地球观测卫星发展现状分析
信 晟，杨 超，张 悦，刘 祺
（自然资源部国土卫星遥感应用中心，北京 100048）
传统意义上对地观测技术通过卫星遥感平台对地表自然环境、经济作物、交通状况等进行动态监测分析，提供宏观、准确、综合、连续的信息数据，为人们在地球上的生活和行动提供重要的经济分析和指导。但无论是欧美国家还是在中国，政府直接出资进行卫星规划和建设的都越来越少，更多的是通过政策调整，或政府和社会资本合作，政府通过购买社会服务的模式获取数据和服务。
具有经济实力和技术实力的国家，一方面从空间系统的顶层设计入手保持空间对地观测系统规模；
一方面通过改进有效载荷、传感器、火箭回收等技术，降低卫星发射成本，推动遥感观测卫星向小型化、规模化、应用化和服务化的方向发展。
2.1 国外对地观测技术发展
美国是在轨遥感卫星数量最多的国家，也是航天遥感能力最强的国家，在光学、激光测高、重力等卫星研制及应用方面处于领先地位，高中低分辨率并存、商业遥感卫星与民用遥感卫星互补。Landsat系统主要用于陆地资源、水资源等的调查和管理及测绘制图[1]，中国科学院遥感与数字地球研究所接收、处理、存档和分发Landsat-5、Landsat-7、Landsat-8和Landsat-9 4颗 卫 星的数据。美国数字地球公司第二代高分辨率商业遥感卫星中WorldView-3的分辨率达到0.31 m，WorldView系列面向不同行业提供高质量卫星影像，包括Google、Microsoft等互联网巨头，同时也向美国情报部门提供服务。
SkySat拥有最多的亚米级高分辨率卫星群，可以1日内完成2次对地球上任何位置的观测[2]。美国宇航局正在放弃在低轨的深空网并转交给商业公司处理，SpaceX名列其中，其Starlink卫星可以无限升级，随时下架，灵活调整整个卫星的覆盖范围，其2.0版的性能、重量、尺寸均有大幅提高，每颗星的带宽达到140～160 Gbit/s，未来在星舰上可以搭载110～120颗此卫星[3]。美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）的“黑杰克”项目研发较低尺寸、重量、功耗及成本的低轨军事通信与监视卫星，但能力与在地球同步轨道上运行的军事通信系统相似，而成本远低于后者[4]。美国普里达公司通过在SAR卫星上安装激光通信终端，将数据传递至“黑杰克”卫星星座，展示低轨卫星架构的军事用途，长期目标是在低地球轨道创建政府-商业混合架构，向政府的卫星星座提供商业卫星收集的数据。美国雷达小卫星企业（Capella Space）计划打造36颗卫星组网的SAR卫星星座，提供0.5 m高分辨率图像，为其在国防与情报领域、航运和供应链的市场提供服务[5]。
日本雷达小卫星企业（Synspective）是日本排名前十的初创企业之一，已经使用美国火箭实验室电子火箭发射了StriX-α和StriX-β两颗SAR卫星，可提供1 m分辨率的图像。该公司计划在今年晚些时候发射第一颗商用原型卫星 StriX-1，到2023年将卫星数量增加到6颗。
芬兰雷达卫星运营商（ICEYE）截止2022年初，共有16颗在轨卫星，建立了全球最大的小型SAR卫星星座，能够提供分辨率在0.5 m的图像，并计划在年底前再发射9颗。ICEYE不只提供上游卫星影像和数据，在扩展下游应用业务，提供行业解决方案，包括洪水监测解决方案，在洪水事件后24 h内为保险和再保险行业提供近乎实时的洪水范围和深度数据，以及建筑物级别的分辨率数据。2021年7月，郑州市发生特大暴雨灾害，河南省卫星中心紧急协调一批SAR卫星数据帮助抗洪救灾，ICEYE数据就是之一[6]。
2.2 国内对地观测技术发展现状
国内在轨卫星数量全球第二，与美国相比发展对地观测的时间要晚，卫星性能也存在一定差距。国内正在形成由产品、供给、服务、政策、人才、创新网状关联的空间信息产业链全链条发展格局。目前，国内对地观测卫星体系包含多个国家日常观测和应急观测骨干网，同时借助商业卫星服务系统，对骨干网进行填充与补强。共同为自然资源部、生态环境部、应急管理部等10余个国家部委、国内及全球用户提供可持续运行、安全稳定可靠的卫星遥感大数据和空间信息综合应用服务。
2.2.1 国内骨干卫星网发展现状
“高分专项”是国内最为重要的遥感技术发展项目，包含可见光、多光谱、红外线、SAR等多种卫星系统，高分一号正式开启了国产高分辨率卫星为国土资源管理提供遥感数据支撑的新时代；
高分二号民用光学遥感卫星标志着国内遥感卫星进入了亚米级“高分时代”；
国内第一枚 C波段多极化 SAR卫星（GF-3）标志着国内雷达成像卫星技术的飞跃；
高分七号填补了国内亚米级卫星立体测绘空白，实现1：1万比例尺的重大技术跨越。
“风云”系列卫星观测的气象资料广泛服务于天气预报、气候预测、灾害监测、环境监测、军事、航天气象保障等重要领域，在国内灾害应急管理工作中发挥着重要作用[7-9]。
“海洋”系列卫星是国内自主研制的国内海洋环境卫星监测系统，该系列卫星已研制出3种型号，分别是海洋（HY-1）卫星为海洋水色卫星，海洋二号（HY-2）卫星为海洋动力环境卫星，海洋三号（HY-3）卫星为海洋监视卫星。国内海洋卫星起步晚，数量少，对海洋领域的高频率监测能力尚有不足[10]。
“资源”系列卫星是专门用于探测和研究地球资源的一系列卫星。在国内“资源-1”原方案的基础上，与巴西共同研制“资源-1 01、02、02B、03、04、04A”卫星型号，国内自主研制了“资源-1 02C、02D、02E”卫星型号，以及资源-2和资源-3系列卫星。资源-3系列是国内高分辨率三维测绘卫星，服务于基础测绘、国土、农业、环境、减灾、规划等各行业影像数据需求[11]。
2.2.2 国内商业卫星网发展现状
2020年，卫星互联网首次被纳入“新基建”范畴，“十四五”规划和2035年远景目标纲要也提出，要“建设高速泛在、天地一体、集成互联、安全高效的信息基础设施”。可以说国内商业卫星遥感产业进入高速发展阶段的拐点阶段[12]。
“北京3号”A星是中国航天与世纪空间首次合作的高性能新型光学商业服务遥感卫星，采用太阳同步轨道，可获取全色0.5 m、多光谱2 m分辨率的卫星影像。卫星采用了大量创新技术，利用人工智能可以自行规划飞行路线，1天来回近100次，以监测全球多达500个值得关注的地区。反应速度比全球最先进观测卫星之一的“WorldView-4”快2～3倍，扫描带宽77%，重量轻一半。在42 s内拍摄超过10万张照片，即可以拍摄一切高速运动的物体，包括飞行中的卫星和弹道导弹[13]。
“吉林1号”是另一个重要的光学遥感卫星星座，采用太阳同步轨道，计划2025年左右实现138颗卫星组网，具备全球任意地点10 min内重访能力。其宽幅01C卫星的幅宽大于150 km，可提供分辨率全色0.5 m、多光谱2 m的影像产品。高分04卫星可以星上任务自主规划、实时数传和星上AI功能，分辨率优于0.5 m。视频卫星使用光学侦察镜头跟踪监测飞行中的战斗机。长光卫星的第三代高分03卫星重量只有40 kg，发射成本仅为第一代卫星的十分之一[14]。
2022年4月“四维高景一号 01/02 卫星”发射成功，采用太阳同步轨道，全色分辨率 0.5 m，多光谱分辨率 2 m，高景一号系列卫星兴宁具有一套三视立体成像，可以实现地表快速三维建模；
通过多条带拼接成像可实现对大范围目标的快速信息采集；
具备大容量存储能力，快速机动中数据高速下传等。
“珠海一号”是国内首家由民营上市公司建设并运营的遥感微纳卫星星座，总体规划由34颗卫星组成，包括视频卫星、高光谱卫星、雷达卫星、高分光学卫星以及红外卫星。目前已经在轨12颗。[15]
国内目前还有很多公司、高校、科研单位都有自己的卫星建造计划或已经发射升空的自主研制的卫星平台。天仪研究院有25颗卫星在轨，从卫星发射数量和服务能力比较基本领跑国内民营航天，且已经具备低轨科学试验卫星任务结束后快速离轨的技术实力。天仪研究院的“海丝一号”是国内首颗商业SAR卫星，基于C波段，重量小于185 kg，成像最高分辨率1 m，可全天时、全天候、全透明对陆地、海洋、海岸港口进行成像观测[16]。另外“巢湖一号”则标志着国产商业SAR卫星批产组网和在轨商业运营的开始。“巢湖一号”在成像幅宽、分辨率、成像时间等方面进行了进一步的改进；
同时引入了对多个区域的连续成像、精密轨道定轨能力和在轨AI运算等新技术、新手段。
微纳星空也是国内民营高端卫星研制代表，其研制的泰景三号01星是0.5 m分辨率可见光遥感卫星，泰景四号01星是国内首颗X波段商业SAR卫星，文昌一号01、文昌一号02是两个广域的遥感卫星，其质量为62 kg左右，主要任务是对地观察、海洋成像、船舶信息的获取[17]。
银河航天首发星是全球首颗Q/V频段的低轨宽带卫星，由国内自主研制，通信能力可达10 Gbit/s，单星覆盖30万km2，轨道高度1 200 km，构建太空互联网及5G卫星网络的连接。
齐鲁卫星是低轨遥感星座，卫星之间采用激光通讯互联，在国内首次采用“天基互联网+小卫星”创新应用的模式，分辨率0.5 m，“齐鲁一号”是Ku波段高分辨率雷达卫星；
“齐鲁二号”是高分辨率敏捷光学卫星，具有热红外谱段;“齐鲁三号”是宽幅光学卫星，幅宽120 km;“齐鲁四号”是多模式高分辨率光学实验卫星。
航天宏图是提供卫星运营与应用服务的公司，已经布局低轨遥感卫星星座，计划在2022年底发射自主SAR卫星宏图一号。
3.1 降低成本促进商业化小卫星群急速发展
对地观测利用遥感卫星群实现更短的重访周期和更大的观测覆盖范围，实现商业化，成本是绕不开的问题，具体在卫星制造成本和发射成本。通过集成商用现成产品和技术（Commercial Off-the-Shelf，COTS）使得卫星研制和生产更简单，成本更低；
降低卫星重量和运载火箭的成本都可以降低发射成本，于是商业化的小卫星群应运而生。例如Spark双星的高光谱成像仪重量仅为10 kg，比国内外同等指标高光谱成像仪至少轻5倍；
而体积只有一台微波炉大小；
其研制成本不到同类航天载荷的十分之一。一箭多星发射以及火箭重复使用也极大分摊了发射成本。SpaceX能够一枚火箭重复使用4次，国内能一箭携带22颗卫星顺利入轨，印度甚至实现过108颗星，美国60颗星。组合模式降低成本促进商业化小卫星群急速发展。
3.2 卫星产业集中更多的技术挑战
全球低轨资源竞争白热化，卫星行业蓬勃发展，测试与测量贯穿于标准制定、设计研发、生产制造、认证运营、场景落地等整条产业生命周期，新技术不断被挑战。例如对更高分辨率的挑战，对SAR图像的方法、代码库、数据集和预训练模型的获取和可用性的挑战，对SAR技术的自动目标识别、分布式雷达成像、数字信号处理等的挑战，是摆在全世界的课题[18]。
3.3 数据服务模式由主导变为合作
商业卫星的加入极大地改变了过去以政府为主导的航天发展模式。政府越来越多地以采购服务的模式整合民用、商用数据资源，并通过大力促进发展卫星应用产业，来释放海量空间数据资源的社会与经济价值[19]。新的空间数据资源服务模式将遥感大数据云计算服务模式植入星地计算架构，通过“星地协同”的技术创新，卫星端拍摄的图像可以被快速处理，提取有用信息，同时又驱动相应的应用，遥感卫星整体行业都在突飞猛进[20]。
3.4 遥感服务对象由政府下沉
基于GIS三维动态演示的经济分析报告生动、震撼；
卫星电话可以为百姓大众在野外探险、海洋作业以及其他应急救援场景提供保障；
卫星地图已渐渐融入到大众的网络生活，甚至有的运营商和普通大众对实景卫星影像还有一定的使用习惯。
对地观测数据成果在很多行业工程建设中被使用，包括铁路勘测设计和路基边坡沉降监测等。了解对地观测技术的发展增加行业间更广泛技术结合的机会，也是集成社会成熟技术和产品共同降低建设成本的契机，继续挑战高科技的战场，相信最终受益的是铁路行业的企业和芸芸众生。
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