三星齐聚，中国卫星测绘阔步前进—访资源三号卫星总设计师曹海翊

本刊记者 张曼倩 本刊特邀记者 徐驰 刘付强

2020年7月25日，资源三号03星在太原卫星发射中心成功发射，与资源三号01、02星等其他测绘卫星组成立体测绘卫星星座，更快更好地完成国土测绘和全球测图，进一步推动我国民用测绘事业快速发展。本刊编辑部特别采访了资源三号卫星总设计师曹海翊，请她讲述资源三号卫星的研制历程、技术难点、经济社会效益以及中国卫星测绘事业“从无到优”的巨大跨越。

记者：请您谈一谈资源三号卫星项目的研制背景、工程意义及进展情况？

曹海翊：资源三号卫星是我国首颗民用高精度立体测绘卫星。“测绘”是指对自然地理要素和地表人工设施进行测量和绘图。据统计，人类活动涉及的信息总量中的80%与地理信息相关，大到国家全局性、战略性的重大规划设计，小到我们日常的出行导航、外卖点餐，都离不开测绘数据支持。由于地理空间信息广泛应用于国民经济、社会发展、国家安全等领域，世界各国都把地理空间信息视作国家的重要战略资源，将测绘能力建设，尤其是具有高效率、全覆盖等优点的航天测绘能力建设，作为各国基础设施建设的重点。

20世纪后期，世界科技强国已经开始应用航天遥感数据完成大面积中比例尺国土测绘，到21世纪初，法国、印度、日本先后发射了可实现优于1：50000比例尺测绘任务的民用测绘卫星。而当时，我国并不具备自主获取高精度卫星测绘影像数据的能力，主要依靠采购进口卫星影像以满足我国国民经济和社会建设快速发展带来的需求，成为制约我国地理信息产业发展的瓶颈。为此，原国家测绘局在2005年将研制和发射我国首颗高分辨率测绘卫星—资源三号列入规划。依托中国空间技术研究院研制遥感卫星的技术基础，经过3年的技术攻关和前期论证，国务院于2008年正式批准并启动了资源三号卫星工程建设项目。

为满足用户对卫星测绘数据更新周期和持续性的需求，共有4颗资源三号卫星列入了研制计划，通过多星在轨组网运行来提高对我国及全球各地区测绘影像的快速、长期、稳定的获取能力。在艰苦的研制工作中，卫星研制团队攻坚克难、连战连捷：2012年1月9日，资源三号01星发射入轨；2016年5月30日，02星发射入轨；2020年7月25日，03星发射入轨。目前，各星在轨稳定运行，01星已经超出设计寿命3年，而04星也即将启动工程立项，“四星同堂”的盛况指日可待。

资源三号卫星的成功发射，标志着我国民用立体测绘卫星领域实现了零的突破。卫星功能、性能指标全面优于同时期国际同类卫星，达到国际先进水平，打破了我国航天立体测绘长期依赖国外遥感数据的局面，并让“中国制造”的卫星测绘影像进军国际市场，具有重大的意义。

记者：资源三号卫星的作用是什么，主要技术难点是什么？

曹海翊：资源三号卫星是测绘卫星，可以理解成是一把用来精确测量大地的“尺子”。这把“尺子”的最大特点是，不仅能像传统遥感卫星一样获取二维平面影像，还可以利用三线阵测绘原理实现高程信息的获取，该原理在20世纪80年代已被首次提出，但其对工程实现提出了极高的要求，主要有两大难点。

难点一：航天测绘要在500km的距离外、40000km的跨度上，以类似“游标卡尺”的测量精度，获取目标地物的精确三维坐标。根据摄影测量原理，测绘卫星对地物的定位可以简单等效为三角几何中“两角夹一边”问题，地物三维坐标的准确度与三角形角度、边长的精度直接相关。角度的精确求解需要卫星实现角秒级的姿态确定精度，边长的精确求解需要卫星实现厘米级的轨道确定精度。另外，还需要微秒级高精度时间系统将星地基准进行统一。具体到工程实现，要求卫星在20倍音速的动态条件下，为拍摄的图像提供高精度的时间、空间基准，以精确求解“三角形”。

难点二：资源三号立体测绘采用了类似人眼的双目视觉原理—从不同位置观测同一物体，从而产生3D效果，视力水平越高，影像越清晰。然而，卫星进入太空后将长期处于±100℃的温度剧烈变化的环境中，要想获取几何不变形、层次感分明、细节丰富不模糊的立体影像，就需要从镜头无畸变、动态范围宽、图像信噪比高以及卫星控制稳等方面对卫星载荷和平台提出极为严格的要求。

记者：卫星研制团队实现了哪些技术创新？03星相对于01、02星在技术上有哪些进步？

曹海翊：资源三号卫星作为首颗高精度立体测绘卫星，重点针对测绘任务所需的高图像定位精度开展了多项技术创新。卫星提出了“追稳求精”的系统设计思路，突破了整星级结构热稳定、高精度位置确定和高精度时间同步等关键技术，解决了卫星几何基准的稳定性难题，首次实现了国产卫星影像在无地面控制点条件下平面定位精度优于10m，高程精度优于5m；有控制点条件下平面定位精度优于3m，高程精度优于1.5m。首次设计实现了一组长焦距、低畸变、高量化位数的三线阵立体测绘相机和一台高空间分辨率多光谱相机；首次提出了磁控力矩前馈补偿方法和帆板驱动机构相电流补偿方法；在国内首次提出了基于光电精密测角法的内方位元素测试技术；发明了隔热/导热一体化复合多层隔热组件技术，首次在相机焦面散热中使用微型热管技术和多系统设备一体化热设计方法。上述技术创新使得与图像定位精度相关的内、外方位元素指标得到了全面提高。同时，卫星首次设计实现了高速数据处理和压缩算法、首次在国际上实现了X频段2×450Mbit/s超高码速率遥感数据的传输，有效提升了在轨使用效能。

卫星系统级高定位精度关键技术的设计经验在我国后续遥感卫星的工程设计中得到了广泛的推广，使后续卫星图像定位精度水平由之前的约200m全面提升至50m以内。

03星相对于01、02星主要有两项技术提升：第一，新型激光测高仪采用双边采样、多阈值可调、多回波鉴别的体制，实现了主动高程测量，星地测距精度提升为亚米级；第二，针对长达8年的寿命要求，平台部分采用三结砷化镓电池片结合锂离子蓄电池组，实现了新型供电体制；采用新型控制体制和高稳太阳帆板驱动机构，增强了控制系统稳定性和可靠性；实现了智能星务管理系统，对卫星进行自主任务规划和智能健康监测，保证卫星在轨长寿命自主可靠运行。

记者：资源三号01星发射以来，产生了多少数据，服务了多少用户，带来了哪些经济和社会效益？

曹海翊：资源三号01星发射至今已有8年半了，共获取影像301万景，全球累计覆盖超过7900平方千米，陆域覆盖比例53%；三线阵立体数据国内陆地覆盖率99.89%，全球覆盖率超过63%。卫星获得的影像已向包括测绘、土地、地矿、水利、林业、环保等行业的2200余家国内外用户提供了累计覆盖面积超过8亿平方千米的卫星图像数据产品与服务。海量的高分辨率卫星影像极大地提升了我国国土测绘、资源调查与监测能力，结束了测绘影像长期受制于国外引进产品的被动局面，使得进口卫星测绘影像价格不断下调并最终退出中国市场，为国家节省的影像引进开支高达数十亿元人民币。

记者：资源三号03星与01、02星组成立体测绘卫星星座后，能够获得哪些优势？保障服务能力有哪些方面的提升？

曹海翊：资源三号03星与01、02星以及高分七号卫星均运行于506km的轨道上，可组成我国首个立体测绘卫星星座。采用这样的设计，让用户可以灵活使用多种星座运行模式来匹配不同的业务需求。

采用等相位星座运行模式，可将常态化业务数据的更新周期由59天缩短至15天；采用小相位差星座编队模式，可以通过多星图像拼接实现大幅宽成像；结合高分七号卫星的高分辨率影像，可提供广域1：25000比例尺和指定目标区域1：10000比例尺的组合型全球立体测绘产品，满足用户对不同测绘产品类型的需求。

记者：资源三号卫星影像在国际市场上处于什么水平？

曹海翊：资源三号对地物的平面定位精度优于10m，测高精度优于5m，可以满足1：50000比例尺立体测绘的需求。国外用于1：50000和1：25000测图的典型卫星有法国对地观测卫星斯波特-5（SPOT-5）、日本大地-1（ALOS-1）卫星、印度制图卫星-1（Cartosat-1）等，与这些卫星相比，资源三号卫星具备更好的无控制点定位精度，达到国际先进水平。

资源三号卫星多次向联合国全球地理信息管理机构以及美、日、韩、英、法、德等30多个国家和地区提供卫星影像产品，开展了卫星应用国际合作和科学研究。高精度测绘产品在南美洲、非洲等国外地区的电网勘查工程中得到广泛应用，产生了显著的国际影响力和经济效益。

由于资源三号卫星在国际市场上的出色表现，法国像素工厂、德国航空航天中心遥感研究所、澳大利亚新南威尔士大学、昆士兰州科学部遥感中心均公开给予了极高的评价，认为资源三号的数据产品在定位、高程、色彩的表现上处于世界先进水平。来自于国际权威机构的认可显著提升了我国测绘行业的国际地位，为中国测绘技术和卫星技术在国际上得到更为广泛的推广和应用带来了有利影响，这将为我国的卫星测绘事业得到进一步发展与壮大提供有力支撑。

记者：今年是“十三五”收官之年，接下来测绘卫星建设工作的重点是什么？规划与布局是怎样的？

曹海翊：通过大家的共同努力，在“十三五”实现了卫星测绘由1：50000比例尺向1：10000比例尺的进步，标志着我国航天测绘已经完成了“从无到优”的跨越。随着高分七号的成功发射，我国的航天测绘水平已经在国际上走到了排头兵的位置，将和美、法、日、印等航天测绘强国齐头并进、共同进步。

后续，我们将在实现1：50000、1：10000测绘卫星星座在轨业务化高效运行的基础上，针对1：5000、1：2000等大比例尺航天测绘任务，开展系统、平台、载荷等产品的全面技术攻关。进一步满足用户对后续卫星测绘精度、数据更新周期、覆盖范围、测绘要素的新需求，进一步完善多维度、多时相、多轨面的测绘卫星综合观测体系建设，充分发挥我们丰富的卫星研制经验和技术优势，更好地为用户服务。