未来天玑|2024年国外民商用对地观测卫星发展综述

国际太空 2025-02-26 10:00:00 行研资讯 1121 1

2024年国外民商用对地观测卫星发展综述

2024年，美国在战略政策方面更加重视对地观测卫星的出口，放松了出口管制要求。同时，在2024年《商业太空战略》指导下，美国天军（USSF）加强对商业对地观测数据的利用，提升直接服务各作战司令部的能力。美国还重视对标、评估全球商业对地观测卫星能力，查找优势和差距，为国家层面统筹规划商业对地观测能力，引导相关系统后续发展提供了支撑。在系统发展上，民用对地观测卫星稳步发展，美国、欧洲和日本升级换代陆地、海洋和气象环境卫星。商业对地观测卫星方面，在美、欧等航天强国和地区战略政策牵引下，以及资本广泛关注下，商用对地观测卫星不断发展，作用地位正在日益加强。

1 战略政策助推民商用对地观测领域发展

（1）美国放宽航天技术出口规定，但高分辨率雷达卫星仍处于严控之下2024年10月17日，美国商务部发布了三项新的太空技术相关出口管制规则，旨在增强美国在全球航天业的竞争力。这三项出口管制规则分别为一项最终规则、一项临时规则和一项拟议规则。最终规则是《出口管理条例：取消对澳大利亚、加拿大和英国的某些航天器及相关物品的许可要求》（文件编号：241004-0263），目的是促进美国航天工业的全球竞争力，保护美国国家安全，并支持美国航天工业基础，同时促进对澳大利亚、加拿大和英国的出口，以符合外交政策利益。具体而言，规定对澳大利亚、加拿大和英国取消了下列涉及太空遥感物项的许可要求：1）口径大于35cm而小于等于50cm的空间相机。2）短波红外(SWIR)、中波红外(MWIR)和长波红外(LWIR)空间相机。3）中心频率1000～10000MHz、带宽100～300MHz的雷达，涵盖有源电子扫描阵（AESA）、合成孔径雷达（SAR）或逆合成孔径雷达（ISAR）。但是，美国商业SAR卫星的带宽几乎都大于300MHz，例如：美国“影子”（Umbra）卫星带宽为500MHz。“卡佩拉”（Capella）卫星的带宽为500～700MHz。美国竞争对手芬兰“冰眼”（ICEYE）卫星带宽将达到1200MHz。美国SAR卫星制造商对这一规定持审慎欢迎态度，认为新的出口管制条例的放宽力度仍然不够。临时规则中，商务部取消了向全球40多个盟友国家出口某些航天器部件的许可要求，降低了向大部分国家出口非敏感部件的许可要求，以促进国际航天合作，巩固美国在太空技术领域的全球领导地位。在拟议规则中，商务部提议将某些不再提供关键军事或情报优势的太空相关国防物品，从国务院维护的美国军火清单（USML）中转移至商业管制清单中，以促进美国向亲密盟友和合作伙伴出口商业太空物品，包括能够为其他航天器加油的航天器，以及能够自主避碰的航天器等。（2）商业数据开始助力美国各作战司令部，未来将持续发展相关数据资源和产品自2023年美国天军启动“战术监视、侦察与跟踪”（TacSRT）试点项目以来，在提高地理空间情报产品交付速度、研发供作战人员使用的产品等方面取得了重大进展。2024年，天军发布了《商业太空战略》，倡导利用商业部门提供的速度、创新和能力来创造战略优势并支持作战指挥官。为了落实该战略，TacSRT项目持续深化发展，进一步完善了“全球数据市集”（GDM），GDM是基于网络的一站式商店，允许TacSRT项目组发布、授予SRT合同，同时接收任务规划并交付天基数据分析产品。项目组还持续利用商业数据生成作战规划产品（OPPs），直接为作战人员提供服务。2024年，项目组已经与美国南方司令部、中央司令部、印太司令部和特战司令部等军方机构建立了合作。（3）美国第二次开展全球商业对地观测卫星能力评估，为政府了解行业现状、指导进一步发展提供参考2024年10月1日，美国战略与国际研究中心（CSIS）、泰勒地理空间研究所（Taylo rGeospatial Institute）和美国地理空间情报基金会（USGIF）等机构联合发布题为“淘金热：2024年全球商业遥感排名”的报告，该报告对多个类别的全球商业遥感卫星系统进行了能力评估，为美国政府了解该行业的现状提供了重要依据。该报告是对美国国家地理空间情报局（NGA）2021年“商业对地观测卫星奥运奖牌榜”的更新。2024年的报告反映了最新态势，近一半表现最佳的卫星系统是在2021－2024年发射的（该报告数据截至2024年7月）。新报告称，虽然美国仍是太空竞赛中的佼佼者，但中国也取得了长足的进步，以5块金牌取得第一，美国以微弱差距（4块金牌）取得第二，包括芬兰和韩国在内的其他国家也登上了领奖台，凸显了全球竞争的激烈程度。报告涵盖光电成像、SAR以及多光谱、高光谱和红外成像卫星。该报告对美国未来在商业遥感领域的领导地位提出了见解，认为尽管美国在SAR领域依然表现出色，并在高光谱成像领域取得了进步，但它必须跟上中国在环境监测和多光谱技术方面的快速发展步伐。随着美国商业太空风险投资的放缓，报告呼吁美国政府，特别是情报部门和美国天军，增加对商业遥感数据的采购。报告坚持认为，如果没有政府更有力的市场支持，美国公司在未来几年内可能难以赶上外国竞争对手。（4）欧洲发布对地观测科学战略，一定程度上否定了上版战略的科学认识，力图以更全面、综合的方法理解和监测地球系统2024年10月，欧洲航天局（ESA）发布《地球科学在行动：未来世界的对地观测科学战略》（见图1）。该战略指出，从欧洲航天局的“生存行星计划”（LivingPlanetProgramme）开始，欧洲地球科学界逐渐发展了多圈层（大气、生物圈、冰雪圈、岩石圈和水圈等）、相互连接的地球系统概念。然而，将系统划分为圈层，现在被认为是人为的，并没有完全反映地球系统组成部分之间的复杂相互作用，它冒着创建现实世界中不存在的界限的风险，并忽视了重要的反馈循环，创造了学科隔阂。因此，新科学战略的主要目标是刺激对科学和知识的发展，采取更全面、综合的方法理解和监测相互连接的地球系统。

图1 《地球科学在行动：未来世界的对地观测科学战略》

该科学战略确定了4个关键的战略行动领域：包括前沿科学和发现、从科学到社会效益、减少关键知识空白和填补关键观测空白。同时，该科学战略将地球系统研究划定了6个总体科学主题，包括水循环、碳循环和化学、能量通量、生态系统健康、极端和灾害、地球系统的界面和耦合。确定这些总体科学主题参考了现有的科学战略，包括《世界气候研究计划2019－2028年战略规划》《世界气候研究计划灯塔活动》和美国国家航空航天局（NASA）于2018年发布的十年调查计划，以及众多欧洲科学家的意见。总体来看，该科学战略并不是欧洲民用对地观测卫星的发展规划，而是指导后续卫星发展的需求输入。

2 卫星系统技术能力进一步升级

美国民商系统更新换代，进一步提升观测能力美国民商对地观测卫星发展迅猛，商业领域持续补网加强已有的“鸽群”卫星（Flock）、狐猴-2（Lemur-2）卫星、“卡佩拉”卫星、“影子”卫星和“鹰”（Hawk）卫星等商业星座，涉及光学成像、合成孔径雷达成像、气象环境探测、射频定位等多个领域。同时，美国首次发射“世界观测军团”（WorldView-Legion）高频重访商业星座以及唐纳雀-1（Tanager-1）商业高光谱卫星。民用领域，美国发射新一代海洋卫星，首次具备了高光谱海洋水色探测能力。（1）麦克萨公司发射“世界观测军团”卫星，大幅提升多时段观测与重访能力2024年，美国麦克萨公司（Maxar）分两次成功发射4颗“世界观测军团”卫星，该星座代表目前美国商业光学成像卫星星座的最高水平，星座采用了太阳同步和中倾角轨道配合的设计方案，大幅提升了观测时效性，特别是中倾角轨道卫星具备对同一地点的每日多时段观测能力，补充了太阳同步轨道卫星固定观测时段的不足，这对军事目标的变化检测具有重要意义。“世界观测军团”星座由6颗卫星组成，其中4颗部署在中倾角轨道，倾角约45°，2颗部署在太阳同步轨道，轨道高度为518km。采用太阳同步和中倾角轨道的配合，大幅提升了重访能力，星座最大重访周期为每天15次。卫星发射质量约为750kg，干质量约为630kg。在未来作战中，时效性是实现决策优势的重要因素。麦克萨公司公布其运管的10颗高分辨率光学成像卫星对巴黎的重访能力仿真结果（见图2）。“世界观测军团”星座与已有卫星形成“6+4”星座，对巴黎每日重访15次，比原4星星座增加了8次重访，重点补充8－10时以及16－19时时段。与世界观测-3卫星一样，“世界观测军团”也具有很强的三维测绘能力，可支持实景三维产品生产，在目标指示、军事训练和辅助导航等方面具有重要军事应用价值。

图2 麦克萨公司公布其运营的10颗卫星对巴黎重访仿真结果

（2）麦克萨公司构建虚拟星座，提升服务能力2023－2024年，麦克萨公司先后通过与美国本影公司（Umbra）和阿根廷卫星逻辑公司（Satellogic）合作，构建了虚拟星座，从而以更低的成本提升服务能力，满足军方对产品多样性、高重访和高分辨率需求。2023年麦克萨公司与本影公司签署合同，可直接对“影子”雷达卫星进行任务规划，并将其合成孔径雷达数据整合到自身产品和服务中。目前，麦克萨公司已将“影子”卫星的服务能力和地面移动目标指示（GMTI）能力写入产品宣传册。2024年底，麦克萨公司又与阿根廷卫星逻辑公司签署战略合作协议，获取其卫星星座的图像收集和分发权利。（3）美国商业运营商重视高光谱成像卫星发展，提升精细化观测能力美国行星公司（Planet）于2024年8月16日成功发射了其首颗高光谱卫星唐纳雀-1（Tanager-1），该卫星的成功发射表明高光谱卫星持续向小型化发展。唐纳雀-1卫星项目由碳制图联盟（CarbonMapperCoalition）非盈利机构资助，利用行星公司的先进航天技术和NASA喷气推进实验室（JPL）的成像光谱仪设计，致力于检测和追踪甲烷和二氧化碳的主要排放源，以减缓全球变暖。唐纳雀-1卫星运行在高度406km的太阳同步轨道，卫星每日成像面积为1.3×105km2。CH4最小检测极限为50～150kg/h，CO_{2最小检测极限为（2～6）×105kg/h。此外，该卫星的核心图像数据产品包括校准辐射度和地表反射率。参与初步辐射度处理流程的算法执行多种辐射校正，以将原始仪器数据处理为校准的大气顶部辐射度数据。2024年，美国轨道伙伴公司（Orbital Side kick）还补网发射两颗“全球高光谱观测卫星”（Ghost），其空间分辨率和谱段数量指标均优于Tanager-1，且卫星质量更低。国外在轨典型商业高光谱成像卫星参数如表1所示。}

（4）发射新一代海洋卫星，国际首次具备天基高光谱海洋水色探测能力2024年2月，美国发射新一代“浮游生物、气溶胶、云层和海洋生态系统”（PACE）卫星。PACE携带的高光谱海洋水色仪（OCI）将取代第二代MODIS载荷，具有100多个谱段，空间分辨率1km，相对辐射精度0.5%，光谱分辨率5nm，基于高光谱海洋水色探测能力可识别浮游植物的特定群落。（5）美国极轨民用气象卫星发展思路出现划时代的转变，将用小卫星替代大卫星美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的“近地轨道网络”（NEON）计划于2024年1月授出首颗卫星研制合同，标志着该计划正式启动。NEON计划具有划时代的意义，它将取代“诺阿”（NOAA）卫星、“联合极轨气象系统”（JPSS）等大型极轨气象卫星，转而发展气象小卫星，NEON系统将在2030－2050年为美国提供气象数据。“快速探测器”（QuickSounder）卫星是该计划的首颗气象卫星，质量约为400kg，将配备NOAA的先进技术微波探测仪（ATMS），采集大气温度和湿度等数据。（6）智能化地面应用系统崭露头角，能够全面汇聚美西方国家商业相关数据，实现战术应用能力2024年，美国《时代》周刊发布名为“首次人工智能战争：帕兰提尔公司（Palantir）和其他科技巨头正在乌克兰塑造未来战争”的文章，使该公司的“元星座”（MetaConstellation）系统走入大众视野，引发高度关注。该系统利用人工智能技术以及卫星遥感与通信技术结合，解决了分散在各运营商手中的商业遥感卫星数据综合利用难、多源数据融合处理难、遥感数据战术应用难三大问题，在俄乌冲突中，实现了1天定位300个军事目标，是过去数量的30倍。目前，“元星座”系统共计接入了全球多个遥感卫星公司的430余颗商业卫星数据，其中包括美国黑天公司（BlackSky）、行星公司、麦克萨公司、鹰眼360公司（HawkEye360）、卡佩拉公司（Capella）、阿根廷卫星逻辑公司和芬兰冰眼公司等。卫星类型包括光学、合成孔径雷达、红外和射频监测等，可以实现对全球近实时监测。“元星座”系统能够融合卫星、无人机、地面侦察监视系统等多类型遥感数据，甚至可融合人力情报，通过人工智能算法产生目标指示信息，从曝光的用户界面看，可直接给出目标的经纬度坐标。欧洲已有系统小幅升级，并部署多颗新型民商用卫星（1）欧洲发射哨兵-1C卫星，小幅度增强了系统能力继2014年哨兵-1A（Sentinel-1A）和2016年哨兵-1B的成功发射后，欧洲航天局准备研发哨兵-1C和1D卫星，2024年12月5日，哨兵-1C卫星成功发射。哨兵-1C与1A和1B相比有小幅度改进，主要增加了“自动识别系统”（AIS），它可与星载合成孔径雷达一起满足船舶海上交通监测的需要。此外，哨兵-1C和哨兵-1D的设计采用了新方案，使这两颗卫星完全符合最新的空间碎片行为准则和重返大气层时的伤亡风险要求。哨兵-1C卫星如图3所示。

图3 哨兵发射前加注了-1C卫星154kg的推进剂，以满足其全生命周期使用

（2）欧、日合作发展EarthCARE卫星，提升云、雨观测能力欧洲航天局于2024年5月发射“地球云、气溶胶和辐射探测卫星”（EarthCARE）。该卫星的开发始于2007年，原计划2013年发射，但多次推迟。推迟原因主要是有效载荷研发难度极大，特别是欧洲的激光雷达大功率发射器及日本的云剖面雷达（CPR）耗时较长。载荷方面，观测云分布和结构的云剖面雷达由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和信息通信研究机构（NICT）联合进行技术开发，日本电气公司（NEC）设计制造。云剖面雷达发射电波，并接收从云中反射回来的电波，从而捕捉云粒的大小、水分量和云的立体结构。该设备在历史上首次利用多普勒速度测量原理来测量云粒和雨粒的上升和下降速度，揭示云内部的动态。之前的卫星雷达虽然也有类似功能，但缺乏多普勒速度测量功能，无法捕捉垂直方向的运动。大气激光雷达（ATLID）主要用于测量气溶胶和薄云垂直剖面。该激光雷达工作在400km的太阳同步轨道，采用355nm的高光谱探测技术测量气溶胶廓线。该激光雷达发射激光能量为35mJ，重复频率为51Hz，接收望远镜口径为620mm，在20km高度内对大气层的垂直分辨率为100m，20～40km高度范围内垂直分辨率为500m。（3）芬兰冰眼公司发射下一代演示验证卫星，将距离分辨率提升至0.25m芬兰冰眼公司于2024年3月发射1颗下一代演示验证卫星，对X频段天线进行改进升级，雷达带宽提高至1200MHz，将距离分辨率提高至0.25m。SAR的距离分辨率主要由发射信号的带宽决定，国外商业合成孔径雷达公司正在努力提高雷达带宽，冰眼公司领先美国本影公司和卡佩拉公司，率先将带宽提升。这两家美国公司均表示未来也将提升带宽，如卡佩拉公司目前的卫星能提供600MHz，已计划升级到1200MHz。（4）继俄罗斯之后，欧洲发射“北极气象卫星”，提升北极气象观测能力欧洲“北极气象卫星”（AWS）于2024年8月16日成功发射入轨，AWS卫星是欧洲航天局（ESA）为“欧洲气象卫星应用组织极地系统-斯特纳”（EPS-Sterna）卫星星座采购的首发星，它是一颗原型卫星。EPS-Sterna星座规划了6颗小卫星，分布在3个轨道面上，将提供地球所有位置的温湿度数据。AWS卫星主要聚焦于北极地区，将实现北极地区极短期天气预报或临近天气预报。AWS卫星使用瑞典不莱梅轨道高技术公司（OHBSweden）的InnoSat平台，卫星质量125kg，携带一个扫描微波辐射计，具有19个通道，覆盖50～325GHz的频率范围，能够在各种天气条件下提供大气温度和湿度的高分辨率垂直剖面。北极地区的气候变化速度比其他地区更快，对全球气候系统有着深远的影响。传统上，由于地球静止轨道气象卫星难以观测两极地区，而极轨气象卫星对两极地区的观测时效性较差，欧洲“北极气象卫星”将弥补对北极的监测不足。俄罗斯补网加强已有系统，持续加强商业卫星能力2024年，俄罗斯补网加强了民用的资源-P（Resurs-P）、秃鹰-FKA（Kondor-FKA）等卫星系统。在商业领域，俄罗斯人造卫星公司（SPUTNIX）发射3颗佐尔基-2M（Zorkiy-2M）卫星，基于其自研的12U立方体卫星平台，主要有效载荷是一台分辨率为2.75m的相机，工作在4个谱段。此外，该卫星还携带“自动识别系统”以监测船只。Zorkiy-2M卫星是第一代卫星的升级版本，第一代采用名为“欧比卡夫特”（OrbiCraft-Pro SXC6）的6U立方体卫星平台，分辨率为6.5m。日本大幅升级民商卫星能力（1）ALOS-4卫星扩大扫描带宽度，增加观测频率，以提高灾害监测响应速度先进陆地观测卫星-4（ALOS-4）在上一代ALOS-2的基础上进一步增强，配备了机载相控阵型L频段合成孔径雷达-3（PALSAR-3）。与其他使用X频段或C频段的雷达卫星相比，该雷达能有效穿透植被，观测地表和地壳运动。另外，该雷达还采用了新型数字波束成形合成孔径雷达技术，大幅提升了观测幅宽。ALOS-2卫星每年只能对整个日本地区进行4次高分辨率模式观测，而ALOS-4则每年可以进行20次观测（每两周一次）。ALOS-4与ALOS-2卫星的能力对比具体如表2所示。

（2）持续发展商业SAR卫星，分辨率提升到0.25m2024年，日本持续推进商业SAR卫星的发展，发射两颗“斯瑞克斯”（StriX）卫星和两颗QPS合成孔径雷达卫星。其中，日本合成视角公司（Synspective）的StriX雷达卫星的地距分辨率为0.46m、方位向分辨率为0.25m。印度加速发展商业航天（1）印度公司通过引进国外技术，研制商业高分辨率光学成像卫星印度与阿根廷合作研制的“塔塔卫星”（TSAT）成功发射。2024年4月7日，印度商业航空航天和国防解决方案提供商塔塔先进系统有限公司（TASL）以及阿根廷卫星逻辑公司合作研制的TSAT-1A卫星搭乘猎鹰-9（Falcon-9）火箭从美国佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空。卫星逻辑公司向塔塔先进系统有限公司提供了技术转让、基础组件、知识产权许可等，并帮助其在印度建设组装、集成和测试（AIT）工厂。迄今，TSAT-1A卫星是在印度组装和测试的分辨率最高的商业光学成像卫星，TSAT-1A卫星基于卫星逻辑公司的第5代新卫星（NewSatMarkV）设计，多光谱谱段的空间分辨率达到0.7m，超分辨率处理后分辨率可达到0.5m，幅宽6.5km；高光谱谱段空间分辨率达到18m，具有29个谱段，幅宽170km。（2）正在研发全球最高分辨率的商业高光谱卫星印度商业航天初创企业皮克斯公司未来计划建设一个商业高光谱卫星星座，由24星组成，星座全球重访周期为24h。卫星的空间分辨率5m，提供150个谱段，质量预计为50～150kg，为全球最高分辨率的商业高光谱卫星。皮克斯公司获得本国乃至国外资本的高度关注，谷歌公司（Google）也是投资者之一；2023年还获得了美国国家侦察局（NRO）的商业高光谱合同；2024年入选美国NASA的4.76亿美元商业小型卫星数据采集计划，提供高光谱数据。皮克斯公司的TD-2卫星于2022年发射，质量仅为15kg，分辨率为10m。

3 发展趋势

（1）光学卫星呈现星座化和多轨道部署趋势，提升多时段观测能力目前，国外越来越多的对地观测卫星星座开始采用不同轨道搭配的运行模式。行星公司、黑天公司、麦克萨公司和卫星逻辑公司均把星座中的一部分对地观测卫星部署在倾角40°～60°的轨道以增加多时段观测能力。例如：美国行星公司的大部分“天空卫星”（Skysat）部署在太阳同步轨道（SSO），而2020年8月发射的Skysat-19～21部署在倾角53°的轨道。“世界观测军团”星座采用太阳同步和中倾角轨道。这种“太阳同步+非太阳同步”轨道搭配可以明显提升星座多时段观测能力。（2）卫星数据分析服务商地位崛起，统筹利用数据资源，为美西方国家建立信息优势数据分析服务商帕兰提尔公司基于遥感数据智能处理技术研发的“元星座”系统打破了以往遥感数据分散在各个运营商手中而无法实现合力的局面，为美国军方提供了统筹管控美国和盟国商业遥感卫星数据资源，乃至统筹调度商业遥感卫星的解决方案。“元星座”系统的功能实质是综合感知、实时指控、辅助远程精确打击，已实现了统筹利用400余颗美西方商业遥感卫星数据资源，实现多源遥感数据融合产生目标信息的能力。该系统已接入美国北方司令部和北美航空航天防御司令部，并在乌克兰部署，信息进入乌克兰指挥系统，支持乌军实施对俄军的打击。