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視頻衛星是一種新型對地觀測衛星，與傳統的對地觀測衛星相比，其最大的特點是可以對某一區域進行“凝視”觀測，以“視頻錄像”的方式獲得比傳統衛星更多的動態信息，特別適於觀測動態目標，分析其瞬時特性。下麵介紹兩個相關概念，“視頻”和“凝視”
根據維基百科，連續的圖像變化每秒超過24幀畫麵以上時，根據視覺暫留原理，看上去是平滑連續的視覺效果，這樣連續的畫麵叫做視頻。國外目前對視頻衛星的幀速率指標並沒有明確的限製，例如正在發展的美國靜止軌道衍射成像係統能夠拍攝1幀/秒視頻，歐洲正在論證的靜止軌道空間監視係統衛星“靜止軌道監視係統”（GO－3S）能夠拍攝5幀/秒視頻，而美國已發射的天空衛星－1（Skysat－1）能夠拍攝30幀/秒的視頻。
所謂“凝視”是指隨著衛星的運動，光學成像係統始終盯住某一目標區域，可以連續觀察視場內的變化。主要有兩種手段實現“凝視”，一是采用靜止軌道光學成像衛星，二是采用具備較高姿態敏捷能力或具備圖像運動補償能力的低軌光學成像衛星。靜止軌道衛星由於軌道動力學特性，衛星與地麵相對靜止，從而實現凝視。但為了在高軌實現米級地麵分辨率，其成像係統口徑必須足夠大，目前美、歐正在積極研製大口徑（至少大於4m）光學成像係統。具備“凝視”能力的低軌衛星又分兩類，一類是具備高敏捷能力，采用傳統線陣探測器的衛星，以美國“世界觀測”（WorldView）和法國“昴宿星”（Pleiades）為代表。另一類是采用麵陣探測器，綜合利用平台的高敏捷能力從而實現“凝視”，典型代表為印尼與德國合作研製的“印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術大學衛星”（LAPAN-Tubsat）和美國“天空衛星”等。
視頻衛星通過一定時間間隔的時序圖像組成視頻，適於對動態目標進行分析，獲得目標的速度和方向，這些重要信息從傳統靜態圖像中難以獲得。
國外正在積極研製的米級分辨率靜止軌道光學成像衛星具備長時間視頻拍攝能力，在海洋監視和環境監視領域有廣闊的應用前景，能夠對大型的動態軍事目標進行檢測。
低軌衛星由於過頂速度快，單顆視頻衛星對某一目標區域的視頻持續觀測時間一般在1min左右。憑借單顆衛星難以對目標進行業務化的持續監視。但國外發展的視頻小衛星多采用微衛星平台，質量為100kg量級，因此成本較低，可以通過星座部署的方式實現近實時的目標監視。國外低軌視頻衛星已經從試驗研究向業務化應用轉變，分辨率已從5m左右發展到1m，結合低軌亞米級分辨率光學成像衛星，可以實現對動態目標的快速檢測、確認和識別。
根據維基百科，連續的圖像變化每秒超過24幀畫麵以上時，根據視覺暫留原理，看上去是平滑連續的視覺效果，這樣連續的畫麵叫做視頻。國外目前對視頻衛星的幀速率指標並沒有明確的限製，例如正在發展的美國靜止軌道衍射成像係統能夠拍攝1幀/秒視頻，歐洲正在論證的靜止軌道空間監視係統衛星“靜止軌道監視係統”（GO－3S）能夠拍攝5幀/秒視頻，而美國已發射的天空衛星－1（Skysat－1）能夠拍攝30幀/秒的視頻。
所謂“凝視”是指隨著衛星的運動，光學成像係統始終盯住某一目標區域，可以連續觀察視場內的變化。主要有兩種手段實現“凝視”，一是采用靜止軌道光學成像衛星，二是采用具備較高姿態敏捷能力或具備圖像運動補償能力的低軌光學成像衛星。靜止軌道衛星由於軌道動力學特性，衛星與地麵相對靜止，從而實現凝視。但為了在高軌實現米級地麵分辨率，其成像係統口徑必須足夠大，目前美、歐正在積極研製大口徑（至少大於4m）光學成像係統。具備“凝視”能力的低軌衛星又分兩類，一類是具備高敏捷能力，采用傳統線陣探測器的衛星，以美國“世界觀測”（WorldView）和法國“昴宿星”（Pleiades）為代表。另一類是采用麵陣探測器，綜合利用平台的高敏捷能力從而實現“凝視”，典型代表為印尼與德國合作研製的“印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術大學衛星”（LAPAN-Tubsat）和美國“天空衛星”等。
視頻衛星通過一定時間間隔的時序圖像組成視頻，適於對動態目標進行分析，獲得目標的速度和方向，這些重要信息從傳統靜態圖像中難以獲得。
國外正在積極研製的米級分辨率靜止軌道光學成像衛星具備長時間視頻拍攝能力，在海洋監視和環境監視領域有廣闊的應用前景，能夠對大型的動態軍事目標進行檢測。
低軌衛星由於過頂速度快，單顆視頻衛星對某一目標區域的視頻持續觀測時間一般在1min左右。憑借單顆衛星難以對目標進行業務化的持續監視。但國外發展的視頻小衛星多采用微衛星平台，質量為100kg量級，因此成本較低，可以通過星座部署的方式實現近實時的目標監視。國外低軌視頻衛星已經從試驗研究向業務化應用轉變，分辨率已從5m左右發展到1m，結合低軌亞米級分辨率光學成像衛星，可以實現對動態目標的快速檢測、確認和識別。
國外視頻衛星發展研究
劉韜（北京空間科技信息研究所）
2013年，美國發射了1m分辨率的業務型視頻衛星，加拿大在“國際空間站”上安裝了1m分辨率的視頻成像載 荷，這些新動向說明視頻衛星技術走向成熟，視頻衛星從技術試驗向業務型應用過渡。我國也於2014年9月8日發射 了首顆視頻成像衛星天拓-2。
該衛星具有實時視頻成像、人在回路交互式操作、基於網絡的遠程操作控製等功能， 能實現對動態運動過程的連續觀測和跟蹤，獲取觀測區域的視頻數據。相對於靜止圖像而言，視頻拍攝最大的優勢 在於對環境的動態監視和對運動目標的跟蹤。
視頻衛星的概念視頻衛星是一種新型對地觀測衛星，與傳統的對 地觀測衛星相比，其最大的特點是可以對某一區域進 行“凝視”觀測，以“視頻錄像”的方式獲得比傳統 衛星更多的動態信息，特別適於觀測動態目標，分析 其瞬時特性。下麵介紹兩個相關概念，“視頻”和 “凝視” 根據維基百科介紹，連續的圖像變化每秒超過24 幀畫麵以上時，根據視覺暫留原理，看上去是平滑連 續的視覺效果，這樣連續的畫麵叫做視頻。國外目前 對視頻衛星的幀速率指標並沒有明確的限製，例如正 在發展的美國靜止軌道衍射成像係統能夠拍攝1幀/秒 視頻，歐洲正在論證的靜止軌道空間監視係統衛星 “靜止軌道監視係統”（GO－3S）能夠拍攝5幀/秒 視頻，而美國已發射的天空衛星－1（Skysat －1） 能夠拍攝30幀/秒的視頻。
所謂“凝視”是指隨著衛星的運動，光學成像係 統始終盯住某一目標區域，可以連續觀察視場內的變 化。主要有兩種手段實現“凝視”，一是采用靜止 軌道光學成像衛星，二是采用具備較高姿態敏捷能 力或具備圖像運動補償能力的低軌光學成像衛星。 靜止軌道衛星由於軌道動力學特性，衛星與地麵相 對靜止，從而實現凝視。但為了在高軌實現米級地 麵分辨率，其成像係統口徑必須足夠大，目前美、 歐正在積極研製大口徑（至少大於4m）光學成像係 統。具備“凝視”能力的低軌衛星又分兩類，一類是 具備高敏捷能力，采用傳統線陣探測器的衛星，以美 國“世界觀測”（Worl dVi ew）和法國“昴宿星” （Pleiades）為代表。另一類是采用麵陣探測器，綜 合利用平台的高敏捷能力從而實現“凝視”，典型代 表為印尼與德國合作研製的“印度尼西亞國家航空航 天研究所-柏林技術大學衛星”（LAPAN-Tubsat） 和美國“天空衛星”等。 視頻衛星的用途和應用前景視頻衛星通過一定時間間隔的時序圖像組成視 頻，適於對動態目標進行分析，獲得目標的速度和方 向，這些重要信息從傳統靜態圖像中難以獲得。
國外正在積極研製的米級分辨率靜止軌道光學成 像衛星具備長時間視頻拍攝能力，在海洋監視和環境 監視領域有廣闊的應用前景，能夠對大型的動態軍事 目標進行檢測。 低軌衛星由於過頂速度快，單顆視頻衛星對某一 目標區域的視頻持續觀測時間一般在1mi n左右。憑 借單顆衛星難以對目標進行業務化的持續監視。但 國外發展的視頻小衛星多采用微衛星平台，質量為 Space International 國際太空 總第429期51 STARS TWINKLE 100kg量級，因此成本較低，可以通過星座部署的方 式實現近實時的目標監視。國外低軌視頻衛星已經從 試驗研究向業務化應用轉變，分辨率已從5m左右發 展到1m，結合低軌亞米級分辨率光學成像衛星，可 以實現對動態目標的快速檢測、確認和識別。
典型視頻衛星係統靜止軌道視頻衛星
（1）美國“莫爾紋” “莫爾紋”（MOI RE）是美國國防高級研究計 劃局（DARPA）於2010年開展的大口徑衍射光學 成像技術研發項目，其全稱為“薄膜光學成像儀實 時利用”（Membrane Optic Imager Real－Time Exploitation）。項目旨在突破衍射薄膜、大型可展 開支撐結構、星上處理和壓縮等關鍵技術，為未來開 發靜止軌道高分辨率衍射成像衛星提供技術準備。 美國國防高級研究計劃局已於2010年8月授出了 “莫爾紋”項目的研製合同。美國鮑爾宇航技術公司 作為主承包商，負責光學係統的設計、地麵原理樣機 研製和測試；美國“納克斯奧吾”（NeXolve）材料 公司負責衍射薄膜的研製；美國勞倫斯-利弗莫爾國 家實驗室（LLNL）負責衍射鏡的研製。 該項目分2個階段實施：第一階段目標是開發滿 足空間飛行要求的薄膜材料，研製一個米級口徑的衍 射薄膜主鏡，並開展完整光學薄膜成像係統的方案設 計。第二階段計劃研製5m口徑光學薄膜成像係統的 地麵原理樣機。 美國國防高級研究計劃局計劃在“莫爾紋”項 目取得成功後，進一步研製1顆10m口徑的靜止軌道 衍射成像技術驗證衛星，對大係統進行全麵的演示 驗證。 業務型實用係統將交由美國國家偵察局開發。目 前美國國防高級研究計劃局宣稱的業務係統成本約5 億美元，光學係統采用菲涅爾波帶片或者光子篩形式 的主鏡，口徑將達到20m，在發射時處於折疊狀態， 入軌後展開。係統能夠在靜止軌道實現1m的高分辨 率，視場為10km10km，成像速率1幅/秒，實現 對敵方軍事目標的連續監視，將大幅提升對艦船、導 彈發射車等時敏目標的動態監視能力。
（2）歐洲“靜止軌道監視係統”衛星 “靜止軌道監視係統”衛星是歐洲阿斯特留姆 （Astri um）公司從2011年開始發展的3m分辨率靜 止軌道光學成像衛星，其具備100km幅寬，5幀/秒 視頻拍攝能力，裝配4m口徑的光學成像係統，衛星 質量約8t。 “靜止軌道監視係統”衛星有3 個視頻工作模 式。“突發”模式（快速連拍模式）是在短時間內以 較高的幀速率拍攝視頻，該模式用於快速獲取時敏目 標的速度、方向等瞬時特性；“持續視頻”模式（短 片視頻模式）是在數分鍾的拍攝時間內以較高幀速率 拍攝視頻，盡管達不到24幀/秒的真正視頻效果，但 該模式盡量使每幀圖像連貫起來；“時延視頻”模式 是以一定時間間隔（如分鍾、數小時或天）拍攝視 頻，這種模式主要用於跟蹤艦船，也可用於獲取海洋 環境的長時間演化特性。
低軌視頻衛星
（1）傳統高敏捷高分辨率光學成像衛星 據國外專家計算，衛星平台姿態機動能力達到 1/s，就可實現“凝視”。部分傳統高敏捷高分辨 率光學成像衛星具備這種能力。 “莫爾紋”項目示意圖 群星閃爍 STARS TWINKLE SpaceInternational 國際太空 52
（2）微小型敏捷視頻衛星 目前，國外已發射了數顆具有視頻拍攝功能的 小衛星，一顆是印度尼西亞於2007年1月10日發射的 “印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術大學衛 星”（LAPAN-TUBSAT）衛星，另一顆是南非於 2009年9月發射的Sumbandl asat。這兩顆衛星的空間分辨率相當，在結構上也很類似，均采用高分辨率 載荷和低分辨率載荷的組合，屬於技術試驗衛星。隨 著小衛星平台技術、大像元數麵陣探測器技術和圖像 處理技術的發展，美國於2013年11月發射了分辨率 約1m的天空衛星－1業務型視頻衛星。 “印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術大 學衛星” “印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術大 學衛星”由印度尼西亞出資，德國柏林工業大學為主 承包商，日本索尼（SONY）、尼康（Nikon）公司 和德國卡帕(kappa)公司提供有效載荷部件。該衛星 有兩種成像模式，一是傳統的推掃成像；另一種是為 了拍攝視頻的“凝視”模式，在該模式下，相機與衛 星平台進行“互動”，當成像出現像移時，相機將像 移量反饋給平台，平台通過側擺調整姿態，以補償這 種像移，從而實現“凝視”。 “印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術大 學衛星”尺寸為45cm45cm27cm，三軸穩定， 質量為56kg，位於太陽同步軌道，高度為635km， 設計壽命2年。有效載荷為1台高分辨率攝像機和1台 低分辨率攝像機。高分辨率攝像機主要由索尼公司 的高清晰度DXC－990P型民用可遙控攝像機和尼康 典型高敏捷高分辨率光學成像衛星 衛星名稱 全色空間 分辨率/m 幅寬/km 敏捷能力/ (QuickBird)0.65 16.5 2.4 地球眼－1 （Geoeye－1） 0.41 15.2 2.4 世界觀測－1 0.5 17.6 4.45 世界觀測－2 0.46 16.4 3.86 0.720 3.4 “靜止軌道監視係統”衛星視頻工作模式 時延視頻模式：以某時間間隔（可為分鍾、小時..）拍攝圖像，用於跟蹤艦船等Space International 國際太空 總第429期53 STARS TWINKLE 公司製造的焦距1m、相對孔徑f /11的折射望遠鏡組 成，包括支撐結構的總質量為7.8kg。空間分辨率為 6m，幅寬為3.5km。 DXC－990P是1台可換鏡頭式3CCD攝像機，每 塊CCD的像元數為752582，合430萬像素，像元 尺寸為7μm。通過棱鏡將紅綠藍（RGB）三原色光 匯聚到3個CCD上，畫質比單CCD攝像機更好。選擇 DXC－990P監控攝像機的另一個主要原因是其具有 Exwave HAD技術，適於光照強度大範圍變化的場 合使用，如存在部分雲覆蓋的目標區域。該攝像機的 行掃描速度為15.625kHz，列掃描速度為50Hz，可 以產生50幀/秒的視頻，輸出清晰度達到850線，輸 出格式為PAL製式。 選擇全自動模式為該攝像機的默認工作模式，意 味著攝像機自動控製增益、白平衡和快門速度。也可 以通過星載計算機響應地麵指令，手動設置上述參 數。快門速度最快達到10 －6 s，用於補償有雲區域因 雲反射太陽光造成的過度曝光。 XC－9 用戶手冊標出的工作溫度範圍是－5 ，衛星熱控係統使溫度控製在10內，而環境測試表明該攝像機在－20時仍能運行良 好，因此該攝像機在軌工作的溫度環境不存在問題。 低分辨率攝像機由德國Kappa公司研製，使用 50mm焦距鏡頭，采用752像素582像素CCD麵陣 探測器，空間分辨率200m，幅寬81km。 目標“凝視”觀測示意圖 索尼的DXC－990P攝像機（左）星載高分辨率攝像機（右） DXC－990P攝像機的安防監控、科研和產品生產監視用途 軌道 地麵 目標區域 群星閃爍 STARS TWINKLE SpaceInternational 國際太空 54印度尼西亞國家航空航天研究所－A2 （LAPAN-A2）衛星 印度尼西亞國家航空航天研究所－A2衛星計劃 於2014年發射，運行在近赤道軌道，高度650km， 傾角8，平台尺寸為47cm50cm36cm，發射質 量76kg。在俯仰和滾動向可側擺機動30。它共 攜帶4個有效載荷，包括與印度尼西亞國家航空航天 研究所-柏林技術大學衛星相同的視頻相機、試驗型 空間數字相機、船舶自動識別係統（AIS）和無線電 通信載荷。研製成本約350萬美元。 試驗型空間數字相機基於德國西塔係統電子股份 有限公司（Theta System Elektronik GmbH）的 名稱為C4000型空間攝像機（SpaceCam）商業現貨 研製。C4000型空間攝像機采用CMOSIS公司生產的 400萬像素（20482048）CMOS麵陣探測器，像元 尺寸5.5μm，數字量化12bi t。基於C4000型空間攝 像機的試驗型空間數字相機采用焦距600mm鏡頭， 空間分辨率6m，幅寬12km。實際上C4000型空間 攝像機采用可換鏡頭設計，如果搭配口徑30cm的鏡 頭，在630km的軌道高度可以實現優於1m的空間分 “天空衛星”天空衛星－1 是美國的新興航天企業天空盒子 （Skybox）公司於2013年底發射的商用光學成像和 視頻拍攝衛星，利用了先進的地麵圖像處理等軟件 技術，由於商業保密的原因，目前技術資料極少。 Skybox公司認為他們是一個IT類公司而不是航天企 業，說明天空衛星－1除硬件先進外，還采用了先進 的軟件技術。 天空衛星－1 質量約9 的太陽同步軌道。攜帶碳化矽製造的裏奇-克萊琴（R-C）反射光學成像係統。天空衛星－1在成像模 式工作時，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，隻能提供全色 視頻，分辨率1.1m，幅寬2km1.1km，可見視頻 產品的幅寬比成像模式時的幅寬下降3倍。視頻每秒 30幀，持續時間90s，輸出H.264編碼的1080P高清 MPEG4格式視頻。 空間相機拍攝高幀速率視頻對探測器所需的積分 時間和電路讀出時間的要求比拍攝傳統靜態圖像的要 求高。拍攝視頻要求在較短的積分時間內滿足圖像信 噪比的要求。傳統的線陣探測器難以滿足這一要求， 因此天空衛星－1使用550萬像素的CMOS麵陣探測 器，實現畫幅式推掃成像。根據天空盒子公司公布的 有限資料推測，“天空衛星”使用了錯位排列拚接的 CMOS麵陣探測器。使用拚接陣列的原因通常是受限 於當時的探測器加工技術，難以製造像素數多的探測 器，因此采用拚接，以擴大觀測幅寬。由於麵陣探測 器單次成像麵積比線陣探測器大，因此同一目標區域 可以獲得多次拍攝機會，通過多幅圖像疊加處理，提 高了信噪比。 為了實現“凝視”以拍攝視頻，“天空衛星”能 夠在俯仰、滾動和偏航3個方向實現側擺機動。同時 CMOS探測器還具有前後左右4個方向的自由度，配 合平台的3個自由度，共計7個自由度，由此實現圖 低分辨率視頻相機 印度尼西亞國家航空航天研究所－A2衛星結構透視圖 Space International 國際太空 總第429期55 STARS TWINKLE 像運動補償，從而加強了凝視效果。 V1C型小衛星 月，薩瑞美國（SST－US）公司發布了其新近研製的具有彩色視頻成像能力的V1C型小 衛星。 V1C型小衛星價格低於2000萬美元，星下點空間分 辨率優於1m，地麵幅寬為10km，幀頻高達100幀/秒。 V1C型衛星基於薩瑞公司新近推出的SSTL－X50衛 星平台研製，具有星上大數據存儲能力。此外，薩瑞 美國公司還推出了具有0.5m分辨率光學成像能力的 L1型衛星。VI C型衛星和L1型衛星具有任務可再配 置能力，可以應用在一係列情報收集領域，如監視、 探測和確認等。 根據衛星發射數量不同，V1C型衛星可構成多種 不同的星座構型，如以30～60min的時間間隔部署在 同一軌道，以便於在每天特定時段提供近實時的視頻 覆蓋。 地球直播公司的“國際空間站” 高分辨率視頻相機項目 （Urthecast）公司的兩部光學成像係統—高分辨率相機和中分辨率相機，由俄羅斯“進步”貨運飛船 送往“國際空間站”。2014年1月27日，高分辨率相 機和中分辨率相機在“國際空間站”的俄羅斯星辰號 服務艙上成功安裝。 地球直播公司是利用大數據技術以互聯網和移動 終端為平台，為用戶提供衛星數據定製服務的新型宇 航企業。該公司允許其他開發者在其提供的開源應用 程序接口（API）的基礎上製作應用程序（APP）， 在環保、教育、災害監視、傳媒甚至遊戲開發等領 域有廣闊的應用前景。地球直播公司與Yout ube和 Flickr等社交和移動媒體網站合作，方便用戶創建、 發布和共享圖像或視頻。用戶也可以在“地球直播” 網站上免費注冊，訂閱關注的位置信息。商業模式包 同一目標區域被多次成像 V1C型小衛星外形圖 探測器2 焦平麵結構 掃描方向 探測器1 探測器3 宇航巡禮 SPACETOUR SpaceInternational 國際太空 56括對地觀測圖像銷售、視頻銷售、網絡廣告銷售和應 用平台銷售4大部分。 高分辨率相機由英國盧瑟福-阿普爾頓實驗室 （RAL）與加拿大麥德（MDA）公司合作研製， 安裝在一個可轉向的平台上，分辨率為1 場為5km3.4km，采用3048像素4560像素的麵陣探測器，能夠拍攝單幅圖像和幀速率3.25f ps （1f ps=0.304m/s）的視頻，高分辨率相機每天可 產出150段每段90s 的視頻。高分辨率相機對地“凝 視”利用的是二維轉向平台（BPP）。 視頻衛星技術總結低軌視頻衛星對平台的要求 為了使得視頻衛星光學遙感器的光軸始終對準地 麵目標區域進行不間斷攝像，衛星姿態控製係統需要 實時調整星體的姿態，以克服衛星的軌道運動、姿態 運動和地球自轉帶來的目標不斷偏離光軸的影響，使 光學遙感器的光軸始終對準目標。凝視問題實際上就 是星體對運動目標的姿態跟蹤問題。
對載荷的要求 （1）高軌視頻衛星需要具備大口徑光學成像係 統，才能滿足軍事應用需求 根據美、歐計算，在靜止軌道實現1m分辨率至 少要求光學係統的口徑達到13m，現階段美、歐單體 空間反射鏡製造水平在3～4m水平，僅能達到星下點 3m的空間分辨率。這一指標可以滿足部分軍事應用 需求，如艦船監視等。 （2）低軌微小視頻衛星需要麵陣探測器 在進行成像過程中，低軌衛星相對於被觀測對象 處於快速運動狀態，衛星運動使得在曝光時間內被攝 目標影像與探測器之間存在相對運動，目標在探測器 上所成的像不是靜止的，而是運動的，即造成像移。 傳統線陣推掃拍攝靜態圖像時，被觀測目標的像 在探測元上的駐留時間較長，即大於或等於探測器的 積分時間，也即像移量小於或等於探測元尺寸，像移 對圖像質量的影響還可接受，進行適當像移補償或不 進行像移補償都能滿足成像要求。 凝視拍攝視頻時，若被觀測目標的像在探測元上 的駐留時間比探測器積分時間短，產生的像移量明顯 大於探測元尺寸，即對圖像質量的影響較大，不進行 像移補償很難獲得較好的成像質量。對補償有兩種方 法，一種是與平台進行互動，利用平台調整姿態，對 像移進行補充，另一種通過采用可位移的探測器進行 補償，或采用擺鏡的方法進行補償。 加拿大地球直播公司的高分辨率相機和中分辨率相機 中分辨率相機 高分辨率相機 可轉向安裝座。
劉韜（北京空間科技信息研究所）
2013年，美國發射了1m分辨率的業務型視頻衛星，加拿大在“國際空間站”上安裝了1m分辨率的視頻成像載 荷，這些新動向說明視頻衛星技術走向成熟，視頻衛星從技術試驗向業務型應用過渡。我國也於2014年9月8日發射 了首顆視頻成像衛星天拓-2。
該衛星具有實時視頻成像、人在回路交互式操作、基於網絡的遠程操作控製等功能， 能實現對動態運動過程的連續觀測和跟蹤，獲取觀測區域的視頻數據。相對於靜止圖像而言，視頻拍攝最大的優勢 在於對環境的動態監視和對運動目標的跟蹤。
視頻衛星的概念視頻衛星是一種新型對地觀測衛星，與傳統的對 地觀測衛星相比，其最大的特點是可以對某一區域進 行“凝視”觀測，以“視頻錄像”的方式獲得比傳統 衛星更多的動態信息，特別適於觀測動態目標，分析 其瞬時特性。下麵介紹兩個相關概念，“視頻”和 “凝視” 根據維基百科介紹，連續的圖像變化每秒超過24 幀畫麵以上時，根據視覺暫留原理，看上去是平滑連 續的視覺效果，這樣連續的畫麵叫做視頻。國外目前 對視頻衛星的幀速率指標並沒有明確的限製，例如正 在發展的美國靜止軌道衍射成像係統能夠拍攝1幀/秒 視頻，歐洲正在論證的靜止軌道空間監視係統衛星 “靜止軌道監視係統”（GO－3S）能夠拍攝5幀/秒 視頻，而美國已發射的天空衛星－1（Skysat －1） 能夠拍攝30幀/秒的視頻。
所謂“凝視”是指隨著衛星的運動，光學成像係 統始終盯住某一目標區域，可以連續觀察視場內的變 化。主要有兩種手段實現“凝視”，一是采用靜止 軌道光學成像衛星，二是采用具備較高姿態敏捷能 力或具備圖像運動補償能力的低軌光學成像衛星。 靜止軌道衛星由於軌道動力學特性，衛星與地麵相 對靜止，從而實現凝視。但為了在高軌實現米級地 麵分辨率，其成像係統口徑必須足夠大，目前美、 歐正在積極研製大口徑（至少大於4m）光學成像係 統。具備“凝視”能力的低軌衛星又分兩類，一類是 具備高敏捷能力，采用傳統線陣探測器的衛星，以美 國“世界觀測”（Worl dVi ew）和法國“昴宿星” （Pleiades）為代表。另一類是采用麵陣探測器，綜 合利用平台的高敏捷能力從而實現“凝視”，典型代 表為印尼與德國合作研製的“印度尼西亞國家航空航 天研究所-柏林技術大學衛星”（LAPAN-Tubsat） 和美國“天空衛星”等。 視頻衛星的用途和應用前景視頻衛星通過一定時間間隔的時序圖像組成視 頻，適於對動態目標進行分析，獲得目標的速度和方 向，這些重要信息從傳統靜態圖像中難以獲得。
國外正在積極研製的米級分辨率靜止軌道光學成 像衛星具備長時間視頻拍攝能力，在海洋監視和環境 監視領域有廣闊的應用前景，能夠對大型的動態軍事 目標進行檢測。 低軌衛星由於過頂速度快，單顆視頻衛星對某一 目標區域的視頻持續觀測時間一般在1mi n左右。憑 借單顆衛星難以對目標進行業務化的持續監視。但 國外發展的視頻小衛星多采用微衛星平台，質量為 Space International 國際太空 總第429期51 STARS TWINKLE 100kg量級，因此成本較低，可以通過星座部署的方 式實現近實時的目標監視。國外低軌視頻衛星已經從 試驗研究向業務化應用轉變，分辨率已從5m左右發 展到1m，結合低軌亞米級分辨率光學成像衛星，可 以實現對動態目標的快速檢測、確認和識別。
典型視頻衛星係統靜止軌道視頻衛星
（1）美國“莫爾紋” “莫爾紋”（MOI RE）是美國國防高級研究計 劃局（DARPA）於2010年開展的大口徑衍射光學 成像技術研發項目，其全稱為“薄膜光學成像儀實 時利用”（Membrane Optic Imager Real－Time Exploitation）。項目旨在突破衍射薄膜、大型可展 開支撐結構、星上處理和壓縮等關鍵技術，為未來開 發靜止軌道高分辨率衍射成像衛星提供技術準備。 美國國防高級研究計劃局已於2010年8月授出了 “莫爾紋”項目的研製合同。美國鮑爾宇航技術公司 作為主承包商，負責光學係統的設計、地麵原理樣機 研製和測試；美國“納克斯奧吾”（NeXolve）材料 公司負責衍射薄膜的研製；美國勞倫斯-利弗莫爾國 家實驗室（LLNL）負責衍射鏡的研製。 該項目分2個階段實施：第一階段目標是開發滿 足空間飛行要求的薄膜材料，研製一個米級口徑的衍 射薄膜主鏡，並開展完整光學薄膜成像係統的方案設 計。第二階段計劃研製5m口徑光學薄膜成像係統的 地麵原理樣機。 美國國防高級研究計劃局計劃在“莫爾紋”項 目取得成功後，進一步研製1顆10m口徑的靜止軌道 衍射成像技術驗證衛星，對大係統進行全麵的演示 驗證。 業務型實用係統將交由美國國家偵察局開發。目 前美國國防高級研究計劃局宣稱的業務係統成本約5 億美元，光學係統采用菲涅爾波帶片或者光子篩形式 的主鏡，口徑將達到20m，在發射時處於折疊狀態， 入軌後展開。係統能夠在靜止軌道實現1m的高分辨 率，視場為10km10km，成像速率1幅/秒，實現 對敵方軍事目標的連續監視，將大幅提升對艦船、導 彈發射車等時敏目標的動態監視能力。
（2）歐洲“靜止軌道監視係統”衛星 “靜止軌道監視係統”衛星是歐洲阿斯特留姆 （Astri um）公司從2011年開始發展的3m分辨率靜 止軌道光學成像衛星，其具備100km幅寬，5幀/秒 視頻拍攝能力，裝配4m口徑的光學成像係統，衛星 質量約8t。 “靜止軌道監視係統”衛星有3 個視頻工作模 式。“突發”模式（快速連拍模式）是在短時間內以 較高的幀速率拍攝視頻，該模式用於快速獲取時敏目 標的速度、方向等瞬時特性；“持續視頻”模式（短 片視頻模式）是在數分鍾的拍攝時間內以較高幀速率 拍攝視頻，盡管達不到24幀/秒的真正視頻效果，但 該模式盡量使每幀圖像連貫起來；“時延視頻”模式 是以一定時間間隔（如分鍾、數小時或天）拍攝視 頻，這種模式主要用於跟蹤艦船，也可用於獲取海洋 環境的長時間演化特性。
低軌視頻衛星
（1）傳統高敏捷高分辨率光學成像衛星 據國外專家計算，衛星平台姿態機動能力達到 1/s，就可實現“凝視”。部分傳統高敏捷高分辨 率光學成像衛星具備這種能力。 “莫爾紋”項目示意圖 群星閃爍 STARS TWINKLE SpaceInternational 國際太空 52
（2）微小型敏捷視頻衛星 目前，國外已發射了數顆具有視頻拍攝功能的 小衛星，一顆是印度尼西亞於2007年1月10日發射的 “印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術大學衛 星”（LAPAN-TUBSAT）衛星，另一顆是南非於 2009年9月發射的Sumbandl asat。這兩顆衛星的空間分辨率相當，在結構上也很類似，均采用高分辨率 載荷和低分辨率載荷的組合，屬於技術試驗衛星。隨 著小衛星平台技術、大像元數麵陣探測器技術和圖像 處理技術的發展，美國於2013年11月發射了分辨率 約1m的天空衛星－1業務型視頻衛星。 “印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術大 學衛星” “印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術大 學衛星”由印度尼西亞出資，德國柏林工業大學為主 承包商，日本索尼（SONY）、尼康（Nikon）公司 和德國卡帕(kappa)公司提供有效載荷部件。該衛星 有兩種成像模式，一是傳統的推掃成像；另一種是為 了拍攝視頻的“凝視”模式，在該模式下，相機與衛 星平台進行“互動”，當成像出現像移時，相機將像 移量反饋給平台，平台通過側擺調整姿態，以補償這 種像移，從而實現“凝視”。 “印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術大 學衛星”尺寸為45cm45cm27cm，三軸穩定， 質量為56kg，位於太陽同步軌道，高度為635km， 設計壽命2年。有效載荷為1台高分辨率攝像機和1台 低分辨率攝像機。高分辨率攝像機主要由索尼公司 的高清晰度DXC－990P型民用可遙控攝像機和尼康 典型高敏捷高分辨率光學成像衛星 衛星名稱 全色空間 分辨率/m 幅寬/km 敏捷能力/ (QuickBird)0.65 16.5 2.4 地球眼－1 （Geoeye－1） 0.41 15.2 2.4 世界觀測－1 0.5 17.6 4.45 世界觀測－2 0.46 16.4 3.86 0.720 3.4 “靜止軌道監視係統”衛星視頻工作模式 時延視頻模式：以某時間間隔（可為分鍾、小時..）拍攝圖像，用於跟蹤艦船等Space International 國際太空 總第429期53 STARS TWINKLE 公司製造的焦距1m、相對孔徑f /11的折射望遠鏡組 成，包括支撐結構的總質量為7.8kg。空間分辨率為 6m，幅寬為3.5km。 DXC－990P是1台可換鏡頭式3CCD攝像機，每 塊CCD的像元數為752582，合430萬像素，像元 尺寸為7μm。通過棱鏡將紅綠藍（RGB）三原色光 匯聚到3個CCD上，畫質比單CCD攝像機更好。選擇 DXC－990P監控攝像機的另一個主要原因是其具有 Exwave HAD技術，適於光照強度大範圍變化的場 合使用，如存在部分雲覆蓋的目標區域。該攝像機的 行掃描速度為15.625kHz，列掃描速度為50Hz，可 以產生50幀/秒的視頻，輸出清晰度達到850線，輸 出格式為PAL製式。 選擇全自動模式為該攝像機的默認工作模式，意 味著攝像機自動控製增益、白平衡和快門速度。也可 以通過星載計算機響應地麵指令，手動設置上述參 數。快門速度最快達到10 －6 s，用於補償有雲區域因 雲反射太陽光造成的過度曝光。 XC－9 用戶手冊標出的工作溫度範圍是－5 ，衛星熱控係統使溫度控製在10內，而環境測試表明該攝像機在－20時仍能運行良 好，因此該攝像機在軌工作的溫度環境不存在問題。 低分辨率攝像機由德國Kappa公司研製，使用 50mm焦距鏡頭，采用752像素582像素CCD麵陣 探測器，空間分辨率200m，幅寬81km。 目標“凝視”觀測示意圖 索尼的DXC－990P攝像機（左）星載高分辨率攝像機（右） DXC－990P攝像機的安防監控、科研和產品生產監視用途 軌道 地麵 目標區域 群星閃爍 STARS TWINKLE SpaceInternational 國際太空 54印度尼西亞國家航空航天研究所－A2 （LAPAN-A2）衛星 印度尼西亞國家航空航天研究所－A2衛星計劃 於2014年發射，運行在近赤道軌道，高度650km， 傾角8，平台尺寸為47cm50cm36cm，發射質 量76kg。在俯仰和滾動向可側擺機動30。它共 攜帶4個有效載荷，包括與印度尼西亞國家航空航天 研究所-柏林技術大學衛星相同的視頻相機、試驗型 空間數字相機、船舶自動識別係統（AIS）和無線電 通信載荷。研製成本約350萬美元。 試驗型空間數字相機基於德國西塔係統電子股份 有限公司（Theta System Elektronik GmbH）的 名稱為C4000型空間攝像機（SpaceCam）商業現貨 研製。C4000型空間攝像機采用CMOSIS公司生產的 400萬像素（20482048）CMOS麵陣探測器，像元 尺寸5.5μm，數字量化12bi t。基於C4000型空間攝 像機的試驗型空間數字相機采用焦距600mm鏡頭， 空間分辨率6m，幅寬12km。實際上C4000型空間 攝像機采用可換鏡頭設計，如果搭配口徑30cm的鏡 頭，在630km的軌道高度可以實現優於1m的空間分 “天空衛星”天空衛星－1 是美國的新興航天企業天空盒子 （Skybox）公司於2013年底發射的商用光學成像和 視頻拍攝衛星，利用了先進的地麵圖像處理等軟件 技術，由於商業保密的原因，目前技術資料極少。 Skybox公司認為他們是一個IT類公司而不是航天企 業，說明天空衛星－1除硬件先進外，還采用了先進 的軟件技術。 天空衛星－1 質量約9 的太陽同步軌道。攜帶碳化矽製造的裏奇-克萊琴（R-C）反射光學成像係統。天空衛星－1在成像模 式工作時，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，隻能提供全色 視頻，分辨率1.1m，幅寬2km1.1km，可見視頻 產品的幅寬比成像模式時的幅寬下降3倍。視頻每秒 30幀，持續時間90s，輸出H.264編碼的1080P高清 MPEG4格式視頻。 空間相機拍攝高幀速率視頻對探測器所需的積分 時間和電路讀出時間的要求比拍攝傳統靜態圖像的要 求高。拍攝視頻要求在較短的積分時間內滿足圖像信 噪比的要求。傳統的線陣探測器難以滿足這一要求， 因此天空衛星－1使用550萬像素的CMOS麵陣探測 器，實現畫幅式推掃成像。根據天空盒子公司公布的 有限資料推測，“天空衛星”使用了錯位排列拚接的 CMOS麵陣探測器。使用拚接陣列的原因通常是受限 於當時的探測器加工技術，難以製造像素數多的探測 器，因此采用拚接，以擴大觀測幅寬。由於麵陣探測 器單次成像麵積比線陣探測器大，因此同一目標區域 可以獲得多次拍攝機會，通過多幅圖像疊加處理，提 高了信噪比。 為了實現“凝視”以拍攝視頻，“天空衛星”能 夠在俯仰、滾動和偏航3個方向實現側擺機動。同時 CMOS探測器還具有前後左右4個方向的自由度，配 合平台的3個自由度，共計7個自由度，由此實現圖 低分辨率視頻相機 印度尼西亞國家航空航天研究所－A2衛星結構透視圖 Space International 國際太空 總第429期55 STARS TWINKLE 像運動補償，從而加強了凝視效果。 V1C型小衛星 月，薩瑞美國（SST－US）公司發布了其新近研製的具有彩色視頻成像能力的V1C型小 衛星。 V1C型小衛星價格低於2000萬美元，星下點空間分 辨率優於1m，地麵幅寬為10km，幀頻高達100幀/秒。 V1C型衛星基於薩瑞公司新近推出的SSTL－X50衛 星平台研製，具有星上大數據存儲能力。此外，薩瑞 美國公司還推出了具有0.5m分辨率光學成像能力的 L1型衛星。VI C型衛星和L1型衛星具有任務可再配 置能力，可以應用在一係列情報收集領域，如監視、 探測和確認等。 根據衛星發射數量不同，V1C型衛星可構成多種 不同的星座構型，如以30～60min的時間間隔部署在 同一軌道，以便於在每天特定時段提供近實時的視頻 覆蓋。 地球直播公司的“國際空間站” 高分辨率視頻相機項目 （Urthecast）公司的兩部光學成像係統—高分辨率相機和中分辨率相機，由俄羅斯“進步”貨運飛船 送往“國際空間站”。2014年1月27日，高分辨率相 機和中分辨率相機在“國際空間站”的俄羅斯星辰號 服務艙上成功安裝。 地球直播公司是利用大數據技術以互聯網和移動 終端為平台，為用戶提供衛星數據定製服務的新型宇 航企業。該公司允許其他開發者在其提供的開源應用 程序接口（API）的基礎上製作應用程序（APP）， 在環保、教育、災害監視、傳媒甚至遊戲開發等領 域有廣闊的應用前景。地球直播公司與Yout ube和 Flickr等社交和移動媒體網站合作，方便用戶創建、 發布和共享圖像或視頻。用戶也可以在“地球直播” 網站上免費注冊，訂閱關注的位置信息。商業模式包 同一目標區域被多次成像 V1C型小衛星外形圖 探測器2 焦平麵結構 掃描方向 探測器1 探測器3 宇航巡禮 SPACETOUR SpaceInternational 國際太空 56括對地觀測圖像銷售、視頻銷售、網絡廣告銷售和應 用平台銷售4大部分。 高分辨率相機由英國盧瑟福-阿普爾頓實驗室 （RAL）與加拿大麥德（MDA）公司合作研製， 安裝在一個可轉向的平台上，分辨率為1 場為5km3.4km，采用3048像素4560像素的麵陣探測器，能夠拍攝單幅圖像和幀速率3.25f ps （1f ps=0.304m/s）的視頻，高分辨率相機每天可 產出150段每段90s 的視頻。高分辨率相機對地“凝 視”利用的是二維轉向平台（BPP）。 視頻衛星技術總結低軌視頻衛星對平台的要求 為了使得視頻衛星光學遙感器的光軸始終對準地 麵目標區域進行不間斷攝像，衛星姿態控製係統需要 實時調整星體的姿態，以克服衛星的軌道運動、姿態 運動和地球自轉帶來的目標不斷偏離光軸的影響，使 光學遙感器的光軸始終對準目標。凝視問題實際上就 是星體對運動目標的姿態跟蹤問題。
對載荷的要求 （1）高軌視頻衛星需要具備大口徑光學成像係 統，才能滿足軍事應用需求 根據美、歐計算，在靜止軌道實現1m分辨率至 少要求光學係統的口徑達到13m，現階段美、歐單體 空間反射鏡製造水平在3～4m水平，僅能達到星下點 3m的空間分辨率。這一指標可以滿足部分軍事應用 需求，如艦船監視等。 （2）低軌微小視頻衛星需要麵陣探測器 在進行成像過程中，低軌衛星相對於被觀測對象 處於快速運動狀態，衛星運動使得在曝光時間內被攝 目標影像與探測器之間存在相對運動，目標在探測器 上所成的像不是靜止的，而是運動的，即造成像移。 傳統線陣推掃拍攝靜態圖像時，被觀測目標的像 在探測元上的駐留時間較長，即大於或等於探測器的 積分時間，也即像移量小於或等於探測元尺寸，像移 對圖像質量的影響還可接受，進行適當像移補償或不 進行像移補償都能滿足成像要求。 凝視拍攝視頻時，若被觀測目標的像在探測元上 的駐留時間比探測器積分時間短，產生的像移量明顯 大於探測元尺寸，即對圖像質量的影響較大，不進行 像移補償很難獲得較好的成像質量。對補償有兩種方 法，一種是與平台進行互動，利用平台調整姿態，對 像移進行補充，另一種通過采用可位移的探測器進行 補償，或采用擺鏡的方法進行補償。 加拿大地球直播公司的高分辨率相機和中分辨率相機 中分辨率相機 高分辨率相機 可轉向安裝座。
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