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[科普知识] 【ZT航天港】日本IGS情报搜集卫星的发展演进

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发表于 2017-3-18 22:55 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 Skywin 于 2017-3-18 23:11 编辑

航天港上看到的不错的文章,看来日本航天军事化偷偷摸摸搞到这么大的规模,一个战败国居然有6颗工作的侦查卫星(尼玛五常里面英法俄估计都没有那么多!),TG得注意反制了
http://bbs.9ifly.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=88977
      20世纪80年代中期以来,日本先后发射了“海洋观测卫星-1、-1b”(MOS-1、-1b)、“日本地球资源卫星-1”(JERS-1)和“先进地球观测卫星”(ADEOS)等,初步掌握了制造军事侦察卫星的能力。1998年8月31日,朝鲜发射了飞越日本上空的“大浦洞”Ⅰ型中程弹道导弹,在得到美军通报之前,日本对这次发射竟一无所知。此事激起了日本国会一致支持日本自行研制本国独立的侦察卫星系统。美国方面态度也发生了根本转变,宣布支持日本研制侦察卫星。1999年4月,日本专门设立了“卫星信息搜集委员会”,研究研制、使用侦察卫星带来的相关问题。日本的侦察卫星计划主要是“情报搜集卫星”(IGS)系统,目前为止有6颗工作星,3颗光学和3颗雷达卫星不分昼夜和天气,每天对地面上的所有地点至少进行一次拍摄。日本情报搜集卫星虽然发展时间很短,但是得益于之前不错的技术基础,其光学型号已经发展了5代,雷达型号已经发展了4代。由于IGS卫星的高度保密性,流出的资料很少,这里参照同期的ALOS计划、媒体报道和内阁府官方文件,对此项目发展情况进行分析。
主管IGS卫星的日本内阁卫星情报中心的标志,暗示最初计划的4星2组的运行体制。


IGS卫星运行体制

       日本IGS卫星分为携带光学传感器(包括近红外传波段和可见光波段)的光学卫星和携带合成孔径雷达的雷达卫星。卫星以2机一组,一共2组(计4机)的体制被运用。光学卫星主要进行白天摄影,辅助近红外波段可以识别伪装目标。雷达卫星相较光学卫星而言分辨率低,但夜间和不良天气也可以取得图像。研发IGS卫星的首要目的就是探测朝鲜的弹道发射活动,因此采用轨道高度490km,倾角97.3°,4星可以做到一天内对世界上任何一个地方光学雷达各至少访问一次。因为2003年11月的H - IIA6号机发射失败和雷达1号机及雷达2号机的接连发生电源故障未到达理论寿命,4机体制迟迟未能建立起来。直到2013年4月26日在雷达4号机的正式运用开始,日本10年前规划的4机体制才终于完成。IGS服役的卫星的设计寿命5年,技术验证机为2 - 3年。另外为了应对雷达卫星电源负荷大容易故障的问题,从2015年2月1日开始投入了雷达预备机,加上超期服役的光学卫星,目前实质上形成了光学卫星3机与雷达卫星3机的6机体制。

日本媒体制作的IGS卫星想象图,此图得到了日経BP社资深航天记者,号称见过IGS卫星真容的松浦 晋也确认从今天的眼光看这个图可能相当准确,上面的雷达卫星非常类似于2009年才公开资料的ALOS-2,采用了大型展开式相控阵天线,但是因为大电力负荷而不得不用更长的电池,光学卫星类似于ALOS-3,采用了离轴三反单线阵相机。


IGS卫星的技术特点
光学卫星
第一代、第二代
“宇宙開発委員会計画調整部会(第3回)資料:次期情報収集衛星の研究”(2000年7月27日)披露,第一、二代的光学卫星,搭载了ALOS-1卫星上面的PRISM以及AVNIR - 2的改进型号,其中可见光全色分辨率提高到为1m,近红外分辨率提高到5m。第二代和第一代采用了相同的光学系统,主要是提高了指向性能和拍摄时间。

JAXA发射的民用对地观测卫星ALOS-1,重达4吨以上,一代二代的IGS卫星可以看成是ALOS-1的拆分高性能版本。


美国Goodrich公司参与开发的PRISM,全色分辨率2.5m,此后的日本政府主导的大型可见光对地观测系统都走上了离轴三反光学系统的设计思路



设计分辨率可以达到8m的AVNIR - 2,主要工作在近红外波段


第三代、第四代
第三代光学星主要以高分辨率化作为研制目标,媒体报道分辨率达到60cm的级别(有众议员去日本众议院求证此数据未获得正面回答,凶h院議員吉井英勝君提出大規模災害時における情報収集衛星の活用に関する質問),采用高效的GaAs电池以缩短电池长度提高刚性减小转动惯量,提高姿态控制能力,可以大角度测摆拍摄。另外,处理卫星的图像的地面系统也同时加强。第四代搭载了第三代一样的光学传感器,主要改进是采用了轻量化设计,提高了太阳能电池板的效率以应对电源不足的情况(具备侧摆能力),使得整体小型化,重量降低到一吨多。
最早日本媒体的猜想图,注意到此图上的光学卫星使用的是同轴光学系统,此图的作者后来给日经BP做新闻配图,结果光学卫星被被松浦 晋也证伪


根据瑞丽判据计算,轨道位于490km高的光学3号要达到媒体报道的60cm分辨率,以可见光的极限波长400nm波长计算,离轴三反光学系统主镜至少要40cm宽,这正好是当初2006年发射的民用ALOS-1卫星的主镜尺寸,这代的光学卫星可以说已经将ALOS-1的PRISM的光学系统发挥到极限。

第五代、第六代(研发中)
第五代光学星是目前在轨性能最高的IGS光学卫星,关于分辨率说法有两种,产经新闻的报道是30cm,NHK,朝日和日经新闻的报道是40cm,一般认为正常工作高度分辨率是40cm,光学系统进了大幅度改进,重量也上升到2吨以上。根据瑞丽判据计算,轨道位于490km高的光学5号要达到媒体报道的40cm分辨率,离轴三反光学系统主镜至少要60cm宽,这正好是原计划2014年发射的民用ALOS-3卫星PRISM-2的主镜尺寸,这一代光学卫星就是简化的军用版ALOS-3(去掉高光谱和双线阵)
第六代光学卫星从2013年开始开发,计划2019年发射,和第五代光学系统类似,升级了高性能传感器
最早计划的ALOS-3卫星


ALOS-3的主镜,图片最早出现于2011年JAXA文件,2013年发射的光学5号实证卫星极有可能使用该技术


IGS光学卫星离轴三反光学系统主镜的大小和对应分代,均为猜测



日经BP报道的5代IGS光学卫星演变秘密保護法成立で、より秘匿される偵察衛星の取得画像,可以看出光学2号的改进在于电池板,光学3号进一步提高短电池板的供电能力,而5号的光学系统有重大升级。


第七代(计划中)2015年开始研发,光学系统进行重大改进,首颗星是2023年发射的光学8号,媒体报道分辨率将达到25cm,具备车辆类型的识别能力。

雷达卫星
第一、二代
第一、二代的雷达卫星和光学卫星一样,技术来源于ALOS-1上搭载的PALSAR(分段阵列L波段合成孔径雷达),ALOS-1卫星上携带的相控阵L波段SAR雷达的分辨率可达10m,而侦察卫星搭载的SAR雷达的功能更强,分辨率提高到1~3m。日本目前所有的雷达成像卫星都选择穿透力强的L波段,虽然精度不如X波段而且天线巨大,但是具备识别被树木枝叶遮挡目标的能力。得益于强大的电子技术实力,日本早在90年代早期的JERS-1陆地观测卫星就采用了高增益的有源相控阵天线。  因此到ALOS-1这一代已经有了很高的技术水平,所以IGS的雷达卫星一经问世就达到世界顶尖水平。ALOS-1的有源相控阵天线,分为四块面板,长达8.9米。



第二代雷达卫星为一代的改良型号,分辨率一样,但是拍摄时间增加。

第三代
第三代雷达卫星在一代的基础上进行了重大改进,首先是雷达升级为类似ALOS-2搭载的PALSAR-2 GaN 雷达,增强了性能,分辨率达到1m以下,吸取之前雷达卫星电源故障的教训,对电源部分进行强化。
2017年日本媒体登出的雷达卫星外形图(可能是三代),类似于ALOS-2的布局,但有8枚电池版


ALOS-2的PALSAR-2雷达


PALSAR-2 是世界上第一个民用星载GaN AESA对地观测雷达,180个T/R模块,1080个振子,长10米,分5个部分折叠,经过实测,聚束模式下分辨率达到了0.79mX1.66m



PALSAR-2的展开方式,雷达3号机推测展开方式类似。


ALOS-2具有船舶自动识别能力,甚至可以判断大型船舶的航向和推测速度,其实这个能力在ALOS-2三年前发射的雷达3号机上也有,并且在掌握小笠原诸岛周边出现的中国渔船非法作业情况发挥了作用。


第四代
第四代雷达卫星在第三代的基础上进行了改进,于2017年3月17日成功发射。产经新闻报道其分辨率从第三代的1米以下大幅提高到0.5米以下。

2020年发射的先进雷达卫星,技术很可能基于四代IGS雷达卫星


2017年JAXA一次研讨会截图,加上了个人对IGS雷达卫星的技术分析和对应分代


IGS卫星的观测实绩
自IGS卫星服役以来,在311东日本大地震,福岛第一核电站事故,MH370等多次事故中提供了及时的情报。
2014年11月18日,小笠原诸岛周边出现了中国渔船非法作业,日本内阁情报调查室使用IGS卫星进行情报搜集作业,公开了白天和夜间的船舶位置状况图中国漁船とみられる外国漁船による違法操業について,可以推测出当时的三代雷达卫星具备全天候的海上小型船舶识别能力,扫描宽度在80km以上。


2015年9月11日,为了响应茨城县鬼怒川洪水,日本第一次执行特定秘密保护法中规定的“在大规模灾害后可以公开调整分辨率的机密卫星图片”,内阁官房网站上首次公开了调低分辨率的茨城県常総市の鬼怒川流域の被災地域の撮影画像所谓「加工处理画像」,推测为第四代60cm分辨率的IGS光学卫星拍摄,这是日本IGS卫星首次也是唯一次公开拍摄的图像。

光学4号拍摄的鬼怒川洪水照片


IGS卫星的未来发展
2015年,内阁卫星情报中心提出“通过拍摄时间的多样化及拍摄频率的提高”,改变了以往的4机体制,计划今后达到8颗情报搜集卫星和2颗数据中继卫星,形成新的10机体制。在计划中在新加入的4颗情报收集卫星定位为“时间轴多样化卫星”,其中的“光学多样化卫星1号机”(2016年开始研发,2024年发射,具体改进不明)进行观测,原来4机体制中对“重点目标的发现,识别及详细监控”变成了10机体制的“重点目标的发现,识别及动态的监视(船队和车辆群的移动等),可在突发事件的数小时之内拍摄到热点地区的情报。两颗数据中继卫星(首颗2019年发射)用于加快图像获取速度,依此形成更强大的10机体制。运用2颗数据中继卫星后,全球大部分地区拍摄的图像可以在一小时之内下传给地面站


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 楼主| 发表于 2017-3-18 22:59 | 显示全部楼层

RE: 【ZT航天港】日本IGS情报搜集卫星的发展演进

本帖最后由 Skywin 于 2017-3-18 23:13 编辑

目前为止,IGS卫星的主承包商一直是三菱电机,三菱电机同时也是技术来源于IGS卫星的ALOS-2和先进光学卫星的主承包商,可以说已经基本垄断日本政府的大型对地观测卫星业务。
相比预算严重不足的JAXA,IGS卫星计划的预算可谓一路绿灯,从1998年计划开始到2003年首颗卫星发射成功,总体预算达到2500亿日元。卫星组网开始后每年还有600亿~700亿日元的预算用于在轨卫星的更新和下一代卫星的技术开发。截止2014年度,累积投资额超过1万亿日元。现在IGS已经超过了上世纪80年代就开始的国际宇宙空间站(ISS)日本实验舱希望号项目,成为日本最为庞大的宇宙计划。(希望号在2013年度之前累计投入约8700亿日元)


最后总结下历代的IGS卫星发射和运用情况

发射日期
(日本时间)
发射
火箭
日本政府
卫星名称
NORAD
编号
NSSDC ID
目录编号
分代
推测性能以及备注
2003年3月28日
10時27分
H-IIA
5号机
光学1号機IGS 1A2003-009A27698第1IGS光学首星,分辨率1m,设计寿命5年,已经退役
レーダ1号機IGS 1B2003-009B27699IGS雷达首星,分辨率1-3m,设计寿命5年,2007年发生电源故障提前退役
2003年11月29日
13時33分
H-IIA
6号机
光学2号機光学、雷达1号机的同型号机,因为H-IIA火箭SRB-A助推器分离故障而发射失败
レーダ2号機
2006年9月11日
13時35分
H-IIA
10号机
光学2号機IGS 3A2006-037A29393第2二代光学卫星,分辨率和光学1号机相同,超期服役到2013年退役
2007年2月24日
13時41分
H-IIA
12号机
レーダ2号機IGS 4A2007-005A30586二代雷达卫星,分辨率和雷达1号机相同,2010年电源故障提前退役
光学3号機実証衛星IGS 4B2007-005B30587光学
第3
分辨率60cm的光学试验机,设计寿命3年,已经退役
2009年11月28日
10時21分
H-IIA
16号机
光学3号機IGS 5A2009-066A36104分辨率60cm的三代光学卫星,设计寿命5年,目前在役
2011年9月23日
13時36分
H-IIA
19号机
光学4号機IGS 6A2011-050A
37813光学
第4
四代光学卫星,分辨率和光学3号机相同,设计寿命5年,目前在役
2011年2月12日
10時21分
H-IIA
20号机
レーダ3号機IGS 7A2011-075A37954雷达
第3
分辨率1m以下的三代雷达卫星,设计寿命5年,目前在役
2013年1月27日
13時40分
H-IIA
22号机
レーダ4号機IGS 8A2013-002A39061三代雷达卫星,和雷达3号机相同,目前在役
光学5号機実証衛星IGS 8B2013-002B39062光学
第5
分辨率41cm的光学试验机,设计寿命2年,目前退役
2015年2月1日
10時21分
H-IIA
27号机
レーダ予備機IGS 9A2015-004A40381雷达
第3
三代雷达卫星,和雷达3、4号机相同,作为备份机目前在役
2015年3月26日
10時21分
H-IIA
28号机
光学5号機IGS OPTICAL 52015-015A40538光学
第5
五代光学卫星,分辨率41cm,设计寿命5年,目前在役
2017年3月17日
10時20分
H-IIA
33号机
レーダ5号機雷达
第4
四代雷达卫星,雷达3号替代机,分辨率较之雷达三号机大幅提高一倍,达到50cm以下,目前在役
2017年度
光学6号機2010年度研发。光学4号替代机
2018年度
レーダ6号機2011年度研发。雷达4号替代机
2019年度
光学7号機2013年度研发。光学5号替代机,传感器高性能化
2021年度
レーダ7号機2015年度研发。雷达5号替代机
2023年度光学8号機2015年度研发。光学6号替代机,分辨率25cm
2023年度レーダ8号機2016年度研发。雷达6号替代机,画质和拍摄时效性提升
2024年度光学多様化1号機2016年度研发,光学多样化卫星
2025年度光学9号機2019年度研发,光学7号替代机
2027年度レーダ9号機2021年度研发,雷达7号替代机
2029年度光学10号機2023年度研发,光学8号替代机
2029年度レーダ10号機2023年度研发,雷达8号替代机
2031年度光学11号機光学9号替代机
2033年度レーダ11号機雷达8号替代机

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发表于 2017-3-19 17:40 | 显示全部楼层
多谢楼主转帖科普,学习了。感觉光学和日本的差不多,搞不好比他的还好点,但雷达星好像不如?
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 楼主| 发表于 2017-3-19 18:36 | 显示全部楼层

RE: 【ZT航天港】日本IGS情报搜集卫星的发展演进

本帖最后由 Skywin 于 2017-3-19 18:49 编辑
00612058 发表于 2017-3-19 17:40
多谢楼主转帖科普,学习了。感觉光学和日本的差不多,搞不好比他的还好点,但雷达星好像不如?

见笑了,光学我是外行,雷达懂一点,斗胆说一下
日本的这个大型星载GaN雷达,水平看起来比欧洲的还要略强些,毕竟人家90年代初就玩AESA了,这个雷达的天线规模要是不用GaN T/R模块肯定是做不出来。
国内SAR星起步较晚,似乎2006年的YG-1是第一颗SAR卫星,2012年民用的环境-1C还是请毛子设计的载荷(抛物面天线),最新的高分3 C波段AESA可以代表民用最高水平了,不比欧洲的差


至于分辨率,不同波段的雷达不能直接比较,因为普通Stripmap模式下合成分辨率ΔLs = βs* R = D / 2,这时候波长越小的雷达D可以做的越小(同样接受增益),所以分辨率有优势,当然如果是Spotlight模式分辨率能更高


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发表于 2017-3-19 19:08 | 显示全部楼层
很详细的日本间谍卫星的发展资料,多谢楼主的分享!要时刻提防日本!加快研制中国的反间谍、反侦察卫星!加油!
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发表于 2017-3-19 19:09 | 显示全部楼层
加快研制中国的高精度侦察卫星,加油!
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 楼主| 发表于 2017-3-19 19:17 超大游击队员 | 显示全部楼层
zwtl 发表于 2017-3-19 19:09
加快研制中国的高精度侦察卫星,加油!

放心吧,国内这方面有投资和研发规模优势(鬼子就是把那点钱全砸上也是远不如我们的),我们是起步晚点,但是小步快跑几年就能撵上
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发表于 2017-3-19 19:44 | 显示全部楼层

RE: 【ZT航天港】日本IGS情报搜集卫星的发展演进

Skywin 发表于 2017-3-19 19:17
放心吧,国内这方面有投资和研发规模优势(鬼子就是把那点钱全砸上也是远不如我们的),我们是起步晚点,但 ...

多谢您的点评!中国加油!
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