李德仁：新一代智能测绘遥感科学试验卫星珞珈三号01星

文 | 李德仁1, 王密1, 杨芳2 （1. 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室；2. 航天东方红卫星有限公司)

摘要：光学测绘遥感卫星的性能不断提升, 种类日益丰富, 已经成为获取全球精准测绘遥感信息的重要支撑。当前光学测绘遥感卫星已具备亚米级的空间分辨能力, 但测绘遥感信息服务存在严重的滞后问题, 亟须发展智能测绘遥感卫星, 向实时智能服务转型升级。本文首先基于光学测绘遥感卫星3种成像体制及其实现方式和应用特点, 分析智能测绘遥感卫星的适用体制, 进一步面向实时化、智能化和大众化的应用需求, 提出通导遥(通信、导航、遥感)一体化智能遥感卫星的设计构想, 重点分析智能遥感卫星的服务方式及一体化功能组成;  然后, 阐述新一代智能测绘遥感科学试验卫星珞珈三号01星的性能与特点; 最后, 对智能测绘遥感卫星的发展和使命进行总结与展望。珞珈三号01星集遥感与通信功能于一体, 探索了从数据获取到应用终端的测绘遥感信息高效智能服务模式, 为遥感数据基于天地互联网的在轨处理与实时传输提供了真实的服务验证平台, 对我国空间信息网络的建设具有重大意义。

1 光学测绘遥感卫星的3种体制

光学测绘遥感卫星具有空间精细化观测和多角度立体观测能力，可以获取目标地物的高精度平面和三维信息，能够满足更多的应用需求，带来更大的军事与经济效益，是世界各国竞相发展的焦点。为实现不同比例尺测图应用，综合考虑卫星研制成本和难度，多种立体交会体制得以发展。纵观全球光学测绘遥感卫星的发展形势，主要有3种体制：三线阵、双线阵和单线阵/面阵[2, 16]。

1.1 三线阵测绘体制

三线阵测绘体制是指利用前视、下视、后视3台视轴互成固定角度的线阵相机(称为“三线阵相机”)进行立体成像的方式。日本的ALOS-1卫星[17]、我国的天绘一号卫星[18]和资源三号(ZY-3)系列卫星[19-20]，均采用了这种体制。以ZY-3卫星为例，说明三线阵相机成像关系。如图 1所示，前视相机沿飞行方向向前倾斜22°成像，后视相机向后倾斜22°成像，下视相机垂直星下点成像，沿飞行方向对地推扫成像时，可获得固定基高比的三视同轨立体影像。

图 1 三线阵测绘体制成像 Fig. 1 Three line array mapping system imaging diagram

该体制中3台相机安装在卫星上，要求卫星平台具有较高的有效载荷承载能力，3台相机之间高稳定支撑结构有利于在轨连续稳定观测，其测量基线较长且存在一个多余观测量，可以保障立体测量模型的精度，易于实现全球的快速覆盖和高精度测图。武汉大学利用ZY-3卫星的全国上万景数据，实现了全国1∶5万比例尺DOM/DSM的自动化生产[21]。ZY-3卫星正在为“一带一路”和走向全球提供及时服务，每年可完成3000万平方千米的1∶5万测图任务[22]。

1.2 双线阵测绘体制

双线阵测绘体制是指利用前视、后视2台视轴成固定角度的线阵相机(称为“双线阵相机”)进行立体成像的方式。该体制以印度的CartoSat-1卫星[23]和我国的高分七号(GF-7)卫星[24]为代表。以GF-7卫星为例，双线阵成像方式如图 2所示，前视相机向前倾斜26°成像，后视相机向后倾斜5°成像，沿飞行方向对地推扫成像时，可得到同一地面点的两视影像。

图 2 双线阵体制成像 Fig. 2 Dual line array mapping system imaging diagram

与三线阵测绘体制类同，双线阵测绘体制稳定的成像结构可以连续立体观测，但少了一台相机，在同样的平台承载能力下，为单台相机的性能提升提供了承载空间，双线阵相机分辨率可从三线阵的米级提高到亚米级，适用于广域的较精准测绘应用。我国综合考虑更大比例尺的任务需求、研制难度、平台承载能力等，设计了GF-7卫星双线阵体制，用于1∶1万比例尺的立体测绘[24]。GF-7卫星在轨测试结果表明，联合激光测高仪获得的高程控制数据，能够将立体影像的高程精度由2.2 m提升到1.2 m，完全满足1∶1万比例尺立体测图的精度要求[4]。

1.3 单线阵/面阵测绘体制

单线阵/面阵测绘体制是指利用一台线阵或面阵光学遥感相机，基于卫星姿态的快速机动对特定区域进行多角度观测，获得多视立体影像。其成像方式如图 3所示，卫星通过调整成像姿态，沿飞行方向对同一地区推扫/曝光成像，姿态条件允许下，可形成多种基高比配置的影像对组合。

图 3 单线阵/面阵体制成像 Fig. 3 Single line/plane array mapping system imaging diagram

与三线阵和双线阵体制相比，单个线阵/面阵测绘体制的相机数量最少，卫星平台承载规模最小，相机性能可进一步提升，同时卫星具备较强的敏捷机动能力，因此该体制广泛用于轻小型敏捷高分辨率商业卫星，但无法实现连续的立体观测，适合于局部区域的精准立体测绘任务。美国的WoldView-3卫星代表单线阵测绘体制的领先水平，地面像元分辨率优于0.31 m，可满足1∶5000比例尺测图的精度要求[25]。近几年我国也不断发展该体制的卫星，高分多模卫星采用了单线阵体制，分辨率优于0.42 m，即将发射的珞珈三号01星采用单面阵体制，分辨率优于0.75 m。

三线阵和双线阵的测绘体制相机数量多，卫星平台机动能力较差，适合于全球广域范围的固定测绘任务，比如我国ZY-3系列卫星和GF-7卫星可提供1∶5万和1∶1万比例尺的组合型全球立体测绘产品。单线阵/面阵测绘体制卫星承载规模小，平台敏捷机动且成像分辨率高，能满足智能测绘遥感卫星按需灵活观测和高空间分辨率精细观测的要求，因此，单线阵/面阵体制是智能测绘遥感卫星立体成像的最优选项。

2 通导遥一体化智能遥感卫星设计

传统遥感卫星数据处理及信息获取通常要经过如下主要步骤：卫星数据获取、过境数据下传、地面解压解扰、地面解析、地面预处理与信息提取等。信息获取流程复杂、链路长，有效信息的获取时间达到小时级，难以满足各领域日益增长的分钟级甚至秒级信息获取需求。针对此问题，需要优化传统遥感信息获取流程和方式，开展任务驱动的在轨数据按需获取、实时处理和信息智能提取，减少数据获取、处理和传输数据量[26]，同时联合遥感卫星的存储和计算能力，以及空间信息网络的通信传输和导航定位资源等，实现任务目标更明确、处理方式更灵活、资源配置更合理的遥感数据高效处理，达到卫星遥感信息实时智能服务的发展目标。为实现此目标，本文提出通导遥一体化智能遥感卫星的设计构想。

通导遥一体化智能遥感卫星以“一星多用，多星组网，星地协同，智能处理，组网传输，按需服务”为核心理念，以遥感信息的实时化、智能化服务为牵引，其概念体系如图 4所示。通导遥一体化智能遥感卫星是由通信、导航、遥感等多载荷的集成于一体化协同布局构建而成的一种多功能卫星平台，在天基信息网络中担任关键节点，通过通导遥多载荷集成与协同应用，促进天基信息网络中其他通信、导航、遥感卫星节点的互联互通。在服务方式上，以数据获取、信息提取、信息发布一体化结合为目标，基于星地协同的全链路遥感信息实时智能服务体系，通过配合使用导航卫星、通信卫星、地面接收站、移动接收站、智能终端等，直接面向用户需求，通过星上智能任务规划获取数据，同时在星上完成导航信号增强、实时高精度定位、兴趣区域智能筛选、信息智能提取和智能高效压缩等，通过星地、星间传输链路将有用的信息准确高效地传递至用户移动终端，实现全球范围内的遥感影像从数据获取到应用终端分钟级延时的遥感信息实时智能服务。

图 4 通导遥一体化智能遥感卫星概念 Fig. 4 Concept map of intelligent remote sensing satellite integrating communication, navigation and remote sensing

通导遥一体化智能遥感卫星平台集成通信、导航、遥感等多种类型的有效载荷，以一种用途为主，兼顾其他功能，包括的功能有：高分辨率遥感成像、在轨实时智能处理、导航接收与增强、星地-星间通信传输等。

(1) 高分辨率遥感成像功能：是智能遥感卫星的基础功能，通过在星上配置成像相机获取亚米级分辨率的光学遥感影像，具有灵活的姿态机动能力，具备图像、视频、立体等多种成像模式，能获取动静态遥感影像，满足静态目标检测、动态目标跟踪、大众生活服务等多样应用需求。

(2) 在轨实时智能处理功能：是智能遥感卫星的核心功能，通过在星上配置可扩展智能处理平台实现遥感数据的在轨按需、实时和智能处理。针对遥感数据任务驱动的实时智能处理需求，该功能集成大量的处理算法，包括自主任务规划、兴趣区域智能筛选、高质量实时成像、高精度实时几何定位、信息智能处理和智能高效压缩等，完成任务驱动的成像数据在轨实时、智能、高精度地处理和高效数据压缩。同时，配置的智能处理平台具备开放软件API接口，支持APP软件灵活上注和动态加载、运行。

(3) 导航接收与增强功能：是智能遥感卫星的增值功能，通过在星上配置导航增强系统实现导航信号的对天接收、在轨处理和对地发射。一方面接收导航卫星(全球导航卫星系统(GNSS)或北斗系统)发射的卫星导航信号，对接导航增强系统、在轨实时智能处理单元，在轨计算精密轨道和精密时间同步，避免地面建站，有利于提升我国自主导航系统在境外的精确导航定位精度; 另一方面，自主生成测距信号，并与现有的卫星导航信号联合定位，缩短精密定位的收敛时间，满足米级实时导航定位精度，提升现有卫星导航信号系统的服务性能[27]。

(4) 星地-星间通信传输功能：是智能遥感卫星的增值功能，通过在星上配置星地-星间通信传输载荷进行海量高分辨率数据的星地、星间快速传输。同时支持星地、星间的双向高速传输，用于建立卫星到数传地面站/中继卫星之间的数据传输通道，保证任务规划指令、协同处理程序与参数、遥感数据可快速流通。通过星间传输链路和组网，可及时将数据进行下传，能够有效解决卫星过顶传输的延时问题，同时具备星间传输功能的智能遥感卫星平台还可作为卫星通信网络的有效补充。

通导遥一体化智能遥感卫星可以实现数据的快速传输和信息的聚焦服务，同时有助于促进天基信息系统的通信、导航及遥感卫星的一体化发展和应用，快速提高空间信息获取、传输、处理和分发的能力，实现信息的融合和高效利用，可为全球范围内提供通信、导航、遥感全方位、多层次的一体化服务。

3 珞珈三号01星性能与特点

珞珈三号01星是武汉大学联合航天东方红卫星有限公司等单位研制的一颗集遥感与通信功能于一体的智能测绘遥感试验卫星。卫星运行在约500 km的太阳同步轨道，配置一台高分辨率彩色面阵相机，具有动静态成像能力，能够获取星下点空间分辨率优于0.75 m的Bayer格式图像; 配置X频段扩频测控、X频段星地直接传输及Ka频段星间中转传输的通信体制，能够打通星地-星间传输通信链路; 具备高性能实时处理的硬件平台和支持动态加载开放的软件平台，能够实现遥感数据的在轨实时智能处理。珞珈三号01星是新一代的智能测绘遥感科学试验卫星，用于验证遥感数据实时获取、智能处理、压缩传输的关键科学问题，探索天基空间网络遥感信息服务新模式。

3.1 珞珈三号01星成像模式

珞珈三号01卫星具有视频凝视、面阵推帧、面阵推扫3种成像模式，搭配不同的星上处理流程，可进行不同的任务工作模式设计。珞珈三号01星具备的多种成像模式可以在轨获取大量动态和静态遥感数据。卫星工作在凝视成像模式时(图 5(a))，相机的光轴始终指向固定的地面目标点，在成像时间段内通过实时调整卫星姿态对目标点实现连续快速跟踪，采用面阵成像方式对目标进行凝视视频成像。卫星工作在面阵推帧成像时(图 5(b))，通过姿控控制光轴指向沿卫星飞行方向在地面匀速扫描，相对地速小于卫星飞行速度，通过控制相机可以成多个单幅图像，每幅图像之间有一点搭接，多幅搭接的图像构成一个条带。卫星工作在面阵推扫成像时(图 5(c))，在一次推扫成像任务期间，卫星保持在一个相对稳定的姿态进行面阵推扫成像。

图 5 珞珈三号01星成像模式 Fig. 5 Schematic diagram of imaging mode of Luojia-3 01 satellite

3.2 星上智能处理平台

珞珈三号01星借鉴了智能手机设计模式，基于高性能硬件处理平台，在星上设计了开放的软件平台，包括基础操作系统环境、用户API函数接口、图像处理基础库、深度学习软件框架等，支持在轨扩展用户或第三方设计开发的智能处理APP。卫星支持星上自主任务规划，用户只需要向卫星发送目标点经纬度、数传窗口等信息，卫星可自主完成成像任务规划、影像获取、在轨处理、图像下传等。卫星设计了专门用于APP在轨上注的高速上注通道，支持APP软件在轨快速上注，支持APP在轨安装、运行、卸载、更新等操作，通过丰富星载APP可以不断拓展卫星的影像信息服务能力。基于上述功能设计，卫星与地面系统配合可向个人用户手机终端提供端到端近实时影像信息服务。

珞珈三号01星星上智能处理单元采用主备异构软硬件架构，主份硬件基于高性能GPU进行设计，配备开放软件平台(Linux)，支持基于APP的在轨实时图像/视频处理; 备份硬件基于FPGA设计，支持在轨常规压缩; 同时主备通道均配置大容量固存模块，支持原始图像及处理后图像的在轨存储，由接口部分、处理通道(主)和压缩通道(备)组成。两通道相互独立，采用冷备份方式，实现功能备份，确保数据可靠下传。智能处理单元采用主备异构通道，主份通道硬件基于GPU模块，可支持灵活在轨处理，备份通道硬件基于FPGA，主要实现实时压缩。

3.3 测运控一体化服务系统

珞珈三号01星测运控一体化服务系统是支撑智能遥感卫星系统为用户提供端到端服务的地面系统核心，其具有响应用户手机请求、智能调度星座任务、派送用户需求订单、接收卫星处理影像、反馈用户需求结果等功能。测运控一体化服务系统主要由首页、数据中心、遥控中心、遥测中心、资源中心和应用中心组成。图 6所示为系统应用中心菜单界面，应用中心菜单接入的是珞珈卫星大屏在线服务系统终端，终端支持对系统内不同卫星实时运行轨道及星下点覆盖轨迹的可视化，右侧面板展示了系统状态信息、卫星状态信息、遥测显示控制信息、地面站状态信息以及鼠标的位置信息等，左侧为系统的主要功能菜单。珞珈三号01星测运控一体化服务系统支持从卫星数据获取端到智能服务终端全链路的演示验证，面向移动终端和监控中心实现卫星、卫星轨道、卫星影像/视频、星间星地通信传输状态等资源在三维虚拟地球中的高效在线可视化。

图 6 测运控一体化服务系统应用中心界面 Fig. 6 Application center interface of service system integrating measurement, operation and control

珞珈三号01星的服务模式为数据获取、在轨信息提取、实时传输、信息服务，打破了传统的遥感数据获取、过顶传输、地面接收处理后再进行实际应用的低效模式及服务滞后的现状，缩短了遥感信息从数据获取到信息智能服务的时间周期，能够实现遥感信息的快速高效服务，充分展示了空间信息网络环境下遥感信息的智能服务能力，对于提高遥感信息服务的时效性、提升遥感信息大众化应用服务水平、推进遥感信息的应用有积极意义。

4 总结与展望

智能测绘遥感卫星是光学测绘遥感卫星由专业向大众化应用转型升级的关键，本文指出适合于智能测绘遥感卫星的测绘体制，提出通导遥一体化智能遥感卫星的设计构想，并介绍智能测绘遥感试验卫星珞珈三号01星的性能与特点。通导遥一体化智能遥感卫星能够提供快速、准确、智能的测绘遥感信息服务，有助于推进天基信息实时智能服务系统(PNTRC)的建设。珞珈三号01星是智能测绘遥感卫星的一种尝试，为遥感数据的在轨处理与实时传输提供真实的服务验证平台。珞珈三号01星计划于2022年7月发射，其智能服务平台将对外免费开放，并提供基金委相应科研项目的在轨验证服务，欢迎广大优秀科研人员使用，共同为我国PNTRC的建设做贡献！

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第一作者简介：李德仁(1939—)，男，教授，中国科学院院士，中国工程院院士，研究方向为地球空间信息学理论与方法. E-mail: drli@whu.edu.cn

全文阅读链接：http://xb.sinomaps.com/article/2022/1001-1595/20220601.htm

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