● 文|中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院 朱厲洪 回征 任德鋒 陶孝鋒

視頻成像衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀與啟示

● 文|中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院 朱厲洪 回征 任德鋒 陶孝鋒

一、概述

視頻衛(wèi)星是一種新型對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，可以采用“凝視”的方式對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行連續(xù)觀察，并以視頻的方式來(lái)記錄觀察信息，特別適用于動(dòng)態(tài)目標(biāo)的觀測(cè)。所謂“凝視”是指隨著衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)，光學(xué)成像系統(tǒng)始終盯住某一目標(biāo)區(qū)域，可以連續(xù)觀察視場(chǎng)內(nèi)的變化。其優(yōu)點(diǎn)在于可同時(shí)連續(xù)觀測(cè)全視場(chǎng)內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象，能實(shí)時(shí)、定點(diǎn)地觀測(cè)；可靈活、機(jī)動(dòng)地獲得圖像，根據(jù)用戶需要直接定制圖像；凝視模式無(wú)需機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)，可減輕衛(wèi)星的質(zhì)量和功耗[1]。

當(dāng)前主要有兩種手段實(shí)現(xiàn)“凝視”[2]：一是采用靜止軌道光學(xué)成像衛(wèi)星；二是采用具備較高姿態(tài)敏捷能力或具備圖像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償能力的低軌光學(xué)成像衛(wèi)星，見圖1。靜止軌道衛(wèi)星由于軌道動(dòng)力學(xué)特性，衛(wèi)星與地面相對(duì)靜止，從而實(shí)現(xiàn)凝視。但為了在高軌實(shí)現(xiàn)米級(jí)地面分辨率，其成像系統(tǒng)口徑必須足夠大，目前美、歐正在積極研制大口徑（至少大于4m）光學(xué)成像系統(tǒng)。而對(duì)于低軌衛(wèi)星而言，其利用平臺(tái)的高敏捷能力來(lái)實(shí)現(xiàn)“凝視”，典型代表為印尼與德國(guó)合作研制的“印度尼西亞國(guó)家航空航天研究所-柏林技術(shù)大學(xué)衛(wèi)星”（LAPAN-Tubsat）和美國(guó)“天空衛(wèi)星”等。

圖1 低軌目標(biāo)凝視示意圖

我國(guó)由國(guó)防科技大學(xué)設(shè)計(jì)、聯(lián)合中國(guó)空間技術(shù)研究院生產(chǎn)的“天拓二號(hào)”視頻微衛(wèi)星，于2014年9月8日發(fā)射升空，準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道。其主要任務(wù)是進(jìn)行視頻成像與實(shí)時(shí)傳輸、動(dòng)態(tài)目標(biāo)連續(xù)跟蹤觀測(cè)等科學(xué)試驗(yàn)，為發(fā)展高分辨率視頻成像衛(wèi)星奠定技術(shù)基礎(chǔ)。是我國(guó)繼研制成功世界上首顆單板納星——“天拓一號(hào)”之后，在航天領(lǐng)域取得的又一重要?jiǎng)?chuàng)新成果[3]。

二、視頻成像衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

1.靜止軌道視頻衛(wèi)星

地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星“站得高、看的遠(yuǎn)”，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地球表面移動(dòng)目標(biāo)的偵查監(jiān)視、地球各種自然要素的長(zhǎng)期演變監(jiān)視等，能在感興趣的區(qū)域內(nèi)拍攝單目標(biāo)乃至多個(gè)活動(dòng)目標(biāo)的視頻，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)偵察衛(wèi)星的時(shí)間分辨率低和覆蓋范圍小等問(wèn)題，在動(dòng)目標(biāo)監(jiān)視和變化監(jiān)測(cè)上具有廣闊的應(yīng)用前景。

(1)美國(guó)“莫爾紋”

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）為了解決靜止軌道光學(xué)偵察衛(wèi)星的技術(shù)難題，提出使用可折疊伸展的光學(xué)薄膜，在軌道上展開作為衛(wèi)星光學(xué)系統(tǒng)的物鏡，滿足靜止軌道高分辨率成像苛刻要求的方案，這就是著名的薄膜光學(xué)成像儀實(shí)時(shí)利用（MOIRE）項(xiàng)目，一次可覆蓋40%的地表區(qū)域，能夠在任何時(shí)間傳輸世界上任何地點(diǎn)的實(shí)時(shí)高清晰影像，圖2為“莫爾紋“項(xiàng)目示意圖。

圖2“莫爾紋”項(xiàng)目示意圖

MOIRE采用了巨型薄膜結(jié)構(gòu)，薄膜厚度與家用保鮮膜相當(dāng)，采用衍射成像技術(shù)。先以折疊形式被送入軌道，然后在太空中伸展到直徑68英尺（20.7m）。目前，體積最大的地面望遠(yuǎn)鏡的口徑只有它的一半，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的口徑比它小8英尺（2.4m）。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局已于2010年8月授出了“莫爾紋”項(xiàng)目的研制合同，目前宣稱的業(yè)務(wù)系統(tǒng)成本約5億美元，系統(tǒng)能夠在靜止軌道實(shí)現(xiàn)1m的高分辨率，視場(chǎng)為10km×10km，成像速率1幅/s，可提供實(shí)時(shí)地部隊(duì)移動(dòng)監(jiān)視、跟蹤和戰(zhàn)場(chǎng)破壞評(píng)估（BDA），最終達(dá)到導(dǎo)彈發(fā)射探測(cè)和跟蹤的能力。

2013年12月,美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局已經(jīng)對(duì)MOIRE衛(wèi)星原型進(jìn)行地面測(cè)試，但還沒(méi)有確定具體發(fā)射時(shí)間。

（2） 歐洲“GO3S”衛(wèi)星

2009 年，阿斯特留姆（Astrium）完成了10.5m分辨率的“靜止軌道-眼睛” 星（Geo- Oculus）設(shè)計(jì)方案論證工作。2011 年，該公司在巴黎航展上展示了“地球靜止軌道空間監(jiān)視系統(tǒng)”（GO3S）衛(wèi)星項(xiàng)目。GO3S 衛(wèi)星的分辨率為3m，主鏡口徑達(dá)到4m，可拍攝視頻影像，實(shí)時(shí)監(jiān)視移動(dòng)目標(biāo)。2013年3月，新加坡表示可能為該衛(wèi)星的研制進(jìn)行投資，如果該意向得到落實(shí)，Astrium將于2016年開始制造衛(wèi)星，并于2020年發(fā)射[4]。2顆衛(wèi)星示意圖見圖3。

圖3 Geo-Oculus衛(wèi)星示意圖（左）和GO3S衛(wèi)星示意圖（右）

“靜止軌道監(jiān)視系統(tǒng)“（GO3S）衛(wèi)星是歐洲Astrium公司從2011年開始發(fā)展的3m分辨率靜止軌道光學(xué)成像衛(wèi)星，其具備100km幅寬，5幀/s視頻拍攝能力，裝配4m口徑的光學(xué)成像系統(tǒng)，衛(wèi)星質(zhì)量約8t。

GO3S衛(wèi)星有3個(gè)視頻工作模式?！巴话l(fā)”模式（快速連拍模式）是在短時(shí)間內(nèi)以較高的幀速率拍攝視頻，該模式用于快速獲取時(shí)敏目標(biāo)的速度、方向等瞬時(shí)特性；“持續(xù)視頻”模式（短片視頻模式）是在數(shù)分鐘的拍攝時(shí)間內(nèi)以較高幀速率拍攝視頻，盡管達(dá)不到24幀/s的真正視頻效果，但該模式盡量使每幀圖像連貫起來(lái)；“時(shí)延視頻”模式是以一定時(shí)間間隔（如分鐘、數(shù)小時(shí)或天）拍攝視頻，這種模式主要用于跟蹤艦船，也可用于獲取海洋環(huán)境的長(zhǎng)時(shí)間演化特性。后兩者可用于長(zhǎng)期獲取海洋環(huán)境等長(zhǎng)時(shí)間演化特性。

2.低軌視頻衛(wèi)星

低軌道視頻衛(wèi)星具有高敏捷性、持續(xù)觀測(cè)和低成本的特點(diǎn)，在對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的跟蹤和監(jiān)測(cè)方面具有很廣泛的應(yīng)用潛力[5]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了眾多能夠拍攝視頻的低軌道衛(wèi)星，例如印度尼西亞于2007年1月10日發(fā)射的“印度尼西亞國(guó)家航空航天研究所-柏林技術(shù)大學(xué)衛(wèi)星”（LAPAN-TUBSAT），南非于2009年9月發(fā)射了與LAPAN-TUBSAT類似的小衛(wèi)星Sumbandliasat，美國(guó)于2013年11月發(fā)射了分辨率約1m的“天空衛(wèi)星-1”業(yè)務(wù)型視頻衛(wèi)星等，我國(guó)也于2014年9月發(fā)射了首顆視頻衛(wèi)星。

（1）LAPAN-TUBSAT衛(wèi)星

LAPAN-TUBSAT衛(wèi)星，是印度尼西亞與德國(guó)柏林技術(shù)大學(xué)從2003年開始合作研制的微衛(wèi)星。在德國(guó)DLR-Tubsat的基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)，主要用于對(duì)地觀測(cè)和高度控制試驗(yàn)，屬于試驗(yàn)星。衛(wèi)星的尺寸為45cm×45cm×27cm，三軸穩(wěn)定，質(zhì)量為56kg，位于太陽(yáng)同步軌道，高度為635km，設(shè)計(jì)壽命2年。有效載荷為1臺(tái)高分辨率攝像機(jī)和1臺(tái)低分辨率攝像機(jī)。高分辨率攝像機(jī)主要由索尼公司的高清晰度DXC-990P型民用可遙控?cái)z像機(jī)和尼康公司制造的焦距1m、相對(duì)孔徑f/11的折射望遠(yuǎn)鏡組成，包括支撐結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為7.8kg?？臻g分辨率為6m，幅寬為3.5km，見圖4。

DXC-990P是1臺(tái)可換鏡頭式3CCD攝像機(jī)，每塊CCD的像元數(shù)為752×582，合430萬(wàn)像素，像元尺寸為7μm。另外，DXC-990P監(jiān)控?cái)z像機(jī)采用了Exwave HAD技術(shù)，適于光照強(qiáng)度大范圍變化的場(chǎng)合使用，如存在部分云覆蓋的目標(biāo)區(qū)域。該攝像機(jī)的行掃描速度為15.625KHz，列掃描速度為50Hz，可以產(chǎn)生50幀/s的視頻，輸出清晰度達(dá)到850線，輸出格式為PAL制式。

圖4 LAPAN-TUBSAT衛(wèi)星

低分辨率攝像機(jī)由德國(guó)Kappa公司研制，使用50mm焦距鏡頭，采用752像素×582像素CCD面陣探測(cè)器，空間分辨率200m，幅寬81km。

（2）LAPAN-A2衛(wèi)星

印度尼西亞國(guó)家航空航天研究所-A2（LAPAN-A2）衛(wèi)星是在LAPAN-TUBSAT的基礎(chǔ)上進(jìn)行研制的，計(jì)劃于2015年發(fā)射[6]。該衛(wèi)星帶有一個(gè)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS），用于確定在印度尼西亞水域上的船舶的類型和編號(hào)等，其監(jiān)視的覆蓋范圍是LAPAN-TUBSAT衛(wèi)星的3倍[7]，見圖5。

圖5 印度尼西亞國(guó)家航空航天研究所-A2衛(wèi)星結(jié)構(gòu)透視圖

衛(wèi)星運(yùn)行在近赤道軌道，高度650km，傾角8°，平臺(tái)尺寸為47cm×50cm×36cm，發(fā)射質(zhì)量76kg。在俯仰和滾動(dòng)向可側(cè)擺機(jī)動(dòng)±30°。它共攜帶4個(gè)有效載荷，包括與印度尼西亞國(guó)家航空航天研究所-柏林技術(shù)大學(xué)衛(wèi)星相同的視頻相機(jī)、試驗(yàn)型空間數(shù)字相機(jī)、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)和無(wú)線電通信載荷。研制成本約350萬(wàn)美元。試驗(yàn)型空間數(shù)字相機(jī)基于德國(guó)西塔系統(tǒng)電子股份有限公司（Theta System Elektronik-GmbH）的名稱為C4000型空間攝像機(jī)（SpaceCam）商業(yè)現(xiàn)貨研制，空間分辨率6m，幅寬12km。

（3）天空衛(wèi)星

美國(guó)天空盒子（Skybox）公司計(jì)劃在低地球軌道部署名為“天空衛(wèi)星”（SkySat）的對(duì)地觀測(cè)星座，該星座由24顆小衛(wèi)星構(gòu)成，見圖6。它們采用“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”（CMOS）成像敏感器，具有高分辨率成像和高清視頻能力，目前已完成了前2顆業(yè)務(wù)星部署[8]。2013年11月21日“天空衛(wèi)星”星座的首發(fā)星天空衛(wèi)星-1成功發(fā)射，該衛(wèi)星除硬件先進(jìn)外，還采用了地面圖像處理等軟件技術(shù)。

圖6 天空衛(wèi)星星座示意圖

天空衛(wèi)星-1質(zhì)量約100kg，設(shè)計(jì)壽命6年，運(yùn)行在近地點(diǎn)563km、遠(yuǎn)地點(diǎn)597km的太陽(yáng)同步軌道。攜帶碳化硅制造的里奇-克萊琴（R-C）反射光學(xué)成像系統(tǒng)。天空衛(wèi)星-1在成像模式工作時(shí)，其全色分辨率0.9m，4譜段多光譜分辨率2m，幅寬8km；在視頻模式工作時(shí)，只能提供全色視頻，分辨率1.1m，幅寬2km×1.1km，可見視頻產(chǎn)品的幅寬比成像模式時(shí)的幅寬下降3倍。視頻30幀/S，持續(xù)時(shí)間90s，輸出H.264編碼的1080P高清MPEG4格式視頻。天空衛(wèi)星-2與天空衛(wèi)星-1設(shè)計(jì)完全一致，于2014年7月8日搭乘聯(lián)盟-2-1b（Soyuz-2-1b）火箭進(jìn)入近地點(diǎn)623km、遠(yuǎn)地點(diǎn)637km的太陽(yáng)同步軌道。

空間相機(jī)拍攝高幀速率視頻對(duì)探測(cè)器所需的積分時(shí)間和電路讀出時(shí)間的要求比拍攝傳統(tǒng)靜態(tài)圖像的要求高。拍攝視頻要求在較短的積分時(shí)間內(nèi)滿足圖像信噪比的要求。傳統(tǒng)的線陣探測(cè)器難以滿足這一要求，因此天空衛(wèi)星-1使用550萬(wàn)像素的CMOS面陣探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)畫幅式推掃成像。根據(jù)天空盒子公司公布的有限資料推測(cè)，“天空衛(wèi)星”使用了錯(cuò)位排列拼接的CMOS面陣探測(cè)器。使用拼接陣列的原因通常是受限于當(dāng)時(shí)的探測(cè)器加工技術(shù)，難以制造像素?cái)?shù)多的探測(cè)器，因此采用拼接，以擴(kuò)大觀測(cè)幅寬。由于面陣探測(cè)器單次成像面積比線陣探測(cè)器大，因此同一目標(biāo)區(qū)域可以獲得多次拍攝機(jī)會(huì)，通過(guò)多幅圖像疊加處理，提高了信噪比。

天空衛(wèi)星-2[9]于2014年7月8日由俄羅斯聯(lián)邦-2.1b/微風(fēng)-M火箭送入太空，在軌高度450km，質(zhì)量約100kg，用于獲得高分辨率全色和多光譜地球圖像。它比第一顆增加了肼推進(jìn)系統(tǒng)，以進(jìn)行軌道控制。它所攜帶的光學(xué)成像儀覆蓋全色450～900nm頻段，全色分辨率0.9m；4個(gè)多光譜通道覆蓋藍(lán)450～515nm，綠515～595nm，紅605～695nm，近紅外740～900nm頻段，分辨率2m，幅寬8km，支持立體成像。衛(wèi)星在全色模式最長(zhǎng)可獲取90s的高清視頻，通過(guò)快速瞄準(zhǔn)地面目標(biāo)、補(bǔ)償軌道運(yùn)動(dòng)持續(xù)觀測(cè)地面目標(biāo)，視頻獲取可實(shí)現(xiàn)30幀/s，分辨率1.1m，最小視場(chǎng)2.0km×1.1km。

為了實(shí)現(xiàn)“凝視”以拍攝視頻，“天空衛(wèi)星”能夠在俯仰、滾動(dòng)和偏航3個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)側(cè)擺機(jī)動(dòng)。同時(shí)CMOS探測(cè)器還具有前后左右4個(gè)方向的自由度，配合平臺(tái)的3個(gè)自由度，共計(jì)7個(gè)自由度，由此實(shí)現(xiàn)圖像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，從而加強(qiáng)了凝視效果。

2014年2月10日，天空盒子公司與美國(guó)勞拉空間系統(tǒng)（SSL）公司宣布簽訂了一項(xiàng)衛(wèi)星制造合同。根據(jù)合同要求，勞拉空間系統(tǒng)公司將利用天空盒子公司提供的衛(wèi)星設(shè)計(jì)方案為其制造13顆商業(yè)高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星。這些衛(wèi)星單星質(zhì)量約120kg，尺寸為60cm×60cm× 95cm，設(shè)計(jì)壽命超過(guò)6年，計(jì)劃于2015-2016年發(fā)射，進(jìn)入高度約500km的太陽(yáng)同步軌道。勞拉空間系統(tǒng)公司研制的這13顆衛(wèi)星沿用天空衛(wèi)星-1的設(shè)計(jì)方案和相關(guān)技術(shù)，軌道比天空衛(wèi)星-1軌道偏低，因此空間分辨率有所提高，預(yù)計(jì)約為0.8m。待這13顆衛(wèi)星發(fā)射入軌后，其構(gòu)成的“天空衛(wèi)星”星座將具備對(duì)地面指定區(qū)域8h重訪成像的能力。

用戶無(wú)需建設(shè)地面站，只需要一部小型化“天空節(jié)點(diǎn)”（SkyNode）終端和2.4m 直徑的衛(wèi)星天線，就可直接下達(dá)成像指令和下載衛(wèi)星數(shù)據(jù)，最快20min 即可完成圖像處理。利用視頻特征提取技術(shù)，用戶可自行定制多樣化的特色應(yīng)用。例如：通過(guò)計(jì)算停車場(chǎng)的車輛數(shù)量，得出商場(chǎng)、超市等商業(yè)場(chǎng)所的客流量或經(jīng)營(yíng)狀況；通過(guò)計(jì)算道路上行駛的車輛數(shù)量，分析交通擁堵、尾氣排放等信息；跟蹤和識(shí)別水面船只，包括船只的類型（大、中、?。?、長(zhǎng)度和重量等信息等。

（4）V1C型小衛(wèi)星

2014年4月，薩瑞美國(guó)（SST-US）公司發(fā)布了其新近研制的具有彩色視頻成像能力的V1C型小衛(wèi)星。

V1C型小衛(wèi)星價(jià)格低于2000萬(wàn)美元，星下點(diǎn)空間分辨率優(yōu)于1m，地面幅寬為10km，幀頻高達(dá)100幀/s。V1C型衛(wèi)星基于薩瑞公司新近推出的SSTL-X50衛(wèi)星平臺(tái)研制，具有星上大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。此外，薩瑞美國(guó)公司還推出了具有0. 5m分辨率光學(xué)成像能力的L1型衛(wèi)星。V1C型衛(wèi)星和L1型衛(wèi)星具有任務(wù)可再配置能力，可以應(yīng)用在一系列情報(bào)收集領(lǐng)域，如監(jiān)視、探測(cè)和確認(rèn)等。

根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量不同，V1C型衛(wèi)星可構(gòu)成多種不同的星座構(gòu)型，如以30～60min的時(shí)間間隔部署在同一軌道，以便于在每天特定時(shí)段提供近實(shí)時(shí)的視頻覆蓋。

（5）地球直播公司的“國(guó)際空間站”高分辨率視頻相機(jī)項(xiàng)目

2013年11月25日，加拿大地球直播（Urthecast）公司的兩部光學(xué)成像系統(tǒng)-高分辨率相機(jī)和中分辨率相機(jī)，由俄羅斯“進(jìn)步”貨運(yùn)飛船送往“國(guó)際空間站”。2014年1月27日，高分辨率相機(jī)和中分辨率相機(jī)在“國(guó)際空間站”的俄羅斯星辰號(hào)服務(wù)艙上成功安裝。

其中高分辨率相機(jī)由英國(guó)盧瑟福-阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室（RAL）與加拿大麥德（MDA）公司合作研制，安裝在二維轉(zhuǎn)向平臺(tái)上，分辨率為1.1m，視場(chǎng)為5km×3.4km，采用3048像素×4560像素的面陣探測(cè)器，能夠拍攝單幅圖像和幀速率3.25fps（1fps=0.304m/s）的視頻，高分辨率相機(jī)每天可產(chǎn)出150段（每段90s）的視頻。中分辨率相機(jī)（MRC）天底點(diǎn)指向時(shí)分辨率為5m，幅寬為45km，安裝在固定平臺(tái)上，可對(duì)南北緯51.60范圍內(nèi)拍攝多光譜圖像。未壓縮的視頻和圖像數(shù)據(jù)經(jīng)相機(jī)采集后，通過(guò)地面站傳給大容量的服務(wù)器，用戶可以通過(guò)在網(wǎng)站上免費(fèi)注冊(cè)來(lái)共享這些圖像和視頻。

UrtheCast還計(jì)劃于2017年在“國(guó)際空間站”的寧?kù)o號(hào)節(jié)點(diǎn)艙上安裝遙感相機(jī)和雷達(dá)成像載荷。

3.我國(guó)視頻衛(wèi)星現(xiàn)狀

繼美國(guó)Skybox Imaging 公司在衛(wèi)星實(shí)時(shí)圖像和視頻監(jiān)控領(lǐng)域探索可行的商業(yè)和民用價(jià)值之后，中國(guó)也已叩開這扇門?！疤焱囟?hào)”是我國(guó)首顆采用視頻成像體制的微衛(wèi)星，見圖7。

圖7 天拓-2衛(wèi)星

“天拓二號(hào)”衛(wèi)星運(yùn)行于太陽(yáng)同步近圓軌道，尺寸為515mm×524mm×685mm，質(zhì)量為67kg，有效載荷為4臺(tái)不同性能的攝像機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)地最高5m分辨率的視頻成像。其主要任務(wù)是進(jìn)行視頻成像與實(shí)時(shí)傳輸、動(dòng)態(tài)目標(biāo)連續(xù)跟蹤觀測(cè)等科學(xué)試驗(yàn)，為發(fā)展高分辨率視頻成像衛(wèi)星奠定技術(shù)基礎(chǔ)?！疤焱囟?hào)”的研制成功并進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行，是國(guó)防科大繼研制成功世界上首顆單板納星——“天拓一號(hào)”之后，在航天領(lǐng)域取得的又一重要?jiǎng)?chuàng)新成果。

“天拓二號(hào)”采用視頻成像和視頻圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)墓ぷ鞣绞剑哂袑?shí)時(shí)視頻成像、人在回路交互式操作、基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程操作控制等功能，能實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的連續(xù)觀測(cè)和跟蹤，獲取觀測(cè)區(qū)域的視頻數(shù)據(jù)，能以25幀/s的速度對(duì)某處拍攝3min的影像。據(jù)介紹，“天拓二號(hào)”采用了80%的工業(yè)級(jí)元器件和70%的商業(yè)現(xiàn)貨部組件，科研人員通過(guò)空間環(huán)境適應(yīng)性改造、加固、篩選與環(huán)境實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星研制的低成本和高可靠，在視頻成像體制、交互式操作、網(wǎng)絡(luò)操控、工業(yè)級(jí)元器件篩選及加固等方面，取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，“天拓二號(hào)”視頻衛(wèi)星作為一種新型對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，在資源普查、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)事件觀測(cè)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

三、發(fā)展趨勢(shì)

（1）視頻衛(wèi)星從技術(shù)試驗(yàn)向業(yè)務(wù)型應(yīng)用過(guò)渡

2007年發(fā)射的LAPAN-TUBSAT和2009年發(fā)射的Sumbandliasat尚屬于技術(shù)試驗(yàn)星，但隨著小衛(wèi)星技術(shù)、大像元數(shù)面陣探測(cè)器以及圖像處理等技術(shù)的發(fā)展，高分辨率的視頻小衛(wèi)星得以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前，還有公司構(gòu)想利用“圖像”來(lái)獲取“信息”，例如，找到輸油管道上的漏油點(diǎn)，或者統(tǒng)計(jì)出沃爾瑪超市停車場(chǎng)中停車的數(shù)量，從而估計(jì)出該公司的季報(bào)盈利情況。

（2）地球靜止軌道高分辨率對(duì)地觀測(cè)得到重視

高軌視頻衛(wèi)星具有覆蓋范圍廣、能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。由于GEO軌道高度約36000km，成像物距是LEO軌道的數(shù)十倍，獲得高分辨率的成像成為了挑戰(zhàn)。根據(jù)美、歐計(jì)算，在靜止軌道實(shí)現(xiàn)1m分辨率至少要求光學(xué)系統(tǒng)的口徑達(dá)到13m，現(xiàn)階段美、歐單體空間反射鏡制造水平在3～4m水平，僅能達(dá)到星下點(diǎn)3m的空間分辨率，因此當(dāng)前只能滿足部分軍事應(yīng)用需求，如艦船監(jiān)視等。但隨著分塊可成像、衍射成像等技術(shù)的發(fā)展，GEO高分辨衛(wèi)星成為了可能，例如，2010年3月，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）啟動(dòng)了薄膜光學(xué)成像器實(shí)時(shí)應(yīng)用（MOIRE）計(jì)劃，用衍射成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)靜止軌道1m分辨率成像，物鏡口徑20m。

（3）星座組網(wǎng)的方式成為趨勢(shì)

通過(guò)多顆低軌小衛(wèi)星組成星座的方式，既能獲得高空間分辨率、高時(shí)間分辨率，增加覆蓋面，又能互為備份，提高系統(tǒng)的生存能力和空間體系的彈性，實(shí)現(xiàn)單顆大衛(wèi)星難以實(shí)現(xiàn)的功能和性能[10]。

（4）載荷向智能化方向發(fā)展

為向用戶提供更實(shí)時(shí)、更便利的服務(wù)，高分辨率對(duì)地觀測(cè)載荷開始向智能化方向發(fā)展：可實(shí)現(xiàn)無(wú)地面控制點(diǎn)的幾何定位，具體圖像在軌處理能力，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化目標(biāo)識(shí)別和分類，以及有用信息在軌提取等[11]。

四、總結(jié)與啟示

1）相對(duì)于靜止圖像而言，視頻成像最大的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的持續(xù)監(jiān)視和對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的長(zhǎng)期跟蹤。而目前發(fā)展的低軌視頻成像系統(tǒng)由于受軌道條件約束，導(dǎo)致這一優(yōu)勢(shì)難以充分發(fā)揮。Skybox公司計(jì)劃發(fā)射24顆SkySat衛(wèi)星組成星座，隨著在軌衛(wèi)星數(shù)量的增加，SkySat星座的重訪周期可縮短至8小時(shí)左右。而Iris相機(jī)得益于“國(guó)際空間站”的軌道設(shè)計(jì)，重訪周期僅約為90min。薩瑞公司則表示，通過(guò)合理的星座配置，多顆Surrey-V1C衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)30～60min的重訪周期。但即便如此，低軌視頻成像系統(tǒng)仍始終無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的連續(xù)觀測(cè)。因此，如何克服視頻長(zhǎng)度短、重訪周期長(zhǎng)的問(wèn)題需要進(jìn)一步的研究。

2）隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)衛(wèi)星來(lái)獲得高分辨率的視頻圖像得以實(shí)現(xiàn)，然而如何通過(guò)這些獲取的海量視頻圖像來(lái)獲取用戶關(guān)注的敏感信息，既是將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，又是視頻衛(wèi)星應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)。因此，在發(fā)展和提高視頻衛(wèi)星技術(shù)的同時(shí)，如何結(jié)合大數(shù)據(jù)、圖像處理等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和推廣視頻衛(wèi)星的應(yīng)用需要進(jìn)一步的研究。

3）在衛(wèi)星探測(cè)技術(shù)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，反衛(wèi)星技術(shù)的研究也得到了各國(guó)的重視。美國(guó)、俄羅斯都有成體系的空間探測(cè)系統(tǒng)，在反衛(wèi)星武器方面，也有一些國(guó)家進(jìn)行反衛(wèi)星導(dǎo)彈、高能激光設(shè)備等方面的研究[12]。視頻衛(wèi)星由于其優(yōu)越的偵察性能，必然成為敵方攻擊的主要目標(biāo)，因此，如何保障衛(wèi)星的安全問(wèn)題需要進(jìn)一步的研究。

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