中國(guó)測(cè)繪衛(wèi)星發(fā)展策略研究

王昱 肖云

（1 西安測(cè)繪研究所，西安 710054）

（2 地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054）

0 引言

測(cè)繪衛(wèi)星系統(tǒng)是指以衛(wèi)星為平臺(tái)，以光學(xué)、微波、重力、磁力等測(cè)繪傳感器為有效載荷，高精度獲取全球或局部地區(qū)地形信息（地物、地貌信息）和地球物理場(chǎng)信息（地球重力場(chǎng)、地磁場(chǎng)信息），測(cè)制地理信息產(chǎn)品、測(cè)量高精度地球重力場(chǎng)模型、地磁場(chǎng)模型等的航天測(cè)繪設(shè)備。本文研究的測(cè)繪衛(wèi)星包括專用測(cè)繪衛(wèi)星和以測(cè)繪作為主要用途之一的遙感衛(wèi)星。

根據(jù)用途可以將測(cè)繪衛(wèi)星分成地形信息測(cè)繪和地球物理場(chǎng)探測(cè)兩類，見(jiàn)圖 1。地形信息測(cè)繪衛(wèi)星可以按照傳感器類型分為光學(xué)測(cè)繪衛(wèi)星、微波測(cè)繪衛(wèi)星，光學(xué)測(cè)繪衛(wèi)星又可以分為可見(jiàn)光測(cè)繪和激光測(cè)高兩種類型。地球物理場(chǎng)測(cè)量衛(wèi)星可以按照探測(cè)對(duì)象的不同分為重力測(cè)量衛(wèi)星和磁力測(cè)量衛(wèi)星。

圖1 測(cè)繪衛(wèi)星的分類Fig.1 Classification of mapping satellites

1 國(guó)外測(cè)繪衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 光學(xué)測(cè)繪衛(wèi)星

（1）可見(jiàn)光測(cè)繪

可見(jiàn)光測(cè)繪衛(wèi)星的發(fā)展經(jīng)歷了返回型和傳輸型兩個(gè)階段，從20世紀(jì)60年代到21世紀(jì)初，美國(guó)和俄羅斯/前蘇聯(lián)先后發(fā)射了265顆衛(wèi)星，利用這些衛(wèi)星美、俄繪制了全球1∶30萬(wàn)～1∶5萬(wàn)比例尺的地形測(cè)繪產(chǎn)品，建立了覆蓋全球的基礎(chǔ)地理信息框架，為其后續(xù)開展重點(diǎn)地區(qū)精確測(cè)繪打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[1-2]。

隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，從20世紀(jì)80年代開始傳輸型逐漸成為測(cè)繪衛(wèi)星發(fā)展的主流。表1介紹了國(guó)外主要傳輸型測(cè)繪衛(wèi)星的基本情況。根據(jù)成圖能力，將SPOT5、ALOS等具備1∶5萬(wàn)、1∶2.5萬(wàn)比例尺地形測(cè)繪能力的衛(wèi)星劃分為第一代；將IKONOS、WorldView和Pleiades等具備1∶1萬(wàn)（含有控）以及更大比例尺測(cè)圖能力的衛(wèi)星劃分為第二代；將WorldView-Legion、CO 3D等以城市三維信息獲取為目標(biāo)，具備高重訪能力的衛(wèi)星星座劃分為新一代。為方便比較，本文提到的定位精度是指沒(méi)有地面控制點(diǎn)參與情況下的無(wú)控定位精度，統(tǒng)一用中誤差（1σ）作為衡量精度的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 國(guó)外主要傳輸型光學(xué)測(cè)繪衛(wèi)星Tab.1 Main transmission optical mapping satellites abroad

本文重點(diǎn)介紹WorldView-Legion（也稱世景軍團(tuán)）和CO-3D為代表的新一代可見(jiàn)光測(cè)繪衛(wèi)星星座。WorldView-Legion由美國(guó)Maxar公司研制，是WorldView系列的后續(xù)型號(hào)，計(jì)劃2021年前發(fā)射，初期計(jì)劃由6顆衛(wèi)星組成。該星座將與世景哨兵星座（計(jì)劃）組網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)全球大部分地區(qū)30～40min的重訪能力。CO-3D衛(wèi)星是歐洲對(duì)標(biāo)世景軍團(tuán)設(shè)計(jì)的小衛(wèi)星星座，初期由4顆衛(wèi)星組成，未來(lái)計(jì)劃擴(kuò)展至20顆。

除了極高的時(shí)間分辨率，城市三維信息獲取也是 WorldView-Legion和 CO-3D的重要目標(biāo)。WorldView-3衛(wèi)星已經(jīng)可以完成近70°側(cè)擺，從而實(shí)現(xiàn)類似航空傾斜攝影的效果，為三維重建創(chuàng)造了條件。圖2（a）是WorldView-3衛(wèi)星獲取的美國(guó)拉斯維加斯市的傾斜影像，圖2（b）是利用北京地區(qū)WorldView-3影像制作的真三維模型[13]?？梢灶A(yù)見(jiàn)，世景軍團(tuán)和 CO-3D星座發(fā)射成功后，上述衛(wèi)星的城市地區(qū)三維信息提取能力將進(jìn)一步增強(qiáng)。

圖2 WorldView-3拍攝的傾斜影像和制作的三維模型Fig.2 A tilt image and 3D model taken by WorldView-3

（2）激光測(cè)高

從20世紀(jì)末開始，美國(guó)開始將激光測(cè)距儀用于對(duì)地觀測(cè)，迄今為止已經(jīng)發(fā)射了4型載荷，基本情況如表 2所示[14]。2018年發(fā)射的ICESat-2、GEDI和規(guī)劃中LIST代表了發(fā)展趨勢(shì)。按照LIST的研制目標(biāo)，利用激光數(shù)據(jù)可以直接測(cè)制格網(wǎng)間距優(yōu)于5m、精度優(yōu)于0.1m的DSM，為快速生產(chǎn)全球大比例尺地理信息產(chǎn)品提供了新路徑。

表2 對(duì)地觀測(cè)激光測(cè)高衛(wèi)星基本情況Tab.2 Basic information of laser altimeter satellites for Earth observation

1.2 微波測(cè)繪衛(wèi)星

雷達(dá)遙感用于地形測(cè)繪是在合成孔徑雷達(dá)出現(xiàn)之后，與光學(xué)衛(wèi)星需要特別的設(shè)計(jì)和配置不同，多數(shù)合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星通過(guò)重復(fù)軌道或衛(wèi)星編隊(duì)可以實(shí)現(xiàn)地形測(cè)繪。微波測(cè)繪衛(wèi)星發(fā)展呈現(xiàn)出兩個(gè)趨勢(shì)：一是衛(wèi)星載荷具備多頻段、多極化、多模式觀測(cè)能力；二是編隊(duì)和星座運(yùn)行成為主流。表 3介紹了21世紀(jì)已發(fā)射和計(jì)劃發(fā)射的典型微波衛(wèi)星的情況[15-16]。

1.3 重力測(cè)量衛(wèi)星

按照測(cè)量區(qū)域、波段的不同，重力測(cè)量衛(wèi)星分為海洋測(cè)高衛(wèi)星和全球中長(zhǎng)波重力場(chǎng)測(cè)量衛(wèi)星，海洋測(cè)高衛(wèi)星也可以被稱為海洋短波重力場(chǎng)測(cè)量衛(wèi)星。

（1）海洋測(cè)高衛(wèi)星

海洋測(cè)高衛(wèi)星的發(fā)展歷史較長(zhǎng)，基本情況如表4所示[17]：應(yīng)用領(lǐng)域 地球動(dòng)力學(xué)、海洋測(cè)量海洋測(cè)量 環(huán)境探測(cè) 軍事測(cè)繪 海洋測(cè)量

表3 典型微波衛(wèi)星的基本情況Tab.3 Basic information of typical microwave satellites

表4 世界各國(guó)主要測(cè)高衛(wèi)星情況Tab. 4 Main altimetry satellites in the world

可以看到，衛(wèi)星測(cè)高的精度不斷提高，已達(dá)厘米級(jí)。從應(yīng)用看，測(cè)高衛(wèi)星的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸從地球物理場(chǎng)測(cè)量擴(kuò)展到海洋環(huán)境測(cè)量，利用測(cè)高數(shù)據(jù)不僅可以反演大地水準(zhǔn)面和海洋短波重力場(chǎng)，還可以監(jiān)測(cè)洋流變化。

（2）中長(zhǎng)波重力場(chǎng)測(cè)量衛(wèi)星

中長(zhǎng)波重力場(chǎng)測(cè)量衛(wèi)星本世紀(jì)迎來(lái)了發(fā)展的熱潮，先后發(fā)射了CHAMP、GRACE和GOCE等型號(hào)，具體情況見(jiàn)表5[18]。其發(fā)展趨勢(shì)是分辨率、測(cè)量精度越來(lái)越高、軌道越來(lái)越低。

表5 全球中長(zhǎng)波重力場(chǎng)測(cè)量衛(wèi)星Tab.5 Global medium and long wave gravity field metric satellites

1.4 磁力測(cè)量衛(wèi)星

自1958年前蘇聯(lián)發(fā)射世界首顆磁力探測(cè)衛(wèi)星開始，包括美國(guó)、俄羅斯（前蘇聯(lián)）、法國(guó)、德國(guó)、澳大利亞、日本、阿根廷、丹麥等國(guó)累計(jì)發(fā)射了24顆各種類型的磁力衛(wèi)星，具體情況見(jiàn)表6。

表6 世界各國(guó)代表性磁力衛(wèi)星的情況Tab.6 Representative magnetic satellites in the world

磁力衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)可以歸結(jié)為兩點(diǎn)，一是探測(cè)能力不斷提高，從Swarm衛(wèi)星的發(fā)展看，矢量和標(biāo)量的測(cè)量精度均較上一代衛(wèi)星提高了一大步，同時(shí)衛(wèi)星的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力不斷提高；二是磁力衛(wèi)星星座具有明顯的優(yōu)勢(shì)，從空間技術(shù)-5和Swarm的發(fā)展看，磁力星座組網(wǎng)不僅有利于提高時(shí)間分辨率，還有利于確定磁力變化的原因，分離不同的磁力變化量。

2 發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)

2.1 框架測(cè)繪基本完成，城市測(cè)繪成為關(guān)注重點(diǎn)

自工業(yè)革命以來(lái)，全球城市化率逐年提高，2015年全球已有52%的人口生活在城市，預(yù)計(jì)2030年比例可能提高到60%，盡管城市面積僅占全球陸地面積的0.6%，但絕大部分與人類有關(guān)的變化都發(fā)生在城市。從發(fā)展看，美國(guó)、俄羅斯、歐洲、印度、日本、中國(guó)已經(jīng)掌握全球框架測(cè)繪技術(shù)，城市地區(qū)會(huì)成為后續(xù)衛(wèi)星測(cè)繪關(guān)注的重點(diǎn)。

2.2 提升精度難度增大，星座組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、高動(dòng)態(tài)測(cè)繪成為發(fā)展方向

定位精度高一直是測(cè)繪衛(wèi)星區(qū)別于其他遙感衛(wèi)星的重要特征，不斷提升精度也是測(cè)繪衛(wèi)星一貫追求的目標(biāo)。表7～9以可見(jiàn)光測(cè)繪為例，仿真分析了平面精度、高程精度隨分辨率、測(cè)速精度、姿態(tài)確定精度變化的情況[19-21]。

表7 定位能力仿真參數(shù)條件Tab.7 Parameter conditions in simulation of positioning capability

表8 主要大比例尺測(cè)圖產(chǎn)品定位精度要求（地物點(diǎn)和等高線）Tab.8 Positioning accuracy requirements for major large scale mapping products

表9 定位精度隨分辨率和姿態(tài)確定精度的變化情況Tab.9 Changes of positioning accuracy with resolution and attitude determination accuracy

從仿真結(jié)果看，能否實(shí)現(xiàn)1∶5 000、1∶2 000比例尺測(cè)圖目標(biāo)，很大程度上取決于姿態(tài)確定精度和測(cè)速精度。針對(duì)1∶2 000比例尺，由于其高程精度提高到0.5～0.7m，需要姿態(tài)確定精度達(dá)到0.05″或測(cè)速精度達(dá)到3mm/s，在現(xiàn)有條件下，實(shí)現(xiàn)上述要求有較大難度。

從測(cè)繪衛(wèi)星發(fā)展看，滿足城市地區(qū)網(wǎng)格化、智能化管理的要求，高效生產(chǎn)建筑物三維模型，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)城市變化，成為驅(qū)動(dòng)下一代測(cè)繪衛(wèi)星設(shè)計(jì)研制的主要需求。文獻(xiàn)[22]提出為了滿足地球空間信息實(shí)時(shí)智能服務(wù)的需求，遙感衛(wèi)星應(yīng)達(dá)到分米級(jí)空間分辨率、半小時(shí)時(shí)間分辨率的能力要求，為此必須構(gòu)建光學(xué)微波測(cè)繪衛(wèi)星星座。以光學(xué)衛(wèi)星星座為例，如圖3所示，利用具備高機(jī)動(dòng)性能的衛(wèi)星平臺(tái)，搭載分辨率優(yōu)于0.3m的低畸變相機(jī)和姿態(tài)確定精度0.1″的星敏感器，2顆衛(wèi)星即可實(shí)現(xiàn)立體觀測(cè)[23]，4顆以上衛(wèi)星可以在縮短重訪周期的同時(shí)獲取無(wú)遮擋真三維信息。

圖3 測(cè)繪衛(wèi)星星座觀測(cè)示意Fig.3 A mapping satellite constellation observation diagram

3 我國(guó)測(cè)繪衛(wèi)星的發(fā)展策略

（1）豐富數(shù)據(jù)種類是發(fā)展重點(diǎn)

我國(guó)測(cè)繪衛(wèi)星的發(fā)展同樣經(jīng)歷了由返回型向傳輸型的歷程[24]，表 10列出了已經(jīng)發(fā)射的傳輸型測(cè)繪衛(wèi)星的情況，與美、俄、歐等航天強(qiáng)國(guó)相比，我國(guó)測(cè)繪衛(wèi)星在載荷類型和產(chǎn)品種類上比較單一，激光、重力、磁力測(cè)繪衛(wèi)星仍是空白，整體研制水平也有15年左右的差距。從需求滿足度看，僅靠單一手段，完成以精細(xì)化、高動(dòng)態(tài)為特點(diǎn)的城市測(cè)繪有較大困難，必須加快包括激光、重力、磁力測(cè)繪衛(wèi)星的發(fā)展速度，豐富數(shù)據(jù)種類，健全產(chǎn)品體系。

表10 我國(guó)主要傳輸型測(cè)繪衛(wèi)星情況Tab.10 Main transmission mapping satellites in China

（2）加速測(cè)繪衛(wèi)星星座建設(shè)步伐

從2015年開始，以星座組網(wǎng)方式發(fā)展的小衛(wèi)星數(shù)量占據(jù)了全球年發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量的一半以上，不僅是地形測(cè)繪衛(wèi)星，包括重磁衛(wèi)星也實(shí)現(xiàn)了組網(wǎng)運(yùn)行。我國(guó)目前還沒(méi)有成規(guī)模的測(cè)繪衛(wèi)星星座，測(cè)繪衛(wèi)星在城市地區(qū)三維模型重建、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面的能力還比較弱。未來(lái)應(yīng)考慮加快測(cè)繪衛(wèi)星星座的建設(shè)步伐，以提升衛(wèi)星測(cè)繪對(duì)于城市地區(qū)精細(xì)測(cè)繪的貢獻(xiàn)度。

（3）積極開展學(xué)科融合，發(fā)展一星多能的環(huán)境類探測(cè)衛(wèi)星

重力場(chǎng)測(cè)量衛(wèi)星獲取的加速度計(jì)數(shù)據(jù)可以用于大氣研究，時(shí)變重力場(chǎng)的衍生產(chǎn)品可用于洋流測(cè)量，微波和激光測(cè)高衛(wèi)星可以進(jìn)行冰蓋和海洋測(cè)高數(shù)據(jù)的獲取。未來(lái)圍繞環(huán)境探測(cè)的統(tǒng)一需求，發(fā)展以空間環(huán)境、地球物理場(chǎng)探測(cè)和地形測(cè)繪為主，兼具通信、導(dǎo)航增強(qiáng)功能的環(huán)境綜合探測(cè)類衛(wèi)星是重要趨勢(shì)。