航天測繪發(fā)展現(xiàn)狀與展望

楊元喜，王建榮，樓良盛，孫中苗，肖云，繆毓喆

1. 地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191 2. 西安測繪研究所，西安 710054

1 國際航天測繪發(fā)展概況

航天測繪是利用航天飛行器搭載有效載荷進(jìn)行對(duì)地觀測，并測制各類測繪產(chǎn)品，包括衛(wèi)星大地測量和衛(wèi)星地形測量等。

衛(wèi)星大地測量又分為衛(wèi)星定位和衛(wèi)星物理大地測量。衛(wèi)星定位主要包括早期美國的衛(wèi)星多普勒定位和后來應(yīng)用廣泛的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLONASS、中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BDS、歐盟的Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等)，關(guān)于衛(wèi)星定位與導(dǎo)航的文獻(xiàn)很多，不是本文討論的重點(diǎn)，不再贅述。衛(wèi)星物理大地測量包括衛(wèi)星重力測量和衛(wèi)星磁力測量。衛(wèi)星重力測量包括衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星重力測量(包括高-低衛(wèi)星跟蹤和低-低衛(wèi)星跟蹤)、衛(wèi)星重力梯度測量、衛(wèi)星海洋測高(包括激光測高、微波干涉海洋測高)反演重力場等；衛(wèi)星磁力測量才剛剛起步，包括磁強(qiáng)計(jì)陸海磁力測量等。衛(wèi)星地形測量包括光學(xué)攝影地形測量、衛(wèi)星SAR地形測量等。

20世紀(jì)80年代，美國首先提出MAPSAT航天測繪設(shè)想[1]，即利用衛(wèi)星搭載三線陣相機(jī)實(shí)現(xiàn)全球無地面控制點(diǎn)條件下的地形測量，由于該衛(wèi)星方案對(duì)硬件要求較高未立項(xiàng)研制，但該思路和設(shè)想對(duì)后續(xù)無地面控制點(diǎn)條件下的航天地形測量具有重要引導(dǎo)作用。

可以將美國航天測繪分成三個(gè)階段。第一階段——返回式測繪衛(wèi)星。1962～1972年間，共發(fā)射鎖眼-4、5、6等返回式測繪衛(wèi)星，1984年在返回式測繪衛(wèi)星上搭載大幅面相機(jī)(LFC)，實(shí)現(xiàn)了大范圍1∶10萬地圖測制；在返回式航天測繪工程中，最亮眼的應(yīng)該算1992年首飛的“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)，共執(zhí)行25次飛行，一次在軌飛行可持續(xù)28天，先后搭載立體測繪光學(xué)相機(jī)，多光譜相機(jī)等重要載荷，后期也搭載傳輸型測繪相機(jī)。該航天飛機(jī)執(zhí)行了包括被稱之為“航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪使命(shuttle radar topography mission，簡稱SRTM)”的空間飛行任務(wù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后獲取了全球數(shù)字高程模型(DEM)，將美軍當(dāng)時(shí)的全球DEM精度提高了約30倍[1-2]。

美國第二階段航天測繪——傳輸型測繪衛(wèi)星。1999年9月發(fā)射的IKONOS-2衛(wèi)星[1，3]，成為世界上首顆分辨率優(yōu)于1 m的商業(yè)遙感衛(wèi)星，全色分辨率達(dá)到0.82 m、多光譜分辨率3.28 m，實(shí)現(xiàn)了高精度無控定位，平面測定精度25 m(CE90)、高程測定精度12 m(LE90)[1，4]；2001年10月發(fā)射的Quickbird衛(wèi)星，全色分辨率達(dá)到0.61 m、多光譜分辨率2.44 m，無控定位實(shí)現(xiàn)平面測定精度23 m(CE90)、高程測定精度17 m(LE90)[1，5]；2003年10月發(fā)射的Orbview-3衛(wèi)星，全色分辨率達(dá)到1 m、多光譜分辨率4 m，無控定位能力平面11 m(CE90)、高程16 m(LE90)[1，6]。

美國第三階段航天測繪——偵測一體化衛(wèi)星。此階段美國發(fā)展航天測繪的顯著特點(diǎn)是研發(fā)了敏捷型單線陣偵測一體式衛(wèi)星[1，7]，這類衛(wèi)星成像載荷內(nèi)外方位元素精度高，采用高精度姿態(tài)控制衛(wèi)星平臺(tái)，同時(shí)衛(wèi)星平臺(tái)具備大角度快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力，能靈活實(shí)現(xiàn)同軌、異軌立體觀測成像，實(shí)現(xiàn)大比例尺測繪能力。2007年9月發(fā)射了WorldView-1衛(wèi)星，全色分辨率達(dá)到0.46 m，無控定位平面精度為4 m(CE90)、高程精度達(dá)3.7 m(LE90)(LE90)[1，8]；2009年10月發(fā)射的WorldView-2衛(wèi)星，全色分辨率達(dá)到0.46 m、多光譜1.85 m，無地面控制定位與WorldView-1相當(dāng)，平面測定精度3.5 m(CE90)、高程精度3.6 m(LE90)[1，8]；2014年8月發(fā)射WorldView-3衛(wèi)星，全色分辨率達(dá)到0.31 m、多光譜1.24 m、短波紅外7.5 m，無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月發(fā)射了WorldView-4衛(wèi)星，全色分辨率達(dá)到0.34 m、多光譜1.36 m，由于衛(wèi)星故障，2019年宣布報(bào)廢。顯然，WorldView型號(hào)衛(wèi)星既是傳輸型測繪衛(wèi)星，又是偵測一體型測繪衛(wèi)星；更進(jìn)一步，偵測一體化衛(wèi)星，必然是傳輸型衛(wèi)星，否則偵察的實(shí)時(shí)性就失去了意義。

美國于2003年1月發(fā)射的冰星ICESAT，主要搭載星載地學(xué)激光測高系統(tǒng)(GLAS)，該衛(wèi)星已經(jīng)獲取了大量的高程數(shù)據(jù)，為研究南極地區(qū)高精度的DEM 提供了的重要信息源。ICESAT還可以服務(wù)于極地冰雪變化和冰川動(dòng)力學(xué)研究[1，10]。

俄羅斯也是從膠片返回式測繪衛(wèi)星起步，20世紀(jì)60年代到20世紀(jì)末，主要有“天頂(Zenit)”系列返回式測繪衛(wèi)星。1976-1982年間發(fā)射23顆 “天頂-4MT”和6顆搭載東方號(hào)載人飛船發(fā)射的“天頂-8”試驗(yàn)星， 1984-1994年間共發(fā)射一百余顆業(yè)務(wù)星[1，11]；20世紀(jì)70年代到21世紀(jì)初，共發(fā)射21顆“琥珀(Yantar)”衛(wèi)星，搭載TK-350、KFA-1000等測繪相機(jī)，立體重疊率達(dá)到60%，測制了全球范圍1:5萬基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)。

俄羅斯航天測繪的第二階段也是傳輸型測繪衛(wèi)星，先后發(fā)射了Yantar-4KS1等傳輸型測繪衛(wèi)星；1994年俄羅斯還發(fā)射了Almaz測繪衛(wèi)星[1，12]；2015年開始，先后發(fā)射6顆獵豹-M1光學(xué)測繪衛(wèi)星，搭載雙線陣立體相機(jī)和激光測高系統(tǒng)，分辨率1.1 m；2016年開始發(fā)射系列“資源(Resurs)”衛(wèi)星，其全色分辨率1 m、多光譜分辨率4 m，具備無控定位和立體測繪能力[1，13]。

歐洲航天測繪的發(fā)展多點(diǎn)開花。1991年歐空局發(fā)射ERS-1干涉測量衛(wèi)星[1，14]，1993年德國的MOMS衛(wèi)星工程，搭載立體相機(jī)，期望實(shí)現(xiàn)無地面控制點(diǎn)條件下的航天測繪，最終該工程需要少量地面控制點(diǎn)參與方可實(shí)現(xiàn)高精度測繪[1，15]；法國是歐盟中航天測繪比較發(fā)達(dá)的國家，從1986年起先后成功發(fā)射了7個(gè)系列的SPOT系列衛(wèi)星[1，16-17]，其中2002年5月發(fā)射的SPOT5衛(wèi)星搭載高分辨率幾何成像裝置(HRG)、高分辨率立體成像裝置(HRS)以及寬視域植被探測儀(VGT)等，通過超分辨率重建影像分辨率可達(dá)2.5 m，實(shí)現(xiàn)了高精度測繪[1，18]；而其后續(xù)的SPOT7已經(jīng)實(shí)現(xiàn)1.5 m的分辨率對(duì)地觀測，并具備立體測圖能力。在發(fā)展SPOT6、7系列的同時(shí)，法國又發(fā)展普萊亞(Pleiades)衛(wèi)星，空間分辨率達(dá)到0.5 m[1，19]，與SPOT6、7衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)一天內(nèi)對(duì)目標(biāo)的多次重訪。此外，法國還擁有1999年、2004年發(fā)射的HELIOS-1(1 m)和HELIOS-2A(0.5 m) 軍事偵察/測繪衛(wèi)星[1，20]。2006年德國航天局批準(zhǔn)全面實(shí)施TanDEM-X計(jì)劃(TerraSAR-X數(shù)字高程測量)，采用星載雷達(dá)干涉儀測制全球數(shù)字高程模型[1，21]。

我們周邊國家在航天測繪領(lǐng)域也爭相發(fā)展。1988年印度發(fā)射IRS1A測圖衛(wèi)星[1，22]，1992年日本發(fā)射JERS-1測圖衛(wèi)星[1，23]，2006年1月，日本成功發(fā)射ALOS1衛(wèi)星，該衛(wèi)星載有三個(gè)核心載荷，即全色遙感立體測繪儀(PRISM)、先進(jìn)可見光與近紅外輻射計(jì)-2(AVNIR-2)、相控陣型L波段合成孔徑雷達(dá)(PALSAR-單SAR體制)。PRISM主要用于陸地地形精確觀測，AVNIR-2主要用于數(shù)字高程測繪，而PALSAR用于全天時(shí)全天候陸地地形觀測[1，24]。

除了航天地形測繪外，衛(wèi)星重力、衛(wèi)星海洋測高等也取得長足進(jìn)展。

歐美國家已經(jīng)先后發(fā)射了4顆重力衛(wèi)星。2000年德國發(fā)射了CHAMP衛(wèi)星，將全球重力場恢復(fù)至70階左右[1，25]；2002年美德合作發(fā)射了GRACE衛(wèi)星，將全球重力場恢復(fù)至120階左右，同時(shí)測量了重力場的時(shí)變信息[1，26-27]。2009年歐空局發(fā)射GOCE衛(wèi)星，將全球靜態(tài)重力場恢復(fù)至200階左右[1，28]。2018年發(fā)射GRACE-FO衛(wèi)星[1，29]，接替GRACE衛(wèi)星，搭載了激光干涉鏈路，可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)超高精度的星間距離觀測。

在海洋衛(wèi)星測高領(lǐng)域，自20世紀(jì)70年代以來，全世界已成功發(fā)射近20顆海洋測高衛(wèi)星，大致分為三個(gè)階段。

第一階段，即1973年至1991年期間，全球海洋測高衛(wèi)星包括GEOS-3，SEASAT、GEOSAT和ERS-1[1，30]，衛(wèi)星測高精度接近分米量級(jí)。

第二階段，以1992年Topex/Poseidon(簡稱T/P)衛(wèi)星發(fā)射為重要標(biāo)志，得益于星載GPS技術(shù)的發(fā)展，T/P衛(wèi)星的徑向軌道精度達(dá)到約3.5 cm，此外，T/P衛(wèi)星首次搭載了用于改正電離層延遲的雙頻(Ku/C頻段)雷達(dá)高度計(jì)以及用于改正對(duì)流層水汽延遲的微波輻射計(jì)，使得海面高測量精度優(yōu)于分米級(jí)。這一階段的測高衛(wèi)星還有ERS-2、GFO、Jason-1、Envisat和Jason-2，這些衛(wèi)星均采用了有限脈沖雷達(dá)高度計(jì)[1，31]。

第三階段，以2010年發(fā)射的CryoSat-2衛(wèi)星為標(biāo)志，該衛(wèi)星首次成功采用合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)，提高了沿軌方向空間分辨率和衛(wèi)星測高精度[1，32]；2015年發(fā)射SARAL衛(wèi)星采用Ka頻段雷達(dá)高度計(jì)[1，33]，有效降低電離層變化對(duì)測量的影響；2016年發(fā)射的Sentinel-3A[1，34]、2018年發(fā)射的Sentinel-3B[1，35]和2020年發(fā)射的Jason-CS均采用合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)[1，36]。

無論是航天地形測繪還是衛(wèi)星大地測量都遵循了需求牽引與技術(shù)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)核心要素，但是技術(shù)能力的差異，導(dǎo)致航天測繪發(fā)展基本遵循了返回型、傳輸型和綜合型三個(gè)大類。如果按照航天測繪的能力標(biāo)準(zhǔn)(衛(wèi)星觀測能力、觀測分辨率、觀測精度等)也可以有其他分類方法。

2 我國第一代測繪衛(wèi)星——返回型測繪衛(wèi)星工程

20世紀(jì)70年代，以王任享為代表的中國測繪科技工作者開啟了航天對(duì)地觀測的探索與實(shí)踐。由于信息傳輸能力受限，第一代測繪衛(wèi)星主要以大幅面光學(xué)照相為主要手段，以衛(wèi)星返回方式獲取在軌攝影膠片，包括對(duì)地觀測(獲取地表影像)和對(duì)天恒星觀測(測定衛(wèi)星姿態(tài))膠片，通過對(duì)膠卷的沖洗、影像處理和姿態(tài)信息處理，獲取地表影像，進(jìn)而測制地形圖。1987～1992年分別發(fā)射5顆返回式衛(wèi)星[1，16]。軌道高度200 km，相機(jī)幅面寬度200 mm×370 mm，衛(wèi)星在軌時(shí)間一般為8 d，地面分辨率為8 m，定位精度300 m。單張相片覆蓋約5.1萬平方千米，如此寬幅的攝影觀測，影像形變改正是十分重要，變形改正難度也很大。此外，由于軌道測定精度相對(duì)較低，要想獲得全球高精度影像十分困難。

2003年，中國發(fā)射了改進(jìn)型返回式測繪衛(wèi)星，先后成功發(fā)射三顆[1，17]。軌道高度依然是200 km，相機(jī)幅面寬度230 mm×460 mm，相機(jī)增大航向像幅，則基高比得到改善，提高定位精度。衛(wèi)星在軌16 d，地面分辨率為5 m，定位精度為50 m。相比于第一階段的返回式測繪衛(wèi)星，地面分辨率提高3 m，定位精度提高6倍，由于在軌時(shí)間加長，單顆衛(wèi)星的測地時(shí)間也延長一倍。

返回式測繪衛(wèi)星的框幅相機(jī)屬于靜態(tài)攝影，影像幾何保真度好，易于實(shí)現(xiàn)，在無地面控制點(diǎn)條件下可以滿足1：5萬比例尺地形圖測制的精度要求，而且在短期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)大面積攝影覆蓋。返回型測繪衛(wèi)星開啟了中國航天測繪的新篇章，探索了航天地形測繪機(jī)理，解決了當(dāng)時(shí)我國航天測繪的有無問題，滿足了當(dāng)時(shí)國家急需，也解決了全球地形圖測繪(目標(biāo)定位)難題，為國防建設(shè)提供了重要保障。返回型測繪衛(wèi)星攝影測量理論嚴(yán)密，易于實(shí)現(xiàn)無地面控制定位。但是，返回型測繪衛(wèi)星為彌補(bǔ)云影對(duì)影像的影響及改善影像的時(shí)效性，往往要發(fā)射大量的衛(wèi)星，于是加大了航天測繪的成本，而且由于衛(wèi)星在軌時(shí)間短，有效測繪范圍相對(duì)較??；此外，由于當(dāng)時(shí)星載定軌能力較差，衛(wèi)星軌道測定精度相對(duì)較低，地形測繪精度和分辨率也相對(duì)較低。更進(jìn)一步，衛(wèi)星在軌拍攝的影像出現(xiàn)任何問題，都必須等到衛(wèi)星返回地面才能進(jìn)行分析，幾乎不可能在軌進(jìn)行改正或調(diào)整。

3 我國第二代測繪衛(wèi)星——傳輸型測繪衛(wèi)星工程

3.1 天繪一號(hào)工程

返回型測繪衛(wèi)星是當(dāng)前主流航天測繪平臺(tái)。在發(fā)展返回型測繪衛(wèi)星的同時(shí)，以王任享先生等為代表的測繪人開展了傳輸型測繪衛(wèi)星工程的論證。1996年開展了新一代測繪衛(wèi)星的相機(jī)及攝影測量理論的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，2003年創(chuàng)立了LMCCD(line-matrix CCD array)相機(jī)設(shè)計(jì)思想，解決了光束法平差中航線模型的系統(tǒng)變形問題，比較有效地解決了無地面控制點(diǎn)條件下目標(biāo)定位問題，2004年發(fā)射了“實(shí)驗(yàn)一號(hào)”衛(wèi)星，重點(diǎn)進(jìn)行三線陣立體測圖和攝影數(shù)據(jù)的星地傳輸?shù)刃录夹g(shù)試驗(yàn)，在國際上首次驗(yàn)證了基于衛(wèi)星平臺(tái)的三線陣立體攝影測量技術(shù)，為我國測繪衛(wèi)星從“返回型”跨入“傳輸型”奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有力地支撐了 “天繪一號(hào)”衛(wèi)星工程的立項(xiàng)論證。

2007年利用嫦娥一號(hào)又開展了三線陣技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐，利用西安測繪研究所自研的三線陣影像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，第一時(shí)間完成了對(duì)月球影像的測繪處理工作[1，37]。

在反復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，2010年8月正式發(fā)射第一顆傳輸型立體測繪衛(wèi)星——天繪一號(hào)01星，后續(xù)又分別發(fā)射了02、03和04星。天繪一號(hào)衛(wèi)星的軌道高度為500 km，覆蓋寬度為60 km，立體影像分辨率為5 m，全色影像分辨率為2 m(01星、02星和03星)[1，38]，多光譜影像分辨率為10 m(01星-03星)；2021年8月發(fā)射的天繪一號(hào)04星，全色影像分辨率提高到1 m，多光譜分辨率提高到4 m。

天繪一號(hào)工程的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)全球快速、精確三維測繪，可以實(shí)施全球1∶5萬地形圖基礎(chǔ)測繪。但是，天繪一號(hào)衛(wèi)星屬于光學(xué)測繪衛(wèi)星，云雨霧天無法測繪，夜晚攝影效果也較差。

3.2 天繪二號(hào)衛(wèi)星工程

天繪二號(hào)衛(wèi)星是一顆雙星編隊(duì)雷達(dá)測繪衛(wèi)星。雷達(dá)測繪衛(wèi)星的地形測繪能力包括平面定位能力和高程測量能力。平面定位能力是每顆雷達(dá)測繪衛(wèi)星均具備的基本能力，高程測量能力則有所區(qū)別。大部分雷達(dá)測繪衛(wèi)星均可使用雷達(dá)干涉(InSAR)或立體測量手段完成部分地區(qū)的高程測量，但此前國內(nèi)并沒有此類執(zhí)行測繪任務(wù)的衛(wèi)星。

早在十多年前我國就開始雷達(dá)測繪衛(wèi)星的研究與論證，2019年4月30日正式發(fā)射升空。天繪二號(hào)兩顆對(duì)等衛(wèi)星近距離繞飛編隊(duì)，采用一發(fā)雙收的雷達(dá)工作模式。天繪二號(hào)工作頻段為X波段，地面分辨率為3 m，成像帶寬約30 km，軌道高度約518 km，平面和高程絕對(duì)定位精度優(yōu)于5 m，平面與高程的相對(duì)定位精度優(yōu)于2 m，可以測制1∶5萬比例尺數(shù)字地表模型(DSM)和雷達(dá)正射影像[1，39]。

天繪二號(hào)每天工作最大75min，每天在軌產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量約為8.514 TB，雙星每天數(shù)據(jù)量則為17.028 TB。天繪二號(hào)衛(wèi)星的主要優(yōu)勢是全天時(shí)和全天候測繪。

3.3 資源系列衛(wèi)星工程

除了天繪系列測繪衛(wèi)星工程外，我國也成功發(fā)射了資源系列測繪衛(wèi)星[1，40]。

資源三號(hào)測繪衛(wèi)星2011年開始發(fā)射[1，40]，共發(fā)射三顆衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道高度約為505 km，衛(wèi)星的主要載荷包括1臺(tái)正視全色相機(jī)TDI CCD，分辨率2.5 m；2臺(tái)前、后視全色TDI CCD相機(jī)，分辨率為3.5 m；1臺(tái)多光譜相機(jī)(藍(lán)、綠、紅、近紅外)，分辨率5.8 m。幅寬約為52 km。數(shù)據(jù)傳輸頻點(diǎn)采用X波段雙通道數(shù)傳。資源三號(hào)衛(wèi)星可以測制1∶5萬地形測繪產(chǎn)品，并可實(shí)施1∶2.5萬或更大比例尺地圖更新。

3.4 高分系列衛(wèi)星工程

2019年11月，中國又成功發(fā)射高分七號(hào)測繪衛(wèi)星[1，41-42]，該衛(wèi)星的軌道高度也是505 km，成像幅寬20 km。衛(wèi)星的重要載荷主要包括1臺(tái)雙線陣立體相機(jī)，1臺(tái)雙波束激光測距儀等。激光測距精度好于0.3 m，全色影像分辨率為0.8 m，多光譜分辨率3.2 m。數(shù)據(jù)傳輸采用X波段，采用雙通道2×800 Mbit/s傳輸?？梢詼y制1:1萬地形測繪產(chǎn)品。

高分十四號(hào)衛(wèi)星也是光學(xué)測繪衛(wèi)星，主要載荷包括兩線陣測繪相機(jī)、多光譜相機(jī)、高光譜相機(jī)以及激光測距儀等。軌道高度約500 km，覆蓋寬度約40 km，激光測高精度與高分七號(hào)相當(dāng)，立體影像的地面分辨率為0.6 m，多光譜影像的分辨率為2.4 m，高光譜影像分辨率為5 m/10 m，正在開展系統(tǒng)在軌測繪性能驗(yàn)證。

高分十四號(hào)衛(wèi)星主要用于測制全球1∶1萬地形圖的衛(wèi)星，具備目標(biāo)無控高精度定位能力。衛(wèi)星每天成像需要40 min，約產(chǎn)生18 T數(shù)據(jù)，采用雙通道2×1.5 Gbit/s傳輸。其主要優(yōu)點(diǎn)是無控定位精度高、影像幅寬大、全球精度一致性好。其缺點(diǎn)依然是，云雨霧天無法進(jìn)行測繪。

4 航天測繪近期發(fā)展及未來方向

航天測繪不僅包括地形測繪還包括地球物理場測繪、海洋測繪、海底地形測繪等。在地形測繪衛(wèi)星快速發(fā)展的基礎(chǔ)上，中國地球重力場勘探衛(wèi)星——低-低跟蹤重力衛(wèi)星也即將發(fā)射組網(wǎng)，該組網(wǎng)衛(wèi)星側(cè)重地球重力場數(shù)據(jù)采集和地表溫度及地球磁場測量。設(shè)計(jì)軌道高度約500 km，兩顆衛(wèi)星相對(duì)距離220 km左右。主要載荷包括加速度計(jì)、KBR測距儀、星載GNSS接收機(jī)等。該衛(wèi)星工程的主要目標(biāo)是測定全球重力異常，進(jìn)而精化地球重力場模型，并測定時(shí)變重力場信息，構(gòu)建時(shí)變重力場模型。該組衛(wèi)星工程對(duì)監(jiān)測地表水、地下水變化、地球內(nèi)部物質(zhì)遷移、冰川融化等都具有重要科學(xué)意義[43-48]。

中國還將發(fā)射一組低-低跟蹤海洋測高衛(wèi)星，開展海洋重力場測量，同時(shí)測定海洋大地水準(zhǔn)面和海底地形。該組衛(wèi)星將采用2顆太陽同步軌道衛(wèi)星組網(wǎng)方式(同軌跟飛，相距30 km，軌道高度約900 km)，通過測定衛(wèi)星到海面的距離，進(jìn)而測定海面高，反演出全球海域格網(wǎng)重力異常和相應(yīng)的海底地形。主要載荷包括合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)，星載GNSS-R測高儀，校正輻射計(jì)，GNSS接收機(jī)和激光發(fā)射器等。

激光多波束測高衛(wèi)星也可能是未來航天測繪的發(fā)展方向之一。激光多波束具有距離測量精度高，穿透力相對(duì)較強(qiáng)的特點(diǎn)，如果匹配光學(xué)面陣相機(jī)，則可以測定衛(wèi)星到地表特定點(diǎn)的距離，經(jīng)過姿態(tài)改正可以測定地球表面的高程。如果采用極軌或近極軌衛(wèi)星，則可以測定南北極冰川高度[49-51]。

從上面陳述的各類航天測繪衛(wèi)星工程可以看出，中國航天測繪幾乎具備全要素測繪，包括地形測量、屬性測量以及重力場、磁力場、海洋大地水準(zhǔn)面等物理要素測量。但是必須認(rèn)識(shí)到，中國的航天測繪水平與國外發(fā)達(dá)國家還存在差距。首先，衛(wèi)星載荷集成度較差，大多數(shù)測繪衛(wèi)星功能單一，測繪與偵察分離，幾何要素測量與物理要素測量分離，海洋測繪與陸地測繪分離等，導(dǎo)致衛(wèi)星使用效率相對(duì)較低，保障修效率更低；其次，各衛(wèi)星沿著相互獨(dú)立的軌道運(yùn)行，有的多組衛(wèi)星處于相同的軌道面，衛(wèi)星與衛(wèi)星之間沒有形成整體組網(wǎng)能力，導(dǎo)致衛(wèi)星整體組網(wǎng)、多衛(wèi)星空間配合能力較低；最后，各衛(wèi)星在軌工作期間智能感知能力較弱，經(jīng)常導(dǎo)致重復(fù)觀測和無效觀測。

為了提高航天測繪效率，測繪衛(wèi)星主要有三個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向。

1)從載荷單一型向載荷集成型測繪衛(wèi)星轉(zhuǎn)變。注重一星多用，實(shí)現(xiàn)幾何地形要素、物理屬性要素和地球重力場、磁力場等要素整體感知，甚至實(shí)現(xiàn)海洋和陸海測繪要素整體感知。

2)從載荷集成型衛(wèi)星向高密度敏捷型和微小型測繪衛(wèi)星配套組網(wǎng)方式轉(zhuǎn)變。注重靈活組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)在軌衛(wèi)星優(yōu)化組網(wǎng)、載荷優(yōu)化配置、功能優(yōu)化互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)全天候、全天時(shí)全球感知，實(shí)現(xiàn)地表信息快速更新。

3)從密集型組網(wǎng)測繪衛(wèi)星向智能型感知測繪衛(wèi)星轉(zhuǎn)變。注重實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在軌傳感器智能感知，星上智能處理，觀測數(shù)據(jù)智能存儲(chǔ)，有用信息智能傳輸，甚至實(shí)現(xiàn)星上智能數(shù)據(jù)更新。如此，只要少量優(yōu)化組網(wǎng)衛(wèi)星即可實(shí)現(xiàn)全球無縫測繪。

4)為了應(yīng)對(duì)越來越多的測繪衛(wèi)星數(shù)據(jù)，航天測繪產(chǎn)品及生產(chǎn)流程應(yīng)該發(fā)生革命性變化。首先，全球基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品應(yīng)該定期實(shí)施聯(lián)合平差，不斷提高基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品的精度、分辨率和現(xiàn)勢性；其次，衛(wèi)星測繪數(shù)據(jù)處理應(yīng)該實(shí)現(xiàn)智能化，即智能化處理和智能化更新；此外，航天測繪產(chǎn)品應(yīng)該實(shí)現(xiàn)定制化，即根據(jù)用戶需求，實(shí)現(xiàn)快速定制化生產(chǎn)和網(wǎng)絡(luò)化推送。極大提高航天測繪生產(chǎn)與應(yīng)用效率。

如果將“返回型測繪衛(wèi)星工程”、和“傳輸型測繪衛(wèi)星工程”分別稱為第一代和第二代測繪衛(wèi)星工程，那么，集成型測繪衛(wèi)星工程、高密度微小衛(wèi)星組網(wǎng)測繪衛(wèi)星工程，可以分別稱為“第三代測繪衛(wèi)星工程”和“第四代測繪衛(wèi)星工程”。

5 結(jié)論

航天測繪相對(duì)于傳統(tǒng)地面測繪、航空測繪和海面測繪取得了顯著進(jìn)步。航天測繪不僅可以實(shí)現(xiàn)領(lǐng)土的測繪、領(lǐng)海測繪，還可以實(shí)現(xiàn)全球測繪；航天測繪極大地減少了野外測繪的工作量，顯著提高了測繪效能。

中國20世紀(jì)80年代初研發(fā)的“返回型測繪衛(wèi)星”開啟了中國航天測繪的新紀(jì)元，之后的“探索一號(hào)”和相應(yīng)的“天繪衛(wèi)星工程”又譜寫了中國傳輸型測繪衛(wèi)星的新篇章。未來“載荷集成型”、“衛(wèi)星組網(wǎng)型”測繪衛(wèi)星以及“智能型”測繪衛(wèi)星必將極大拓展航天測繪的研究領(lǐng)域，提高航天測繪效能，實(shí)現(xiàn)全球、全天候、全天時(shí)、全要素航天測繪，如果星上智能感知、星上智能數(shù)據(jù)處理和智能數(shù)據(jù)融合以及智能數(shù)據(jù)更新得以實(shí)現(xiàn)，航天測繪將會(huì)為動(dòng)態(tài)數(shù)字地球、甚至智慧地球的建設(shè)提供快捷高效高精度數(shù)據(jù)。