航天测绘发展现状与展望

杨元喜，王建荣，楼良盛，孙中苗，肖云，缪毓喆

1. 地理信息工程国家重点实验室，北京 100191 2. 西安测绘研究所，西安 710054

1 国际航天测绘发展概况

航天测绘是利用航天飞行器搭载有效载荷进行对地观测，并测制各类测绘产品，包括卫星大地测量和卫星地形测量等。

卫星大地测量又分为卫星定位和卫星物理大地测量。卫星定位主要包括早期美国的卫星多普勒定位和后来应用广泛的全球卫星导航定位系统GPS、俄罗斯的全球卫星导航系统GLONASS、中国的北斗卫星导航系统BDS、欧盟的Galileo卫星导航系统等)，关于卫星定位与导航的文献很多，不是本文讨论的重点，不再赘述。卫星物理大地测量包括卫星重力测量和卫星磁力测量。卫星重力测量包括卫星跟踪卫星重力测量(包括高-低卫星跟踪和低-低卫星跟踪)、卫星重力梯度测量、卫星海洋测高(包括激光测高、微波干涉海洋测高)反演重力场等；卫星磁力测量才刚刚起步，包括磁强计陆海磁力测量等。卫星地形测量包括光学摄影地形测量、卫星SAR地形测量等。

20世纪80年代，美国首先提出MAPSAT航天测绘设想[1]，即利用卫星搭载三线阵相机实现全球无地面控制点条件下的地形测量，由于该卫星方案对硬件要求较高未立项研制，但该思路和设想对后续无地面控制点条件下的航天地形测量具有重要引导作用。

可以将美国航天测绘分成三个阶段。第一阶段——返回式测绘卫星。1962～1972年间，共发射锁眼-4、5、6等返回式测绘卫星，1984年在返回式测绘卫星上搭载大幅面相机(LFC)，实现了大范围1∶10万地图测制；在返回式航天测绘工程中，最亮眼的应该算1992年首飞的“奋进”号航天飞机，共执行25次飞行，一次在轨飞行可持续28天，先后搭载立体测绘光学相机，多光谱相机等重要载荷，后期也搭载传输型测绘相机。该航天飞机执行了包括被称之为“航天飞机雷达地形测绘使命(shuttle radar topography mission，简称SRTM)”的空间飞行任务，经数据处理后获取了全球数字高程模型(DEM)，将美军当时的全球DEM精度提高了约30倍[1-2]。

美国第二阶段航天测绘——传输型测绘卫星。1999年9月发射的IKONOS-2卫星[1，3]，成为世界上首颗分辨率优于1 m的商业遥感卫星，全色分辨率达到0.82 m、多光谱分辨率3.28 m，实现了高精度无控定位，平面测定精度25 m(CE90)、高程测定精度12 m(LE90)[1，4]；2001年10月发射的Quickbird卫星，全色分辨率达到0.61 m、多光谱分辨率2.44 m，无控定位实现平面测定精度23 m(CE90)、高程测定精度17 m(LE90)[1，5]；2003年10月发射的Orbview-3卫星，全色分辨率达到1 m、多光谱分辨率4 m，无控定位能力平面11 m(CE90)、高程16 m(LE90)[1，6]。

美国第三阶段航天测绘——侦测一体化卫星。此阶段美国发展航天测绘的显著特点是研发了敏捷型单线阵侦测一体式卫星[1，7]，这类卫星成像载荷内外方位元素精度高，采用高精度姿态控制卫星平台，同时卫星平台具备大角度快速姿态机动能力，能灵活实现同轨、异轨立体观测成像，实现大比例尺测绘能力。2007年9月发射了WorldView-1卫星，全色分辨率达到0.46 m，无控定位平面精度为4 m(CE90)、高程精度达3.7 m(LE90)(LE90)[1，8]；2009年10月发射的WorldView-2卫星，全色分辨率达到0.46 m、多光谱1.85 m，无地面控制定位与WorldView-1相当，平面测定精度3.5 m(CE90)、高程精度3.6 m(LE90)[1，8]；2014年8月发射WorldView-3卫星，全色分辨率达到0.31 m、多光谱1.24 m、短波红外7.5 m，无地面控制定位能力略有提升，平面精度3.1 m(CE90)、高程精度2.6 m(LE90)(LE90)[1，9]；2016年11月发射了WorldView-4卫星，全色分辨率达到0.34 m、多光谱1.36 m，由于卫星故障，2019年宣布报废。显然，WorldView型号卫星既是传输型测绘卫星，又是侦测一体型测绘卫星；更进一步，侦测一体化卫星，必然是传输型卫星，否则侦察的实时性就失去了意义。

美国于2003年1月发射的冰星ICESAT，主要搭载星载地学激光测高系统(GLAS)，该卫星已经获取了大量的高程数据，为研究南极地区高精度的DEM 提供了的重要信息源。ICESAT还可以服务于极地冰雪变化和冰川动力学研究[1，10]。

俄罗斯也是从胶片返回式测绘卫星起步，20世纪60年代到20世纪末，主要有“天顶(Zenit)”系列返回式测绘卫星。1976-1982年间发射23颗 “天顶-4MT”和6颗搭载东方号载人飞船发射的“天顶-8”试验星， 1984-1994年间共发射一百余颗业务星[1，11]；20世纪70年代到21世纪初，共发射21颗“琥珀(Yantar)”卫星，搭载TK-350、KFA-1000等测绘相机，立体重叠率达到60%，测制了全球范围1:5万基础测绘数据。

俄罗斯航天测绘的第二阶段也是传输型测绘卫星，先后发射了Yantar-4KS1等传输型测绘卫星；1994年俄罗斯还发射了Almaz测绘卫星[1，12]；2015年开始，先后发射6颗猎豹-M1光学测绘卫星，搭载双线阵立体相机和激光测高系统，分辨率1.1 m；2016年开始发射系列“资源(Resurs)”卫星，其全色分辨率1 m、多光谱分辨率4 m，具备无控定位和立体测绘能力[1，13]。

欧洲航天测绘的发展多点开花。1991年欧空局发射ERS-1干涉测量卫星[1，14]，1993年德国的MOMS卫星工程，搭载立体相机，期望实现无地面控制点条件下的航天测绘，最终该工程需要少量地面控制点参与方可实现高精度测绘[1，15]；法国是欧盟中航天测绘比较发达的国家，从1986年起先后成功发射了7个系列的SPOT系列卫星[1，16-17]，其中2002年5月发射的SPOT5卫星搭载高分辨率几何成像装置(HRG)、高分辨率立体成像装置(HRS)以及宽视域植被探测仪(VGT)等，通过超分辨率重建影像分辨率可达2.5 m，实现了高精度测绘[1，18]；而其后续的SPOT7已经实现1.5 m的分辨率对地观测，并具备立体测图能力。在发展SPOT6、7系列的同时，法国又发展普莱亚(Pleiades)卫星，空间分辨率达到0.5 m[1，19]，与SPOT6、7卫星组网运行，可以实现一天内对目标的多次重访。此外，法国还拥有1999年、2004年发射的HELIOS-1(1 m)和HELIOS-2A(0.5 m) 军事侦察/测绘卫星[1，20]。2006年德国航天局批准全面实施TanDEM-X计划(TerraSAR-X数字高程测量)，采用星载雷达干涉仪测制全球数字高程模型[1，21]。

我们周边国家在航天测绘领域也争相发展。1988年印度发射IRS1A测图卫星[1，22]，1992年日本发射JERS-1测图卫星[1，23]，2006年1月，日本成功发射ALOS1卫星，该卫星载有三个核心载荷，即全色遥感立体测绘仪(PRISM)、先进可见光与近红外辐射计-2(AVNIR-2)、相控阵型L波段合成孔径雷达(PALSAR-单SAR体制)。PRISM主要用于陆地地形精确观测，AVNIR-2主要用于数字高程测绘，而PALSAR用于全天时全天候陆地地形观测[1，24]。

除了航天地形测绘外，卫星重力、卫星海洋测高等也取得长足进展。

欧美国家已经先后发射了4颗重力卫星。2000年德国发射了CHAMP卫星，将全球重力场恢复至70阶左右[1，25]；2002年美德合作发射了GRACE卫星，将全球重力场恢复至120阶左右，同时测量了重力场的时变信息[1，26-27]。2009年欧空局发射GOCE卫星，将全球静态重力场恢复至200阶左右[1，28]。2018年发射GRACE-FO卫星[1，29]，接替GRACE卫星，搭载了激光干涉链路，可实现纳米级超高精度的星间距离观测。

在海洋卫星测高领域，自20世纪70年代以来，全世界已成功发射近20颗海洋测高卫星，大致分为三个阶段。

第一阶段，即1973年至1991年期间，全球海洋测高卫星包括GEOS-3，SEASAT、GEOSAT和ERS-1[1，30]，卫星测高精度接近分米量级。

第二阶段，以1992年Topex/Poseidon(简称T/P)卫星发射为重要标志，得益于星载GPS技术的发展，T/P卫星的径向轨道精度达到约3.5 cm，此外，T/P卫星首次搭载了用于改正电离层延迟的双频(Ku/C频段)雷达高度计以及用于改正对流层水汽延迟的微波辐射计，使得海面高测量精度优于分米级。这一阶段的测高卫星还有ERS-2、GFO、Jason-1、Envisat和Jason-2，这些卫星均采用了有限脉冲雷达高度计[1，31]。

第三阶段，以2010年发射的CryoSat-2卫星为标志，该卫星首次成功采用合成孔径雷达高度计，提高了沿轨方向空间分辨率和卫星测高精度[1，32]；2015年发射SARAL卫星采用Ka频段雷达高度计[1，33]，有效降低电离层变化对测量的影响；2016年发射的Sentinel-3A[1，34]、2018年发射的Sentinel-3B[1，35]和2020年发射的Jason-CS均采用合成孔径雷达高度计[1，36]。

无论是航天地形测绘还是卫星大地测量都遵循了需求牵引与技术驱动两个核心要素，但是技术能力的差异，导致航天测绘发展基本遵循了返回型、传输型和综合型三个大类。如果按照航天测绘的能力标准(卫星观测能力、观测分辨率、观测精度等)也可以有其他分类方法。

2 我国第一代测绘卫星——返回型测绘卫星工程

20世纪70年代，以王任享为代表的中国测绘科技工作者开启了航天对地观测的探索与实践。由于信息传输能力受限，第一代测绘卫星主要以大幅面光学照相为主要手段，以卫星返回方式获取在轨摄影胶片，包括对地观测(获取地表影像)和对天恒星观测(测定卫星姿态)胶片，通过对胶卷的冲洗、影像处理和姿态信息处理，获取地表影像，进而测制地形图。1987～1992年分别发射5颗返回式卫星[1，16]。轨道高度200 km，相机幅面宽度200 mm×370 mm，卫星在轨时间一般为8 d，地面分辨率为8 m，定位精度300 m。单张相片覆盖约5.1万平方千米，如此宽幅的摄影观测，影像形变改正是十分重要，变形改正难度也很大。此外，由于轨道测定精度相对较低，要想获得全球高精度影像十分困难。

2003年，中国发射了改进型返回式测绘卫星，先后成功发射三颗[1，17]。轨道高度依然是200 km，相机幅面宽度230 mm×460 mm，相机增大航向像幅，则基高比得到改善，提高定位精度。卫星在轨16 d，地面分辨率为5 m，定位精度为50 m。相比于第一阶段的返回式测绘卫星，地面分辨率提高3 m，定位精度提高6倍，由于在轨时间加长，单颗卫星的测地时间也延长一倍。

返回式测绘卫星的框幅相机属于静态摄影，影像几何保真度好，易于实现，在无地面控制点条件下可以满足1：5万比例尺地形图测制的精度要求，而且在短期内可以实现大面积摄影覆盖。返回型测绘卫星开启了中国航天测绘的新篇章，探索了航天地形测绘机理，解决了当时我国航天测绘的有无问题，满足了当时国家急需，也解决了全球地形图测绘(目标定位)难题，为国防建设提供了重要保障。返回型测绘卫星摄影测量理论严密，易于实现无地面控制定位。但是，返回型测绘卫星为弥补云影对影像的影响及改善影像的时效性，往往要发射大量的卫星，于是加大了航天测绘的成本，而且由于卫星在轨时间短，有效测绘范围相对较小；此外，由于当时星载定轨能力较差，卫星轨道测定精度相对较低，地形测绘精度和分辨率也相对较低。更进一步，卫星在轨拍摄的影像出现任何问题，都必须等到卫星返回地面才能进行分析，几乎不可能在轨进行改正或调整。

3 我国第二代测绘卫星——传输型测绘卫星工程

3.1 天绘一号工程

返回型测绘卫星是当前主流航天测绘平台。在发展返回型测绘卫星的同时，以王任享先生等为代表的测绘人开展了传输型测绘卫星工程的论证。1996年开展了新一代测绘卫星的相机及摄影测量理论的关键技术攻关，2003年创立了LMCCD(line-matrix CCD array)相机设计思想，解决了光束法平差中航线模型的系统变形问题，比较有效地解决了无地面控制点条件下目标定位问题，2004年发射了“实验一号”卫星，重点进行三线阵立体测图和摄影数据的星地传输等新技术试验，在国际上首次验证了基于卫星平台的三线阵立体摄影测量技术，为我国测绘卫星从“返回型”跨入“传输型”奠定了坚实的基础，有力地支撑了 “天绘一号”卫星工程的立项论证。

2007年利用嫦娥一号又开展了三线阵技术应用实践，利用西安测绘研究所自研的三线阵影像数据处理系统，第一时间完成了对月球影像的测绘处理工作[1，37]。

在反复验证试验的基础上，2010年8月正式发射第一颗传输型立体测绘卫星——天绘一号01星，后续又分别发射了02、03和04星。天绘一号卫星的轨道高度为500 km，覆盖宽度为60 km，立体影像分辨率为5 m，全色影像分辨率为2 m(01星、02星和03星)[1，38]，多光谱影像分辨率为10 m(01星-03星)；2021年8月发射的天绘一号04星，全色影像分辨率提高到1 m，多光谱分辨率提高到4 m。

天绘一号工程的主要任务是实现全球快速、精确三维测绘，可以实施全球1∶5万地形图基础测绘。但是，天绘一号卫星属于光学测绘卫星，云雨雾天无法测绘，夜晚摄影效果也较差。

3.2 天绘二号卫星工程

天绘二号卫星是一颗双星编队雷达测绘卫星。雷达测绘卫星的地形测绘能力包括平面定位能力和高程测量能力。平面定位能力是每颗雷达测绘卫星均具备的基本能力，高程测量能力则有所区别。大部分雷达测绘卫星均可使用雷达干涉(InSAR)或立体测量手段完成部分地区的高程测量，但此前国内并没有此类执行测绘任务的卫星。

早在十多年前我国就开始雷达测绘卫星的研究与论证，2019年4月30日正式发射升空。天绘二号两颗对等卫星近距离绕飞编队，采用一发双收的雷达工作模式。天绘二号工作频段为X波段，地面分辨率为3 m，成像带宽约30 km，轨道高度约518 km，平面和高程绝对定位精度优于5 m，平面与高程的相对定位精度优于2 m，可以测制1∶5万比例尺数字地表模型(DSM)和雷达正射影像[1，39]。

天绘二号每天工作最大75min，每天在轨产生的数据量约为8.514 TB，双星每天数据量则为17.028 TB。天绘二号卫星的主要优势是全天时和全天候测绘。

3.3 资源系列卫星工程

除了天绘系列测绘卫星工程外，我国也成功发射了资源系列测绘卫星[1，40]。

资源三号测绘卫星2011年开始发射[1，40]，共发射三颗卫星，卫星轨道高度约为505 km，卫星的主要载荷包括1台正视全色相机TDI CCD，分辨率2.5 m；2台前、后视全色TDI CCD相机，分辨率为3.5 m；1台多光谱相机(蓝、绿、红、近红外)，分辨率5.8 m。幅宽约为52 km。数据传输频点采用X波段双通道数传。资源三号卫星可以测制1∶5万地形测绘产品，并可实施1∶2.5万或更大比例尺地图更新。

3.4 高分系列卫星工程

2019年11月，中国又成功发射高分七号测绘卫星[1，41-42]，该卫星的轨道高度也是505 km，成像幅宽20 km。卫星的重要载荷主要包括1台双线阵立体相机，1台双波束激光测距仪等。激光测距精度好于0.3 m，全色影像分辨率为0.8 m，多光谱分辨率3.2 m。数据传输采用X波段，采用双通道2×800 Mbit/s传输。可以测制1:1万地形测绘产品。

高分十四号卫星也是光学测绘卫星，主要载荷包括两线阵测绘相机、多光谱相机、高光谱相机以及激光测距仪等。轨道高度约500 km，覆盖宽度约40 km，激光测高精度与高分七号相当，立体影像的地面分辨率为0.6 m，多光谱影像的分辨率为2.4 m，高光谱影像分辨率为5 m/10 m，正在开展系统在轨测绘性能验证。

高分十四号卫星主要用于测制全球1∶1万地形图的卫星，具备目标无控高精度定位能力。卫星每天成像需要40 min，约产生18 T数据，采用双通道2×1.5 Gbit/s传输。其主要优点是无控定位精度高、影像幅宽大、全球精度一致性好。其缺点依然是，云雨雾天无法进行测绘。

4 航天测绘近期发展及未来方向

航天测绘不仅包括地形测绘还包括地球物理场测绘、海洋测绘、海底地形测绘等。在地形测绘卫星快速发展的基础上，中国地球重力场勘探卫星——低-低跟踪重力卫星也即将发射组网，该组网卫星侧重地球重力场数据采集和地表温度及地球磁场测量。设计轨道高度约500 km，两颗卫星相对距离220 km左右。主要载荷包括加速度计、KBR测距仪、星载GNSS接收机等。该卫星工程的主要目标是测定全球重力异常，进而精化地球重力场模型，并测定时变重力场信息，构建时变重力场模型。该组卫星工程对监测地表水、地下水变化、地球内部物质迁移、冰川融化等都具有重要科学意义[43-48]。

中国还将发射一组低-低跟踪海洋测高卫星，开展海洋重力场测量，同时测定海洋大地水准面和海底地形。该组卫星将采用2颗太阳同步轨道卫星组网方式(同轨跟飞，相距30 km，轨道高度约900 km)，通过测定卫星到海面的距离，进而测定海面高，反演出全球海域格网重力异常和相应的海底地形。主要载荷包括合成孔径雷达高度计，星载GNSS-R测高仪，校正辐射计，GNSS接收机和激光发射器等。

激光多波束测高卫星也可能是未来航天测绘的发展方向之一。激光多波束具有距离测量精度高，穿透力相对较强的特点，如果匹配光学面阵相机，则可以测定卫星到地表特定点的距离，经过姿态改正可以测定地球表面的高程。如果采用极轨或近极轨卫星，则可以测定南北极冰川高度[49-51]。

从上面陈述的各类航天测绘卫星工程可以看出，中国航天测绘几乎具备全要素测绘，包括地形测量、属性测量以及重力场、磁力场、海洋大地水准面等物理要素测量。但是必须认识到，中国的航天测绘水平与国外发达国家还存在差距。首先，卫星载荷集成度较差，大多数测绘卫星功能单一，测绘与侦察分离，几何要素测量与物理要素测量分离，海洋测绘与陆地测绘分离等，导致卫星使用效率相对较低，保障修效率更低；其次，各卫星沿着相互独立的轨道运行，有的多组卫星处于相同的轨道面，卫星与卫星之间没有形成整体组网能力，导致卫星整体组网、多卫星空间配合能力较低；最后，各卫星在轨工作期间智能感知能力较弱，经常导致重复观测和无效观测。

为了提高航天测绘效率，测绘卫星主要有三个重点发展方向。

1)从载荷单一型向载荷集成型测绘卫星转变。注重一星多用，实现几何地形要素、物理属性要素和地球重力场、磁力场等要素整体感知，甚至实现海洋和陆海测绘要素整体感知。

2)从载荷集成型卫星向高密度敏捷型和微小型测绘卫星配套组网方式转变。注重灵活组网，实现在轨卫星优化组网、载荷优化配置、功能优化互补，实现全天候、全天时全球感知，实现地表信息快速更新。

3)从密集型组网测绘卫星向智能型感知测绘卫星转变。注重实现卫星在轨传感器智能感知，星上智能处理，观测数据智能存储，有用信息智能传输，甚至实现星上智能数据更新。如此，只要少量优化组网卫星即可实现全球无缝测绘。

4)为了应对越来越多的测绘卫星数据，航天测绘产品及生产流程应该发生革命性变化。首先，全球基础测绘产品应该定期实施联合平差，不断提高基础测绘产品的精度、分辨率和现势性；其次，卫星测绘数据处理应该实现智能化，即智能化处理和智能化更新；此外，航天测绘产品应该实现定制化，即根据用户需求，实现快速定制化生产和网络化推送。极大提高航天测绘生产与应用效率。

如果将“返回型测绘卫星工程”、和“传输型测绘卫星工程”分别称为第一代和第二代测绘卫星工程，那么，集成型测绘卫星工程、高密度微小卫星组网测绘卫星工程，可以分别称为“第三代测绘卫星工程”和“第四代测绘卫星工程”。

5 结论

航天测绘相对于传统地面测绘、航空测绘和海面测绘取得了显著进步。航天测绘不仅可以实现领土的测绘、领海测绘，还可以实现全球测绘；航天测绘极大地减少了野外测绘的工作量，显著提高了测绘效能。

中国20世纪80年代初研发的“返回型测绘卫星”开启了中国航天测绘的新纪元，之后的“探索一号”和相应的“天绘卫星工程”又谱写了中国传输型测绘卫星的新篇章。未来“载荷集成型”、“卫星组网型”测绘卫星以及“智能型”测绘卫星必将极大拓展航天测绘的研究领域，提高航天测绘效能，实现全球、全天候、全天时、全要素航天测绘，如果星上智能感知、星上智能数据处理和智能数据融合以及智能数据更新得以实现，航天测绘将会为动态数字地球、甚至智慧地球的建设提供快捷高效高精度数据。