独家：俄罗斯对地观测卫星最新发展

航天 · 2016-11-22 23:56:29

资源－P（Resurs－P）卫星图　　（中国太空网讯）2016年3月13日和24日，俄罗斯分别成功发射了资源－P3（Resurs－P3）和猎豹－M2（Bar－M2）两颗高分辨率光学对地观测卫星，这是俄罗斯实施《2013－2020年俄罗斯航天活动国家规划》、《2030年前及未来俄罗斯航天活动发展战略（草案）》等战略以来，天基对地观测能力的进一步增强，表明俄罗斯对地观测能力正处于能力恢复和提升期，显露出俄罗斯恢复航天大国实力的决心。目前，俄罗斯在轨对地观测卫星数量已增至16颗，其中高分辨率卫星数量增至9颗。然而，资源－P3卫星入轨即发生单侧太阳电池翼未充分展开等问题。同时，俄罗斯近几年发射事故和在轨故障时有发生，说明其对地观测卫星发展并不顺利。　　一、近年对地观测卫星发展战略　　2012年3月6日，俄罗斯联邦航天局（Roskosmos，现已更名为俄罗斯航天国家集团）一致通过了《2030年前及未来俄罗斯航天活动发展战略（草案）》。4月28日，俄罗斯联邦政府审议并原则通过了该草案，并正式颁布了俄罗斯未来国家航天新战略。新战略对2030年前及未来俄罗斯航天发展的宏伟蓝图进行了规划，阐释了俄罗斯制定航天活动的原则、目标、预期成果、实施阶段和途径，为未来20年的俄罗斯航天发展指明了方向。2012年12月出台的《2013－2020年俄罗斯航天活动国家规划》是俄罗斯最重要的航天发展战略之一，出台该规划的目的是为了满足俄罗斯对航天活动成果的需求，树立良好的国际形象，保持俄罗斯航天技术领先地位，巩固俄罗斯联邦在全球航天领域的竞争力。2012年发布的这2项未来航天发展战略均涉及对地观测内容，其后发布的战略也多涉及到俄罗斯对地观测体系建设和能力完善的内容。　　1. 恢复、巩固、突破三步走，发展对地观测卫星　　《2030年前及未来俄罗斯航天活动发展战略（草案）》对俄罗斯在航天领域未来远期的发展目标、发展方向等进行了规划：2015年恢复能力；2020年巩固能力；2030年实现突破；2030年后要保持突破并继续发展。2030发展战略中多处涉及到俄罗斯对地观测能力的建设规划：在“未来远期航天活动的原则”章节中明确提出，“俄罗斯将鼓励创新型定向企业持续发展对地遥感设备的商业制造能力”；在“2030年及未来俄罗斯航天发展战略的优先方向”章节中提出，“为满足社会经济、科学、国防与国家安全的需求，要发展对地观测技术和服务”；在“突破性的工艺技术”章节中明确指出，要在“光学和雷达对地观测领域”获得技术突破。　　《2013－2020年俄罗斯航天活动国家规划》中明确提出，“在地球遥感和气象观测方面”，俄罗斯计划将实现“在轨航天器增至24个，通过部署全新的空间系统来进行测绘、自然环境监测以及紧急情况实时监测，以确保合理的农业、水利管理和其他活动，并对北极地区进行监测”。　　2. 重视民商用对地观测卫星及产业的发展　　俄罗斯在《2030年及未来俄罗斯航天发展战略（草案）》中明确提出，将鼓励创新型定向企业持续发展对地遥感设备的商业制造能力；还特别在2014年修改了航天活动规划，制定了推进国内航天产业抢占国际市场份额的明确目标。在民用航天项目增加投资，以及将航天机构俄罗斯联邦航天局转变成一家商业化的公司。当前的工作重点调整为“安加拉”（Angara）运载火箭系列、通信卫星和对地观测卫星的发展。　　二、俄罗斯对地观测卫星体系及系统能力　　俄罗斯目前形成了包含地球静止轨道（GEO）卫星及低地球轨道（LEO）卫星，兼顾军、民、商应用，涵盖光学与雷达成像等多种探测手段的对地观测卫星体系。　　在军用卫星方面，形成了涵盖光学与雷达成像的天基侦察体系，其返回式卫星全色分辨率达到0.2m，传输型光学成像侦察卫星全色分辨率约达到0.3m，雷达卫星分辨率达到1m。其截至2016年3月底的在轨对地观测卫星情况见表1。　　在民用卫星方面，俄罗斯形成了GEO和LEO卫星组成的对地观测体系。气象卫星方面，具备光学、微波探测能力，但在轨卫星数量较少，使俄罗斯在气象观测方面还非常依赖他国的气象卫星数据。在资源与环境卫星方面，目前主要以光学为主，形成资源－P系列与“老人星”（Kanopus）系列组成的详查与普查相结合的对地观测体系，全色分辨率最高达1m、多光谱分辨率3m、高光谱成像分辨率30m。　　表1 俄罗斯对地观测卫星体系组成与在轨卫星数量统计（截至2016年3月底）　　对地观测卫星　　卫星　　数量/颗　　轨道　　总计/颗　　军用　　光学成像侦察　　“资源”　　猎豹－M（Bars－M）　　2　　2　　LEO　　LEO　　5　　雷达成像侦察　　“秃鹰”（Kondor）　　1　　LEO　　民用　　气象　　电子－L（ELetron－L）　　流星－M（Meteor－M）　　2　　1　　GEO　　LEO　　8　　资源与环境　　资源－DK　　资源－P　　老人星－V　　1　　3　　1　　LEO　　LEO　　LEO　　商用　　资源与环境　　“平板卫星”（TabletSat）　　英仙座－M（Perseus－M）　　1　　2　　LEO　　LEO　　3　　合计　　16　　在商用卫星方面，俄罗斯处于发展起步阶段，目前主要以发展小微卫星为途径，并处于在轨验证或预研阶段。俄罗斯尚无如美国数字地球公司（Digital Globe）、欧洲空客防务与航天公司（Airbus）、印度安特克斯公司（Antrix）等大型商业对地观测卫星运营商，刚成立的人造卫星公司（SPUTNIX）、达斡利亚宇航公司（Dauria Aerospace）等运营商也无法与美国天空盒子成像公司（Skybox Imaging）、行星实验室公司（Planet Lab）等微小卫星商业运营商匹敌。为了弥补商业卫星的不足，俄罗斯民用资源－DK、P、老人星－V卫星图像也参与商业销售。　　1. 军用卫星处于能力恢复期　　俄罗斯近2年来高度重视成像侦察卫星体系的构建，体系中增加了军用光学测绘卫星和高分辨率合成孔径雷达（SAR）成像侦察卫星；发射了多颗高水平卫星，在一定程度上恢复了在轨侦察监视能力。目前，在轨卫星数量达到5颗，与美国在数量上的差距逐步缩小。其中，光学成像侦察卫星2颗，光学测绘卫星2颗，雷达成像侦察卫星1颗。　　（1）光学成像侦察卫星　　在光学成像侦察卫星方面，形成以“角色”（Persona）传输型高分辨率卫星为主、琥珀－4K2M（Yantar－4K2M）返回型卫星为辅的光学成像侦察卫星体系。“角色”是继“蔷薇辉石”（Orlets）系列和“阿尔康”（Arkon）系列传输型光学成像侦察卫星之后，俄罗斯研制的新一代传输型成像侦察卫星。“角色”卫星是俄罗斯现役成像侦察卫星的主力型号。　　俄罗斯分别于2008年7月27日、2013年6月7日和2015年6月23日发射了“角色”卫星。该卫星的主承包商为俄罗斯进步国家航天火箭科研生产中心（TsSKB-Progress，前俄罗斯进步中央设计局），有效载荷由列宁格勒光学机械联合体（LOMO）、俄罗斯瓦维洛夫国家光学研究所（Vavilov State Optical Institute）和光学科研生产联合体（NPO Opteks）研制，俄罗斯航天部队负责卫星的发射和运行管理。　　“角色”卫星光学系统采用三镜消像散的科尔斯（Korsch）型望远镜，光学口径1.5m，焦距20m，f /13.3。相机焦平面单元由光学科研生产联合体研制，采用俄罗斯电子光导科研生产联合公司（ELAR）研制的ELCT1080v1U型CCD器件，像元尺寸9μm。“角色”卫星星下点全色分辨率0.3m，是俄罗斯目前分辨率最高的传输型成像卫星。　　近年，俄罗斯在一定程度上还依靠返回式卫星进行成像侦察任务，琥珀－4K2M是近10年发展的返回式光学成像侦察卫星的最新型号，首发于2004年9月25日，后约以每年1颗的频率进行发射，目前已发射了10颗，末次发射是2015年6月5日。该系列卫星分辨率高达0.2m，在轨寿命约100天。　　（2）光学测绘卫星　　在军用光学测绘卫星方面，俄罗斯弥补了长期以来无军用传输型光学测绘卫星的空白。2015年2月27日，俄罗斯成功发射了猎豹－M1卫星，2016年3月又成功发射了猎豹－M2卫星。猎豹－M卫星放弃了“琥珀”卫星平台，采用了模块化结构，相机分辨率1.1～1.35m，幅宽60km，有7个工作谱段。卫星还携带了激光测高系统，能够针对很多地区难以获取地面控制点的情况，进一步提高了测量精度。这些卫星将使俄罗斯具备全球高时效性军用地图测绘能力，为其军事斗争提供关键支撑。　　（3）雷达成像侦察卫星　　在雷达成像侦察卫星方面，俄罗斯填补了20余年无雷达成像卫星可用的严重短板，分别于2013年6月27日和2014年12月19日发射了新型SAR卫星——秃鹰－1（编号COSMOS－2487）以及秃鹰－E1（编号COSMOS－2503）雷达成像侦察卫星。该系列卫星质量约1150kg，采用S频段抛物面天线，具有聚束、条带、扫描3种成像模式，可实现对卫星两侧成像，入射角为20°～55°，视场范围为每侧500km。聚束模式分辨率1m，幅宽10～20km；条带模式分辨率1～3m，幅宽10～20km；扫描SAR模式分辨率5～30m，幅宽20～150km，并具备一定的立体观测和干涉测量能力。　　“秃鹰”与上代钻石－1（Almaz－1）卫星相比，在技术指标上有极大提升，钻石－1也携带S频段合成孔径雷达，分辨率仅为10～15m，幅宽30～45km。　　2. 民用卫星初步形成规模　　近年来，俄罗斯重视民用卫星的发展，将民用遥感卫星作为近20年俄罗斯航天发展战略中的重要领域。　　气象卫星方面，俄罗斯发展有“流星”系列极轨卫星和电子－L地球静止轨道卫星。现役流星－M卫星是第五代极轨卫星，总体性能与美国“诺阿”（NOAA）系列卫星相当，搭载有分辨率为50m/100m的3通道多光谱相机、分辨率为500m/1km的X频段侧视雷达，以及分辨率为35km的超光谱红外光谱仪。俄罗斯目前没有专用的海洋卫星在轨运行，主要采取气象卫星搭载海洋环境探测载荷的发展方式。流星－M卫星装载有MTVZA-GY微波辐射计，用来探测陆地和海洋表面、大气的含水量、全球大气温度和湿度的垂直分布。该微波辐射计的观测频率为10.6～183GHz，有29个探测通道，扫描方式为圆锥扫描。电子－L卫星是第二代地球静止轨道卫星，性能与欧洲“第二代气象卫星”（MSG）相当：3个可见光通道的分辨率为1km、7个红外通道的分辨率为1～4km。　　在资源与环境卫星方面，目前有4颗“资源”系列高分辨率光学成像卫星在轨。最新发射的一颗为资源－P3，该卫星设计与资源－P1、P2相同。　　资源－P3卫星运行于高约470km、倾角97.276°的太阳同步轨道（SSO），重访周期为3天，设计寿命5年，发射质量约5920kg，由俄罗斯进步国家航天火箭科研生产中心基于资源－DK平台建造。资源－P3具有在45s内侧摆45°的能力，无地面控制点图像定位精度为10～15m。　　资源－P3卫星有效载荷包括Geoton－2相机、宽覆盖多光谱载荷（WCME）和高光谱载荷（HSE）。Geoton－2相机为全色/多光谱高分辨率相机，采用折射成像，全色分辨率1m、多光谱分辨率4m，幅宽38km。WCME载荷包括高分辨率（HR）-宽覆盖多光谱和中分辨率（AR）-宽覆盖多光谱2台相机。其中，HR-宽覆盖多光谱相机全色分辨率11.9m，5通道多光谱分辨率23.8m，幅宽97.2km；AR-宽覆盖多光谱相机全色分辨率59.4m，5通道多光谱分辨率118.8m，幅宽441.6km。2台相机同步工作，共同完成多光谱成像任务。HSE载荷共有216个通道，光谱分辨率5～10nm，空间分辨率25～30m，幅宽30km。此外，资源－P卫星具有1︰10000比例尺测绘能力。　　老人星－V－1卫星是民用地球资源卫星，首发星于2012年7月22日发射，为俄罗斯航天局（RSA，现更名为俄罗斯航天国家集团）和俄罗斯联邦水文气象和环境监测局（Roshydromet/Planeta）和俄罗斯紧急事务管理局（EMERCOM）提供灾害监测能力，同时还为俄罗斯联邦自然资源和生态部、俄罗斯科学院等其他用户提供服务。老人星－V－1卫星运行在高约500km、倾角97.5°的太阳同步圆轨道。该卫星发射质量473kg，有效载荷质量108kg，设计寿命5～7年。卫星在俯仰和滚动方向具有±40°的侧摆能力。老人星－V－1卫星有效载荷为全色成像系统（PSS）、多光谱成像系统（MSS）和多光谱扫描仪（MSU－200）。PSS全色分辨率2.1m，幅宽23.5km。MSS提供4个谱段的多光谱图像，空间分辨率10.5m，幅宽20.2km。MSU－200主要提供陆地和海面以及冰层覆盖的图像，空间分辨率为25m，幅宽250km。　　3. 商用卫星处于发展初期　　俄罗斯的商用卫星处于发展初期，相关卫星处于在轨技术演示验证或预研阶段。　　2011年，俄罗斯成立了航天技术初创公司——人造卫星公司，该公司主要从事小微卫星及其应用系统的研制，其首颗商业卫星于2014年6月19日成功发射。该卫星名为“平板卫星”，质量为26.2kg，设计寿命1年，造价约为100万美元，卫星用于地球遥感监测，分辨率约为15m。发展该卫星的目的主要是对小微卫星系统技术进行演示验证，SPUTNIX公司计划在2020年前建成1m分辨率业务型小型卫星星座。　　2014年5月12日，俄罗斯达斡利亚宇航公司与西班牙依莱克诺德莫斯公司（Elecnor Deimos）宣布将联合建立名为“德莫斯-英仙座”（Deimos Perseus）的由9颗卫星组成的对地观测卫星星座，为农业、森林和商业运营监测等应用提供多光谱对地观测图像。　　“德莫斯-英仙座”包括8颗英仙座－O卫星和1颗德莫斯－1（Deimos－1）卫星，该星座将以大约每天1次的重访频率对地球进行多光谱成像，达斡利亚宇航公司已于2013年10月获得了I2BF全球投资公司2000万美元的投资，用于构建其“德莫斯-英仙座”。德莫斯－1卫星已于2009年成功发射，该卫星由依莱克诺德莫斯公司与萨瑞卫星技术公司（SSTL）基于后者的微小卫星－1（MicroSat－1）模块化小卫星平台联合研制，分辨率22m，具有绿色、红色和近红外3个谱段。而8颗英仙座－O卫星将搭载与德莫斯－1卫星相似的相机，2个系列的卫星具有相同的分辨率和光谱范围。　　为了使用户便于使用“德莫斯-英仙座”星座产品，达斡利亚宇航公司的子公司——云对地观测公司（CloudEO）将提供云服务，方便用户获取对地观测数据。应用开发者、地理空间数据用户和服务提供者可以利用云服务存储和获取卫星图像。　　目前，达斡利亚宇航公司和依莱克诺德莫斯公司已于2014年6月19日发射了2颗携带船只“自动识别系统”（AIS）的英仙座－M海事监视卫星。英仙座－M和O均由康能普视系统公司（Canopus Systems）研制，该公司位于美国山景城，是达斡利亚宇航公司的子公司。此外，达斡利亚宇航公司于2014年7月8日发射了名为DX－1的通信技术试验微卫星。可见俄罗斯达斡利亚宇航公司在小微卫星领域已经取得了一定的技术成果，未来成功发射英仙座－O星座的可能性很高，将带动俄罗斯商业对地观测能力的发展。　　三、俄罗斯对地观测卫星发展面临的问题　　近年，俄罗斯对地观测卫星发射事故时有发生、卫星在轨故障频发。同时，在对地观测卫星体系完整性上，与美、欧还存在较大差距。　　1. 发射事故时有发生，卫星在轨故障频发　　近年，俄罗斯对地观测卫星多次遭遇发射失败或在轨工作异常。综合来看，俄罗斯军用成像侦察卫星和民用对地观测卫星在轨故障大多由于产品质量低和电子器件可靠性差所致。　　2011年2月1日，“隆声”/“微风”（ROCKOT/Briz）上面级火箭将军用测地卫星——测地-IK－2（GEO-IK－2）送入错误轨道，随后太阳敏感器又发生故障，进而失去控制，所有挽回措施也全部失败，2011年6月，俄罗斯宣布卫星丢失。　　2015年12月5日，俄罗斯海洋与气象卫星老人星－ST1由于火箭分离系统故障，卫星没有被送至预定轨道，最终再入地球大气层。该卫星发射失败使俄罗斯在海洋观测上遭遇了较为严重的损失。　　资源－P3也险些发射失败，第一次发射是在2016年3月12日，就在火箭发动机点火前的一刹那，系统发出了“发动机自动关闭”错误。2h后，俄方公布，发射中断的原因是飞行控制系统发现了一个缺失信号，问题出在火箭点火器上。由于错过了仅有的10s发射窗口，发射时间推迟了24h。3月13日，卫星成功发射，3月17日，俄罗斯航天国家集团（原俄罗斯联邦航天局）宣布资源－P3成功抵达运行轨道，目前已传回了测试图像。　　同时，俄罗斯对地观测卫星在轨故障也频繁发生。在军用对地观测卫星方面，光学成像侦察卫星和雷达成像侦察卫星近年的发展均暴露出俄罗斯新型军用卫星可靠性较低的问题。　　角色－1光学成像侦察卫星于2008年7月发射，但卫星入轨后不久就由于空间辐射导致了电路故障，造成整星失效。经过近5年的改进，角色－2卫星于2013年6月发射，但不久就出现星上存储器故障问题，有50%存储器失效。2014年，俄罗斯上传了新的软件，将卫星重新激活。据报道，就在马航MH17失联事件前，角色－2卫星及时地恢复了工作状态。　　秃鹰－E1卫星于2014年12月发射，据称为南非政府采购，但实际由俄罗斯运管。然而，据西方媒体报道，秃鹰－E1卫星于2015年4月中旬发生异常，原因暂不得而知。有一种解释是，秃鹰－E1卫星的异常与俄罗斯为埃及研制的埃及卫星－2（EgyptSat－2）失效相关，后者于2014年4月12日发生星上计算机故障，导致卫星失效。2015年9月，秃鹰－1卫星雷达出现故障，使整星失效。若西方媒体报道属实，俄罗斯目前仅有1颗秃鹰－E1卫星可用，但侦察功能或不能完全发挥。　　综合来看，俄罗斯军用成像侦察卫星在轨故障大多由于电子器件可靠性差所致。　　在民用卫星方面，2颗极轨流星－M气象卫星分别暴露出低温制冷器故障和雷达系统故障，导致红外成像仪和雷达载荷两类十分重要的气象卫星有效载荷功能无法发挥。2016年3月发射的资源－P3卫星一个太阳电池翼未能正常开启，半张开的太阳电池翼阻挡了星跟踪器的视线，幸运的是，该卫星还携带了另一套用于确定卫星姿态的系统。尽管俄罗斯航天国家集团宣布太阳电池翼问题对成像性能影响不大，但单侧太阳电池翼问题必然影响卫星功率，最终影响卫星在轨寿命。　　2. 对地观测体系尚不完整　　在体系完整性上，军用卫星方面，俄罗斯已发展光学和雷达成像侦察卫星，体系较为完整；但在民用方面，美、欧已发展众多类型的遥感卫星，发展了激光/雷达海洋测高、海洋盐度探测、降雨测量、土壤湿度测量、碳监测和重磁力等一系列专用卫星或载荷，具备了非常精细化的探测能力，可见俄罗斯在民用对地观测卫星体系方面还存在较大差距。　　四、发展趋势　　在目前已发射的卫星基础上，俄罗斯规划了各型号后续卫星系统，在军、民两个领域多为改进型卫星，在商业领域，俄罗斯计划已小微卫星为突破口，利用立方体卫星平台，发展一系列中高分辨率的卫星星座，具体计划见表2。　　表2 俄罗斯对地观测卫星后续发展计划　　对地观测卫星　　系列　　后续计划　　军用　　光学成像侦察　　“角色”　　正在规划　　“猎豹”　　已规划后续4颗卫星　　雷达成像侦察　　“秃鹰”　　不详　　民用　　气象　　“电子”　　已规划后续3颗卫星　　“流星”　　已规划4颗流星－M2、1颗流星－M3　　续表2　　对地观测卫星　　系列　　后续计划　　民用　　资源与环境　　资源－DK　　无　　资源－P　　已规划3颗资源－P，1颗资源－PM　　“老人星”　　已规划后续同型5颗星，和1颗老人星－V－IK　　2颗秃鹰－FKA　　2颗Obzor－R　　商用　　资源与环境　　“平板卫星”　　计划发射星座　　英仙座－O星座　　俄罗斯极少公布军用侦察监视卫星的发展计划，而较多发布关于民用对地观测卫星的发展计划。根据2015年最新的发布信息，俄罗斯将继续发展“老人星”系列；完善资源－P系列，预期在2020年发射资源－PM卫星，分辨率达到0.5m；完善由流星－M系列极轨气象卫星和电子－L系列静止轨道气象卫星组成的气象水文监测卫星系统等。　　此外，俄罗斯还将发展一系列新型民用卫星，包括发展S频段秃鹰－FKA系列和X频段Obzor－R系列SAR卫星，最高分辨率达到1m，以弥补民用雷达对地观测的不足；开发由低轨道和大椭圆轨道卫星组成的“北极”（Arctica）系列极区监测卫星系统。预计在2020年构成地球静止轨道、大椭圆轨道、低地球轨道卫星构成的较为完整的民用对地观测卫星体系，卫星总数量达到25颗。　　除增强卫星性能，完善体系外，俄罗斯还在国际合作方面，重视对地观测卫星及配套系统的出口，积极扩张原独联体国家、中东和非洲对地观测卫星制造市场。目前，已为白俄罗斯、埃及、南非研制了对地观测卫星－4，未来已计划和白俄罗斯合作研制贝尔卡－2（BelKa－2）卫星。　　在2015年莫斯科国际航空航天展（MAKS－2015）上，俄罗斯的两家公司和伊朗的伯颜-丹尼什-沙赫公司（Bonyan Danesh Shargh）签署了合作建造伊朗对地观测卫星系统的协议。根据协议，俄罗斯的NPK BARL公司将负责建立地面接收站，另一家企业俄罗斯机电科学研究所（VNIIEM）负责卫星的研发和发射工作，伯颜-丹尼什-沙赫公司负责整个对地观测卫星系统的运营。根据协议，伊朗对地观测卫星系统由老人星－V1的升级版卫星组成，卫星发射时间暂定于2018年。　　五、结语　　整体上，俄罗斯对地观测卫星处于能力恢复和能力提升的阶段，在发展过程中，还接连遭遇发射失败和在轨卫星故障频发等问题，但总体来看，随着相关航天发展战略的深化实施，俄罗斯的对地观测能力将按照战略规划稳步发展，在2030年左右有望实现恢复其航天大国的实力。　　具体来说，在对地观测卫星方面，军、民、商领域将同步发展。在军用对地观测卫星体系较为完整的基础上，未来的工作重点是增强在轨数量，提升卫星性能；民用卫星体系将更加完整，覆盖不同轨道、不同探测体制；商业卫星将以小微卫星星座为途径，实现俄罗斯在商业对地观测领域的突破。此外，将更加重视国际合作，力图以航天实力和航天外交巩固俄罗斯的大国地位。

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