对地观测小卫星最新发展研究

航天 · 2016-11-22 23:49:29

1 小卫星数据统计分析　　美国发射数量遥遥领先，日本发射数量跃居次席　　从所属国家看，美国2014年发射90颗小卫星，高居全球首位。日本发射21颗小卫星，发射数量增幅巨大，跃居全球次席。欧洲成功发射14颗小卫星，发射数量有所回落，俄罗斯小卫星发射数量相对稳定。此外，中小国家开始借助小卫星开展本国航天活动，如匈牙利、立陶宛和乌拉圭等国家，均在2014年发射了本国首颗卫星，开始走向世界航天舞台，推动了航天技术在全球的普及，加深了航天在世界范围内的影响，在全球掀起一场“轨道革命”。　　宇航公司关注力度加大，新兴商业公司大量涌现　　从小卫星研制商看，宇航公司对小卫星关注力度逐步加大，超越大学和科研机构，成为2014年度全球小卫星研制的主要力量。2014年，全球共有106颗小卫星由宇航公司研制，占比达到64.5%。一方面，以研制大卫星为主的宇航公司开始关注小卫星业务，如波音公司推出了“502凤凰”（502 Phoenix）系列小卫星平台。另一方面，国外近年又涌现出大量新兴商业小卫星公司，如美国天空盒子成像公司（Skybox Imaging）、行星实验室公司（Planet Labs）等。这些新兴公司均提出商业小卫星星座计划，发展面向定制化需求的创新应用和商业运营模式，推动了全球范围内小卫星活动的发展与繁荣。　　业务型小卫星数量激增，对地观测成为主要驱动　　从应用领域看，随着小卫星能力不断提升，小卫星应用不再只局限于科学与技术试验，开始迈入业务化、装备化运营阶段，应用领域不断扩展，在对地观测、电子侦察、通信、空间攻防、空间目标监视、在轨服务、战术快响、空间科学探测、空间天气、深空探测等领域应用能力稳步增长，并且已成为空间系统的重要组成部分。小卫星业务能力不断提升，在军事领域和商业领域的应用前景已获得各方高度关注。2014年6月，美国航天基金会发布的《2014年航天报告》指出，“未来几年，一个可能的趋势是小卫星将占据更多的市场份额。”　　2 对地观测小卫星最新发展　　　　美国低轨商用小卫星批量入轨，开启航天大数据时代　　在“新航天经济”驱动下，美国大量硅谷IT企业开始进入航天领域，相继提出“小卫星、大数据”，“小卫星、大星座”商业计划，发展低轨新型商业对地观测系统。　　2014年7月8日，美国天空盒子成像公司的“天空卫星”（SkySat）星座第二颗卫星天空卫星－2搭乘俄罗斯联盟－2（Soyuz－2）火箭发射，进入倾角97.2°、高度为623km×637km的太阳同步轨道。天空卫星－2与天空卫星－1采用完全相同的设计方案，单星质量91kg，设计寿命4年，星下点全色图像分辨率优于1m（天空卫星－1分辨率0.9m，天空卫星－2分辨率0.95m），多光谱分辨率为2m，成像幅宽8km，并能够获取时长90s、30帧/s的高清视频。星下点视频分辨率为1.1m，标准覆盖范围为2km×1.1km。截至2015年9月底，天空卫星－1和2均在轨工作正常。

装配中的美国“天空卫星”星座　　2014年2月11－28日期间，行星实验室公司首个运营级微纳卫星星座鸽群－1（Flock－1）陆续从国际空间站释放，进入高度约400km、倾角52°的圆形轨道。鸽群－1星座由28颗3U立方体卫星组成，是当时全球最大的对地观测卫星星座，对地分辨率达到3～5m。该星座于2014年1月7日搭乘轨道科学公司（OSC）“安塔瑞斯”（Antares）火箭进入“国际空间站”，然后由“小卫星轨道部署器”（SSOD）释放入轨。截至2015年9月底，行星实验室公司共发射135颗卫星，其中成功101颗，失败34颗。　　欧洲萨瑞卫星技术公司小卫星性能持续提升，发布视频成像卫星平台　　萨瑞卫星技术公司（SSTL）“灾害监测星座”（DMC）性能不断提升，规模不断扩大，开辟了多国合作共赢的低轨小卫星发展模式。自2011年质量300kg、分辨率2.5m的光学成像小卫星投入使用后，萨瑞卫星技术公司已研制出新一代350kg、1m分辨率光学成像小卫星灾害监测星座－3和首颗400kg、分辨率6m的S频段雷达成像验证小卫星。其中，灾害监测星座－3已于北京时间2015年7月11日成功发射入轨。S频段雷达成像验证小卫星原计划2015年第一季度发射，但发射日期已确定推迟，萨瑞卫星技术公司未给出发射推迟原因及新的发射日期。　　欧洲VIC型小卫星　　欧洲萨瑞卫星技术公司发布了新一代视频成像卫星平台， 2014年4月，萨瑞卫星技术美国公司（SST-US）又发布了具有彩色视频成像能力的V1C型小卫星。V1C型小卫星设计紧凑，单星价格低于2000万美元，能够获得高清晰画质的真彩色（红、绿、蓝）视频，星下点指向时地面分辨率优于1m，地面幅宽为10km，帧频高达100帧/s。V1C型小卫星具有任务可再配置能力，可以应用在一系列情报收集领域，如监视、探测和确认，面向需要快速获取和分析卫星数据的组织提供快速变化的地面人群或基础设施的态势感知和实时情报（ABI）信息。根据卫星发射数量不同，V1C型小卫星可构成多种不同的星座构型，如以30～60min的时间间隔部署在同一轨道，以便在每天特定时段提供近实时的视频覆盖。　　日本发射新型通用平台首发星，最高分辨率优于0.5m　　日本积极推动对地观测小卫星技术发展，政府和商业公司联合研制并发射了具备新系统结构的先进观测卫星－1（ASNARO－1，简称先进观测卫星－1），高校则专注发展100kg以下微纳型对地观测卫星。　　2014年11月6日，日本利用俄罗斯“第聂伯”（Dnepr）火箭成功发射了采用新型高分辨率通用卫星平台的首发星——先进观测卫星－1。该卫星质量约450kg，全色分辨率优于0.5m、多光谱分辨率优于2m，幅宽10km，星下点侧摆能力±45°。“先进观测卫星”平台基于通用化架构和标准接口设计，采用SpaceWire协议，具有柔性化、开放式特点，能够搭载多种对地观测载荷，如包括高分辨率光学成像载荷、高分辨率合成孔径雷达、高光谱遥感器和红外遥感器等，满足多种对地观测任务需求。“先进观测卫星”平台具有高分辨率、高敏捷、低成本、短周期和小型化的特点，能够快速响应用户需求，是日本未来发展低成本、低轨道对地观测系统的重要力量。　　　　韩国重视对地观测卫星长期规划，成功发射分辨率0.5m对地观测卫星　　韩国一直非常重视对地观测小卫星的发展。2013年底，韩国政府发布面向2040年的《航天发展中长期规划》，根据该规划，韩国在对地观测卫星领域，未来在持续研制并发射低轨道高分辨率光学和雷达成像的“韩国多用途卫星”（KOMPSAT）系列以及静止轨道气象卫星及海洋与环境卫星，与此同时，将研制500千克级、载荷多样的“下一代中型卫星”，满足多样化的对地观测需求，提高时间分辨率。　　2015年3月26日，韩国利用俄罗斯“第聂伯”运载火箭成功发射了韩国多用途卫星－3A光学成像卫星。该卫星是“韩国多用途卫星”系列第5颗卫星，是韩国多用途卫星－3的增强版，增加了红外成像能力，降低了卫星运行轨道，全色分辨率从0.7m提升至0.55m，使韩国成为世界上第6个拥有0.5米级光学分辨率卫星系统的国家。　　韩国多用途卫星－3A的卫星平台由韩国航空航天研究院（KARI）研制，卫星成像载荷由空客防务与航天公司德国分公司研制，项目总成本2.12亿美元。韩国多用途卫星－3A发射质量约1100kg，直径2m，高3.8m，整星功率1.4kW，设计寿命4年，卫星运行于528km高的太阳同步轨道像。　　3 对地观测小卫星创新应用　　随着空间技术发展和小卫星能力提升，国外提出了大量“小卫星、大星座”概念，计划利用低轨小卫星星座提供近实时更新的大数据服务。尤其是在移动互联网时代，信息技术与卫星应用结合，瞄准利益市场，催生颠覆式创新的商业模式和卫星应用模式。小卫星在军事应用方面也表现出“改变游戏规则”的巨大力量，成为美国、俄罗斯等大国发展军事航天能力的重要手段。　　创新商业应用　　对观测小卫星创新商业应用的典型代表是美国天空盒子成像公司和行星实验室公司，两家公司均由IT技术起步，并采用了颠覆式创新的商业模式，卫星系统设计也以满足其创新商业应用为前提。如天空盒子成像公司构建云服务平台，鼓励用户或第三方开发专业应用APP，提供定制化服务；行星实验室公司采用“永远在线”（Always On）工作模式，无需地面下达指令即可对陆地连续开机成像，确保全球近实时数据更新。　　与传统对地观测系统相比，“天空卫星”星座和“鸽群”星座等以小卫星为主体的新兴商业对地观测系统呈现出一些新的技术特点与运营模式：①卫星公司均是非传统航天企业，均以互联网企业自居，引入大数据、云计算等互联网理念，并提供在线数据浏览、直销和分发等业务；②提供云服务平台，鼓励用户或第三方开发专业化应用APP，尝试天基对地观测应用的近实时响应和定制化服务模式；③除提供天基对地观测图像数据外，还可提供变化监测信息，驱动对地观测应用从图像向信息发展；④系统重访周期高，对地观测数据更新快，能实现全球近实时观测，兼顾全球“热点”地区和“非热点”地区。　　创新军事应用　　当前全球范围内，以信息化为主要特征的新型作战模式强调力量资源集成，驱动军事航天发展开始转型，使得小卫星获得广泛军事应用，推动航天装备从支撑作战向融入作战转变，缩短了从敏感器到指挥官的链条，提升了信息化条件下的网络中心战效能。　　在国防部“作战响应空间”（ORS）计划主导推进下，美军通过战术卫星－2、3、4（TacSat－2、3、4）和作战响应空间－1等4颗卫星持续进行在轨验证与能力完善，已经发展了直接服务于作战用户的天基信息获取和传输能力，建立了成熟的小卫星融入作战概念。ORS卫星融入作战的突出特点是缩短指控链条，直接服务战区。2013年4月，美国中央司令部让前线指挥部队通过“虚拟任务操作中心”直接调度作战响应空间－1，获取了坠毁在偏远地区的直升机图像，实现基层指挥官——天基敏感器的端到端快速联接与直接应用，提升了作战能力。受“作战响应空间”计划激励，美国陆军提出的“隼眼”（Kestrel Eye）计划也以满足战区基本作战需求为发展宗旨。“隼眼”星座用于向基层作战人员快速、按需提供近实时的战场图像数据，支持“即指即拍”（Point and Shoot）作战模式，在10min内完成从前方作战用户发出任务请求到分发图像的全部操作。

美国“隼眼”星座军事作战流程　　4 结论　　总体来看，小卫发展高度活跃，已成为世界航天活动的重要构成部分，并呈现出以下特点：①大卫星小型化、小卫星微型化趋势明显；②微纳卫星发展高度活跃，立方体卫星发展前景广阔；③小卫星业务能力不断提升，成为宇航公司业务发展的新增长点；④商用对地观测小卫星发展势头劲猛，催生全新的卫星应用模式和商业运营模式。此外，随着能力不断提升，对地观测小卫星应用正不断孕育新模式。现代信息技术的广泛“移植”和应用，激活了小卫星应用市场。空间技术与大数据、云计算等技术深度融合趋势明显，加速了定制化卫星应用时代的到来。　　上文选自《国际太空》，如需详情请查阅该期刊。

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