莫凡 曹海翊 劉希剛 張新偉 高洪濤 黃縉

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

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大比例尺航天測繪系統(tǒng)體制研究

莫凡 曹海翊 劉希剛 張新偉 高洪濤 黃縉

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

航天測繪可通過多臺線陣相機立體成像、單臺線陣相機姿態(tài)機動成像、面陣相機立體成像等多種體制實現(xiàn)。文章針對大比例尺(1∶5000～1∶2000)航天測繪任務(wù)的實際應(yīng)用需求，提出了降軌雙線陣立體成像、雙星編隊立體成像等新型實現(xiàn)體制，從原理上分析了不同體制的技術(shù)特點，研究了不同體制對于系統(tǒng)設(shè)計、有效載荷、衛(wèi)星平臺、地面處理等環(huán)節(jié)的要求，從測繪效率、測繪精度、工程實現(xiàn)難度等方面對可行的體制進行了比較，可為我國大比例尺航天測繪系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

大比例尺；航天測繪；立體成像衛(wèi)星；測繪體制

1 引言

基礎(chǔ)地理信息是我國數(shù)據(jù)量最大、覆蓋面最寬、應(yīng)用面最廣的信息資源之一，其中，1∶5000、1∶2000等大比例尺地形圖，能夠同時提供目標的高分辨率地理環(huán)境影像信息及目標的精確定位數(shù)據(jù)，具有廣泛的經(jīng)濟、社會發(fā)展用途和軍事用途。測繪我國境內(nèi)及全球重點、熱點地區(qū)大比例尺的地形圖產(chǎn)品，能夠有效滿足我國國民經(jīng)濟建設(shè)對于城市地區(qū)大比例尺地形圖的需要以及全球范圍重要目標區(qū)精確測繪的戰(zhàn)略需求。

航天測繪一般通過攝影測量的方式實現(xiàn)，即利用攝影手段獲取目標物的影像數(shù)據(jù)，從中提取空間物體的幾何信息，其比例尺與圖像分辨率、幾何定位精度直接相關(guān)，而后者又與衛(wèi)星軌道高度、平臺控制精度及相機的內(nèi)部精度等相關(guān)。近年來，國外中大比例尺測繪衛(wèi)星呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢，美國等國家的高水平衛(wèi)星得益于其先進的有效載荷、高精度定姿與定軌等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)米級的無地面控制幾何定位精度，具有測制1∶5000比例尺地圖的能力[1]。國內(nèi)目前廣泛應(yīng)用航空影像繪制1∶5000等大比例尺地理信息產(chǎn)品，但隨著航天技術(shù)的發(fā)展，我國發(fā)展大比例尺衛(wèi)星測繪，實現(xiàn)優(yōu)于0.5 m全色、2 m多光譜的甚高分辨率光學(xué)立體測繪能力是一種必然，以滿足日益迫切的1∶5000～1∶2000比例尺地形圖和基礎(chǔ)地理信息生產(chǎn)的需要[2]。國內(nèi)外航天測繪大多采用了單星多線陣和單星單線陣的技術(shù)體制[3]，但隨著比例尺的進一步增大，精度的進一步提高，僅靠現(xiàn)有體制已經(jīng)不能完全滿足大比例尺地形圖測制的需求。

本文圍繞大比例尺立體測繪任務(wù)，在航天領(lǐng)域目前常用的測繪體制基礎(chǔ)上，提出了新型體制，并對不同的體制開展了全方位研究，給出了工程實現(xiàn)性最優(yōu)的建議，可為我國發(fā)展大比例尺測繪衛(wèi)星提供參考。

2 技術(shù)路線概述

航天測繪任務(wù)需要通過立體影像獲取高程信息。對于大比例尺測繪，需要實現(xiàn)米級無控制點定位精度和亞米級圖像分辨率，如果采用類似日本先進陸地觀測衛(wèi)星(ALOS)、中國資源三號衛(wèi)星的三線陣測繪體制，需要安裝3臺分辨率優(yōu)于0.5 m的高精度相機用于立體影像的獲取，相機規(guī)模大，遠遠超出現(xiàn)有衛(wèi)星平臺的承載能力，工程上不具備可實現(xiàn)性。因此，綜合考慮技術(shù)本身的可行性并參考國外高精度光學(xué)遙感衛(wèi)星的實現(xiàn)方式，提出單星雙線陣、單星單線陣、單星面陣和雙星編隊4類立體成像體制，在此基礎(chǔ)上研究了每種體制對應(yīng)的實現(xiàn)方式，其技術(shù)路線圖如圖1所示。

3 測繪體制研究

3.1 單星實現(xiàn)立體成像

3.1.1 基于雙線陣體制的立體成像方式

雙線陣立體成像屬于傳統(tǒng)的立體測繪衛(wèi)星成像模式，衛(wèi)星上安裝2臺具有一定夾角的線陣相機，在同一軌道周期內(nèi)通過不同角度觀測同一地物形成立體像對，最終得到平面和高程信息。該成像體制使得衛(wèi)星可連續(xù)觀測獲取地面重疊影像，測繪效率較高，而且2臺相機安裝在同一基準上，相機夾角在軌可維持較高的穩(wěn)定性，有利于高定位精度的實現(xiàn)。雙線陣立體成像示意見圖2。

1)常規(guī)雙線陣立體成像

目前國內(nèi)已發(fā)射的資源三號、天繪一號等測繪衛(wèi)星均選擇了高度為500 km左右的太陽同步軌道。因此，常規(guī)雙線陣立體成像體制，是指選擇在500 km左右高度的常規(guī)軌道下利用雙線陣相機獲取立體影像的測繪體制。

常規(guī)雙線陣測繪體制的優(yōu)點，在于兩臺相機之間通過高穩(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)固連，在軌穩(wěn)定性可以得到較好保證，而且對于軌道維持能力、姿態(tài)機動能力需求不大，利于工程實現(xiàn)。同時，相比于單線陣立體成像的方式，由于衛(wèi)星一次成像可同時獲取兩個不同角度的觀測影像，其效率相對較高，更適用于大區(qū)域測繪。不過，滿足大比例尺測繪任務(wù)要求的高精度雙線陣相機規(guī)模較大，對于衛(wèi)星平臺的承載要求極高。

以實現(xiàn)1∶5000比例尺測繪任務(wù)為例，常規(guī)雙線陣體制的關(guān)鍵技術(shù)指標需求如表1所示。

此外，考慮到常規(guī)雙線陣體制實現(xiàn)大比例尺測繪對外方位元素誤差的要求極為嚴格，其中角元素的誤差量級必須達到亞角秒級，因此，可以考慮在星上配置激光測距儀，在成像期間獲取部分地物點的高度信息，地面處理時參與圖像平差，能夠有效提高圖像的高程定位精度。

表1 常規(guī)雙線陣關(guān)鍵技術(shù)指標需求Table 1 Pivotal technique specification requirement of regular bi-linear array system

2)降軌雙線陣立體成像

降軌雙線陣立體成像體制，是指將常規(guī)雙線陣立體成像衛(wèi)星的軌道高度從500 km左右降至300～350 km太陽同步近圓軌道的測繪體制。

降軌后有效載荷可在常規(guī)軌道實現(xiàn)1∶10 000比例尺測繪任務(wù)的測繪相機基礎(chǔ)上適應(yīng)性修改，載荷研制難度大大降低，質(zhì)量也只有常規(guī)體制載荷的1/2左右，對于衛(wèi)星平臺及運載火箭承載能力的要求降低。而且，根據(jù)文獻[4]給出的空間交會高程誤差計算公式，軌道高度降低后高程誤差同步下降，因此軌道降低后外方位元素中角元素對定位精度的影響程度明顯降低，相比常規(guī)軌道的體制，可適當(dāng)放寬對其的精度要求，更利于工程實現(xiàn)?？臻g交會高程誤差計算公式為

(1)

式中：σh為高程誤差；H為軌道高度；B為基線長度；σφ、σk分別為星測俯仰軸、偏航軸角元素誤差；α為前視/后視角度；Y為成像幅寬的一半；p為地面像元分辨率；σZ為攝站線元素誤差，σZ相比角元素誤差來說影響較小。

不過，降軌后軌道半長軸衰減較快，對衛(wèi)星平臺的推進能力要求很高。以在軌壽命8年的典型遙感衛(wèi)星為例，在300km、325km和350km三種典型軌道高度下雙組元燃料需求量的計算結(jié)果如表2所示。其中，燃料需求量的大部分用于軌道維持，其余用于初軌捕獲、壽命期間姿態(tài)控制等?？梢钥闯?，對于降軌體制，化學(xué)推進方式需要的燃料量過大，已不具有工程可實現(xiàn)性，必須考慮效率更高的推進方式。

表2 典型遙感衛(wèi)星降軌后軌道維持所需雙組元燃料量Table 2 Bipropellant fuel requirement for orbit maintain of typical remote sensing satellite after orbit descending kg

若采用比沖達到3000 s的電推進系統(tǒng)，推進效率相比雙組元推進系統(tǒng)大大提高，燃料攜帶量大幅度減少[5]，不同軌道高度所需燃料量如表3所示。

表3 采用電推進系統(tǒng)所需燃料量Table 3 Fuel requirement for electric propulsion system

在使用兩臺推力為160 mN的電推力器的前提下，每圈需要軌控時間的計算結(jié)果如表4所示。即使按照衰減速度最快的300 km軌道考慮，每圈也僅需24 min執(zhí)行軌控任務(wù)，不到整圈時間的1/3，留給執(zhí)行測繪成像任務(wù)的時間十分充裕。且通過增加基于成像任務(wù)規(guī)劃的自主軌控功能，可以有效減少地面干預(yù)的工作量。

表4 降軌后平均每圈所需軌控時間Table 4 Average time requirement of orbit maintain after orbit descending

3)單鏡頭雙線陣立體成像

利用單鏡頭雙線陣測繪相機可以獲取基高比小于0.1的立體影像，其優(yōu)點是可以避免常規(guī)大基高比立體測繪存在的多次成像輻射差異、高層建筑物遮擋、幾何變形等問題[6]，可實現(xiàn)城市和復(fù)雜地區(qū)多尺度全方位立體測繪。

我國目前的航天測繪系統(tǒng)為了獲得滿足要求的高程精度，基本上都采用大基高比(約為0.6～1)的方案。對于復(fù)雜地物尤其是城市地區(qū)而言，由于建筑物密集、高低起伏變化大等特點，利用傳統(tǒng)大基高比進行城市測繪將帶來很多不利因素，主要包括攝影死區(qū)多(如圖3所示)、幾何變形大、輻射對比差異大、圖像匹配相關(guān)性小等。

不過，基高比變小對高程精度影響較大，為實現(xiàn)大比例尺測繪要求的精度指標，需要解決一系列的關(guān)鍵問題，例如實現(xiàn)優(yōu)于1/30像元的匹配精度、確保二維離散采樣的保真度、設(shè)計與研制單鏡頭雙線陣高分辨率測繪相機系統(tǒng)等。

3.1.2 基于單線陣體制的立體成像方式

單線陣測繪體制需要通過調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)來調(diào)整相機的光軸指向，以獲得同一地物、不同觀測方向的重疊影像，構(gòu)成立體像對，如圖4所示。

這種成像模式對衛(wèi)星平臺的姿態(tài)機動能力提出了較高要求，不僅需要具備滾動和俯仰軸姿態(tài)快速機動的能力或者持續(xù)跟蹤預(yù)定角速度曲線的能力，還要求姿態(tài)機動時間盡量縮短，以提高立體測繪效率[7]。

1)單線陣被動推掃立體成像

單線陣被動推掃立體成像體制是指衛(wèi)星配置單臺單線陣相機，通過快速姿態(tài)機動調(diào)整相機指向，以獲得同一地物、不同觀測方向的重疊影像的測繪體制，如圖5所示。該體制下，衛(wèi)星在成像過程中不做姿態(tài)機動。

相比多線陣測繪體制，單線陣機動成像使得有效載荷的規(guī)模大幅度減小，解決了安裝多臺相機導(dǎo)致平臺承載能力要求過高的問題。同時，該體制可以較為靈活地實現(xiàn)立體測繪，不僅可以采用多種角度完成觀測任務(wù)，實現(xiàn)可調(diào)基高比，還可以采用同軌和異軌兩種方式形成立體影像。

以實現(xiàn)1∶5000比例尺測繪任務(wù)為例，單線陣被動推掃體制的關(guān)鍵技術(shù)指標需求如表5所示。

表5 單線陣被動推掃關(guān)鍵技術(shù)指標需求Table 5 Pivotal technique specification requirement of single-linear array passive push-broom system

該體制存在的主要問題是測繪效率不高以及技術(shù)實現(xiàn)難度大。與雙線陣體制相比，效率僅達到20%～30%，且對衛(wèi)星機動前后甚至過程中的姿態(tài)穩(wěn)定度及指向精度均有較高要求，系統(tǒng)控制難度較大，此外，衛(wèi)星機動過程前后還應(yīng)保證定軌、定姿等高精度測量設(shè)備能夠具備正常工作狀態(tài)，單機設(shè)備研制難度較大。

2)單線陣主動推掃立體成像

單線陣主動推掃立體成像體制是指衛(wèi)星配置單臺單線陣相機，正向正常推掃后，結(jié)合姿態(tài)機動建立反向掃描速度，獲得同一地物、不同觀測方向的重疊影像的測繪體制。該體制下，衛(wèi)星第二次成像為動中成像。

如圖6所示，衛(wèi)星在由位置1飛行至位置2的過程中成像且不做姿態(tài)機動，由位置2飛行至位置3的過程中俯仰機動建立反向姿態(tài)，由位置3飛行至位置4的過程中平臺提供反向掃描速度同時衛(wèi)星成像。在具體方案設(shè)計中，位置3與位置4之間衛(wèi)星跟蹤預(yù)定的角速度曲線，以實現(xiàn)反向主動推掃地速與正向正常推掃地速相等，保證相機的積分時間與正向推掃相同。

此模式在姿態(tài)機動能力相當(dāng)?shù)那疤嵯拢啾葐尉€陣被動推掃立體成像能夠掃描更多的條帶，實現(xiàn)更大的成像范圍。經(jīng)過仿真分析，效率可達到雙線陣體制的70%～80%。此模式對平臺能力要求更高，要求衛(wèi)星在沿跡反方向通過俯仰機動建立預(yù)定的主動回擺角速度，以滿足TDICCD相機成像要求，還要求相機的TDICCD器件具有正反雙向推掃成像的功能。

以實現(xiàn)1∶5000比例尺測繪任務(wù)為例，單線陣主動推掃體制的關(guān)鍵技術(shù)指標需求如表6所示。

表6 單線陣主動推掃關(guān)鍵技術(shù)指標需求Table 6 Pivotal technique specification requirement of single-linear array initiative push-broom system

3.1.3 基于面陣體制的立體成像方式

面陣成像類似傳統(tǒng)框幅式成像原理，能夠在很短的曝光時間內(nèi)對指向的大面積區(qū)域進行成像，每幅圖像內(nèi)各像點的空間幾何關(guān)系十分嚴格，對衛(wèi)星外方位元素要求低，相對線陣方式更易于實現(xiàn)高精度測繪[8]，如圖7所示。存在的問題是大尺寸面陣器件難以獲得，可以考慮通過多面陣拼接或者敏捷拼幅的方式降低對面陣器件的尺寸要求。

1)多面陣拼接立體成像

多面陣拼接立體成像體制是指測繪相機中多個小的面陣CCD芯片拼接成大面陣，使相機成像覆蓋范圍實現(xiàn)任務(wù)要求指標，進而利用面陣像對獲取立體影像的測繪體制，如圖8所示。

多個CCD拼接目前主要有3種實現(xiàn)途徑，包括CCD視場拼接方式、CCD棱鏡拼接方式和反射式拼接方式?？紤]到CCD視場拼接方式不是同一時刻曝光，測繪應(yīng)用地面處理時較為復(fù)雜，一般采用棱鏡拼接和全反射式拼接方式。

在實際工程應(yīng)用中，需要攻克面陣拼接工藝、相機雙向大視場等技術(shù)難點[9]，同時還需要解決大視場相機低畸變及其穩(wěn)定性問題。

2)單面陣敏捷拼幅立體成像

單面陣敏捷拼幅立體成像體制是指衛(wèi)星配置不經(jīng)CCD拼接的單面陣測繪相機，通過多次快速姿態(tài)機動調(diào)整相機指向，以獲取滿足地面覆蓋范圍要求的立體影像的測繪體制，如圖9所示。

采用單面陣相機可以避免難度較大的面陣CCD拼接工藝問題以及接縫處的圖像處理問題，該方式首先通過姿態(tài)敏捷機動的方式進行同軌多條帶拼幅成像，以擴大成像幅寬，此后利用俯仰機動實現(xiàn)對上述條帶的不同角度觀測，利用重疊影像構(gòu)成立體像對。但在實際應(yīng)用中，存在首次和末次成像角度較大、測繪效率不高、對衛(wèi)星平臺敏捷機動能力要求高等問題。

3.2 雙星實現(xiàn)立體成像

雙星編隊立體成像是指用兩顆單線陣衛(wèi)星在同軌或異軌通過不同角度觀測同一地物，獲得不同觀測方向重疊影像，構(gòu)成立體像對的方式，見圖10。該體制相比單星雙線陣模式，單顆衛(wèi)星有效載荷規(guī)模小，平臺易于承載，并且同軌或異軌立體成像方式使得測繪方式更為靈活；相比單星單線陣姿態(tài)機動模式，無須機動即可推掃立體像對，不用考慮解決難度較大的姿態(tài)機動及穩(wěn)定過程中保持高定位精度的問題。

處理兩顆衛(wèi)星拍攝得到的立體像對時，需要高精度地確定雙星的星間距離以作為測量基線。基線的確定可以通過單星的雙頻GPS精密定軌直接實現(xiàn)，也可以通過星間測距的方式實現(xiàn)[10]。后者的主要手段包括GPS星間測距、激光星間測距和K頻段測距(K Band Ranging，KBR)3種。其中，GPS星間測距需要由一顆衛(wèi)星向另一顆衛(wèi)星發(fā)送自身采集的GPS原始測量數(shù)據(jù)，通過相對差分計算，給出雙星的相對位置、相對速度等信息；激光星間測距采用有源激光雷達，直接獲取雙星距離；KBR星間測距通過兩顆衛(wèi)星互相發(fā)射和接收K/Ka頻段連續(xù)微波信號，并測量相位的變化，從而測量出雙星距離。上述3種星間基線的測量方法有各自的適用范圍和測量精度，表7中進行了總結(jié)，可以看出，KBR測距具有一定優(yōu)勢。

基線測量方法適用范圍測量精度單星GPS定軌不限10cm量級GPS差分30km以內(nèi)cm量級激光雷達10km量級mm量級KBR1000km以內(nèi)10μm量級

4 各體制優(yōu)缺點比較

本文提出的8種大比例尺測繪實現(xiàn)方式中，常規(guī)雙線陣、降軌雙線陣、單鏡頭雙線陣、單線陣被動推掃和雙星編隊5種方式，相比其它3種方式更為可行。現(xiàn)從測繪效率、測繪精度等方面對5種體制進行比較，為體制選擇提供參考。

假設(shè)衛(wèi)星軌道高度500 km，單次成像工作時間10 min，前后視成像方向夾角為31°，衛(wèi)星姿態(tài)測量誤差為0.4″，姿態(tài)穩(wěn)定度為3×10-5(°)/s，軌道測量誤差為0.1 m，相機夾角穩(wěn)定性為0.1″。測繪效率、測繪精度和工程實現(xiàn)難度的比較結(jié)果見圖11、表8和表9。

測繪體制軌道高度/km高程精度(無控制點)/m備注常規(guī)雙線陣5001.34 按3×10-5(°)/s考慮姿態(tài)穩(wěn)定度降軌雙線陣3250.93單鏡頭雙線陣5003.68 按2°考慮前后視成像角度單線陣被動推掃5001.83 考慮機動穩(wěn)定至3×10-5(°)/s以及機動引起的相機夾角穩(wěn)定性誤差雙星編隊5001.39 星間測距精度按50μm考慮

表9 工程實現(xiàn)難度比較Table 9 Comparison of project implementation difficulty

從對比結(jié)果來看，單鏡頭雙線陣體制測繪精度較差，雙星編隊體制成本較高，而常規(guī)雙線陣體制對衛(wèi)星有效載荷、平臺和運載火箭均要求較高。因此，降軌雙線陣、單線陣被動推掃是更為適合大比例尺航天測繪的體制。

5 結(jié)論

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，地理信息產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國民經(jīng)濟新的增長點，對大比例尺測繪影像的需求異常迫切?，F(xiàn)階段，民用空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)穩(wěn)步推進，衛(wèi)星研制水平不斷提升，逐步攻克了面向1∶50 000～1∶10 000比例尺測繪應(yīng)用的米級、亞米級光學(xué)衛(wèi)星總體設(shè)計和單機研制的核心技術(shù)，推動了我國航天測繪水平的進步。

然而不可否認的是，在面向1∶5000～1∶2000大比例尺測繪應(yīng)用的光學(xué)遙感衛(wèi)星技術(shù)領(lǐng)域，尚面臨諸多亟待突破的瓶頸和難題，其中首要的就是測繪體制選擇問題。體制選擇的目的是確定大比例尺測繪衛(wèi)星采用的技術(shù)路線，是衛(wèi)星工程研制的基礎(chǔ)，決定了衛(wèi)星的總體方案和需要攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。

本文以實現(xiàn)大比例尺航天測繪任務(wù)為前提，研究了多種測繪體制的技術(shù)特點與應(yīng)用需求。在提出降軌雙線陣、雙星編隊等新型體制的同時，對各體制的優(yōu)缺點進行了比較。分析結(jié)果表明：降軌雙線陣體制能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)于1 m的高程定位精度，單線陣被動推掃體制可有效避免衛(wèi)星平臺的承載能力局限且使用方式更為靈活。上述兩種體制技術(shù)原理清晰、工程途徑可行，是大比例尺測繪任務(wù)可以采用的體制。

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(編輯：張小琳)

Research on Space Mapping System with Large Scale

MO Fan CAO Haiyi LIU Xigang ZHANG Xinwei GAO Hongtao HUANG Jin

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

Space mapping can be achieved through a variety of ways,such as stereo imaging by multiple linear array cameras,attitude maneuver imaging by single linear array camera,stereo imaging by plane array camera and so on. In view of the practical application requirements of large scale(1∶5000～1∶2000) space mapping mission,new systems are brough forth,such as stereo imaging by orbit descending bi-linear array and stereo imaging by bi-satellite formation. The technical characteristics of different systems are analyzed in principle,and the requirements of diffe-rent systems for the design of satellite system,payload,satellite platform,ground data processing and so on are studied. The feasibility of systems is compared from the aspects of mapping efficiency,mapping accuracy,project implementation difficulty,and so on. This reaseach of the paper provides reference for the construction of large scale space mapping system in China.

large scale; space mapping; stereo imaging satellite; mapping system

2016-12-29；

2017-01-16

莫凡，男，工程師，從事遙感衛(wèi)星總體設(shè)計工作。Email：376780908@qq.com。

V474.2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.003