王昱 肖云

（1 西安測繪研究所，西安 710054）

（2 地理信息工程國家重點實驗室，西安 710054）

0 引言

測繪衛(wèi)星系統(tǒng)是指以衛(wèi)星為平臺，以光學(xué)、微波、重力、磁力等測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）和地球物理場信息（地球重力場、地磁場信息），測制地理信息產(chǎn)品、測量高精度地球重力場模型、地磁場模型等的航天測繪設(shè)備。本文研究的測繪衛(wèi)星包括專用測繪衛(wèi)星和以測繪作為主要用途之一的遙感衛(wèi)星。

根據(jù)用途可以將測繪衛(wèi)星分成地形信息測繪和地球物理場探測兩類，見圖 1。地形信息測繪衛(wèi)星可以按照傳感器類型分為光學(xué)測繪衛(wèi)星、微波測繪衛(wèi)星，光學(xué)測繪衛(wèi)星又可以分為可見光測繪和激光測高兩種類型。地球物理場測量衛(wèi)星可以按照探測對象的不同分為重力測量衛(wèi)星和磁力測量衛(wèi)星。

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

1 國外測繪衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 光學(xué)測繪衛(wèi)星

（1）可見光測繪

可見光測繪衛(wèi)星的發(fā)展經(jīng)歷了返回型和傳輸型兩個階段，從20世紀(jì)60年代到21世紀(jì)初，美國和俄羅斯/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∶30萬～1∶5萬比例尺的地形測繪產(chǎn)品，建立了覆蓋全球的基礎(chǔ)地理信息框架，為其后續(xù)開展重點地區(qū)精確測繪打下了堅實基礎(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繪衛(wèi)星發(fā)展的主流。表1介紹了國外主要傳輸型測繪衛(wèi)星的基本情況。根據(jù)成圖能力，將SPOT5、ALOS等具備1∶5萬、1∶2.5萬比例尺地形測繪能力的衛(wèi)星劃分為第一代；將IKONOS、WorldView和Pleiades等具備1∶1萬（含有控）以及更大比例尺測圖能力的衛(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有地面控制點參與情況下的無控定位精度，統(tǒng)一用中誤差（1σ）作為衡量精度的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 國外主要傳輸型光學(xué)測繪衛(wèi)星Tab.1 Main transmission optical mapping satellites abroad

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

除了極高的時間分辨率，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，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）激光測高

從20世紀(jì)末開始，美國開始將激光測距儀用于對地觀測，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。按照LIST的研制目標(biāo)，利用激光數(shù)據(jù)可以直接測制格網(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 對地觀測激光測高衛(wèi)星基本情況Tab.2 Basic information of laser altimeter satellites for Earth observation

1.2 微波測繪衛(wèi)星

雷達(dá)遙感用于地形測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)計和配置不同，多數(shù)合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星通過重復(fù)軌道或衛(wèi)星編隊可以實現(xiàn)地形測繪。微波測繪衛(wèi)星發(fā)展呈現(xiàn)出兩個趨勢：一是衛(wèi)星載荷具備多頻段、多極化、多模式觀測能力；二是編隊和星座運(yùn)行成為主流。表 3介紹了21世紀(jì)已發(fā)射和計劃發(fā)射的典型微波衛(wèi)星的情況[15-16]。

1.3 重力測量衛(wèi)星

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

（1）海洋測高衛(wèi)星

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

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

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

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

（2）中長波重力場測量衛(wèi)星

中長波重力場測量衛(wèi)星本世紀(jì)迎來了發(fā)展的熱潮，先后發(fā)射了CHAMP、GRACE和GOCE等型號，具體情況見表5[18]。其發(fā)展趨勢是分辨率、測量精度越來越高、軌道越來越低。

表5 全球中長波重力場測量衛(wèi)星Tab.5 Global medium and long wave gravity field metric satellites

1.4 磁力測量衛(wèi)星

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

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

磁力衛(wèi)星的發(fā)展趨勢可以歸結(jié)為兩點，一是探測能力不斷提高，從Swarm衛(wèi)星的發(fā)展看，矢量和標(biāo)量的測量精度均較上一代衛(wèi)星提高了一大步，同時衛(wèi)星的動態(tài)監(jiān)測能力不斷提高；二是磁力衛(wèi)星星座具有明顯的優(yōu)勢，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)展趨勢的預(yù)測

2.1 框架測繪基本完成，城市測繪成為關(guān)注重點

自工業(yè)革命以來，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、俄羅斯、歐洲、印度、日本、中國已經(jīng)掌握全球框架測繪技術(shù)，城市地區(qū)會成為后續(xù)衛(wèi)星測繪關(guān)注的重點。

2.2 提升精度難度增大，星座組網(wǎng)實現(xiàn)精細(xì)化、高動態(tài)測繪成為發(fā)展方向

定位精度高一直是測繪衛(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繪衛(wèi)星一貫追求的目標(biāo)。表7～9以可見光測繪為例，仿真分析了平面精度、高程精度隨分辨率、測速精度、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 主要大比例尺測圖產(chǎn)品定位精度要求（地物點和等高線）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，能否實現(xiàn)1∶5 000、1∶2 000比例尺測圖目標(biāo)，很大程度上取決于姿態(tài)確定精度和測速精度。針對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″或測速精度達(dá)到3mm/s，在現(xiàn)有條件下，實現(xiàn)上述要求有較大難度。

從測繪衛(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，實時監(jiān)測城市變化，成為驅(qū)動下一代測繪衛(wèi)星設(shè)計研制的主要需求。文獻(xiàn)[22]提出為了滿足地球空間信息實時智能服務(wù)的需求，遙感衛(wèi)星應(yīng)達(dá)到分米級空間分辨率、半小時時間分辨率的能力要求，為此必須構(gòu)建光學(xué)微波測繪衛(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)動性能的衛(wèi)星平臺，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)星即可實現(xiàn)立體觀測[23]，4顆以上衛(wèi)星可以在縮短重訪周期的同時獲取無遮擋真三維信息。

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

3 我國測繪衛(wèi)星的發(fā)展策略

（1）豐富數(shù)據(jù)種類是發(fā)展重點

我國測繪衛(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)射的傳輸型測繪衛(wèi)星的情況，與美、俄、歐等航天強(qiáng)國相比，我國測繪衛(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、高動態(tài)為特點的城市測繪有較大困難，必須加快包括激光、重力、磁力測繪衛(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 我國主要傳輸型測繪衛(wèi)星情況Tab.10 Main transmission mapping satellites in China

（2）加速測繪衛(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，不僅是地形測繪衛(wèi)星，包括重磁衛(wèi)星也實現(xiàn)了組網(wǎng)運(yùn)行。我國目前還沒有成規(guī)模的測繪衛(wèi)星星座，測繪衛(wèi)星在城市地區(qū)三維模型重建、動態(tài)監(jiān)測方面的能力還比較弱。未來應(yīng)考慮加快測繪衛(wèi)星星座的建設(shè)步伐，以提升衛(wèi)星測繪對于城市地區(qū)精細(xì)測繪的貢獻(xiàn)度。

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

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