揭祕天繪1號：兩顆星組網運行共拍地面立體影像

天繪一號衛星效果圖

「知天知地，勝乃可全。」我國古代軍事家孫子用簡單八個字道出了取勝的祕訣——通曉天時，熟知地利。然而，這八個字在古代卻因為科學技術的落後，常常是難以完成的任務。如今，伴隨著現代航天測繪技術的發展，古人所期盼的「千里眼」終於變為現實。

2010年8月24日，我國首顆傳輸型立體測繪衛星天繪一號01星成功發射，實現了我國傳輸型立體測繪衛星零的突破。巧合的是，兩年後的8月24日，天繪一號02星圓滿完成110天的在軌測試任務，和天繪一號01星一起，首次實現測繪衛星的組網運行。雙星影像經無縫拼接後，測繪覆蓋寬達110公里，極大地提高了測繪效率和幾何控制能力，加快了測繪區域影像獲取速度。這是我國航天領域的重大突破，對促進我國測繪事業具有里程碑意義，標誌著我國已全面掌握傳輸型立體測繪衛星的關鍵技術，為我國後續航天測繪衛星的發展奠定了堅實基礎。

銀河添新秀，天繪寫華章。截至2012年9月底，天繪一號01星已獲取全球區域立體影像21萬餘景，地理影像約8億平方公里，有效覆蓋全球陸地面積已達46%，我國陸地面積約95%。在國防建設的大舞臺上，天繪一號精確地理影像數據服務已經開始發揮效能，在上合組織「和平使命」軍演、新疆反恐維穩、首都防空、盈江和彝良地震等重大事件應急保障中，天繪成果全面開花。在如火如荼的國民經濟建設大潮中，天繪更是大顯身手，已經為國土測繪、水利電力、交通運輸、城市規劃、土地利用、資源普查、災害監測等部門的90餘家用戶提供了2萬餘景、面積達7千萬平方公里的各級各類遙感影像數據，廣泛應用於土地、農業、林業、礦產、環境。古人所盼望擁有的遙望千里、目觀八方、萬裏之內、纖毫畢現的神通已經實現！

今天，就讓我們走近我國首顆傳輸型立體測繪衛星天繪一號，近距離瞭解一下這個神通廣大的「千里眼」。

用途廣泛，新一代測繪衛星貢獻大

如今，距我國發射第一顆人造地球衛星已經過去30餘年，可衛星究竟能做什麼，恐怕很多人還不清楚，特別是頗顯神祕的測繪衛星。其實，當今時代我們的很多行動都離不開測繪衛星。舉個簡單例子，汶川大地震發生後，如果沒有測繪衛星第一時間繪製出震後地形圖，我們的救援大軍就無法快速挺進災區，展開救援。

放眼望去，國土普查、石油勘探、鐵路選線、海岸帶測繪、地圖測制、控制定位、地質調查、電站選址、地震預報、草原及林區普查、歷史文物考古等多個領域均有測繪衛星的身影。在農業估產、林業調查、土壤、水文、地質分析、海洋環境監測、城市土地利用、國土資源調查、多種自然災害監測與評估等方面，測繪衛星同樣扮演了重要角色。可以說，測繪衛星已經廣泛應用於科學研究和工農業生產領域，在多個方面發揮顯著作用。天繪一號就是其中的佼佼者。

測繪相機外形圖

筆者從天繪衛星應用管理中心瞭解到，天繪一號衛星由中國航天科技集團公司所屬航天東方紅衛星有限公司研製，是我國第一顆傳輸型立體測繪衛星。作為我國目前有效載荷比最高的高解析度遙感衛星，它搭載了自主創新的線面混合三線陣CCD相機、多光譜相機和2米解析度全色相機，有效載荷比高達42%，當之無愧的成為國產衛星之冠。它還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，經過兩年的大規模生產試驗，在無地面控制條件下的三維幾何定位中誤差優於15米，其中高程中誤差優於6米。同時還形成了我國第一個完全自主產權和國產化的集數據接收、運控管理、產品生產和應用服務為一體的地面應用系統。

天繪一號衛星可以長期在軌運行並快速獲取全球地理空間信息，具備快速甚至實時獲取三維地理信息的能力，克服了返回式衛星因受攜帶的膠片數量限制而在軌壽命較短，獲取信息的時效性差，不能直接形成數字影像等不足。它採用（近）圓形太陽同步、回歸、全球覆蓋軌道，軌道高度約500公里。衛星由有效載荷、衛星公用艙兩部分組成，其有效載荷部分包括三線陣測繪相機、多光譜相機、高解析度相機和數據處理與傳輸系統。衛星公用艙包括結構和機構、熱控、姿軌控、星務管理、測控、供配電等6個部分。

具體來說，天繪一號衛星具有以下功能特點：

功能密度高

天繪一號衛星重約1000公斤，裝有5臺相機， 3臺星敏感器，2臺測量型GPS接收機，是目前我國最複雜、功能密度最高的小衛星。既能獲取地面像元解析度優於5米、幅寬60公里的立體影像，建立全球攝影測量控制網，實施控制定位，測制1∶5萬比例尺地形圖，又能獲取藍、綠、紅、近紅外4譜段多光譜影像，定量反演地物的物理屬性，提高地圖測制的完整性。同時，通過多光譜影像與全色影像的融合處理，可以生成彩色或假彩色正射影像產品。還可以獲取2米解析度全色地物影像，增強對地物目標的詳細、快速、準確判讀能力，配合完成1∶5萬比例尺地形圖測制和1∶2.5萬比例尺地形圖的修測。

長春2米全色影像1比2萬

測繪體制新天繪一號衛星採用基於我國攝影測量專家發明的線面陣混合的LMCCD測繪體制、以三線陣、三視角攝影為主，輔以小面陣成像，巧妙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、高程精度差問題，解決了傳輸型光學攝影測量衛星難以實現無地面控制點的高精度攝影測量的問題。衛星攝影測量基高比為1，是國際同類攝影測量系統中基高比最大的系統之一，為提高定位精度，特別是高程精度奠定了基礎。

筆者瞭解到，利用天繪一號衛星高解析度全色影像和多光譜影像，經融合處理可生成彩色正射影像，加入來自三線陣測繪相機的高程信息，可製作彩色立體影像；利用天繪一號衛星高解析度全色和多光譜數據，經融合處理後，使多光譜影像信息的應用更加精細、廣闊；利用多光譜信息可繪製森林礦產資源分佈圖，還可以通過林木的光譜反射率特徵定量反演林木的葉面積指數、葉綠素含量、氮含量和冠層高度等信息，完成樹種識別、樹林健康狀態監視和林地類型的分類等。

小個子大眼睛，「千里眼」鎖定高精度

讓人們驚奇的是，天繪一號衛星個頭雖然不大，僅重約1000kg，但卻集成5臺成像寬度均為60公里的相機。小個子大眼睛，地面上任何細節都逃不過它的「法眼」。

據瞭解，天繪一號衛星的光學有效載荷由中科院長春光機所獨家研製，各光學相機獲取的影像清晰，層次分明。其光學有效載荷包括兩個獨立分系統，測繪相機分系統和高解析度相機分系統。

天繪一號衛星的測繪相機分系統包括三線陣LMCCD立體測繪相機、三臺高精度星敏感器和四譜段多光譜相機。立體測繪相機是正視相機、前視相機和後視相機的統稱，其連續推掃的影像可以構建5米解析度的立體測量模型，其中正視相機焦面上還裝有4個小面陣CCD，用於提高無地面控制條件下的測繪定位精度。測繪相機採用像方遠心的亞對稱光學系統，光學系統成像質量好。鏡頭前端設計有碳纖維複合材料遮光罩，用於消除相機對地成像時進入鏡頭內部的雜散光，也有利於減輕相機質量。相機共應用了線陣、面陣、TDICCD感測器共計16片，是我國光學有效載荷圖像感測器最多的。

在這個共計5臺獨立光學載荷構建的測繪相機組合體中，正視相機、前視相機和後視相機互成角度裝入測繪基座安裝孔內，多光譜相機安裝在測繪基座正視相機底部的安裝腔內，3個星敏感器分別安裝在星敏支架頂部斜面上，通過星敏支架安裝到測繪基座頂部，有效保證了測繪相機的內部幾何關係。打造天繪一號「千里眼」的專家們告訴筆者，三線陣CCD立體測繪相機相互幾何位置關係的穩定性是保證相機在軌工作的前提條件，因此，構建測繪相機的支撐結構——測繪基座的結構形式和幾何穩定性是三線陣CCD立體測繪相機研製工作中的關鍵環節之一。

測繪相機像面裝調現場

天繪一號衛星的高解析度相機具有解析度高、覆蓋範圍寬、壽命長等特點，與三線陣CCD立體測繪相機相結合，可對同一地區進行高解析度影像獲取，增強地物的詳細測繪和修測能力，提高衛星的整體應用價值。

為保證相機的內部幾何精度，在國內首次研製採用了0.5秒轉檯和大口徑長焦距平行光管，對相機內方位元素和相機間坐標系關係進行了精密幾何標定，為測繪應用提供高精度的攝影測量參數。

天繪一號衛星開創了小衛星搭載光學相機數量多和重量輕的先河，為國家節省了大量研製經費。目前，天繪一號01星在軌運行兩年來，各相機運行穩定，未出現任何故障。

規模化生產，地面應用系統寫神奇

地面應用系統是天繪一號衛星系統工程的重要組成部分，是發揮衛星應用效能的主要環節。其主要功能是完成衛星攝影任務規劃和衛星有效載荷運行管理；接收衛星下傳數據；對衛星下傳數據進行預處理，生成衛星影像產品；完成數據的存儲、管理和分發；進行衛星攝影系統主要參數檢測和影像特性的標定；進行應急測繪保障處理，生成應急測繪保障產品；完成衛星影像的平差定位；測制1∶5萬比例尺數字地形圖、數字高程模型數字和正射影像地圖；修測1∶2.5萬比例尺數字地形圖。

如果說測繪相機是天繪一號的「眼睛」，那麼地面應用系統就是天繪一號的「雙手」和「大腦」。

據瞭解，天繪一號衛星地面應用系統可分為任務規劃、數據接收、數據預處理、數據管理服務、攝影參數與影像特性檢測、定位與測圖以及應急測繪保障等7個系統。其主要特點是：

新技術的密集運用與集成從系統設計到功能系統研製，集成運用了多層分散式應用系統框架技術，規範化、標準化的組件模型設計技術，多站接收的集中調度和監控技術，海量遙感數據的經濟高效存儲管理技術，大數據量的快速共享與交換技術，基於網路的高效無縫測圖技術，基於等效光束法的攝影測量參數檢測與高精度控制定位技術等大量新技術和新方法，大大提高了系統的先進性。

釣魚島衛星圖

整體性與可擴展性相結合系統從攝影任務規劃、數據接收到後期數據處理，是一個完整的閉合鏈路。系統採用寬鬆耦合、模塊化獨立的設計理念，以任務規劃系統作為任務流中心，以數據管理服務系統作為數據信息中心，聯繫各功能系統完成任務調度和數據的管理，各功能系統則獨立進行本系統的任務處理和系統維護，相互間耦合關聯程度較低，整個系統功能拓展能力、維護能力、穩定運行能力強。

影像產品的多樣化系統具備對各種解析度影像進行0－3級影像產品生產能力；具備數字地形圖、正射影像圖、數字高程模型等測繪產品的生產能力；具備各類應急測繪產品生產能力。產品種類非常齊全，滿足了各類用戶的使用要求。

高精度定位與測圖採用具有自主知識產權、創新提出的基於線陣與面陣混合配置LMCCD相機，並研發了等效框幅（EFP）多功能光束法平差理論與計算軟體，有效地解決了線陣影像空中三角測量航線模型扭曲變形問題，使無地面控制點定位和測制1∶5萬地形圖的精度達到了工程指標。突破了航天攝影測量在實際生產應用中的技術瓶頸，為我國航天攝影測量的實際應用奠定了基礎。

數據信息可視化服務在基於三維地球的遙感影像展示平臺上，疊加顯示天繪一號衛星影像產品與縮略圖數據、矢量、DEM、標繪符號等信息，用戶通過顯示環境與數據服務系統進行實時交互，可根據實際情況進行產品可視化訂製，提高服務效率。

目前，天繪一號衛星地面應用系統已具備了規模化生產的能力，生產了多類衛星影像產品和地理信息產品，生產的多種衛星影像產品和地理空間信息產品，已向包括中國資源衛星中心、國土資源部、國家林業局、長江水利委員會等90餘家單位提供了影像和測繪保障，為國防和國民經濟建設發展做出了突出貢獻。