對地觀測小衛(wèi)星最新發(fā)展研究

張召才 朱魯青 （北京空間科技信息研究所）

2014年，全球共成功發(fā)射262個航天器，其中成功發(fā)射小衛(wèi)星（質量低于500kg的衛(wèi)星）162顆，占全球同期入軌航天器總數的61.8%，全球小衛(wèi)星發(fā)射總數再創(chuàng)新高，其中對地觀測小衛(wèi)星發(fā)展尤為活躍。

1 小衛(wèi)星數據統計分析

美國發(fā)射數量遙遙領先，日本發(fā)射數量躍居次席

從所屬國家看，美國2014年發(fā)射90顆小衛(wèi)星，高居全球首位；日本發(fā)射21顆小衛(wèi)星，發(fā)射數量增幅巨大，躍居全球次席；歐洲成功發(fā)射14顆小衛(wèi)星，發(fā)射數量有所回落；俄羅斯小衛(wèi)星發(fā)射數量相對穩(wěn)定。此外，中小國家開始借助小衛(wèi)星開展本國航天活動，如匈牙利、立陶宛和烏拉圭等國家，均在2014年發(fā)射了本國首顆衛(wèi)星，開始走向世界航天舞臺，推動了航天技術在全球的普及，加深了航天在世界范圍內的影響，在全球掀起了一場“軌道革命”。

宇航公司關注力度加大，新興商業(yè)公司大量涌現

從小衛(wèi)星研制商看，宇航公司對小衛(wèi)星關注力度逐步加大，超越大學和科研機構，成為2014年度全球小衛(wèi)星研制的主要力量。2014年，全球共有106顆小衛(wèi)星由宇航公司研制，占比達到64.5%。一方面，以研制大衛(wèi)星為主的宇航公司開始關注小衛(wèi)星業(yè)務，如波音公司推出了“502鳳凰”（502 Phoenix）系列小衛(wèi)星平臺。另一方面，國外近年又涌現出大量新興商業(yè)小衛(wèi)星公司，如美國天空盒子成像公司（Skybox Imaging）、行星實驗室公司（Planet Labs）等。這些新興公司均提出商業(yè)小衛(wèi)星星座計劃，發(fā)展面向定制化需求的創(chuàng)新應用和商業(yè)運營模式，推動了全球范圍內小衛(wèi)星活動的發(fā)展與繁榮。

各國小衛(wèi)星發(fā)射數量統計（單位：顆）

宇航公司對小衛(wèi)星關注力度加大（單位：顆）

業(yè)務型小衛(wèi)星數量激增，對地觀測成為主要驅動

業(yè)務型小衛(wèi)星數量大幅增長（單位：顆）

從應用領域看，隨著小衛(wèi)星能力不斷提升，小衛(wèi)星應用不再只局限于科學與技術試驗，開始邁入業(yè)務化、裝備化運營階段，應用領域不斷擴展，在對地觀測、電子偵察、通信、空間攻防、空間目標監(jiān)視、在軌服務、戰(zhàn)術快響、空間科學探測、空間天氣、深空探測等領域的應用能力穩(wěn)步增長，并且已成為空間系統的重要組成部分。小衛(wèi)星業(yè)務能力不斷提升，在軍事領域和商業(yè)領域的應用前景已獲得各方高度關注。2014年6月，美國航天基金會發(fā)布的《2014年航天報告》指出，“未來幾年，一個可能的趨勢是小衛(wèi)星將占據更多的市場份額?！?/p>

2 對地觀測小衛(wèi)星最新發(fā)展

美國低軌商用小衛(wèi)星批量入軌，開啟航天大數據時代

在“新航天經濟”驅動下，美國大量硅谷IT企業(yè)開始進入航天領域，相繼提出“小衛(wèi)星、大數據”、“小衛(wèi)星、大星座”商業(yè)計劃，發(fā)展低軌新型商業(yè)對地觀測系統。

2014年7月8日，美國天空盒子成像公司的“天空衛(wèi)星”（SkySat）星座第二顆衛(wèi)星天空衛(wèi)星－2搭乘俄羅斯聯盟－2（Soyuz－2）火箭發(fā)射，進入傾角97.2°、高度為623km×637km的太陽同步軌道。天空衛(wèi)星－2與天空衛(wèi)星－1采用完全相同的設計方案，單星質量91kg，設計壽命4年，其星下點全色圖像分辨率優(yōu)于1m（天空衛(wèi)星－1分辨率0.9m，天空衛(wèi)星－2分辨率0.95m），多光譜分辨率為2m，成像幅寬8km，并能夠獲取時長90s、30幀/s的高清視頻。其星下點視頻分辨率為1.1m，標準覆蓋范圍為2km×1.1km。截至2015年9月底，天空衛(wèi)星－1和2均在軌工作正常。

裝配中的美國“天空衛(wèi)星”

歐洲薩瑞衛(wèi)星技術公司的S頻段“新型合成孔徑雷達衛(wèi)星”（NovaSAR）

2014年2月11－28日期間，行星實驗室公司首個運營級微納衛(wèi)星星座鴿群－1（Flock－1）陸續(xù)從“國際空間站”釋放，進入高度約400km、傾角52°的圓形軌道。鴿群－1星座由28顆3U立方體衛(wèi)星組成，是當時全球最大的對地觀測衛(wèi)星星座，對地分辨率達到3～5m。該星座于2014年1月7日搭乘軌道科學公司（OSC）的“安塔瑞斯”（Antares）火箭進入“國際空間站”，然后由“日本小衛(wèi)星軌道部署器”（J-SSOD）釋放入軌。截至2015年9月底，行星實驗室公司共發(fā)射了135顆衛(wèi)星，其中成功101顆，失敗34顆。

歐洲薩瑞衛(wèi)星技術公司小衛(wèi)星性能持續(xù)提升，發(fā)布視頻成像衛(wèi)星平臺

薩瑞衛(wèi)星技術公司（SSTL）的“災害監(jiān)測星座”（DMC）性能不斷提升，規(guī)模不斷擴大，開辟了多國合作共贏的低軌小衛(wèi)星發(fā)展模式。自2011年質量300kg、分辨率2.5m的光學成像小衛(wèi)星投入使用后，薩瑞衛(wèi)星技術公司已研制出新一代350kg、分辨率1m的光學成像小衛(wèi)星—災害監(jiān)測星座－3和首顆400kg、分辨率6m的S頻段雷達成像驗證小衛(wèi)星。其中，災害監(jiān)測星座－3已于北京時間2015年7月11日成功發(fā)射入軌。S頻段雷達成像驗證小衛(wèi)星原計劃2015年第一季度發(fā)射，但發(fā)射日期已確定推遲，薩瑞衛(wèi)星技術公司未給出發(fā)射推遲原因及新的發(fā)射日期。

歐洲VIC型小衛(wèi)星

歐洲薩瑞衛(wèi)星技術公司發(fā)布了新一代視頻成像衛(wèi)星平臺，2014年4月，薩瑞衛(wèi)星技術美國公司（SSTUS）又發(fā)布了具有彩色視頻成像能力的V1C型小衛(wèi)星。V1C型小衛(wèi)星設計緊湊，單星價格低于2000萬美元，能夠獲得高清晰畫質的真彩色（紅、綠、藍）視頻，星下點指向時地面分辨率優(yōu)于1m，地面幅寬為10km，幀頻高達100幀/s。V1C型小衛(wèi)星具有任務可再配置能力，可以應用在一系列情報收集領域，如監(jiān)視、探測和確認，面向需要快速獲取和分析衛(wèi)星數據的組織，提供快速變化的地面人群或基礎設施的態(tài)勢感知和實時情報（ABI）信息。根據衛(wèi)星發(fā)射數量不同，V1C型小衛(wèi)星可構成多種不同的星座構型，如以30～60min的時間間隔部署在同一軌道，以便在每天特定時段提供近實時的視頻覆蓋。

日本發(fā)射新型通用平臺首發(fā)星，最高分辨率優(yōu)于0.5m

日本積極推動對地觀測小衛(wèi)星技術發(fā)展，政府和商業(yè)公司聯合研制并發(fā)射了具備新系統結構的先進觀測衛(wèi)星－1（ASNARO－1，簡稱先進觀測衛(wèi)星－1），高校則專注發(fā)展100kg以下微納型對地觀測衛(wèi)星。

2014年11月6日，日本利用俄羅斯“第聶伯”（Dnepr）火箭成功發(fā)射了采用新型高分辨率通用衛(wèi)星平臺的首發(fā)星—先進觀測衛(wèi)星－1。該衛(wèi)星質量約450kg，全色分辨率優(yōu)于0.5m、多光譜分辨率優(yōu)于2m，幅寬10km，星下點側擺能力±45°?！跋冗M觀測衛(wèi)星”平臺基于通用化架構和標準接口設計，采用SpaceWire協議，具有柔性化、開放式特點，能夠搭載多種對地觀測載荷，如包括高分辨率光學成像載荷、高分辨率合成孔徑雷達、高光譜遙感器和紅外遙感器等，滿足多種對地觀測任務需求?！跋冗M觀測衛(wèi)星”平臺具有高分辨率、高敏捷、低成本、短周期和小型化的特點，能夠快速響應用戶需求，是日本未來發(fā)展低成本、低軌道對地觀測系統的重要力量。

韓國重視對地觀測衛(wèi)星長期規(guī)劃，成功發(fā)射0.5米級高分辨率對地觀測衛(wèi)星

韓國一直非常重視對地觀測小衛(wèi)星的發(fā)展。2013年底，韓國政府發(fā)布面向2040年的《航天發(fā)展中長期規(guī)劃》，根據該規(guī)劃，韓國在對地觀測衛(wèi)星領域，未來在持續(xù)研制并發(fā)射低軌道高分辨率光學和雷達成像的“韓國多用途衛(wèi)星”（KOMPSAT）系列、靜止軌道氣象衛(wèi)星及海洋與環(huán)境衛(wèi)星。與此同時，將研制500千克級、載荷多樣的“下一代中型衛(wèi)星”，滿足多樣化的對地觀測需求，提高時間分辨率。

日本“先進觀測衛(wèi)星”可支持不同的任務載荷

2015年3月26日，韓國利用俄羅斯“第聶伯”運載火箭成功發(fā)射了韓國多用途衛(wèi)星－3A光學成像衛(wèi)星。該衛(wèi)星是“韓國多用途衛(wèi)星”系列第5顆衛(wèi)星，是韓國多用途衛(wèi)星－3的增強版，增加了紅外成像能力，降低了衛(wèi)星運行軌道，全色分辨率從0.7m提升至0.55m，使韓國成為世界上第6個擁有0.5米級光學分辨率衛(wèi)星系統的國家。

韓國多用途衛(wèi)星－3A的衛(wèi)星平臺由韓國航空航天研究院（KARI）研制，衛(wèi)星成像載荷由空客防務與航天公司德國分公司研制，項目總成本2.12億美元。衛(wèi)星發(fā)射質量約1100kg，直徑2m，高3.8m，整星功率1.4kW，設計壽命4年，衛(wèi)星運行于528km高的太陽同步軌道像。

3 對地觀測小衛(wèi)星創(chuàng)新應用

隨著空間技術發(fā)展和小衛(wèi)星能力提升，國外提出了大量“小衛(wèi)星、大星座”概念，計劃利用低軌小衛(wèi)星星座提供近實時更新的大數據服務。尤其是在移動互聯網時代，信息技術與衛(wèi)星應用結合，瞄準利益市場，催生顛覆式創(chuàng)新的商業(yè)模式和衛(wèi)星應用模式。小衛(wèi)星在軍事應用方面也表現出“改變游戲規(guī)則”的巨大力量，成為美國、俄羅斯等大國發(fā)展軍事航天能力的重要手段。

指令成像工作模式（左）與“永遠在線”工作模式（右）

創(chuàng)新商業(yè)應用

對地觀測小衛(wèi)星創(chuàng)新商業(yè)應用的典型代表是美國天空盒子成像公司和行星實驗室公司，兩家公司均由IT技術起步，并采用了顛覆式創(chuàng)新的商業(yè)模式，衛(wèi)星系統設計也以滿足其創(chuàng)新商業(yè)應用為前提。如天空盒子成像公司構建云服務平臺，鼓勵用戶或第三方開發(fā)專業(yè)應用APP，提供定制化服務；行星實驗室公司采用“永遠在線”（Always On）工作模式，無需地面下達指令即可對陸地連續(xù)開機成像，確保全球近實時數據更新。

與傳統對地觀測系統相比，“天空衛(wèi)星”星座和“鴿群”星座等以小衛(wèi)星為主體的新興商業(yè)對地觀測系統呈現出一些新的技術特點與運營模式：①衛(wèi)星公司均是非傳統航天企業(yè)，均以互聯網企業(yè)自居，引入大數據、云計算等互聯網理念，并提供在線數據瀏覽、直銷和分發(fā)等業(yè)務；②提供云服務平臺，鼓勵用戶或第三方開發(fā)專業(yè)化應用APP，嘗試天基對地觀測應用的近實時響應和定制化服務模式；③除提供天基對地觀測圖像數據外，還可提供變化監(jiān)測信息，驅動對地觀測應用從圖像向信息發(fā)展；④系統重訪周期高，對地觀測數據更新快，能實現全球近實時觀測，兼顧全球“熱點”地區(qū)和“非熱點”地區(qū)。

創(chuàng)新軍事應用

當前全球范圍內，以信息化為主要特征的新型作戰(zhàn)模式強調力量資源集成，驅動軍事航天發(fā)展開始轉型，使得小衛(wèi)星獲得廣泛軍事應用，推動航天裝備從支撐作戰(zhàn)向融入作戰(zhàn)轉變，縮短了從敏感器到指揮官的鏈條，提升了信息化條件下的網絡中心戰(zhàn)效能。

美國“隼眼”星座軍事作戰(zhàn)流程

在國防部“作戰(zhàn)響應空間”（ORS）計劃主導推進下，美軍通過戰(zhàn)術衛(wèi)星－2、3、4（TacSat－2、3、4）和作戰(zhàn)響應空間－1等4顆衛(wèi)星持續(xù)進行在軌驗證與能力完善，已經發(fā)展了直接服務于作戰(zhàn)用戶的天基信息獲取和傳輸能力，建立了成熟的小衛(wèi)星融入作戰(zhàn)概念?！白鲬?zhàn)響應空間”衛(wèi)星融入作戰(zhàn)的突出特點是縮短指控鏈條，直接服務戰(zhàn)區(qū)。2013年4月，美國中央司令部讓前線指揮部隊通過“虛擬任務操作中心”直接調度作戰(zhàn)響應空間－1，獲取了墜毀在偏遠地區(qū)的直升機圖像，實現基層指揮官—天基敏感器的端到端快速聯接與直接應用，提升了作戰(zhàn)能力。受“作戰(zhàn)響應空間”計劃激勵，美國陸軍提出的“隼眼”（Kestrel Eye）計劃也以滿足戰(zhàn)區(qū)基本作戰(zhàn)需求為發(fā)展宗旨。“隼眼”星座用于向基層作戰(zhàn)人員快速、按需提供近實時的戰(zhàn)場圖像數據，支持“即指即拍”（Point and Shoot）作戰(zhàn)模式，在10min內完成從前方作戰(zhàn)用戶發(fā)出任務請求到分發(fā)圖像的全部操作。

4 結論

總體來看，小衛(wèi)發(fā)展高度活躍，已成為世界航天活動的重要構成部分，并呈現出以下特點：①大衛(wèi)星小型化、小衛(wèi)星微型化趨勢明顯；②微納衛(wèi)星發(fā)展高度活躍，立方體衛(wèi)星發(fā)展前景廣闊；③小衛(wèi)星業(yè)務能力不斷提升，成為宇航公司業(yè)務發(fā)展的新增長點；④商用對地觀測小衛(wèi)星發(fā)展勢頭勁猛，催生全新的衛(wèi)星應用模式和商業(yè)運營模式。此外，隨著能力不斷提升，對地觀測小衛(wèi)星應用正不斷孕育新模式?，F代信息技術的廣泛“移植”和應用，激活了小衛(wèi)星應用市場?？臻g技術與大數據、云計算等技術深度融合趨勢明顯，加速了定制化衛(wèi)星應用時代的到來。