国外光学测绘卫星纵览

航天 · 2016-11-22 23:52:41

天基光学测绘是地理空间信息获取的重要手段，具有全球性和高时效性，在遥感产业方面蕴含巨大的商机。目前，主要航天国家纷纷发展了具有光学测绘能力的卫星，为本国的空间信息基础设施建设和全球化战略服务。　　从狭义上讲，把能从不同视角获取同一地区影像的光学遥感卫星称为光学测绘卫星。在近半个世纪的发展进程中，在发展历程上，光学测绘卫星从最初的胶片返回式卫星，发展到目前的传输型卫星。在载荷技术体制上，从画幅式相机，发展到现在的单线阵、双线阵和三线阵相机。从各国发展水平看，美国、欧洲已广泛使用结合敏捷卫星平台的侦测一体式单线阵相机，而日本、印度正在从双、三线阵向侦测一体式单线阵相机过渡，俄罗斯受到高敏捷、高精度平台的技术限制，仍主要依靠双、三线阵光学测绘卫星。　　1 美国光学测绘卫星的发展 　　美国光学测绘卫星从军用发展到军民两用。光学测绘卫星经历了返回型向传输型的发展过程，目前已全面使用侦测一体式军商两用光学成像卫星进行测绘。美国光学测绘卫星主要经历了3个发展阶段：20世纪80年代中期前，以胶片返回式卫星执行测绘任务；20世纪80年代中期后到20世纪末期，是光学测绘卫星从胶片返回向光电传输发展的过渡阶段，美国航空航天局（NASA）的航天飞机任务曾经搭载过美国研制的试验型胶片测绘载荷和德国研制的传输型光学测绘载荷；进入21世纪，美国发展军商两用敏捷型高分辨率侦测一体式光学卫星，形成了既能绘制大范围基础地图，又能绘制区域大比例尺地图的能力。　　从总体技术指标上看，美国具有最高水平，其军商两用测绘卫星的空间分辨率达到0.31m，无地面控制点平面精度达到3.5m，高程精度达到米级。在卫星比例尺方面，从1:100000以上地形图发展到满足1:5000以下地形图制图。

第一阶段：主要从军用胶片返回式光学测绘卫星起步　　在发展的第一阶段，美国主要依靠军用胶片返回式卫星进行军事测绘。美国在1962－1972年间，发射了89次锁眼－4返回式测绘卫星，搭载由2台相机组成的“壁画”立体成像系统，卫星寿命早期7天，后期18天，分辨率约1.8~7.5m。1971－1986年，发射20次“六角体”（又名锁眼－9）卫星，携带全色相机与测绘相机。锁眼－9卫星的突出特点是大范围制图，使用两台全色相机，单帧胶片可覆盖约555.6km×31.1km的区域，可制作1:100000比例尺的地图，胶片可放大100倍显示。在高度为185.2km的标准运行轨道，全色相机利用120°的最大扫描角，幅宽可达685.24km，基本可覆盖华盛顿到美国俄亥俄州的辛辛那提。

美国锁眼－9卫星结构图　　第二阶段：以航天飞机为平台测试新型光学测绘载荷　　第二阶段初期，美国开始利用航天飞机搭载胶片测绘相机，进行更大比例尺的测绘。NASA发展了大幅面测量相机（LFC），大幅面测量相机是采用胶片的试验型画幅式测绘相机，由艾特克公司研制，任务是评估采用卫星轨道摄影技术绘制1:50000比例尺地图和土地利用研究等方面的效能。大幅面测量相机在航天飞机上首次飞行试验的轨道高度为225~352km，轨道倾角57°。在225km高度拍摄，其单张图片的覆盖面积为170km×340km，地面分辨率达到8m，完全满足1:50000的黑白图像和1:100000的彩色图像的要求。在立体模式范围内，可以测量各种位置，其标准误差为8m，高程误差6~24m，随基高比变化。基高比分别为0.3、0.6、0.9和1.2。　　大幅面测量相机由一套相机系统组成，安装在航天飞机货舱内部。大幅面测量相机系统总质量1550kg（相机净重450kg），焦距305mm，相对孔径f/6，单帧图像覆盖面积约6×104km2。大幅面测量相机携带五种不同类型的胶片，分别为红外、自然色和三种黑白胶片，总长度1200m，可拍摄2400帧尺寸23cm×46cm的照片。大幅面测量相机沿飞行路径进行拍摄，可沿着航天飞机运行轨迹获取立体像对。　　第二阶段后期，美国利用航天飞机搭载数据传输型测绘相机，即德国研制的MOMS传输型三线阵相机。1993年4月26日－5月6日，MOMS－02相机在美国航天飞机STS－55任务中进行了搭载试验，摄影高度296km，轨道倾角为25.8°。MOMS－02相机系统由五台CCD相机组成，其中有2台是中分辨率多谱段相机，另外3台构成三线阵CCD立体测绘相机系统，交会角21.4°。正视相机的焦距660mm，相对孔径f/4.6，谱段512~765nm，具有4个多光谱通道（13m分辨率）和1个全色波段（4.3m），并且为立体成像模式；前后视相机的焦距237mm，相对孔径f/5.6，谱段521~763nm。正视为高分辨率4.3m，幅宽37km，前后视为中分辨率13.5m，幅宽7.8km。CCD采用棱镜拼接方法，相机静态传递函数（MTF）接近0.3。

MOMS－02测绘相机工作原理图　　第三阶段：向侦测一体卫星过渡　　第三阶段，美国开始发展敏捷型单线阵侦测一体式卫星，以“伊克诺斯”和地球眼－1等军商两用的高分辨率光学成像卫星为代表，此类侦察测绘一体式高分辨率光学成像载荷的内外方位元素精度高，结合高精度姿态控制卫星平台，具备了单轨立体成像能力，实现了1:5000大比例尺立体测绘制图能力，能够基于基础地图进行高精度的修测，具备了较强的地理空间情报获取能力。从总体上看，这些卫星空间分辨率不断提高，卫星普遍采用单线阵立体构像方式。目前，世界观测－3卫星分辨率已达到0.31m，卫星平台具备大角度快速姿态机动能力，能灵活地实现同轨、异轨立体观测。

美国世界观测－3卫星在轨示意图　　2 俄罗斯光学测绘卫星的发展　　目前，俄罗斯天基光学测绘仍主要依靠军事专用卫星。在发展历程上，俄罗斯/苏联的光学测绘卫星同样经历了返回型向传输型的发展过程。在载荷技术体制上，从画幅式胶片相机发展到双线阵传输型相机，尽管以资源－DK和Ｐ（Resurs－DK和P）等民用卫星为代表的敏捷型单线阵相机具有一定的制图能力，但由于平台敏捷能力和精度比美、欧卫星差距较远，因此制图效果较差。俄罗斯/苏联光学测绘已经历３个发展阶段，第一阶段发展的卫星为“天顶”（Zenit）系列中的测绘卫星；第二阶段发展的卫星为“琥珀”（Yantar）系列中的测绘卫星；第三阶段发展的卫星为传输型卫星，代表性卫星有资源－DK和P、“角色”（Persona）和2015年最新发射的猎豹－M（Bars－M）卫星。　　第一阶段：从军用胶片返回式光学测绘卫星起步　　苏联光学测绘卫星发展的初期阶段是从20世纪60年代到20世纪末，在返回式“天顶”系列光学成像侦察卫星中，主要有天顶－4MT和天顶－8两个型号为测绘卫星型号。天顶－4MT于1968年完成了初期方案设计，首颗试验型卫星于1971年从普列谢茨克航天发射中心发射，1975年完成试验，1976年进入业务化运行阶段。典型轨道参数为倾角82.3°，高度215~245 km。截至1982年8月3日末次发射，共发射23颗。天顶－8卫星平台是改造的东方号载人飞船。它使用“联盟”运载火箭从拜科努尔航天发射场和普列谢茨克航天发射场发射。首颗试验型卫星于1978年发射，共6颗，业务型卫星于1984年发射，至1994年末次发射，共发射102颗。典型轨道参数为倾角70°，高度为350~420km。　　第二阶段：军用胶片返回式光学测绘卫星能力增强　　苏联光学测绘卫星发展的第二阶段是从20世纪70年代到21世纪初。在“琥珀”系列光学成像侦察卫星中，琥珀－1KFT是专用测绘卫星型号。1964年，南方设计局开始研制“琥珀”卫星。1967年，研制工作转交给进步中央特别设计局。1974年12月13日，随着首颗“琥珀”系列卫星——琥珀－2K发射成功，琥珀－2K及其系列改进型号逐渐成为苏联/俄罗斯的主要侦察卫星系列。琥珀－1KFT专用测绘卫星采用65°和70°两个轨道倾角，近地点189~212km，远地点233~327km。卫星发射质量6.6t，具有轨道机动能力。相较于“天顶”系列中的测绘型号，琥珀－1KFT在分辨率、在轨寿命、轨道机动能力方面技术进步较大。截至2005年2月9日末次发射，琥珀－1KFT系列卫星共发射21颗。　　琥珀－1KFT星上有效载荷主要包括TK－350主测绘相机和高分辨率KVR－1000型相机。TK－350主测绘相机是高精度广角测绘相机，焦距350mm，谱段510~760nm，视场角75°，相对孔径f/5.6，空间分辨率10m，基高比为0.26~1.03，相邻图像有60%~80%重叠，以构成立体像对。单幅相片覆盖面积为190km×280km。KVR－1000为高分辨率侦察相机，焦距1000mm，地面分辨率2m。该相机可提供地面目标的详细情况，辅助TK－350相机制图，也可用于绘制1:10000比例尺的正射影像图。激光测高仪用于测量曝光瞬间地面距卫星的距离。　　第三阶段：光学测绘卫星向传输型过渡　　俄罗斯光学测绘卫星发展的第三阶段是从21世纪初开始，新一代卫星采用全新的数据传输体制，载荷成像测绘技术体制也发生重大变化。自车臣战争以来，俄罗斯军用测绘地图老旧的问题被暴露出来，尤其是境外军用地图无法满足俄罗斯周边局部战争多发带来的军事应用需求。从2005年最后一次发射军用测绘卫星至今，俄罗斯天基军用测绘数据已有10年断档，在轨的一颗“角色”（Persona）军用光学成像侦察卫星具备一定范围的测绘能力，但受限于主任务和载荷设计限制，军用大比例尺测绘能力有限。2015年2月27日发射的猎豹－M1（Bars－M1）卫星是俄罗斯新一代军用光学测绘卫星，已规划6颗，计划在3年内发射3颗卫星，这些卫星将使俄罗斯具备全球高时效性军用地图测绘能力，为其军事斗争提供关键支撑。　　猎豹－M卫星代号14F148，采用新型卫星平台，有效载荷包括双线阵立体测绘相机和激光高度计，该卫星质量约4t，空间分辨率最高1.1m，设计寿命5年。卫星设计主要由计算机辅助完成，主要结构包括有效载荷模块、服务舱和推进系统。

俄罗斯猎豹－M卫星在轨示意图　　猎豹－M卫星有效载荷模块主要是名为“卡拉特”（Karat）的双线阵立体测绘相机，也称光电复合望远镜，由位于圣彼得堡的LOMO公司制造，望远镜基于3个透镜组设计。由于猎豹－M卫星的光学载荷及相关校准设备无法承受空间极度温度变动造成的微小变化，为保证光学仪器保持最佳位置状态，望远镜被安装在“形状稳定的仪器装载平台”（RSNKP）中。“形状稳定的仪器装载平台”由碳基复合材料构成，这种新材料可以保证在地球轨道最极端温度变化条件下的精确形状保持能力。　　除了一对望远镜，“形状稳定的仪器装载平台”还携带激光测高系统，它由2个激光发射器、激光测距仪镜面反射器和姿态控制传感器组成。激光测距数据能够针对很多地区难以获取地面控制点的情况，进一步提高测量精度。

俄罗斯猎豹－M1卫星有效载荷结构　　3 欧洲、日本和印度光学测绘卫星的发展　　欧洲的天基光学测绘从画幅式胶片相机发展到双线阵传输型卫星，又全面过渡到侦测一体式卫星。欧洲20世纪70年代开始发展天基光学测绘载荷，画幅式胶片RMK相机在1977年的“天空实验室”（Spacelab）任务和1983年的航天飞机任务上进行了搭载试验。21世纪初，欧洲发展了斯波特－5（SPOT－5）双线阵测绘卫星，2010年后，欧洲成功发射多颗新一代侦测一体式卫星，采用敏捷单线阵相机测绘，“昴宿星”（Pleiades）和斯波特－6、7是典型代表。

欧洲斯波特－5卫星示意图

欧洲“昴宿星”示意图　　印度的天基光学测绘从双线阵测绘卫星向侦测一体式测绘卫星过渡。印度从21世纪初发展了双线阵光学测绘卫星，代表卫星为制图卫星－1（CartoSat－1）。此类卫星具有大平台设计、结构稳定等特点，对姿态机动性要求不高，只需推扫即可获得较大幅宽的立体影像，适用于长条带、大区域立体测图。印度又于2007－2010年发射了3颗侦测一体式的制图卫星－2，尽管可制作更大比例尺的地形图（1:7000水平），但有印度专家指出，在测绘任务上，制图卫星－1的稳定性比制图卫星－2好。这从侧面说明，印度尚未完全掌握侦测一体技术。　　日本光学测绘卫星发展早于印度，目前仍致力于双/三线阵相机的发展。1999年12月18日，美国航空航天局的“土”（Terra）卫星搭载了日本研制的“先进星载热辐射与反射辐射计”（ASTER），它是光学测绘与环境监测综合型载荷，采用类似双线阵的测绘体制。“先进星载热辐射与反射辐射计”的主承包商为日本电气公司，作为国际合作项目，美国地球观测系统（EOS）任务委员会负责美方与日方在研制方面的协调工作。“先进星载热辐射与反射辐射计”光学系统设计分为3个子系统，包括可见光近红外（VNIR）子系统，短波红外（SWIR）子系统和热红外（TIR）子系统，负责测绘的是可见光近红外子系统，它在沿轨方向可立体成像，基高比为0.6，能够制作数字高程模型（DEM），分辨率15m，幅宽60km。可见光近红外子系统包括2台相机，星下点观测相机（VTL－N）和后视相机（VTL－B），2台相机夹角为27.6°。指向旋转机构可使2台相机同时旋转，在穿轨方向具备±24°侧视能力。可见光近红外子系统在3号谱段进行立体成像，焦平面探测器型号为μPD3571D，像元数为5000，像元尺寸7μm。“先进星载热辐射与反射辐射计”的可见光近红外子系统虽有2个相机，但并不是双线阵系统，实际上，下视相机和后视相机共用一个单线阵探测器，在短时间内交替成像，既不依靠平台侧摆，也不依靠轨道回归，而巧妙地实现了同轨立体成像。　　值得说明的是，日本与美国合作，利用“先进星载热辐射与反射辐射计”制作了全球数字高程数据（GDEM），全球数字高程数据和美国航天飞机雷达地形测绘数字高程数据（SRTM DEM）成为目前世界上应用较广的两类数字高程模型数据。全球数字高程数据分辨率为30m，垂直精度20m，覆盖范围为83°（N）～83°（S)的所有陆地区域，是目前覆盖最广的免费高精度全球高程数据。2009年公布了第一版数据，2011年10月公布了第二版数据。日本“先进星载热辐射与反射辐射计”全球数字高程数据和美国航天飞机雷达地形测绘数字高程数据已经在交通道路规划、地貌分析、灾害监测等重要领域发挥了重要作用。　　随后，日本又开始了三线阵测绘技术的研究，于2006年发射了先进陆地观测卫星－1（ALOS－1），分辨率达到2.5m，但由于电源故障，该星于2011年失效。日本从2009年开始先进陆地观测卫星－1后续光学卫星的研发，目前论证中的先进陆地观测卫星－3卫星计划采用双线阵测绘体制。　　4 总结　　从国外主要航天国家光学测绘卫星发展历程上看，由于美国、欧洲高精度、高稳定度、高敏捷平台技术和高精度载荷技术水平较为先进，美国、欧洲完成了从多线阵向侦测一体式测绘卫星的过渡，而俄罗斯、印度、日本仍主要采用双/三线阵测绘体制。同时，在未来发展上，日本并未放弃多线阵测绘体制，说明在平台和载荷技术复杂度和测绘效率上，多线阵测绘体制仍有一定的优势，仍是敏捷平台技术尚不完全成熟的国家进行天基测绘的首选方案。　　在技术发展水平上，国外光学测绘卫星分辨率已从几十米发展到亚米级，从无地面控制点定位精度百米发展到数米。　　在应用上，美国从小比例尺的地理基础框架测绘到大比例尺局部修测，表明美国已经完成了全球基础地理框架产品的制作，其当今的测绘任务主要集中在高精度修测。而美国、日本分别发布全球免费数字高程模型数据，是展现其航天强国软实力的具体表现。　　上文选自《国际太空》，如有需要请查阅该期刊。

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