天基光學(xué)測繪是地理空間信息獲取的重要手段，具有全球性和高時效性，在遙感產(chǎn)業(yè)方面蘊(yùn)含巨大的商機(jī)。目前，主要航天國家紛紛發(fā)展了具有光學(xué)測繪能力的衛(wèi)星，為本國的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和全球化戰(zhàn)略服務(wù)。

　　從狹義上講，把能從不同視角獲取同一地區(qū)影像的光學(xué)遙感衛(wèi)星稱為光學(xué)測繪衛(wèi)星。在近半個世紀(jì)的發(fā)展進(jìn)程中，在發(fā)展歷程上，光學(xué)測繪衛(wèi)星從最初的膠片返回式衛(wèi)星，發(fā)展到目前的傳輸型衛(wèi)星。在載荷技術(shù)體制上，從畫幅式相機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在的單線陣、雙線陣和三線陣相機(jī)。從各國發(fā)展水平看，美國、歐洲已廣泛使用結(jié)合敏捷衛(wèi)星平臺的偵測一體式單線陣相機(jī)，而日本、印度正在從雙、三線陣向偵測一體式單線陣相機(jī)過渡，俄羅斯受到高敏捷、高精度平臺的技術(shù)限制，仍主要依靠雙、三線陣光學(xué)測繪衛(wèi)星。

　　 美國光學(xué)測繪衛(wèi)星的發(fā)展

　　美國光學(xué)測繪衛(wèi)星從軍用發(fā)展到軍民兩用。光學(xué)測繪衛(wèi)星經(jīng)歷了返回型向傳輸型的發(fā)展過程，目前已全面使用偵測一體式軍商兩用光學(xué)成像衛(wèi)星進(jìn)行測繪。美國光學(xué)測繪衛(wèi)星主要經(jīng)歷了3個發(fā)展階段：20世紀(jì)80年代中期前，以膠片返回式衛(wèi)星執(zhí)行測繪任務(wù);20世紀(jì)80年代中期后到20世紀(jì)末期，是光學(xué)測繪衛(wèi)星從膠片返回向光電傳輸發(fā)展的過渡階段，美國航空航天局(NASA)的航天飛機(jī)任務(wù)曾經(jīng)搭載過美國研制的試驗(yàn)型膠片測繪載荷和德國研制的傳輸型光學(xué)測繪載荷;進(jìn)入21世紀(jì)，美國發(fā)展軍商兩用敏捷型高分辨率偵測一體式光學(xué)衛(wèi)星，形成了既能繪制大范圍基礎(chǔ)地圖，又能繪制區(qū)域大比例尺地圖的能力。

　　從總體技術(shù)指標(biāo)上看，美國具有最高水平，其軍商兩用測繪衛(wèi)星的空間分辨率達(dá)到0.31m，無地面控制點(diǎn)平面精度達(dá)到3.5m，高程精度達(dá)到米級。在衛(wèi)星比例尺方面，從1:100000以上地形圖發(fā)展到滿足1:5000以下地形圖制圖。

　　第一階段：主要從軍用膠片返回式光學(xué)測繪衛(wèi)星起步

　　在發(fā)展的第一階段，美國主要依靠軍用膠片返回式衛(wèi)星進(jìn)行軍事測繪。美國在1962-1972年間，發(fā)射了89次鎖眼-4返回式測繪衛(wèi)星，搭載由2臺相機(jī)組成的“壁畫”立體成像系統(tǒng)，衛(wèi)星壽命早期7天，后期18天，分辨率約1.8~7.5m。1971-1986年，發(fā)射20次“六角體”(又名鎖眼-9)衛(wèi)星，攜帶全色相機(jī)與測繪相機(jī)。鎖眼-9衛(wèi)星的突出特點(diǎn)是大范圍制圖，使用兩臺全色相機(jī)，單幀膠片可覆蓋約555.6km×31.1km的區(qū)域，可制作1:100000比例尺的地圖，膠片可放大100倍顯示。在高度為185.2km的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行軌道，全色相機(jī)利用120°的最大掃描角，幅寬可達(dá)685.24km，基本可覆蓋華盛頓到美國俄亥俄州的辛辛那提。

美國鎖眼-9衛(wèi)星結(jié)構(gòu)圖

　　第二階段：以航天飛機(jī)為平臺測試新型光學(xué)測繪載荷

　　第二階段初期，美國開始利用航天飛機(jī)搭載膠片測繪相機(jī)，進(jìn)行更大比例尺的測繪。NASA發(fā)展了大幅面測量相機(jī)(LFC)，大幅面測量相機(jī)是采用膠片的試驗(yàn)型畫幅式測繪相機(jī)，由艾特克公司研制，任務(wù)是評估采用衛(wèi)星軌道攝影技術(shù)繪制1:50000比例尺地圖和土地利用研究等方面的效能。大幅面測量相機(jī)在航天飛機(jī)上首次飛行試驗(yàn)的軌道高度為225~352km，軌道傾角57°。在225km高度拍攝，其單張圖片的覆蓋面積為170km×340km，地面分辨率達(dá)到8m，完全滿足1:50000的黑白圖像和1:100000的彩色圖像的要求。在立體模式范圍內(nèi)，可以測量各種位置，其標(biāo)準(zhǔn)誤差為8m，高程誤差6~24m，隨基高比變化?；弑确謩e為0.3、0.6、0.9和1.2。

　　大幅面測量相機(jī)由一套相機(jī)系統(tǒng)組成，安裝在航天飛機(jī)貨艙內(nèi)部。大幅面測量相機(jī)系統(tǒng)總質(zhì)量1550kg(相機(jī)凈重450kg)，焦距305mm，相對孔徑f/6，單幀圖像覆蓋面積約6×104km2。大幅面測量相機(jī)攜帶五種不同類型的膠片，分別為紅外、自然色和三種黑白膠片，總長度1200m，可拍攝2400幀尺寸23cm×46cm的照片。大幅面測量相機(jī)沿飛行路徑進(jìn)行拍攝，可沿著航天飛機(jī)運(yùn)行軌跡獲取立體像對。

　　第二階段后期，美國利用航天飛機(jī)搭載數(shù)據(jù)傳輸型測繪相機(jī)，即德國研制的MOMS傳輸型三線陣相機(jī)。1993年4月26日-5月6日，MOMS-02相機(jī)在美國航天飛機(jī)STS-55任務(wù)中進(jìn)行了搭載試驗(yàn)，攝影高度296km，軌道傾角為25.8°。MOMS-02相機(jī)系統(tǒng)由五臺CCD相機(jī)組成，其中有2臺是中分辨率多譜段相機(jī)，另外3臺構(gòu)成三線陣CCD立體測繪相機(jī)系統(tǒng)，交會角21.4°。正視相機(jī)的焦距660mm，相對孔徑f/4.6，譜段512~765nm，具有4個多光譜通道(13m分辨率)和1個全色波段(4.3m)，并且為立體成像模式;前后視相機(jī)的焦距237mm，相對孔徑f/5.6，譜段521~763nm。正視為高分辨率4.3m，幅寬37km，前后視為中分辨率13.5m，幅寬7.8km。CCD采用棱鏡拼接方法，相機(jī)靜態(tài)傳遞函數(shù)(MTF)接近0.3。

MOMS-02測繪相機(jī)工作原理圖

　　第三階段：向偵測一體衛(wèi)星過渡

　　第三階段，美國開始發(fā)展敏捷型單線陣偵測一體式衛(wèi)星，以“伊克諾斯”和地球眼-1等軍商兩用的高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星為代表，此類偵察測繪一體式高分辨率光學(xué)成像載荷的內(nèi)外方位元素精度高，結(jié)合高精度姿態(tài)控制衛(wèi)星平臺，具備了單軌立體成像能力，實(shí)現(xiàn)了1:5000大比例尺立體測繪制圖能力，能夠基于基礎(chǔ)地圖進(jìn)行高精度的修測，具備了較強(qiáng)的地理空間情報獲取能力。從總體上看，這些衛(wèi)星空間分辨率不斷提高，衛(wèi)星普遍采用單線陣立體構(gòu)像方式。目前，世界觀測-3衛(wèi)星分辨率已達(dá)到0.31m，衛(wèi)星平臺具備大角度快速姿態(tài)機(jī)動能力，能靈活地實(shí)現(xiàn)同軌、異軌立體觀測。

美國世界觀測-3衛(wèi)星在軌示意圖

　　俄羅斯光學(xué)測繪衛(wèi)星的發(fā)展

　　目前，俄羅斯天基光學(xué)測繪仍主要依靠軍事專用衛(wèi)星。在發(fā)展歷程上，俄羅斯/蘇聯(lián)的光學(xué)測繪衛(wèi)星同樣經(jīng)歷了返回型向傳輸型的發(fā)展過程。在載荷技術(shù)體制上，從畫幅式膠片相機(jī)發(fā)展到雙線陣傳輸型相機(jī)，盡管以資源-DK和P(Resurs-DK和P)等民用衛(wèi)星為代表的敏捷型單線陣相機(jī)具有一定的制圖能力，但由于平臺敏捷能力和精度比美、歐衛(wèi)星差距較遠(yuǎn)，因此制圖效果較差。俄羅斯/蘇聯(lián)光學(xué)測繪已經(jīng)歷3個發(fā)展階段，第一階段發(fā)展的衛(wèi)星為“天頂”(Zenit)系列中的測繪衛(wèi)星;第二階段發(fā)展的衛(wèi)星為“琥珀”(Yantar)系列中的測繪衛(wèi)星;第三階段發(fā)展的衛(wèi)星為傳輸型衛(wèi)星，代表性衛(wèi)星有資源-DK和P、“角色”(Persona)和2015年最新發(fā)射的獵豹-M(Bars-M)衛(wèi)星。

　　第一階段：從軍用膠片返回式光學(xué)測繪衛(wèi)星起步

　　蘇聯(lián)光學(xué)測繪衛(wèi)星發(fā)展的初期階段是從20世紀(jì)60年代到20世紀(jì)末，在返回式“天頂”系列光學(xué)成像偵察衛(wèi)星中，主要有天頂-4MT和天頂-8兩個型號為測繪衛(wèi)星型號。天頂-4MT于1968年完成了初期方案設(shè)計，首顆試驗(yàn)型衛(wèi)星于1971年從普列謝茨克航天發(fā)射中心發(fā)射，1975年完成試驗(yàn)，1976年進(jìn)入業(yè)務(wù)化運(yùn)行階段。典型軌道參數(shù)為傾角82.3°，高度215~245 km。截至1982年8月3日末次發(fā)射，共發(fā)射23顆。天頂-8衛(wèi)星平臺是改造的東方號載人飛船。它使用“聯(lián)盟”運(yùn)載火箭從拜科努爾航天發(fā)射場和普列謝茨克航天發(fā)射場發(fā)射。首顆試驗(yàn)型衛(wèi)星于1978年發(fā)射，共6顆，業(yè)務(wù)型衛(wèi)星于1984年發(fā)射，至1994年末次發(fā)射，共發(fā)射102顆。典型軌道參數(shù)為傾角70°，高度為350~420km。

　　第二階段：軍用膠片返回式光學(xué)測繪衛(wèi)星能力增強(qiáng)

　　蘇聯(lián)光學(xué)測繪衛(wèi)星發(fā)展的第二階段是從20世紀(jì)70年代到21世紀(jì)初。在“琥珀”系列光學(xué)成像偵察衛(wèi)星中，琥珀-1KFT是專用測繪衛(wèi)星型號。1964年，南方設(shè)計局開始研制“琥珀”衛(wèi)星。1967年，研制工作轉(zhuǎn)交給進(jìn)步中央特別設(shè)計局。1974年12月13日，隨著首顆“琥珀”系列衛(wèi)星——琥珀-2K發(fā)射成功，琥珀-2K及其系列改進(jìn)型號逐漸成為蘇聯(lián)/俄羅斯的主要偵察衛(wèi)星系列。琥珀-1KFT專用測繪衛(wèi)星采用65°和70°兩個軌道傾角，近地點(diǎn)189~212km，遠(yuǎn)地點(diǎn)233~327km。衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量6.6t，具有軌道機(jī)動能力。相較于“天頂”系列中的測繪型號，琥珀-1KFT在分辨率、在軌壽命、軌道機(jī)動能力方面技術(shù)進(jìn)步較大。截至2005年2月9日末次發(fā)射，琥珀-1KFT系列衛(wèi)星共發(fā)射21顆。

　　琥珀-1KFT星上有效載荷主要包括TK-350主測繪相機(jī)和高分辨率KVR-1000型相機(jī)。TK-350主測繪相機(jī)是高精度廣角測繪相機(jī)，焦距350mm，譜段510~760nm，視場角75°，相對孔徑f/5.6，空間分辨率10m，基高比為0.26~1.03，相鄰圖像有60%~80%重疊，以構(gòu)成立體像對。單幅相片覆蓋面積為190km×280km。KVR-1000為高分辨率偵察相機(jī)，焦距1000mm，地面分辨率2m。該相機(jī)可提供地面目標(biāo)的詳細(xì)情況，輔助TK-350相機(jī)制圖，也可用于繪制1:10000比例尺的正射影像圖。激光測高儀用于測量曝光瞬間地面距衛(wèi)星的距離。

　　第三階段：光學(xué)測繪衛(wèi)星向傳輸型過渡

　　俄羅斯光學(xué)測繪衛(wèi)星發(fā)展的第三階段是從21世紀(jì)初開始，新一代衛(wèi)星采用全新的數(shù)據(jù)傳輸體制，載荷成像測繪技術(shù)體制也發(fā)生重大變化。自車臣戰(zhàn)爭以來，俄羅斯軍用測繪地圖老舊的問題被暴露出來，尤其是境外軍用地圖無法滿足俄羅斯周邊局部戰(zhàn)爭多發(fā)帶來的軍事應(yīng)用需求。從2005年最后一次發(fā)射軍用測繪衛(wèi)星至今，俄羅斯天基軍用測繪數(shù)據(jù)已有10年斷檔，在軌的一顆“角色”(Persona)軍用光學(xué)成像偵察衛(wèi)星具備一定范圍的測繪能力，但受限于主任務(wù)和載荷設(shè)計限制，軍用大比例尺測繪能力有限。2015年2月27日發(fā)射的獵豹-M1(Bars-M1)衛(wèi)星是俄羅斯新一代軍用光學(xué)測繪衛(wèi)星，已規(guī)劃6顆，計劃在3年內(nèi)發(fā)射3顆衛(wèi)星，這些衛(wèi)星將使俄羅斯具備全球高時效性軍用地圖測繪能力，為其軍事斗爭提供關(guān)鍵支撐。

　　獵豹-M衛(wèi)星代號14F148，采用新型衛(wèi)星平臺，有效載荷包括雙線陣立體測繪相機(jī)和激光高度計，該衛(wèi)星質(zhì)量約4t，空間分辨率最高1.1m，設(shè)計壽命5年。衛(wèi)星設(shè)計主要由計算機(jī)輔助完成，主要結(jié)構(gòu)包括有效載荷模塊、服務(wù)艙和推進(jìn)系統(tǒng)。

俄羅斯獵豹-M衛(wèi)星在軌示意圖

　　獵豹-M衛(wèi)星有效載荷模塊主要是名為“卡拉特”(Karat)的雙線陣立體測繪相機(jī)，也稱光電復(fù)合望遠(yuǎn)鏡，由位于圣彼得堡的LOMO公司制造，望遠(yuǎn)鏡基于3個透鏡組設(shè)計。由于獵豹-M衛(wèi)星的光學(xué)載荷及相關(guān)校準(zhǔn)設(shè)備無法承受空間極度溫度變動造成的微小變化，為保證光學(xué)儀器保持最佳位置狀態(tài)，望遠(yuǎn)鏡被安裝在“形狀穩(wěn)定的儀器裝載平臺”(RSNKP)中。“形狀穩(wěn)定的儀器裝載平臺”由碳基復(fù)合材料構(gòu)成，這種新材料可以保證在地球軌道最極端溫度變化條件下的精確形狀保持能力。

　　除了一對望遠(yuǎn)鏡，“形狀穩(wěn)定的儀器裝載平臺”還攜帶激光測高系統(tǒng)，它由2個激光發(fā)射器、激光測距儀鏡面反射器和姿態(tài)控制傳感器組成。激光測距數(shù)據(jù)能夠針對很多地區(qū)難以獲取地面控制點(diǎn)的情況，進(jìn)一步提高測量精度。

俄羅斯獵豹-M1衛(wèi)星有效載荷結(jié)構(gòu)

　　 歐洲、日本和印度光學(xué)測繪衛(wèi)星的發(fā)展

　　歐洲的天基光學(xué)測繪從畫幅式膠片相機(jī)發(fā)展到雙線陣傳輸型衛(wèi)星，又全面過渡到偵測一體式衛(wèi)星。歐洲20世紀(jì)70年代開始發(fā)展天基光學(xué)測繪載荷，畫幅式膠片RMK相機(jī)在1977年的“天空實(shí)驗(yàn)室”(Spacelab)任務(wù)和1983年的航天飛機(jī)任務(wù)上進(jìn)行了搭載試驗(yàn)。21世紀(jì)初，歐洲發(fā)展了斯波特-5(SPOT-5)雙線陣測繪衛(wèi)星，2010年后，歐洲成功發(fā)射多顆新一代偵測一體式衛(wèi)星，采用敏捷單線陣相機(jī)測繪，“昴宿星”(Pleiades)和斯波特-6、7是典型代表。

歐洲斯波特-5衛(wèi)星示意圖

歐洲“昴宿星”示意圖

　　印度的天基光學(xué)測繪從雙線陣測繪衛(wèi)星向偵測一體式測繪衛(wèi)星過渡。印度從21世紀(jì)初發(fā)展了雙線陣光學(xué)測繪衛(wèi)星，代表衛(wèi)星為制圖衛(wèi)星-1(CartoSat-1)。此類衛(wèi)星具有大平臺設(shè)計、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn)，對姿態(tài)機(jī)動性要求不高，只需推掃即可獲得較大幅寬的立體影像，適用于長條帶、大區(qū)域立體測圖。印度又于2007-2010年發(fā)射了3顆偵測一體式的制圖衛(wèi)星-2，盡管可制作更大比例尺的地形圖(1:7000水平)，但有印度專家指出，在測繪任務(wù)上，制圖衛(wèi)星-1的穩(wěn)定性比制圖衛(wèi)星-2好。這從側(cè)面說明，印度尚未完全掌握偵測一體技術(shù)。

　　日本光學(xué)測繪衛(wèi)星發(fā)展早于印度，目前仍致力于雙/三線陣相機(jī)的發(fā)展。1999年12月18日，美國航空航天局的“土”(Terra)衛(wèi)星搭載了日本研制的“先進(jìn)星載熱輻射與反射輻射計”(ASTER)，它是光學(xué)測繪與環(huán)境監(jiān)測綜合型載荷，采用類似雙線陣的測繪體制。“先進(jìn)星載熱輻射與反射輻射計”的主承包商為日本電氣公司，作為國際合作項(xiàng)目，美國地球觀測系統(tǒng)(EOS)任務(wù)委員會負(fù)責(zé)美方與日方在研制方面的協(xié)調(diào)工作。“先進(jìn)星載熱輻射與反射輻射計”光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計分為3個子系統(tǒng)，包括可見光近紅外(VNIR)子系統(tǒng)，短波紅外(SWIR)子系統(tǒng)和熱紅外(TIR)子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)測繪的是可見光近紅外子系統(tǒng)，它在沿軌方向可立體成像，基高比為0.6，能夠制作數(shù)字高程模型(DEM)，分辨率15m，幅寬60km。可見光近紅外子系統(tǒng)包括2臺相機(jī)，星下點(diǎn)觀測相機(jī)(VTL-N)和后視相機(jī)(VTL-B)，2臺相機(jī)夾角為27.6°。指向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可使2臺相機(jī)同時旋轉(zhuǎn)，在穿軌方向具備±24°側(cè)視能力。可見光近紅外子系統(tǒng)在3號譜段進(jìn)行立體成像，焦平面探測器型號為μPD3571D，像元數(shù)為5000，像元尺寸7μm。“先進(jìn)星載熱輻射與反射輻射計”的可見光近紅外子系統(tǒng)雖有2個相機(jī)，但并不是雙線陣系統(tǒng)，實(shí)際上，下視相機(jī)和后視相機(jī)共用一個單線陣探測器，在短時間內(nèi)交替成像，既不依靠平臺側(cè)擺，也不依靠軌道回歸，而巧妙地實(shí)現(xiàn)了同軌立體成像。

　　值得說明的是，日本與美國合作，利用“先進(jìn)星載熱輻射與反射輻射計”制作了全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)(GDEM)，全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)和美國航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪數(shù)字高程數(shù)據(jù)(SRTM DEM)成為目前世界上應(yīng)用較廣的兩類數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)。全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)分辨率為30m，垂直精度20m，覆蓋范圍為83°(N)～83°(S)的所有陸地區(qū)域，是目前覆蓋最廣的免費(fèi)高精度全球高程數(shù)據(jù)。2009年公布了第一版數(shù)據(jù)，2011年10月公布了第二版數(shù)據(jù)。日本“先進(jìn)星載熱輻射與反射輻射計”全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)和美國航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪數(shù)字高程數(shù)據(jù)已經(jīng)在交通道路規(guī)劃、地貌分析、災(zāi)害監(jiān)測等重要領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

　　隨后，日本又開始了三線陣測繪技術(shù)的研究，于2006年發(fā)射了先進(jìn)陸地觀測衛(wèi)星-1(ALOS-1)，分辨率達(dá)到2.5m，但由于電源故障，該星于2011年失效。日本從2009年開始先進(jìn)陸地觀測衛(wèi)星-1后續(xù)光學(xué)衛(wèi)星的研發(fā)，目前論證中的先進(jìn)陸地觀測衛(wèi)星-3衛(wèi)星計劃采用雙線陣測繪體制。

　　總結(jié)

　　從國外主要航天國家光學(xué)測繪衛(wèi)星發(fā)展歷程上看，由于美國、歐洲高精度、高穩(wěn)定度、高敏捷平臺技術(shù)和高精度載荷技術(shù)水平較為先進(jìn)，美國、歐洲完成了從多線陣向偵測一體式測繪衛(wèi)星的過渡，而俄羅斯、印度、日本仍主要采用雙/三線陣測繪體制。同時，在未來發(fā)展上，日本并未放棄多線陣測繪體制，說明在平臺和載荷技術(shù)復(fù)雜度和測繪效率上，多線陣測繪體制仍有一定的優(yōu)勢，仍是敏捷平臺技術(shù)尚不完全成熟的國家進(jìn)行天基測繪的首選方案。

　　在技術(shù)發(fā)展水平上，國外光學(xué)測繪衛(wèi)星分辨率已從幾十米發(fā)展到亞米級，從無地面控制點(diǎn)定位精度百米發(fā)展到數(shù)米。

　　在應(yīng)用上，美國從小比例尺的地理基礎(chǔ)框架測繪到大比例尺局部修測，表明美國已經(jīng)完成了全球基礎(chǔ)地理框架產(chǎn)品的制作，其當(dāng)今的測繪任務(wù)主要集中在高精度修測。而美國、日本分別發(fā)布全球免費(fèi)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，是展現(xiàn)其航天強(qiáng)國軟實(shí)力的具體表現(xiàn)。（來源| 北京空間科技信息研究所   文|劉韜）