本刊記者 張曼倩 本刊特邀記者 徐馳 劉付強(qiáng)

2020年7月25日，資源三號03星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，與資源三號01、02星等其他測繪衛(wèi)星組成立體測繪衛(wèi)星星座，更快更好地完成國土測繪和全球測圖，進(jìn)一步推動(dòng)我國民用測繪事業(yè)快速發(fā)展。本刊編輯部特別采訪了資源三號衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師曹海翊，請她講述資源三號衛(wèi)星的研制歷程、技術(shù)難點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)社會效益以及中國衛(wèi)星測繪事業(yè)“從無到優(yōu)”的巨大跨越。

記者：請您談一談資源三號衛(wèi)星項(xiàng)目的研制背景、工程意義及進(jìn)展情況？

曹海翊：資源三號衛(wèi)星是我國首顆民用高精度立體測繪衛(wèi)星?！皽y繪”是指對自然地理要素和地表人工設(shè)施進(jìn)行測量和繪圖。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類活動(dòng)涉及的信息總量中的80%與地理信息相關(guān)，大到國家全局性、戰(zhàn)略性的重大規(guī)劃設(shè)計(jì)，小到我們?nèi)粘５某鲂袑?dǎo)航、外賣點(diǎn)餐，都離不開測繪數(shù)據(jù)支持。由于地理空間信息廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展、國家安全等領(lǐng)域，世界各國都把地理空間信息視作國家的重要戰(zhàn)略資源，將測繪能力建設(shè)，尤其是具有高效率、全覆蓋等優(yōu)點(diǎn)的航天測繪能力建設(shè)，作為各國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點(diǎn)。

20世紀(jì)后期，世界科技強(qiáng)國已經(jīng)開始應(yīng)用航天遙感數(shù)據(jù)完成大面積中比例尺國土測繪，到21世紀(jì)初，法國、印度、日本先后發(fā)射了可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1：50000比例尺測繪任務(wù)的民用測繪衛(wèi)星。而當(dāng)時(shí)，我國并不具備自主獲取高精度衛(wèi)星測繪影像數(shù)據(jù)的能力，主要依靠采購進(jìn)口衛(wèi)星影像以滿足我國國民經(jīng)濟(jì)和社會建設(shè)快速發(fā)展帶來的需求，成為制約我國地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。為此，原國家測繪局在2005年將研制和發(fā)射我國首顆高分辨率測繪衛(wèi)星—資源三號列入規(guī)劃。依托中國空間技術(shù)研究院研制遙感衛(wèi)星的技術(shù)基礎(chǔ)，經(jīng)過3年的技術(shù)攻關(guān)和前期論證，國務(wù)院于2008年正式批準(zhǔn)并啟動(dòng)了資源三號衛(wèi)星工程建設(shè)項(xiàng)目。

為滿足用戶對衛(wèi)星測繪數(shù)據(jù)更新周期和持續(xù)性的需求，共有4顆資源三號衛(wèi)星列入了研制計(jì)劃，通過多星在軌組網(wǎng)運(yùn)行來提高對我國及全球各地區(qū)測繪影像的快速、長期、穩(wěn)定的獲取能力。在艱苦的研制工作中，衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難、連戰(zhàn)連捷：2012年1月9日，資源三號01星發(fā)射入軌；2016年5月30日，02星發(fā)射入軌；2020年7月25日，03星發(fā)射入軌。目前，各星在軌穩(wěn)定運(yùn)行，01星已經(jīng)超出設(shè)計(jì)壽命3年，而04星也即將啟動(dòng)工程立項(xiàng)，“四星同堂”的盛況指日可待。

資源三號衛(wèi)星的成功發(fā)射，標(biāo)志著我國民用立體測繪衛(wèi)星領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了零的突破。衛(wèi)星功能、性能指標(biāo)全面優(yōu)于同時(shí)期國際同類衛(wèi)星，達(dá)到國際先進(jìn)水平，打破了我國航天立體測繪長期依賴國外遙感數(shù)據(jù)的局面，并讓“中國制造”的衛(wèi)星測繪影像進(jìn)軍國際市場，具有重大的意義。

記者：資源三號衛(wèi)星的作用是什么，主要技術(shù)難點(diǎn)是什么？

曹海翊：資源三號衛(wèi)星是測繪衛(wèi)星，可以理解成是一把用來精確測量大地的“尺子”。這把“尺子”的最大特點(diǎn)是，不僅能像傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星一樣獲取二維平面影像，還可以利用三線陣測繪原理實(shí)現(xiàn)高程信息的獲取，該原理在20世紀(jì)80年代已被首次提出，但其對工程實(shí)現(xiàn)提出了極高的要求，主要有兩大難點(diǎn)。

難點(diǎn)一：航天測繪要在500km的距離外、40000km的跨度上，以類似“游標(biāo)卡尺”的測量精度，獲取目標(biāo)地物的精確三維坐標(biāo)。根據(jù)攝影測量原理，測繪衛(wèi)星對地物的定位可以簡單等效為三角幾何中“兩角夾一邊”問題，地物三維坐標(biāo)的準(zhǔn)確度與三角形角度、邊長的精度直接相關(guān)。角度的精確求解需要衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)角秒級的姿態(tài)確定精度，邊長的精確求解需要衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)厘米級的軌道確定精度。另外，還需要微秒級高精度時(shí)間系統(tǒng)將星地基準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一。具體到工程實(shí)現(xiàn)，要求衛(wèi)星在20倍音速的動(dòng)態(tài)條件下，為拍攝的圖像提供高精度的時(shí)間、空間基準(zhǔn)，以精確求解“三角形”。

難點(diǎn)二：資源三號立體測繪采用了類似人眼的雙目視覺原理—從不同位置觀測同一物體，從而產(chǎn)生3D效果，視力水平越高，影像越清晰。然而，衛(wèi)星進(jìn)入太空后將長期處于±100℃的溫度劇烈變化的環(huán)境中，要想獲取幾何不變形、層次感分明、細(xì)節(jié)豐富不模糊的立體影像，就需要從鏡頭無畸變、動(dòng)態(tài)范圍寬、圖像信噪比高以及衛(wèi)星控制穩(wěn)等方面對衛(wèi)星載荷和平臺提出極為嚴(yán)格的要求。

記者：衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了哪些技術(shù)創(chuàng)新？03星相對于01、02星在技術(shù)上有哪些進(jìn)步？

曹海翊：資源三號衛(wèi)星作為首顆高精度立體測繪衛(wèi)星，重點(diǎn)針對測繪任務(wù)所需的高圖像定位精度開展了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。衛(wèi)星提出了“追穩(wěn)求精”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，突破了整星級結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定、高精度位置確定和高精度時(shí)間同步等關(guān)鍵技術(shù)，解決了衛(wèi)星幾何基準(zhǔn)的穩(wěn)定性難題，首次實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)衛(wèi)星影像在無地面控制點(diǎn)條件下平面定位精度優(yōu)于10m，高程精度優(yōu)于5m；有控制點(diǎn)條件下平面定位精度優(yōu)于3m，高程精度優(yōu)于1.5m。首次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一組長焦距、低畸變、高量化位數(shù)的三線陣立體測繪相機(jī)和一臺高空間分辨率多光譜相機(jī)；首次提出了磁控力矩前饋補(bǔ)償方法和帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相電流補(bǔ)償方法；在國內(nèi)首次提出了基于光電精密測角法的內(nèi)方位元素測試技術(shù)；發(fā)明了隔熱/導(dǎo)熱一體化復(fù)合多層隔熱組件技術(shù)，首次在相機(jī)焦面散熱中使用微型熱管技術(shù)和多系統(tǒng)設(shè)備一體化熱設(shè)計(jì)方法。上述技術(shù)創(chuàng)新使得與圖像定位精度相關(guān)的內(nèi)、外方位元素指標(biāo)得到了全面提高。同時(shí)，衛(wèi)星首次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)處理和壓縮算法、首次在國際上實(shí)現(xiàn)了X頻段2×450Mbit/s超高碼速率遙感數(shù)據(jù)的傳輸，有效提升了在軌使用效能。

衛(wèi)星系統(tǒng)級高定位精度關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)在我國后續(xù)遙感衛(wèi)星的工程設(shè)計(jì)中得到了廣泛的推廣，使后續(xù)衛(wèi)星圖像定位精度水平由之前的約200m全面提升至50m以內(nèi)。

03星相對于01、02星主要有兩項(xiàng)技術(shù)提升：第一，新型激光測高儀采用雙邊采樣、多閾值可調(diào)、多回波鑒別的體制，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)高程測量，星地測距精度提升為亞米級；第二，針對長達(dá)8年的壽命要求，平臺部分采用三結(jié)砷化鎵電池片結(jié)合鋰離子蓄電池組，實(shí)現(xiàn)了新型供電體制；采用新型控制體制和高穩(wěn)太陽帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性；實(shí)現(xiàn)了智能星務(wù)管理系統(tǒng)，對衛(wèi)星進(jìn)行自主任務(wù)規(guī)劃和智能健康監(jiān)測，保證衛(wèi)星在軌長壽命自主可靠運(yùn)行。

記者：資源三號01星發(fā)射以來，產(chǎn)生了多少數(shù)據(jù)，服務(wù)了多少用戶，帶來了哪些經(jīng)濟(jì)和社會效益？

曹海翊：資源三號01星發(fā)射至今已有8年半了，共獲取影像301萬景，全球累計(jì)覆蓋超過7900平方千米，陸域覆蓋比例53%；三線陣立體數(shù)據(jù)國內(nèi)陸地覆蓋率99.89%，全球覆蓋率超過63%。衛(wèi)星獲得的影像已向包括測繪、土地、地礦、水利、林業(yè)、環(huán)保等行業(yè)的2200余家國內(nèi)外用戶提供了累計(jì)覆蓋面積超過8億平方千米的衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)產(chǎn)品與服務(wù)。海量的高分辨率衛(wèi)星影像極大地提升了我國國土測繪、資源調(diào)查與監(jiān)測能力，結(jié)束了測繪影像長期受制于國外引進(jìn)產(chǎn)品的被動(dòng)局面，使得進(jìn)口衛(wèi)星測繪影像價(jià)格不斷下調(diào)并最終退出中國市場，為國家節(jié)省的影像引進(jìn)開支高達(dá)數(shù)十億元人民幣。

記者：資源三號03星與01、02星組成立體測繪衛(wèi)星星座后，能夠獲得哪些優(yōu)勢？保障服務(wù)能力有哪些方面的提升？

曹海翊：資源三號03星與01、02星以及高分七號衛(wèi)星均運(yùn)行于506km的軌道上，可組成我國首個(gè)立體測繪衛(wèi)星星座。采用這樣的設(shè)計(jì)，讓用戶可以靈活使用多種星座運(yùn)行模式來匹配不同的業(yè)務(wù)需求。

采用等相位星座運(yùn)行模式，可將常態(tài)化業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的更新周期由59天縮短至15天；采用小相位差星座編隊(duì)模式，可以通過多星圖像拼接實(shí)現(xiàn)大幅寬成像；結(jié)合高分七號衛(wèi)星的高分辨率影像，可提供廣域1：25000比例尺和指定目標(biāo)區(qū)域1：10000比例尺的組合型全球立體測繪產(chǎn)品，滿足用戶對不同測繪產(chǎn)品類型的需求。

記者：資源三號衛(wèi)星影像在國際市場上處于什么水平？

曹海翊：資源三號對地物的平面定位精度優(yōu)于10m，測高精度優(yōu)于5m，可以滿足1：50000比例尺立體測繪的需求。國外用于1：50000和1：25000測圖的典型衛(wèi)星有法國對地觀測衛(wèi)星斯波特-5（SPOT-5）、日本大地-1（ALOS-1）衛(wèi)星、印度制圖衛(wèi)星-1（Cartosat-1）等，與這些衛(wèi)星相比，資源三號衛(wèi)星具備更好的無控制點(diǎn)定位精度，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

資源三號衛(wèi)星多次向聯(lián)合國全球地理信息管理機(jī)構(gòu)以及美、日、韓、英、法、德等30多個(gè)國家和地區(qū)提供衛(wèi)星影像產(chǎn)品，開展了衛(wèi)星應(yīng)用國際合作和科學(xué)研究。高精度測繪產(chǎn)品在南美洲、非洲等國外地區(qū)的電網(wǎng)勘查工程中得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了顯著的國際影響力和經(jīng)濟(jì)效益。

由于資源三號衛(wèi)星在國際市場上的出色表現(xiàn)，法國像素工廠、德國航空航天中心遙感研究所、澳大利亞新南威爾士大學(xué)、昆士蘭州科學(xué)部遙感中心均公開給予了極高的評價(jià)，認(rèn)為資源三號的數(shù)據(jù)產(chǎn)品在定位、高程、色彩的表現(xiàn)上處于世界先進(jìn)水平。來自于國際權(quán)威機(jī)構(gòu)的認(rèn)可顯著提升了我國測繪行業(yè)的國際地位，為中國測繪技術(shù)和衛(wèi)星技術(shù)在國際上得到更為廣泛的推廣和應(yīng)用帶來了有利影響，這將為我國的衛(wèi)星測繪事業(yè)得到進(jìn)一步發(fā)展與壯大提供有力支撐。

記者：今年是“十三五”收官之年，接下來測繪衛(wèi)星建設(shè)工作的重點(diǎn)是什么？規(guī)劃與布局是怎樣的？

曹海翊：通過大家的共同努力，在“十三五”實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星測繪由1：50000比例尺向1：10000比例尺的進(jìn)步，標(biāo)志著我國航天測繪已經(jīng)完成了“從無到優(yōu)”的跨越。隨著高分七號的成功發(fā)射，我國的航天測繪水平已經(jīng)在國際上走到了排頭兵的位置，將和美、法、日、印等航天測繪強(qiáng)國齊頭并進(jìn)、共同進(jìn)步。

后續(xù)，我們將在實(shí)現(xiàn)1：50000、1：10000測繪衛(wèi)星星座在軌業(yè)務(wù)化高效運(yùn)行的基礎(chǔ)上，針對1：5000、1：2000等大比例尺航天測繪任務(wù)，開展系統(tǒng)、平臺、載荷等產(chǎn)品的全面技術(shù)攻關(guān)。進(jìn)一步滿足用戶對后續(xù)衛(wèi)星測繪精度、數(shù)據(jù)更新周期、覆蓋范圍、測繪要素的新需求，進(jìn)一步完善多維度、多時(shí)相、多軌面的測繪衛(wèi)星綜合觀測體系建設(shè)，充分發(fā)揮我們豐富的衛(wèi)星研制經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)優(yōu)勢，更好地為用戶服務(wù)。