“资源三号”卫星遥感技术

曹海翊 刘希刚 李少辉 张新伟

（中国空间技术研究院总体部，北京 100094）

“资源三号”（ZY-3）卫星是我国自行研制的民用高分辨率光学传输型立体测绘卫星，卫星集测绘和资源调查功能于一体，开展国土资源调查与监测。ZY-3卫星装载三线阵测绘相机和多光谱相机，运行在轨道高度约506km、倾角为97.421°的太阳同步回归圆轨道上，卫星可提供幅宽大于51km、分辨率2.1m全色/5.8m多光谱平面影像和3.5m的立体影像。

ZY-3卫星于2012年1月9日成功发射，1月11日卫星获取第一幅影像，图像清晰，层次分明，定位精度满足1∶50 000比例尺地形图要求。ZY-3卫星的成功发射和应用填补了我国民用测绘卫星领域的空白，扭转了民用航天测绘业务依赖国外遥感数据的局面，为我国测绘领域建设和地理信息化发展提供了数据支持和服务保障。

1 卫星简介

1.1 测绘观测任务分析

ZY-3 卫星要完成测绘 1∶50 000 地形图、1∶50 000 数字高程图、1∶25 000 地形图修测以及 1∶50 000、1∶25 000国土资源调查和监测任务。地图比例尺的大小，决定了地图的精度和图上地理信息的承载能力。地形图信息主要包括地图的内容、平面位置和高程。

1）地图的内容：地图上表示的各种天然和人工的地物要素，其主要取决于图像的分辨率和观测谱段。

2）平面位置：即地物要素在绝对坐标系中的平面位置，取决于成像系统的内外方位元素。

3）高程：用于描述地形的起伏，由量测立体像对的像点视差求得。取决于成像系统的内外方位元素和地面控制点的选取。

根据测绘规范要求[1]，表 1给出了制作1∶50 000和1∶2 5000比例尺地图对影像地面像元分辨率、平面误差和高程精度的要求。

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从表 1可以看出，要制作1∶50 000比例尺地图，图像地面像元分辨率应优于5m，平面误差应优于25m，高程精度应优于5m。

1.2 测绘方式选择

目前测绘应用中，利用摄影测量原理进行高程量测主要有两种方式：双线阵成像和三线阵成像。两种方式的基本原理是相同的，都是利用不同基线位置测量的图像，通过像对匹配，采用摄影测量原理[2]，计算出目标到摄影时刻卫星所处位置之间的相对距离，结合高精度的轨道测量数据和高精度的时间数据，计算出目标地形的高度。

三线阵成像与双线阵成像之间的最大区别是推扫区域内任一个地面点均有3个不同角度观测到的影像（即前视、正视和后视影像），3个线阵CCD推扫条带影像相互重叠，较双线阵成像增加了正视影像。采用三线阵测绘方式实现测图功能，可以按照三线阵CCD影像空中三角测量光束法平差的方法[3]，以三线阵CCD影像本身计算外方位元素，从而大大降低对飞行器姿态稳定度的要求，综合考虑ZY-3卫星选择三线阵测绘方式。

ZY-3卫星三线阵测绘原理如图1所示。

1.3 任务特点

ZY-3卫星作为测绘卫星，具有如下任务特点：

1）测图精度高。ZY-3卫星要求1∶50 000比例尺制图无地面控制点的定位精度为100m；有控制点的平面定位精度为25m，高程精度为5m。高程精度指标对卫星定轨精度、姿态确定精度、星上时统精度、相机内方位元素标定精度及稳定性指标提出了极高的要求。2）集测绘任务与资源调查功能于一体。ZY-3卫星除满足立体测绘任务外，还要满足国土资源调查和监测的需求，为防灾减灾、农林水利、生态环境、地质调查等提供服务。测绘任务需要配置零畸变或低畸变的测绘相机，国土资源遥感任务需要配置多光谱相机，综合考虑，在全色三线阵相机外配置了1台三反离轴多光谱相机。多光谱相机配置了4个多光谱谱段，不仅可以用于资源遥遥感，同时也能够增强对测绘地物的判别。3）内方位元素在轨稳定性强。ZY-3卫星是首颗对相机内方位元素稳定性提出要求的遥感卫星，要求卫星在轨工作半年之内相机内方位变化引起的像点移位优于0.3像元。4）设计寿命长。ZY-3卫星是首颗设计寿命为5年的卫星。

1.4 方案概述

ZY-3卫星是一颗三轴稳定的对地观测卫星，卫星具有±32°侧摆观测能力。卫星由有效载荷和服务系统两部分组成，有效载荷主要包括三线阵相机、多光谱相机、数传、数传天线和图像数据记录分系统；服务系统为有效载荷提供安装、供电、指向、温度维持和测控等支持服务，主要由电源、控制、推进、测控、数管、结构与机构、热控分系统组成。

三线阵测绘相机是由具有22°夹角的前视、正视和后视3台线阵CCD相机构成，相机垂直卫星飞行方向安放，在轨状态下从前、正和后3个方向获取同一地物的立体影像，摄影基高比为0.89。3台相机均选用透射式像方准远心光学系统，光学系统采用机械结构简单、加工装调方便、稳定性高的零畸变设计。3台相机和星敏感器利用一体化支架组合形成一个整体，安装在卫星载荷舱顶部。

多光谱相机分系统选用三反离轴光学系统，具有无遮拦、无色差、传函高和视场大等优点，光学系统畸变设计值优于万分之五。多光谱相机配置了蓝、绿、红和近红外4个谱段，三线阵相机和多光谱相机主要技术指标如表2所示。

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数传分系统由数据处理部分和对地数传通道两部分组成，配置了2个450Mbit/s的X波段数据传输通道，全色相机设计了2∶1和4∶1两种压缩比可选，多光谱相机采用无损压缩形式。图像数据记录分系统配置了两台容量500Gbit的固态存储器，用于记录图像数据和姿态原始测量数据。数传天线分系统由两台机械点波束天线及伺服控制器组成，完成星上数据下传至地面接收站的功能。

卫星采用成熟的资源卫星平台，整星质量2 636kg，结构稳定，服务系统充分继承了资源卫星平台产品基线状态，在姿态控制与测量、精密定轨、时间同步等方面进行设计改进，以适应测绘任务对卫星的要求。服务系统主要技术指标如表3所示。

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1.5 工作模式

根据卫星任务要求，主要设计了4种工作模式。

1）实时传输模式。在卫星地面接收站可视范围内，卫星处于正常飞行姿态或者侧摆飞行状态（滚动轴姿态角处于±32°范围内），相机分系统对地成像，数传分系统将接收到的相机图像数据、星敏感器和陀螺数据发送至地面接收站。2）记录模式。在卫星地面接收站不可视范围内，卫星处于正常飞行姿态或者侧摆飞行状态（滚动轴姿态角处于±32°范围内），相机分系统对地成像，数传分系统将接收到的相机图像数据、星敏感器和陀螺数据实时处理后送至数据记录分系统存储，择机回放。3）边记边传模式。在境外地面卫星接收站可视范围内，卫星处于正常飞行姿态或者卫星处于侧摆飞行状态（滚动轴姿态角处于±32°范围内），三线阵相机和多光谱相机对地成像，图像数据经压缩后与星敏感器、陀螺数据（可选）经数传分系统发送至境外地面接收站，同时送数据记录分系统进行存储，择机回放。4）数据回放模式。在地面卫星接收站可视范围内，卫星处于正常姿态飞行状态，数传分系统将数据记录分系统存储的图像数据、GPS原始测量数据、星敏感器数据、陀螺数据和力学环境测量数据经回放至地面卫星接收站。

2 卫星技术创新点

ZY-3卫星具有6项技术创新点。

（1）内方位元素高稳定性设计

ZY-3卫星首次提出在轨内方位元素稳定性优于0.3像元的要求，为此在三线阵相机和多光谱相机设计、分析和试验方面均将内方位元素稳定性作为系统研制的重点和难点。三线阵相机和多光谱相机在光学系统设计方面均采用准像方远心光路，能够保证温度变化时像高保持稳定。在材料选择上，选择了钛合金光机结构，热膨胀系统小，配合高精度热控技术，保证了内方位元素稳定性设计指标。

针对在轨环境影响情况，ZY-3卫星开展了内方位元素稳定性专项试验，相机分系统及整星大型试验前后均开展内方位元素测试工作，测试结果表明内方位元素变化优于0.3像元（3μm）（如图2所示）。根据卫星在轨定位精度分析，相机内方位元素满足要求。

（2）高速率双圆极化复用数据传输技术

ZY-3卫星有效载荷多，原始数据率超过2Gbit/s，居目前我国发射的遥感卫星之首，为此，ZY-3卫星数传分系统采用了高速数据压缩技术和高速数据调制技术，通过JPEG-LS压缩算法对相机数据进行压缩，之后分为两个通道，分别进行码速率为450Mbit/s的SQPSK调制。同时，卫星数传天线采用双圆极化复用技术，将两个通道450Mbit/s的数据通过同一个高极化隔离度的点波束天线同时辐射至地面接收站，从而大大提高了遥感数据的传输效率。针对该点波束数传天线，还采用了高精度跟踪技术，使得天线可以实现对地面站优于0.1°的跟踪指向。

卫星发射之后，与北京密云地面站进行了双通道450Mbit/s码速率PN码信号传输试验。试验中，密云地面站成功捕获并跟踪卫星发送的左、右旋圆极化信号，实时解调后两路误码率均为0。该试验结果表明，我国低轨遥感卫星首次成功实现了高速率双圆极化复用数据传输技术。后续运行期间，数传系统通过测绘实传、双通道数据回放等工作模式，成功将大量遥感图像传回地面，确保了测绘任务的实现。

（3）角秒级高姿态确定精度

为确保卫星1∶50 000比例尺立体测绘任务的实现，对相机成像时刻卫星姿态测量精度提出了1″的指标要求[4]，此指标远高于国内其它类卫星。为此，ZY-3卫星设计了依靠星上高精度陀螺和星敏感器数据实时高精度相对定姿和依靠星敏陀螺下传的测量数据事后高精度相对定姿两种实现方案。

ZY-3卫星配置了高精度姿态测量装置，包括高精度陀螺和3台高精度星敏感器；利用授时系统实现控制分系统姿态测量与卫星的高精度时间同步；下传高精度时标的星敏陀螺原始数据；下传国产APS星敏感器原始星图数据。采用星敏器、陀螺和GPS数据共同解算卫星姿态，进一步提高卫星的姿态测量精度[5]。

在卫星研制阶段，针对事后姿态处理相对精度优于1″（1σ）的指标要求，对星敏陀螺联合定姿方案进行了数学仿真及气浮台半物理仿真试验验证，数学仿真结果显示，选取三正交陀螺可在100s内实现0.8″（1σ）的定姿精度，半物理仿真数据显示，采用三正交陀螺进行相对定姿时，在30s内可实现0.5″（1σ）定姿精度，在100s内可优于0.8″（1σ）的定姿精度，图 3是相对时间100s时相对姿态确定误差曲线。通过数学仿真及半物理仿真试验结果，联合定姿方案可实现事后相对定姿精度指标。卫星发射后，根据影像的地面控制点信息完成系统误差标定，然后利用星敏陀螺原始数据以及星图数据开展姿态最优估计计算，实现卫星姿态的高精度的测量。根据初步在轨测试结果，卫星定姿精度满足用户要求。

（4）厘米级定轨精度

ZY-3卫星为保证相机成像品质，对卫星轨道测量精度提出了高要求，其事后轨道三轴测量精度要求优于20cm。为实现卫星的高精度定轨，ZY-3卫星采用双频GPS系统加激光角反射器组合的方式来完成卫星的精密定轨任务。双频GPS系统接收两频段GPS导航信号，对导航信号的载波相位和伪距进行测量形成原始测量信息，这些信息被存储在授时与数据存储单元内。当卫星通过地面站时，将所有测量得到的原始测量数据通过数传分系统发送地面。地面应用系统对这些原始测量数据进行分类、识别、处理和计算，从而完成卫星精密轨道的确定。

同时为确保定轨精度，ZY-3卫星还安装了激光角反射器用于地面激光测距系统对卫星进行轨道精测，用以验证双频GPS系统的测量结果。

ZY-3卫星发射后，开展了精密定轨验证。通过对重叠弧段数据的互差和残差分析，来验证卫星精密定轨能力。分析结果表明在重叠弧段内卫星轨道的切向、法向、径向等3个方向精度均优于5cm，且GPS观测数据的品质和接收机钟都较为稳定。综合上述结果，ZY-3卫星的轨道测量精度为三轴5～7cm，满足用户使用要求。

（5）高时间同步精度

为保证图像定位精度，卫星各分系统需工作在同一时间基准下，各系统间时间同步精度要求为优于50μs。为实现该目标，卫星设计了一整套时间同步系统，使各分系统设备工作在统一的时间源上。

ZY-3卫星时间同步系统使用双频GPS系统作为基准时钟源，利用GPS信号的整秒特性使接收机在正常工作阶段每个整秒时刻都将产生一个秒脉冲信号，其精度达到1μs。该信号经过放大与整形发送给整星其它分系统，各分系统以收到的秒脉冲信号为基准调整自身的时间系统，从而实现整星内部的时间同步。在GPS接收机发射秒脉冲信号的同时，接收机还将该秒脉冲信号对应的时间数据通过1553B总线进行广播，各分系统通过总线及时得到收到的脉冲信号对应的具体时间信息，通过内部数据处理，实现脉冲信号与时间数据的匹配，进而实现卫星完整有效的时间同步。在卫星测试阶段，整星的时间同步精度优于20μs，满足卫星设计要求。

（6）高稳定性结构设计

为实现ZY-3卫星提出的高图像定位精度要求，测量部件与测绘相机之间连接结构的在轨稳定性成为结构设计的重点。在构形布局设计上，将3台星敏感器与测绘相机的一体化布局，以减小在轨温度变化引起星敏感器和相机的相对指向变化。在材料选择上，采用低膨胀系数的复合材料成形，以降低支架结构热变形对温度的敏感性，配合高精度热控从源头上控制引起相机指向变化的因素。

在卫星研制过程中，开展了多次稳定性专项试验验证工作，利用MSC/PATRAN建立了整星级在轨热稳定性分析模型（如图4所示），整星温度场采用分析及热试验数据，对在轨星敏感器及相机指向进行仿真分析，结果显示成像期间星敏感器与相机之间相对指向变化不大于0.5″。根据卫星在轨初期星敏感器测量数据，初步显示3台星敏感器之间夹角稳定性良好，能够满足卫星使用要求，目前正在开展进一步的数据分析与评估工作。

3 在轨数据评价及应用情况

3.1 在轨数据评价

截至2012年4月20日，卫星完成全部在轨测试工作，测试结果表明“资源三号”测绘卫星卫星系统功能和性能全面满足指标要求，定位精度等关键指标优于技术要求，卫星满足1∶50 000立体测图精度要求，满足1∶25 000地图修测与更新精度要求。

2012年1月11日卫星获取大连地区影像，影像范围为50km×50km，影像为平原和丘陵地形。如图5所示，为开展评测工作，在地面量测了18个外业控制点坐标，精度优于0.1m，像点量测精度为0.5像元。利用其中4个控制点，生成高精度数字正射影像，采用其余14个控制点作检查点，获得卫星外方位元素标定值，评测卫星有控制点平面精度和高程精度。利用第一轨外方位元素标定值和有控制点评测方法，开展了对平地、山地、高山地等多种地形的无控制点定位精度和有控制点定位精度统计工作，结果为卫星无控制点定位精度小于25m，有控制点平面精度优于2.28m，高程精度优于1.6m。

2012年2月9日至2月18日在河北安平县北50km×10km范围内，共布设32个40m×40m专业测绘标志，如图6所示，对测绘相机内方位元素和在轨MTF进行检校，利用内方位元素标定后全控制点情况下两个方向的标定精度均优于0.13像元。三线阵相机和多光谱相机的在轨MTF大于0.12，满足指标要求。

3.2 在轨应用情况

ZY-3卫星图像数据已经广泛用于测绘产品的制图和生产，形成DSM、DOM、DEM和DLG等系列测绘产品。前正后视影像利用控制点平差后，采用密集匹配技术生产该区域的DSM如图7所示，在此基础上生产正射影像如图8所示。

在此基础上制作了DLG产品以及红绿立体影像，以大连地区为例，DLG产品如图9所示，红绿立体影像图如图12所示。

4 结束语

ZY-3卫星是我国首颗由几何定性遥感到几何定量遥感的卫星，在轨测试显示，卫星影像清晰，三线阵、多光谱相机内方位元素保持高精度稳定，外方位元素（姿态、轨道、时间）精度保持稳定，经过地面几何检校后，定位精度达到国际先进水平；高码速率正交圆极化频率复用数据传输系统工作稳定，达到国际领先水平。标志着我国几何高精度卫星平台、载荷和地面处理水平达到了国际先进水平，具有更广阔的应用前景。

（References）

［1］ GB12340-2008.1∶25 000、1∶50 000、1∶100 000 地形图航空摄影测量内业规范[S].GB12340-2008.1∶25 000、1∶50 000、1∶100 000 Topographic Map Aerial Photography Survey Specification[S].（in Chinese）

［2］王佩军，徐亚明.摄影测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2005.WANG Peijun，XU Yaming.Photographic Surveying[M].Wuhan：Wuhan University Press，2005.（in Chinese）

［3］ 王任享.三线阵CCD影像卫星摄影测量原理[M].北京：测绘出版社，2006.WANG Renxiang.Satellite Photogrammetric Principle for Three-line-array CCD Imagery[M].Beijing：Surveying and Mapping Press，2006.（in Chinese）

［4］ 胡莘，曹喜滨.三线阵立体测绘卫星的测绘精度分析[J].哈尔滨工业大学学报，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.