面向测绘应用的遥感小卫星发展趋势分析
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摘要
针对当前遥感小卫星在我国民用测绘领域尚未进入业务服务阶段，其研制周期短、投资成本低、部署方式灵活、数据获取现势性强等优势未得到充分发挥的问题，本文阐述了国内外遥感小卫星应用发展现状，在此基础上分析了面向测绘应用的遥感小卫星发展趋势。在全球小卫星遥感产业发展势头迅猛的大背景下，面向立体测图应用的高分辨率遥感小卫星将具备更高的系统综合精度指标，通过多星组网和多网协同，实现对全球范围高分辨率遥感影像的及时获取、重点区域的高频次重访和动态地理环境监测，有利于提升卫星测绘产品服务的质量和效益，促进卫星应用的商业化、国际化发展和一系列关键技术的突破。本文的研究为我国测绘遥感卫星的后续发展提供了思路和借鉴。
随着微电子和微机械技术的发展，全球掀起了研发和应用小卫星的热潮。小卫星已成为当前全球空间技术领域的研究热点与发展前沿之一。对于小卫星的定义和分类，目前国际上尚无确切统一的说法，一般以卫星质量作为划分依据，兼顾考虑卫星研制和发射乃至运行维护的价格，将质量小于1000 kg的卫星视为广义上的小卫星。若按质量细分，可分为小卫星、微卫星、纳卫星、皮卫星等。小卫星星座（群）因具有研制周期短、投资运行成本低、部署方式灵活、重访频率高和数据采集能力强等优势，受到国际上航天、军事、工业部门及研究机构的普遍关注，应用覆盖遥感、通信、科学探索、空间态势感知和新技术试验等领域，服务对象涵盖政府部门、国防部门和商业用户[1-5]。近年来，小卫星、低成本运载火箭、一箭多星、智能终端等技术的快速发展，使得进入空间和利用空间的成本门槛降低，许多新兴商业航天公司以全新的思维理念和运作方式开启了大规模商业小卫星星座发展计划，给传统的遥感卫星设计理念带来了巨大冲击，遥感新产品、新服务不断涌现 [6-15]。
目前我国城镇地区及重点区域目标的测绘产品制作仍然以航空摄影测量技术为主，影像的获取受天气和环境的影响较大，数据来源不稳定，覆盖率和更新频率也不能满足实际应用需求。随着卫星遥感应用的深入和测绘地理信息事业的转型，地理空间信息的获取需求已从全国定期静态普查向全球实时动态监测方向发展。我国现有的民用高分辨率测绘卫星以获取光学影像的大中型遥感卫星为主，具有平台稳定、多用途、功能强、立体测图精度高等优势[16-18]；相比较而言，遥感小卫星在我国民用测绘领域尚未进入业务服务阶段，其研制周期短、星座和编队组网灵活、数据获取现势性强等优势未得到充分发挥。发展标准化、小型化、低成本、低风险、可批量生产的测绘遥感小卫星，推动构建多种分辨率、多种类型传感器互补的测绘遥感小卫星星座，形成大中型卫星与小型卫星并存、多星组网、协同应用的新局面，能够为大中比例尺基础测绘、地理国情常态化监测、全球地理信息资源建设、应急测绘保障和地理信息产业发展提供更有力的数据支撑。
一、遥感小卫星应用发展现状
20世纪80年代以来，随着需求的不断增长，卫星的有效载荷不断增加，卫星质量变得越来越重，这也使得卫星的研制成本增大、研制周期漫长、风险不断增加。为降低卫星研发和制造成本、提升卫星的性能，欧美等发达国家从20世纪90年代开始启动开展了小卫星的研发工作，美国、英国、法国、德国等都逐渐拥有了小卫星系统，很多发展中国家也在以自主研发、国际合作等方式积极推进小卫星的研制和应用[9]。近年来，采用先进技术和设计理念的创新遥感小卫星星座不断涌现，高频次重访和动态监测成为遥感应用关注的重点[10-12]。
根据欧洲咨询公司最新发布的《小卫星市场预测》报告显示[12]，航天领域和整个商业航天生态系统正在发生变革，小卫星发展势头迅猛，其中低轨商业对地观测遥感小卫星的增长幅度尤为明显。2006—2015年，全球累计共发射约260颗质量小于500 kg的对地观测小卫星，其中质量小于10 kg的卫星数量最多，2014年发射量达到顶峰，2015年数量稍微有所回落；质量在251～500 kg区间的对地观测小卫星发展增速相对平缓，全球平均每年发射8颗左右。2016—2025年，全球预计将发射质量小于500 kg的对地观测小卫星2 100多颗，其中90%以上质量小于50 kg，卫星制造和发射市场规模预计超过119亿美元。未来十年乃至更长一段时间，遥感卫星将总体上呈现出小型化、微型化趋势，星座规模不断扩大。客户类型以商业用户为主，政府和国防部门其次。
二、面向测绘应用的发展趋势分析
影响遥感卫星测图精度的因素有很多，平台不同，传感器不同，获取的数据源不同，最终的测图成果精度也会不同。从体积和质量看，已发射的资源三号01星、资源三号02星，以及后续发射的高分七号卫星、资源三号03星等测绘遥感卫星属于大中型遥感卫星，单个卫星平台搭载了多个对地观测有效载荷以此完成多种对地观测功能，具有成像系统畸变小、姿轨控精度和平台稳定度高等优势。为更好地满足测绘主体业务和地理信息产业发展对自主高分辨率遥感信息的迫切需求，进一步提高测绘地理信息服务供给体系的质量和效益，有必要充分发挥遥感小卫星研制周期短、部署灵活、数据采集能力强等优势，加快推进测绘遥感小卫星的发展和应用，使之成为大中型遥感卫星测绘的有益补充。
测绘遥感小卫星的设计和研制将面向立体测图应用，提升系统的综合精度指标。测绘遥感小卫星的一个重要特征，就是要满足立体测绘要求。以高精度立体测图和几何定位为目标的高分辨率对地观测任务，要求卫星平台提供至少10-4度/秒量级的姿态稳定度和优于0.01度（三轴，σ）的指向精度，具有姿态快速机动和高精度稳定能力，对传感器的分辨率、幅宽、谱段设置等也有一定要求。尽管微纳卫星（质量小于50 kg）有批量化生产的数量优势，可用于大规模、低成本、定期全覆盖的数据采集和监测服务，但由于受成本、体积、功耗等条件限制，一般对测控和定标技术要求较低，难以满足对卫星综合精度要求更高的测绘遥感应用需求。可以预测测绘遥感小卫星的质量一般不会太小，单星质量在50 ~500 kg之间有望成为未来的发展趋势。
测绘遥感小卫星将向精细化、星座化、系统化发展，提升数据获取效率和产品服务质量。为实现定量化精细化遥感，卫星传感器观测谱段由可见光、近红外向短波红外、高光谱、微波等拓展，探测方式由被动遥感向主动遥感拓展，分辨率由米级、亚米级向分米级拓展。在统筹考虑单星成本、数据获取效率和卫星数量的基础上，发展高分辨率光学遥感小卫星星座、干涉SAR遥感小卫星星座、光学/干涉SAR混编遥感小卫星星座，能够更高效地获取全球范围的高分辨率遥感影像，实现对重点区域目标的高频次重访和动态地理环境监测，生产大中比例尺测绘产品和其他各类专题产品，为测绘地理信息公益性保障、企业用户、大众用户等提供高精度、近实时的地理空间信息服务，促进卫星应用产业化、国际化发展。
测绘遥感小卫星的发展应用将带动突破一系列关键技术，提升我国航天遥感整体水平。在推动测绘遥感小卫星发展应用的过程中，需要开展针对光学、SAR等不同有效载荷的遥感小卫星测绘新体制和构型设计研究；开展有效载荷高精度实验室定标和集成化、小型化技术攻关；开展高精度姿态稳定技术、高可靠性姿态测量技术和自主定轨技术攻关，降低相应的器件研制成本；开展高功率太阳能电池阵和高效蓄电池研发，攻克制约小卫星能力的能源瓶颈问题；开展与有效载荷密切相关的数据实时压缩、星上数据处理、高速数据传输等技术研究；开展多星地面检校、数据精细化处理与智能分析技术研究，实现与大中型测绘遥感卫星的协同应用，提高卫星应用服务效能；等等。这些技术难题的突破，将带动我国航天遥感整体水平的提升。
三、结束语
当前，全球小卫星遥感产业初具规模且发展势头迅猛，卫星设计研制理念、运行管理和应用模式不断创新。近年来，我国经济社会发展和国防现代化建设需求的不断增长，成为国产遥感小卫星技术创新和产业发展的重要推动力。可以预见，随着技术的进步和事业的转型，遥感小卫星的发展与应用必将向测绘领域加速拓展，与大中型遥感卫星测绘实现协同互补，进而为测绘地理信息公益性保障、企业用户、大众用户等提供响应更及时、信息量更全面、数据质量更高、覆盖范围更广的卫星测绘产品服务，进一步提升测绘地理信息服务保障水平。
引用格式
胡芬，高小明．面向测绘应用的遥感小卫星发展趋势分析［Ｊ］． 测绘科学，２０１９，４４（１）：１３２-１３８，１５０．
来源：测绘科学（版权归原作者及刊载媒体所有）
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编辑 /祝盖明 审核 / 孙丰家 李发东
指导：万剑华教授