激光測高衛(wèi)星的發(fā)展與展望

唐新明 李國元 （國家測繪地理信息局衛(wèi)星測繪應(yīng)用中心）

激光測高衛(wèi)星的發(fā)展與展望

唐新明 李國元 （國家測繪地理信息局衛(wèi)星測繪應(yīng)用中心）

Development and Prospect of laser altimetry satellite

一直以來，國內(nèi)有些學(xué)者對衛(wèi)星激光測高（SLA）、衛(wèi)星雷達測高（SRA）、衛(wèi)星激光測距（SLR）3種不同的技術(shù)產(chǎn)生混淆，而后兩者技術(shù)發(fā)展相對較快，導(dǎo)致對衛(wèi)星激光測高的關(guān)注度不高，客觀上制約了國產(chǎn)激光測高衛(wèi)星的發(fā)展。文章從3種技術(shù)對比入手，對國內(nèi)外激光測高衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀進行了較為詳細的梳理，對美國未來幾年對地觀測激光測高領(lǐng)域的前端部署進行了介紹，以期引起國內(nèi)對衛(wèi)星激光測高技術(shù)更多的關(guān)注，能夠制定更為科學(xué)的國產(chǎn)激光測高衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃。

1 引言

2016年5月30日，我國首顆高精度民用立體測圖衛(wèi)星資源－3衛(wèi)星01星的后續(xù)星02星順利發(fā)射，02星上搭載了國內(nèi)首臺對地觀測激光測高試驗性載荷，主要用于測試激光測高儀的硬件性能，探索高精度高程控制點數(shù)據(jù)獲取的可行性，以及采用該數(shù)據(jù)輔助提高光學(xué)衛(wèi)星影像無控立體測圖精度的可能性。在此之前，對地觀測的衛(wèi)星激光測高數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用的研究在國內(nèi)基本處于空白或剛剛起步的階段。歐美發(fā)達國家經(jīng)過幾十年的發(fā)展，特別是美國在衛(wèi)星激光測高方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗和應(yīng)用成果。系統(tǒng)性地梳理總結(jié)國內(nèi)外尤其是歐美國家在激光測高衛(wèi)星領(lǐng)域的發(fā)展及趨勢，對于指導(dǎo)我國發(fā)展自主激光測高衛(wèi)星觀測體系具有重要的借鑒與指導(dǎo)作用。

2 衛(wèi)星激光測高技術(shù)的基本原理

嚴格來說，衛(wèi)星激光測高屬于衛(wèi)星激光雷達的一個子類。衛(wèi)星激光雷達總體上包括：用于測CO2等大氣含量的差分吸收激光雷達、測風場的多普勒激光雷達、測云層與氣溶膠的后向散射激光雷達，以及測高激光雷達，前三者在國外已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，美歐已經(jīng)發(fā)射了相應(yīng)的星載激光載荷，如“正交偏振云-氣溶膠激光雷達”（CALIOP）、“空間激光雷達試驗”（LITE）、“后向散射光雷達”（ATLID）和“阿拉丁”（ALADIN）新型大氣激光多普勒效應(yīng)儀。

衛(wèi)星激光測高是一種在衛(wèi)星平臺上搭載激光測高儀，并以一定頻率向地面發(fā)射激光脈沖，通過測量激光從衛(wèi)星到地面再返回的時間，計算激光單向傳輸?shù)木_距離，再結(jié)合精確測量的衛(wèi)星軌道、姿態(tài)以及激光指向角，最終獲得激光足印點高程的技術(shù)與方法。

衛(wèi)星激光測高的幾個核心部分包括：高精度距離測量、高精度衛(wèi)星軌道測量、高精度衛(wèi)星姿態(tài)及激光指向測量、高精度時間測量。利用激光精確測量衛(wèi)星到地面的距離，通過接收GPS信號精確測量軌道的位置，采用星敏感器精確測量衛(wèi)星的姿態(tài)，最終結(jié)合高精度的時間同步測量，將測距、定軌、定姿三者進行關(guān)聯(lián)，即可計算出地面足印點的三維空間坐標。

3 與其他相關(guān)技術(shù)的對比

自20世紀70年代，衛(wèi)星激光測高技術(shù)在“阿波羅”（Apollo）飛船上首次得到應(yīng)用，雖然歷經(jīng)了近50年的發(fā)展，但由于相關(guān)技術(shù)的成熟度、數(shù)據(jù)保密性及應(yīng)用范圍有限等多種原因，造成該技術(shù)知名度并不是很高，或者說沒有諸如衛(wèi)星雷達測高、衛(wèi)星激光測距等相關(guān)技術(shù)的廣泛認同度。因此，為了深入剖析衛(wèi)星激光測高技術(shù)特點，突顯該技術(shù)的獨特地位，與衛(wèi)星雷達測高和衛(wèi)星激光測距相關(guān)技術(shù)進行有效區(qū)分，對三者進行較系統(tǒng)的對比分析是非常有必要的。

衛(wèi)星雷達測高是指利用人造地球衛(wèi)星搭載微波雷達高度計進行地面點定位以及測定地球形狀、大小和地球重力場的技術(shù)和方法。美國在1973年發(fā)射的“天空實驗室”（Skylab）上裝載了世界上第一個航天器上應(yīng)用的雷達高度計，隨后歐美等發(fā)達國家經(jīng)過50多年的持續(xù)投入，衛(wèi)星雷達測高技術(shù)得到了長足的發(fā)展。目前，美國的雷達測高衛(wèi)星以“賈森”（Jason）系列為代表，正在形成衛(wèi)星雷達測高觀測體系。我國在2011年發(fā)射了第一顆雷達測高衛(wèi)星海洋－2A（HY－2A）衛(wèi)星。

衛(wèi)星激光測距是指利用安置在地面上的激光測距系統(tǒng)所發(fā)射的激光脈沖，跟蹤觀測裝有激光反射棱鏡的人造地球衛(wèi)星或月球等地外天體，以測定觀測站點到衛(wèi)星之間距離的技術(shù)和方法。經(jīng)過40多年的發(fā)展，衛(wèi)星激光測距已經(jīng)達到毫米級的精度水平，在空間大地測量中扮演了重要角色。衛(wèi)星激光測距可精確測定衛(wèi)星軌道、地面觀測站點的精確三維地心坐標、幾千千米的基線長、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)以及地球重力場、潮汐、地殼板塊運動等精密的地球物理參數(shù)，是支持“國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)”（IERS）的重要技術(shù)手段之一，近年來還在空間碎片測量與預(yù)警方面得到有效應(yīng)用。全球各地分布有50多個衛(wèi)星激光測距地面觀測站點，其中我國境內(nèi)固定的觀測站點有5個，國內(nèi)的衛(wèi)星激光測距技術(shù)水平基本能與國際保持同步。

除傳感器類型不一致外，足印大小是區(qū)分衛(wèi)星雷達測高與衛(wèi)星激光測高的最顯著指標。衛(wèi)星雷達測高的足印大小基本在千米級，如“賈森”系列的足印大小為2.2km；而衛(wèi)星激光測高的足印大小一般在10～100m，如“地球科學(xué)激光測高系統(tǒng)”（GLAS）的標稱足印大小為66m。而兩者的觀測對象也存在一定區(qū)別，衛(wèi)星雷達測高以海洋為主，而衛(wèi)星激光測高則陸地、海洋、極地均可觀測，但以極地冰蓋和陸地為主。雖然衛(wèi)星激光測距和衛(wèi)星激光測高均采用激光進行觀測，但由于觀測對象不同，導(dǎo)致其發(fā)展水平存在較大差異。目前，重復(fù)頻率高達數(shù)千赫茲的衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)已經(jīng)得到業(yè)務(wù)化應(yīng)用，最先進的距離測量精度可達毫米級，而衛(wèi)星激光測高的精度則基本在10～15cm甚至更差的水平。兩者在精度水平上還存在較大區(qū)別，導(dǎo)致應(yīng)用領(lǐng)域也顯著不同。目前，衛(wèi)星激光測距在衛(wèi)星精密定軌方面已經(jīng)得到業(yè)務(wù)化應(yīng)用，重復(fù)頻率為千赫茲的系統(tǒng)也比較成熟。

衛(wèi)星雷達測高、衛(wèi)星激光測高及衛(wèi)星激光測距參數(shù)對比

4 發(fā)展歷程

美國從20世紀70年代開始，通過持續(xù)投入和發(fā)展，一直保持著在衛(wèi)星激光測高領(lǐng)域的絕對領(lǐng)先地位。1971年，美國阿波羅－15飛船所載的激光測高儀是國際上具有資料可考的最早的星載激光測高儀，隨后在阿波羅－16、17飛船上也實現(xiàn)了搭載，用于輔助光學(xué)相機進行月球的立體測圖；1994年，美國發(fā)射了“克萊門汀”（Clementine）月球探測器，通過搭載激光測高儀獲取了月球表面的高精度地形數(shù)據(jù)，但足印較大、點較為稀疏；1996年和1997年，美國國家航空航天局（NASA）又前后2次在航天飛機上搭載了SLA－01/02，建立了基于航天飛機激光測高儀的全球控制點數(shù)據(jù)庫，獲取了高精度全球控制點信息，特別是第一次實現(xiàn)了非洲等區(qū)域的數(shù)字高程模型（DEM）地形測繪，有效提升了美國在全球測圖方面的能力；1996年11月，“火星軌道器激光高度儀”（MOLA）搭載在美國國家航空航天局戈達德空間飛行中心研制的“火星全球勘探者”（MGS）探測器上，歷時2年到達火星，獲得了大量火星表面的特征數(shù)據(jù)，是目前最為全面的火星地形參考數(shù)據(jù)；1996年，美國發(fā)射了“近地小行星交會”（NEAR）探測器，上面搭載了激光測高儀，主要用于對愛神星（Eros）小行星進行地形觀測。

2 1世紀初，美國于2 0 0 3年成功發(fā)射了世界上第一顆對地觀測激光測高衛(wèi)星“冰衛(wèi)星”（ICESat），搭載了“地球科學(xué)激光測高系統(tǒng)”，用于冰川和海冰的高程及厚度變化觀測、全球高程控制點獲取、森林生物量估算等。該衛(wèi)星是美國“地球觀測系統(tǒng)”（EOS）計劃中的一個重要部分，也是中國資源－3衛(wèi)星02星之前唯一一顆對地觀測的激光測高衛(wèi)星，已于2009年停止工作。隨后幾年，國際進入空間探測的高峰期，空間探測器上基本都搭載了激光測高載荷。2006年，美國發(fā)射的“水星表面形貌、空間環(huán)境、星體化學(xué)及測距”（MESSENGER）探測器裝載了“水星激光測高儀”（MLA）有效載荷，于2011年7月到達水星軌道并開始獲取數(shù)據(jù)，在水星地形測繪方面扮演了重要角色；日本2006年發(fā)射的“月女神”（SELENE）探月衛(wèi)星也搭載了“激光測高儀”（LALT），日本利用其所獲測高數(shù)據(jù)建立了包括兩極地區(qū)的精準月球全球地形圖，同時分析了月球重力和地形數(shù)據(jù)；2008年10月，印度發(fā)射的月船－1（Chandrayaan－1）上搭載了“月球激光測距儀”（LLRI），用于提供探測器距離月球表面的精確高度，測量月球全球地形；美國在探月領(lǐng)域沉寂若干年后，于2009年7月在“月球勘測軌道器”（LRO）上搭載了第一個空間多光束激光測高儀—“月球軌道器激光高度儀”（LOLA），用于幫助人類探索月球時選擇合適的著陸點，該高度儀獲得的月球地形數(shù)據(jù)以其良好的覆蓋和質(zhì)量，在國際上得到了廣泛的認可和應(yīng)用。在這個階段，中國在2007年和2010年先后發(fā)射的嫦娥－1和2探測器上也搭載了激光測高儀，并獲得了月球的三維地形信息，但激光點的密度、足印大小及高程精度等與美國的“月球軌道器激光高度儀”數(shù)據(jù)還有一定差距。

最近幾年，歐美國家在深空探測中大量使用激光測高儀。其中，美國在2016年9月8日發(fā)射的用于探測小行星貝努（Bennu）的“奧西里斯-雷克斯”（OSIRIS-Rex，全稱為“起源光譜釋義資源識別安全風化層”）小行星探測器上搭載了“奧西里斯-雷克斯激光測高儀”（OLA），用于獲得貝努小行星的全球地表模型和采樣區(qū)的高精度地形；歐洲航天局（ESA）“貝皮-哥倫布”（Bepi Colombo）水星探測任務(wù)的“水星行星軌道器”（MPO）也將搭載“貝皮-哥倫布激光高度儀”（BELA），原計劃于2016年發(fā)射，后被推遲到2018年發(fā)射，用于研究水星星體地貌；歐洲航天局還計劃在2022年發(fā)射的“木星與冰層衛(wèi)星探測器”（JUICE）上搭載“蓋尼米德激光測高儀”（GALA），用于木衛(wèi)三的地形信息獲取，目前該計劃正在緊鑼密鼓進行中。

5 美國在對地觀測領(lǐng)域的部署

除計劃在深空探測中使用激光測高儀外，美國在未來5年還計劃發(fā)射至少3個搭載激光測高儀執(zhí)行對地觀測的任務(wù)。

其中“全球生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)調(diào)查”（GEDI）激光測高載荷將于2018年搭載在“國際空間站”上，主要用于全球植被生物量測量，研究碳循環(huán)和全球氣候變化等?！叭蛏鷳B(tài)系統(tǒng)動力學(xué)調(diào)查”激光測高載荷工作重復(fù)頻率為242Hz，波長1064nm，通過光學(xué)衍射單元將發(fā)射激光分成14束，每個激光足印大小為25m，垂軌方向足印相隔500m，掃描寬度總和為6.5km。

計劃于2018年發(fā)射的冰衛(wèi)星－2上將搭載新一代“先進地形激光測高系統(tǒng)”（ATLAS），目的是用于繼續(xù)執(zhí)行“冰衛(wèi)星”未完成的觀測任務(wù)，主要用于長期研究極地冰蓋、海冰高程變化及森林冠層覆蓋的科學(xué)研究，“先進地形激光測高系統(tǒng)”激光工作頻率為10kHz，沿軌間隔約0.7m，將采用先進的光子計數(shù)技術(shù)。

除冰衛(wèi)星－2之外，美國國家研究委員會（NRC）還提出了未來的高精度“表面地形激光測量”（LIST）計劃，主要用于獲得全球5m格網(wǎng)大小和10cm高程精度的地形信息，以及森林植被、湖泊水系、極地冰蓋等的高程變化量等，目前仍在論證中，預(yù)計在2020年之后發(fā)射。

國內(nèi)外激光測高衛(wèi)星主要技術(shù)指標及用途

6 總結(jié)與展望

衛(wèi)星激光測高與衛(wèi)星雷達測高、衛(wèi)星激光測距等是3種不同的技術(shù)，雖然相互之間有聯(lián)系，但在觀測對象、精度水平、足印大小等方面具有顯著的區(qū)別。后兩種技術(shù)已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，加強對衛(wèi)星激光測高的關(guān)注非常必要。

從20世紀70年代以來，衛(wèi)星激光測高在國外一直得到關(guān)注和發(fā)展。美國經(jīng)過10多個型號的發(fā)展，已經(jīng)在月球、火星、水星等多個地外星球探測中得到較成熟的應(yīng)用，在對地觀測領(lǐng)域的SLA－01/02和冰衛(wèi)星－1基礎(chǔ)上也提出了雄心勃勃的發(fā)展計劃。冰衛(wèi)星－2計劃在2018年9月發(fā)射；“全球生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)調(diào)查”激光測高載荷也可能在2018年升空。我國的首臺對地觀測激光測高儀于2016年發(fā)射，但由于是試驗性載荷，雖然獲得了初步的試驗成功，但離業(yè)務(wù)化應(yīng)用還有一定距離。即將在未來3～5年發(fā)射的高分－7、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星上都配有業(yè)務(wù)化應(yīng)用的激光測高儀，但兩者均非獨立的激光測高衛(wèi)星，相應(yīng)的載荷及平臺設(shè)計與國外的冰衛(wèi)星－1和2激光測高衛(wèi)星相比還有一定差距，仍有較大的研究和發(fā)展空間。為有效應(yīng)對全球氣候變化，實現(xiàn)更高精度、更高頻次的對地觀測，結(jié)合極地冰蓋監(jiān)測、森林生物量碳監(jiān)測、高頻次的特定區(qū)域地形變化測量等需求，未來是否需要單獨發(fā)展國產(chǎn)激光測高衛(wèi)星是值得探討的問題。