军地遥感卫星联合使用问题研究

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论文全文摘编如下

仅供学术交流与参考

遥感卫星具有大面积同步观测、周期性重复覆盖和不受地理条件限制等特点，可以方便及时地获取各种信息，具备很高的军事使用价值和社会经济效益。随着遥感技术的进步和卫星平台的发展，各类民商遥感卫星的各项指标都在稳步提升，美欧等发达国家的商业遥感卫星已经达到了以前军用遥感卫星的空间分辨率标准，甚至部分小卫星星座的时间分辨率已经超越了军用遥感卫星。

美国的数字地球公司（已被加拿大MDA公司收购）的世界观测系列卫星的可见光成像最高分辨率已经达到了0.31 m[1]；卡佩拉公司的红杉系列雷达成像小卫星分辨率已经达到0.5m，未来将形成由36颗卫星组成星座[2]；行星公司的鸽群系列卫星已经在轨几百颗，形成了高时间分辨率的对地观测系统。

针对民商遥感卫星系统蓬勃发展的现状，如何高效联合使用军地遥感卫星系统支援军事斗争准备和社会经济发展建设就成为了亟需研究的课题。

狭义上的卫星遥感体系是遥感卫星数据生产者和信息流的承载体与技术表现形式，具有信息系统特征，一般由天基侦察卫星、测控运控系统、数据传输系统和地面应用系统构成，是能进行遥感信息的收集、传递、存储、加工、维护和使用的一体化系统。而广义上则包括围绕该系统的科学研究、实验制造、运行服务、政策法规、规范标准和用户需求等直接相关的各个关联行业组成的业态总称[3]，如图1所示。

 图1 广义卫星遥感体系

从狭义的遥感卫星数据信息流角度分析，遥感卫星体系在收到用户需求后，通过测控运控系统进行侦察任务规划和任务管理控制，对目标进行过顶观测，并将卫星观测信号转化为遥感数据；通过数据传输系统将遥感数据传送给地面应用系统处理，形成被观测目标的信息和情报/知识；最终根据遥感卫星情报产品或用户反馈和新需求，进行下一步的观测行动，形成一个循环相连的闭环。

从广义的卫星遥感体系运行发展角度分析，其不仅包括了最终生产情报产品的系统运行功能，还包括战略规划、政策法规、技术储备和资金人才等一系列软硬件环境和运载发射系统、卫星与地面系统制造系统等。广义的卫星遥感体系决定了狭义卫星遥感体系的发展高度和效能发挥，军地遥感卫星的联合使用问题研究应基于狭义的卫星遥感体系解决现有应用问题，基于广义的卫星遥感体系展望未来应用场景。 

军地遥感卫星系统通常分为军事、公益和商业三类，发展各有侧重，军事遥感卫星系统以国家安全为宗旨，集成最先进的科学技术，具有极高的空间探测分辨率；公益遥感卫星系统服务于人类社会可持续发展，通过大区域观测实现全球覆盖，具有数据公开共享的特点；商业遥感卫星系统以营利为目的，多为小卫星系统，具有很高的性价比，数据、信息、知识均能采用货币交换[3-4]。军地遥感卫星联合使用，在支援国防安全的同时，也能提升国民经济建设，实现战场市场双赢。

1）提升过境重访次数，增加情报威慑能力。随着遥感卫星对地观测技术的不断突破，使得地面军队隐蔽调动、部署、奇袭需要计算遥感侦察卫星过境情况，利用卫星过境时间差或云雾、暗夜等不良天候时机快速机动。遥感卫星应用市场的成熟逐步推动商业遥感卫星蓬勃发展，各类小卫星星座不断在轨组网，对地观测时间分辨率逐步提高，遥感卫星侦察时长受能源、数据存储、地面站点布设等一系列条件限制，但敌方不可能完全掌握遥感卫星任务实施具体信息，通过军地遥感卫星系统的联合使用，可以大大增强遥感卫星系统的情报威慑能力，提高对手隐蔽突袭成本。

2）节约星地站网资源，提升地面设施弹性。为了兼顾军用遥感的高保密性、可靠性和商业公司的低成本、高效率，美国与欧洲均采用军用和商用分开的测控与数传管理体制[5-6]，但随着军地协同的不断深入，美欧等国也出现了共用站点的情况，例如，美地质勘探局的站网资源可以为美军服务[7]，意大利“宇宙-地中海”卫星系统的3个用户地面站，分别为意大利军方、民用和法国国防部管辖[8]。站网资源层面，军为民服务，民商遥感卫星可申请使用军用机动测控和数传站点；民为军服务，以民掩军建立国外站点和获取技术支持。在符合保密要求的基础上，通过联合使用实现单站多能、一网多用、外站共用和并网互融，不仅可以使军地优势互补、运用互补，更可以提高地面站网弹性，提升紧急情况备份处置能力。

3）推动民商遥感发展，实现卫星产业升级。遥感卫星产业链条长、资金投入大、收益回报慢，尚未形成面向用户的可行商业模式[9]和消费级的应用市场[10]，多数国家商业遥感的客户是军队和政府部门，以美国为例，其在商业遥感卫星运营收入62%来自于军队订单[11]。同时，军地遥感卫星联合使用会促进有限范围内的军转民技术支持，如GeoEye卫星就是首个使用军用级全球定位系统(GPS)的非军用卫星，这就是它的定位精确度比先前的其他卫星高1.5倍，对地面的目标直接定位精度达到3 m的主要原因[12]。因此，军地遥感卫星的联合使用不仅利于军队航天侦察能力的进一步增强，更有利于遥感卫星产业的蓬勃发展和产业升级，存在实现战场市场双赢的经济基础。

军地遥感卫星联合使用的程度，从低到高可依次分为信息支援、多星协同、星地联合和一体使用四个层次。其中：

• 信息支援指军地遥感卫星系统各自独立运行，军队和政府通过货币购买或等价交换的方式向商业遥感卫星公司购买遥感卫星数据或者信息服务，民商遥感卫星通过提供信息支援的方式向军用遥感卫星提供支持；

• 多星协同指军地遥感卫星系统虽然依旧独自运行，但通过信息互通和协调沟通，军地联合实现侦察载荷互补、提升侦察时间分辨率；

• 星地联合是指军地遥感卫星系统不仅在天基侦察卫星资源方面联合实现共享共用，在地面测控和数传站点方面也能协同一致、互为补充、联合使用；

• 一体使用主要应用于战时，军地遥感卫星系统整合所有星地资源、人力资源和算力资源，统一接收用户需求、统一运行管理、统一任务调度，实现资源的最优化整合、效能的最大化发挥。

可以看出军地遥感卫星联合使用的程度越高，对民商遥感卫星公司的介入就越深，必然会对民商遥感卫星公司的日常运营产生影响，因此，联合程度由低到高对应的也是从“平时-急时-战时”不断紧急的情况。平时用市场行为购买服务，急时视情合理调用，战时按法征用，用后给予合理的经济补偿。

以美军为例，在近几场局部战争中，美军都征用了民用及商业遥感卫星，用于目标侦察、毁伤效果评估和气象保障，商业遥感卫星成为军用侦察卫星的有效补充，大大提升了美军战时的航天侦察能力[13]；目前，美军已经成为全球最大的商业遥感数据客户，其地理空间情报局（NGA）通过“下一代观测”计划，投资商业卫星公司研制生产高分辨率成像卫星，从而获得该卫星的优先使用权[6]；美国国防高级研究计划局（DARPA）推进的“黑杰克”项目更是旨在利用通用的商业卫星平台搭载军用侦察载荷，实现遥感卫星系统的军地深度融合[2]。

• 在指挥层面上，随着联合程度的不断加深，指挥机构的权限也逐步增大，由军地遥感卫星的相互信息支援到应急时的任务式指挥，再到战时的集中指挥。

• 在共用资源层面上，信息支援和多星协同程度的联合主要是遥感卫星侦察数据的共享，星地联合程度的联合主要还包括了测控资源和数传资源的共用，一体使用程度的联合更是将人力资源和算力资源的征用调用也包含在内。

• 在数据共享层面上，信息支援联合主要是共享作为遥感卫星数据产品的情报/知识和需要观测目标的信息；多星协同程度的联合需进一步共享遥感卫星的平台轨道信息和卫星状态信息；星地联合程度的联合需进一步共享遥感卫星探测目标的原始数据和测控数传资源信息；一体使用程度的联合需要共享所有信息。

由于军事遥感大多属于“黑色航天”，保密级别较高，随着军地遥感卫星的联合使用程度不断加深，需要共享的信息也越来越多，军地遥感卫星联合使用时，以军方为主导不但有利于信息的保密和流转，而且军队的快速反应能力和高效组织架构也有利于应对紧急情况。

建立应急响应机制，就是要明确军地遥感卫星不同程度联合使用的启动时机、等级划分和基本原则，明确应急响应的指挥体系、方案预案和运行机制，确保民商遥感卫星公司能够快速反应、同步展开、迅即应对，如图2所示。

在平时，卫星联合使用的程度主要在信息支援层次，民商遥感卫星可以根据自身情况合理安排侦照任务，军队采用商业市场采购和资源等价交换等方式，寻求民商遥感卫星支援保障；应急情况时，卫星联合使用的程度主要在多星协同和星地联合层次，军队在视情合理调用的同时，也需考虑民商遥感卫星公司的具体情况，力争将其利益损失降低到最小；战时，卫星联合使用的程度主要在一体使用层次，军队根据维护国家安全的使命任务要求，综合考虑民商遥感卫星系统的体系组成、技术指标和能力底数等情况对卫星资源进行征用，并在任务完成后对调用征用的遥感卫星公司予以合理的经济补偿。同时，为了充分凝聚军地合力，联合指挥机构需要依据应急响应机制和具体任务要求，围绕用户情报保障需求明确指挥方式、组织力量协同，联合指挥军地遥感力量，联合调度军地航天资源，联合组织卫星侦察行动。

图2 军地遥感卫星应急响应机制 

统筹卫星发展规划，就是要兼顾军地不同诉求，统筹安全和发展、战场和市场、军用和民用，统筹谋划军地遥感领域的指导方针、建设目标和重大项目[14]，能够从商业市场采购的少量建设，商业市场缺少的重点建设，大幅度调动民商遥感公司参与国防事业的积极性，避免重复投资和烟囱效应。

集中先进科技和人力资金，军用遥感卫星系统主要追求高空间分辨率、高光谱分辨率、快速响应时间等性能指标；依托商业市场能力，通过“政策引导+订单支持”的方式鼓励民商遥感卫星有序发展，如图3所示；在天基系统层面实现单星多用、多星合用、载荷并用和频率兼容，在站网资源层面实现单站多能、一网多用、外站共用和并网互融，在应用系统层面实现网络互连、多星规划、平台公用和多星运控，构建高中低轨道立体配置、大中小卫星互为补充、各类别载荷全面多样、境内外站网整体布局、军地卫星联合组网运行的遥感卫星系统。这既是降低航天遥感资源建设运行成本的重要举措，也是推进军用遥感卫星系统分布式弹性部署发展的根本途径。

 图3 军地遥感卫星发展规划 

统一各类标准规范，就是要完善遥感卫星领域军地技术标准管理，打破原有遥感卫星系统分头建设的技术壁垒，实现信息系统设备接口和软硬件标准统一、数据传输安全保密和通信协议统一、遥感数据格式参数和分级分类标准统一，实现军地遥感卫星系统星地资源可模块化配置组合、快速改建改造互为备份使用、数据密级分级管理可靠，为遥感卫星资源无障碍共享共用奠定技术基础。从而在信息支援时，可提升数据实时传输速度，降低异源影像处理难度；在多星协同和星地联合时，可加强侦察业务流程管理，缩短应急任务响应时间；在一体使用时，可迅速形成战时侦察能力，拓展军地协同深度广度。为此，需要在国家层面提出相应技术标准，增强遥感卫星军地联合使用观念、强化任务联合筹划能力、增多资源联合运用手段，促使军地遥感卫星在信息通联、数据融合、资源调度、任务管理、互相支援等方面充分沟通，最终建立网络可互联、资源可共享、平台可通用、数据可融合、任务可规划的军地一体化遥感卫星体系。

随着民商遥感的不断发展和联合使用的程度不断加深，遥感卫星数据类型日益多样、频谱范围不断扩大，获取速度逐步加快、数据量指数增长，遥感卫星数据已逐步具备海量、多源、异构的外部特征和高维、多尺度、非平稳内部特性，明显呈现出“大数据”的特征[15]。利用人工智能技术对海量数据进行目标检测、场景分类、语义分割、变化检测等[16-18]自动化处理和深度分析，提升信息挖掘能力和数据利用效率，同时融合战场态势、敌方以往作战规律等用户先验知识等，达到预测敌方作战行动、辅助作战决策的效果，将“海量数据”转换为“数据优势”、“态势优势”和“决策优势”[19]，如图4所示。

图4 海量数据分析过程 

小卫星星座研制周期短、投资运行成本低，已经成为商业资本进入遥感卫星领域的切入点和聚焦点，国内外已经发射并继续发射大量的小卫星。在军地遥感卫星星地联合或一体使用时，如何对数量庞大的卫星星座快速任务规划、提升遥感星座群利用效率是必然需要面对的问题。智能任务规划需要根据用户对地侦察需求，统筹天基遥感卫星、中继卫星、地面站网资源状态等星地资源约束条件，结合被观测目标上空气象信息、运动规律等，利用智能算法得出效益最优的的任务规划方案，并依据侦察结果迭代更新后续侦察任务规划，减少任务管控的人工依赖，提高任务响应速率。

随着军地遥感卫星空间分辨率和光谱分辨率的不断提高，探测数据量呈指数级增长，遥感数据的存储、星地数据的传输已成为制约遥感卫星执行紧急任务和战场态势实时感知的重要因素。突破星地协同的影像在轨实时辐射校正与几何定位、典型目标在轨智能提取与变化检测、影像数据在轨智能压缩、星上通用信息处理平台设计及构建、星地星间实时通信和星地一体化云计算等技术性难题[20-21]，通过在卫星平台上进行遥感数据预处理和情报信息自动提取等，将压缩后的有用信息实时下传，将原始数据闲时下传，节省忙时星地传输带宽，提高遥感卫星侦察任务时效。

美国向来强调通过增强系统开放兼容性和一体化程度来提升军用卫星系统能力，美空军2013年发布的《抗毁与分解式空间体系架构》白皮书和2018发布的《太空作战条令》就曾指出在未来要通过结构分解、功能分散、载荷托管、多轨分散和跨域分散等手段，将太空能力分散布置在不同轨道的不同平台上，以提升体系作战性能和系统弹性[22]。美国防高级研究计划局（DAPRA）的“黑杰克”项目更是旨在通过在商业卫星平台搭载军用传感器实现军事应用、通过在轨数据处理实现自主运行，最终实现大规模部署的低轨小卫星星座，将完全颠覆现有遥感卫星在军事应用中的资源紧缺现状。

遥感卫星系统无论是对国防安全还是经济建设都有十分重要的作用，军地遥感卫星联合使用不仅能够节省星地资源，更能够推动民商遥感卫星发展和支撑国防情报，对其进行研究有十分重要的现实意义。本文的研究可为军地遥感卫星联合使用提供一种思路探讨，随着遥感卫星小型化的发展和人工智能技术的不断成熟，数据的海量增长、侦察任务时效的加快和商业卫星搭载军用载荷的实施，必将颠覆传统的天基信息支援方式。

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本文转自：学术plus