天繪一號衛星及其應用

● 文|中國天繪衛星中心 王蓉 李勝利 鄧偉

天繪一號衛星及其應用

● 文|中國天繪衛星中心 王蓉 李勝利 鄧偉

天繪一號衛星屬于地形地貌測繪類光學基礎測繪衛星，天繪一號01星是我國第一顆傳輸型立體測繪衛星，于2010年8月24日發射，02星于2012年5月6日發射，目前，雙星組網運行穩定。天繪一號03星計劃在2015年擇機發射。未來，天繪一號將始終保持至少有2顆星同時在軌運行，并且隨著行業技術的發展，不斷提高影像質量和產品精度，滿足國民經濟建設對地理影像數據的需要。

一、天繪一號衛星

天繪一號衛星工程由衛星、運載火箭、發射場、測控、地面應用五大系統組成。衛星由航天東方紅衛星有限公司研制；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運載火箭發射入軌。衛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星主要技術參數見表1。

表1 天繪一號衛星主要技術參數

中國天繪衛星中心是天繪系列衛星及地面應用系統的使用總體，負責天繪系列衛星及地面應用系統的運行控制、數據接收處理和應用服務。

天繪一號衛星數據由位于西北、華南、華北的數據接收站接收，用戶可根據需求提出編程攝影服務；中心對衛星每日下傳數據進行技術處理，生產初、中、高級3個級別各類產品，以滿足測繪和遙感用戶的不同需求；同時為優化數據服務，已建成了基于互聯網的天繪衛星影像服務系統，用戶可以通過http∶//www.thcoc.com網站在線查詢天繪衛星數據覆蓋及質量情況。

二、天繪一號衛星特點

天繪一號衛星具有有效載荷種類多、無控定位精度高、數據多類成套、數據獲取速度快4個特點。

1.有效載荷多

天繪一號衛星基于CAST2000小衛星平臺研制，衛星整星1019kg,其有效載荷包括相機系統、定姿定軌系統及數傳系統三大部分。搭載的我國自主創新的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星的一大亮點。

衛星相機系統由測繪相機分系統和高分辨率相機分系統組成。測繪相機分系統包括三線陣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。衛星同時搭載2臺單頻GPS接收機。

天繪一號衛星是目前國內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星，有效載荷比高達42%。

2．無控定位精度高

天繪一號衛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攝影測量中的航線立體模型扭曲、高程精度問題（圖1），實現了在現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，根據天繪一號衛星獲取數據情況，在國內東北、華北、西北、華南等地，采用實地測量的方式建立了7個天繪一號衛星精度檢測試驗場。共實測了114個控制點，統計結果表明，影像絕對定位精度（中誤差）優于15m。檢測結果如表2所示。

表2 天繪一號01星精度檢測

為實現設計指標要求，天繪一號衛星在以下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幾何關系嚴密穩定，采用專門設計的高強度和高穩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進行長期在軌檢測，形成參數使用策略，明確參數使用時間節點，保證了天繪一號衛星無控定位精度，保障了測繪產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和MTF參數（圖2）。

>>>圖2 天繪一號輻射特性檢測靶標（上為地面攝影影像，下為衛星影像）

3．數據多類成套

天繪一號衛星一次攝影，可同時獲取同一地區三類影像成果：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據和精密定姿數據。既能滿足測制1∶5萬比例尺地形圖、影像地圖、數字高程圖和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．數據獲取速度快

天繪一號衛星可以快速獲取全球地理空間信息。衛星回歸周期58天，在一個回歸周期內，可對地球南北緯80°以內任何地區攝影，相鄰軌道影像的旁向重疊率不小于10%。雙星組網后重訪間隔：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影像的能力。單顆衛星每次過頂最長可連續拍攝達5000km，一次攝影可以同時獲取30萬平方千米的3類影像數據，即單星每天可以獲取150萬平方千米的影像數據，雙星每天可以獲取300萬平方千米的影像數據。自衛星發射入軌以來，已接收、存檔海量數據，截至2014年4月底，天繪一號衛星影像數據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

天繪一號衛星在軌運行3年多來，中國天繪衛星中心科學管控衛星，提升了影像獲取能力；探索運行規律，提高了數據處理能力；拓展服務領域，增強了管理分發能力，已基本形成和具備了規模化生產和服務能力。天繪一號衛星準確、豐富、可靠、動態的地理信息源，已為國土資源部、國家林業局、交通運輸部規劃研究院、水利部長江水利委員會等200余家單位提供了數據產品和服務，數據廣泛應用于國土資源調查、環境監測、城市規劃、制圖、農業、林業、海洋、土地利用、水利地質勘探等多個應用領域，在服務國民經濟建設中發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量和定位精度兩個方面，具體體現在更換雙頻GPS接收機，更換穩定度和精度更高的星敏感器，降低數據壓縮倍率等。系列用途的衛星陸續立項研制，以滿足地形圖測繪與更新以及各行業部門對衛星遙感影像的需求。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絡的逐步建成，天繪衛星影像數據將在科學研究、國土資源調查、地圖測繪等諸多領域，為我國國民經濟建設作出更大貢獻。