劉韜 （北京空間科技信息研究所）

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國外光學測繪衛(wèi)星發(fā)展研究

劉韜 （北京空間科技信息研究所）

Development of Foreign Optical Surveying and Mapping Satellites

天基光學測繪是地理空間信息獲取的重要手段，具有全球性和高時效性，在遙感產業(yè)方面蘊含巨大的商機。目前，主要航天國家紛紛發(fā)展了具有光學測繪能力的衛(wèi)星，為本國的空間信息基礎設施建設和全球化戰(zhàn)略服務。

從狹義上講，把能從不同視角獲取同一地區(qū)影像的光學遙感衛(wèi)星稱為光學測繪衛(wèi)星。近半個世紀以來，在發(fā)展歷程上，光學測繪衛(wèi)星從最初的膠片返回式衛(wèi)星發(fā)展到目前的傳輸型衛(wèi)星。在載荷技術體制上，從畫幅式相機發(fā)展到現在的單線陣、雙線陣和三線陣相機。從各國發(fā)展水平看，美國、歐洲已廣泛使用結合敏捷衛(wèi)星平臺的偵測一體式單線陣相機；而日本、印度正在從雙、三線陣向偵測一體式單線陣相機過渡；俄羅斯受到高敏捷、高精度平臺的技術限制，仍主要依靠雙、三線陣光學測繪衛(wèi)星。

1 美國光學測繪衛(wèi)星的發(fā)展

美國光學測繪衛(wèi)星從軍用發(fā)展到軍民兩用。光學測繪衛(wèi)星經歷了返回型向傳輸型的發(fā)展過程，目前已全面使用偵測一體式軍商兩用光學成像衛(wèi)星進行測繪。美國光學測繪衛(wèi)星主要經歷了3個發(fā)展階段：20世紀80年代中期前，以膠片返回式衛(wèi)星執(zhí)行測繪任務；20世紀80年代中期后到20世紀末期，是光學測繪衛(wèi)星從膠片返回向光電傳輸發(fā)展的過渡階段，美國航空航天局（NASA）的航天飛機任務曾經搭載過美國研制的試驗型膠片測繪載荷和德國研制的傳輸型光學測繪載荷；進入21世紀，美國發(fā)展軍商兩用敏捷型高分辨率偵測一體式光學衛(wèi)星，形成了既能繪制大范圍基礎地圖，又能繪制區(qū)域大比例尺地圖的能力。

從總體技術指標上看，美國具有最高水平，其軍商兩用測繪衛(wèi)星的空間分辨率達到0.31m，無地面控制點平面精度達到3.5m，高程精度達到米級。在衛(wèi)星比例尺方面，從1:100000以上地形圖發(fā)展到滿足1:5000以下地形圖制圖。

美國典型天基光學測繪系統

第一階段：主要從軍用膠片返回式光學測繪衛(wèi)星起步

在發(fā)展的第一階段，美國主要依靠軍用膠片返回式衛(wèi)星進行軍事測繪。美國在1962－1972年間，發(fā)射了89次鎖眼－4返回式測繪衛(wèi)星，搭載由2臺相機組成的“壁畫”立體成像系統，衛(wèi)星壽命早期7天，后期18天，分辨率約1.8～7.5m。1971－1986年，發(fā)射20次“六角體”（又名鎖眼－9）衛(wèi)星，攜帶全色相機與測繪相機。鎖眼－9衛(wèi)星的突出特點是大范圍制圖，使用兩臺全色相機，單幀膠片可覆蓋約555.6km×31.1km的區(qū)域，可制作1:100000比例尺的地圖，膠片可放大100倍顯示。在高度為185.2km的標準運行軌道，全色相機利用120°的最大掃描角，幅寬可達685.24km，基本可覆蓋華盛頓到美國俄亥俄州的辛辛那提。

美國鎖眼－9衛(wèi)星結構圖

鎖眼－9衛(wèi)星攜帶有效載荷參數

第二階段：以航天飛機為平臺測試新型光學測繪載荷第二階段初期，美國開始利用航天飛機搭載膠片測繪相機，進行更大比例尺的測繪。NASA發(fā)展了大幅面測量相機（LFC），大幅面測量相機是采用膠片的試驗型畫幅式測繪相機，由艾特克公司研制，任務是評估采用衛(wèi)星軌道攝影技術繪制1:50000比例尺地圖和土地利用研究等方面的效能。大幅面測量相機在航天飛機上首次飛行試驗的軌道高度為225～352km，軌道傾角57°。在225km高度拍攝，其單張圖片的覆蓋面積為170km×340km，地面分辨率達到8m，完全滿足1:50000的黑白圖像和1:100000的彩色圖像的要求。在立體模式范圍內，可以測量各種位置，其標準誤差為8m，高程誤差6～24m，隨基高比變化。基高比分別為0.3、0.6、0.9和1.2。

大幅面測量相機由一套相機系統組成，安裝在航天飛機貨艙內部。大幅面測量相機系統總質量1550kg（相機凈重450kg），焦距305mm，相對孔徑f/6，單幀圖像覆蓋面積約6×104km2。大幅面測量相機攜帶五種不同類型的膠片，分別為紅外、自然色和三種黑白膠片，總長度1200m，可拍攝2400幀尺寸23cm×46cm的照片。大幅面測量相機沿飛行路徑進行拍攝，可沿著航天飛機運行軌跡獲取立體像對。

MOMS－02測繪相機工作原理圖

第二階段后期，美國利用航天飛機搭載數據傳輸型測繪相機，即德國研制的MOMS傳輸型三線陣相機。1993年4月26日－5月6日，MOMS－02相機在美國航天飛機STS－55任務中進行了搭載試驗，攝影高度296km，軌道傾角為25.8°。MOMS－02相機系統由5臺CCD相機組成，其中有2臺是中分辨率多譜段相機，另外3臺構成三線陣CCD立體測繪相機系統，交會角21.4°。正視相機的焦距660mm，相對孔徑f/4.6，譜段512～765nm，具有4個多光譜通道（13m分辨率）和1個全色波段（4.3m分辨率），并且為立體成像模式；前后視相機的焦距237mm，相對孔徑f/5.6，譜段521～763nm。正視為高分辨率4.3m，幅寬37km，前后視為中分辨率13.5m，幅寬7.8km。CCD采用棱鏡拼接方法，相機靜態(tài)傳遞函數（MTF）接近0.3。

第三階段：向偵測一體衛(wèi)星過渡

第三階段，美國開始發(fā)展敏捷型單線陣偵測一體式衛(wèi)星，以“伊克諾斯”和地球眼－1等軍商兩用的高分辨率光學成像衛(wèi)星為代表，此類偵察測繪一體式高分辨率光學成像載荷的內外方位元素精度高，結合高精度姿態(tài)控制衛(wèi)星平臺，具備了單軌立體成像能力，實現了1:5000大比例尺立體測繪制圖能力，能夠基于基礎地圖進行高精度的修測，具備了較強的地理空間情報獲取能力。從總體上看，這些衛(wèi)星空間分辨率不斷提高，衛(wèi)星普遍采用單線陣立體構像方式。目前，世界觀測－3衛(wèi)星分辨率已達到0.31m，衛(wèi)星平臺具備大角度快速姿態(tài)機動能力，能靈活地實現同軌、異軌立體觀測。

美國世界觀測－3衛(wèi)星在軌飛行示意圖

2 俄羅斯光學測繪衛(wèi)星的發(fā)展

俄羅斯/蘇聯軍用光學測繪衛(wèi)星性能參數

目前，俄羅斯天基光學測繪仍主要依靠軍事專用衛(wèi)星。在發(fā)展歷程上，俄羅斯/蘇聯的光學測繪衛(wèi)星同樣經歷了返回型向傳輸型的發(fā)展過程。在載荷技術體制上，從畫幅式膠片相機發(fā)展到雙線陣傳輸型相機，盡管以資源－DK和P（Resurs－DK和P）等民用衛(wèi)星為代表的敏捷型單線陣相機具有一定的制圖能力，但由于平臺敏捷能力和精度比美、歐衛(wèi)星差距較遠，因此制圖效果較差。俄羅斯/蘇聯光學測繪已經歷3個發(fā)展階段，第一階段發(fā)展的衛(wèi)星為“天頂”（Zenit）系列中的測繪衛(wèi)星；第二階段發(fā)展的衛(wèi)星為“琥珀”（Yantar）系列中的測繪衛(wèi)星；第三階段發(fā)展的衛(wèi)星為傳輸型衛(wèi)星，代表性衛(wèi)星有資源－DK和P、“角色”（Persona）和2015年最新發(fā)射的獵豹－M（Bars－M）衛(wèi)星。

第一階段：從軍用膠片返回式光學測繪衛(wèi)星起步

蘇聯光學測繪衛(wèi)星發(fā)展的初期階段是從20世紀60年代到20世紀末，在返回式“天頂”系列光學成像偵察衛(wèi)星中，主要有天頂－4MT和天頂－8兩個型號為測繪衛(wèi)星型號。天頂－4MT于1968年完成了初期方案設計，首顆試驗型衛(wèi)星于1971年從普列謝茨克航天發(fā)射中心發(fā)射，1975年完成試驗，1976年進入業(yè)務化運行階段。典型軌道參數為傾角82.3°，高度215～245km。截至1982年8月3日末次發(fā)射，共發(fā)射23顆。天頂－8衛(wèi)星平臺是改造的東方號載人飛船。它使用“聯盟”運載火箭從拜科努爾航天發(fā)射場和普列謝茨克航天發(fā)射場發(fā)射。首顆試驗型衛(wèi)星于1978年發(fā)射，共6顆，業(yè)務型衛(wèi)星于1984年發(fā)射，至1994年末次發(fā)射，共發(fā)射102顆。典型軌道參數為傾角70°，高度為350～420km。

第二階段：軍用膠片返回式光學測繪衛(wèi)星能力增強

蘇聯光學測繪衛(wèi)星發(fā)展的第二階段是從20世紀70年代到21世紀初。在“琥珀”系列光學成像偵察衛(wèi)星中，琥珀－1KFT是專用測繪衛(wèi)星型號。1964年，南方設計局開始研制“琥珀”衛(wèi)星。1967年，研制工作轉交給進步中央專業(yè)設計局。1974年12月13日，隨著首顆“琥珀”系列衛(wèi)星——琥珀－2K發(fā)射成功，琥珀－2K及其系列改進型號逐漸成為蘇聯/俄羅斯的主要偵察衛(wèi)星系列。琥珀－1KFT專用測繪衛(wèi)星采用65°和70°兩個軌道傾角，近地點189～212km，遠地點233～327km。衛(wèi)星發(fā)射質量6.6t，具有軌道機動能力。相較于“天頂”系列中的測繪型號，琥珀－1KFT在分辨率、在軌壽命、軌道機動能力方面技術進步較大。截至2005年2月9日末次發(fā)射，琥珀－1KFT系列衛(wèi)星共發(fā)射21顆。

琥珀－1KFT星上有效載荷主要包括TK－350主測繪相機和高分辨率KVR－1000型相機。TK－350主測繪相機是高精度廣角測繪相機，焦距350mm，譜段510～760nm，視場角75°，相對孔徑f/5.6，空間分辨率10m，基高比為0.26～1.03，相鄰圖像有60%～80%重疊，以構成立體像對。單幅相片覆蓋面積為190km×280km。KVR－1000為高分辨率偵察相機，焦距1000mm，地面分辨率2m。該相機可提供地面目標的詳細情況，輔助TK－350相機制圖，也可用于繪制1:10000比例尺的正射影像圖。激光測高儀用于測量曝光瞬間地面距衛(wèi)星的距離。

俄羅斯獵豹－M衛(wèi)星在軌示意圖

第三階段：光學測繪衛(wèi)星向傳輸型過渡

俄羅斯光學測繪衛(wèi)星發(fā)展的第三階段是從21世紀初開始，新一代衛(wèi)星采用全新的數據傳輸體制，載荷成像測繪技術體制也發(fā)生重大變化。自車臣戰(zhàn)爭以來，俄羅斯軍用測繪地圖老舊的問題被暴露出來，尤其是境外軍用地圖無法滿足俄羅斯周邊局部戰(zhàn)爭多發(fā)帶來的軍事應用需求。從2005年最后一次發(fā)射軍用測繪衛(wèi)星至今，俄羅斯天基軍用測繪數據已有10年斷檔，在軌的一顆“角色”軍用光學成像偵察衛(wèi)星具備一定范圍的測繪能力，但受限于主任務和載荷設計限制，軍用大比例尺測繪能力有限。2015年2月27日發(fā)射的獵豹－M1衛(wèi)星是俄羅斯新一代軍用光學測繪衛(wèi)星，已規(guī)劃6顆，計劃在3年內發(fā)射3顆衛(wèi)星，這些衛(wèi)星將使俄羅斯具備全球高時效性軍用地圖測繪能力，為其軍事斗爭提供關鍵支撐。

俄羅斯獵豹－M1衛(wèi)星有效載荷結構

獵豹－M衛(wèi)星代號14F148，采用新型衛(wèi)星平臺，有效載荷包括雙線陣立體測繪相機和激光高度計，該衛(wèi)星質量約4t，空間分辨率最高1.1m，設計壽命5年。衛(wèi)星設計主要由計算機輔助完成，主要結構包括有效載荷模塊、服務艙和推進系統。

獵豹－M衛(wèi)星有效載荷模塊主要是名為“卡拉特”（Karat）的雙線陣立體測繪相機，也稱光電復合望遠鏡，由位于圣彼得堡的LOMO公司制造，望遠鏡基于3個透鏡組設計。由于獵豹－M衛(wèi)星的光學載荷及相關校準設備無法承受空間極度溫度變動造成的微小變化，為保證光學儀器保持最佳位置狀態(tài)，望遠鏡被安裝在“形狀穩(wěn)定的儀器裝載平臺”（RSNKP）中?！靶螤罘€(wěn)定的儀器裝載平臺”由碳基復合材料構成，這種新材料可以保證在地球軌道最極端溫度變化條件下的精確形狀保持能力。

除了一對望遠鏡，“形狀穩(wěn)定的儀器裝載平臺”還攜帶激光測高系統，它由2個激光發(fā)射器、激光測距儀鏡面反射器和姿態(tài)控制傳感器組成。激光測距數據能夠針對很多地區(qū)難以獲取地面控制點的情況，進一步提高測量精度。

3 歐洲、日本和印度光學測繪衛(wèi)星的發(fā)展

歐洲的天基光學測繪從畫幅式膠片相機發(fā)展到雙線陣傳輸型衛(wèi)星，又全面過渡到偵測一體式衛(wèi)星。歐洲20世紀70年代開始發(fā)展天基光學測繪載荷，畫幅式膠片RMK相機在1977年的“天空實驗室”（Spacelab）任務和1983年的航天飛機任務上進行了搭載試驗。21世紀初，歐洲發(fā)展了斯波特－5 （SPOT－5）雙線陣測繪衛(wèi)星，2010年后，歐洲成功發(fā)射多顆新一代偵測一體式衛(wèi)星，采用敏捷單線陣相機測繪，“昴宿星”（Pleiades）和斯波特－6、7是典型代表。

印度的天基光學測繪從雙線陣測繪衛(wèi)星向偵測一體式測繪衛(wèi)星過渡。印度從21世紀初發(fā)展了雙線陣光學測繪衛(wèi)星，代表衛(wèi)星為制圖衛(wèi)星－1 （CartoSat－1）。此類衛(wèi)星具有大平臺設計、結構穩(wěn)定等特點，對姿態(tài)機動性要求不高，只需推掃即可獲得較大幅寬的立體影像，適用于長條帶、大區(qū)域立體測圖。印度又于2007－2010年發(fā)射了3顆偵測一體式的制圖衛(wèi)星－2，盡管可制作更大比例尺的地形圖（1:7000水平），但有印度專家指出，在測繪任務上，制圖衛(wèi)星－1的穩(wěn)定性比制圖衛(wèi)星－2好。這從側面說明，印度尚未完全掌握偵測一體技術。

歐洲斯波特－5衛(wèi)星示意圖

歐洲“昴宿星”示意圖

日本光學測繪衛(wèi)星發(fā)展早于印度，目前仍致力于雙/三線陣相機的發(fā)展。1999年12月18日，美國航空航天局的“土”（Terra）衛(wèi)星搭載了日本研制的“先進星載熱輻射與反射輻射計”（ASTER），它是光學測繪與環(huán)境監(jiān)測綜合型載荷，采用類似雙線陣的測繪體制。“先進星載熱輻射與反射輻射計”的主承包商為日本電氣公司，作為國際合作項目，美國“地球觀測系統”（EOS）任務委員會負責美方與日方在研制方面的協調工作?！跋冗M星載熱輻射與反射輻射計”光學系統設計分為3個子系統，包括可見光近紅外（VNIR）子系統，短波紅外（SWIR）子系統和熱紅外（TIR）子系統，負責測繪的是可見光近紅外子系統，它在沿軌方向可立體成像，基高比為0.6，能夠制作數字高程模型（DEM），分辨率15m，幅寬60km?？梢姽饨t外子系統包括2臺相機，星下點觀測相機（VTL－N）和后視相機（VTL－B），2臺相機夾角為27.6°。指向旋轉機構可使2臺相機同時旋轉，在穿軌方向具備±24°側視能力?？梢姽饨t外子系統在3號譜段進行立體成像，焦平面探測器型號為μPD3571D，像元數為5000，像元尺寸7μm。“先進星載熱輻射與反射輻射計”的可見光近紅外子系統雖有2臺相機，但并不是雙線陣系統，實際上，下視相機和后視相機共用一個單線陣探測器，在短時間內交替成像，既不依靠平臺側擺，也不依靠軌道回歸，而巧妙地實現了同軌立體成像。

值得說明的是，日本與美國合作，利用“先進星載熱輻射與反射輻射計”制作了全球數字高程數據（GDEM），全球數字高程數據和美國航天飛機雷達地形測繪數字高程數據（SRTM DEM）成為目前世界上應用較廣的兩類數字高程模型數據。全球數字高程數據分辨率為30m，垂直精度20m，覆蓋范圍為83°（N）～83°（S)的所有陸地區(qū)域，是目前覆蓋最廣的免費高精度全球高程數據。2009年公布了第一版數據，2011年10月公布了第二版數據。日本“先進星載熱輻射與反射輻射計”全球數字高程數據和美國航天飛機雷達地形測繪數字高程數據已經在交通道路規(guī)劃、地貌分析、災害監(jiān)測等重要領域發(fā)揮了重要作用。

隨后，日本又開始了三線陣測繪技術的研究，于2006年發(fā)射了先進陸地觀測衛(wèi)星－1（ALOS－1），分辨率達到2.5m，但由于電源故障，該星于2011年失效。日本從2009年開始先進陸地觀測衛(wèi)星－1后續(xù)光學衛(wèi)星的研發(fā)，目前論證中的先進陸地觀測衛(wèi)星－3計劃采用雙線陣測繪體制。

美國、歐洲、日本和印度典型測繪衛(wèi)星參數

日本先進陸地觀測衛(wèi)星-1在軌示意圖

4 總結

從國外主要航天國家光學測繪衛(wèi)星發(fā)展歷程上看，由于美國、歐洲高精度、高穩(wěn)定度、高敏捷平臺技術和高精度載荷技術水平較為先進，美國、歐洲完成了從多線陣向偵測一體式測繪衛(wèi)星的過渡，而俄羅斯、印度、日本仍主要采用雙/三線陣測繪體制。同時，在未來發(fā)展上，日本并未放棄多線陣測繪體制，說明在平臺和載荷技術復雜度和測繪效率上，多線陣測繪體制仍有一定的優(yōu)勢，仍是敏捷平臺技術尚不完全成熟的國家進行天基測繪的首選方案。

在技術發(fā)展水平上，國外光學測繪衛(wèi)星分辨率已從幾十米發(fā)展到亞米級，從無地面控制點定位精度百米發(fā)展到數米。

在應用上，美國從小比例尺的地理基礎框架測繪到大比例尺局部修測，表明美國已經完成了全球基礎地理框架產品的制作，其當今的測繪任務主要集中在高精度修測。而美國、日本分別發(fā)布全球免費數字高程模型數據，是展現其航天強國軟實力的具體表現。