刘韬（北京空间科技信息研究所）

2014年8月13日，美国数字地球（DigitalGlobe）公司的世界观测－3（WorldView－3）卫星搭乘宇宙神－5（Atlas－V）运载火箭从范登堡空军基地成功发射，标志着美国再一次刷新了商用光学成像卫星空间分辨率的世界纪录，世界观测－3卫星将极大地增强美国地理信息情报收集能力和美国在商业遥感市场的竞争力。

1 研制背景

2009年4月，美国总统奥巴马批准一项名为“2＋2”的尖端成像侦察卫星开发计划，即研制2颗性能优异的军用光学成像侦察卫星，同时投入与这2颗卫星相当的资金采购商业遥感卫星图像做补充。在该计划带动下，美国商业光学成像卫星获得快速发展。根据该计划，美国将在10年内投入大约100亿美元，以替代现役卫星，防止美国对全球的监控出现“盲点”。2010年8月，数字地球公司获得美国国家地理空间情报局（NGA）授出的为期10年、价值35亿美元的合同，其中包括研制世界观测－3卫星。

世界观测－3的主承包商为鲍尔宇航技术公司（BATC），卫星平台由该公司研制，主成像有效载荷由ITT Exelis公司研制，“云、气溶胶、水蒸气、雨和雪”（CAVIS）探测载荷由鲍尔宇航技术公司研制。

在世界观测－3卫星发射前2个月，数字地球公司正式获得美国商务部的批准，可以向其所有用户销售全色分辨率高达0.25m的卫星图像数据，该批准立即生效。此前，美国政府禁止商业遥感卫星运营商向美国政府以外的用户销售优于0.5m分辨率的卫星图像数据。但面对航空遥感公司和其他国家卫星运营商的竞争压力，这项已经执行了十多年的政策已经越来越为国内卫星运营商和用户所诟病。

2013年，数字地球公司正式向美国政府申请销售0.25m分辨率的卫星图像数据。2013年11月，美国参议院情报委员会在其公布的一份报告中，鼓励美国国家地理空间情报局和国家情报总监办公室认真考虑美国商业遥感运营商提出的收集并销售0.25m分辨率光学卫星图像的要求。2014年4月，美国国家情报总监、美国国家地理空间情报局局长和国家侦察局（NRO）局长相继公开支持数字地球公司的诉求。最终，在征得美国国防部和国务院的同意之后，负责颁发商业遥感卫星运营许可的美国商务部才正式批准了数字地球公司的申请。这一举措将极大地提高美国商业卫星成像的全球竞争力。

世界观测－3卫星

世界观测－3卫星谱段范围

2 卫星性能

世界观测－3卫星是当前在轨空间分辨率最高的商业遥感卫星。其全色分辨率高达0.31m，多光谱分辨率高达1.24m，短波红外分辨率为3.7m，幅宽13.2km，其综合性能超过其他国家军用光学成像侦察卫星水平。该星还是世界首颗多载荷甚高分辨率商用光学成像卫星，它不仅搭载了名为世界观测－3成像仪的主有效载荷，还搭载了“云、气溶胶、水蒸气、雨和雪”探测载荷，后者的空间分辨率为30m，主要用于成像时的大气校正，从而进一步提升了成像质量。世界观测－3卫星具有1个全色谱段、8个多光谱谱段、8个短波红外谱段和12个“云、气溶胶、水蒸气、雨和雪”谱段。

世界观测－1卫星拍摄的搭载世界观测－3卫星的宇宙神－5火箭升空

世界观测－3卫星仍采用与世界观测－2卫星相同的BCP-5000卫星平台，它用具备高敏捷能力的控制力矩陀螺（CMG）作为姿态机动执行机构，使卫星在12s内可以侧摆200km，并具备小于1天的平均重访周期（此时分辨率约1m）。该卫星每天图像拍摄面积高达6.8km×105km，无控制点图像定位精度为3.5m。其设计寿命7.25年，预期服务寿命可达10～12年。此卫星高5.7m、直径2.5m，太阳电池翼展开后的翼展为7.1m，卫星质量2.8t。世界观测－3卫星采用太阳同步轨道运行，轨道高度617km，降交点地方时为13:30。数据传输采用X频段，速率高达1200Mbit/s。

此外，数字地球公司在发射世界观测－3卫星时利用世界观测－1卫星拍摄了火箭升空的部分过程，向世人证明了该公司在运管多颗世界顶级商用遥感卫星方面的能力。

3 同系列对比

由于世界观测－3卫星在617km高的轨道（比世界观测－2卫星的770km高度低），因此分辨率从0.46m提升到0.31m并不是其最突出的特点。世界观测－3卫星性能的提升主要包括如下几个方面。

大气校正前、后的图像

世界观测－3卫星、“昴宿星”和“天空卫星”在成像能力上的对比示意

1）增加了8个短波红外谱段，主要用于在雾霾、雾气、烟雾、沙尘等空气透明度较低的情况下拍摄图像时，提升图像质量。

2）增加了对云、气溶胶、水蒸气、雨和雪的大气校正功能，可以使图像数据标准化，有利于未来进行目标自动识别和特征提取。

3）平均重访周期比世界观测－2略有提高，从1.1天提升到小于1天，从而提升了在环境监测和灾害快速响应方面的应用能力。

4）数传速率比世界观测－2提升了50%。

5）无地面控制点图像定位精度从世界观测－2的4.6～10.7m提升到3.5m。这一指标已极其接近航空遥感图像水平。

4 与其他卫星的比较

数字地球公司称，相对于法国的“昴宿星”（Pleiades），世界观测－3卫星在成像质量上相当于一台1000万像素的数码单反相机；“昴宿星”分辨率仅为0.7m，因此相当于一台200万像素的数码相机；2013年底发射的美国天空盒子公司的“天空卫星”（Skysat）分辨率为0.9m，因此相当于一台150万像素的数码相机。

预计到2016年，在光学亚米级分辨率市场上，美国数字地球公司的两大竞争对手—欧洲空客防务集团（EADS）和美国天空盒子公司在卫星星座综合能力方面的差距与数字地球公司相比仍是非常大的。2016年，美国数字地球公司将拥有6颗在轨亚米级分辨率光学成像卫星，包括“伊克诺斯”（IKONOS）、4颗“世界观测”系列卫星和地球眼－1（Geoeye－1），而欧洲空客防务集团仍只有2颗“昴宿星”在轨。尽管美国天空盒子公司将拥有12颗“天空卫星”，但在成像能力上，美国数字地球公司世界观测－1、2、3、4和地球眼－1全部是优于0.5m分辨率的卫星，且幅宽和敏捷机动能力大大强于美国“天空卫星”，因此在单位时间内的图像收集区域面积上6颗美国数字地球公司运管的卫星星座比12颗“天空卫星”星座大6倍多。

5 后续计划

就在世界观测－3发射前夕，美国数字地球公司于2014年8月1日宣布，将要发射的地球眼－2卫星的名称改为世界观测－4卫星，发射时间初步定在2016年中。世界观测－4卫星全色空间分辨率约0.34m，多光谱分辨率1.36m，幅宽14.5km，轨道高度681km。届时它和世界观测－3将组网，从而进一步提高观测的时间分辨率。

6 启示

（1）美国光学对地观测领域实现了军商协调发展

美国“2+2”计划和美国商务部批准放宽商业遥感卫星分辨率限制的政策，将使美国商业对地观测卫星系统在数量规模、技术水平、实战应用、数据规范化与标准化等方面均处于世界领先水平，成为航天领域军民融合式发展的成功例证。

（2）具备高敏捷机动、高图像定位精度的大型甚高分辨率卫星仍是发展方向之一

近年，随着小卫星技术、光学有效载荷技术的发展，越来越多的小卫星、微卫星也迈入了亚米级分辨率的时代。但是，小卫星在敏捷机动能力、图像质量、图像定位精度和日成像面积等方面与大卫星仍然存在差距，因此，在注重小卫星发展的同时，持续关注大卫星技术的发展仍是至关重要的。