歐洲“新一代昴宿星”發(fā)展與特點(diǎn)分析

李博 趙惠惠 劉韜（ 中國(guó)空間技術(shù)研究院， 北京空間科技信息研究所）

歐洲新一代商業(yè)高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星——“新一代昴宿星”（Pleiades Neo）于2021年4月29日成功發(fā)射，首星命名為新一代昴宿星－3?！靶乱淮乃扌恰本哂蟹直媛矢摺蓽y(cè)一體、圖像采集能力強(qiáng)、衛(wèi)星高度敏捷和星座高頻重訪等特點(diǎn)。

1 發(fā)展歷程

在法國(guó)太陽(yáng)神－2（Helios－2）軍用光學(xué)成像衛(wèi)星和軍民兩用“昴宿星”（Pleiades）部署完畢后，法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）尋求下一代光學(xué)成像衛(wèi)星的研制方案，旨在實(shí)現(xiàn)小時(shí)級(jí)重訪和更高的分辨率，并提升衛(wèi)星持續(xù)觀測(cè)時(shí)間以及高響應(yīng)能力。為了響應(yīng)CNES的需求，阿斯特留姆公司（Astrium）,也就是現(xiàn)在的空客防務(wù)與航天公司（ADS），于2013年前后提出了3個(gè)項(xiàng)目，包括：“阿克托斯”（ARCTOS）低軌甚高分辨率（0.2～0.35m分辨率）成像衛(wèi)星項(xiàng)目、“高時(shí)間重訪”（HRT）中軌高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星項(xiàng)目和“靜止軌道觀測(cè)空間監(jiān)視系統(tǒng)”（GO3S）高分辨率成像衛(wèi)星項(xiàng)目。同期，阿斯特留姆公司還承擔(dān)了CNES的“高分辨率對(duì)地觀測(cè)光學(xué)系統(tǒng)”（OTOS）項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在研制分辨率為0.2～0.35m的法國(guó)下一代“光學(xué)空間段”（CSO）軍用光學(xué)成像衛(wèi)星。

但是，CNES相關(guān)項(xiàng)目并未有明確的、實(shí)質(zhì)性的推進(jìn)。同時(shí)，隨著旗下在軌上一代“昴宿星”等衛(wèi)星接近壽命末期，ADS公司計(jì)劃獨(dú)資發(fā)展下一代“昴宿星”。2016年9月，ADS公司正式宣布建造4顆甚高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星，原計(jì)劃2020年和2021年發(fā)射。衛(wèi)星雖然由ADS公司獨(dú)資研制，但其客戶將包括法國(guó)國(guó)防部等軍方機(jī)構(gòu)。2017年1月，ADS公司總裁宣布星座名稱為VHR2020，并明確分辨率為0.3m。2017年9月，ADS公司修改星座名稱為“新一代昴宿星”，同時(shí)明確衛(wèi)星將攜帶Ka頻段接收機(jī)，可通過“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（EDRS）系統(tǒng)進(jìn)行快速任務(wù)規(guī)劃，還帶有EDRS激光數(shù)據(jù)終端。

2系統(tǒng)基本情況

全面轉(zhuǎn)為純商業(yè)發(fā)展模式

“新一代昴宿星”是歐洲ADS公司獨(dú)資的純商業(yè)衛(wèi)星，而上一代“昴宿星”由CNES和法國(guó)國(guó)防部共同出資。對(duì)于上一代“昴宿星”，一般情況下，2顆“昴宿星”每天可獲取約1000幅圖像，法國(guó)國(guó)防部具有優(yōu)先權(quán)，每天可獲取50幅圖像，CNES按照投資比例每天獲取約900幅圖像，其中40%分發(fā)給各民用部門，另外60%交由ADS公司進(jìn)行商業(yè)銷售。而對(duì)于“新一代昴宿星”，由ADS公司獨(dú)資建造、管理和運(yùn)營(yíng)，星座投資約5.5億歐元，能在發(fā)射后15年內(nèi)為各行各業(yè)的客戶提供超高水平的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能指標(biāo)較上一代大幅提升

1）在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面?！靶乱淮乃扌恰辈渴鹪谔?yáng)同步軌道，軌道高度620km。星座由4顆相同衛(wèi)星組成，4顆衛(wèi)星位于同一軌道面，相鄰兩顆衛(wèi)星相位成90°，星座重訪每日2次，任務(wù)規(guī)劃時(shí)間少于25min。衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命10年。

2）在平臺(tái)方面?！靶乱淮乃扌恰辈捎肁DS公司的“S950光學(xué)”平臺(tái)，發(fā)射質(zhì)量為920kg，衛(wèi)星功耗1kW?！癝950光學(xué)”平臺(tái)呈六面體構(gòu)型，攜帶控制力矩陀螺。平臺(tái)采用兩個(gè)圓形太陽(yáng)電池翼；而“昴宿星”的天體衛(wèi)星－1000（AstroSat－1000）平臺(tái)呈六面體構(gòu)型，3個(gè)太陽(yáng)電池翼以120°間隔均勻分布，整星干質(zhì)量940kg，燃料質(zhì)量為75kg。

3）在有效載荷方面。相比上一代衛(wèi)星，“新一代昴宿星”全色分辨率從“昴宿星”的0.7m提高到0.3m，多光譜分辨率從2.8m提供到1.2m，達(dá)到美國(guó)世界觀測(cè)－3（WorldView－3）衛(wèi)星的全色和多光譜分辨率水平?！靶乱淮乃扌恰狈鶎?4km，圖像量化位數(shù)12bit，圖像定位精度優(yōu)于5m，相機(jī)口徑約為1.35m，具有1個(gè)全色譜段，6個(gè)多光譜譜段（包括深藍(lán)、藍(lán)、綠、紅、紅邊、近紅外）。其中，深藍(lán)譜段和紅邊譜段比較特殊，深藍(lán)譜段具有一定的海水穿透能力，而紅邊譜段用于植被監(jiān)測(cè)。衛(wèi)星可側(cè)擺±52°，大區(qū)域成像模式能夠單軌獲取70km×110km的圖像，相當(dāng)于單軌可獲取東京或上海城區(qū)的圖像，單星每日可收集5×105km2的圖像。

“S950光學(xué)”平臺(tái)

“昴宿星”效果圖

兩代“昴宿星”參數(shù)對(duì)比

與上一代星座相比，“新一代昴宿星”在技術(shù)上還有如下特點(diǎn)：

1）引入了數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)。采用靜止軌道衛(wèi)星進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)中繼，緊急模式下從發(fā)送指令到接收數(shù)據(jù)可在40min內(nèi)完成。用戶上傳指令可在15～25min內(nèi)完成，圖像獲取的時(shí)間為20～50min。具體來說，“新一代昴宿星”搭載了Ka頻段的指令接收機(jī)和激光數(shù)據(jù)中繼終端，用戶向靜止軌道EDRS衛(wèi)星發(fā)送任務(wù)規(guī)劃指令，經(jīng)過其中繼后發(fā)送給“新一代昴宿星”。圖像數(shù)據(jù)也可經(jīng)過EDRS衛(wèi)星中繼下傳，這樣可以避免衛(wèi)星不在地面站覆蓋區(qū)域時(shí)無法接收指令和下傳數(shù)據(jù)的問題，大幅縮短響應(yīng)時(shí)間。

2）輕量化技術(shù)水平顯著提升。相比上一代“昴宿星”0.65m口徑相機(jī)，“新一代昴宿星”在采用1.35m大口徑相機(jī)的同時(shí)，整星質(zhì)量下降到920kg，說明歐洲在衛(wèi)星輕量化技術(shù)方面取得較大成果。

多手段提升系統(tǒng)效率與應(yīng)用效能

（1）縮短任務(wù)規(guī)劃時(shí)間和數(shù)據(jù)回傳時(shí)間

“新一代昴宿星”星座正式運(yùn)行后，將具備極快的反應(yīng)速度和數(shù)據(jù)傳輸速度?？湛凸緝?yōu)化了整個(gè)星座的任務(wù)規(guī)劃能力。作為一個(gè)基本要求，新的任務(wù)規(guī)劃從軟件計(jì)算到上傳衛(wèi)星的時(shí)間能夠縮短到25min，這使衛(wèi)星能夠執(zhí)行緊急任務(wù)請(qǐng)求。同時(shí)，衛(wèi)星還能夠根據(jù)最新的天氣預(yù)報(bào)，將成像任務(wù)放在成功率較高的區(qū)域?？傮w來看，與現(xiàn)有“昴宿星”星座相比，該星座規(guī)劃任務(wù)的速度是其6倍。

“新一代昴宿星”具備激光通信終端，數(shù)傳速率達(dá)到1.8Gbit/s，可直接訪問歐洲EDRS系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)原本主要服務(wù)于歐盟“哥白尼”（Copernicus）計(jì)劃中的“哨兵”（Sentinel）系列衛(wèi)星，“新一代昴宿星”星座將是第一個(gè)可直接訪問該系統(tǒng)的商業(yè)遙感星座。該星座將充分利用該系統(tǒng)，給衛(wèi)星系統(tǒng)提供極快的反應(yīng)速度、極低的響應(yīng)延遲和極大的數(shù)據(jù)傳輸，每天高達(dá)40TB的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳輸?shù)降厍颉Ｉ鲜黾す馔ㄐ沤K端由德國(guó)特薩特空間通信公司（Tesat Spacecom）研制，德國(guó)航天局（DLR）和ADS公司提供了相關(guān)支持。

（2）ADS公司強(qiáng)大的地面處理系統(tǒng)支持“新一代昴宿星”的使用

用戶將利用“新一代昴宿星”星座更強(qiáng)的監(jiān)測(cè)能力和運(yùn)行效率開展應(yīng)用。根據(jù)空客集團(tuán)提升數(shù)字化程度和連通性的戰(zhàn)略部署，公司將增強(qiáng)地面部分的信息訪問能力，提供機(jī)器學(xué)習(xí)和自動(dòng)化分析應(yīng)用，這些應(yīng)用具備多重任務(wù)和大規(guī)模圖像處理能力。

在應(yīng)用方面，客戶可直接通過ADS公司的數(shù)字平臺(tái)“一個(gè)地圖集”（OneAtlas）獲取超高分辨率圖像，OneAtlas平臺(tái)是面向用戶的協(xié)作環(huán)境，使用戶能夠輕松訪問不斷更新的衛(wèi)星圖像，并執(zhí)行大規(guī)模圖像處理；能夠根據(jù)特定需求，獲取定制化的分析結(jié)果。此外，OneAtlas是一個(gè)多源數(shù)據(jù)融合處理平臺(tái)，平臺(tái)還可融合ADS公司擁有的其他光學(xué)和雷達(dá)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)與“新一代昴宿星”衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，供客戶進(jìn)行分析。基于“新一代昴宿星”衛(wèi)星的數(shù)據(jù)和“像素工廠”（Pixel Factory Neo），用戶可以快速、可靠地創(chuàng)建城市和偏遠(yuǎn)地區(qū)的三維紋理模型和數(shù)字高程模型等產(chǎn)品。此外，ADS公司已于2019年與瑞典航天公司（SSC）建立合作伙伴關(guān)系，SSC公司負(fù)責(zé)提供極地站有關(guān)的服務(wù)，為“新一代昴宿星”提供遙測(cè)服務(wù)。

3 分析研判

從全球商業(yè)光學(xué)成像衛(wèi)星能力看，歐洲仍處于第二位

“新一代昴宿星”盡管圖像定位精度相比上一代提升1倍，優(yōu)于5m，但是仍然沒有達(dá)到美國(guó)世界觀測(cè)－3衛(wèi)星的3.5m圖像定位精度水平。其次，盡管增加譜段數(shù)量達(dá)到7個(gè)，但譜段數(shù)量與世界觀測(cè)－3衛(wèi)星相差10個(gè)，并且缺少短波紅外譜段。在重訪能力方面，相比于美國(guó)新型“世界觀測(cè)軍團(tuán)”（WorldView Legion）衛(wèi)星系統(tǒng)來說，“新一代昴宿星”四星星座提升重訪時(shí)間1倍是建立在衛(wèi)星數(shù)量增加1倍的基礎(chǔ)上的?！靶乱淮乃扌恰辈捎玫娜匀皇翘?yáng)同步軌道，可見單純采用太陽(yáng)同步軌道難以大幅提升重訪能力。而美國(guó)新型“世界觀測(cè)軍團(tuán)”六星星座混合使用2星部署在太陽(yáng)同步軌道和4星部署在中傾角軌道，使星座重訪能力提升至每日13次。從軌道設(shè)計(jì)上，歐洲發(fā)展思路相對(duì)保守。

“新一代昴宿星”提升分辨能力的途徑分析

1）分辨率提升主要依靠大口徑反射鏡?！瓣乃扌恰辈捎?.65m口徑的反射鏡，而“新一代昂宿星”采用約1.35m口徑的反射鏡。由于相機(jī)口徑越大，分辨率越高，“新一代昂宿星”分辨率從上一代的0.7m提升至0.3m。此外，軌道高度從694km下降到620km，也起到一定的提升分辨率的作用。

2）應(yīng)用效果提升，主要依靠多星組網(wǎng)和數(shù)據(jù)中繼。一方面，多星組網(wǎng)提升了任務(wù)響應(yīng)能力；另一方面，通過靜止軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)和指令的中繼，既可提升響應(yīng)能力，也可縮短圖像數(shù)據(jù)下傳時(shí)間?！靶乱淮乃扌恰睌y帶激光通信終端，可由EDRS衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼，極大提升對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)交付時(shí)效性。

綜合提升應(yīng)用性指標(biāo)已成為未來遙感衛(wèi)星的重要發(fā)展趨勢(shì)

在新型商業(yè)光學(xué)成像衛(wèi)星發(fā)展方面，“新一代昴宿星”將提高重訪能力與圖像定位精度、縮短任務(wù)規(guī)劃與圖像下傳時(shí)間等指標(biāo)放在重要位置。歐洲“新一代昴宿星”采用增加系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量實(shí)現(xiàn)高重訪，美國(guó)“世界觀測(cè)軍團(tuán)”既增加系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量,又采用優(yōu)化軌道實(shí)現(xiàn)高重訪。上述新衛(wèi)星系統(tǒng)還將提升衛(wèi)星圖像定位精度作為一項(xiàng)重要內(nèi)容，旨在提升在制圖、自動(dòng)駕駛等應(yīng)用領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。“新一代昴宿星”也重視縮短任務(wù)規(guī)劃與圖像下傳時(shí)間，旨在提升快速響應(yīng)和應(yīng)急事件監(jiān)測(cè)等應(yīng)用能力。目前，歐洲利用極地地面站和靜止軌道激光中繼衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)這一能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

“新一代昴宿星”發(fā)射后，歐、美主流商業(yè)對(duì)地觀測(cè)運(yùn)營(yíng)商進(jìn)入0.3m甚高分辨率時(shí)代，意味著國(guó)際對(duì)地觀測(cè)市場(chǎng)將展開激烈競(jìng)爭(zhēng)。同時(shí)，歐、美高分辨率商業(yè)光學(xué)衛(wèi)星圖像定位精度全部?jī)?yōu)于5m，個(gè)別達(dá)到3.5m，在制圖精度方面占據(jù)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。歐、美衛(wèi)星譜段數(shù)量多，應(yīng)用更加精細(xì)化。可見，甚高分辨率、高圖像定位精度、多譜段已成為未來高端商業(yè)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的發(fā)展方向。