2024 年国外对地观测卫星发展回顾
摘 要：美国发布一系列政策文件，指导军、民、商对地观测卫星全面发展，逐步推进天基信息的战术支持，加强对商业卫星能力的整合力度；欧洲重点推进以环境监测为重点的对地观测网络建设；俄罗斯将军事太空列为“优先事项”，在有限资源下努力维持最低限度天基支持能力；日本持续推进军用卫星更新换代，支持商业卫星公司发展；印度全面对外开放商业航天领域，计划在五年内发射50颗卫星，提升地理情报搜集能力。与此同时，以人工智能、超低轨应用等为代表的新业态正快速演进。关键词：天基信息；战术支持；气象观测；超低轨；人工智能2024年，国外共发射343颗对地观测卫星，相比2023年的338颗增加5颗。按用户类型划分，军用卫星112 颗，民商用卫星55 颗，商业卫星176 颗；按轨道类型划分，地球静止轨道（GEO）卫星3颗，低轨道卫星340颗。各主要国家呈现不同的发展特点。（一）政策覆盖全面，强调天基信息战术支持作用
美国国防部、空军、陆军、太空军、太空司令部等机构先后发布《支持多域作战的陆军太空愿景》《关于利用太空进行地面战》等文件，强调太空系统在现代地面战争中的重要作用。美国太空司令部新版《战略愿景》中指出，太空司令部计划到2027年具备开展动态、合作和协同的跨域导弹防御和太空作战能力，从而为提升联合部队的杀伤力和有效性提供支持。美国国防部《国防部商业航天整合战略》首次提出了将商业解决方案整合到国家太空安全体系中的战略报告，并把任务领域分成了三类：政府主导任务、混合任务、商业主导任务。同时，太空军《整合私营部门能力蓝图》战略明确了太空军和私营部门合作规范，旨在推进更具弹性和战斗能力的架构开发，为低成本、快响应、规模化部署提供支持。2024年12月4日，美国白宫科技政策办公室（OSTP）发布了《2024年国家民用地球观测计划》，提出美国民用对地观测三大目标：在科学指导下推进减缓和适应气候变化的活动，加强环境监测和管理，改善人类健康和安全。（二）军用卫星领域
一是在预算方面，美国重点支持预警卫星发展。美国太空军在2025年财年预算申请中重点关注导弹预警和跟踪卫星建设，并要求拨款47亿美元，用于在多轨道上部署分布式导弹预警和跟踪卫星系统。二是高轨红外预警卫星加速换代，全面进入制造阶段。在卫星方面，诺格公司承研的2颗“下一代过顶持续红外”（OPIR）极轨卫星已进入建造阶段，首颗卫星预计于2028年发射；洛马公司承研的首颗GEO卫星已完成红外有效载荷与卫星平台的集成，并开始系统级测试，预计于2025年发射。在地面系统方面，“未来作战弹性地面演进任务数据处理应用框架”（FORGE MDPAF）新型先进天基导弹预警地面系统建设已完成，并在太空军过顶持续红外战场感知中心全面投入运行。三是加快低轨跟踪层星座部署，并持续开展演示验证。美国太空发展局（SDA）已完成由8颗跟踪层0期导弹预警卫星和2颗导弹防御局（MDA）“高超声速和弹道跟踪空间传感器”（HBTSS）卫星构成的0期星座的部署，并开展了一系列的演示验证。2024年6月，2颗HBTSS卫星首次对合作高超声速目标“高超声速试验台”（HTB-1）开展跟踪测试，并完成了高超声速飞行试验数据的收集。同时，SDA仍在快速推进跟踪层1期、跟踪层2期，以及“在轨火控支援斗士”（F2）星座建设。F2星座由8颗红外/光学传感卫星组成，旨在通过卫星和远程武器相结合的方式，发现威胁并进行反制，为美军在全球范围内提供高超声速导弹等先进导弹威胁探测、预警和精确跟踪。四是启动中轨预警卫星制造。“纪元”1系统包括12颗卫星，由千禧年太空系统公司研制，L3哈里斯公司提供有效载荷，预计于2026年底或2027年初发射。太空系统司令部已于2024年8月发布“纪元”2项目征求建议书，以扩大星座规模并实现全球覆盖。一是美国国家侦察局（NRO）推进大小卫星混合的扩散侦察卫星架构。NRO计划借助商业航天力量，同时利用传统大型卫星和新型近地小型卫星执行大范围、大容量、快传输和强弹性的数据中继及情报通信等任务。NRO的扩散架构由太空探索技术公司（SpaceX）的“星盾”卫星构成，装备诺格公司的成像有效载荷，据称具备天基地面动目标指示能力。2024年，NRO共发射了6批次扩散星座卫星，在轨卫星数量已超过100颗。二是增强“战术响应空间”能力。美国太空军授予Gravitics公司卫星平台开发合同，以执行响应性太空任务，据称将提供“可能改变游戏规则的解决方案”。另外，太空军还在筹备“征服阴霾”（Victus Haze）任务，要求工业界在接到任务指令后24h内完成发射有效载荷、进入轨道平面、进行交会和接近操作，以及对模拟威胁进行检查和定性等一系列操作。三是加大商业卫星服务采购力度。美国国家地理空间情报局（NGA）、NRO及各军种都在增加向商业公司采购卫星服务的力度。NGA授予10家公司总价值2.9亿美元的不定期交付和数量合同，将利用商业太空力量提升美国全球监视和情报能力；NRO拟投资约40亿美元向商业公司采购为期10年的光电图像；太空军计划在2026年前授予20份商业太空储备合同（CASR），以更好地在和平时期和冲突期间利用私营部门的太空能力；太空司令部在一项“协调太空威胁与卫星异常”项目中新增5家公司加入“商业集成单元”计划，以扩大与商业公司的情报共享范围。在研制方面，美国国防部授予Tomorrow.io公司一份为期1年价值1020万美元的合同，用于研制和部署2颗配备微波探测器的军事气象卫星。在部署方面，2024年3月4日发射了“光电红外天气系统-快速重访光学云成像仪”（EWS-RROCI），该卫星是EWS计划第二颗原型星，旨在演示对云层的描述，太空军正对其开展数据分析；4月11日，首颗“气象系统后续微波”（WSF-M）卫星成功发射，该卫星配备微波成像仪，主要用于执行海表风速风向测量、冰层厚度、积雪深度、土壤湿度及局部天气等天气数据收集任务。（三）民商用卫星领域
同步轨道卫星方面，“静止轨道环境观测卫星-R”（GOES-R）星座第4颗卫星（即最后一颗卫星GOES-U）于2024年6月发射。在下一代星座方面，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）已授予洛马公司研制3颗“地球静止轨道扩展观测”（GeoXO）卫星及4颗备选方案卫星的合同，首颗GeoXO卫星拟于2030年初发射。在低轨卫星方面，2024年2月发射“浮游生物、气溶胶、云、海洋生态系统”（PACE）卫星。PACE携带3台仪器，旨在研究海洋及大气中的云和气溶胶。此外，美国国家航空航天局（NASA）还授予了8家公司总金额达4.76亿美元的商业小卫星数据获取服务合同，以增强对地观测能力，帮助改善全球生活质量。在极轨卫星方面，NASA发射了1颗名为“极地辐射能远红外试验”（PREFIRE）的立方星，卫星配备热红外光谱仪等设备，将用于测量地球两极红外辐射，为改进气候模型提供支持。PREFIRE项目将由2颗立方星组成，旨在研究极地地区吸收和释放的能量。商业公司加快高分星座建设。麦克萨公司部署4 颗“世景军团”光电成像卫星，卫星分辨率为0.3m。麦克萨公司还推出0.15m级高分辨率的卫星图像底图Vivid Advanced，为全球主要大型城市提供0.15m级分辨率的高清图像服务，与之前Vivid Standard底图的0.3m级分辨率相比清晰度大幅提升。此外，卡佩拉公司发射了3颗合成孔径雷达成像卫星，主要用于为全球国防、供应链、保险、海事等领域客户提供高重访、快回传的对地图像数据服务。（四）推动新技术落地
一是加快超低轨（VLEO）卫星研制试验。美国国防高级研究计划局（DARPA）授出多份研发合同，积极推进“水獭”（Otter）项目实施；美国反照率公司筹资3500万美元，用于开发世界上第一个高分辨率VLEO平台，该平台可以收集分辨率为0.1m的图像和2m的热成像数据。二是加快人工智能应用。诺格公司正在开发具备机器学习能力的软件，帮助美太空军提升导弹监测预警能力；2024年3月4日，洛马公司发射的“小马快车”2卫星，主要用于重点测试人工智能技术网络能力；EpiSci公司为SDA研发了可探测高超声速导弹的星上人工智能软件；SAIC公司为美国国防部研发了一颗基于人工智能技术的小型技术验证卫星，通过在太空中进行边缘计算，实现卫星数据处理的低延迟化，以完成快速数据中继；NGA计划在未来5年内投资7亿美元，利用人工智能提升卫星遥感图像识别能力。（一）政策面强调卫星对地观测重要性
2024年10月，欧空局（ESA）发布名为《地球科学行动：为未来世界》的对地观测科学战略报告，概述了ESA面向2040年的对地观测战略方向和优先事项，特别强调了以科学为导向，通过卫星技术获取全面的地球系统数据，以应对全球环境危机，推动人类社会向更加“弹性”和“繁荣”的未来迈进。（二）军用卫星以维持现状为主
2024年8月16日，英国太空司令部发射首颗军用光学卫星“泰奇”（Tyche）。作为英国太空司令部“军事情报、监视、目标获取和侦察”（MINERVA）项目的重要组成部分，该卫星可提供优于1m级的高分辨率日间图像和视频，将主要用于为英国军队提供态势感知、灾害监测、气候预警等关键支持。（三）民商用卫星提升全球环境监测能力
在气象卫星方面，全面提升全球预报能力。“欧洲气象卫星”12（Meteosat-12）进入完全运行状态，数据已整合到对欧洲和非洲的天气预报中；“欧洲第三代气象卫星系统”（MTG）星座的首颗卫星MTG-S1成功完成环境测试，主要用于提供红外探测能力，为提升气象预报的准确性提供支持；2024年8月16日发射的“北极气象卫星”（AWS）填补了极地天气预报的重要空白；ESA计划发射“欧洲气象卫星应用组织极地系统-Sterna”（EPS-Sterna）小卫星星座，该星座将由在3个不同极轨上同时运行的6颗卫星组成，首颗卫星计划2029年发射。在其他环境监测领域，2024年5月发射的“地球云气溶胶和辐射探测器”（EarthCARE）观测卫星对云的形成、大气在整体气候中的作用等方面的研究提供支持，并已获得首批图像。ESA在9月4日和12月5日分别发射了“哨兵”2C（Sentinel-2C）和Sentinel-1C。Sentinel-2C卫星携带多光谱成像仪，用于获取地球陆地、岛屿、内陆和沿海水域的高分辨率图像，Sentinel-1C为雷达成像卫星，旨在替代2022年发生技术故障的Sentinel-1B。（四）新技术多点开花
ESA于2024年7月发射的φsat-2卫星是一个专门的人工智能任务，卫星尺寸为22cm×10cm×33cm，配备了一台多光谱相机和一台强大的人工智能计算机，用于分析和处理星上图像。卫星上共运行了6个人工智能应用程序，包括自动舰船识别、检测图像中的云，并提供云分布的见解等。北极气象卫星配备由德国弗劳恩霍夫应用固态物理研究所开发的4个尖端低噪声放大器（LNA）。这些放大器采用世界领先的InGaAs非晶高电子迁移率晶体管技术，旨在提高卫星收集和处理来自地球的微弱微波辐射信号的能力。英国航天局资助萨里大学开发超低轨吸气式电推进系统，包括概念设计、推进测试、轨道力学分析和空气动力学模拟。该系统可捕获大气层最上层的空气作为推进剂。（一）军用卫星努力维持最低限度支持能力
俄罗斯将军事航天列为“优先事项”，努力维持包括预警、光学和雷达成像、电子侦察等在内的所有卫星星座，但这也导致其有限资源过于分散，致使卫星数量与规模无法满足军事需求。在光学卫星领域，俄罗斯发射了3颗光学成像卫星，据分析为EO MKA型小型成像卫星。在光学测绘领域，完成“猎豹”M（Bars-M）光电测绘卫星星座的部署。Bars-M为军用光学-电子一体化的测绘卫星，主要为俄军提供图形匹配制导服务。该系列共规划6颗，用于提供地形图像、立体图像、测高仪数据和地面分辨率约为1m的高分辨率图像。在电子侦察领域，2024年12月14日，组网发射一颗“莲花”S1（Lotos-S1）电子情报卫星，这是俄罗斯发射的第8颗Lotos-S1系列卫星。（二）民用卫星小步推进
2024 年2月29 日，俄罗斯发射第6 颗“流星”M（Meteor-M）系列水文气象卫星。该卫星是俄罗斯“流星”M系列遥感卫星中的第6颗，将用于执行水文气象保障、气候和环境监测、地球自然资源研究、近地外层空间太阳地球物理状况监测等任务。俄罗斯还发射了2颗高分辨率光学遥感卫星——“资源”P4和5。卫星运行于轨道高度470km的太阳同步轨道，可进行宽光谱和高光谱观测，分辨率可达0.7m。2024年11月30日，俄罗斯发射了“秃鹰-FKA”系列第二颗卫星。“秃鹰-FKA”是俄罗斯开发的S频段小型民用雷达观测卫星，该卫星将与2023年5月发射的首颗卫星完成组网。第三颗改进型“秃鹰-FKA-M”卫星将于2025年发射。2024年3月，日本出台了《太空技术战略》，明确了太空领域的发展前景和需优先开发的技术领域，包括卫星（通信、卫星定位、遥感、在轨服务、卫星相关基础技术）等。（一）军用卫星持续迭代“情报收集卫星”（IGS）侦察卫星持续组网更新，提升周边侦察能力。日本分别发射了“情报收集卫星-光学”8（IGS Optical-8）和“情报收集卫星-雷达”8（IGS Radar-8）。IGS卫星项目包括可见光侦察系列卫星和合成孔径雷达（SAR）侦察系列卫星，旨在提升天基对地监视能力，为及时发现潜在威胁并做出快速响应提供支持。其中，光学卫星分辨率能够达到0.3m，SAR分辨率可达到0.5m，为满足日本国防和民用遥感需求提供支持。（二）民商用卫星加快组网2024年7月1日，日本成功发射了一颗“先进陆地观测卫星”4（ALOS-4）雷达卫星。ALOS-4 扫描观测幅宽达200km，能够获取地表形变等相关数据，将主要提供昼夜观测和穿透云层等地质灾害监测服务。
图1 日本iQPS 公司SAR 卫星商业雷达卫星公司加快组网。2024年，日本合成视角公司（Synspective）共发射了2颗X频段SAR成像卫星，目前在轨5颗。该公司计划在2026年将星座规模扩大至30颗。卫星质量约100kg，在新的凝视聚束模式下方位向分辨率达到0.25m，这是日本商业雷达卫星的最高分辨率。日本iQPS公司正在建设由36颗X频段SAR卫星构成的星座，可实现对地球10分钟级的重访。2024发射了2颗，迄今共发射8颗，在轨6颗。卫星发射质量约100kg，分辨率为0.5m。（一）军用卫星规划先行
印度空间研究组织计划在5年内发射50颗卫星，提升地理情报搜集能力。该计划包括在多个轨道上建立卫星层，实现对军队行动的跟踪和对数千千米区域的成像能力。其中将重点提升卫星对变化的探测能力，借助人工智能等技术实现对数据信息的在轨分析。（二）民商用卫星全面对外开放
印度全面开放商业航天领域，在最近一次重大改革中，印度修改了外国直接投资政策，允许高达100%的外国直接投资用于制造和采购卫星系统。2024年2月17日，印度发射了“印度卫星”3DS（Insat-3DS）地球静止轨道气象卫星。Insat-3DS卫星发射质量为2274kg，携带了6通道多光谱成像仪、19通道探测仪等4个有效载荷。作为印度第三代地球静止轨道气象卫星系列中的第6颗卫星，该卫星旨在用于加强气象观测、监测陆地和海洋表面天气预报及灾害预警等任务。（一）韩国加快军用侦察卫星部署
2024年，韩国发射了2颗425项目下的SAR侦察卫星。2023年曾部署了首颗光电和侦察卫星，目前已正式投入使用。韩国拟于2025年前再发射2颗侦察卫星，形成由5颗卫星组网的侦察星座，将实现约2h间隔常规侦察覆盖能力。（二）澳大利亚开发人工智能天基高超声速导弹探测能力
诺格澳大利亚分公司与澳大利亚Spiral Blue公司合作，正在开发一种基于小卫星的先进天基导弹防御系统。按照计划，两家公司将利用红外探测、人工智能、机器学习数据处理等技术，建造小型卫星高超声速武器天基预警系统。（一）天基信息支援向直接战术支持演进
在卫星方面，通过部署较大规模的星座实现全球尤其是重点区域的高频重访能力。美国SDA的扩散作战人员太空架构、NRO建设的扩散小卫星星座均采用了类似思路，以期实现预警卫星的直接火控支持，并使卫星图像直接提供给作战人员。同时，军方充分利用高性能商业卫星在全球高频重访方面的优势，不断扩大数据源。在制造方面，提升制造效率，缩短有效载荷发射入轨准备时间，开展相关技术和战术验证，不断寻求技术创新和作战方式的变革。如美国太空任务软件平台Antaris公司与雷神公司的子公司SEAKR工程公司合作，开展远程硬件在环路（HITL）测试和认证，极大地简化了卫星的设计、模拟和操作。在数据应用方面，探索整合多源数据，提升数据产品应用能力。美国空军研究实验室授予BAE公司升级数据分析平台整合多源数据的能力，整合和分析来自传感器、卫星、无人机和人工智能系统等多源数据的能力，为简化空军军事情报分析工作提供支持。波音公司计划演示空-天传感器融合技术，该技术可以通过结合机载和天基传感器的数据来增强军事态势感知，为地面或飞机上的作战人员提供信息支持。（二）人工智能推进对地观测数据运用
在卫星端，数据和技术的进步使得利用人工智能控制在轨卫星成为可能。加拿大软件初创公司Mission Control宣布了与Spire合作测试长期航天器自主性的计划，Spire正在为至少1年的任务提供一颗小卫星，以评估机器学习能力。美国卫星运营商轨道阁楼公司和印度人工智能系统公司SkyServe合作，在YAM-6卫星上演示验证自研SkyServe STORM人工智能平台，实现对卫星图像实时分析。在地面端，英伟达公司、微软公司、谷歌公司等纷纷推出天气预报类大模型，大幅提升预报准确率与效率；在欧洲，由ESAφ-lab和FDL Europe协调的一个国际科学家团队利用先进的机器学习技术开发了一种方法，可一次性生成“所有地方的3D云轮廓”。（三）提倡多功能卫星平台，降本增效
无论是军方还是商业公司，都对支持各种有效载荷的标准化平台产生了浓厚兴趣。人族轨道公司专注于研制小型GEO卫星平台，以满足新兴市场对小型轻量化卫星的需求，适用通信、遥感、导航等多种应用。航空航天公司开发的Handle模块化接口系统则提供了一种创新模式，其“即插即用”的解决方案有望能实现更快速的卫星组装和发射准备。与传统的大型任务相比，小卫星具有诸多优势，包括成本更低、交付周期更短。（四）加快超低轨卫星试验，抢占轨道蓝海
美、欧等国家和地区正不断加大对超低轨卫星的研究和支持力度，试图抢占这一轨道“蓝海”。如美国Redwire公司公布了Phantom超低轨卫星平台，该卫星平台设计有效载荷达50kg，总质量达300kg，将为欧空局的Skimsat任务提供支持。各国围绕军事与民商用需求，积极拓展对地观测卫星的应用领域与应用价值。在军事应用方面，兼顾成本、弹性与性能，强化天基信息的支援能力；在商业应用方面，突出全球组网与差异化服务策略，提升商业竞争能力；在新技术方面，拓展人工智能、大模型、边缘计算、超低轨技术等在对地观测领域的应用潜力。
