集成型与智能型测绘卫星工程发展及其关键技术

2022-07-05杨元喜王建荣

测绘学报 2022年6期

杨元喜，任夏，王建荣

1.地理信息工程国家重点实验室，陕西西安 710054; 2.西安测绘研究所，陕西西安 710054

航天测绘是唯一能够实现全球陆海整体测绘的手段。从专业类型分，航天测绘卫星可以分为大地测量卫星和地形测量卫星；从卫星工作模式分，可分为返回式测绘卫星[1]和传输型测绘卫星；从载荷及其功能分，又可分为功能单一型和功能集成型[2]。

大地测量卫星可分为定位卫星、重力卫星、海洋测高卫星、磁力卫星等。定位卫星系统主要包括美国的全球定位卫星系统(GPS)、俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONASS)、中国的北斗导航卫星系统(BDS)和欧盟的伽利略导航卫星系统(Galileo)[3]。

重力测量卫星包括2000年德国发射的重力测量卫星(challenging mini satellite payload，CHAMP)，该卫星采用高-低卫星跟踪感知地球重力场技术[4]，可以恢复70阶重力场模型。2002年欧盟与美国合作发射的重力恢复与气候试验卫星(gravity recovery and climate experiment，GRACE)，采用低-低卫星跟踪测定全球重力场及其变化，可以恢复120阶左右地球重力场，并可测定地球重力场随时间的变化[5-6]。2008年欧空局发射的重力场与稳态海洋环流探测卫星(gravity field and steady-state ocean circulation explorer，GOCE)，主要用于研究洋流、海平面、南北极冰盖变化及监测火山和地震活动。该卫星采用重力梯度测量法，可以测得空间分辨率为200～80 km的全球重力场模型和1 cm精度的大地水准面[7-9]。2018年5月美国NASA和德国研究中心联合发射了GRACE接续卫星(GRACE follow-on，GRACE-FO)。GRACE-FO在GRACE原有载荷(K波段测距仪、加速度计、GPS接收机和姿态仪等)的基础上，每颗卫星增加了姿态测定装置，使卫星定姿和星间对准更加精确，尤其额外搭载了激光干涉测距系统，实现了10 nm精度距离测量[10]。然而，由于加速度仪故障和大气与海洋混频误差的影响，GRACE-FO卫星的重力反演精度及空间分辨率仅与GRACE相当，只是重力场高阶部分的精度稍有提升[11-12]。

国际上已有海洋测高卫星项目10余项，以欧美国家为主，包括美国的Skylab、Geos-3、Seasat、GFO、Jason-1，欧盟的ERS-1、ERS-2、Envisat、Cryosat-2、Sentinel-3，以及美、法合作的Topex/Poseidon、Jason-2等[13]。随着卫星测定轨精度、测高仪观测精度及数据处理方法的提升，卫星雷达测高技术快速发展，测高精度显著提升，目前可达厘米级。我国于2011年发射了首颗具备海洋测高功能的卫星——海洋二号(HY-2)，星上搭载了雷达高度计、微波散射计、微波辐射计、校正辐射计4种微波遥感器，综合测高精度为5～8 cm[14]。

航天地形测量卫星可分为光学测绘卫星和雷达测绘卫星。光学摄影测量技术相对成熟，研究成果和产品种类都比较丰富。国际航天摄影测量卫星的发展现状已有多篇文献作了介绍[2,15]，本文主要介绍中国地形测绘卫星发展概况。目前我国在轨工作的光学测绘卫星有天绘一号[16-19]、资源三号[20-23]及高分辨率测绘卫星——高分七号[24-25]和高分十四号。天绘一号和资源三号卫星主要用于1∶5万比例尺测绘产品测制，高分七号和高分十四号卫星主要用于1∶1万比例尺测绘产品测制。因此，高分七号和高分十四号无论是影像分辨率还是测图精度相对于资源三号或天绘一号都有显著提升。我国在开展光学测绘卫星研制的同时，也积极开展雷达测绘卫星的研究工作。2019年发射了第一组InSAR测绘卫星——天绘二号卫星[26]，主要用于1∶5万比例尺；2021年又发射了第二组InSAR卫星。InSAR卫星测绘的地面分辨率为3 m，平面和高程绝对定位精度分别优于5 m，平面与高程相对定位精度分别优于2 m[27]。

此外，我国部分省市和大学还发射了大量商业卫星或试验卫星，并且取得了较丰富的研究成果[28]。但是，不得不说，我国航天测绘卫星对地观测效率并不高，航天测绘成果的保障效率也亟待提升[2]。目前面临的现状主要有以下几个方面：①航天对地观测卫星同质化发展严重，型谱混乱，亟须开展航天测绘卫星的型谱顶层优化。②卫星功能单一，大地测量卫星不测地形，地形测量卫星不测地球重力场或磁力场，也不参与导航定位，陆地测量卫星不测海洋，海洋测量卫星一般不测陆地。③测地载荷集成性差，如光学成像卫星一般不搭载微波成像载荷，微波成像卫星也不搭载光学载荷，造成卫星观测效率低下。④卫星观测数据传输压力较大，不能实施有效传输，更不能实施快速数据处理，导致大量无效观测、无效数据占据星上大量存储资源，造成大量无效对地数据传输，并造成大量观测数据积压，没有发挥应有的观测效能。

为了提高卫星测量效率和数据处理效率，同时也为了提高地球空间多要素感知的时间分辨率和空间分辨率，测绘卫星应该往载荷集成型、小卫星密集组网型和智能型测绘卫星方向发展[2]。但是，无论集成型、小卫星密集组网型还是智能型卫星都存在大量关键技术需要攻关。本文侧重讨论航天测绘卫星发展的主要方向，并试图梳理相应关键技术。

1 集成型航天测绘卫星发展及其关键技术

传输型测绘卫星是目前航天测绘的绝对主流。相比于返回型测绘卫星，传输型测绘卫星在轨时间长，观测覆盖性好。一旦发现观测质量问题，可通过在轨软件上注以及在轨重复观测予以解决。但是，我国目前大多数传输型测绘卫星也存在明显的劣势，即卫星功能单一，卫星过顶测量要素不全，观测成本相对较高，观测效益相对低下等。首先是陆地观测卫星，飞越占地球表面面积71%的海洋上空时基本不观测，或进行无效观测；即使是地形观测卫星，不同原理观测卫星(雷达、光学、激光)各有分工，很少集成观测；此外，数据传输也是瓶颈，往往造成测得到，传不下；更进一步，同一区域的多类观测信息本来可以互补，但是因为非整体观测，各类信息的互补性和整体性大打折扣，为数据融合增添了难度。

国外发达国家和地区，如美国、俄罗斯、欧盟、日本和以色列等，已经开始将侦察与测绘卫星集成化，这两类卫星不仅载荷可以完全共用，而且测地内容也基本一致。两者之间的差别仅在于，测绘卫星重视影像的精度，而侦察卫星重视重点目标的动态变化；测绘卫星重视影像的几何关系，侦察卫星更重视影像分辨率。此外，国际上现有的重力卫星也都是载荷集成型、多功能型卫星，如德国的CHAMP卫星不仅测定全球静态重力场中波和长波特性以及重力场随时间的变化，也估算地球磁场及其时空变化，并利用大气/电离层掩星探测气象要素探测；GRACE卫星与之类似，不仅可以测定全球重力场，也探测气候变化要素，包括监测全球环境变化(海平面与环流变化、冰川消融趋势、地表水和地下水变化等)；GOCE卫星本身就是地球重力场和海洋环流探测卫星的简称，也属于功能集成型卫星。

实际上，现今的绝大多数对地观测卫星的星上系统可以共用，如轨道测量系统、姿态测量系统、天线系统、动力系统、数据传输系统等。此外，近期常用的激光测距系统对各类测地卫星也可作为共用系统，用于支持卫星轨道标定、评估和地面观测元素的高程精度提升。

各类测地卫星的特有载荷并不多，如光学卫星的光学相机、SAR卫星或InSAR卫星的微波辐射仪、海洋测高卫星的合成孔径雷达测高仪、重力卫星的加速度计等。如果将这些载荷合理集成，即可实现测绘卫星从目前的卫星载荷单一型向载荷密集型和集成型方向转变(图1)。

图1 集成型测绘卫星发展步骤

第1步：集成所有地形测量卫星载荷，包括现有高分辨率光学载荷、微波载荷、高光谱相机、多光谱相机、激光测距系统等，具备全天候、全天时、全空域地形测量能力，一星多用。第2步：集成大地测量与地形测量载荷，卫星一次过顶，实现全要素测绘。第3步：集成海洋测量载荷与陆地测量载荷，实现陆海一体化测绘。第4步：集成气象、大地测量和地形测量载荷，实现地理空间环境多要素整体测量。

测绘卫星的多载荷集成也面临一系列技术难点。

(1)载荷的体积与重量问题。多载荷集成通常会占用卫星平台更大的空间，增加卫星负重。因此，必须突破载荷的小型化、模块化、甚至微型化设计与制造技术，在小型化的基础上实现各类载荷高度集成化。

(2)功耗问题。多载荷集成必然涉及功耗问题。因此，需要在小型化和微型化设计与制造基础上，突破集成化载荷的低功耗设计技术。

(3)数据传输问题。多载荷、多要素观测，数据量将显著增加。因此，需要增大传输带宽，考虑实施多通道传输、多站址接收，甚至可以考虑增设海外接收站，实现多类观测信息完整落地，否则，再多的观测，数据不落地等于没有观测。

(4)兼容性问题。载荷密集型卫星的突出问题是各类载荷容易造成互相干扰。因此，载荷密集型卫星必须确保各类电子载荷之间不会产生不可接受的干扰，即实现多载荷的电子兼容，在此基础上才能实现多类数据集成感知、传输和信息共享。

(5)轨道高度优选问题。轨道高度的选择一方面要考虑卫星载荷和各类传感器对地观测感知的灵敏度，另一方面也要考虑轨道周期和观测范围。为了载荷集成的可用性，首先实现相近轨道高度卫星载荷的集成，如折中选择500 km高度的对地观测卫星进行集成，因为绝大多数地形测绘和重力场测绘卫星的轨道高度都在500 km左右。当然，适当设计不同高度的卫星，可以形成对感知敏感度和观测范围的补充。

(6)数据处理问题。载荷密集型测地卫星的显著特点是数据采集量大、数据种类多。因此，优化数据处理流程和策略是载荷密集型测地卫星的关键技术之一。当然，卫星轨道、卫星姿态、卫星高度测量信息可以作为公用信息处理，其余信息分专业处理。

载荷集成性测地卫星的主要优势如下：

(1)一星多用，提高卫星使用效率。利用较少数量的卫星获得丰富的对地观测效果，节省卫星、火箭，并减少空间垃圾，减少观测成本。

(2)一载荷多用。同一载荷服务于多类对地观测目的，提高部分载荷的使用效率。

(3)同轨多要素观测互补。几何要素、重力场要素、磁力场要素，甚至海洋要素全要素观测，有利于同轨多要素互补。几何观测需要重力和磁场信息改正，重力信息与磁场信息归算需要地形信息改正。因此，多要素整体观测有利于提高大地、地形测量等观测的几何整体性，有利于数据融合；此外，光学观测、微波观测、高光谱观测、多光谱观测信息集成与融合，可显著提升几何要素和物理属性的整体覆盖性。

(4)高低轨卫星观测互补，不仅有利于观测几何的互补，而且可实现掩星大气观测，有利于环境信息的探测。

必须指出，载荷集成型卫星的功耗、成本、重访周期和数据传输都是待解决的难点问题，如果卫星太少，则重访周期太长；如果卫星增多，又会增加成本。

2 密集组网微小型测绘卫星发展及其关键技术

集成型卫星具有单星观测效率高的显著优势，但是由于载荷多、卫星重、功耗大、载荷易互相干扰、数据传输压力大、卫星组网成本高等难题，往往造成集成型航天测绘全球重访周期长，全球覆盖观测难等问题。

在全球基础地理信息数据支撑基础上，如果将卫星小型化、星上载荷模块化、卫星组网弹性化，即可构建低成本密集组网型微小卫星观测体系，实现航天测绘的便捷化和高时效性。密集组网型航天测绘卫星涉及系列关键技术(图2)。

图2 密集组网微小型测绘卫星关键技术

(1)卫星载荷模块化设计。现有大多数测绘卫星载荷都是捆绑式集成，不仅占据较大空间，而且功耗也相对较高，各载荷之间的隔离、散热等都相对困难。卫星载荷的模块化设计，不仅需要体系化设计艺术，而且需要高精尖的元器件加工工艺，否则不可能实现载荷的模块化。

(2)卫星小型化设计。卫星小型化一般以载荷的微型化、模块化为前提，否则很难实现卫星的小型化。卫星小型化还涉及微电子技术、微处理技术等，甚至要解决卫星和载荷一体化研制技术。

(3)卫星最佳组网技术。卫星小型化为全球卫星组网观测提供了基础，但是大型星座组网又必须解决卫星组网的几何构型、网形最优设计、不同类载荷卫星的合理搭配与分布问题，尤其是不同倾角卫星的组网配合，以确保高纬度和低纬度地区的综合感知。

(4)密集星座的数据传输和数据接收技术。由于卫星数量多，观测数据丰富，如果不能实现数据的星间快速传输，不能解决全球分布的地面接收站布设，则必须采用中继卫星传输平台，解决海量数据的传输难题。

(5)卫星弹性调配技术。密集型微小测绘卫星组网观测最显著的优点是重返周期短，特别有利于灾害监测和环境监测。但是，灾害监测的重点区域需要进行密集观测，因此，必须解决卫星的弹性机动与快速组网技术，更重要的是还必须解决大型星座自主管控的关键技术问题。

(6)密集组网微小型卫星的星上处理技术。为了避免大型星座海量观测数据的传输难题，必须解决星上可观测性智能判断、智能识别和星上数据快速处理技术，力争做到无效观测和重复观测数据不存储、不传输。因此，星上观测数据的有效性判断是微小卫星密集组网型航天测绘的关键问题之一。

3 智能型航天测绘卫星工程

无论是单一型或集成型测绘卫星或密集组网型微小测绘卫星都面临着地面系统落后于卫星观测供给(供给侧大于数据接收和处理侧)的窘境。首先，地面系统统筹难，目前各类卫星几乎都有相应的地面接收系统和地面处理系统，甚至一颗卫星对应一套地面系统。卫星越发越多，地面系统也越建越多，而且地面系统的建设始终赶不上卫星数据处理的需求，数据积压非常严重，观测数据的处理效率和应用效率都不高。其次，为了控制数据量，卫星并非满负荷观测，但星地传输效率低，仅有的局部观测数据下传也十分困难。同时，必要观测、重复观测、无效观测等无差别传输，一方面造成部分有用数据传不下，另一方面又造成大量无效传输。此外，如果走向集成型测地卫星模式，数据采集量更大，数据传输更难。最后，卫星有效观测处理难，大量重复观测可能在无差别重复处理，出现大量无效处理的现象。数据处理效率相对较低，进而会造成实时保障难，需要的数据和急用的数据不一定能够有效和实时保障。

欲提高集成型和密集组网型测绘卫星的效率，必须解决卫星的数据采集、数据传输和数据处理的效率问题。于是，智能型测绘卫星的发展成为必然趋势。

首先，卫星应具备智能感知功能[3]，即对于无须观测的区域免观测，对于可能无效观测的区域可以免开机(如云层和重雨覆盖区域的光学相机)，卫星载荷也可根据地表可观测性，自动组合各类传感器(智能组合)，极大限度地减少无效观测，节省载荷工作功耗。

其次，卫星上可以预载高精度测绘影像，各载荷要具备智能识别新获取影像、智能存储、智能传输能力，即在获取新的地表影像的同时，自动识别与基础影像的差异性，如果新获取影像与星上存储的基础影像无差别、无变化，则免存储，免传输，仅存储和传输地形特征变化(含重要目标变化)的感知数据，如此，可显著减少数据存储量和数据传输需求。

更进一步，可以在智能观测的基础上，实现星上智能处理，即在智能识别的基础上，依靠已有基础控制数据，完成星上观测数据的智能处理和智能更新(更新地物、目标影像和坐标)。

此外，卫星应具备智能防碰撞功能，具备自我报警、自我变轨、自我避障功能；运载火箭也应该具备火箭残骸自动跟踪功能，甚至具备对火箭落点实施控制的能力，减少火箭残骸落点的不确定度。

为了具备测绘卫星传感器的智能集成、智能感知、智能存储、智能传输和星上影像智能处理能力，卫星与火箭的智能安全管理等系列智能化需求，必须解决系列关键技术问题(图3)。

图3 智能型航天测绘卫星关键技术

(1)星上观测智能识别技术。为了实现星上传感器智能识别观测的有效性，卫星必须事先存储高精度、高分辨率的基础测绘产品，供星上载荷比较与识别。为此，地面系统需要实施全球大比例尺(如1∶10 000)、高精度、高分辨率的基础测绘数据整体平差，在大量高精度特征控制点强制约束下，构建可作为参考基准的基础测绘产品，并获取特征点高精度坐标、地形要素或地球物理场要素。这里需要解决的关键技术包括：多源观测数据联合平差的函数模型、随机模型及参数估计准则等[26]。可以采用具有附加系统误差参数的抗差估计准则，既可控制部分观测载荷的系统误差影响，又能控制部分采样点的异常误差影响，提升平差后全球基础测绘产品的精度和分辨率。为此，星上计算机必须具备强大的存储和计算能力，即预存储高分辨率、高精度的基础测绘产品，作为星上载荷感知、数据存储和传输的参考依据。

(2)星上观测智能存储技术。卫星对地观测数据中心含有大量无效观测和重复观测，要求星上计算机必须具备智能学习能力，进而实现有用的数据即存储，无效的数据不存储。那么，必须建立用来学习与识别有效观测的知识图谱。

(3)星上观测数据的星间智能传输与星地智能传输技术。无论是星间观测数据传输，还是星地观测数据传输，都必须适当扩大新变化观测区域边缘，然后再传输，为不同卫星观测的数据匹配和卫星观测与地面已知数据配准更新提供足够的参考信息。对于时间敏感数据必须全部传输到地面数据处理中心(如重力观测、海洋测高数据和环境感知数据等)，以便反演地球各圈层的物理变化。

(4)星上和地面智能数据处理技术。星上智能数据处理必须强调简约性原则，只处理变化的观测数据，地面数据处理中心则侧重消除多卫星观测和多传感器观测以及新旧数据之间的矛盾，确保观测数据局部更新与整体基础测绘数据的自洽性。如果有地面高精度控制信息，应该充分利用地面控制信息实施局部智能数据平差和更新，确保全球基础测绘产品的现势性和可靠性。

(5)卫星的智能避障、智能报警问题。可以在卫星前后或左右安装两个鱼眼相机(半球面观测)，识别非合作目标；一旦发现非合作目标接近，卫星启动自动报警和自动变轨程序；对于火箭残骸的自动跟踪与落点控制，可以在火箭上安装具有短报文功能的北斗终端，并在火箭上安装控制系统，合理控制火箭残骸的落点位置。

需要说明的是，在智能感知、智能传输、智能星上处理的基础上，一旦获取到充足的更高精度、更高分辨率、更好现势性的测绘数据，必须启动新的全球测绘数据的重新平差，消除矛盾，确保基础测绘产品的可靠性和现势性。此外，重力场模型和海面高模型需要定期进行数据整体处理，以便精确提取物理场的时变信息，并进一步更新地球重力场模型和海底地形模型。

未来智能型航天测绘的主要优势在于：

(1)通过星上智能感知，可以显著减少无效观测，也减少载荷动力消耗。

(2)通过星上处理和智能识别，可以显著减少星地信息传输压力，也减少地面接收系统压力，甚至减少地面接收站建设压力。

(3)基于局部更新的下传数据，地面处理系统可智能化实施局部更新，显著减少地面系统进行大规模数据处理的压力。

(4)通过全球高精度基础测绘数据的局部更新，可以确保全球测绘产品的现势性和保鲜度，几乎可以实现准实时全球测绘保障能力。

(5)通过星箭智能监控，可以提高卫星安全性和火箭落点的可控性。