天繪一號衛(wèi)星及其應用

● 文|中國天繪衛(wèi)星中心 王蓉 李勝利 鄧偉

天繪一號衛(wèi)星及其應用

● 文|中國天繪衛(wèi)星中心 王蓉 李勝利 鄧偉

天繪一號衛(wèi)星屬于地形地貌測繪類光學基礎測繪衛(wèi)星，天繪一號01星是我國第一顆傳輸型立體測繪衛(wèi)星，于2010年8月24日發(fā)射，02星于2012年5月6日發(fā)射，目前，雙星組網(wǎng)運行穩(wěn)定。天繪一號03星計劃在2015年擇機發(fā)射。未來，天繪一號將始終保持至少有2顆星同時在軌運行，并且隨著行業(yè)技術的發(fā)展，不斷提高影像質(zhì)量和產(chǎn)品精度，滿足國民經(jīng)濟建設對地理影像數(shù)據(jù)的需要。

一、天繪一號衛(wèi)星

天繪一號衛(wèi)星工程由衛(wèi)星、運載火箭、發(fā)射場、測控、地面應用五大系統(tǒng)組成。衛(wèi)星由航天東方紅衛(wèi)星有限公司研制；運載火箭由航天科技集團公司八院研制；地面應用系統(tǒng)研制總體為中國電子科技集團第54研究所。天繪一號01、02兩星均采用CZ-2D運載火箭發(fā)射入軌。衛(wèi)星軌道為近圓形太陽同步回歸軌道，標稱軌道高度500km，攝影幅寬不小于60km，標稱降交點地方時為13∶30。天繪一號01、02星主要技術參數(shù)見表1。

表1 天繪一號衛(wèi)星主要技術參數(shù)

中國天繪衛(wèi)星中心是天繪系列衛(wèi)星及地面應用系統(tǒng)的使用總體，負責天繪系列衛(wèi)星及地面應用系統(tǒng)的運行控制、數(shù)據(jù)接收處理和應用服務。

天繪一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)由位于西北、華南、華北的數(shù)據(jù)接收站接收，用戶可根據(jù)需求提出編程攝影服務；中心對衛(wèi)星每日下傳數(shù)據(jù)進行技術處理，生產(chǎn)初、中、高級3個級別各類產(chǎn)品，以滿足測繪和遙感用戶的不同需求；同時為優(yōu)化數(shù)據(jù)服務，已建成了基于互聯(lián)網(wǎng)的天繪衛(wèi)星影像服務系統(tǒng)，用戶可以通過http∶//www.thcoc.com網(wǎng)站在線查詢天繪衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋及質(zhì)量情況。

二、天繪一號衛(wèi)星特點

天繪一號衛(wèi)星具有有效載荷種類多、無控定位精度高、數(shù)據(jù)多類成套、數(shù)據(jù)獲取速度快4個特點。

1.有效載荷多

天繪一號衛(wèi)星基于CAST2000小衛(wèi)星平臺研制，衛(wèi)星整星1019kg,其有效載荷包括相機系統(tǒng)、定姿定軌系統(tǒng)及數(shù)傳系統(tǒng)三大部分。搭載的我國自主創(chuàng)新的5m分辨率線面陣結合CCD相機、10m分辨率多光譜相機和2m分辨率全色相機是衛(wèi)星的一大亮點。

衛(wèi)星相機系統(tǒng)由測繪相機分系統(tǒng)和高分辨率相機分系統(tǒng)組成。測繪相機分系統(tǒng)包括三線陣LMCCD立體測繪相機和四波段多光譜相機。立體測繪相機由前、正、后視相機組成，其連續(xù)推掃的影像可以構建5m分辨率立體測繪模型；其中正視相機焦面上還裝有4個小面陣CCD，用于提高無地面控制點條件下的測繪定位精度。2m分辨率全色相機構成高分辨率相機分系統(tǒng)。衛(wèi)星同時搭載2臺單頻GPS接收機。

天繪一號衛(wèi)星是目前國內(nèi)光學有效載荷圖像傳感器搭載最多、設計最復雜、功能密度最高的小衛(wèi)星，有效載荷比高達42%。

2．無控定位精度高

天繪一號衛(wèi)星是我國目前無地面控制點條件下幾何定位精度最高的測繪衛(wèi)星，以線面陣混合三線陣CCD相機等效框幅光束法平差理論（EFP）為基礎，采用線陣－面陣混合配置，以三線陣、三視角攝影為主，輔以小面陣成像，加強了線陣影像的連接條件，對LMCCD影像進行EFP光束法平差，解決了三線陣測繪相機動態(tài)攝影測量中的航線立體模型扭曲、高程精度問題（圖1），實現(xiàn)了在現(xiàn)有的星敏感器等技術條件下，無地面控制條件的目標絕對定位精度50m的指標要求。

>>>圖1 LMCCD相機成像原理

2011—2012年上半年，根據(jù)天繪一號衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)情況，在國內(nèi)東北、華北、西北、華南等地，采用實地測量的方式建立了7個天繪一號衛(wèi)星精度檢測試驗場。共實測了114個控制點，統(tǒng)計結果表明，影像絕對定位精度（中誤差）優(yōu)于15m。檢測結果如表2所示。

表2 天繪一號01星精度檢測

為實現(xiàn)設計指標要求，天繪一號衛(wèi)星在以下3個方面開展了工作。

1）三線陣相機設計。為了保證攝影測量系統(tǒng)幾何關系嚴密穩(wěn)定，采用專門設計的高強度和高穩(wěn)定性測繪基座集成三線陣、星敏感器。相機畸變設計指標≤3/10000，實際檢測達到5/100000。

2）在軌幾何檢測。建立了600kmX100km的幾何定標場，對三線陣相機的攝影測量參數(shù)進行長期在軌檢測，形成參數(shù)使用策略，明確參數(shù)使用時間節(jié)點，保證了天繪一號衛(wèi)星無控定位精度，保障了測繪產(chǎn)品的精確性和可靠性。

3）輻射特性檢測。每年在新疆靶標場，出動人力150余人，動用車輛60余臺次，鋪設地面靶標25萬平方米，開展輻射特性檢測，提供絕對輻射定標參數(shù)和MTF參數(shù)（圖2）。

>>>圖2 天繪一號輻射特性檢測靶標（上為地面攝影影像，下為衛(wèi)星影像）

3．數(shù)據(jù)多類成套

天繪一號衛(wèi)星一次攝影，可同時獲取同一地區(qū)三類影像成果：5m分辨率三線陣前視、正視、后視影像，2m分辨率全色影像，10m分辨率多光譜影像以及精密定軌數(shù)據(jù)和精密定姿數(shù)據(jù)。既能滿足測制1∶5萬比例尺地形圖、影像地圖、數(shù)字高程圖和1∶2.5萬比例尺地形圖修測的需求，又能通過2m高分影像以及10m藍、綠、紅、近紅外4譜段多光譜影像，對地物目標進行詳細、快速、準確判讀。

4．數(shù)據(jù)獲取速度快

天繪一號衛(wèi)星可以快速獲取全球地理空間信息。衛(wèi)星回歸周期58天，在一個回歸周期內(nèi)，可對地球南北緯80°以內(nèi)任何地區(qū)攝影，相鄰軌道影像的旁向重疊率不小于10%。雙星組網(wǎng)后重訪間隔：1～9天。天繪一號02星增加了側擺功能，側擺角度為 ±10°，提高了及時獲取所需地區(qū)影像的能力。單顆衛(wèi)星每次過頂最長可連續(xù)拍攝達5000km，一次攝影可以同時獲取30萬平方千米的3類影像數(shù)據(jù)，即單星每天可以獲取150萬平方千米的影像數(shù)據(jù)，雙星每天可以獲取300萬平方千米的影像數(shù)據(jù)。自衛(wèi)星發(fā)射入軌以來，已接收、存檔海量數(shù)據(jù)，截至2014年4月底，天繪一號衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)全球有效攝影覆蓋達9878.7萬平方千米，占地球陸地面積的66.1%；全國有效攝影覆蓋達952.5萬平方千米，占中國國土陸地面積的99.2%。

三、應用情況

天繪一號衛(wèi)星在軌運行3年多來，中國天繪衛(wèi)星中心科學管控衛(wèi)星，提升了影像獲取能力；探索運行規(guī)律，提高了數(shù)據(jù)處理能力；拓展服務領域，增強了管理分發(fā)能力，已基本形成和具備了規(guī)模化生產(chǎn)和服務能力。天繪一號衛(wèi)星準確、豐富、可靠、動態(tài)的地理信息源，已為國土資源部、國家林業(yè)局、交通運輸部規(guī)劃研究院、水利部長江水利委員會等200余家單位提供了數(shù)據(jù)產(chǎn)品和服務，數(shù)據(jù)廣泛應用于國土資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測、城市規(guī)劃、制圖、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋、土地利用、水利地質(zhì)勘探等多個應用領域，在服務國民經(jīng)濟建設中發(fā)揮著越來越重要的作用。

天繪一號03星的研制將主要考慮提高影像質(zhì)量和定位精度兩個方面，具體體現(xiàn)在更換雙頻GPS接收機，更換穩(wěn)定度和精度更高的星敏感器，降低數(shù)據(jù)壓縮倍率等。系列用途的衛(wèi)星陸續(xù)立項研制，以滿足地形圖測繪與更新以及各行業(yè)部門對衛(wèi)星遙感影像的需求。相信不久的將來，隨著全天候、全天時、全要素、多分辨率天基對地探測網(wǎng)絡的逐步建成，天繪衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)將在科學研究、國土資源調(diào)查、地圖測繪等諸多領域，為我國國民經(jīng)濟建設作出更大貢獻。