中国测绘卫星发展策略研究

王昱 肖云

（1 西安测绘研究所，西安 710054）

（2 地理信息工程国家重点实验室，西安 710054）

0 引言

测绘卫星系统是指以卫星为平台，以光学、微波、重力、磁力等测绘传感器为有效载荷，高精度获取全球或局部地区地形信息（地物、地貌信息）和地球物理场信息（地球重力场、地磁场信息），测制地理信息产品、测量高精度地球重力场模型、地磁场模型等的航天测绘设备。本文研究的测绘卫星包括专用测绘卫星和以测绘作为主要用途之一的遥感卫星。

根据用途可以将测绘卫星分成地形信息测绘和地球物理场探测两类，见图 1。地形信息测绘卫星可以按照传感器类型分为光学测绘卫星、微波测绘卫星，光学测绘卫星又可以分为可见光测绘和激光测高两种类型。地球物理场测量卫星可以按照探测对象的不同分为重力测量卫星和磁力测量卫星。

图1 测绘卫星的分类Fig.1 Classification of mapping satellites

1 国外测绘卫星发展现状

1.1 光学测绘卫星

（1）可见光测绘

可见光测绘卫星的发展经历了返回型和传输型两个阶段，从20世纪60年代到21世纪初，美国和俄罗斯/前苏联先后发射了265颗卫星，利用这些卫星美、俄绘制了全球1∶30万～1∶5万比例尺的地形测绘产品，建立了覆盖全球的基础地理信息框架，为其后续开展重点地区精确测绘打下了坚实基础[1-2]。

随着传感器技术的不断发展，从20世纪80年代开始传输型逐渐成为测绘卫星发展的主流。表1介绍了国外主要传输型测绘卫星的基本情况。根据成图能力，将SPOT5、ALOS等具备1∶5万、1∶2.5万比例尺地形测绘能力的卫星划分为第一代；将IKONOS、WorldView和Pleiades等具备1∶1万（含有控）以及更大比例尺测图能力的卫星划分为第二代；将WorldView-Legion、CO 3D等以城市三维信息获取为目标，具备高重访能力的卫星星座划分为新一代。为方便比较，本文提到的定位精度是指没有地面控制点参与情况下的无控定位精度，统一用中误差（1σ）作为衡量精度的标准。

表1 国外主要传输型光学测绘卫星Tab.1 Main transmission optical mapping satellites abroad

本文重点介绍WorldView-Legion（也称世景军团）和CO-3D为代表的新一代可见光测绘卫星星座。WorldView-Legion由美国Maxar公司研制，是WorldView系列的后续型号，计划2021年前发射，初期计划由6颗卫星组成。该星座将与世景哨兵星座（计划）组网，以实现全球大部分地区30～40min的重访能力。CO-3D卫星是欧洲对标世景军团设计的小卫星星座，初期由4颗卫星组成，未来计划扩展至20颗。

除了极高的时间分辨率，城市三维信息获取也是 WorldView-Legion和 CO-3D的重要目标。WorldView-3卫星已经可以完成近70°侧摆，从而实现类似航空倾斜摄影的效果，为三维重建创造了条件。图2（a）是WorldView-3卫星获取的美国拉斯维加斯市的倾斜影像，图2（b）是利用北京地区WorldView-3影像制作的真三维模型[13]。可以预见，世景军团和 CO-3D星座发射成功后，上述卫星的城市地区三维信息提取能力将进一步增强。

图2 WorldView-3拍摄的倾斜影像和制作的三维模型Fig.2 A tilt image and 3D model taken by WorldView-3

（2）激光测高

从20世纪末开始，美国开始将激光测距仪用于对地观测，迄今为止已经发射了4型载荷，基本情况如表 2所示[14]。2018年发射的ICESat-2、GEDI和规划中LIST代表了发展趋势。按照LIST的研制目标，利用激光数据可以直接测制格网间距优于5m、精度优于0.1m的DSM，为快速生产全球大比例尺地理信息产品提供了新路径。

表2 对地观测激光测高卫星基本情况Tab.2 Basic information of laser altimeter satellites for Earth observation

1.2 微波测绘卫星

雷达遥感用于地形测绘是在合成孔径雷达出现之后，与光学卫星需要特别的设计和配置不同，多数合成孔径雷达卫星通过重复轨道或卫星编队可以实现地形测绘。微波测绘卫星发展呈现出两个趋势：一是卫星载荷具备多频段、多极化、多模式观测能力；二是编队和星座运行成为主流。表 3介绍了21世纪已发射和计划发射的典型微波卫星的情况[15-16]。

1.3 重力测量卫星

按照测量区域、波段的不同，重力测量卫星分为海洋测高卫星和全球中长波重力场测量卫星，海洋测高卫星也可以被称为海洋短波重力场测量卫星。

（1）海洋测高卫星

海洋测高卫星的发展历史较长，基本情况如表4所示[17]：应用领域 地球动力学、海洋测量海洋测量 环境探测 军事测绘 海洋测量

表3 典型微波卫星的基本情况Tab.3 Basic information of typical microwave satellites

表4 世界各国主要测高卫星情况Tab. 4 Main altimetry satellites in the world

可以看到，卫星测高的精度不断提高，已达厘米级。从应用看，测高卫星的应用领域逐渐从地球物理场测量扩展到海洋环境测量，利用测高数据不仅可以反演大地水准面和海洋短波重力场，还可以监测洋流变化。

（2）中长波重力场测量卫星

中长波重力场测量卫星本世纪迎来了发展的热潮，先后发射了CHAMP、GRACE和GOCE等型号，具体情况见表5[18]。其发展趋势是分辨率、测量精度越来越高、轨道越来越低。

表5 全球中长波重力场测量卫星Tab.5 Global medium and long wave gravity field metric satellites

1.4 磁力测量卫星

自1958年前苏联发射世界首颗磁力探测卫星开始，包括美国、俄罗斯（前苏联）、法国、德国、澳大利亚、日本、阿根廷、丹麦等国累计发射了24颗各种类型的磁力卫星，具体情况见表6。

表6 世界各国代表性磁力卫星的情况Tab.6 Representative magnetic satellites in the world

磁力卫星的发展趋势可以归结为两点，一是探测能力不断提高，从Swarm卫星的发展看，矢量和标量的测量精度均较上一代卫星提高了一大步，同时卫星的动态监测能力不断提高；二是磁力卫星星座具有明显的优势，从空间技术-5和Swarm的发展看，磁力星座组网不仅有利于提高时间分辨率，还有利于确定磁力变化的原因，分离不同的磁力变化量。

2 发展趋势的预测

2.1 框架测绘基本完成，城市测绘成为关注重点

自工业革命以来，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，预计2030年比例可能提高到60%，尽管城市面积仅占全球陆地面积的0.6%，但绝大部分与人类有关的变化都发生在城市。从发展看，美国、俄罗斯、欧洲、印度、日本、中国已经掌握全球框架测绘技术，城市地区会成为后续卫星测绘关注的重点。

2.2 提升精度难度增大，星座组网实现精细化、高动态测绘成为发展方向

定位精度高一直是测绘卫星区别于其他遥感卫星的重要特征，不断提升精度也是测绘卫星一贯追求的目标。表7～9以可见光测绘为例，仿真分析了平面精度、高程精度随分辨率、测速精度、姿态确定精度变化的情况[19-21]。

表7 定位能力仿真参数条件Tab.7 Parameter conditions in simulation of positioning capability

表8 主要大比例尺测图产品定位精度要求（地物点和等高线）Tab.8 Positioning accuracy requirements for major large scale mapping products

表9 定位精度随分辨率和姿态确定精度的变化情况Tab.9 Changes of positioning accuracy with resolution and attitude determination accuracy

从仿真结果看，能否实现1∶5 000、1∶2 000比例尺测图目标，很大程度上取决于姿态确定精度和测速精度。针对1∶2 000比例尺，由于其高程精度提高到0.5～0.7m，需要姿态确定精度达到0.05″或测速精度达到3mm/s，在现有条件下，实现上述要求有较大难度。

从测绘卫星发展看，满足城市地区网格化、智能化管理的要求，高效生产建筑物三维模型，实时监测城市变化，成为驱动下一代测绘卫星设计研制的主要需求。文献[22]提出为了满足地球空间信息实时智能服务的需求，遥感卫星应达到分米级空间分辨率、半小时时间分辨率的能力要求，为此必须构建光学微波测绘卫星星座。以光学卫星星座为例，如图3所示，利用具备高机动性能的卫星平台，搭载分辨率优于0.3m的低畸变相机和姿态确定精度0.1″的星敏感器，2颗卫星即可实现立体观测[23]，4颗以上卫星可以在缩短重访周期的同时获取无遮挡真三维信息。

图3 测绘卫星星座观测示意Fig.3 A mapping satellite constellation observation diagram

3 我国测绘卫星的发展策略

（1）丰富数据种类是发展重点

我国测绘卫星的发展同样经历了由返回型向传输型的历程[24]，表 10列出了已经发射的传输型测绘卫星的情况，与美、俄、欧等航天强国相比，我国测绘卫星在载荷类型和产品种类上比较单一，激光、重力、磁力测绘卫星仍是空白，整体研制水平也有15年左右的差距。从需求满足度看，仅靠单一手段，完成以精细化、高动态为特点的城市测绘有较大困难，必须加快包括激光、重力、磁力测绘卫星的发展速度，丰富数据种类，健全产品体系。

表10 我国主要传输型测绘卫星情况Tab.10 Main transmission mapping satellites in China

（2）加速测绘卫星星座建设步伐

从2015年开始，以星座组网方式发展的小卫星数量占据了全球年发射卫星数量的一半以上，不仅是地形测绘卫星，包括重磁卫星也实现了组网运行。我国目前还没有成规模的测绘卫星星座，测绘卫星在城市地区三维模型重建、动态监测方面的能力还比较弱。未来应考虑加快测绘卫星星座的建设步伐，以提升卫星测绘对于城市地区精细测绘的贡献度。

（3）积极开展学科融合，发展一星多能的环境类探测卫星

重力场测量卫星获取的加速度计数据可以用于大气研究，时变重力场的衍生产品可用于洋流测量，微波和激光测高卫星可以进行冰盖和海洋测高数据的获取。未来围绕环境探测的统一需求，发展以空间环境、地球物理场探测和地形测绘为主，兼具通信、导航增强功能的环境综合探测类卫星是重要趋势。