我國高分辨率對地觀測系統建設與發展

文 | 趙堅 孟令杰 王琦 郭丁， 申志強

1．國防科工局重大專項工程中心

2．錢學森空間技術實驗室

一、前言

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，重點發展基于衛星、平流層飛艇和飛機的高分辨率先進觀測系統，與其他中、低分辨率觀測手段結合，形成時空協調、全天候、全天時的對地觀測系統。經過多年專項建設，我國對地觀測系統整體規模與能力已進入國際先進行列，為航天強國建設做出了重要而不可或缺的貢獻。

高分專項的建設旨在大幅度提高我國自主對地觀測信息獲取能力，掌握高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率等信息資源自主權，及時把握全球經濟、資源、環境、社會發展及軍事斗爭的態勢，使我國躋身于世界對地觀測強國行列，是建設我國“數字國土”“數字戰場”“數字農業”等不可或缺的關鍵系統，為國家政治、外交、公共安全以及農業、災害、資源、環境等重大問題提供決策支持，對保障國家安全、增強綜合國力具有重大戰略意義。

高分專項自2010年5月正式啟動實施以來，天基系統和地面系統順利推進，所有高分衛星已實現在軌運行，構建成比肩國際先進、性能穩定可靠、數據應用廣泛的高分辨率衛星遙感系統。衛星遙感數據已基本擺脫對國外衛星的依賴，國產高分辨率衛星數據替代比率已近90%。本文重點梳理高分專項空間系統和地面系統的建設情況，系統總結高分專項的成果成效和建設經驗，供后續相關系統建設提供參考。

二、高分辨率對地觀測系統-天基系統

天基系統主要由運行于高低不同軌道、具備從可見光到微波不同譜段、不同觀測手段的多顆高分辨率對地觀測衛星（以下簡稱高分衛星）系統組成，與其他中、低分辨率的業務系統配合使用，完成全球觀測任務，其觀測數據具有高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率、高觀測精度等顯著特點。

1．高分一號

高分一號衛星采用CAST2000小衛星公用平臺，有效載荷配置有2臺分辨率為2m全色/8m多光譜的高分辨率相機和4臺分辨率為16m多光譜的寬幅相機，在同一顆衛星上實現高分辨率和寬幅的成像能力，配合整星側擺可以實現對全球小于4天重訪。

2．高分二號

高分二號衛星采用CS-L3000A平臺，重量為2100kg，配置兩臺均為23km幅寬的0.8m全色/3.2m多光譜相機（簡稱PMS相機），實現69天內對全球的觀測覆蓋和5天內對地球表面上任一區域的重復觀測。高分二號衛星的成功入軌運行，標志著我國遙感衛星進入了亞米級“高分時代”。

3．高分三號

高分三號衛星是我國第一顆民用多極化微波遙感SAR衛星，設計壽命達到8年，是迄今為止我國研制的空間分辨率最高的民用SAR衛星。衛星配置一套相控陣體制合成孔徑雷達系統，具有聚束、條帶、掃描、波模式等12種成像模式，空間分辨率達到1～500m，觀測幅寬達到10～650km。

4．高分四號

高分四號衛星是我國第一顆分辨率達到50m、設計壽命8年的地球同步軌道遙感衛星。衛星配置有1臺可見光和中波紅外共口徑相機，同時具有全色近紅外/中波紅外譜段成像能力，地面像元分辨率達到全色近紅外50m/中波紅外400m；采用高速信號調制技術和高增益點波束天線，實現300Mbit/s數據傳輸速率。

5.高分五號

高分五號衛星采用SAST-ML1（SAST3000）平臺，有效載荷配置有可見光-短波紅外高光譜相機、全譜段光譜成像儀、大氣主要溫室氣體監測儀、大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀、大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、大氣氣溶膠多角度偏振探測儀，是國際首顆對大氣和陸地進行綜合觀測的全譜段高光譜衛星，配合整星側擺可以實現對全球5天重訪。

6．高分六號

高分六號衛星采用CAST2000小衛星公用平臺，有效載荷配置有1臺分辨率為2m全色/8m多光譜的高分相機和1臺分辨率為16m多光譜的寬幅相機，在同一顆衛星上實現高分辨率和寬幅的成像能力，與高分一號組網運行，全球觀測的時間分辨率由4天提高至2天。

7．高分七號

高分七號衛星是我國首顆民用亞米級高分辨率光學傳輸型立體測繪衛星，配置雙線陣相機、激光測高儀等有效載荷。該衛星用于獲取高空間分辨率立體測繪遙感數據和高精度激光測高數據，主要服務于我國1∶1萬立體測圖生產及更大比例尺基礎地理信息產品的更新，大幅增強我國獨立獲取地理空間信息的能力，提升國家測繪地理信息服務保障水平，提高住房和城鄉建設監督管理的效能、加快國家統計信息產品業務化，推動地理信息產業發展。

三、高分辨率對地觀測系統-地面系統

高分專項地面系統由數據接收系統、數據處理系統和任務管理系統構成。

1．數據接收系統

負責高分系列衛星實時下傳數據和延時回放數據的接收、記錄和顯示；根據數據傳輸任務計劃，合理調配網絡資源和系統設備資源，管理數據傳輸隊列作業，確保高分系列衛星原始數據能夠快速、準確地傳送到處理系統；負責高分系列衛星接收系統的業務化運行管理，受理外部請求，規劃接收系統資源，根據數據接收計劃管理調度接收站網系統完成高分系列衛星數據獲取、傳輸和質量監測任務，保障高分系列衛星接收系統的統一協調、穩定、高效運行。

地面數據接收系統總體建設目標為：充分利用現有條件，擴建現有國內對地觀測衛星數據接收站網、高速數據傳輸網絡、地面數據接收管理與監測系統，形成布局合理的高分辨率對地觀測數據接收站網、快速的衛星數據傳輸網路，以及統一協調的業務化運行管理、監控和調度體系，具備我國高分系列衛星對地觀測衛星數據的接收、傳輸能力，實現全球信息的獲取，實現地面數據接收系統的統一協調、穩定、高效運行，為我國經濟建設、社會發展和國防建設提供較全面的空間遙感數據支撐。

2．數據處理系統

負責對高分系列衛星原始數據進行自動化標準生產處理，滿足可用要求的數據自動生成1級和2級產品，其他產品根據用戶需求訂單驅動生產；對高分系列衛星數據和各級產品進行在線、近線、離線三級存儲管理，實現集中存檔，安全管理；對標準化產品進行全國統一分發與服務，為用戶提供高分系列衛星遙感影像標準分幅產品、區域產品、超時超分辨率產品；利用國家已有的定標場，開展高分系列衛星輻射和幾何定標。

數據處理系統由數據處理分系統、數據庫與管理分系統、數據模擬分系統、分發服務分系統、定標檢校分系統、數據網絡通信平臺和數據服務網格平臺等組成。

3．任務管理系統

任務管理系統由地面系統設計綜合集成分系統、觀測任務規劃分系統、地面系統試驗運行評價分系統組成。負責用戶需求的匯集與分析，統籌規劃星地資源的使用，實現用戶需求閉環管理；編排高分系列衛星觀測計劃，組織實施高分系列衛星對地觀測、數據接收與傳輸、生產任務和分發任務等。

任務管理系統從地面系統網格門戶網站接收用戶需求后，結合系統運行管理規定和星地資源調度策略進行需求受理與分解，根據高分系列衛星實時運行軌道、星地資源與實際狀態，以及載荷觀測模型、數據接收模型、目標模型及環境模型，統籌規劃高分對地觀測任務。然后根據規劃結果，進行衛星對地觀測計劃編制，生成觀測計劃、業務測控計劃、數據接收計劃、產品生產計劃和產品分發計劃，下達并調度計劃的實施。

四、高分辨率對地觀測系統建設過程

1．規劃論證階段（2006—2010年）

在國防科工局、財政部等機關領導下成立論證專家組。專家組堅持貫徹了頂層設計、系統思維、創新引領等先進理念，通過自上而下與自下而上相結合、定量仿真與定性研討相結合、統籌銜接與專題發展相結合，充分考慮我國衛星平臺及有效載荷技術基礎，同時結合民用航天預研技術成果，協調用戶需求、地面設施及其他方面觀測資源，經歷用戶需求統籌分析、有效載荷技術摸底、衛星平臺能力評估、衛星系統演進路線等多個專題研究，逐漸匯聚、凝練形成科學合理的高分辨率對地觀測系統整體方案、分階段目標及系統發展路線、關鍵技術清單等，以《高分辨率對地觀測系統重大專項實施方案報告》為標志，規劃論證成果受到評審專家組、國家領導等高度認可，為高分專項順利獲得國家批復奠定了基礎。

2．立項建設階段（2010—2020年）

國務院于2010年5月批準高分辨率對地觀測系統重大專項立項，隨之成立了國防科工局重大專項工程中心，專門負責專項涉及的重大項目的立項、實施和驗收。從2011年6月至2017年8月，國防科工局和財政部先后聯合批復了高分一號、高分二號、高分三號、高分四號、高分五號、高分六號和高分七號衛星工程項目立項。經承研方研制，先后發射入軌，逐步形成了高分遙感應用能力。

2019年11月3日，高分七號衛星成功發射入軌，標志著高分專項天基系統完成了全部研制和部署工作，衛星在軌穩定運行，衛星技術指標全面滿足工程研制總要求，衛星數據廣泛應用于各行業和區域用戶，高分辨率對地觀測系統初步建成。

3．廣泛應用階段（2020年之后）

高分專項是典型的“邊建邊用”系統，從第一顆衛星入軌開始，逐漸形成強大的高分遙感應用能力。到2022年6月，高分衛星遙感數據已在20個行業、31個區域得到廣泛應用，已成為自然資源、應急管理、生態環境、農業農村等部門主體業務不可或缺的手段，成為政府治理體系和治理能力現代化的重要信息技術支撐。

高分衛星數據為穩定糧食生產、發展壯大鄉村農業、開展農村人居環境監測等提供了有力支持。高分衛星數據已完全融入到第三次全國國土調查、年度變更調查監測與核查、土地資源全天候遙感監測、全國礦產資源開發環境遙感監測、地質災害調查監測、海洋權益保護、海島海岸帶調查監測等業務中。高分衛星數據在支持森林、草原、濕地、荒漠、自然保護區、林業生態工程等遙感監測應用中，實現了主要產品年度更新。高分衛星數據支持開展了國家重大活動天氣變化信息、氣溶膠與霧霾、區域污染氣體、區域水環境、資源開發生態保護等遙感監測。在省域應用中，多個省級高分中心實現了市縣級多尺度遙感精細化資源監測、統計、數據整合和空間可視化管理，使高分數據應用在區域發展中發揮了突破性作用。

五、重大創新成果成效

從技術發展角度看，我國高分系列衛星與同期在軌的美國WorldView、歐洲哨兵等系列衛星水平比肩，代表著我國遙感衛星研制、工程系統總體、衛星公用平臺、有效載荷、應用與服務、運行管理等關鍵技術已步入國際先進行列。通過高分衛星的研制建設，極大提高了我國衛星及有效載荷設計、試驗驗證、制造與地面支持系統的技術水平，并對相關的機械、電子、材料、能源、通信、信息等產業形成強烈牽引和帶動作用。

1．新型系統和平臺技術

通過高分專項天基系統的研制建設，低軌遙感衛星分辨率由高分專項實施前最高2.1m提高到0.65m，靜止軌道遙感衛星分辨率由千米級提高到50m，低軌遙感衛星設計壽命由3～5年大幅提高到8年，重點突破了一系列技術瓶頸，推動我國遙感衛星技術實現了跨越式發展。

低軌遙感衛星設計壽命普遍延長至8年。高分專項開展了遙感衛星長壽命專題研究，在衛星機電活動部件、能源系統、元器件、原材料等方面，突破了影響衛星壽命的技術瓶頸，實現了我國低軌遙感衛星設計壽命從3～5年延長到8年的重大突破，大幅提高了衛星工程技術水平和衛星的使用效能。

遙感衛星觀測能力得到大幅提升，單星同時實現高分辨率與大幅寬的結合。在高分一號、高分六號衛星上，實現了2m/8m相機60～90km成像幅寬，16m相機實現大于800km成像幅寬，適應多種空間分辨率、多種光譜分辨率、多源遙感數據綜合需求，滿足不同應用要求。

2．新型有效載荷

在高分二號衛星配置2臺相機，拼接幅寬達到45km，空間分辨率優于1m，使我國高分辨率對地觀測系統實現了亞米級光學對地觀測能力。

在高分三號衛星上實現了1m分辨率C波段合成孔徑雷達成像，具備12種成像模式，是世界上成像模式最多的合成孔徑雷達衛星，使高分辨率對地觀測系統具備了全天時、全天候對地觀測能力。

在高分四號衛星上采用高分辨率大面陣探測器凝視成像模式，結合平臺快速姿態機動能力，實現了對我國及周邊區域的近實時成像，其50m×50m的分辨率，是目前世界上地球同步軌道遙感衛星中最高的。

在高分五號衛星上配置了2臺陸地觀測相機和4臺大氣觀測設備，光譜覆蓋紫外到長波紅外，光譜分辨率優于5nm，是世界上首次在一顆衛星上實現對陸地和大氣的高光譜綜合觀測。

在高分七號衛星上首次了采用雙線陣相機立體測圖配以雙波束激光測高的復合測繪體制，實現了長條帶大區域立體成像，并實現了少地面控制點條件下1∶1萬立體測繪。

3．地面數據處理系統

在標準化處理方面，實現對高分系列衛星下行的原始數據進行數據錄入、分景編目、輻射校正、幾何校正等處理，具備生成高分1～2級標準產品的能力。

在數據存儲管理方面，具備對高分系列衛星標準數據產品的長期、統一存儲管理與備份能力，保證歸檔數據與信息的安全，并提供訪問服務。

在數據分發方面，具備通過光纖專線與公共互聯網產品分發服務能力，為政府、行業等各級用戶提供高分系列衛星標準產品的快速數據服務，滿足廣大用戶對國產高分衛星各載荷產品的需求。

在測試數據生成評價方面，對衛星有效載荷數據與格式進行仿真并生成測試數據，對地面實驗測試數據、載荷在軌性能、標準產品質量進行分析評價，跟蹤載荷觀測性能變化。

4．定標與真實性檢驗

在定標方面，高分六號衛星在國內首先開展無場定標設計，實現偏航90°定標，任意地物成像，高效實現相對定標和對月成像，支持相對和絕對定標。

高分五號衛星裝載有太陽漫反射板、比輻射計、變溫黑體、LED等7類星上定標器，實現絕對輻射定標精度5%，是國內定量化水平最高的衛星。

5．重大技術突破

在技術突破方面，高分辨率對地觀測系統突破了長焦距、大F數、輕型相機及衛星系統設計技術、高幾何分辨率和輻射分辨率，多極化多模式的SAR成像技術、高軌衛星姿態快速機動與高穩定控制技術、超大視場離軸相機成像技術、低畸變大視場測繪相機設計技術、高精度內方位元素標定技術、甚高精度星敏感器技術（在軌精度提升至亞角秒級）、高速數據傳輸技術（實現X頻段最高2×1.2Gbit/s的可變碼速率數傳能力）、實現了8譜段CMOS探測器的國產化自主研制，打破了發達國家對我國該類遙感核心元器件的出口限制。

6.重大軟件系統

在軟件系統方面，高分辨率對地觀測系統構建了星上軟件、地面平臺軟件（數據庫管理軟件、作業調度軟件、JAVA EE應用服務器軟件、工作流引擎軟件、雙機熱備軟件、終端安全軟件、網絡殺毒軟件）、地面定制軟件（生命周期管理子系統、數據上傳子系統、數據服務子系統、外置磁帶機數據歸檔與恢復子系統、業務數據庫設計）等重大軟件系統。并形成一些軟件品牌，如高分數據一鍵查系統。可提供多平臺、多時相、多尺度、多層次、多維度的一站式遙感數據、信息、服務。初步具備了需求自動分析、聯合任務規劃、標準產品自動生成、數據自動推送等服務能力。

六、發展經驗總結

1．黨的集中統一領導是專項取得成功的根本保證

高分專項從醞釀、論證到立項、實施、運行，歷經15年，在各級黨委的堅強領導、持續關懷下完成了技術跨域、領域創新，打破了國外衛星數據壟斷。高分專項代表了我國對地觀測技術的新高峰，也在獲得世界遙感制高點的征途上邁出了堅實一步。

高分專項從論證開始就進行系統頂層設計，引領技術研發方向，促進高分專項各系統間的協調對接。頂層設計的優化保障了專項的成功實施，高分專項是新時期航天強國建設事業的重要組成部分，為我國建成世界航天強國注入了源源動力。

2．管理創新是任務順利推進的關鍵

高分專項的空間系統和地面系統涉及全國上百家研制單位，沒有高效、精準、持續的工程管理是難以如此順利實施的。

一是完善了工程大總體的文件體系，高分專項實施過程中，以研制總要求、任務書/技術要求、接口文件，以及飛行試驗大綱、在軌測試大綱/細則、衛星工程技術手冊等編制為抓手，完善了衛星工程大總體文件體系，是技術溯源、故障隔離和進度銜接的有效保障。二是突出了“星地一體化”數據質量，以優化高分專項衛星性能為目標，在確保技術指標先進條件下，促進衛星易用、好用，更好地滿足了用戶需要。三是天、地、用統一的系統建設。遙感衛星系統建設要加強天地一體化設計能力，以好用、易用為目標，從任務目標、探測要素、遙感手段、平臺配置與優化、數據接收、任務規劃、數據處理、應用產品等各個環節開展優化與協同設計和深度銜接。將天、地、用更緊密地結合在一起考慮，為我國構建全域覆蓋、隨遇接入、按需服務、天地一體的國家新一代空間綜合信息網奠定基礎，帶動衛星應用產業上規模，在行業治理、大眾消費、國際合作等領域獲得更廣泛的應用和更大影響。

3．杰出人才是打造高分品牌的核心

高分專項工程培育了一批科學巨匠，造就了一大批領軍人才，更有在生產一線默默奉獻、具備精湛專業技能、在關鍵環節發揮重要作用的大批優秀人才。正是一批又一批“高分人”堅持堅守、無私奉獻，鑄就了“洞察天地、致廣精微，創新超越、砥礪前行，開放共享、造福人類”的高分精神，打造出了高質量的遙感衛星系統、高精度的遙感數據和高效益的遙感應用，大大推動了中國制造向中國創造轉變、中國速度向中國質量轉變、中國產品向中國品牌轉變。