曹海翊 劉希剛 李少輝 張新偉

（中國空間技術研究院總體部，北京 100094）

“資源三號”（ZY-3）衛(wèi)星是我國自行研制的民用高分辨率光學傳輸型立體測繪衛(wèi)星，衛(wèi)星集測繪和資源調查功能于一體，開展國土資源調查與監(jiān)測。ZY-3衛(wèi)星裝載三線陣測繪相機和多光譜相機，運行在軌道高度約506km、傾角為97.421°的太陽同步回歸圓軌道上，衛(wèi)星可提供幅寬大于51km、分辨率2.1m全色/5.8m多光譜平面影像和3.5m的立體影像。

ZY-3衛(wèi)星于2012年1月9日成功發(fā)射，1月11日衛(wèi)星獲取第一幅影像，圖像清晰，層次分明，定位精度滿足1∶50 000比例尺地形圖要求。ZY-3衛(wèi)星的成功發(fā)射和應用填補了我國民用測繪衛(wèi)星領域的空白，扭轉了民用航天測繪業(yè)務依賴國外遙感數據的局面，為我國測繪領域建設和地理信息化發(fā)展提供了數據支持和服務保障。

1 衛(wèi)星簡介

1.1 測繪觀測任務分析

ZY-3 衛(wèi)星要完成測繪 1∶50 000 地形圖、1∶50 000 數字高程圖、1∶25 000 地形圖修測以及 1∶50 000、1∶25 000國土資源調查和監(jiān)測任務。地圖比例尺的大小，決定了地圖的精度和圖上地理信息的承載能力。地形圖信息主要包括地圖的內容、平面位置和高程。

1）地圖的內容：地圖上表示的各種天然和人工的地物要素，其主要取決于圖像的分辨率和觀測譜段。

2）平面位置：即地物要素在絕對坐標系中的平面位置，取決于成像系統(tǒng)的內外方位元素。

3）高程：用于描述地形的起伏，由量測立體像對的像點視差求得。取決于成像系統(tǒng)的內外方位元素和地面控制點的選取。

根據測繪規(guī)范要求[1]，表 1給出了制作1∶50 000和1∶2 5000比例尺地圖對影像地面像元分辨率、平面誤差和高程精度的要求。

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從表 1可以看出，要制作1∶50 000比例尺地圖，圖像地面像元分辨率應優(yōu)于5m，平面誤差應優(yōu)于25m，高程精度應優(yōu)于5m。

1.2 測繪方式選擇

目前測繪應用中，利用攝影測量原理進行高程量測主要有兩種方式：雙線陣成像和三線陣成像。兩種方式的基本原理是相同的，都是利用不同基線位置測量的圖像，通過像對匹配，采用攝影測量原理[2]，計算出目標到攝影時刻衛(wèi)星所處位置之間的相對距離，結合高精度的軌道測量數據和高精度的時間數據，計算出目標地形的高度。

三線陣成像與雙線陣成像之間的最大區(qū)別是推掃區(qū)域內任一個地面點均有3個不同角度觀測到的影像（即前視、正視和后視影像），3個線陣CCD推掃條帶影像相互重疊，較雙線陣成像增加了正視影像。采用三線陣測繪方式實現測圖功能，可以按照三線陣CCD影像空中三角測量光束法平差的方法[3]，以三線陣CCD影像本身計算外方位元素，從而大大降低對飛行器姿態(tài)穩(wěn)定度的要求，綜合考慮ZY-3衛(wèi)星選擇三線陣測繪方式。

ZY-3衛(wèi)星三線陣測繪原理如圖1所示。

1.3 任務特點

ZY-3衛(wèi)星作為測繪衛(wèi)星，具有如下任務特點：

1）測圖精度高。ZY-3衛(wèi)星要求1∶50 000比例尺制圖無地面控制點的定位精度為100m；有控制點的平面定位精度為25m，高程精度為5m。高程精度指標對衛(wèi)星定軌精度、姿態(tài)確定精度、星上時統(tǒng)精度、相機內方位元素標定精度及穩(wěn)定性指標提出了極高的要求。2）集測繪任務與資源調查功能于一體。ZY-3衛(wèi)星除滿足立體測繪任務外，還要滿足國土資源調查和監(jiān)測的需求，為防災減災、農林水利、生態(tài)環(huán)境、地質調查等提供服務。測繪任務需要配置零畸變或低畸變的測繪相機，國土資源遙感任務需要配置多光譜相機，綜合考慮，在全色三線陣相機外配置了1臺三反離軸多光譜相機。多光譜相機配置了4個多光譜譜段，不僅可以用于資源遙遙感，同時也能夠增強對測繪地物的判別。3）內方位元素在軌穩(wěn)定性強。ZY-3衛(wèi)星是首顆對相機內方位元素穩(wěn)定性提出要求的遙感衛(wèi)星，要求衛(wèi)星在軌工作半年之內相機內方位變化引起的像點移位優(yōu)于0.3像元。4）設計壽命長。ZY-3衛(wèi)星是首顆設計壽命為5年的衛(wèi)星。

1.4 方案概述

ZY-3衛(wèi)星是一顆三軸穩(wěn)定的對地觀測衛(wèi)星，衛(wèi)星具有±32°側擺觀測能力。衛(wèi)星由有效載荷和服務系統(tǒng)兩部分組成，有效載荷主要包括三線陣相機、多光譜相機、數傳、數傳天線和圖像數據記錄分系統(tǒng)；服務系統(tǒng)為有效載荷提供安裝、供電、指向、溫度維持和測控等支持服務，主要由電源、控制、推進、測控、數管、結構與機構、熱控分系統(tǒng)組成。

三線陣測繪相機是由具有22°夾角的前視、正視和后視3臺線陣CCD相機構成，相機垂直衛(wèi)星飛行方向安放，在軌狀態(tài)下從前、正和后3個方向獲取同一地物的立體影像，攝影基高比為0.89。3臺相機均選用透射式像方準遠心光學系統(tǒng)，光學系統(tǒng)采用機械結構簡單、加工裝調方便、穩(wěn)定性高的零畸變設計。3臺相機和星敏感器利用一體化支架組合形成一個整體，安裝在衛(wèi)星載荷艙頂部。

多光譜相機分系統(tǒng)選用三反離軸光學系統(tǒng)，具有無遮攔、無色差、傳函高和視場大等優(yōu)點，光學系統(tǒng)畸變設計值優(yōu)于萬分之五。多光譜相機配置了藍、綠、紅和近紅外4個譜段，三線陣相機和多光譜相機主要技術指標如表2所示。

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數傳分系統(tǒng)由數據處理部分和對地數傳通道兩部分組成，配置了2個450Mbit/s的X波段數據傳輸通道，全色相機設計了2∶1和4∶1兩種壓縮比可選，多光譜相機采用無損壓縮形式。圖像數據記錄分系統(tǒng)配置了兩臺容量500Gbit的固態(tài)存儲器，用于記錄圖像數據和姿態(tài)原始測量數據。數傳天線分系統(tǒng)由兩臺機械點波束天線及伺服控制器組成，完成星上數據下傳至地面接收站的功能。

衛(wèi)星采用成熟的資源衛(wèi)星平臺，整星質量2 636kg，結構穩(wěn)定，服務系統(tǒng)充分繼承了資源衛(wèi)星平臺產品基線狀態(tài)，在姿態(tài)控制與測量、精密定軌、時間同步等方面進行設計改進，以適應測繪任務對衛(wèi)星的要求。服務系統(tǒng)主要技術指標如表3所示。

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1.5 工作模式

根據衛(wèi)星任務要求，主要設計了4種工作模式。

1）實時傳輸模式。在衛(wèi)星地面接收站可視范圍內，衛(wèi)星處于正常飛行姿態(tài)或者側擺飛行狀態(tài)（滾動軸姿態(tài)角處于±32°范圍內），相機分系統(tǒng)對地成像，數傳分系統(tǒng)將接收到的相機圖像數據、星敏感器和陀螺數據發(fā)送至地面接收站。2）記錄模式。在衛(wèi)星地面接收站不可視范圍內，衛(wèi)星處于正常飛行姿態(tài)或者側擺飛行狀態(tài)（滾動軸姿態(tài)角處于±32°范圍內），相機分系統(tǒng)對地成像，數傳分系統(tǒng)將接收到的相機圖像數據、星敏感器和陀螺數據實時處理后送至數據記錄分系統(tǒng)存儲，擇機回放。3）邊記邊傳模式。在境外地面衛(wèi)星接收站可視范圍內，衛(wèi)星處于正常飛行姿態(tài)或者衛(wèi)星處于側擺飛行狀態(tài)（滾動軸姿態(tài)角處于±32°范圍內），三線陣相機和多光譜相機對地成像，圖像數據經壓縮后與星敏感器、陀螺數據（可選）經數傳分系統(tǒng)發(fā)送至境外地面接收站，同時送數據記錄分系統(tǒng)進行存儲，擇機回放。4）數據回放模式。在地面衛(wèi)星接收站可視范圍內，衛(wèi)星處于正常姿態(tài)飛行狀態(tài)，數傳分系統(tǒng)將數據記錄分系統(tǒng)存儲的圖像數據、GPS原始測量數據、星敏感器數據、陀螺數據和力學環(huán)境測量數據經回放至地面衛(wèi)星接收站。

2 衛(wèi)星技術創(chuàng)新點

ZY-3衛(wèi)星具有6項技術創(chuàng)新點。

（1）內方位元素高穩(wěn)定性設計

ZY-3衛(wèi)星首次提出在軌內方位元素穩(wěn)定性優(yōu)于0.3像元的要求，為此在三線陣相機和多光譜相機設計、分析和試驗方面均將內方位元素穩(wěn)定性作為系統(tǒng)研制的重點和難點。三線陣相機和多光譜相機在光學系統(tǒng)設計方面均采用準像方遠心光路，能夠保證溫度變化時像高保持穩(wěn)定。在材料選擇上，選擇了鈦合金光機結構，熱膨脹系統(tǒng)小，配合高精度熱控技術，保證了內方位元素穩(wěn)定性設計指標。

針對在軌環(huán)境影響情況，ZY-3衛(wèi)星開展了內方位元素穩(wěn)定性專項試驗，相機分系統(tǒng)及整星大型試驗前后均開展內方位元素測試工作，測試結果表明內方位元素變化優(yōu)于0.3像元（3μm）（如圖2所示）。根據衛(wèi)星在軌定位精度分析，相機內方位元素滿足要求。

（2）高速率雙圓極化復用數據傳輸技術

ZY-3衛(wèi)星有效載荷多，原始數據率超過2Gbit/s，居目前我國發(fā)射的遙感衛(wèi)星之首，為此，ZY-3衛(wèi)星數傳分系統(tǒng)采用了高速數據壓縮技術和高速數據調制技術，通過JPEG-LS壓縮算法對相機數據進行壓縮，之后分為兩個通道，分別進行碼速率為450Mbit/s的SQPSK調制。同時，衛(wèi)星數傳天線采用雙圓極化復用技術，將兩個通道450Mbit/s的數據通過同一個高極化隔離度的點波束天線同時輻射至地面接收站，從而大大提高了遙感數據的傳輸效率。針對該點波束數傳天線，還采用了高精度跟蹤技術，使得天線可以實現對地面站優(yōu)于0.1°的跟蹤指向。

衛(wèi)星發(fā)射之后，與北京密云地面站進行了雙通道450Mbit/s碼速率PN碼信號傳輸試驗。試驗中，密云地面站成功捕獲并跟蹤衛(wèi)星發(fā)送的左、右旋圓極化信號，實時解調后兩路誤碼率均為0。該試驗結果表明，我國低軌遙感衛(wèi)星首次成功實現了高速率雙圓極化復用數據傳輸技術。后續(xù)運行期間，數傳系統(tǒng)通過測繪實傳、雙通道數據回放等工作模式，成功將大量遙感圖像傳回地面，確保了測繪任務的實現。

（3）角秒級高姿態(tài)確定精度

為確保衛(wèi)星1∶50 000比例尺立體測繪任務的實現，對相機成像時刻衛(wèi)星姿態(tài)測量精度提出了1″的指標要求[4]，此指標遠高于國內其它類衛(wèi)星。為此，ZY-3衛(wèi)星設計了依靠星上高精度陀螺和星敏感器數據實時高精度相對定姿和依靠星敏陀螺下傳的測量數據事后高精度相對定姿兩種實現方案。

ZY-3衛(wèi)星配置了高精度姿態(tài)測量裝置，包括高精度陀螺和3臺高精度星敏感器；利用授時系統(tǒng)實現控制分系統(tǒng)姿態(tài)測量與衛(wèi)星的高精度時間同步；下傳高精度時標的星敏陀螺原始數據；下傳國產APS星敏感器原始星圖數據。采用星敏器、陀螺和GPS數據共同解算衛(wèi)星姿態(tài)，進一步提高衛(wèi)星的姿態(tài)測量精度[5]。

在衛(wèi)星研制階段，針對事后姿態(tài)處理相對精度優(yōu)于1″（1σ）的指標要求，對星敏陀螺聯(lián)合定姿方案進行了數學仿真及氣浮臺半物理仿真試驗驗證，數學仿真結果顯示，選取三正交陀螺可在100s內實現0.8″（1σ）的定姿精度，半物理仿真數據顯示，采用三正交陀螺進行相對定姿時，在30s內可實現0.5″（1σ）定姿精度，在100s內可優(yōu)于0.8″（1σ）的定姿精度，圖 3是相對時間100s時相對姿態(tài)確定誤差曲線。通過數學仿真及半物理仿真試驗結果，聯(lián)合定姿方案可實現事后相對定姿精度指標。衛(wèi)星發(fā)射后，根據影像的地面控制點信息完成系統(tǒng)誤差標定，然后利用星敏陀螺原始數據以及星圖數據開展姿態(tài)最優(yōu)估計計算，實現衛(wèi)星姿態(tài)的高精度的測量。根據初步在軌測試結果，衛(wèi)星定姿精度滿足用戶要求。

（4）厘米級定軌精度

ZY-3衛(wèi)星為保證相機成像品質，對衛(wèi)星軌道測量精度提出了高要求，其事后軌道三軸測量精度要求優(yōu)于20cm。為實現衛(wèi)星的高精度定軌，ZY-3衛(wèi)星采用雙頻GPS系統(tǒng)加激光角反射器組合的方式來完成衛(wèi)星的精密定軌任務。雙頻GPS系統(tǒng)接收兩頻段GPS導航信號，對導航信號的載波相位和偽距進行測量形成原始測量信息，這些信息被存儲在授時與數據存儲單元內。當衛(wèi)星通過地面站時，將所有測量得到的原始測量數據通過數傳分系統(tǒng)發(fā)送地面。地面應用系統(tǒng)對這些原始測量數據進行分類、識別、處理和計算，從而完成衛(wèi)星精密軌道的確定。

同時為確保定軌精度，ZY-3衛(wèi)星還安裝了激光角反射器用于地面激光測距系統(tǒng)對衛(wèi)星進行軌道精測，用以驗證雙頻GPS系統(tǒng)的測量結果。

ZY-3衛(wèi)星發(fā)射后，開展了精密定軌驗證。通過對重疊弧段數據的互差和殘差分析，來驗證衛(wèi)星精密定軌能力。分析結果表明在重疊弧段內衛(wèi)星軌道的切向、法向、徑向等3個方向精度均優(yōu)于5cm，且GPS觀測數據的品質和接收機鐘都較為穩(wěn)定。綜合上述結果，ZY-3衛(wèi)星的軌道測量精度為三軸5～7cm，滿足用戶使用要求。

（5）高時間同步精度

為保證圖像定位精度，衛(wèi)星各分系統(tǒng)需工作在同一時間基準下，各系統(tǒng)間時間同步精度要求為優(yōu)于50μs。為實現該目標，衛(wèi)星設計了一整套時間同步系統(tǒng)，使各分系統(tǒng)設備工作在統(tǒng)一的時間源上。

ZY-3衛(wèi)星時間同步系統(tǒng)使用雙頻GPS系統(tǒng)作為基準時鐘源，利用GPS信號的整秒特性使接收機在正常工作階段每個整秒時刻都將產生一個秒脈沖信號，其精度達到1μs。該信號經過放大與整形發(fā)送給整星其它分系統(tǒng)，各分系統(tǒng)以收到的秒脈沖信號為基準調整自身的時間系統(tǒng)，從而實現整星內部的時間同步。在GPS接收機發(fā)射秒脈沖信號的同時，接收機還將該秒脈沖信號對應的時間數據通過1553B總線進行廣播，各分系統(tǒng)通過總線及時得到收到的脈沖信號對應的具體時間信息，通過內部數據處理，實現脈沖信號與時間數據的匹配，進而實現衛(wèi)星完整有效的時間同步。在衛(wèi)星測試階段，整星的時間同步精度優(yōu)于20μs，滿足衛(wèi)星設計要求。

（6）高穩(wěn)定性結構設計

為實現ZY-3衛(wèi)星提出的高圖像定位精度要求，測量部件與測繪相機之間連接結構的在軌穩(wěn)定性成為結構設計的重點。在構形布局設計上，將3臺星敏感器與測繪相機的一體化布局，以減小在軌溫度變化引起星敏感器和相機的相對指向變化。在材料選擇上，采用低膨脹系數的復合材料成形，以降低支架結構熱變形對溫度的敏感性，配合高精度熱控從源頭上控制引起相機指向變化的因素。

在衛(wèi)星研制過程中，開展了多次穩(wěn)定性專項試驗驗證工作，利用MSC/PATRAN建立了整星級在軌熱穩(wěn)定性分析模型（如圖4所示），整星溫度場采用分析及熱試驗數據，對在軌星敏感器及相機指向進行仿真分析，結果顯示成像期間星敏感器與相機之間相對指向變化不大于0.5″。根據衛(wèi)星在軌初期星敏感器測量數據，初步顯示3臺星敏感器之間夾角穩(wěn)定性良好，能夠滿足衛(wèi)星使用要求，目前正在開展進一步的數據分析與評估工作。

3 在軌數據評價及應用情況

3.1 在軌數據評價

截至2012年4月20日，衛(wèi)星完成全部在軌測試工作，測試結果表明“資源三號”測繪衛(wèi)星衛(wèi)星系統(tǒng)功能和性能全面滿足指標要求，定位精度等關鍵指標優(yōu)于技術要求，衛(wèi)星滿足1∶50 000立體測圖精度要求，滿足1∶25 000地圖修測與更新精度要求。

2012年1月11日衛(wèi)星獲取大連地區(qū)影像，影像范圍為50km×50km，影像為平原和丘陵地形。如圖5所示，為開展評測工作，在地面量測了18個外業(yè)控制點坐標，精度優(yōu)于0.1m，像點量測精度為0.5像元。利用其中4個控制點，生成高精度數字正射影像，采用其余14個控制點作檢查點，獲得衛(wèi)星外方位元素標定值，評測衛(wèi)星有控制點平面精度和高程精度。利用第一軌外方位元素標定值和有控制點評測方法，開展了對平地、山地、高山地等多種地形的無控制點定位精度和有控制點定位精度統(tǒng)計工作，結果為衛(wèi)星無控制點定位精度小于25m，有控制點平面精度優(yōu)于2.28m，高程精度優(yōu)于1.6m。

2012年2月9日至2月18日在河北安平縣北50km×10km范圍內，共布設32個40m×40m專業(yè)測繪標志，如圖6所示，對測繪相機內方位元素和在軌MTF進行檢校，利用內方位元素標定后全控制點情況下兩個方向的標定精度均優(yōu)于0.13像元。三線陣相機和多光譜相機的在軌MTF大于0.12，滿足指標要求。

3.2 在軌應用情況

ZY-3衛(wèi)星圖像數據已經廣泛用于測繪產品的制圖和生產，形成DSM、DOM、DEM和DLG等系列測繪產品。前正后視影像利用控制點平差后，采用密集匹配技術生產該區(qū)域的DSM如圖7所示，在此基礎上生產正射影像如圖8所示。

在此基礎上制作了DLG產品以及紅綠立體影像，以大連地區(qū)為例，DLG產品如圖9所示，紅綠立體影像圖如圖12所示。

4 結束語

ZY-3衛(wèi)星是我國首顆由幾何定性遙感到幾何定量遙感的衛(wèi)星，在軌測試顯示，衛(wèi)星影像清晰，三線陣、多光譜相機內方位元素保持高精度穩(wěn)定，外方位元素（姿態(tài)、軌道、時間）精度保持穩(wěn)定，經過地面幾何檢校后，定位精度達到國際先進水平；高碼速率正交圓極化頻率復用數據傳輸系統(tǒng)工作穩(wěn)定，達到國際領先水平。標志著我國幾何高精度衛(wèi)星平臺、載荷和地面處理水平達到了國際先進水平，具有更廣闊的應用前景。

（References）

［1］ GB12340-2008.1∶25 000、1∶50 000、1∶100 000 地形圖航空攝影測量內業(yè)規(guī)范[S].GB12340-2008.1∶25 000、1∶50 000、1∶100 000 Topographic Map Aerial Photography Survey Specification[S].（in Chinese）

［2］王佩軍，徐亞明.攝影測量學[M].武漢：武漢大學出版社，2005.WANG Peijun，XU Yaming.Photographic Surveying[M].Wuhan：Wuhan University Press，2005.（in Chinese）

［3］ 王任享.三線陣CCD影像衛(wèi)星攝影測量原理[M].北京：測繪出版社，2006.WANG Renxiang.Satellite Photogrammetric Principle for Three-line-array CCD Imagery[M].Beijing：Surveying and Mapping Press，2006.（in Chinese）

［4］ 胡莘，曹喜濱.三線陣立體測繪衛(wèi)星的測繪精度分析[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2008，40（5）：695-699.HU Xin，CAO Xibin.Analysis on Precision of Stereo Mapping Microsatellite Using Three-line Array CCD Images[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2008，40（5）：695-699.（in Chinese）

［5］ IWATA T.Precision Attitude and Position Determination for the Advanced Land Observing Satellite（ALOS），Enabling Sensor and Platform Technologies for Space-borne Remote Sensing[J].Proceedings of SPIE，Bellingham，2005：34-50.