面向测绘应用的遥感小卫星发展趋势分析

2019-04-16   来源:未知  
摘 要:针对当前遥感小卫星在我国民用测绘领域尚未进入业务服务阶段,其研制周期短、投资成本低、部署方式灵活、数据获取现势性强等优势未得到充分发挥的问题,该文阐述了国内外遥感小卫星应用发展现状,在此基础上分析了面向测绘应用的遥感小卫星发展趋势。在全球小卫星遥感产业发展势头迅猛的大背景下,面向立体测图应用的高分辨率遥感小卫星将具备更高的系统综合精度指标,通过多星组网和多网协同,实现对全球范围高分辨率遥感影像的及时获取、重点区域的高频次重访和动态地理环境监测,有利于提升卫星测绘产品服务的质量和效益,促进卫星应用的商业化、国际化发展和一系列关键技术的突破。本文的研究为我国测绘遥感卫星的后续发展提供了思路和借鉴。

关键词:遥感;小卫星;测绘应用;发展趋势

 

引言

      随着微电子和微机械技术的发展,全球掀起了研发和应用小卫星的热潮。小卫星已成为当前全球空间技术领域的研究热点与发展前沿之一。对于小卫星的定义和分类,目前国际上尚无确切统一的说法,一般以卫星质量作为划分依据,兼顾考虑卫星研制和发射乃至运行维护的价格,将质量小于1000kg的卫星视为广义上的小卫星。若按质量细分,可分为小卫星、微卫星、纳卫星、皮卫星等。小卫星星座(群)因具有研制周期短、投资运行成本低、部署方式灵活、重访频率高和数据采集能力强等优势,受到国际上航天、军事、工业部门及研究机构的普遍关注,应用覆盖遥感、通信、科学探索、空间态势感知和新技术实验等领域,服务对象涵盖政府部门、国防部门和商业用户。近年来,小卫星、低成本运载火箭、一箭多星、智能终端等技术的快速发展,使得进入空间和利用空间的成本门槛降低,许多新兴商业航天公司以全新的思维理念和运作方式开启了大规模商业小卫星星座发展计划,给传统的遥感卫星设计理念带来了巨大冲击,遥感新产品、新服务不断涌现。

      目前,我国城镇地区及重点区域目标的测绘产品制作仍然以航空摄影测量技术为主,影像的获取受天气和环境的影响较大,数据来源不稳定,覆盖率和更新频率也不能满足实际应用需求。随着卫星遥感应用的深入和测绘地理信息事业的转型,地理空间信息的获取需求已从全国定期静态普查向全球实时动态监测方向发展。我国现有的民用高分辨率测绘卫星以获取光学影像的大中型遥感卫星为主,具有平台稳定、多用途、功能强、立体测图精度高等优势;相比较而言,遥感小卫星在我国民用测绘领域尚未进入业务服务阶段,其研制周期短、星座和编队组网灵活、数据获取现势性强等优势未得到充分发挥。发展标准化、小型化、低成本、低风险、可批量生产的测绘遥感小卫星,推动构建多种分辨率、多种类型传感器互补的测绘遥感小卫星星座,形成大中型卫星与小型卫星并存、多星组网、协同应用的新局面,能够为大中比例尺基础测绘、地理国情常态化监测、全球地理信息资源建设、应急测绘保障和地理信息产业发展提供更有力的数据支撑。

 

1、遥感小卫星应用发展现状

1.1 全球遥感小卫星产业

      20世纪80年代以来,随着需求的不断增长,卫星的有效载荷不断增加,卫星质量变得越来越重,这也使得卫星的研制成本增大、研制周期漫长、风险不断增加。为降低卫星研发和制造成本、提升卫星的性能,欧美等发达国家从20世纪90年代开始启动开展了小卫星的研发工作,美国、英国、法国、德国等都逐渐拥有了小卫星系统,很多发展中国家也在以自主研发、国际合作等方式积极推进小卫星的研制和应用[9]。近年来,采用先进技术和设计理念的创新遥感小卫星星座不断涌现,高频次重访和动态监测成为遥感应用关注的重点。

      根据欧洲咨询公司最新发布的《小卫星市场预测》报告显示,航天领域和整个商业航天生态系统正在发生变革,小卫星发展势头迅猛,其中低轨商业对地观测遥感小卫星的增长幅度尤为明显。2006—2015年,全球累计共发射约260颗质量小于500kg的对地观测小卫星,其中质量小于10kg的卫星数量最多,2014年发射量达到顶峰,2015年数量稍微有所回落;质量在251~500kg区间的对地观测小卫星发展增速相对平缓,全球平均每年发射8颗左右。2016—2025年,全球预计将发射质量小于500kg的对地观测小卫星2100多颗,其中90%以上质量小于50kg,卫星制造和发射市场规模预计超过119亿美元。表1和表2给出了国外已发射和计划发射的部分遥感小卫星信息列表。未来10年乃至更长一段时间,遥感卫星将总体上呈现出小型化、微型化趋势,星座规模不断扩大。客户类型以商业用户为主,政府和国防部门其次。

 

表1 国外已发射的部分遥感小卫星列表(<500kg)

 

表2 国外计划发射的部分遥感小卫星列表(<500kg)

 

1.2 国际上遥感小卫星设计研制理念、运行管理和应用模式

      国际上遥感小卫星普遍采用平台载荷一体化构型设计,卫星系统遵循标准化、模块化和集成化的设计思路。空间分辨率不断提高,传感器观测谱段由可见光、近红外向短波红外、热红外、微波等拓展,光谱分辨率由全色遥感、多光谱遥感向高光谱遥感等拓展。灵巧视频成像作为一种新的态势感知手段被遥感小卫星广泛应用,数据应用从单幅影像处理向时序数据分析转变。

      在卫星研制方面,国外初创商业小卫星公司或自主研制遥感小卫星,或自主设计然后交由专业的小卫星制造商负责批量化制造,或只提出任务要求,由卫星制造商提供设计并竞标获得卫星制造合同。小卫星技术在欧美高校中发展迅猛,带动了科研水平和人才培养质量的全面提高,也极大地推动了航天技术发展。以英国萨瑞大学的萨瑞卫星技术有限公司(SSTL)为代表,其作为先驱者在低成本、高性能、长寿命的现代微小卫星技术研究和制造领域达到了国际领先水平,面向新兴市场需求发展小卫星平台及解决方案,形成了以光学遥感成像卫星为主打的核心产品,近年来在高分辨率SAR遥感和全彩色视频成像小卫星领域取得新突破,在培训新兴市场国家的小卫星制造能力方面SSTL也发挥了重要作用。

      除依靠政府提供免费或廉价的搭载发射机会之外,交由专门的火箭发射企业提供“一箭多星”商业发射服务也是遥感小卫星的主流发射方式。由于单纯依靠自有的卫星运营网络无法同时满足运管数十颗甚至数百颗小卫星的需求,这些商业公司大多采用自主运营和租用商业运管服务相结合的运行模式。卫星编队飞行技术已迈入实用化阶段。以信息化为主要特征的军事侦察应用极大地推动了小卫星星上实时处理技术的发展,如美国的TacSat 3、ORS-1等卫星就具备了天基遥感信息实时获取、处理和传输能力,能够实现空间信息快速响应。地面处理分析能力越来越受到重视和强化,通过与现代信息技术等深度融合,遥感小卫星应用逐渐面向更广泛的非专业用户群体。

      遥感小卫星星座(群)及其应用已成为商业资本进入航天遥感领域的切入点和聚焦点,其商业化程度的不断提升既表现在对海量地观测数据的获取、接收、处理和分析方面,也表现在为客户提供个性化的、可定制的信息服务方面。以美国为首的西方国家从战略、科研和产业政策等方面积极支持商业遥感小卫星的发展,并且走在了世界前列。近年来,众多初创商业小卫星公司相继进入市场并启动了大规模的商业遥感小卫星星座计划。同时,一些传统的卫星遥感商业公司也在积极地推动商业遥感卫星小型化发展,例如,美国DigitalGlobe公司正研制Worldview x  小卫星星座,单星质量小于250kg。兼顾个性需求的差异化发展战略是赢得市场竞争优势的突破口,例如,Skysat卫星质量约90kg,能够实现亚米级分辨率对地观测和视频成像;  “鸽群”Flock系列卫星质量则很轻,约3kg,传感器视场角小,分辨率在米级水平,但凭借在卫星数量上的优势,能够实现更短的重访周期。

 

1.3 国产遥感小卫星应用已进入快速增长期

      从21世纪初开始,国内众多企业、高等院校和科研院所逐步发展成为推动我国小卫星遥感系统技术创新和产业发展的重要力量,在小卫星设计、研制、运行服务、应用研究等方面具备了一定优势,在国际产学研合作与创新方面积累了丰富经验。近年来,CAST3000、CAST3000B  及在研的CAST4000等新一代小卫星通用平台在姿态轨道控制精度和轨道机动能力等方面较前代产品有质的提升,与国外先进水平的差距进一步缩小,国际竞争力显著增强。在政策和资金的扶持下,近两年由高校、企业等主导的遥感小卫星星座建设项目陆续启动,竞争日益激烈,国产遥感小卫星及应用进入了快速增长期。表3和表4列出了国内部分已发射和计划发射的遥感小卫星。

 

表3 我国已发射的部分遥感小卫星列表(<500kg)

 

表4 我国计划发射的部分遥感小卫星列表(<500kg)

 

      由哈尔滨工业大学卫星技术研究所研制的“快舟一号”  “快舟二号”在突发灾害监测等领域发挥了重要作用。由国防科技大学自主设计与研制的“天拓二号”视频微卫星为国产高分辨率视频成像卫星的发展奠定了基础。北京二号是由3颗高分辨率小卫星组成的民用商业遥感卫星星座(DMC-3),属于中国、英国合作项目,由SSTL承担研制,中国21世纪空间技术应用股份有限公司(21AT)承担其任务测控、运行管理、数据接收、产品生产和分发服务。由长光卫星技术有限公司负责研制和运营的吉林一号卫星星座现已初具规模,在轨卫星数量已达10颗,包括1颗光学遥感主星、1颗灵巧成像验证星和8颗视频卫星,其中视频卫星在彩色动态视频拍摄能力方面达到了较高水平;按照发射计划,到2020年在轨卫星数量将达到60  颗。四维世景科技限公司于2016  年12月和2018年1月分别发射了0.5m级高分辨率商业遥感小卫星高景一号01、02星和03、04星,4颗卫星组网运营后,可实现全球任意地点每天1~2次重访。2017年6月,“珠海一号”遥感微纳卫星星座的首批两颗视频卫星OVS-1A和OVS-1B成功发射,标志着国内由民营资本自行制造和运控的微纳卫星首次进入太空并开展商业化运营,该星座的后续视频卫星、高光谱卫星和雷达卫星也在发射计划中。由武汉大学与中国航天科技集团公司(CASC)联合设计研发的全球首颗专业夜光遥感卫星“珞珈一号”01星、多角度成像新体制雷达卫星“珞珈一号”02星预计分别于2018年、2019年发射。深圳中科遥感卫星有限公司提出了“深圳一号”低成本商业SAR遥感卫星星座计划,计划于2021年前逐步建成由8颗微小型SAR卫星组网而成的星座,具备重访周期短、多成像模式、分辨率高等特点,可应用于城市安全及重大工程动态监测、地质灾害动态监测、地理国情监测、城市三维建模等多个领域,届时将极大地改善我国商业SAR卫星资源少、价格高昂、被国外卫星垄断的现状,推进卫星遥感空间大数据产业化。

 

1.4 国产遥感小卫星应用的商业化、产业化正处于起步阶段

      尽管国产遥感小卫星在国民经济和国防领域的应用已进入快速增长期,并且成为我国最具潜力的卫星出口产品之一,但是其商业化、产业化发展尚处于起步阶段,与欧美先进水平仍有明显差距,下游应用市场的成熟度不高,规模也相对较小。近年来,在国家政策的鼓励支持下,民营和社会资本积极投资遥感小卫星研制及商业化项目,下游用户主体的多元化格局正逐渐形成。目前相对于皮纳卫星,国内微小卫星的业务化服务成熟度更高、市场应用价值更大、产业化能力更强;随着技术的进步和性能的提升以及商业模式的创新,国产皮纳遥感卫星的市场空间也有望得到拓展。总体上看,国产遥感小卫星应用正处在产业化初期,商业化趋势日渐明显,市场潜力巨大,迫切需要创新思维模式和发展理念,从提升经济和技术实用性出发,突破标准化和批量化研制、多星低成本发射、多星编队组网、数据处理与增值服务、数据挖掘应用等关键技术,既要面向市场需求尽可能多地采用成熟技术,压缩研制周期,提高整体可靠性,又要从战略布局出发对引领性的技术进行集中攻关,体现技术先进性,避免同质化竞争,以此确立未来的市场定位。

 

2 向测绘应用的遥感小卫星发展趋势分析

      影响遥感卫星测图精度的因素有很多,平台不同,传感器不同,获取的数据源不同,最终的测图成果精度也会不同。从体积和质量看,已发射的资源三号01星、资源三号02星,以及后续发射的高分七号卫星、资源三号03星等测绘遥感卫星属于大中型遥感卫星,单个卫星平台搭载了多个对地观测有效载荷以此完成多种对地观测功能,具有成像系统畸变小、姿轨控精度和平台稳定度高等优势。为更好地满足测绘主体业务和地理信息产业发展对自主高分辨率遥感信息的迫切需求,进一步提高测绘地理信息服务供给体系的质量和效益,有必要充分发挥遥感小卫星研制周期短、部署灵活、数据采集能力强等优势,加快推进测绘遥感小卫星的发展和应用,使之成为大中型遥感卫星测绘的有益补充。

 

2.1 面向立体测图应用

      测绘遥感小卫星的一个重要特征,就是要满足立体测绘要求。以高精度立体测图和几何定位为目标的高分辨率对地观测任务,要求卫星平台提供至少10-4 度/秒量级的姿态稳定度和优于0.01度(三轴,σ)的指向精度,具有姿态快速机动和高精度稳定能力,对传感器的分辨率、幅宽、谱段设置等也有一定要求。尽管微纳卫星(质量小于50kg)有批量化生产的数量优势,可用于大规模、低成本、定期全覆盖的数据采集和监测服务,但由于受成本、体积、功耗等条件限制,一般对测控和定标技术要求较低,难以满足对卫星综合精度要求更高的测绘遥感应用需求。可以预测测绘遥感小卫星的质量一般不会太小,单星质量在50~500kg之间有望成为未来的发展趋势。

 

2.2 向精细化、星座化、系统化发展

      为实现定量化、精细化遥感,卫星传感器观测谱段由可见光、近红外向短波红外、高光谱、微波等拓展,探测方式由被动遥感向主动遥感拓展,分辨率由米级、亚米级向分米级拓展。在统筹考虑单星成本、数据获取效率和卫星数量的基础上,发展高分辨率光学遥感小卫星星座、干涉SAR遥感小卫星星座、光学/干涉SAR混编遥感小卫星星座,能够更高效地获取全球范围的高分辨率遥感影像,实现对重点区域目标的高频次重访和动态地理环境监测,生产大中比例尺测绘产品和其他各类专题产品,为测绘地理信息公益性保障、企业用户、大众用户等提供高精度、近实时的地理空间信息服务,促进卫星应用产业化、国际化发展。

 

2.3 突破关键技术,提升我国航天遥感水平

      在推动测绘遥感小卫星发展应用的过程中,需要开展针对光学、SAR等不同有效载荷的遥感小卫星测绘新体制和构型设计研究;开展有效载荷高精度实验室定标和集成化、小型化技术攻关;开展高精度姿态稳定技术、高可靠性姿态测量技术和自主定轨技术攻关,降低相应的器件研制成本;开展高功率太阳能电池阵和高效蓄电池研发,攻克制约小卫星能力的能源瓶颈问题;开展与有效载荷密切相关的数据实时压缩、星上数据处理、高速数据传输等技术研究;开展多星地面检校、数据精细化处理与智能分析技术研究,实现与大中型测绘遥感卫星的协同应用,提高卫星应用服务效能等。这些技术难题的突破,将带动我国航天遥感整体水平的提升。

 

结束语

      当前,全球小卫星遥感产业初具规模且发展势头迅猛,卫星设计研制理念、运行管理和应用模式不断创新。近年来,我国经济社会发展和国防现代化建设需求的不断增长,成为国产遥感小卫星技术创新和产业发展的重要推动力。可以预见,随着技术的进步和事业的转型,遥感小卫星的发展与应用必将向测绘领域加速拓展,与大中型遥感卫星测绘实现协同互补,进而为测绘地理信息公益性保障、企业用户、大众用户等提供响应更及时、信息量更全面、数据质量更高、覆盖范围更广的卫星测绘产品服务,进一步提升测绘地理信息服务保障水平。

 
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