2017年 國外軍用對地觀測衛(wèi)星發(fā)展綜述

劉韜 徐冰 （北京空間科技信息研究所）

2017年，國外軍用對地觀測衛(wèi)星發(fā)展呈現(xiàn)了新的發(fā)展態(tài)勢。美國陸軍發(fā)射第一顆自己運管的光學成像偵察衛(wèi)星，為美國成像偵察衛(wèi)星應用模式的新發(fā)展埋下了伏筆。同時，歐洲各國加速發(fā)展本國的偵察衛(wèi)星。越來越多的新興航天國家采用整星采購方式，發(fā)展本國的軍用對地觀測衛(wèi)星。除了重視天基系統(tǒng)的發(fā)展外，國外越來越重視對地觀測衛(wèi)星應用技術的發(fā)展，人工智能技術正在引領成像偵察衛(wèi)星應用的變革，使傳統(tǒng)人工圖像判讀解譯目標向目標自動發(fā)現(xiàn)和識別發(fā)展，大幅度提升了效率。

2017年，國外共有6個國家發(fā)射了11顆軍用對地觀測衛(wèi)星，這些國家分別是美國、俄羅斯、意大利、印度、日本和摩洛哥，其中美國發(fā)射數(shù)量最多，達到4顆。從衛(wèi)星類型來看，光學成像偵察衛(wèi)星仍然最多，為5顆，電子偵察衛(wèi)星4顆，雷達成像偵察衛(wèi)星1顆，大地測量衛(wèi)星1顆。

2017年國外軍用對地觀測衛(wèi)星發(fā)射活動概覽

1 2017年發(fā)展現(xiàn)狀

美國

整體來看，在偵察監(jiān)視衛(wèi)星方面，美國仍以補網(wǎng)加強國家偵察局（NRO）發(fā)展的現(xiàn)有衛(wèi)星型號為主，并持續(xù)研發(fā)新一代系統(tǒng)。同時在“快響”理念帶動下，軍兵種嘗試發(fā)展成像偵察衛(wèi)星，增強應對戰(zhàn)術作戰(zhàn)的能力。2017年，陸軍已發(fā)射首顆光學成像偵察衛(wèi)星驗證星。在技術發(fā)展上，高度重視新型高分辨率光學成像技術和小型雷達偵察衛(wèi)星技術的攻關，同時高度重視人工智能在成像偵察衛(wèi)星應用方面的技術發(fā)展。

（1）受“快響”理念帶動，美國陸軍探索發(fā)展戰(zhàn)術型光學成像偵察衛(wèi)星取得初步成果

美軍傳統(tǒng)光學成像偵察衛(wèi)星系統(tǒng)能力先進，技術領先其他國家一代，但這些系統(tǒng)主要支持戰(zhàn)略應用，對戰(zhàn)術應用的支撐非常有限。陸軍空間與導彈防御司令部（SMDC）圍繞戰(zhàn)術應用、低成本、短周期、高響應的航天裝備發(fā)展思路，啟動了“鷹眼”項目。

美國于2017年8月14日利用獵鷹-9（Falcon-9）運載火箭將鷹眼-2M光學成像偵察小衛(wèi)星成功發(fā)射至“國際空間站”，10月24日，該衛(wèi)星通過釋放方式成功部署。鷹眼-2M衛(wèi)星由陸軍運管，陸軍擁有成像偵察衛(wèi)星的愿景經(jīng)過10余年的發(fā)展，終于初步實現(xiàn)。該衛(wèi)星是質(zhì)量50kg的小衛(wèi)星，運行在500km高軌道上，單景圖像面積4km×6km，地面分辨率1.5m。未來，美軍將在5個低軌軌道面部署約40顆具有類似作戰(zhàn)能力的“鷹眼”小衛(wèi)星，每個軌道面布署8顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星成本約130萬美元，運行壽命約為1年。

利用“鷹眼”衛(wèi)星，美軍將通過數(shù)據(jù)中繼網(wǎng)絡直接向作戰(zhàn)部隊提供衛(wèi)星圖像，圖像交付周期僅需10min或更短時間。士兵通過手持設備可以對衛(wèi)星進行任務編程。此外，鷹眼-2M衛(wèi)星已進行過網(wǎng)絡攻擊脆弱性分析，能夠承受一定的網(wǎng)絡攻擊。該衛(wèi)星的部署意味著旅級或以下級別的戰(zhàn)術指揮官將首次被授予控制衛(wèi)星成像全流程的權(quán)力，包括從衛(wèi)星任務規(guī)劃到數(shù)據(jù)分發(fā)。

此次部署的鷹眼-2M衛(wèi)星屬于技術驗證星，該任務對于未來陸軍是否推進小型光學成像偵察衛(wèi)星星座部署的決策具有重要影響。

（2）電子偵察衛(wèi)星補網(wǎng)加強，替換超期服役衛(wèi)星，確保在軌電子偵察能力的連續(xù)性

2 0 1 7年3月1日，美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（U L A）在范登堡空軍基地利用宇宙神-5（Atlas-5）火箭成功發(fā)射了國家偵察局的2顆“海軍海洋監(jiān)視系統(tǒng)”衛(wèi)星——NOSS-3-8A和8B。這2顆衛(wèi)星又稱為國家偵察局載荷-79（NROL-79），是美國的信號情報衛(wèi)星。

鷹眼-2M衛(wèi)星及其可充氣天線示意圖

NOSS-3-8A和8B是NOSS第三代的第8對衛(wèi)星，目前共有5對（共10顆）衛(wèi)星在軌工作（不包括本次發(fā)射的2顆衛(wèi)星），每對衛(wèi)星運行在同一軌道面上，并保持編隊飛行。根據(jù)火箭運載能力推算，NOSS-3-8A和8B衛(wèi)星的發(fā)射質(zhì)量約為6500kg，設計壽命約8年。NOSS-3衛(wèi)星雙星構(gòu)型完全相同，帶有時差/頻差測向定位載荷、低噪聲接收機、星上信號處理機等載荷，對海上艦船的定位精度優(yōu)于2km。NOSS-3-8A和8B衛(wèi)星入軌至1010km×1200km、傾角63.4°的近圓軌道，近地點幅角接近180°。

2017年9月24日，美國成功發(fā)射了軍號-后繼星-2-2衛(wèi)星，由國家偵察局運管，技術指標高度保密。該衛(wèi)星是大橢圓軌道電子偵察衛(wèi)星，主要用于獲取包括俄羅斯、朝鮮和中國北部等高緯度地區(qū)的信號情報。

（3）軍方重視小型合成孔徑雷達衛(wèi)星及其應用技術發(fā)展

洛馬公司公布的“蜘蛛”相機模擬成像結(jié)果（左為擬成像目標，右為模擬成像結(jié)果）

作為五角大樓一個專門負責研發(fā)尖端技術以解決國家安全問題的團隊，美國國防創(chuàng)新部門實驗室（DIUx）在預算縮減的背景下，仍積極發(fā)展商業(yè)微衛(wèi)星合成孔徑雷達（SAR）技術。2017年10月6日，美國眾議院和參議院國防撥款小組委員會否決了五角大樓為DIUx計劃提供5000萬美元撥款，該撥款原計劃用于商業(yè)微衛(wèi)星SAR樣機技術研發(fā)及深度分析。DIUx當時未發(fā)表任何意見，但據(jù)推測，五角大樓正在為獲得全天候條件下晝夜成像的持續(xù)能力尋求其他資金來源。DIUx已經(jīng)開始向少數(shù)幾家公司提供資金，用于開發(fā)商業(yè)SAR和SAR分析工具。

（4）重視小型高分辨率衛(wèi)星創(chuàng)新成像技術發(fā)展

美國洛馬公司（LM）于2017年8年曝光了新型高分辨率成像技術—微透鏡陣列干涉成像技術的發(fā)展情況。該技術可以有效地降低星載相機體積和質(zhì)量，微透鏡陣列生產(chǎn)周期較短，工藝較為成熟，成本較低，易于大規(guī)模的部署，是低軌高分辨率衛(wèi)星小型化的重要發(fā)展方向之一，也是高軌衛(wèi)星實現(xiàn)高分辨率成像的重要技術。從項目發(fā)展伊始就得到美國軍方資助，并由洛馬公司牽頭技術攻關，說明美國對其重視程度。

采用該技術的“蜘蛛”（Spider）相機在尺寸、質(zhì)量和功率（SWaP）上均大幅下降，這可以大幅度降低衛(wèi)星和火箭發(fā)射成本。對比傳統(tǒng)的龐大和復雜的光學望遠鏡，新技術可以使望遠鏡的質(zhì)量僅為原來的10%。在成像能力方面，微透鏡陣列干涉相機的性能十分可觀，對于500nm的波長、300km軌道高度、0.5m基線長度的微透鏡陣列干涉成像相機，其空間分辨率可以高達0.3m。

2017年8月的測試模擬了一個天基過頂成像偵察的場景，所使用的成像相機由30組微透鏡陣列和相應的光子集成電路組成，每個微透鏡的口徑小于1mm。模擬成像目標是一個火車站。

從2017年8月曝光的圖像看，還存在圖像模糊的問題，說明還存在一些需要解決的關鍵技術。洛馬公司預計用5～10年的時間，相關技術才可以發(fā)展成熟。

（5）高度重視人工智能在成像偵察領域的發(fā)展

隨著軍用和軍商兩用成像偵察衛(wèi)星的快速發(fā)展，以及衛(wèi)星拍攝效率的大幅度提高，偵察衛(wèi)星圖像人工判讀的方式已經(jīng)逐步顯露出效率較低的問題。美國五角大樓已把機器學習與人工智能確定為武器與信息系統(tǒng)軍事現(xiàn)代化戰(zhàn)略的核心要素。在偵察衛(wèi)星領域，美軍重視利用人工智能技術促進偵察衛(wèi)星圖像判讀，提升發(fā)現(xiàn)目標的效率。美國國家地理空間情報局（NGA）官員呼吁商業(yè)公司和學術界研制機器學習工具，來進行自動重復耗時的圖像分析任務，這樣就可以解放技術嫻熟的分析專家，把更多的時間花在計算機無法解決的難題上。美國國家地理空間情報局局長羅伯特·卡迪略（Robert Cardillo）最近表示，他希望75%的重復任務分析可以自動完成，25%的其他任務需要專業(yè)人員重點關注，深度學習可以幫助實現(xiàn)。

歐洲

2017年，歐洲成功發(fā)射了1顆軍用對地觀測衛(wèi)星。整體來看，2017年歐洲軍用對地觀測衛(wèi)星的發(fā)展道路呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢，一是保持在“多國天基成像系統(tǒng)”（MUSIS）框架下，發(fā)展軍用對地觀測衛(wèi)星；二是各國獨立發(fā)展偵察衛(wèi)星的愿望更加強烈。

（1）持續(xù)推進MUSlS建設

歐洲作為一個整體，通過MUSIS計劃，積極推進歐洲一體化的軍用對地觀測衛(wèi)星體系，滿足歐洲各國安全防務等領域的應用需求。

MUSIS軍用衛(wèi)星系統(tǒng)主要由法國、意大利和德國分別研制，法國負責光學成像偵察衛(wèi)星，德國和意大利主要發(fā)展雷達成像偵察衛(wèi)星，并通過多國間的共享協(xié)議來換取對方不具備的情報數(shù)據(jù)。具體來說，光學成像偵察衛(wèi)星方面，法國持續(xù)推進“光學空間段”（CSO）衛(wèi)星、西班牙持續(xù)推進“智慧”（Ingenio）軍民兩用光學衛(wèi)星；在雷達成像偵察衛(wèi)星方面，德國推進新型軍用雷達成像偵察衛(wèi)星（稱為SARah衛(wèi)星），意大利正式簽署了第二代“地中海盆地觀測小衛(wèi)星星座”（CSG）軍民兩用雷達成像偵察衛(wèi)星的發(fā)射合同，西班牙持續(xù)推進“帕茲”（Paz）衛(wèi)星軍民兩用雷達衛(wèi)星。CSO、Ingenio光學成像偵察衛(wèi)星，以及SARah、CSG和Paz雷達成像偵察衛(wèi)星，都是MUSIS的核心組成部分。

（2）意大利加速建成本國成像偵察衛(wèi)星體系

2017年，意大利成功構(gòu)建了由高分辨率光學和雷達成像偵察衛(wèi)星組成的成像偵察衛(wèi)星體系。8月2日，意大利發(fā)射0.5m分辨率的OptSat-3000光學成像偵察衛(wèi)星。9月，泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）與阿里安空間公司（Arianespace）正式簽署意大利2顆第二代CSG衛(wèi)星的發(fā)射合同。意大利成像偵察衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展迅猛，使之成為歐洲第一個同時擁有高分辨率光學和雷達成像偵察衛(wèi)星的國家。

OptSat-3000衛(wèi)星質(zhì)量368kg，衛(wèi)星直徑3.35m，高4.58m。衛(wèi)星運行在450km高、傾角97.28°的太陽同步軌道。該衛(wèi)星所載光學成像相機具有全色和多光譜成像能力，全色分辨率為0.5m。

CSG系列是意大利航天局（ASI）與意大利國防部聯(lián)合發(fā)展的軍民兩用雷達成像衛(wèi)星星座。2顆二代CSG衛(wèi)星的發(fā)射質(zhì)量均約為2200kg，將運行在太陽同步圓軌道，搭載X頻段SAR有效載荷。衛(wèi)星在成像模式上延續(xù)上代衛(wèi)星的聚束、條帶和掃描模式，但在極化方式上增加了雙極化和全極化，分辨率更高，幅寬更大。

第二代“地中海盆地觀測小衛(wèi)星星座”

（3）德國新的情報法案從側(cè)面促進本國偵察衛(wèi)星的發(fā)展

2016年10月，德國議會批準了一項有爭議的法案，授予本國情報機構(gòu)更廣泛的權(quán)力，包括對歐盟設施進行監(jiān)視。當時該法律被批評為“違憲”。2017年2月，明鏡周刊報道稱，自1999年以來，德國情報機構(gòu)對西方新聞媒體，包括BBC和路透社在內(nèi)的國際新聞機構(gòu)都進行了窺探。

2017年11月，德國議會預算委員會又批準為德國聯(lián)邦情報局（BND）建造3顆偵察衛(wèi)星，預計將耗資4億歐元。而2016年，德國情報界僅計劃采辦1顆偵察衛(wèi)星。本次衛(wèi)星采辦數(shù)量的增加說明德國加速發(fā)展本國偵察衛(wèi)星的愿望更加強烈。目前，空客防務與航天公司（ADS）和德國不萊梅軌道高技術公司（OHB）都提交了為德國聯(lián)邦情報局命名為“喬治”（George）的新衛(wèi)星項目的標書。此外，以色列航空航天工業(yè)公司（IAI）也提交了申請。德國官方?jīng)]有明確George衛(wèi)星是何種類型的偵察衛(wèi)星，但德國已經(jīng)發(fā)展了軍用雷達成像偵察衛(wèi)星，不太可能重復發(fā)展雷達衛(wèi)星。同時，根據(jù)這些公司現(xiàn)有的技術實力，George衛(wèi)星是電子偵察衛(wèi)星的可能性極低，因此判斷該衛(wèi)星是光學成像偵察衛(wèi)星的可能性最大。德國認為，利用商業(yè)衛(wèi)星或者從德國的國際伙伴獲得的衛(wèi)星圖像已經(jīng)不能滿足需求。聯(lián)邦情報局希望利用本國衛(wèi)星迅速且獨立地提供信息，從而能夠盡可能獨立地對時局做出最及時的評估。

根據(jù)分析，德國情報機構(gòu)監(jiān)視歐盟被曝光、德國新法案實施和本國偵察衛(wèi)星發(fā)展愿望的進一步增強，都將在一定程度上對泛歐MUSIS計劃的實施產(chǎn)生負面影響。

俄羅斯

2017年，俄羅斯成功發(fā)射了2顆軍用對地觀測衛(wèi)星。從整體來看，近3年來，俄羅斯均保持每年都有軍用對地觀測衛(wèi)星發(fā)射，加強新衛(wèi)星系統(tǒng)研發(fā)和部署，光學成像偵察、雷達成像偵察和電子偵察衛(wèi)星均在補網(wǎng)加強。

（1）電子偵察衛(wèi)星更新?lián)Q代

俄羅斯國防部長謝爾蓋·紹伊古于2017年1月10日向媒體透露，俄羅斯將繼續(xù)發(fā)展由Lotos-S與介子-NKS（Pion-NKS）衛(wèi)星組成的新一代“蔓藤”（Liana）電子偵察衛(wèi)星綜合系統(tǒng)。

（2）俄羅斯發(fā)射一顆軍用大地測量衛(wèi)星

2 0 1 7年6月2 3日，俄羅斯利用聯(lián)盟-2.1（Soyuz-2.1）運載火箭從普列謝茨克航天發(fā)射場成功發(fā)射了1顆軍用測地衛(wèi)星，該衛(wèi)星編號為宇宙-2519，代號水平儀-ZU-1，俄羅斯官方?jīng)]有公布該衛(wèi)星的細節(jié)。美國軍方的跟蹤數(shù)據(jù)顯示，該衛(wèi)星進入高約660km、傾角98°的軌道。據(jù)推測，該衛(wèi)星是俄羅斯新型的測地衛(wèi)星，用于測量地球精確形狀和重力場，這些數(shù)據(jù)可改進彈道導彈的制導精度。根據(jù)火箭運載能力，該衛(wèi)星質(zhì)量約為1400kg。

日本

2017年，日本補網(wǎng)現(xiàn)役軍用對地觀測星座，并重視彈性體系發(fā)展。一方面，日本繼續(xù)推進2015年提出的新型IGS星座。IGS-R5衛(wèi)星于2017年3月17日成功發(fā)射，其分辨率約為1m。另一方面，日本初步開展了空間系統(tǒng)彈性研究，明確了“彈性”的定義，提出了加強“彈性”的原則、分類和應對措施。與之相呼應，日本為了確保作為最重要的軍事偵察資產(chǎn)的IGS衛(wèi)星在發(fā)生突發(fā)事件無法正常提供服務時，能夠擁有替代系統(tǒng)發(fā)揮作用，正在開展短期內(nèi)可發(fā)射的小型“快響”衛(wèi)星系統(tǒng)的驗證研究，質(zhì)量不足100kg，光學分辨率優(yōu)于1m，研制周期僅為2～3個月，將于2022年開始發(fā)射，進行約2年的技術驗證試驗。

印度

2017年，印度在光學衛(wèi)星方面取得了進展，成功發(fā)射CartoSat-2D和2E，與2016年發(fā)射的Cartosat-2C同屬二代改進型。CartoSat-2D和2E發(fā)射質(zhì)量均為727.5kg，功率986W，采用高500km、傾角97.5°的近圓太陽同步軌道，星上攜帶了全色和多光譜相機，全色分辨率0.65m，4通道多光譜分辨率2m，幅寬10km。

其他國家或地區(qū)

其他國家中，僅摩洛哥在2017年11月8日成功發(fā)射了軍用對地觀測衛(wèi)星，即Mohammed-VI-A。主承包商是空客防務與航天公司，衛(wèi)星以法國“昴宿星”（Pleiades）高分辨率對地觀測衛(wèi)星的改進型號為基礎，推測分辨率約為0.7m。

Lotos-S衛(wèi)星

2 發(fā)展趨勢

戰(zhàn)術型光學成像偵察衛(wèi)星有望快速發(fā)展

在“快響”理論帶動下，經(jīng)過數(shù)年的技術積淀以及多域作戰(zhàn)軍事需求的牽引，戰(zhàn)術型光學成像偵察衛(wèi)星即將進入發(fā)展的快車道。美國陸軍發(fā)射了第一顆自己運營的光學偵察衛(wèi)星，可以滿足戰(zhàn)術作戰(zhàn)應用，戰(zhàn)場人員可以通過移動終端進行指揮控制，圖像交付時間大幅度縮短。若該衛(wèi)星在戰(zhàn)績評估方面進展順利，美國陸軍將大批量發(fā)射該型衛(wèi)星，構(gòu)建40星星座，實現(xiàn)近持續(xù)監(jiān)視能力。

對地觀測加人工智能技術促進軍事應用變革

人工智能技術的高速發(fā)展使對地觀測衛(wèi)星開始從交付圖像向交付產(chǎn)品轉(zhuǎn)變，并且大幅縮短產(chǎn)品交付的時間。2017年，美國國家地理空間情報局呼吁商業(yè)公司和學術界研制機器學習工具來進行自動重復耗時的圖像分析任務。密蘇里大學地理空間情報研究中心利用深度學習神經(jīng)網(wǎng)絡，幫助研究分析人員在中國東南部地區(qū)大范圍搜索地對空導彈發(fā)射場。結(jié)果顯示，人工智能是傳統(tǒng)的人類視覺搜索效率的80多倍。