美國世界觀測－3衛(wèi)星探析

劉韜（北京空間科技信息研究所）

2014年8月13日，美國數(shù)字地球（DigitalGlobe）公司的世界觀測－3（WorldView－3）衛(wèi)星搭乘宇宙神－5（Atlas－V）運(yùn)載火箭從范登堡空軍基地成功發(fā)射，標(biāo)志著美國再一次刷新了商用光學(xué)成像衛(wèi)星空間分辨率的世界紀(jì)錄，世界觀測－3衛(wèi)星將極大地增強(qiáng)美國地理信息情報(bào)收集能力和美國在商業(yè)遙感市場的競爭力。

1 研制背景

2009年4月，美國總統(tǒng)奧巴馬批準(zhǔn)一項(xiàng)名為“2＋2”的尖端成像偵察衛(wèi)星開發(fā)計(jì)劃，即研制2顆性能優(yōu)異的軍用光學(xué)成像偵察衛(wèi)星，同時(shí)投入與這2顆衛(wèi)星相當(dāng)?shù)馁Y金采購商業(yè)遙感衛(wèi)星圖像做補(bǔ)充。在該計(jì)劃帶動(dòng)下，美國商業(yè)光學(xué)成像衛(wèi)星獲得快速發(fā)展。根據(jù)該計(jì)劃，美國將在10年內(nèi)投入大約100億美元，以替代現(xiàn)役衛(wèi)星，防止美國對全球的監(jiān)控出現(xiàn)“盲點(diǎn)”。2010年8月，數(shù)字地球公司獲得美國國家地理空間情報(bào)局（NGA）授出的為期10年、價(jià)值35億美元的合同，其中包括研制世界觀測－3衛(wèi)星。

世界觀測－3的主承包商為鮑爾宇航技術(shù)公司（BATC），衛(wèi)星平臺由該公司研制，主成像有效載荷由ITT Exelis公司研制，“云、氣溶膠、水蒸氣、雨和雪”（CAVIS）探測載荷由鮑爾宇航技術(shù)公司研制。

在世界觀測－3衛(wèi)星發(fā)射前2個(gè)月，數(shù)字地球公司正式獲得美國商務(wù)部的批準(zhǔn)，可以向其所有用戶銷售全色分辨率高達(dá)0.25m的衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)，該批準(zhǔn)立即生效。此前，美國政府禁止商業(yè)遙感衛(wèi)星運(yùn)營商向美國政府以外的用戶銷售優(yōu)于0.5m分辨率的衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)。但面對航空遙感公司和其他國家衛(wèi)星運(yùn)營商的競爭壓力，這項(xiàng)已經(jīng)執(zhí)行了十多年的政策已經(jīng)越來越為國內(nèi)衛(wèi)星運(yùn)營商和用戶所詬病。

2013年，數(shù)字地球公司正式向美國政府申請銷售0.25m分辨率的衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)。2013年11月，美國參議院情報(bào)委員會在其公布的一份報(bào)告中，鼓勵(lì)美國國家地理空間情報(bào)局和國家情報(bào)總監(jiān)辦公室認(rèn)真考慮美國商業(yè)遙感運(yùn)營商提出的收集并銷售0.25m分辨率光學(xué)衛(wèi)星圖像的要求。2014年4月，美國國家情報(bào)總監(jiān)、美國國家地理空間情報(bào)局局長和國家偵察局（NRO）局長相繼公開支持?jǐn)?shù)字地球公司的訴求。最終，在征得美國國防部和國務(wù)院的同意之后，負(fù)責(zé)頒發(fā)商業(yè)遙感衛(wèi)星運(yùn)營許可的美國商務(wù)部才正式批準(zhǔn)了數(shù)字地球公司的申請。這一舉措將極大地提高美國商業(yè)衛(wèi)星成像的全球競爭力。

世界觀測－3衛(wèi)星

世界觀測－3衛(wèi)星譜段范圍

2 衛(wèi)星性能

世界觀測－3衛(wèi)星是當(dāng)前在軌空間分辨率最高的商業(yè)遙感衛(wèi)星。其全色分辨率高達(dá)0.31m，多光譜分辨率高達(dá)1.24m，短波紅外分辨率為3.7m，幅寬13.2km，其綜合性能超過其他國家軍用光學(xué)成像偵察衛(wèi)星水平。該星還是世界首顆多載荷甚高分辨率商用光學(xué)成像衛(wèi)星，它不僅搭載了名為世界觀測－3成像儀的主有效載荷，還搭載了“云、氣溶膠、水蒸氣、雨和雪”探測載荷，后者的空間分辨率為30m，主要用于成像時(shí)的大氣校正，從而進(jìn)一步提升了成像質(zhì)量。世界觀測－3衛(wèi)星具有1個(gè)全色譜段、8個(gè)多光譜譜段、8個(gè)短波紅外譜段和12個(gè)“云、氣溶膠、水蒸氣、雨和雪”譜段。

世界觀測－1衛(wèi)星拍攝的搭載世界觀測－3衛(wèi)星的宇宙神－5火箭升空

世界觀測－3衛(wèi)星仍采用與世界觀測－2衛(wèi)星相同的BCP-5000衛(wèi)星平臺，它用具備高敏捷能力的控制力矩陀螺（CMG）作為姿態(tài)機(jī)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使衛(wèi)星在12s內(nèi)可以側(cè)擺200km，并具備小于1天的平均重訪周期（此時(shí)分辨率約1m）。該衛(wèi)星每天圖像拍攝面積高達(dá)6.8km×105km，無控制點(diǎn)圖像定位精度為3.5m。其設(shè)計(jì)壽命7.25年，預(yù)期服務(wù)壽命可達(dá)10～12年。此衛(wèi)星高5.7m、直徑2.5m，太陽電池翼展開后的翼展為7.1m，衛(wèi)星質(zhì)量2.8t。世界觀測－3衛(wèi)星采用太陽同步軌道運(yùn)行，軌道高度617km，降交點(diǎn)地方時(shí)為13:30。數(shù)據(jù)傳輸采用X頻段，速率高達(dá)1200Mbit/s。

此外，數(shù)字地球公司在發(fā)射世界觀測－3衛(wèi)星時(shí)利用世界觀測－1衛(wèi)星拍攝了火箭升空的部分過程，向世人證明了該公司在運(yùn)管多顆世界頂級商用遙感衛(wèi)星方面的能力。

3 同系列對比

由于世界觀測－3衛(wèi)星在617km高的軌道（比世界觀測－2衛(wèi)星的770km高度低），因此分辨率從0.46m提升到0.31m并不是其最突出的特點(diǎn)。世界觀測－3衛(wèi)星性能的提升主要包括如下幾個(gè)方面。

大氣校正前、后的圖像

世界觀測－3衛(wèi)星、“昴宿星”和“天空衛(wèi)星”在成像能力上的對比示意

1）增加了8個(gè)短波紅外譜段，主要用于在霧霾、霧氣、煙霧、沙塵等空氣透明度較低的情況下拍攝圖像時(shí)，提升圖像質(zhì)量。

2）增加了對云、氣溶膠、水蒸氣、雨和雪的大氣校正功能，可以使圖像數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，有利于未來進(jìn)行目標(biāo)自動(dòng)識別和特征提取。

3）平均重訪周期比世界觀測－2略有提高，從1.1天提升到小于1天，從而提升了在環(huán)境監(jiān)測和災(zāi)害快速響應(yīng)方面的應(yīng)用能力。

4）數(shù)傳速率比世界觀測－2提升了50%。

5）無地面控制點(diǎn)圖像定位精度從世界觀測－2的4.6～10.7m提升到3.5m。這一指標(biāo)已極其接近航空遙感圖像水平。

4 與其他衛(wèi)星的比較

數(shù)字地球公司稱，相對于法國的“昴宿星”（Pleiades），世界觀測－3衛(wèi)星在成像質(zhì)量上相當(dāng)于一臺1000萬像素的數(shù)碼單反相機(jī)；“昴宿星”分辨率僅為0.7m，因此相當(dāng)于一臺200萬像素的數(shù)碼相機(jī)；2013年底發(fā)射的美國天空盒子公司的“天空衛(wèi)星”（Skysat）分辨率為0.9m，因此相當(dāng)于一臺150萬像素的數(shù)碼相機(jī)。

預(yù)計(jì)到2016年，在光學(xué)亞米級分辨率市場上，美國數(shù)字地球公司的兩大競爭對手—?dú)W洲空客防務(wù)集團(tuán)（EADS）和美國天空盒子公司在衛(wèi)星星座綜合能力方面的差距與數(shù)字地球公司相比仍是非常大的。2016年，美國數(shù)字地球公司將擁有6顆在軌亞米級分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星，包括“伊克諾斯”（IKONOS）、4顆“世界觀測”系列衛(wèi)星和地球眼－1（Geoeye－1），而歐洲空客防務(wù)集團(tuán)仍只有2顆“昴宿星”在軌。盡管美國天空盒子公司將擁有12顆“天空衛(wèi)星”，但在成像能力上，美國數(shù)字地球公司世界觀測－1、2、3、4和地球眼－1全部是優(yōu)于0.5m分辨率的衛(wèi)星，且幅寬和敏捷機(jī)動(dòng)能力大大強(qiáng)于美國“天空衛(wèi)星”，因此在單位時(shí)間內(nèi)的圖像收集區(qū)域面積上6顆美國數(shù)字地球公司運(yùn)管的衛(wèi)星星座比12顆“天空衛(wèi)星”星座大6倍多。

5 后續(xù)計(jì)劃

就在世界觀測－3發(fā)射前夕，美國數(shù)字地球公司于2014年8月1日宣布，將要發(fā)射的地球眼－2衛(wèi)星的名稱改為世界觀測－4衛(wèi)星，發(fā)射時(shí)間初步定在2016年中。世界觀測－4衛(wèi)星全色空間分辨率約0.34m，多光譜分辨率1.36m，幅寬14.5km，軌道高度681km。屆時(shí)它和世界觀測－3將組網(wǎng)，從而進(jìn)一步提高觀測的時(shí)間分辨率。

6 啟示

（1）美國光學(xué)對地觀測領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了軍商協(xié)調(diào)發(fā)展

美國“2+2”計(jì)劃和美國商務(wù)部批準(zhǔn)放寬商業(yè)遙感衛(wèi)星分辨率限制的政策，將使美國商業(yè)對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)在數(shù)量規(guī)模、技術(shù)水平、實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用、數(shù)據(jù)規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化等方面均處于世界領(lǐng)先水平，成為航天領(lǐng)域軍民融合式發(fā)展的成功例證。

（2）具備高敏捷機(jī)動(dòng)、高圖像定位精度的大型甚高分辨率衛(wèi)星仍是發(fā)展方向之一

近年，隨著小衛(wèi)星技術(shù)、光學(xué)有效載荷技術(shù)的發(fā)展，越來越多的小衛(wèi)星、微衛(wèi)星也邁入了亞米級分辨率的時(shí)代。但是，小衛(wèi)星在敏捷機(jī)動(dòng)能力、圖像質(zhì)量、圖像定位精度和日成像面積等方面與大衛(wèi)星仍然存在差距，因此，在注重小衛(wèi)星發(fā)展的同時(shí)，持續(xù)關(guān)注大衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展仍是至關(guān)重要的。