美国商业遥感发展现状及其军事应用研究.pdf

宇航巡礼Space International 国际太空 20237Space Overview501 引言俄乌冲突中，美盟利用大量商业遥感卫星侦察俄军部署与战场态势，对乌克兰实施战场地理空间情报支援，成为乌克兰掌握战场主动权并有效组织防御反击的重要依托，在一定程度上影响了战局。此次商业卫星在实际战争中所发挥出的重要军用效能，极大强化了各国对商业遥感卫星的重视程度。早在 20 世纪 70 年代，美、法、英等航天大国就形成了政府监督管理引导和企业自主运营的良好模式1，通过政策引导和资金扶持等系列举措，研制高性能遥感卫星并进行商业化运营。20 世纪 80 年代开始，美国逐步探索商业遥感卫星服务军事能力建设的模式和途径2，把民商卫星纳入军事航天能力体系，在应用层面已从战略谋划下沉到战术应用，商业遥感卫星数据成为美国地理空间情报工作的主要数据来源之一，广泛支撑联合作战过程中对态势感知和目标指示等需求。2 美国典型商业遥感公司及市场特点美国典型商业遥感公司概述伴随着激烈的市场竞争，美国商业遥感企业之间并购重组不断，以有效整合资源，如最早的世界观测成像公司（WorldView Imaging）被并入数字地球公司（DigitalGlobe）后，又被麦克萨技术公司（Maxar Technologies）收购；行星公司（Planet）收购天空盒子公司（Skybox）等。几经洗牌，现形成三大商业遥感巨头，分别是麦克萨技术公司、行星公司和黑天全球公司（BlackSky Global）。此外，还有以卡佩拉空间公司（Capella Space）为代表的合成孔径雷达（SAR）卫星公司。他们以各自的核心优势，在轨运营卫星总数量超过 360 余颗，支撑起美遥感卫星商业体系，形成了具备可见光成像、高光谱成像、雷达成像、视频拍摄等多种对地观测数据获取能力。下面将重点针对这 4 个典型公司，分析其能力现状。50美国商业遥感发展现状及其军事应用研究寇静行1 蔡世鑫1 张一鸣2（1 地理信息工程国家重点实验室 2 北京市遥感信息研究所）国际太空07（公开）.indd 502023/7/20 15:45Space International 国际太空总第 535 期51麦克萨技术公司在轨卫星基本情况卫星型号发射时间轨道高度/km重访周期全色空间分辨率/m 无控定位精度/m 日拍摄能力/km2世界观测-1（WorldView-1）2007 年4961.7 天0.55.855 万WorldView-22009 年7701.1 天0.46-100 万WorldView-32014 年617小于 1 天0.31优于 3.5130 万地球眼-1（GeoEye-1）2008 年681-0.41570 万行星公司在轨卫星基本情况星座名称卫星数量尺寸/（cmcmcm）质量/kg全色空间分辨率/m日重访能力“鸽群”（Flock）星座200+101030仅为 43 5对全球任意地区至少 2 次“天空卫星”（SkySat）星座21-约 1000.8（SkySat-1）对全球任意地区日重访可达 7 次，部分区域日重访可达12 次0.72（SkySat-3）0.5（SkySat-15）“快眼”（RapidEye）星座5-（1）麦克萨技术公司麦克萨技术公司是美国乃至全球商业遥感卫星产业的先行者和领军企业，也是谷歌地球的卫星影像提供商，现有 4 颗在轨光学卫星，都为同时代顶级高分辨率遥感卫星。其中，世界观测-3 卫星为该公司明星产品，是目前世界上分辨率最高的商业遥感卫星，且该公司通过超分辨率算法升级，可将分辨率进一步提升至0.15m，直逼美国军方最先进的“锁眼”（KH-11）系列卫星（分辨率为 0.1m）3。同时，该公司正在开发一个新的星座，以取代“世界观测”系列，含 6 颗“军团”（Legion）卫星和 6颗“侦察兵”（Scout）卫星，大幅提高全球访问能力。“军团”卫星分辨率可达 0.29m，但质量降到 750kg4。其中，第一颗卫星已于 2021 年发射，2023 年将发射6 颗“世界观测军团”卫星，以进一步提高对地观测能力，其在高分辨率商业卫星市场也将一骑绝尘。（2）行星公司与传统巨头麦克萨技术公司相比，行星公司是美国年轻型卫星企业的代表，为在轨运行卫星最多的商业遥感公司，现有 3 个系列光学星座，均为轻量级低成本卫星。国际太空07（公开）.indd 512023/7/20 15:45宇航巡礼Space International 国际太空 20237Space Overview52其中，“鸽群”星座是目前最大的遥感卫星星座，“天空卫星”星座中的 SkySat-1 还支持视频拍摄能力（时长 90s，每秒 30 帧，分辨率为 1.1m）。（3）黑天全球公司黑 天 全 球 公 司 现 有 14 颗 空 间 观 测-24（SpaceView-24）光学微型卫星，其能力特点：实现高空间分辨率与极高时间分辨率的兼顾。其轨道高度约 450km，全色分辨率约为 1m5，且将于2023 年提供 0.5m 分辨率的卫星影像。计划形成 60颗卫星组成的星座，提供极致的重访能力，实现对全球任意地区重访周期缩短至 90min，对主要城市日重访可达 40 70 次。具备极为灵活的卫星控制和高效的影像获取处理能力。在俄乌冲突爆发后，该公司迅速调整即将发射的卫星计划轨道，以便更好观测高纬度地区的乌克兰和俄罗斯，且在成功发射 12h 后便提供了影像产品。此举在商业遥感领域开创了新纪录。（4）卡佩拉空间公司卡佩拉空间公司为初创合成孔径雷达卫星企业，成立于 2016 年，现有 8 颗“卡佩拉”系列雷达卫星，空间分辨率 0.5m，对全球任意地点的重访时间在 3 6h6。未来还要建成 36 颗雷达卫星组成星座，将实现对全球任意地点重访时间缩短至 30min。其雷达卫星本身具备的全天时全天候探测能力，加上高空间分辨率与时间分辨率，其价值不可估量。美国商业遥感市场特点总体来看，美国商业遥感市场呈现出几个特点：一是以麦克萨技术公司为代表的传统巨头立足固有能力特点，加速深入专攻，向极致化发展，兼并同类业务，收购相关企业，垄断特定领域，以绝对优势领军市场。其空间分辨率为 0.31m，且能通过算法升级进一步提升至 0.15m，接近侦察卫星水平。二是在美政府大力培育扶持的良性环境下，初创公司不断涌现，呈井喷式发展。以行星公司为代表的初创公司，与传统遥感巨头分开赛道，轻装上阵开拓创新，在重访能力等方面不断精进（对部分地区最高时间分辨率为1/12天），已具备一定规模和应用效能，有效强化和拓展了美国商业遥感市场保障能力。三是低轨道化、小卫星、雷达卫星等将成为美国商业遥感卫星未来发展的重要关键词和主要增量。低轨道化能进一步提高影像的空间分辨率、小卫星能大幅降低卫星制造和升空成本、雷达卫星能实现全天时全天候探测能力，这些要素综合指示出美商业卫星未来朝着更高分辨率、更快重访率、更灵活的卫星控制能力发展。四是随着星座卫星数量加大，快速重访及近实时获取数据的能力不断提升，视频成像和动态监测等多样化业务拓展，逐渐成为美国商业遥感（特别是初创公司）发展的新方向。美国商业遥感企业顺应军方、政府及市场需求，立足自身特点，在时间分辨率、空间分辨率、光谱分辨率及全天时全天候探测能力等关键要素上各下功夫，呈现出新老交辉、百花齐放的局面。2021 年 12月 14 日，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）向商业对地观测公司反照率公司（Albedo）颁发全球首个 0.1m 分辨率的光学遥感卫星图像的销售许可证7。此举表明，美政府对商业遥感发展限制的天花板进一步打开，将极大促进和激励商业遥感市场极限式发展，成为美国军方更强支撑。3 美国商业遥感管理运营体系美政府与军方强化对美国商业遥感卫星战略规划，从顶层政策谋划到具体实施监管，自上而下建立了一套成熟完备的统筹管理与运营体系，有着十分严密的政策指导和实施制约。以下将从 4 个方面进行阐述。综合政策与专项法规共同引导规范商遥发展运营自 2010 年，美国开始将军民商卫星统筹协调提升到空前高度，制定颁发了一系列综合性政策文件：国际太空07（公开）.indd 522023/7/20 15:45Space International 国际太空总第 535 期532010 年颁布的国家太空政策,强调尽可能多手段促进商业航天发展，要求“当商业航天能力和服务能够满足政府需求时，应最大限度购买和使用这些能力和服务。当无法满足政府需求时，应改进商业能力和服务”8。2011 年颁布的国家航天政策国家安全太空战略，空前提升军民商统筹协调理念，指出仅在商业能力无法满足关乎国家利益需要的情况下，才发展政府航天系统9。2018 年颁布的国家国防战略国家航天战略简化对航天商业化利用的监管(2 号令)美国航天商业自由企业法案,既鼓励“分散而集中”的发力，促进各方力量投入，又监管约束其商业行为10。美国政府、军方不仅在综合性航天政策中强调商业航天的重要性，在各专项领域中亦出台相应的法规11。在商业遥感卫星领域，国家地理空间情报局分别在 2015 年、2018 年和 2021 年发布了 3 版商业地理空间情报战略：第一版强调聚焦小卫星、大数据等蓬勃发展的民营商业卫星产业，扩展商业情报数据源，帮助国家地理空间情报局提高采办灵活性以更好地利用商业卫星价值12。第二版延续 2015 年版“追赶决策速度、共筑情报业务”的商业地理空间情报构想，以期通过军民商合作，增强情报分析能力，达到“感知态势、指明方向，更好地认知我们所生活的世界”的目标13。第三版再次强调要加强商业协作，探寻最有效方案实现从商业数据向分析服务转化，高效汲取和利用商业分析能力，将其作为支撑重要行动决策的主要情报来源。3 个战略文件对于美军利用商业遥感卫星数据具有重要的现实意义。总体上，美国已形成不同层次的多类商业对地观测政策，并基于卫星技术和产业发展继续完善和迭代，以引导和规范商业系统运营及盈利模式14。政府与军方多部门有序构建商遥服务协调机制在一系列强有力的政策支撑下，经过不断探索实践和互相磨合，美国现已形成了成熟的航天商业服务采购协调机制：通过“国家航天委员会”，统筹协调军用、民用、商业航天活动运作8。美国国家海洋和大气管理局负责商业卫星公司的审批立项和颁发运营牌照。商务部负责监督商业公司执行情况。国家侦察局（NRO）成立“国家空间防御中心”，统一调用军民商及盟国航天资源，构建由国家和商业能力组成的综合侦察监视架构。美国国家情报总监办公室(ODNI)负责制定采购策略2。国家地理空间情报局（NGA）和国家侦察局组建综合商业地理空间情报数据计划办公室（拜登签署2022 年情报授权法案明确指示），负责商业卫星影像采购等工作。国家地理空间情报局和国家侦察局为商遥主要应用部门商业遥感卫星服务的主要应用部门是国家地理空间情报局和国家侦察局。商业遥感卫星数据或产品主要通过这两个机构分发提供给美军各作战司令部、战区司令部、军兵种等军方用户12。国家地理空间情报局是美国情报和作战的支持机构，它的职责是及时准确地提供地理空间情报（GEOINT）和服务，以支持不同层面的战略和战术需求，如国家安全、国家政策、作战部署等。国家地理空间情报局数据的四大来源有：国内军用侦察卫星数据、国内民用遥感卫星数据、国内具备资格的商业遥感卫星数据、国际合作框架下的国外卫星数据12。商业遥感卫星数据是其主要数据来源之一1。国家侦察局为美国情报机构之一,其职责是负责美国侦察监视卫星系统“锁眼”、“长曲棍球”（Lacrosse）等，以支撑美国情报各部门所需天基信息重要来源，服务国家决策层的战略侦察监视1。2017 年，该机构开始购买商业卫星图像数据。2018 年 9 月，从国家地理空间情报局手中接过了与商业遥感公司合作的“增强视景”计划，标志着美国国家侦察局正式将商业遥感数据作为数据国际太空07（公开）.indd 532023/7/20 15:45宇航巡礼Space International 国际太空 20237Space Overview54来源服务情报工作12。其在能力建设方面奉行“买能买到的，建必须建的”原则，构建融合商业和自研系统的情报卫星体系，提升业务弹性及提高应对威胁能力。商业服务采购为商遥支撑美国军方服务的主流模式20 世纪 80 年代以来，美国逐步探索商业遥感卫星服务军事能力建设的模式和途径2，经历了从“商遥预备队”到成熟的商业服务采购模式的探索。2000 年，在美政府削减开支、商业成像能力快速发展、“民航预备队”成功经验的背景下2，美国军方借鉴“民航预备队”的理念，提出“商遥预备队”的概念。对其在概念框架、组织架构、参与主体等多层次多方面的论证后，发现在当时条件下不具备可操作性。且随着美国军方通过商业服务采购模式的探索，取得军商两方双赢的局面下，“商遥预备队”也不再有现实需求。随后，美国便放弃了推行“商遥预备队”实践。与军用和民用遥感卫星不同，商业遥感卫星是私人公司为商业利润而建造的空间系统，其本质是以商业服务换取利润。美军从实际出发，考虑到商业公司的利益，以及商业卫星能力和军事卫星能力的协调，选择通过商业服务采购来满足军事需求，同时也实现卫星资产所有者的经济利益最大化2。经过顶层谋划、规范管理运营和实践探索，无论对于军方服务效果，还是对于促进商业公司发展，取得了双赢的局面。至此，商业服务采购便成为美商业卫星支撑美国军方服务的主流模式。作为美国军方实施具体商业服务采购的部门，国家地理空间情报局和国家侦察局先后进行了“清晰视景”“未来视景”“增强视景”“后增强视景”等商业合作计划12，提供超 100 亿美元的合同与商业遥感公司开展合作。给予资金支持促进商业遥感发展的同时，充分利用商业资源助力军事能力的提升，形成了政府和军方投资监督、企业广泛吸纳资源、经营产品、主要为军方和政府服务的合作模式8。近年来，美军进一步扩大商业卫星采购服务。2019 年 12 月，国家侦察局分别向卡佩拉空间公司和鹰眼 360 公司（HawkEye 360）授出关于 SAR 遥感和商业无线电频射频（RF）遥感的合同1。2022 年5 月，国家侦察局通过“电子-光学商用层”（EOCL）合同与黑天全球公司、麦克萨科技公司和行星公司签订了不低于 40 亿美元的合同15。同时，国家地理空间情报局正进一步制定地理空间情报产品的商业采购指南与商业来源清单，掌握商业市场中供应方的所有可用能力信息，以更好支持其商业采购方案，为未来商谈更大合作项目做准备。4 美国商业遥感军事应用效能美国军方对商业遥感依赖日益加深俄乌战场上，商业遥感卫星的出色表现，充分体现出其在实际武装冲突中的应用价值。美国军方对商业遥感服务军事能力和潜力的认识进一步强化，并迅速扩大商业遥感采购服务，各类专项合同越来越多，且金额越来越大。“电子-光学商用层”15这一历史性大单（超过 40 亿美元），不仅反映美国军方对商业遥感数据的重视，也反映了其对商业数据依赖的加深，将深刻影响美国军方及情报界的情报搜集方式，对商业遥感卫星产业发展也将产生深远的影响。商业遥感支撑美国军方服务范畴不断拓展随着对地观测技术不断取得突破，美国商业遥感公司能力持续提升，其支撑军事服务范畴也随之拓展。不局限于提供高时空分辨率的遥感卫星数据，而是综合利用先进技术和算法，开展影像数据的深度分析和挖掘利用，提供高质量、高附加值的影像分析产品与服务，满足决策支撑等高端需求。近年来，美国情报机构也一直在强调商业遥感数据分析能力的重要国际太空07（公开）.indd 542023/7/20 15:45Space International 国际太空总第 535 期55价值和广阔应用前景。从 2015 年、2018 年再到 2021年版商业地理空间情报战略可以看出，国家地理空间情报局对商业遥感的需求逐步向情报分析能力转化。从军方需求层面指明美国商业遥感能力发展方向，倒逼其军事服务范畴的不断拓展。与新技术融合创新加速提升军事服务潜能商业航天作为最活跃、最敢于、最易于创新的力量，在以人工智能、大数据、5G、量子技术等新一轮科技革命中勇担重任，从传感器技术、卫星制作技术、卫星通信技术、测控技术、运载器技术、影像处理技术等全方位积极探索融合新技术新手段。这在促使商业遥感产业升级的同时，也必将极大提升军事服务潜能。现在已有较多将人工智能技术用于商业遥感的案例：利用人工智能技术和专业算法对卫星影像和其他数据进行融合分析，替代人工判读，自动获取情报16；在卫星平台设置智能系统自动识别影像云量信息，超过一定阈值时直接删除，不进行回传和储存，提高星上存储利用率和星地数据链路的传输效率，继而提升卫星数据处理能力等12。不局限于实验探索，美国商业遥感公司对新技术的融合创新也逐步推向实际应用。俄乌战争中，黑天全球公司就建立了一个全天候运营部门，利用专业算法和机器学习软件，高效分析影像获取地理空间情报，为军方提供更快服务3。从实战中检验与新技术融合的可行性和高效性。为构建马赛克全域系统提供重要基础“马赛克全域作战”作为新一代战争理念与模式，以跨域、分布、协同、智能、无人、高速为特征16，其特点强调将功能分解为更多数量的低成本、低复杂度且动态灵活的基本单元节点，分布式实施中心决策。军用、商用、民用、高空侦察平台、无人机遥感、地面单兵勘测等，都可作为系统中独立的“马赛克单元节点”，通过网络链接交织集成，形成数据互通和灵活组网的网络化结构，快速精准地获取战场态势16。而美国商业遥感的多星式、低成本、高性能等特点和良好的发展态势，是最具发展潜力的“马赛克单元节点”，高度契合马赛克体系网络中节点可消耗性、快速补充、集群组网、协同智能等要求，能够强效构建高重访率与分辨率的全维全天候全天时侦察监视能力，为地理空间情报系统支撑马赛克全域模式提供重要基础。为作战需求提供更高质量的定量遥感产品区别于遥感数据目视解译等直观的定性感知，定量遥感是指利用数学或物理模型定量反演或推算地物参量及特征，是遥感数据深度精细化应用的发展方向，也是遥感影像发挥更大作用的关键和瓶颈所在。应用到军事领域，不局限于对遥感数据的目标识别及战场态势感知等较浅层信息，还可通过对遥感数据的定量反演方式，深度挖掘战场态势和目标情况要素，生产出具备量化特征的高级地理空间情报产品，更好服务于作战决策和供武器平台使用。定量遥感核心框架主要包含遥感数据获取、辐射预处理、反演、高级产品生产、遥感应用五大部分。随着美国商业遥感迅猛发展和技术实力不断提升，能有效覆盖定量遥感核心框架体系：美国商业遥感庞大的星座系统，覆盖全球任意区域获取超高空间分辨率、时间分辨率等高性能指标影像数据的能力，为定量遥感提供了数据前提。以人工智能、高性能计算为代表的新兴技术的融合运用，为定量遥感体系中辐射预处理、反演建模、产品生成等核心处理内容提供更为准确高效的技术支撑。未来复杂战场背景下，作战指挥与决策对高级地理空间情报产品的需求越来越强烈，而定量遥感则是提高地理空间情报产品质量的关键所在，其有效成果能够直接应用到军事领域。国际太空07（公开）.indd 552023/7/20 15:45宇航巡礼Space International 国际太空 20237Space Overview56参考文献1 彭振忠,李丹.商业遥感卫星星座的军事化应用分析 J.军事文摘，2020（15）:34-38.2 张鑫伟,张召才,王翰林.美军战时征用民商卫星模式研究 J.西北工业大学学报,2021，39（S1）:101-107.3 魏兴.俄乌战争启示：西方商业遥感卫星能力已足以匹敌军用侦察卫星 EB/OL.2022-04-09.Http:/ 龚燃.2020 年国外民商用对地观测卫星发展综述 J.国际太空，2021（2）:47-54.5BlackSky.BlackSky Announces Next Generation Dual Payload Satellite Architecture Resolution Nighttime ImagingEB/OL.2020-09-24.https:/.6Debra Werner.Capella unveils radar satellite designEB/OL.2020-01-22.https:/ 龚燃.2021 年国外民商对地观测卫星发展综述 J.国际太空，2022（2）:31-37.8Whitehouse.NATIONAL SPACE POLICY of the UNITED STATES ofAMERICAEB/OL.2010-06-28.https:/obamawhitehouse.archives.gov/sites/default/files/national_space_policy_6-28-10.pdf.9Department of Defense.National Security Space Strategy:UnclassifiedSummaryEB/OL.2020-09-20.https:/www.dni.gov/index.php/newsroom/reportspublications/reports-publications-2011/item/620-national-security-space-strategy.10Whitehouse.Space Policy Directive-2,Streamlining Regulations on 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