【原创】尖端技术的集成——简述高分辨率遥感卫星(27楼 ...

一、导语：

    今年4月26日，中国“长征二号丁”运载火箭在酒泉卫星发射中心发射场顺利点火升空，以“一箭多星”发式将“高分一号”发射升空。官方资料说明高分一号卫星是国家高分辨率对地观测系统重大专项的首发星，高分辨率对地观测系统工程是中国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)年》确定的16个重大专项之一，由天基观测系统、临近空间观测系统、航空观测系统、地面系统、应用系统等组成，计划“十二五”期间发射5至6颗观测卫星，目标是建成高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率的对地观测系统，并与其他观测手段相结合，到2020年形成具有时空协调、全天时、全天候、全球范围观测能力的稳定运行系统。

    高分一号——“高分辨率光学遥感测绘卫星一号”，发射任务是2013年以来我国第一次航天发射任务，由于“高分”二字，使得遥感卫星及其相关技术再次成为了近期热门的话题。我用有限的篇幅和有限的知识对高分辨率遥感卫星的关键技术进行一下梳理，和各位Cder共同学习和讨论。

    空间遥感技术在中国是从20世纪70年代开始相关的研究工作，到2013年我国先后发射了几十颗返回式和极轨等多种遥感卫星。而现代空间遥感技术是20世纪60年代以来集成空间科学技术、信息技术、光学技术、原子能和控制技术等学科理论建立起来的一门先进的、使用的探测技术。时至今日，遥感技术已经成为人类探索宇宙和地球自身的重要科学技术。在今天，遥感技术的广泛应用已经大大超越了理论建设初期的预测，并且和越来越多的尖端科技相结合，在军事侦察、环境监测、海洋、灾害预防等数十个领域发挥着重要的作用。在近半个世纪的发展过程中，高分辨率（HR）遥感卫星从胶片返回式卫星，到目前的传输型卫星；从框幅式到三线阵CCD相机；空间分辨率从上百米提高到厘米级，时间分辨率和光谱分辨率也在不断的提高；而且除了传统的光学卫星，现在的合成孔径雷达（SAR）、激光测高卫星、重力卫星、导航卫星也越来越多的应用了空间遥感技术。相应的，卫星测绘技术也在不断提高，以前我们是控制测图，现在是无控自动测图，以前是单机测图现在是多星协同无缝测图，测图精度从1:250000地形图制图发展到满足1:5000甚至更高的比例尺的地形图制图。放眼全球，从遥感系统到遥感应用两方面来说，中国的空间遥感技术已经达到了比较高的水平。

二、基础简介：

    科班出身的同志都知道遥感技术有对象、传感器、传播媒介和平台这四个基本要素组成。对不知情的同志说明一下：对象就是目标这个好理解；传感器就是仪器，能感测很远目标的传感器叫遥感器；传播媒介包括电磁波、声波、磁场、重力、电力场、地震波等；平台是装载仪器的装置，例如航天飞机、卫星、飞船、飞机、飞艇等，其中能运动的叫运载工具。这样就得出了遥感完整的定义。
    光学遥感是以电磁波做媒介，按不同光波段分为可见光遥感、红外遥感、微波遥感、紫外遥感。美国康菲公司与中海油合作开发的蓬莱19-3油田于2011年6月发生溢油事故，我们就使用了紫外遥感进行了全程监控。
    再进一步，按照遥感的采集方式，分为摄影——摄像机、照相机，和扫描——雷达成像、电视摄像扫描模式，为成像遥感；使用辐射计和分光光度计是非成像遥感。非成像遥感模式数据量小，易于传和存，但是数据处理过程中容易丢包失真。


高分一号

三、我国现状：

    我国目前已经从以航空遥感发展到空间遥感阶段，有多种遥感卫星系列，此外神州飞船和天宫一号试验空间站也具备一定的遥感能力。并且随着对各种遥感技术的全面突破和掌握，特别是北斗星座、天链星座的逐步组网，并且和GIS（地理信息测绘技术）技术的集成应用，我国已经成为世界先进的遥感大国。在具体应用上我国主要在遥感系统和遥感图像摄影和处理技术两大领域在不断进步和突破。
    说到遥感系统，这里我们简单回顾一下高分一号之前我国比较著名的一些遥感卫星：
    1、风云气象卫星，2001年5月发射，装载各种辐射计和光度计的硬盘录像机一体化非成像模式。优点是快速获得全球定量数据，风云3号极轨气象卫星，可以实现对大气三维探测，不受黑白转换的限制，不受各种天气影响，可以在各种条件下实现24小时观测服务，提供中期天气预报和全球和温湿度、云辐射气象数据。2020年前我们还有将近10颗气象卫星逐步升空。
    2、资源卫星1号/中巴资源地球资源卫星一号。和巴西联合研制，安装多光谱光学摄像仪器，目前双方正在研究下一代全色高分辨率CCD相机，进一步提高空间分辨率。1999年发射的资源1号搭载20米分辨率的CCD、80/160的红外扫描仪、256米的宽视场WFI（成像仪）；2003年10月CBERS-02发射成功接替01星、2007年9月增加了红外多光谱扫描仪（IRMSS）的资源1号02B星发射成功，2011年12月资源1号02C发射成功。CBERS-02C搭载两台HR（高分辨率）相机，空间分辨率2.36米，提供54KM的宽幅图像，而全色及多光谱相机也相应的进一步提高的分辨率。
    3、海洋卫星。以HY1A为例，主要用于海洋色素探测、海洋污染检测和资源开发，HY1有10个波段的水色水纹扫描仪和4波段CCD。2002年HY1A发射成功、2007年4月HY1B发射成功，2011年8月HY2发射成功，HY1A和1B是水色卫星。是一颗海洋动力环境卫星搭载更先进的微波遥感技术。2020年前我国将拥有8颗海洋系列卫星，4颗水色卫星、2颗动力环境卫星和2颗海陆雷达卫星。这将对我们对全球海洋水域实现全面覆盖的精确监测，特别是我国周边海域及附属岛屿实现更加强力的监控管理。目前我国已经建立中国国家海域动态监视监测管理系统平台，对我国领海、经济区、岛礁、争议水域实现24小时不间断的监控管理。
    4、神州飞船、嫦娥、天宫等。例如神州三号的留轨仓，我国进行了一些列卫星遥感试验。
    近些年还陆续至少发射了4颗光学卫星和4颗雷达卫星组成的星座，保证每天覆盖地球一次，农业部特供就不展开说明了。随着国力的增强和技术的进步，2020年前高分一号的后续星还会不断升空，最终形成一个完善的高分空间测绘卫星星座。
  
    遥感图像摄影和处理技术方面，我国已经具有了自主知识产权的全数字摄像测量系统，可以自动生成核线影像、自动建立数字地形建模、人机交互数字测图等功能。在该领域，我国中科院遥感所是主力军，现在第六代遥感图像处理系统IRSA-6已经投入使用，IRSA-6为例，能够将高光谱遥感的高分辨率和卫星的高空间分辨率影像完美融合，生成光谱细节和空间细节突出的图像，还能够对数据进行分析和特征码提取，避免图像失真，另外该所在图像仿真领域，还可动态生成三维影像，应用北斗技术等先进技术将正射三维影像、构建观察场景等方式对三维地图数据进行导航和交互式操作。这一点特别有应用价值，简单点说，我们能够把遥感图像快速自动生成三维影像，并且进行导航和交互式应用，其中的军事价值不可估量。而本人观点就是再高清的图片没有好的应用手段也是垃圾数据，一般的图片经过很好的应用手段也能变废为宝，而我们的目标就是要做到高清和高质量应用两者兼得。

四、关键技术：

    高分辨率光学遥感测绘卫星，主要有光学传感器、精密定姿、精密定轨、几何标定、立体测图等几个关键技术。

1、光学传感器：

    一般来说人眼对纸质地图的目视分辨率在0.07-0.1毫米左右，也就是说地形图测图要求卫星遥感图像的分辨率要达到或小于0.1毫米，更新部分要至少达到0.2毫米。这样，卫星传感器的分辨率就成为了决定地形图测图比例尺的重要因素。此外，卫星多线阵相机的倾斜角设计、卫星的扫描模式直接关系着卫星摄影基线的大小，同样是影响测图精度的重要因素。


星载CCD相机1（嫦娥一号国产CCD）


普通CCD和CMOUS芯片区分

    这里简单介绍一些有代表性的外国遥感卫星的相关情况。

法国SPOT-5全色影像在轨道上的地面分辨率达到5米。
1999年美国IKONOS-2全色1米，多光谱4米。
2001年美国数字地球公司的Quickbird-2全色0.61米，多光谱2.44米。
Oebview3、4地面像元分辨率1米，多光谱4米。
Geoeye是Oebview3的接任者，2008年Geoeye1发射，卫星全色分辨率0.41米，4波段多光谱空间分辨率1.64米，是目前世界上分辨率和定位精度最高的商业卫星。
韩国的KOMPASAT2全色和多光谱是1米和3米。
以色列EROS-B，2006年发射，全色空间分辨率0.7米。
日本自主研发的ALOS全色波段地面像元分辨率2.5米，多光谱AVNIR-2谱段为4个，地面像元分辨率10米。
印度2005年的CARTOSAT-1/IRS P5卫星前后视两个头分别是2.452米和2.187米。

    以上大家可以补充。


星载CCD相机2

    单线阵传感器，在为了获取立体影像的时候，CCD一般采用轨道回归或者左右侧摆成像，即同轨立体成像和异轨立体成像。例如发给过SPOT1-4、美国IKONOS-2、Quucibird2、Orbview3、4,Geoeye1,韩国的KOMPSAT1、2，以色列的EROS、加拿大的Rapideye。IKONOS-2可以让相机前后左右摆拍，同轨立体采集影像，只要设置好摄像头的偏转角度和预置位就能获取全区域的立体影像。Quucibird2还能以延轨或穿轨的方式对目标区域摆拍，对大客户还能提供Basic级别未做几何修正的原始图像，basic立体图像全色分辨率0.78米，倾斜角度30度，多光谱3.12米，很适合DEM或三维地物提取。


Geoeye1

    为了降低卫星立体成像的成本，单个卫星平台也可以搭载多台相机，新设计的大多采用这种方式，就是使用多线阵或多相机成像方式实现同轨立体成像，例如法国SPOT-5、印度IRS P5、日本ALOS PRISM、德国MOMS-2P。法国SPOT-5是法国国家空间研究中心在法国SPOT1-4基础上发展的双线阵立体测图卫星，可以获取同轨或异轨立体影像。有HRG、HRS相机、VEGETATION。HRG相机用来获取异轨立体图像。HRS相机由前后两个相机组成。同轨基高比0.84，获取同轨立体图像，三个设备保证了DEM高精度。

法国SPOT-5

    印度IRS P5，有两个全色相机，焦距1945毫米，特点是前后两个相机获得同一影像时差在52秒，基高比0.62，可有有利于减小大高差地区的遮挡，适合山地地区影像采集。

印度IRS P5

    日本ALOS PRISM是日本一款很有高科技含量的陆地观测卫星，是三线阵卫星的代表。它有高分标率三线阵全色相机PRISM，多光谱相机AVNIR2、适用于有云及全天候的雷达遥感器。其中PRISM是目前世界上公开的最先机你的三线阵CCD测绘相机，三台相机交会角为24度，基高比1，达到了立体测图最佳的基高比值。

日本ALOS

    综汇以上，三线阵CCD是最理想的航天遥感立体成像方式，其灵活稳定的同轨立体、三重立体模式，理想的基高比，立体影像的时间一致性，为高精度目标点的定位，高质量DEM生成，GIS数据的采集和更新，测制和修测地形图和专题地图提供了非常有利的前提和可靠的保证。但是其成本也达到了同等单线阵分辨率卫星的数倍。这种三线阵卫星只需推扫，而无需像单线阵卫星需要倾斜或回归运动，既可以获得大范围立体影像，并显著改善了立体成像的质量，使卫星测图具有很高的应用价值，降低和后期处理的难度和工作量。



2、高精度姿态测量

    姿态是摄影测量的外方位线元素，其精度对测图精度影像巨大。加入卫星在600KM的轨道高度1角秒的姿态误差就会造成地面定位误差3米左右。目前为了提高姿态稳定度，卫星上一般有高精度三轴姿态稳定系统，高外高分卫星大多将恒星敏感期和陀螺组合作为主要的定姿器件。为了进一步提高精度，卫星上会装多个星敏和陀螺。在这个方面各国都会选择自己的技术储备相应的最佳方案，像Quucibird2就有双头星敏、IRU和太阳敏感器；以色列EROS-B是两个星敏；法国SPOT-5用了一个星敏和多组陀螺仪。印度P5由于技术有限用了一个星敏和一个陀螺。日本ALOS有前、正、后三个星敏，当有月光干扰时正视星敏开始工作。不但如此ALOS还有惯性陀螺和角偏移传感器ADS。这些卫星一般用卡尔曼滤波EKF，以姿态运动学或姿态动力学方程为基础，构建系统状态方程，实时测量姿态信息。而对姿态的控制一般用单向时间序列滤波模式，日本的ALOS还在地面站采用了下传数据后处理模式，由地面服务器二次运算后精确调整卫星姿态。

    而这个姿态测量这方面由于涉及大量算法和太空原件的开发，一直是我国人造卫星和外国差距最大领域之一，也是国外封锁最严密的领域。但是我国进步神速，目前我国自主研发的红外地球敏感期、陀螺仪、太阳敏感期、星敏器的不断应用，高分一号的图像几何定位精度已经从资源1号02C星的基础上大幅度提高，达到了发达国家水平。

3、高精度轨道测量技术

    轨道误差是摄影测量的又一个重要的外方位线元素，直接关系到卫星的测图精度。目前高精度卫星跟踪技术主要有GPS（全球定位系统，而非单指美国的GPS）、卫星激光测距SLR、多普勒无线电定位DORIS、精密测距和测速PRARE。

北斗区域导航系统
    目前GPS定位已经成为卫星精密定轨的主要技术手段，美国、航过、日本卫星均采用GPS接收机，日本ALOS还有两个GPS接收机，事后处理的定轨精度优于1米，大大优于实时定轨精度的200米平均水平。

    激光测距是用激光测量卫星和地面站距离的技术，原理是地面站/测控船向卫星发射激光，卫星激光发射器发射后，地面/测控船接收，通过计数器测定激光往返时间推算卫星距离。该技术在20世纪60年代起步，现在已经达到了亚毫米的精度，SLR是目前定位精度最高的跟踪技术。法国的SPOT5为例，应用法国在全球54个地面站向卫星发射型号，测定多普勒频移精确计算卫星空间坐标，定轨精度优于20厘米。

SLR地面设备
    我国在90年代起步SLR和GPS的研究，在北斗导航系统、天链系统和新一代地面测控站/测量船相继投入使用/更新设备以后，结合一些研究报告，推测我国目前理论上卫星定轨精度已经达到10厘米的水平，特别通过是反导反卫技术的进步和试验活动，在这个领域我们已经基本处于世界第一方阵的水平，特别是我们在支撑卫星定轨活动上的关键技术和平台均为自主研发，这对国防安全有特别重大意义。

4、几何标定

    卫星传感器的几何参数是高精度定位的关键因素，这个方面也是人们不太了解和忽略的一个重要技术。卫星发射前，传感器参数可以在地面标定，但是由于卫星入轨后进入微重力及环境温度状态变化的环境，卫星有效载荷的技术参数会发生变化，所以卫星传感器的技术参数在轨标定，是非常重要的测绘技术，其各种标定方案也是各国光学遥感卫星的核心技术机密，也就是说即使可以卖CCD镜头、星敏器、陀螺、卫星激光测距仪，标定技术也是绝对非卖品，只能自主开发，像一些小国和缺乏标定技术的国家，在买卫星的时候就要求卖方提供此类服务或代建标定基础设施。

    法国的SPOT卫星是最早成功应用卫星影像几何标定的，法国拥有全球21个几何标定场，为卫星在轨标定提供校验参考数据。美国的IKONOS发射成功后，NASA还成立联合几何标定组，使用MTF target影像作为校验数据。日本ALOS几何标定小组，在日本、澳大利亚预设了三个几何标定场，三个标定场对应三线阵立体成像模式下的钱中后视，一般在100S左右进行分析和调整。

    我国在航空测绘领域很早就建设了对航空框幅式相机的几何标定系统，包括高精度的地面几何控制长、完善的相机标定测试系统。航天传感器的专业几何标定场目前也在快速完善和建设之中。到2012年为止，在这个领域已经初步建成完整的几何标定系统，形成了完整的辐射定标和几何定标方案。

5、立体测图

平面立体测图，上面介绍过我国中科院遥感所第六代遥感图像处理系统IRSA-6。是遥感影像在测绘上应用的关键步骤，需要在精密定轨、定姿、和几何标定的基础上，构建成像几何模型，并进行无控区域网平差，成像模型严格遵守有理函数模型等。关键技术如下：

成像模型构建，主要针对不同卫星成像特点，在不同假设条件下，对成像几何进行分析和验证，构建相应的成像几何模型。

区域网平差，此技术是在航空测绘的区域网平差技术上发展而来，分为单星遥感影像区域网平差和多星传感器卫星影像区域网平差，又细分为多种算法。目前国内已经启动多星传感器卫星影像区域网平差的研究工作，并且在对无控制点地区的卫星遥感网平差起步研究。

五、结语

    全球目前在卫星遥感测绘领域中刨除我国，美国、法国、日本是有代表性的三个国家，特别是美国和法国对光学遥感卫星技术的发展开创了大量的原创性理论和原始技术，日本依托于光学技术的高度发达在光学遥感卫星上不计成本投入了大量的尖端科技，俄罗斯、加拿大、德国、印度等国也有自己相对完善的遥感卫星研发体系，而其他国家在核心的传感器、控制仪、算法等领域由于缺乏核心技术和产品基本是拿来主义。由于光学遥感卫星几乎是尖端技术堆积的产品，一国的光学遥感卫星的整体水平很大程度上反映出一国的科技实力，全球能够完全独立自主研发光学遥感卫星的国家不超过5个，能够设计制造光学遥感卫星的国家不超过10个，一旦开战，全球光学遥感图像资源将非常不对称的掌握在极少数国家手里。像美国这样有着全球利益的国家，或者像俄罗斯这种国土面积巨大的国家，已经建成民用/商用、军用两类光学遥感卫星，并且大量卫星互为补充，做到对全球的精确遥感测绘。
    对于我国而言，考虑到国家经济发展，维持和平稳定的国际环境，特别是为了应对假想敌的太空战能力，除了不断提高各种光学遥感卫星技术以外，也势必要同时发展军用和民用/商业两个平台的光学遥感卫星，在民用/商业领域不断发展资源系列、风云系列、海洋系列、高分系列等不同功能和用途的遥感卫星，在高分为代表的高分辨率光学遥感测绘卫星方面。我们依然要加大传感器研制技术的进步，测绘卫星的技术和手段也要提高，要具备对符合和几何精度的定量化分析和评价能力，构建高可靠性，高精度的测绘平台，要提高多类多型多颗卫星的同步应用能力，提高卫星图像数据的应用水平。在具体技术上，要继续提高高精度CCD相机传感器的指标、争取突破CCD的成像原理，发展新一代的光学成像传感器的设计、制造工艺，不能继续停留在对国外技术的跟踪水平；高精度的星敏器和陀螺姿态精密测定技术、基于北斗星座和SLR卫星轨道精密测定技术、卫星实时和事后的高精度几何辐射定标技术等等，大胆应用诸如量子通讯技术、大数据分布式存储技术、四维建模技术等尖端技术，打破西方发达国家的技术路线，形成独立自主的天地一体化技术体系。确保国产卫星满足实时地理国情的动态监测、全球目标定位、大地形数据库实时更新一集国土资源动态监测等国家重大战略需求，满足国家军事斗争的最高利益需求！


参考文献：
1、21世纪遥感于GIS发展 李德仁
2、空间光学遥感技术_王文昊
3、高分辨率遥感卫星测绘关键技术_唐新明
4、立体影像控制绝对定位技术  武汉大学
等等

后记，
希望这篇文章能够让大多数人了解高分辨率光学遥感卫星的技术构成，由于时间和知识有限难免有让专业人士笑话的地方，本篇发布前省略了大量的公式和算法说明，所以有点突兀，也请谅解。
也希望能够改变部分人对于分辨率是光学遥感卫星唯一技术要素的认识误区。



一、导语：

    今年4月26日，中国“长征二号丁”运载火箭在酒泉卫星发射中心发射场顺利点火升空，以“一箭多星”发式将“高分一号”发射升空。官方资料说明高分一号卫星是国家高分辨率对地观测系统重大专项的首发星，高分辨率对地观测系统工程是中国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)年》确定的16个重大专项之一，由天基观测系统、临近空间观测系统、航空观测系统、地面系统、应用系统等组成，计划“十二五”期间发射5至6颗观测卫星，目标是建成高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率的对地观测系统，并与其他观测手段相结合，到2020年形成具有时空协调、全天时、全天候、全球范围观测能力的稳定运行系统。

    高分一号——“高分辨率光学遥感测绘卫星一号”，发射任务是2013年以来我国第一次航天发射任务，由于“高分”二字，使得遥感卫星及其相关技术再次成为了近期热门的话题。我用有限的篇幅和有限的知识对高分辨率遥感卫星的关键技术进行一下梳理，和各位Cder共同学习和讨论。

    空间遥感技术在中国是从20世纪70年代开始相关的研究工作，到2013年我国先后发射了几十颗返回式和极轨等多种遥感卫星。而现代空间遥感技术是20世纪60年代以来集成空间科学技术、信息技术、光学技术、原子能和控制技术等学科理论建立起来的一门先进的、使用的探测技术。时至今日，遥感技术已经成为人类探索宇宙和地球自身的重要科学技术。在今天，遥感技术的广泛应用已经大大超越了理论建设初期的预测，并且和越来越多的尖端科技相结合，在军事侦察、环境监测、海洋、灾害预防等数十个领域发挥着重要的作用。在近半个世纪的发展过程中，高分辨率（HR）遥感卫星从胶片返回式卫星，到目前的传输型卫星；从框幅式到三线阵CCD相机；空间分辨率从上百米提高到厘米级，时间分辨率和光谱分辨率也在不断的提高；而且除了传统的光学卫星，现在的合成孔径雷达（SAR）、激光测高卫星、重力卫星、导航卫星也越来越多的应用了空间遥感技术。相应的，卫星测绘技术也在不断提高，以前我们是控制测图，现在是无控自动测图，以前是单机测图现在是多星协同无缝测图，测图精度从1:250000地形图制图发展到满足1:5000甚至更高的比例尺的地形图制图。放眼全球，从遥感系统到遥感应用两方面来说，中国的空间遥感技术已经达到了比较高的水平。

二、基础简介：

    科班出身的同志都知道遥感技术有对象、传感器、传播媒介和平台这四个基本要素组成。对不知情的同志说明一下：对象就是目标这个好理解；传感器就是仪器，能感测很远目标的传感器叫遥感器；传播媒介包括电磁波、声波、磁场、重力、电力场、地震波等；平台是装载仪器的装置，例如航天飞机、卫星、飞船、飞机、飞艇等，其中能运动的叫运载工具。这样就得出了遥感完整的定义。
    光学遥感是以电磁波做媒介，按不同光波段分为可见光遥感、红外遥感、微波遥感、紫外遥感。美国康菲公司与中海油合作开发的蓬莱19-3油田于2011年6月发生溢油事故，我们就使用了紫外遥感进行了全程监控。
    再进一步，按照遥感的采集方式，分为摄影——摄像机、照相机，和扫描——雷达成像、电视摄像扫描模式，为成像遥感；使用辐射计和分光光度计是非成像遥感。非成像遥感模式数据量小，易于传和存，但是数据处理过程中容易丢包失真。


高分一号

三、我国现状：

    我国目前已经从以航空遥感发展到空间遥感阶段，有多种遥感卫星系列，此外神州飞船和天宫一号试验空间站也具备一定的遥感能力。并且随着对各种遥感技术的全面突破和掌握，特别是北斗星座、天链星座的逐步组网，并且和GIS（地理信息测绘技术）技术的集成应用，我国已经成为世界先进的遥感大国。在具体应用上我国主要在遥感系统和遥感图像摄影和处理技术两大领域在不断进步和突破。
    说到遥感系统，这里我们简单回顾一下高分一号之前我国比较著名的一些遥感卫星：
    1、风云气象卫星，2001年5月发射，装载各种辐射计和光度计的硬盘录像机一体化非成像模式。优点是快速获得全球定量数据，风云3号极轨气象卫星，可以实现对大气三维探测，不受黑白转换的限制，不受各种天气影响，可以在各种条件下实现24小时观测服务，提供中期天气预报和全球和温湿度、云辐射气象数据。2020年前我们还有将近10颗气象卫星逐步升空。
    2、资源卫星1号/中巴资源地球资源卫星一号。和巴西联合研制，安装多光谱光学摄像仪器，目前双方正在研究下一代全色高分辨率CCD相机，进一步提高空间分辨率。1999年发射的资源1号搭载20米分辨率的CCD、80/160的红外扫描仪、256米的宽视场WFI（成像仪）；2003年10月CBERS-02发射成功接替01星、2007年9月增加了红外多光谱扫描仪（IRMSS）的资源1号02B星发射成功，2011年12月资源1号02C发射成功。CBERS-02C搭载两台HR（高分辨率）相机，空间分辨率2.36米，提供54KM的宽幅图像，而全色及多光谱相机也相应的进一步提高的分辨率。
    3、海洋卫星。以HY1A为例，主要用于海洋色素探测、海洋污染检测和资源开发，HY1有10个波段的水色水纹扫描仪和4波段CCD。2002年HY1A发射成功、2007年4月HY1B发射成功，2011年8月HY2发射成功，HY1A和1B是水色卫星。是一颗海洋动力环境卫星搭载更先进的微波遥感技术。2020年前我国将拥有8颗海洋系列卫星，4颗水色卫星、2颗动力环境卫星和2颗海陆雷达卫星。这将对我们对全球海洋水域实现全面覆盖的精确监测，特别是我国周边海域及附属岛屿实现更加强力的监控管理。目前我国已经建立中国国家海域动态监视监测管理系统平台，对我国领海、经济区、岛礁、争议水域实现24小时不间断的监控管理。
    4、神州飞船、嫦娥、天宫等。例如神州三号的留轨仓，我国进行了一些列卫星遥感试验。
    近些年还陆续至少发射了4颗光学卫星和4颗雷达卫星组成的星座，保证每天覆盖地球一次，农业部特供就不展开说明了。随着国力的增强和技术的进步，2020年前高分一号的后续星还会不断升空，最终形成一个完善的高分空间测绘卫星星座。
  
    遥感图像摄影和处理技术方面，我国已经具有了自主知识产权的全数字摄像测量系统，可以自动生成核线影像、自动建立数字地形建模、人机交互数字测图等功能。在该领域，我国中科院遥感所是主力军，现在第六代遥感图像处理系统IRSA-6已经投入使用，IRSA-6为例，能够将高光谱遥感的高分辨率和卫星的高空间分辨率影像完美融合，生成光谱细节和空间细节突出的图像，还能够对数据进行分析和特征码提取，避免图像失真，另外该所在图像仿真领域，还可动态生成三维影像，应用北斗技术等先进技术将正射三维影像、构建观察场景等方式对三维地图数据进行导航和交互式操作。这一点特别有应用价值，简单点说，我们能够把遥感图像快速自动生成三维影像，并且进行导航和交互式应用，其中的军事价值不可估量。而本人观点就是再高清的图片没有好的应用手段也是垃圾数据，一般的图片经过很好的应用手段也能变废为宝，而我们的目标就是要做到高清和高质量应用两者兼得。

四、关键技术：

    高分辨率光学遥感测绘卫星，主要有光学传感器、精密定姿、精密定轨、几何标定、立体测图等几个关键技术。

1、光学传感器：

    一般来说人眼对纸质地图的目视分辨率在0.07-0.1毫米左右，也就是说地形图测图要求卫星遥感图像的分辨率要达到或小于0.1毫米，更新部分要至少达到0.2毫米。这样，卫星传感器的分辨率就成为了决定地形图测图比例尺的重要因素。此外，卫星多线阵相机的倾斜角设计、卫星的扫描模式直接关系着卫星摄影基线的大小，同样是影响测图精度的重要因素。


星载CCD相机1（嫦娥一号国产CCD）


普通CCD和CMOUS芯片区分

    这里简单介绍一些有代表性的外国遥感卫星的相关情况。

法国SPOT-5全色影像在轨道上的地面分辨率达到5米。
1999年美国IKONOS-2全色1米，多光谱4米。
2001年美国数字地球公司的Quickbird-2全色0.61米，多光谱2.44米。
Oebview3、4地面像元分辨率1米，多光谱4米。
Geoeye是Oebview3的接任者，2008年Geoeye1发射，卫星全色分辨率0.41米，4波段多光谱空间分辨率1.64米，是目前世界上分辨率和定位精度最高的商业卫星。
韩国的KOMPASAT2全色和多光谱是1米和3米。
以色列EROS-B，2006年发射，全色空间分辨率0.7米。
日本自主研发的ALOS全色波段地面像元分辨率2.5米，多光谱AVNIR-2谱段为4个，地面像元分辨率10米。
印度2005年的CARTOSAT-1/IRS P5卫星前后视两个头分别是2.452米和2.187米。

    以上大家可以补充。


星载CCD相机2

    单线阵传感器，在为了获取立体影像的时候，CCD一般采用轨道回归或者左右侧摆成像，即同轨立体成像和异轨立体成像。例如发给过SPOT1-4、美国IKONOS-2、Quucibird2、Orbview3、4,Geoeye1,韩国的KOMPSAT1、2，以色列的EROS、加拿大的Rapideye。IKONOS-2可以让相机前后左右摆拍，同轨立体采集影像，只要设置好摄像头的偏转角度和预置位就能获取全区域的立体影像。Quucibird2还能以延轨或穿轨的方式对目标区域摆拍，对大客户还能提供Basic级别未做几何修正的原始图像，basic立体图像全色分辨率0.78米，倾斜角度30度，多光谱3.12米，很适合DEM或三维地物提取。


Geoeye1

    为了降低卫星立体成像的成本，单个卫星平台也可以搭载多台相机，新设计的大多采用这种方式，就是使用多线阵或多相机成像方式实现同轨立体成像，例如法国SPOT-5、印度IRS P5、日本ALOS PRISM、德国MOMS-2P。法国SPOT-5是法国国家空间研究中心在法国SPOT1-4基础上发展的双线阵立体测图卫星，可以获取同轨或异轨立体影像。有HRG、HRS相机、VEGETATION。HRG相机用来获取异轨立体图像。HRS相机由前后两个相机组成。同轨基高比0.84，获取同轨立体图像，三个设备保证了DEM高精度。

法国SPOT-5

    印度IRS P5，有两个全色相机，焦距1945毫米，特点是前后两个相机获得同一影像时差在52秒，基高比0.62，可有有利于减小大高差地区的遮挡，适合山地地区影像采集。

印度IRS P5

    日本ALOS PRISM是日本一款很有高科技含量的陆地观测卫星，是三线阵卫星的代表。它有高分标率三线阵全色相机PRISM，多光谱相机AVNIR2、适用于有云及全天候的雷达遥感器。其中PRISM是目前世界上公开的最先机你的三线阵CCD测绘相机，三台相机交会角为24度，基高比1，达到了立体测图最佳的基高比值。

日本ALOS

    综汇以上，三线阵CCD是最理想的航天遥感立体成像方式，其灵活稳定的同轨立体、三重立体模式，理想的基高比，立体影像的时间一致性，为高精度目标点的定位，高质量DEM生成，GIS数据的采集和更新，测制和修测地形图和专题地图提供了非常有利的前提和可靠的保证。但是其成本也达到了同等单线阵分辨率卫星的数倍。这种三线阵卫星只需推扫，而无需像单线阵卫星需要倾斜或回归运动，既可以获得大范围立体影像，并显著改善了立体成像的质量，使卫星测图具有很高的应用价值，降低和后期处理的难度和工作量。



2、高精度姿态测量

    姿态是摄影测量的外方位线元素，其精度对测图精度影像巨大。加入卫星在600KM的轨道高度1角秒的姿态误差就会造成地面定位误差3米左右。目前为了提高姿态稳定度，卫星上一般有高精度三轴姿态稳定系统，高外高分卫星大多将恒星敏感期和陀螺组合作为主要的定姿器件。为了进一步提高精度，卫星上会装多个星敏和陀螺。在这个方面各国都会选择自己的技术储备相应的最佳方案，像Quucibird2就有双头星敏、IRU和太阳敏感器；以色列EROS-B是两个星敏；法国SPOT-5用了一个星敏和多组陀螺仪。印度P5由于技术有限用了一个星敏和一个陀螺。日本ALOS有前、正、后三个星敏，当有月光干扰时正视星敏开始工作。不但如此ALOS还有惯性陀螺和角偏移传感器ADS。这些卫星一般用卡尔曼滤波EKF，以姿态运动学或姿态动力学方程为基础，构建系统状态方程，实时测量姿态信息。而对姿态的控制一般用单向时间序列滤波模式，日本的ALOS还在地面站采用了下传数据后处理模式，由地面服务器二次运算后精确调整卫星姿态。

    而这个姿态测量这方面由于涉及大量算法和太空原件的开发，一直是我国人造卫星和外国差距最大领域之一，也是国外封锁最严密的领域。但是我国进步神速，目前我国自主研发的红外地球敏感期、陀螺仪、太阳敏感期、星敏器的不断应用，高分一号的图像几何定位精度已经从资源1号02C星的基础上大幅度提高，达到了发达国家水平。

3、高精度轨道测量技术

    轨道误差是摄影测量的又一个重要的外方位线元素，直接关系到卫星的测图精度。目前高精度卫星跟踪技术主要有GPS（全球定位系统，而非单指美国的GPS）、卫星激光测距SLR、多普勒无线电定位DORIS、精密测距和测速PRARE。

北斗区域导航系统
    目前GPS定位已经成为卫星精密定轨的主要技术手段，美国、航过、日本卫星均采用GPS接收机，日本ALOS还有两个GPS接收机，事后处理的定轨精度优于1米，大大优于实时定轨精度的200米平均水平。

    激光测距是用激光测量卫星和地面站距离的技术，原理是地面站/测控船向卫星发射激光，卫星激光发射器发射后，地面/测控船接收，通过计数器测定激光往返时间推算卫星距离。该技术在20世纪60年代起步，现在已经达到了亚毫米的精度，SLR是目前定位精度最高的跟踪技术。法国的SPOT5为例，应用法国在全球54个地面站向卫星发射型号，测定多普勒频移精确计算卫星空间坐标，定轨精度优于20厘米。

SLR地面设备
    我国在90年代起步SLR和GPS的研究，在北斗导航系统、天链系统和新一代地面测控站/测量船相继投入使用/更新设备以后，结合一些研究报告，推测我国目前理论上卫星定轨精度已经达到10厘米的水平，特别通过是反导反卫技术的进步和试验活动，在这个领域我们已经基本处于世界第一方阵的水平，特别是我们在支撑卫星定轨活动上的关键技术和平台均为自主研发，这对国防安全有特别重大意义。

4、几何标定

    卫星传感器的几何参数是高精度定位的关键因素，这个方面也是人们不太了解和忽略的一个重要技术。卫星发射前，传感器参数可以在地面标定，但是由于卫星入轨后进入微重力及环境温度状态变化的环境，卫星有效载荷的技术参数会发生变化，所以卫星传感器的技术参数在轨标定，是非常重要的测绘技术，其各种标定方案也是各国光学遥感卫星的核心技术机密，也就是说即使可以卖CCD镜头、星敏器、陀螺、卫星激光测距仪，标定技术也是绝对非卖品，只能自主开发，像一些小国和缺乏标定技术的国家，在买卫星的时候就要求卖方提供此类服务或代建标定基础设施。

    法国的SPOT卫星是最早成功应用卫星影像几何标定的，法国拥有全球21个几何标定场，为卫星在轨标定提供校验参考数据。美国的IKONOS发射成功后，NASA还成立联合几何标定组，使用MTF target影像作为校验数据。日本ALOS几何标定小组，在日本、澳大利亚预设了三个几何标定场，三个标定场对应三线阵立体成像模式下的钱中后视，一般在100S左右进行分析和调整。

    我国在航空测绘领域很早就建设了对航空框幅式相机的几何标定系统，包括高精度的地面几何控制长、完善的相机标定测试系统。航天传感器的专业几何标定场目前也在快速完善和建设之中。到2012年为止，在这个领域已经初步建成完整的几何标定系统，形成了完整的辐射定标和几何定标方案。

5、立体测图

平面立体测图，上面介绍过我国中科院遥感所第六代遥感图像处理系统IRSA-6。是遥感影像在测绘上应用的关键步骤，需要在精密定轨、定姿、和几何标定的基础上，构建成像几何模型，并进行无控区域网平差，成像模型严格遵守有理函数模型等。关键技术如下：

成像模型构建，主要针对不同卫星成像特点，在不同假设条件下，对成像几何进行分析和验证，构建相应的成像几何模型。

区域网平差，此技术是在航空测绘的区域网平差技术上发展而来，分为单星遥感影像区域网平差和多星传感器卫星影像区域网平差，又细分为多种算法。目前国内已经启动多星传感器卫星影像区域网平差的研究工作，并且在对无控制点地区的卫星遥感网平差起步研究。

五、结语

    全球目前在卫星遥感测绘领域中刨除我国，美国、法国、日本是有代表性的三个国家，特别是美国和法国对光学遥感卫星技术的发展开创了大量的原创性理论和原始技术，日本依托于光学技术的高度发达在光学遥感卫星上不计成本投入了大量的尖端科技，俄罗斯、加拿大、德国、印度等国也有自己相对完善的遥感卫星研发体系，而其他国家在核心的传感器、控制仪、算法等领域由于缺乏核心技术和产品基本是拿来主义。由于光学遥感卫星几乎是尖端技术堆积的产品，一国的光学遥感卫星的整体水平很大程度上反映出一国的科技实力，全球能够完全独立自主研发光学遥感卫星的国家不超过5个，能够设计制造光学遥感卫星的国家不超过10个，一旦开战，全球光学遥感图像资源将非常不对称的掌握在极少数国家手里。像美国这样有着全球利益的国家，或者像俄罗斯这种国土面积巨大的国家，已经建成民用/商用、军用两类光学遥感卫星，并且大量卫星互为补充，做到对全球的精确遥感测绘。
    对于我国而言，考虑到国家经济发展，维持和平稳定的国际环境，特别是为了应对假想敌的太空战能力，除了不断提高各种光学遥感卫星技术以外，也势必要同时发展军用和民用/商业两个平台的光学遥感卫星，在民用/商业领域不断发展资源系列、风云系列、海洋系列、高分系列等不同功能和用途的遥感卫星，在高分为代表的高分辨率光学遥感测绘卫星方面。我们依然要加大传感器研制技术的进步，测绘卫星的技术和手段也要提高，要具备对符合和几何精度的定量化分析和评价能力，构建高可靠性，高精度的测绘平台，要提高多类多型多颗卫星的同步应用能力，提高卫星图像数据的应用水平。在具体技术上，要继续提高高精度CCD相机传感器的指标、争取突破CCD的成像原理，发展新一代的光学成像传感器的设计、制造工艺，不能继续停留在对国外技术的跟踪水平；高精度的星敏器和陀螺姿态精密测定技术、基于北斗星座和SLR卫星轨道精密测定技术、卫星实时和事后的高精度几何辐射定标技术等等，大胆应用诸如量子通讯技术、大数据分布式存储技术、四维建模技术等尖端技术，打破西方发达国家的技术路线，形成独立自主的天地一体化技术体系。确保国产卫星满足实时地理国情的动态监测、全球目标定位、大地形数据库实时更新一集国土资源动态监测等国家重大战略需求，满足国家军事斗争的最高利益需求！


参考文献：
1、21世纪遥感于GIS发展 李德仁
2、空间光学遥感技术_王文昊
3、高分辨率遥感卫星测绘关键技术_唐新明
4、立体影像控制绝对定位技术  武汉大学
等等

后记，
希望这篇文章能够让大多数人了解高分辨率光学遥感卫星的技术构成，由于时间和知识有限难免有让专业人士笑话的地方，本篇发布前省略了大量的公式和算法说明，所以有点突兀，也请谅解。
也希望能够改变部分人对于分辨率是光学遥感卫星唯一技术要素的认识误区。