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來源：高端裝備發(fā)展研究中心 公眾號 導(dǎo)讀：高分辨率對地觀測衛(wèi)星，即通過搭載的光電儀器，利用可見光、紅外、高光譜和微波等探測手段，對人類生存所依賴的地球環(huán)境及人類活動本身進(jìn)行各種高分辨率探測活動的衛(wèi)星。高分辨率對地觀測衛(wèi)星由于視角高、觀測范圍廣、生存能力強(qiáng)、能夠長期穩(wěn)定運行等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于國土?海洋?氣象?測繪?軍事等領(lǐng)域，具有著重大的經(jīng)濟(jì)及軍事價值。 高分辨率包括高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率和高輻射分辨率（一般高分辨率主要指高空間分辨率），各部分具體要求如下表所示： 高分辨率
資料來源：市場調(diào)研 美國、歐洲、日本、印度等世界各主要國家和地區(qū)為搶占技術(shù)、市場制高點，都大力發(fā)展高分辨率對地觀測衛(wèi)星并取得了顯著成果。 1）美國WorldView系列衛(wèi)星 WorldView系列衛(wèi)星是美國數(shù)字地球公司（Gigital Globe，已被加拿大Maxar Technologies公司收購）為響應(yīng)全球最大的商業(yè)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)用戶—美國政府通過NGA（當(dāng)時名為國家圖像測繪局）提出的“下一代觀測”（NEXTVIEW）計劃而推出的下一代商業(yè)成像衛(wèi)星系統(tǒng)。 目前WorldView系列衛(wèi)星已發(fā)射四顆衛(wèi)星，WorldView-1于2007年9月18日發(fā)射成功，WorldView-2于2009年10月8日發(fā)射成功，WorldView-3于2014年8月13日發(fā)射成功。WorldView-4衛(wèi)星（前身為GEOEYE-2衛(wèi)星，2013年GeoEye與Gigital Globe合并后改名）于2016年11月搭乘美國擎天神5號運載火箭發(fā)射升空，在617公里的預(yù)期軌道高度運行，目前因控制力矩陀螺（CMG）故障導(dǎo)致無法收集圖像而報廢。 WorldView系列衛(wèi)星具體性能參數(shù)如下表所示： WorldView系列衛(wèi)星具體性能參數(shù) 資料來源：市場調(diào)研 WorldView系列衛(wèi)星分辨率對比如下圖所示，其中最新的WorldView-4是目前全球領(lǐng)先的超光譜、高分辨率商業(yè)衛(wèi)星。同WorldView-3一樣，WorldView-4能夠捕獲全色分辨率31厘米和多光譜分辨率1.24米的衛(wèi)星影像。此外，WorldView-4可以比WorldView-3更快地從一個目標(biāo)移動到另一個目標(biāo)，并且能夠存儲更多數(shù)據(jù)。WorldView-4衛(wèi)星的成功發(fā)射再一次大幅提高了DigitalGlobe星座群的整體數(shù)據(jù)采集能力，讓DigitalGlobe可以對地球上任意位置的平均拍攝頻率達(dá)到每天4.5次，且GSD小于1米。 WorldView系列衛(wèi)星分辨率對比圖 2）美國KH鎖眼系列衛(wèi)星 美國KeyHole“鎖眼”系列衛(wèi)星是美國軍用偵察衛(wèi)星，其中最新型KH-12衛(wèi)星是世界空間分辨率最高的衛(wèi)星，達(dá)到0.1m。KH鎖眼系列衛(wèi)星已發(fā)展了6代，目前主要服役的，是KH-11“迦南”和KH-12“迷蒙”。這兩型衛(wèi)星都由美國國家偵查局所（NRO）掌控，其第五十八區(qū)衛(wèi)星控制中心負(fù)責(zé)通過數(shù)據(jù)鏈獲得這些衛(wèi)星傳輸回來的圖像數(shù)據(jù)。 KH-11和KH-12，代表著是兩個不同的等級，為了保密的緣故，NRO從來都沒有公開過自己有多少顆間諜衛(wèi)星，但是可以確定的是，這些衛(wèi)星可以完整的檢測到地球表面的每一寸土地。 KH-11衛(wèi)星擁有多重的感知能力，第一重是照相能力。KH-11衛(wèi)星的主鏡面與哈勃望遠(yuǎn)鏡的主鏡面幾乎一致，前期的衛(wèi)星鏡片約為2.4米直徑，后期的越來越大，最后的鏡片型號約為3米直徑左右，更大的鏡片意味著更好的圖像采集能力。 哈勃望遠(yuǎn)鏡的示意圖，但其基本上和KH-11衛(wèi)星一樣 第二重能力則是紅外觀察能力，KH-11可以輕松地觀測一切發(fā)出熱量的物體，包括啟動的車輛發(fā)動機(jī)、工廠的煙囪等一系列的熱源。這使得常規(guī)的光學(xué)遮蔽幾乎毫無意義。另一方面，這種靈敏的能力可以其輕松的發(fā)現(xiàn)的各種導(dǎo)彈升空的跡象，尤其是彈道導(dǎo)彈，可以最快的美國彈道導(dǎo)彈防御局提供信息。 KH-11系列衛(wèi)星可能運行軌道如下圖所示，KH-11間諜衛(wèi)星一般是繞行經(jīng)過極地的太陽同步軌道，之所以要這么做，是為了其在拍攝物體的時候，太陽光角度基本一致，這樣就可以通過目標(biāo)的影子長度來判斷目標(biāo)的高度。 可能的KH-11系列衛(wèi)星運行軌道 之后的KH-12衛(wèi)星“朦朧”（misty）與KH-11互補(bǔ)使用，KH-12的結(jié)構(gòu)與KH-11基本相似，但是懸浮在同步軌道上。位于同步軌道的衛(wèi)星可以長時間的觀察某一個定點目標(biāo)，這幾乎可以為美國情報部門提供“直播式”的數(shù)據(jù)。 KH-12衛(wèi)星 KH-12衛(wèi)星重達(dá)15噸，價值10多億美元，設(shè)計壽命長達(dá)8年。KH-12衛(wèi)星既可以進(jìn)行大范圍的普查，又可以對小范圍進(jìn)行詳查；既能在白天進(jìn)行可見光照相，又能在夜晚進(jìn)行紅外照相。星載光學(xué)系統(tǒng)的相機(jī)鏡頭采用當(dāng)今最尖端的自適應(yīng)光學(xué)成像技術(shù)，可在計算機(jī)控制下改變主透鏡表面曲率，能有效補(bǔ)償大氣層造成的影像畸變，衛(wèi)星詳查時地面分辨率可達(dá)0.1米，這是世界上空間照相偵察迄今所能達(dá)到的最高水平，KH-12衛(wèi)星也因此有“極限攝像平臺”之稱。 衛(wèi)星上的紅外照相能力可使衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)地面?zhèn)窝b物、飛機(jī)發(fā)動機(jī)和煙火等熱源，能在光線不足或完全黑暗的條件下拍攝地面目標(biāo)。衛(wèi)星上還裝有電子偵察設(shè)備，在進(jìn)行照相偵察的同時，還可進(jìn)行電子偵察。KH-12衛(wèi)星具有極強(qiáng)的機(jī)動變軌能力，可在需要時迅速降低軌道，對熱點或可疑地區(qū)進(jìn)行仔細(xì)偵察。在變軌燃料用完后，可以由航天飛機(jī)在軌加以補(bǔ)充。衛(wèi)星獲取的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)經(jīng)由美軍的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星傳回地面站，可近實時地獲取偵察圖像。 最近的一顆KH-12衛(wèi)星在2012年由德爾塔IV運載火箭送入軌道，截至2018年，可以確定的KH-12的衛(wèi)星數(shù)量為三枚，但整個項目所花費的資金折合2018年美國價值達(dá)到了123億。這個價格與KH-11的后續(xù)型號價格基本相似?？梢哉f，這些火箭送上天的衛(wèi)星，各個價值都相當(dāng)于一艘完整的航空母艦。 3）美國長曲棍球雷達(dá)偵查衛(wèi)星 長曲棍球雷達(dá)偵查衛(wèi)星是美國為彌補(bǔ)光學(xué)偵察衛(wèi)星不足而研發(fā)的雷達(dá)成像衛(wèi)星，它不受光照條件限制，可以晝夜工作，不間斷地提供地面目標(biāo)圖像。 長曲棍球系統(tǒng)的開發(fā)于1983年獲得批準(zhǔn)，首星于1988年12月發(fā)射，其分辨率為1m，用于全天候全球偵察；1991年3月用“大力神4”火箭從范登堡發(fā)射場發(fā)射了“長曲棍球2”SAR衛(wèi)星，1997年10月23日用“大力神4”發(fā)射第三顆。據(jù)稱，前三顆屬于BLOCK 1，衛(wèi)星部署在57°和68°兩個不同的軌道傾角中，高度約為650 km，但衛(wèi)星偶爾會機(jī)動到不同的高度。從披露的照片來看，衛(wèi)星體積驚人。 在地面車間制造的長曲棍球衛(wèi)星 根據(jù)觀察人士的說法，該衛(wèi)星設(shè)計的顯著特征包括一個非常大的雷達(dá)天線和太陽能電池板。據(jù)報道，太陽能電池陣的翼展長度為42.5米左右，這表明雷達(dá)的可用功率可能在10到20千瓦的范圍，比民用SAR雷達(dá)的功率高出10倍。而天線類型，采用了前述第三種SAR天線形態(tài)——網(wǎng)狀拋物面天線，這種天線解決了剛性拋物面不便折疊、收藏的問題，一般要求網(wǎng)孔的直徑小于幾十分之一波長，如果工作在C波段，要求網(wǎng)孔大小在毫米量級，結(jié)合相控陣饋源，電掃能力更強(qiáng)。 美國著名的航空航天研究員Charles P. Vick繪制的長曲棍球1～3號的猜測圖 2000年、2005年美國發(fā)射了“長曲棍球”系列的第4和第5顆衛(wèi)星，據(jù)稱分辨率達(dá)到了0.3m。從Charles P. Vick畫的猜測圖來看，采用了兩幅SAR天線，雙側(cè)視，一次成像的范圍更大，供電的太陽能帆板面積也明顯增加。 不過也有分析稱，長曲棍球偵查衛(wèi)星采用了平板聚焦反射面天線，也稱平板拋物型天線（FLAPS，F(xiàn)lat Parabolic Surface）,配合微帶貼片相控陣饋源工作。長曲棍球偵查衛(wèi)星的繼任者被稱為未來圖像架構(gòu)（Future Imagery Architecture，F(xiàn)IA)。 長曲棍球4～5號的猜測圖 4）俄羅斯資源系列衛(wèi)星 資源-DK衛(wèi)星是俄羅斯第一顆能夠提供大約一米分辨率圖像的民用衛(wèi)星。衛(wèi)星于2006年發(fā)射，運行10年，于2016年2月停止服務(wù)。目前，資源計劃已經(jīng)更新至資源-P系列，資源-P星座是資源-DK衛(wèi)星的后繼計劃。 資源-DK衛(wèi)星 資源-P1衛(wèi)星于2013年6月發(fā)射成果，資源-P1搭載了OAO Krasnogorsky Zavod開發(fā)的Geoton-L1望遠(yuǎn)鏡，并為其配備了一個名為Sangur-1U的圖像存儲和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。Sangur-1U能將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后處理、壓縮并將此數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫l(wèi)星的無線電系統(tǒng)，用于下行鏈路到地面站。Geoton-L可在475公里的高度捕獲分辨率高達(dá)一米的全色圖像。可以以2到3米的分辨率產(chǎn)生光譜圖像。該衛(wèi)星還攜帶高光譜成像有效載荷，GSA和廣泛的多光譜相機(jī)系統(tǒng)，統(tǒng)稱為KShMSA。 資源-P2衛(wèi)星于2014年12月發(fā)射，它和資源-P1幾乎完全相同，不同在于資源-P2衛(wèi)星搭載了額外載荷—高能粒子探測器及AIS系統(tǒng)。資源-P2衛(wèi)星于2017年停止工作。
資源-P2衛(wèi)星結(jié)構(gòu)圖 資源-P3衛(wèi)星于2016年3月發(fā)射成功，設(shè)計壽命為5年，搭載情況和資源-P1衛(wèi)星相似。后續(xù)型號資源-PM衛(wèi)星計劃最早于2021年發(fā)射。 小結(jié) 國外高分辨率對地觀測衛(wèi)星發(fā)展較早，優(yōu)勢較為明顯，在高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率等方面都取得了較大成果。我國高分辨率對地觀測衛(wèi)星發(fā)展較晚，高分?jǐn)?shù)據(jù)市場長期被外國公司占領(lǐng)。雖然通過高分專項計劃，我國相關(guān)技術(shù)得到較大突破，但在市場、核心技術(shù)方面仍存在較大差距，發(fā)展空間廣闊。 主要參考文獻(xiàn): [1].Architecture of Earth observing satellites in next 10 years and beyond [2].Digital globe unveils plan for second world view satellite [3].http://www./resurs_p.html [4].WorldView-4衛(wèi)星 [5].淺聊美帝鎖眼系列光學(xué)偵察衛(wèi)星 [6].利刃.美國這系列間諜衛(wèi)星精度最高：可數(shù)清一支軍隊的人數(shù) [7].袁東.看天線，識衛(wèi)星——漫談衛(wèi)星天線 轉(zhuǎn)載內(nèi)容不代表本刊立場。如有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除。 |
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