極拓展地月空間發展視野

月球是距離地球最近的天體，既可作為深空探測的中繼站，又是對外天文觀測的理想基地[8]。2004年，我國提出了月球探測“繞”、“落”、“回”三步走計劃，計劃在3年內發射衛星繞月飛行，6年內月球車將在月球上軟著陸，2020年前利用機器人將月壤樣品采回地球。隨著嫦娥五號完成月球采樣任務，我國已成功實現了上述三步走計劃。地月空間拓展已成為后續發展的新視野。

(1)拓展地月空間發展視野，建設地月空間信息基礎設施，提供遙感、通信和導航服務[9]，支持地月空間開發利用。

(2)建設深空中轉站，支持外太空探索。

3.4 筑強全球精準觀測應用基礎環境

為實現全球精準觀測及定量化遙感應用，提升數據使用效益，需要建設高精度定標場，保證觀測數據的精度和可用度。同時，現有遙感數據的處理算法、模型、規則等缺乏定量評估，需建設真實性檢驗系統，保證由遙感數據處理生成的信息產品的可信度。

因此，為降低遙感數據的用戶門檻，推廣高分辨率對地觀測數據的應用，需建立完善全球精準觀測應用信息基礎環境，實現數據、產品、算法、規則、模型的定量化、真實性檢驗，保障數據產品精度和信息知識可信度，并提供一個平時數據積累的框架，支持數據處理精度和處理時效性的提升。

(1)完善高精度定標場網，積累傳感器定標基礎數據庫，實現傳感器的高精度、全鏈路、多源交叉定標。

(2)建設數據、產品、算法真實性檢驗系統，實現數據、產品、算法的指標性能定量化檢驗評估。

(3)基于統一時空基準和數據規范，構建涵蓋全球基準數據、樣本數據、目標特性、知識、模型算法和數據產品的全球基準數據資源池，提供智能認知所需的樣本、特性、知識、模型等基礎數據。

3.5 持續提升臨近空間系統應用能力

在高分專項臨近空間系統平臺攻關成果基礎上，采取邊建邊用與持續提升相結合，一是進一步圍繞“升、駐、控、返”等核心問題開展技術攻關，提升飛艇駐空時間；二是拓展承載應用能力，開展遙感、通信、導航應用試驗。同時，發展太陽能無人機，與平流層飛艇協同構建臨近空間觀測系統。太陽能無人機具有飛行航時長、抗風能力強、起降部署靈活等特點，是極具潛力的新型臨近空間無人飛行器[10]。

4 結束語

當前，我國基本建成了高分辨率對地觀測體系，天基、臨近空間、航空和地面協同形成高分辨率對地觀測能力。后續，隨著太空科技革命的孕育興起、太空架構的歷史性變遷，對地觀測領域應具備高冗余組網、高容量觀測、高連續跟蹤、高時效認知、高深遠支持的能力，更好地服務于國家安全與國民經濟建設。