曹海翊 劉希剛 李少輝 張新偉

（中國空間技術研究院總體部，北京 100094）

“資源三號”（ZY-3）衛(wèi)星是我國自行研制的民用高分辨率光學傳輸型立體測繪衛(wèi)星，衛(wèi)星集測繪和資源調(diào)查功能于一體，開展國土資源調(diào)查與監(jiān)測。ZY-3衛(wèi)星裝載三線陣測繪相機和多光譜相機，運行在軌道高度約506km、傾角為97.421°的太陽同步回歸圓軌道上，衛(wèi)星可提供幅寬大于51km、分辨率2.1m全色/5.8m多光譜平面影像和3.5m的立體影像。

ZY-3衛(wèi)星于2012年1月9日成功發(fā)射，1月11日衛(wèi)星獲取第一幅影像，圖像清晰，層次分明，定位精度滿足1∶50 000比例尺地形圖要求。ZY-3衛(wèi)星的成功發(fā)射和應用填補了我國民用測繪衛(wèi)星領域的空白，扭轉了民用航天測繪業(yè)務依賴國外遙感數(shù)據(jù)的局面，為我國測繪領域建設和地理信息化發(fā)展提供了數(shù)據(jù)支持和服務保障。

1 衛(wèi)星簡介

1.1 測繪觀測任務分析

ZY-3 衛(wèi)星要完成測繪 1∶50 000 地形圖、1∶50 000 數(shù)字高程圖、1∶25 000 地形圖修測以及 1∶50 000、1∶25 000國土資源調(diào)查和監(jiān)測任務。地圖比例尺的大小，決定了地圖的精度和圖上地理信息的承載能力。地形圖信息主要包括地圖的內(nèi)容、平面位置和高程。

1）地圖的內(nèi)容：地圖上表示的各種天然和人工的地物要素，其主要取決于圖像的分辨率和觀測譜段。

2）平面位置：即地物要素在絕對坐標系中的平面位置，取決于成像系統(tǒng)的內(nèi)外方位元素。

3）高程：用于描述地形的起伏，由量測立體像對的像點視差求得。取決于成像系統(tǒng)的內(nèi)外方位元素和地面控制點的選取。

根據(jù)測繪規(guī)范要求[1]，表 1給出了制作1∶50 000和1∶2 5000比例尺地圖對影像地面像元分辨率、平面誤差和高程精度的要求。

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從表 1可以看出，要制作1∶50 000比例尺地圖，圖像地面像元分辨率應優(yōu)于5m，平面誤差應優(yōu)于25m，高程精度應優(yōu)于5m。

1.2 測繪方式選擇

目前測繪應用中，利用攝影測量原理進行高程量測主要有兩種方式：雙線陣成像和三線陣成像。兩種方式的基本原理是相同的，都是利用不同基線位置測量的圖像，通過像對匹配，采用攝影測量原理[2]，計算出目標到攝影時刻衛(wèi)星所處位置之間的相對距離，結合高精度的軌道測量數(shù)據(jù)和高精度的時間數(shù)據(jù)，計算出目標地形的高度。

三線陣成像與雙線陣成像之間的最大區(qū)別是推掃區(qū)域內(nèi)任一個地面點均有3個不同角度觀測到的影像（即前視、正視和后視影像），3個線陣CCD推掃條帶影像相互重疊，較雙線陣成像增加了正視影像。采用三線陣測繪方式實現(xiàn)測圖功能，可以按照三線陣CCD影像空中三角測量光束法平差的方法[3]，以三線陣CCD影像本身計算外方位元素，從而大大降低對飛行器姿態(tài)穩(wěn)定度的要求，綜合考慮ZY-3衛(wèi)星選擇三線陣測繪方式。

ZY-3衛(wèi)星三線陣測繪原理如圖1所示。

1.3 任務特點

ZY-3衛(wèi)星作為測繪衛(wèi)星，具有如下任務特點：

1）測圖精度高。ZY-3衛(wèi)星要求1∶50 000比例尺制圖無地面控制點的定位精度為100m；有控制點的平面定位精度為25m，高程精度為5m。高程精度指標對衛(wèi)星定軌精度、姿態(tài)確定精度、星上時統(tǒng)精度、相機內(nèi)方位元素標定精度及穩(wěn)定性指標提出了極高的要求。2）集測繪任務與資源調(diào)查功能于一體。ZY-3衛(wèi)星除滿足立體測繪任務外，還要滿足國土資源調(diào)查和監(jiān)測的需求，為防災減災、農(nóng)林水利、生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)調(diào)查等提供服務。測繪任務需要配置零畸變或低畸變的測繪相機，國土資源遙感任務需要配置多光譜相機，綜合考慮，在全色三線陣相機外配置了1臺三反離軸多光譜相機。多光譜相機配置了4個多光譜譜段，不僅可以用于資源遙遙感，同時也能夠增強對測繪地物的判別。3）內(nèi)方位元素在軌穩(wěn)定性強。ZY-3衛(wèi)星是首顆對相機內(nèi)方位元素穩(wěn)定性提出要求的遙感衛(wèi)星，要求衛(wèi)星在軌工作半年之內(nèi)相機內(nèi)方位變化引起的像點移位優(yōu)于0.3像元。4）設計壽命長。ZY-3衛(wèi)星是首顆設計壽命為5年的衛(wèi)星。

1.4 方案概述

ZY-3衛(wèi)星是一顆三軸穩(wěn)定的對地觀測衛(wèi)星，衛(wèi)星具有±32°側擺觀測能力。衛(wèi)星由有效載荷和服務系統(tǒng)兩部分組成，有效載荷主要包括三線陣相機、多光譜相機、數(shù)傳、數(shù)傳天線和圖像數(shù)據(jù)記錄分系統(tǒng)；服務系統(tǒng)為有效載荷提供安裝、供電、指向、溫度維持和測控等支持服務，主要由電源、控制、推進、測控、數(shù)管、結構與機構、熱控分系統(tǒng)組成。

三線陣測繪相機是由具有22°夾角的前視、正視和后視3臺線陣CCD相機構成，相機垂直衛(wèi)星飛行方向安放，在軌狀態(tài)下從前、正和后3個方向獲取同一地物的立體影像，攝影基高比為0.89。3臺相機均選用透射式像方準遠心光學系統(tǒng)，光學系統(tǒng)采用機械結構簡單、加工裝調(diào)方便、穩(wěn)定性高的零畸變設計。3臺相機和星敏感器利用一體化支架組合形成一個整體，安裝在衛(wèi)星載荷艙頂部。

多光譜相機分系統(tǒng)選用三反離軸光學系統(tǒng)，具有無遮攔、無色差、傳函高和視場大等優(yōu)點，光學系統(tǒng)畸變設計值優(yōu)于萬分之五。多光譜相機配置了藍、綠、紅和近紅外4個譜段，三線陣相機和多光譜相機主要技術指標如表2所示。

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數(shù)傳分系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理部分和對地數(shù)傳通道兩部分組成，配置了2個450Mbit/s的X波段數(shù)據(jù)傳輸通道，全色相機設計了2∶1和4∶1兩種壓縮比可選，多光譜相機采用無損壓縮形式。圖像數(shù)據(jù)記錄分系統(tǒng)配置了兩臺容量500Gbit的固態(tài)存儲器，用于記錄圖像數(shù)據(jù)和姿態(tài)原始測量數(shù)據(jù)。數(shù)傳天線分系統(tǒng)由兩臺機械點波束天線及伺服控制器組成，完成星上數(shù)據(jù)下傳至地面接收站的功能。

衛(wèi)星采用成熟的資源衛(wèi)星平臺，整星質(zhì)量2 636kg，結構穩(wěn)定，服務系統(tǒng)充分繼承了資源衛(wèi)星平臺產(chǎn)品基線狀態(tài)，在姿態(tài)控制與測量、精密定軌、時間同步等方面進行設計改進，以適應測繪任務對衛(wèi)星的要求。服務系統(tǒng)主要技術指標如表3所示。

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1.5 工作模式

根據(jù)衛(wèi)星任務要求，主要設計了4種工作模式。

1）實時傳輸模式。在衛(wèi)星地面接收站可視范圍內(nèi)，衛(wèi)星處于正常飛行姿態(tài)或者側擺飛行狀態(tài)（滾動軸姿態(tài)角處于±32°范圍內(nèi)），相機分系統(tǒng)對地成像，數(shù)傳分系統(tǒng)將接收到的相機圖像數(shù)據(jù)、星敏感器和陀螺數(shù)據(jù)發(fā)送至地面接收站。2）記錄模式。在衛(wèi)星地面接收站不可視范圍內(nèi)，衛(wèi)星處于正常飛行姿態(tài)或者側擺飛行狀態(tài)（滾動軸姿態(tài)角處于±32°范圍內(nèi)），相機分系統(tǒng)對地成像，數(shù)傳分系統(tǒng)將接收到的相機圖像數(shù)據(jù)、星敏感器和陀螺數(shù)據(jù)實時處理后送至數(shù)據(jù)記錄分系統(tǒng)存儲，擇機回放。3）邊記邊傳模式。在境外地面衛(wèi)星接收站可視范圍內(nèi)，衛(wèi)星處于正常飛行姿態(tài)或者衛(wèi)星處于側擺飛行狀態(tài)（滾動軸姿態(tài)角處于±32°范圍內(nèi)），三線陣相機和多光譜相機對地成像，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮后與星敏感器、陀螺數(shù)據(jù)（可選）經(jīng)數(shù)傳分系統(tǒng)發(fā)送至境外地面接收站，同時送數(shù)據(jù)記錄分系統(tǒng)進行存儲，擇機回放。4）數(shù)據(jù)回放模式。在地面衛(wèi)星接收站可視范圍內(nèi)，衛(wèi)星處于正常姿態(tài)飛行狀態(tài)，數(shù)傳分系統(tǒng)將數(shù)據(jù)記錄分系統(tǒng)存儲的圖像數(shù)據(jù)、GPS原始測量數(shù)據(jù)、星敏感器數(shù)據(jù)、陀螺數(shù)據(jù)和力學環(huán)境測量數(shù)據(jù)經(jīng)回放至地面衛(wèi)星接收站。

2 衛(wèi)星技術創(chuàng)新點

ZY-3衛(wèi)星具有6項技術創(chuàng)新點。

（1）內(nèi)方位元素高穩(wěn)定性設計

ZY-3衛(wèi)星首次提出在軌內(nèi)方位元素穩(wěn)定性優(yōu)于0.3像元的要求，為此在三線陣相機和多光譜相機設計、分析和試驗方面均將內(nèi)方位元素穩(wěn)定性作為系統(tǒng)研制的重點和難點。三線陣相機和多光譜相機在光學系統(tǒng)設計方面均采用準像方遠心光路，能夠保證溫度變化時像高保持穩(wěn)定。在材料選擇上，選擇了鈦合金光機結構，熱膨脹系統(tǒng)小，配合高精度熱控技術，保證了內(nèi)方位元素穩(wěn)定性設計指標。

針對在軌環(huán)境影響情況，ZY-3衛(wèi)星開展了內(nèi)方位元素穩(wěn)定性專項試驗，相機分系統(tǒng)及整星大型試驗前后均開展內(nèi)方位元素測試工作，測試結果表明內(nèi)方位元素變化優(yōu)于0.3像元（3μm）（如圖2所示）。根據(jù)衛(wèi)星在軌定位精度分析，相機內(nèi)方位元素滿足要求。

（2）高速率雙圓極化復用數(shù)據(jù)傳輸技術

ZY-3衛(wèi)星有效載荷多，原始數(shù)據(jù)率超過2Gbit/s，居目前我國發(fā)射的遙感衛(wèi)星之首，為此，ZY-3衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)采用了高速數(shù)據(jù)壓縮技術和高速數(shù)據(jù)調(diào)制技術，通過JPEG-LS壓縮算法對相機數(shù)據(jù)進行壓縮，之后分為兩個通道，分別進行碼速率為450Mbit/s的SQPSK調(diào)制。同時，衛(wèi)星數(shù)傳天線采用雙圓極化復用技術，將兩個通道450Mbit/s的數(shù)據(jù)通過同一個高極化隔離度的點波束天線同時輻射至地面接收站，從而大大提高了遙感數(shù)據(jù)的傳輸效率。針對該點波束數(shù)傳天線，還采用了高精度跟蹤技術，使得天線可以實現(xiàn)對地面站優(yōu)于0.1°的跟蹤指向。

衛(wèi)星發(fā)射之后，與北京密云地面站進行了雙通道450Mbit/s碼速率PN碼信號傳輸試驗。試驗中，密云地面站成功捕獲并跟蹤衛(wèi)星發(fā)送的左、右旋圓極化信號，實時解調(diào)后兩路誤碼率均為0。該試驗結果表明，我國低軌遙感衛(wèi)星首次成功實現(xiàn)了高速率雙圓極化復用數(shù)據(jù)傳輸技術。后續(xù)運行期間，數(shù)傳系統(tǒng)通過測繪實傳、雙通道數(shù)據(jù)回放等工作模式，成功將大量遙感圖像傳回地面，確保了測繪任務的實現(xiàn)。

（3）角秒級高姿態(tài)確定精度

為確保衛(wèi)星1∶50 000比例尺立體測繪任務的實現(xiàn)，對相機成像時刻衛(wèi)星姿態(tài)測量精度提出了1″的指標要求[4]，此指標遠高于國內(nèi)其它類衛(wèi)星。為此，ZY-3衛(wèi)星設計了依靠星上高精度陀螺和星敏感器數(shù)據(jù)實時高精度相對定姿和依靠星敏陀螺下傳的測量數(shù)據(jù)事后高精度相對定姿兩種實現(xiàn)方案。

ZY-3衛(wèi)星配置了高精度姿態(tài)測量裝置，包括高精度陀螺和3臺高精度星敏感器；利用授時系統(tǒng)實現(xiàn)控制分系統(tǒng)姿態(tài)測量與衛(wèi)星的高精度時間同步；下傳高精度時標的星敏陀螺原始數(shù)據(jù)；下傳國產(chǎn)APS星敏感器原始星圖數(shù)據(jù)。采用星敏器、陀螺和GPS數(shù)據(jù)共同解算衛(wèi)星姿態(tài)，進一步提高衛(wèi)星的姿態(tài)測量精度[5]。

在衛(wèi)星研制階段，針對事后姿態(tài)處理相對精度優(yōu)于1″（1σ）的指標要求，對星敏陀螺聯(lián)合定姿方案進行了數(shù)學仿真及氣浮臺半物理仿真試驗驗證，數(shù)學仿真結果顯示，選取三正交陀螺可在100s內(nèi)實現(xiàn)0.8″（1σ）的定姿精度，半物理仿真數(shù)據(jù)顯示，采用三正交陀螺進行相對定姿時，在30s內(nèi)可實現(xiàn)0.5″（1σ）定姿精度，在100s內(nèi)可優(yōu)于0.8″（1σ）的定姿精度，圖 3是相對時間100s時相對姿態(tài)確定誤差曲線。通過數(shù)學仿真及半物理仿真試驗結果，聯(lián)合定姿方案可實現(xiàn)事后相對定姿精度指標。衛(wèi)星發(fā)射后，根據(jù)影像的地面控制點信息完成系統(tǒng)誤差標定，然后利用星敏陀螺原始數(shù)據(jù)以及星圖數(shù)據(jù)開展姿態(tài)最優(yōu)估計計算，實現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)的高精度的測量。根據(jù)初步在軌測試結果，衛(wèi)星定姿精度滿足用戶要求。

（4）厘米級定軌精度

ZY-3衛(wèi)星為保證相機成像品質(zhì)，對衛(wèi)星軌道測量精度提出了高要求，其事后軌道三軸測量精度要求優(yōu)于20cm。為實現(xiàn)衛(wèi)星的高精度定軌，ZY-3衛(wèi)星采用雙頻GPS系統(tǒng)加激光角反射器組合的方式來完成衛(wèi)星的精密定軌任務。雙頻GPS系統(tǒng)接收兩頻段GPS導航信號，對導航信號的載波相位和偽距進行測量形成原始測量信息，這些信息被存儲在授時與數(shù)據(jù)存儲單元內(nèi)。當衛(wèi)星通過地面站時，將所有測量得到的原始測量數(shù)據(jù)通過數(shù)傳分系統(tǒng)發(fā)送地面。地面應用系統(tǒng)對這些原始測量數(shù)據(jù)進行分類、識別、處理和計算，從而完成衛(wèi)星精密軌道的確定。

同時為確保定軌精度，ZY-3衛(wèi)星還安裝了激光角反射器用于地面激光測距系統(tǒng)對衛(wèi)星進行軌道精測，用以驗證雙頻GPS系統(tǒng)的測量結果。

ZY-3衛(wèi)星發(fā)射后，開展了精密定軌驗證。通過對重疊弧段數(shù)據(jù)的互差和殘差分析，來驗證衛(wèi)星精密定軌能力。分析結果表明在重疊弧段內(nèi)衛(wèi)星軌道的切向、法向、徑向等3個方向精度均優(yōu)于5cm，且GPS觀測數(shù)據(jù)的品質(zhì)和接收機鐘都較為穩(wěn)定。綜合上述結果，ZY-3衛(wèi)星的軌道測量精度為三軸5～7cm，滿足用戶使用要求。

（5）高時間同步精度

為保證圖像定位精度，衛(wèi)星各分系統(tǒng)需工作在同一時間基準下，各系統(tǒng)間時間同步精度要求為優(yōu)于50μs。為實現(xiàn)該目標，衛(wèi)星設計了一整套時間同步系統(tǒng)，使各分系統(tǒng)設備工作在統(tǒng)一的時間源上。

ZY-3衛(wèi)星時間同步系統(tǒng)使用雙頻GPS系統(tǒng)作為基準時鐘源，利用GPS信號的整秒特性使接收機在正常工作階段每個整秒時刻都將產(chǎn)生一個秒脈沖信號，其精度達到1μs。該信號經(jīng)過放大與整形發(fā)送給整星其它分系統(tǒng)，各分系統(tǒng)以收到的秒脈沖信號為基準調(diào)整自身的時間系統(tǒng)，從而實現(xiàn)整星內(nèi)部的時間同步。在GPS接收機發(fā)射秒脈沖信號的同時，接收機還將該秒脈沖信號對應的時間數(shù)據(jù)通過1553B總線進行廣播，各分系統(tǒng)通過總線及時得到收到的脈沖信號對應的具體時間信息，通過內(nèi)部數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)脈沖信號與時間數(shù)據(jù)的匹配，進而實現(xiàn)衛(wèi)星完整有效的時間同步。在衛(wèi)星測試階段，整星的時間同步精度優(yōu)于20μs，滿足衛(wèi)星設計要求。

（6）高穩(wěn)定性結構設計

為實現(xiàn)ZY-3衛(wèi)星提出的高圖像定位精度要求，測量部件與測繪相機之間連接結構的在軌穩(wěn)定性成為結構設計的重點。在構形布局設計上，將3臺星敏感器與測繪相機的一體化布局，以減小在軌溫度變化引起星敏感器和相機的相對指向變化。在材料選擇上，采用低膨脹系數(shù)的復合材料成形，以降低支架結構熱變形對溫度的敏感性，配合高精度熱控從源頭上控制引起相機指向變化的因素。

在衛(wèi)星研制過程中，開展了多次穩(wěn)定性專項試驗驗證工作，利用MSC/PATRAN建立了整星級在軌熱穩(wěn)定性分析模型（如圖4所示），整星溫度場采用分析及熱試驗數(shù)據(jù)，對在軌星敏感器及相機指向進行仿真分析，結果顯示成像期間星敏感器與相機之間相對指向變化不大于0.5″。根據(jù)衛(wèi)星在軌初期星敏感器測量數(shù)據(jù)，初步顯示3臺星敏感器之間夾角穩(wěn)定性良好，能夠滿足衛(wèi)星使用要求，目前正在開展進一步的數(shù)據(jù)分析與評估工作。

3 在軌數(shù)據(jù)評價及應用情況

3.1 在軌數(shù)據(jù)評價

截至2012年4月20日，衛(wèi)星完成全部在軌測試工作，測試結果表明“資源三號”測繪衛(wèi)星衛(wèi)星系統(tǒng)功能和性能全面滿足指標要求，定位精度等關鍵指標優(yōu)于技術要求，衛(wèi)星滿足1∶50 000立體測圖精度要求，滿足1∶25 000地圖修測與更新精度要求。

2012年1月11日衛(wèi)星獲取大連地區(qū)影像，影像范圍為50km×50km，影像為平原和丘陵地形。如圖5所示，為開展評測工作，在地面量測了18個外業(yè)控制點坐標，精度優(yōu)于0.1m，像點量測精度為0.5像元。利用其中4個控制點，生成高精度數(shù)字正射影像，采用其余14個控制點作檢查點，獲得衛(wèi)星外方位元素標定值，評測衛(wèi)星有控制點平面精度和高程精度。利用第一軌外方位元素標定值和有控制點評測方法，開展了對平地、山地、高山地等多種地形的無控制點定位精度和有控制點定位精度統(tǒng)計工作，結果為衛(wèi)星無控制點定位精度小于25m，有控制點平面精度優(yōu)于2.28m，高程精度優(yōu)于1.6m。

2012年2月9日至2月18日在河北安平縣北50km×10km范圍內(nèi)，共布設32個40m×40m專業(yè)測繪標志，如圖6所示，對測繪相機內(nèi)方位元素和在軌MTF進行檢校，利用內(nèi)方位元素標定后全控制點情況下兩個方向的標定精度均優(yōu)于0.13像元。三線陣相機和多光譜相機的在軌MTF大于0.12，滿足指標要求。

3.2 在軌應用情況

ZY-3衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)已經(jīng)廣泛用于測繪產(chǎn)品的制圖和生產(chǎn)，形成DSM、DOM、DEM和DLG等系列測繪產(chǎn)品。前正后視影像利用控制點平差后，采用密集匹配技術生產(chǎn)該區(qū)域的DSM如圖7所示，在此基礎上生產(chǎn)正射影像如圖8所示。

在此基礎上制作了DLG產(chǎn)品以及紅綠立體影像，以大連地區(qū)為例，DLG產(chǎn)品如圖9所示，紅綠立體影像圖如圖12所示。

4 結束語

ZY-3衛(wèi)星是我國首顆由幾何定性遙感到幾何定量遙感的衛(wèi)星，在軌測試顯示，衛(wèi)星影像清晰，三線陣、多光譜相機內(nèi)方位元素保持高精度穩(wěn)定，外方位元素（姿態(tài)、軌道、時間）精度保持穩(wěn)定，經(jīng)過地面幾何檢校后，定位精度達到國際先進水平；高碼速率正交圓極化頻率復用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)工作穩(wěn)定，達到國際領先水平。標志著我國幾何高精度衛(wèi)星平臺、載荷和地面處理水平達到了國際先進水平，具有更廣闊的應用前景。

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