三星齊聚，中國衛星測繪闊步前進—訪資源三號衛星總設計師曹海翊

本刊記者 張曼倩 本刊特邀記者 徐馳 劉付強

2020年7月25日，資源三號03星在太原衛星發射中心成功發射，與資源三號01、02星等其他測繪衛星組成立體測繪衛星星座，更快更好地完成國土測繪和全球測圖，進一步推動我國民用測繪事業快速發展。本刊編輯部特別采訪了資源三號衛星總設計師曹海翊，請她講述資源三號衛星的研制歷程、技術難點、經濟社會效益以及中國衛星測繪事業“從無到優”的巨大跨越。

記者：請您談一談資源三號衛星項目的研制背景、工程意義及進展情況？

曹海翊：資源三號衛星是我國首顆民用高精度立體測繪衛星。“測繪”是指對自然地理要素和地表人工設施進行測量和繪圖。據統計，人類活動涉及的信息總量中的80%與地理信息相關，大到國家全局性、戰略性的重大規劃設計，小到我們日常的出行導航、外賣點餐，都離不開測繪數據支持。由于地理空間信息廣泛應用于國民經濟、社會發展、國家安全等領域，世界各國都把地理空間信息視作國家的重要戰略資源，將測繪能力建設，尤其是具有高效率、全覆蓋等優點的航天測繪能力建設，作為各國基礎設施建設的重點。

20世紀后期，世界科技強國已經開始應用航天遙感數據完成大面積中比例尺國土測繪，到21世紀初，法國、印度、日本先后發射了可實現優于1：50000比例尺測繪任務的民用測繪衛星。而當時，我國并不具備自主獲取高精度衛星測繪影像數據的能力，主要依靠采購進口衛星影像以滿足我國國民經濟和社會建設快速發展帶來的需求，成為制約我國地理信息產業發展的瓶頸。為此，原國家測繪局在2005年將研制和發射我國首顆高分辨率測繪衛星—資源三號列入規劃。依托中國空間技術研究院研制遙感衛星的技術基礎，經過3年的技術攻關和前期論證，國務院于2008年正式批準并啟動了資源三號衛星工程建設項目。

為滿足用戶對衛星測繪數據更新周期和持續性的需求，共有4顆資源三號衛星列入了研制計劃，通過多星在軌組網運行來提高對我國及全球各地區測繪影像的快速、長期、穩定的獲取能力。在艱苦的研制工作中，衛星研制團隊攻堅克難、連戰連捷：2012年1月9日，資源三號01星發射入軌；2016年5月30日，02星發射入軌；2020年7月25日，03星發射入軌。目前，各星在軌穩定運行，01星已經超出設計壽命3年，而04星也即將啟動工程立項，“四星同堂”的盛況指日可待。

資源三號衛星的成功發射，標志著我國民用立體測繪衛星領域實現了零的突破。衛星功能、性能指標全面優于同時期國際同類衛星，達到國際先進水平，打破了我國航天立體測繪長期依賴國外遙感數據的局面，并讓“中國制造”的衛星測繪影像進軍國際市場，具有重大的意義。

記者：資源三號衛星的作用是什么，主要技術難點是什么？

曹海翊：資源三號衛星是測繪衛星，可以理解成是一把用來精確測量大地的“尺子”。這把“尺子”的最大特點是，不僅能像傳統遙感衛星一樣獲取二維平面影像，還可以利用三線陣測繪原理實現高程信息的獲取，該原理在20世紀80年代已被首次提出，但其對工程實現提出了極高的要求，主要有兩大難點。

難點一：航天測繪要在500km的距離外、40000km的跨度上，以類似“游標卡尺”的測量精度，獲取目標地物的精確三維坐標。根據攝影測量原理，測繪衛星對地物的定位可以簡單等效為三角幾何中“兩角夾一邊”問題，地物三維坐標的準確度與三角形角度、邊長的精度直接相關。角度的精確求解需要衛星實現角秒級的姿態確定精度，邊長的精確求解需要衛星實現厘米級的軌道確定精度。另外，還需要微秒級高精度時間系統將星地基準進行統一。具體到工程實現，要求衛星在20倍音速的動態條件下，為拍攝的圖像提供高精度的時間、空間基準，以精確求解“三角形”。

難點二：資源三號立體測繪采用了類似人眼的雙目視覺原理—從不同位置觀測同一物體，從而產生3D效果，視力水平越高，影像越清晰。然而，衛星進入太空后將長期處于±100℃的溫度劇烈變化的環境中，要想獲取幾何不變形、層次感分明、細節豐富不模糊的立體影像，就需要從鏡頭無畸變、動態范圍寬、圖像信噪比高以及衛星控制穩等方面對衛星載荷和平臺提出極為嚴格的要求。

記者：衛星研制團隊實現了哪些技術創新？03星相對于01、02星在技術上有哪些進步？

曹海翊：資源三號衛星作為首顆高精度立體測繪衛星，重點針對測繪任務所需的高圖像定位精度開展了多項技術創新。衛星提出了“追穩求精”的系統設計思路，突破了整星級結構熱穩定、高精度位置確定和高精度時間同步等關鍵技術，解決了衛星幾何基準的穩定性難題，首次實現了國產衛星影像在無地面控制點條件下平面定位精度優于10m，高程精度優于5m；有控制點條件下平面定位精度優于3m，高程精度優于1.5m。首次設計實現了一組長焦距、低畸變、高量化位數的三線陣立體測繪相機和一臺高空間分辨率多光譜相機；首次提出了磁控力矩前饋補償方法和帆板驅動機構相電流補償方法；在國內首次提出了基于光電精密測角法的內方位元素測試技術；發明了隔熱/導熱一體化復合多層隔熱組件技術，首次在相機焦面散熱中使用微型熱管技術和多系統設備一體化熱設計方法。上述技術創新使得與圖像定位精度相關的內、外方位元素指標得到了全面提高。同時，衛星首次設計實現了高速數據處理和壓縮算法、首次在國際上實現了X頻段2×450Mbit/s超高碼速率遙感數據的傳輸，有效提升了在軌使用效能。

衛星系統級高定位精度關鍵技術的設計經驗在我國后續遙感衛星的工程設計中得到了廣泛的推廣，使后續衛星圖像定位精度水平由之前的約200m全面提升至50m以內。

03星相對于01、02星主要有兩項技術提升：第一，新型激光測高儀采用雙邊采樣、多閾值可調、多回波鑒別的體制，實現了主動高程測量，星地測距精度提升為亞米級；第二，針對長達8年的壽命要求，平臺部分采用三結砷化鎵電池片結合鋰離子蓄電池組，實現了新型供電體制；采用新型控制體制和高穩太陽帆板驅動機構，增強了控制系統穩定性和可靠性；實現了智能星務管理系統，對衛星進行自主任務規劃和智能健康監測，保證衛星在軌長壽命自主可靠運行。

記者：資源三號01星發射以來，產生了多少數據，服務了多少用戶，帶來了哪些經濟和社會效益？

曹海翊：資源三號01星發射至今已有8年半了，共獲取影像301萬景，全球累計覆蓋超過7900平方千米，陸域覆蓋比例53%；三線陣立體數據國內陸地覆蓋率99.89%，全球覆蓋率超過63%。衛星獲得的影像已向包括測繪、土地、地礦、水利、林業、環保等行業的2200余家國內外用戶提供了累計覆蓋面積超過8億平方千米的衛星圖像數據產品與服務。海量的高分辨率衛星影像極大地提升了我國國土測繪、資源調查與監測能力，結束了測繪影像長期受制于國外引進產品的被動局面，使得進口衛星測繪影像價格不斷下調并最終退出中國市場，為國家節省的影像引進開支高達數十億元人民幣。

記者：資源三號03星與01、02星組成立體測繪衛星星座后，能夠獲得哪些優勢？保障服務能力有哪些方面的提升？

曹海翊：資源三號03星與01、02星以及高分七號衛星均運行于506km的軌道上，可組成我國首個立體測繪衛星星座。采用這樣的設計，讓用戶可以靈活使用多種星座運行模式來匹配不同的業務需求。

采用等相位星座運行模式，可將常態化業務數據的更新周期由59天縮短至15天；采用小相位差星座編隊模式，可以通過多星圖像拼接實現大幅寬成像；結合高分七號衛星的高分辨率影像，可提供廣域1：25000比例尺和指定目標區域1：10000比例尺的組合型全球立體測繪產品，滿足用戶對不同測繪產品類型的需求。

記者：資源三號衛星影像在國際市場上處于什么水平？

曹海翊：資源三號對地物的平面定位精度優于10m，測高精度優于5m，可以滿足1：50000比例尺立體測繪的需求。國外用于1：50000和1：25000測圖的典型衛星有法國對地觀測衛星斯波特-5（SPOT-5）、日本大地-1（ALOS-1）衛星、印度制圖衛星-1（Cartosat-1）等，與這些衛星相比，資源三號衛星具備更好的無控制點定位精度，達到國際先進水平。

資源三號衛星多次向聯合國全球地理信息管理機構以及美、日、韓、英、法、德等30多個國家和地區提供衛星影像產品，開展了衛星應用國際合作和科學研究。高精度測繪產品在南美洲、非洲等國外地區的電網勘查工程中得到廣泛應用，產生了顯著的國際影響力和經濟效益。

由于資源三號衛星在國際市場上的出色表現，法國像素工廠、德國航空航天中心遙感研究所、澳大利亞新南威爾士大學、昆士蘭州科學部遙感中心均公開給予了極高的評價，認為資源三號的數據產品在定位、高程、色彩的表現上處于世界先進水平。來自于國際權威機構的認可顯著提升了我國測繪行業的國際地位，為中國測繪技術和衛星技術在國際上得到更為廣泛的推廣和應用帶來了有利影響，這將為我國的衛星測繪事業得到進一步發展與壯大提供有力支撐。

記者：今年是“十三五”收官之年，接下來測繪衛星建設工作的重點是什么？規劃與布局是怎樣的？

曹海翊：通過大家的共同努力，在“十三五”實現了衛星測繪由1：50000比例尺向1：10000比例尺的進步，標志著我國航天測繪已經完成了“從無到優”的跨越。隨著高分七號的成功發射，我國的航天測繪水平已經在國際上走到了排頭兵的位置，將和美、法、日、印等航天測繪強國齊頭并進、共同進步。

后續，我們將在實現1：50000、1：10000測繪衛星星座在軌業務化高效運行的基礎上，針對1：5000、1：2000等大比例尺航天測繪任務，開展系統、平臺、載荷等產品的全面技術攻關。進一步滿足用戶對后續衛星測繪精度、數據更新周期、覆蓋范圍、測繪要素的新需求，進一步完善多維度、多時相、多軌面的測繪衛星綜合觀測體系建設，充分發揮我們豐富的衛星研制經驗和技術優勢，更好地為用戶服務。