遥感卫星及其商业模式的发展_航天_外空网

sg001 发表于 2016-11-22 23:43:08

遥感卫星及其商业模式的发展

遥感卫星及其商业模式的发展　　原民辉　　北京空间科技信息研究所　　自20世纪50年代首颗卫星发射以来，人类航天活动取得了巨大成就，极大地促进了生产力发展和社会进步，产生了重大而深远的影响。航天技术已成为最具社会影响力的高新技术之一，被誉为现代高新技术皇冠上的宝石。　　近年来，高分遥感系统快速发展，系统性能不断提升，遥感应用向深度化、综合化方向发展，产业发展初具规模，已成为国家重要的战略资源和基础设施。　　一、全球遥感卫星数量统计　　截至2014年底，全球已成功发射7047个航天器（图1）。其中遥感卫星2427颗，发射数量最多、应用也最早。　　图1全球已成功发射的航天器统计　　截至2014年底，全球在轨航天器共1322个，其中遥感卫星数量已达315颗（图2）。美国占102颗，是遥感卫星数量最多的国家，也是航天遥感能力最强的国家。　　图2全球在轨的遥感卫星统计　　近年来，卫星遥感领域发展日渐活跃，已经成为航天大国的核心空间基础设施，成为新兴国家进入航天的首选领域。卫星遥感产业规模逐年增加，未来发展前景广阔。　　二、遥感卫星发展　　1. 遥感卫星向体系化方向发展　　美国发布《弹性和分散空间体系》白皮书，未来强调体系的优化发展，向“分散”和“弹性”转变。2013年8月，美国空军航天司令部发布《弹性和分散空间体系》白皮书，优化体系结构。该白皮书是美国空军航天司令部发布的第一部白皮书，明确了未来美国军事航天系统发展的顶层思路和航天体系转型方向，将全面推进空间体系向“弹性和分散”体系的转型。该白皮书指出弹性是遂行任务的能力和本领，分散是实现弹性的策略；除作战能力外，将弹性和经济可承受性作为评估体系的重要指标；目前，战场环境、通信、导航、预警等卫星系统已经完成初步方案。美国考虑以多轨分散、多域分散、载荷搭载、系统分解、功能分散共5种分散形式实现体系的弹性。其中遥感卫星系统将主要采用多轨分散（侦察、预警）、多域分散（侦察、预警）、载荷搭载（预警载荷搭载）3种方式。　　法国由单一低轨向体系化多轨道发展，提出高、中、低轨相结合的光学卫星体系，兼顾超高分辨率与区域持续监视。法国于2013年10月提出发展高、中、低轨结合的光学成像卫星体系，这是法国首次明确提出多轨道光学成像卫星体系的概念，同时法国也成为继美国、俄罗斯、以色列之后，又一个提出发展椭圆轨道光学成像卫星的国家。该体系将包括3种新型光学成像卫星，分别为0.2～0.3m超高分辨率的低轨光学成像卫星，单星重访周期1～2天，至少部署2颗；1m分辨率的椭圆轨道光学成像卫星，可在6353km远地点实现1m分辨率、50km幅宽的观测能力，持续观测时间达45分钟，兼顾高分辨率与持续监视；3m分辨率的静止轨道面阵光学成像卫星，设计寿命达到15年，具有静态图像和动态视频两种能力，实现持续监视。但开发静止轨道卫星需要突破很多技术瓶颈，如载荷设计、图像处理和轨道控制技术等。　　日本积极构建低轨综合观测星座，监视重点海域。日本政府于2013年5月提出将发展新的低轨综合观测星座，通过光学与SAR结合，太阳同步轨道与倾斜轨道组合，高分辨率与大幅宽结合，实现热点地区持续监视，特别是日本海上运输线的持续监视。该星座由5颗光学和4颗SAR卫星组网，光学成像卫星采用全色、多光谱、高光谱的综合观测手段，采用高分辨率与宽幅宽相结合的配置，能够每天数次重访；雷达成像卫星采用中倾角和太阳同步轨道（46°）结合，实现高频度观测全球热点地区的海上战略要道。属于该星座的先进陆地观测卫星-2（ALOS-2）雷达成像卫星和先进新系统架构对地观测卫星-1（ASNARO-1）光学成像卫星分别于2014年5月和11月发射，分辨率分别为1m和0.5m。　　2. 遥感卫星向精细化方向发展　　美国下一代商业高分遥感卫星，谱段精细，探测要素更为丰富。2014年8月13日，美国发射了下一代商业高分辨率遥感卫星——世界观测-3（WorldView-3）卫星（图3）。WorldView-3卫星在继承WorldView-1/2卫星性能优点的同时，在高分辨率、多光谱、多载荷三个方面具有以往所有商业成像卫星不具有的优势。全色分辨率达0.31m，幅宽13.1km，成为世界上分辨率最高的光学商业遥感卫星。多光谱分辨率1.24m，同时增加了8个短波红外谱段，短波红外分辨率3.7m。另外，WorldView-3卫星搭载了“云、气溶胶、水汽、冰、雪”（CAVIS）载荷，显著提升探测沙云、气溶胶、卷云、水、雪等要素的能力，分辨率30m。　　图3WorldView-3卫星　　2014年6月，数字全球（DigitalGlobe）公司正式获得美国商务部批准，可以向其所有用户销售全色分辨率高达0.25m、多光谱分辨率1m的卫星图像数据，该批准立即生效。这是美国政府继2000年将商业遥感卫星分辨率销售限制放松至0.5m以来，再次调整商业遥感卫星分辨率限制。此举将允许DigitalGlobe公司将最好的产品推向商业遥感市场，使其在面对国内外竞争、拓展全球市场方面具有领先优势，极大提高美国商业遥感公司的全球竞争力。　　日本民用光学和雷达卫星分开发展，卫星性能和精细观测能力大幅提升。日本新一代ALOS-2民用雷达成像卫星（图4）与ALOS-1卫星搭载的“相控阵L频段合成孔径雷达”（PALSAR）相比，ALOS-2卫星搭载的PALSAR-2载荷性能更先进，分辨率更高，工作模式更多，存储能力和数据传输能力也相应提高。ALOS-2卫星具有聚束、条带（超精、高精、精）和扫描SAR三种成像模式，最高分辨率达3m×1m，幅宽25km。新一代ALOS-3民用光学成像卫星计划于2016年发射，载有全色立体测绘相机，全色分辨率达0.8m，并新增超光谱成像仪。　　图4ALOS-2卫星　　以色列发射下一代雷达成像侦察卫星，增加新成像模式。2014年4月9日，以色列成功发射地平线-10（Ofeq-10）下一代雷达成像侦察卫星（图5），与以色列上一次发射“地平线”系列卫星时隔4年。Ofeq-10卫星主要用于对特定地区进行侦察监视，例如伊朗的核场所等。与此前发射的Ofeq系列卫星运行于500km近圆轨道不同，Ofeq-10卫星运行于近地点385km、远地点600km，倾角140.9°的椭圆轨道。与“合成孔径雷达技术验证卫星”（TecSAR，即Ofeq-8卫星）相比，Ofeq-10卫星增加了新的成像模式，可以在短时间内实现多点成像，最高分辨率达0.46m。　　图5Ofeq-10卫星　　3. 创新遥感小卫星不断涌现，“轨道革命”初现端倪　　2014年3月12日，美国新闻记者扎克·罗森伯格（Zach Rosenberg）在外交政策（Foreign Policy）网站发表《即将到来的轨道革命》一文，提出当前全球航天正掀起一场“轨道革命”。该文章指出，随着微机电技术、集成化综合电子技术发展，以及卫星设计思想创新，卫星小型化趋势将愈发明显，驱动卫星研制成本不断降低。同时，低成本运载火箭、一箭多星、空间站释放等多样化发射技术的发展以及新兴航天公司进入航天发射市场，促使卫星发射成本大幅下降。快速发展的小卫星技术和低成本运载技术降低了进入空间和利用空间的成本门槛，越来越多的国家能够借助小卫星参与到空间活动中，使得轨道空间正在由一个航天大国俱乐部发展成一个“大众参与”的舞台。该文将这种由微小卫星技术和低成本运载技术发展引起的航天活动变化称为“轨道革命”。这种变革将促进更多非航天企业参与航天产业，更多企业带来更多创新，推动变革的持续深化。　　在“轨道革命”的推动下，小卫星发展日渐活跃，目前仍主要集中于遥感和技术试验卫星领域。遥感小卫星的“轨道革命”实践最为凸显，业务应用卫星已开始大规模部署；技术试验卫星已开始朝“轨道革命”方向发展；相对而言，通信、导航卫星领域的“轨道革命”趋势还不明显。　　目前，美国多家公司发展大规模商业小卫星星座。美国天空盒子成像（Skybox Imaging）公司计划部署由24颗微卫星组成的大规模商业星座系统。目前，已经有2颗SkySat卫星在轨运行。SkySat是1m分辨率CMOS面阵成像卫星，设计寿命4年，采用地面“合成TDI”专利，能够实现超分处理和多图像拼接，支持5Hz高清视频。整个星座可实现8小时全球数据更新，将推动数据应用从单幅图像处理向时序数据分析转变。SkySat卫星成像模式如图6所示。　　图6SkySat卫星成像模式　　美国行星实验室（Planet Labs）公司2014年1月表示，计划在1年内共发射100余颗“鸽群”（Flock）卫星，构建低轨大规模纳卫星星座。行星实验室公司2014年共发射了3批次Flock-1星座。其中，2批次从“国际空间站”释放，均为28星，首批Flock星座已全部再入；1批次火箭直接发射，11星入轨。Flock系列卫星采用对陆地连续开机的工作模式，分辨率3～5m，大规模星座可实现全球近实时覆盖。　　图7Flock-1卫星从“国际空间站”释放　　萨瑞美国（SST-US）公司推出新研制的具有彩色视频成像能力的V1C型小卫星（图8）。V1C型卫星具有任务可再配置能力，可应用于监视、探测和确认等领域。根据卫星发射数量不同，V1C型卫星可构成多种不同的星座构型，如以30—60分钟的时间间隔部署在同一轨道，以便于在每天特定时段提供近实时的视频覆盖。　　图8萨瑞彩色视频V1C型小卫星　　三、卫星遥感的商业模式　　当前世界，科技与产业深度融合，以互联网思维为代表的新的产业形态正在加速形成，以新的规则推动技术、产业和资本的高效组合，向各个行业延伸并实施变革性改造；另一方面，政府的战略投资方式也发生转变，市场配置资源得到强化。这一战略环境下，卫星遥感产业的市场化、开放式、融合式发展是大势所趋。未来，卫星遥感产业将实现从初具规模向成熟应用的跨越，商业模式创新将不断涌现。　　据欧洲咨询公司最新数据统计，全球商业遥感数据市场销售收入在2006—2010年的年增长率超过20%，但2011年以后，由于美国国防对商业遥感卫星数据的需求趋于稳定，促使全球商业遥感数据市场收入进入稳步增长期，2013年全球商业遥感数据销售收入达15亿美元（图9）　　图9近5年全球商业遥感数据销售收入　　2012年，美国和法国公司的数据销售收入约占全球数据销售收入的78%。其中，美国占至少60%。目前，遥感应用产业已形成上下游较为完整的产业链（图10），采用代理分销模式，具备了基本的运行模式和市场用户，产业规模快速增长。　　图10遥感应用产业链　　1. 宇航制造——轨道革命激发了商业模式的创新　　近年来，在“轨道革命”思潮的影响下，国外多个宇航企业陆续提出微纳卫星星座理念，视频成像、大数据、APP信息插件等新产品、新服务不断涌现，卫星遥感商业市场日趋活跃。例如Skybox公司、PlanetLabs公司、SST-US公司，以及加拿大地球直播（UrtheCast）公司将中、高分辨率相机安装在“国际空间站”上，可以彩色视频成像。　　2. 运营服务——遥感技术与商业模式协同创新　　Skybox公司作为硅谷的创业公司，成功地将微小卫星技术与云服务、大数据、定制服务等创新运营模式有机结合，使基于低成本、高时间、高空间分辨率地球图像应用的商业构想成为现实，掀起一场类似GPS的产业浪潮。Skybox公司通过星座提供8小时数据更新，通过基于云的数据分发系统提供1m分辨率数据。Skybox公司构建有关全球每日活动的数据流平台，就像一台苹果手机，开发者可以在此基础上开发出下一代的商业和消费应用。　　2014年6月13日，Google公司宣布以5亿美元收购Skybox公司，该轰动一时的收购案例标志Google互联网帝国对数据的需求已经扩展到太空。此外，Google公司计划投资10亿美元建180颗卫星，开拓全球偏远地区的互联网接入服务市场。Google公司作为互联网搜索巨头，越来越多地利用天基信息服务推动现有业务升级，以提升拓展自身的产业服务，从而推动航天技术与应用产业加速融入信息服务产业，将在大产业中实现大发展。　　此外，未来高分遥感应用将与全球导航、移动互联网、物联网、智慧城市建设、信息化战争深入融合，促使航天应用真正走入百姓生活。在国家信息化方面，遥感手段是构建地理信息基础框架、数字化地球的基础，支持智慧城市和物联网发展。在军队信息化方面，为军事战略决策提供依据，支持一体化联合作战，助推实现网络化、数字化、智能化的战争能力。　　四、展望　　1. 交叉领域与商业技术驱动航天加快发展与变革　　航天技术将与信息科学、量子科学、生命科学、微机电、人工智能、航空深度融合，形成更多领域交叉，带动更多跨域创新，为航天发展提供新空间，如智慧城市、太空旅游、空天飞机、空间太阳能电站。非传统航天技术将进一步广泛融入航天领域，商业技术的性价比优势将进一步显现。CMOS面阵、综合信息处理组件等商业电子元件，以及更多商业技术成果，将得到广泛应用，并可能对航天的发展方向、发展方式产生变革性影响。　　技术的交叉融合将推动航天产业的发展变革。据统计2013年发射卫星中50%为微小卫星，而2009—2012年，平均每年发射36颗微小卫星。这些微小卫星大量采用商业技术、低成本发射、智能终端，以及大数据技术。MEMS技术、非宇航载荷技术、推进技术以及控制技术、甚至3D打印技术的应用使得微小卫星功能密度不断提升，商业化要求的成本和性能条件日趋成熟。　　2. 创新航天技术为深度应用和产业跃升提供新的发展契机　　以高轨成像技术、衍射成像技术、稀疏孔径成像技术、CMOS面阵探测器技术、大规模低轨星群组网技术、微纳卫星平台技术、大数据存储和计算技术为代表的一系列航天技术促使遥感卫星能力快速提升的同时，卫星遥感数据应用能力也大幅增强，将极大提高卫星遥感的作用。目前，美、欧积极发展静止轨道光学成像卫星，已经取得突破性进展，计划2020年部署业务星。　　3. 技术创新与商业模式创新有机结合塑造新的领军企业　　技术融合、产业融合的趋势下，适应产业成长规律和市场规则，融入市场分工合作体系，推动技术、产业与资本高效结合，必将依靠技术与商业模式的协同创新，将技术成果与商业模式统一到企业的整体战略设计之中。以Skybox、PlanetLabs、SST-US为代表的新兴宇航企业正以全新的思维方式和运作方式勾画并构建卫星遥感技术与产业的未来。

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