国外典型高分辨率对地观测卫星

空天大视野 2022-04-11

The following article is from 高端装备发展研究中心 Author 太阳谷

来源：高端装备发展研究中心作者：太阳谷

导读：高分辨率对地观测卫星，即通过搭载的光电仪器，利用可见光、红外、高光谱和微波等探测手段，对人类生存所依赖的地球环境及人类活动本身进行各种高分辨率探测活动的卫星。高分辨率对地观测卫星由于视角高、观测范围广、生存能力强、能够长期稳定运行等优点，现已广泛应用于国土､海洋､气象､测绘､军事等领域，具有着重大的经济及军事价值。

高分辨率包括高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率和高辐射分辨率（一般高分辨率主要指高空间分辨率），各部分具体要求如下表所示：

高分辨率

类型	要求
高空间分辨率	空间分辨率即遥感影像单个像素所能描述的最小地物尺寸，高空间分辨率一般要求空间分辨率优于1m。
高时间分辨率	时间分辨率即重复观测同一地区所需要的时间，目前高时间分辨率可达到min级。
高光谱分辨率	光谱分辨率即传感器可以检测到的最小波段间隔，间隔越小，波段越多，光谱分辨率就越高，目前高光谱分辨率可达nm级。
高辐射分辨率	辐射分辨率即遥感器对光谱信号强弱的敏感程度、区分辨别能力，是各波段传感器接收辐射数据的动态范围，高辐射分辨率遥感影像能更精细地获得各类地物细节结构和光谱信息。

资料来源：市场调研

美国、欧洲、日本、印度等世界各主要国家和地区为抢占技术、市场制高点，都大力发展高分辨率对地观测卫星并取得了显著成果。

1）美国WorldView系列卫星

WorldView系列卫星是美国数字地球公司（Gigital Globe，已被加拿大Maxar Technologies公司收购）为响应全球最大的商业卫星遥感数据用户—美国政府通过NGA（当时名为国家图像测绘局）提出的“下一代观测”（NEXTVIEW）计划而推出的下一代商业成像卫星系统。

目前WorldView系列卫星已发射四颗卫星，WorldView-1于2007年9月18日发射成功，WorldView-2于2009年10月8日发射成功，WorldView-3于2014年8月13日发射成功。WorldView-4卫星（前身为GEOEYE-2卫星，2013年GeoEye与Gigital Globe合并后改名）于2016年11月搭乘美国擎天神5号运载火箭发射升空，在617公里的预期轨道高度运行，目前因控制力矩陀螺（CMG）故障导致无法收集图像而报废。

WorldView系列卫星具体性能参数如下表所示：

WorldView系列卫星具体性能参数

资料来源：市场调研

WorldView系列卫星分辨率对比如下图所示，其中最新的WorldView-4是目前全球领先的超光谱、高分辨率商业卫星。同WorldView-3一样，WorldView-4能够捕获全色分辨率31厘米和多光谱分辨率1.24米的卫星影像。此外，WorldView-4可以比WorldView-3更快地从一个目标移动到另一个目标，并且能够存储更多数据。WorldView-4卫星的成功发射再一次大幅提高了DigitalGlobe星座群的整体数据采集能力，让DigitalGlobe可以对地球上任意位置的平均拍摄频率达到每天4.5次，且GSD小于1米。

WorldView系列卫星分辨率对比图

2）美国KH锁眼系列卫星

美国KeyHole“锁眼”系列卫星是美国军用侦察卫星，其中最新型KH-12卫星是世界空间分辨率最高的卫星，达到0.1m。KH锁眼系列卫星已发展了6代，目前主要服役的，是KH-11“迦南”和KH-12“迷蒙”。这两型卫星都由美国国家侦查局所（NRO）掌控，其第五十八区卫星控制中心负责通过数据链获得这些卫星传输回来的图像数据。

KH-11和KH-12，代表着是两个不同的等级，为了保密的缘故，NRO从来都没有公开过自己有多少颗间谍卫星，但是可以确定的是，这些卫星可以完整的检测到地球表面的每一寸土地。

KH-11卫星拥有多重的感知能力，第一重是照相能力。KH-11卫星的主镜面与哈勃望远镜的主镜面几乎一致，前期的卫星镜片约为2.4米直径，后期的越来越大，最后的镜片型号约为3米直径左右，更大的镜片意味着更好的图像采集能力。

哈勃望远镜的示意图，但其基本上和KH-11卫星一样

第二重能力则是红外观察能力，KH-11可以轻松地观测一切发出热量的物体，包括启动的车辆发动机、工厂的烟囱等一系列的热源。这使得常规的光学遮蔽几乎毫无意义。另一方面，这种灵敏的能力可以其轻松的发现的各种导弹升空的迹象，尤其是弹道导弹，可以最快的美国弹道导弹防御局提供信息。

KH-11系列卫星可能运行轨道如下图所示，KH-11间谍卫星一般是绕行经过极地的太阳同步轨道，之所以要这么做，是为了其在拍摄物体的时候，太阳光角度基本一致，这样就可以通过目标的影子长度来判断目标的高度。

可能的KH-11系列卫星运行轨道

之后的KH-12卫星“朦胧”（misty）与KH-11互补使用，KH-12的结构与KH-11基本相似，但是悬浮在同步轨道上。位于同步轨道的卫星可以长时间的观察某一个定点目标，这几乎可以为美国情报部门提供“直播式”的数据。

KH-12卫星

KH-12卫星重达15吨，价值10多亿美元，设计寿命长达8年。KH-12卫星既可以进行大范围的普查，又可以对小范围进行详查；既能在白天进行可见光照相，又能在夜晚进行红外照相。星载光学系统的相机镜头采用当今最尖端的自适应光学成像技术，可在计算机控制下改变主透镜表面曲率，能有效补偿大气层造成的影像畸变，卫星详查时地面分辨率可达0.1米，这是世界上空间照相侦察迄今所能达到的最高水平，KH-12卫星也因此有“极限摄像平台”之称。

卫星上的红外照相能力可使卫星发现地面伪装物、飞机发动机和烟火等热源，能在光线不足或完全黑暗的条件下拍摄地面目标。卫星上还装有电子侦察设备，在进行照相侦察的同时，还可进行电子侦察。KH-12卫星具有极强的机动变轨能力，可在需要时迅速降低轨道，对热点或可疑地区进行仔细侦察。在变轨燃料用完后，可以由航天飞机在轨加以补充。卫星获取的数字图像数据经由美军的数据中继卫星传回地面站，可近实时地获取侦察图像。

最近的一颗KH-12卫星在2012年由德尔塔IV运载火箭送入轨道，截至2018年，可以确定的KH-12的卫星数量为三枚，但整个项目所花费的资金折合2018年美国价值达到了123亿。这个价格与KH-11的后续型号价格基本相似。可以说，这些火箭送上天的卫星，各个价值都相当于一艘完整的航空母舰。

3）美国长曲棍球雷达侦查卫星

长曲棍球雷达侦查卫星是美国为弥补光学侦察卫星不足而研发的雷达成像卫星，它不受光照条件限制，可以昼夜工作，不间断地提供地面目标图像。

长曲棍球系统的开发于1983年获得批准，首星于1988年12月发射，其分辨率为1m，用于全天候全球侦察；1991年3月用“大力神4”火箭从范登堡发射场发射了“长曲棍球2”SAR卫星，1997年10月23日用“大力神4”发射第三颗。据称，前三颗属于BLOCK 1，卫星部署在57°和68°两个不同的轨道倾角中，高度约为650 km，但卫星偶尔会机动到不同的高度。从披露的照片来看，卫星体积惊人。

在地面车间制造的长曲棍球卫星

根据观察人士的说法，该卫星设计的显着特征包括一个非常大的雷达天线和太阳能电池板。据报道，太阳能电池阵的翼展长度为42.5米左右，这表明雷达的可用功率可能在10到20千瓦的范围，比民用SAR雷达的功率高出10倍。而天线类型，采用了前述第三种SAR天线形态——网状抛物面天线，这种天线解决了刚性抛物面不便折叠、收藏的问题，一般要求网孔的直径小于几十分之一波长，如果工作在C波段，要求网孔大小在毫米量级，结合相控阵馈源，电扫能力更强。

美国著名的航空航天研究员Charles P. Vick绘制的长曲棍球1～3号的猜测图

2000年、2005年美国发射了“长曲棍球”系列的第4和第5颗卫星，据称分辨率达到了0.3m。从Charles P. Vick画的猜测图来看，采用了两幅SAR天线，双侧视，一次成像的范围更大，供电的太阳能帆板面积也明显增加。

不过也有分析称，长曲棍球侦查卫星采用了平板聚焦反射面天线，也称平板抛物型天线（FLAPS，Flat Parabolic Surface）,配合微带贴片相控阵馈源工作。长曲棍球侦查卫星的继任者被称为未来图像架构（Future Imagery Architecture，FIA)。

长曲棍球4～5号的猜测图

4）俄罗斯资源系列卫星

资源-DK卫星是俄罗斯第一颗能够提供大约一米分辨率图像的民用卫星。卫星于2006年发射，运行10年，于2016年2月停止服务。目前，资源计划已经更新至资源-P系列，资源-P星座是资源-DK卫星的后继计划。

资源-DK卫星

资源-P1卫星于2013年6月发射成果，资源-P1搭载了OAO Krasnogorsky Zavod开发的Geoton-L1望远镜，并为其配备了一个名为Sangur-1U的图像存储和转换系统。Sangur-1U能将光学图像转换为数字信号，然后处理、压缩并将此数据传输到卫星的无线电系统，用于下行链路到地面站。Geoton-L可在475公里的高度捕获分辨率高达一米的全色图像。可以以2到3米的分辨率产生光谱图像。该卫星还携带高光谱成像有效载荷，GSA和广泛的多光谱相机系统，统称为KShMSA。

资源-P2卫星于2014年12月发射，它和资源-P1几乎完全相同，不同在于资源-P2卫星搭载了额外载荷—高能粒子探测器及AIS系统。资源-P2卫星于2017年停止工作。

资源-P2卫星结构图

资源-P3卫星于2016年3月发射成功，设计寿命为5年，搭载情况和资源-P1卫星相似。后续型号资源-PM卫星计划最早于2021年发射。

小结

国外高分辨率对地观测卫星发展较早，优势较为明显，在高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率等方面都取得了较大成果。我国高分辨率对地观测卫星发展较晚，高分数据市场长期被外国公司占领。虽然通过高分专项计划，我国相关技术得到较大突破，但在市场、核心技术方面仍存在较大差距，发展空间广阔。

主要参考文献:

[1].Architecture of Earth observing satellites in next 10 years and beyond

[2].Digital globe unveils plan for second world view satellite

[3].http://www.russianspaceweb.com/resurs_p.html

[4].WorldView-4卫星

[5].浅聊美帝锁眼系列光学侦察卫星

[6].利刃.美国这系列间谍卫星精度最高：可数清一支军队的人数