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激光测高卫星的发展与展望

日期:2018-01-26 16:44:12编辑作者:申博
一直以来,国内有些学者对卫星激光测高(SLA)、卫星雷达测高(SRA)、卫星激光测距(SLR)3种不同的技术产生混淆,而后两者技术发展相对较快,导致对卫星激光测高的关注度不高,客观上制约了国产激光测高卫星的发展。文章从3种技术对比入手,对国内外激光测高卫星的发展现状进行了较为详细的梳理,对美国未来几年对地观测激光测高领域的前端部署进行了介绍,以期引起国内对卫星激光测高技术更多的关注,能够制定更为科学的国产激光测高卫星发展规划。

 

1 引言

2016年5月30日,我国首颗高精度民用立体测图卫星资源-3卫星01星的后续星02星顺利发射,02星上搭载了国内首台对地观测激光测高试验性载荷,主要用于测试激光测高仪的硬件性能,探索高精度高程控制点数据获取的可行性,以及采用该数据辅助提高光学卫星影像无控立体测图精度的可能性。在此之前,对地观测的卫星激光测高数据处理及应用的研究在国内基本处于空白或刚刚起步的阶段。欧美发达国家经过几十年的发展,特别是美国在卫星激光测高方面已经积累了丰富的经验和应用成果。系统性地梳理总结国内外尤其是欧美国家在激光测高卫星领域的发展及趋势,对于指导我国发展自主激光测高卫星观测体系具有重要的借鉴与指导作用。

2 卫星激光测高技术的基本原理

严格来说,卫星激光测高属于卫星激光雷达的一个子类。卫星激光雷达总体上包括:用于测CO2等大气含量的差分吸收激光雷达、测风场的多普勒激光雷达、测云层与气溶胶的后向散射激光雷达,以及测高激光雷达,前三者在国外已经得到了广泛的应用,美欧已经发射了相应的星载激光载荷,如“正交偏振云-气溶胶激光雷达”(CALIOP)、“空间激光雷达试验”(LITE)、“后向散射光雷达”(ATLID)和“阿拉丁”(ALADIN)新型大气激光多普勒效应仪。

卫星激光测高是一种在卫星平台上搭载激光测高仪,并以一定频率向地面发射激光脉冲,通过测量激光从卫星到地面再返回的时间,计算激光单向传输的精确距离,再结合精确测量的卫星轨道、姿态以及激光指向角,最终获得激光足印点高程的技术与方法。

 

 

卫星激光测高的几个核心部分包括:高精度距离测量、高精度卫星轨道测量、高精度卫星姿态及激光指向测量、高精度时间测量。利用激光精确测量卫星到地面的距离,通过接收GPS信号精确测量轨道的位置,采用星敏感器精确测量卫星的姿态,最终结合高精度的时间同步测量,将测距、定轨、定姿三者进行关联,即可计算出地面足印点的三维空间坐标。

 

3 与其他相关技术的对比

自20世纪70年代,卫星激光测高技术在“阿波罗”(Apollo)飞船上首次得到应用,虽然历经了近50年的发展,但由于相关技术的成熟度、数据保密性及应用范围有限等多种原因,造成该技术知名度并不是很高,或者说没有诸如卫星雷达测高、卫星激光测距等相关技术的广泛认同度。因此,为了深入剖析卫星激光测高技术特点,突显该技术的独特地位,与卫星雷达测高和卫星激光测距相关技术进行有效区分,对三者进行较系统的对比分析是非常有必要的。

卫星雷达测高是指利用人造地球卫星搭载微波雷达高度计进行地面点定位以及测定地球形状、大小和地球重力场的技术和方法。美国在1973年发射的“天空实验室”(Skylab)上装载了世界上第一个航天器上应用的雷达高度计,随后欧美等发达国家经过50多年的持续投入,卫星雷达测高技术得到了长足的发展。目前,美国的雷达测高卫星以“贾森”(Jason)系列为代表,正在形成卫星雷达测高观测体系。我国在2011年发射了第一颗雷达测高卫星海洋-2A(HY-2A)卫星。

 

卫星激光测距是指利用安置在地面上的激光测距系统所发射的激光脉冲,跟踪观测装有激光反射棱镜的人造地球卫星或月球等地外天体,以测定观测站点到卫星之间距离的技术和方法。经过40多年的发展,卫星激光测距已经达到毫米级的精度水平,在空间大地测量中扮演了重要角色。卫星激光测距可精确测定卫星轨道、地面观测站点的精确三维地心坐标、几千千米的基线长、地球自转参数以及地球重力场、潮汐、地壳板块运动等精密的地球物理参数,是支持“国际地球自转服务”(IERS)的重要技术手段之一,近年来还在空间碎片测量与预警方面得到有效应用。全球各地分布有50多个卫星激光测距地面观测站点,其中我国境内固定的观测站点有5个,国内的卫星激光测距技术水平基本能与国际保持同步。

除传感器类型不一致外,足印大小是区分卫星雷达测高与卫星激光测高的最显著指标。卫星雷达测高的足印大小基本在千米级,如“贾森”系列的足印大小为2.2km;而卫星激光测高的足印大小一般在10~100m,如“地球科学激光测高系统”(GLAS)的标称足印大小为66m。而两者的观测对象也存在一定区别,卫星雷达测高以海洋为主,而卫星激光测高则陆地、海洋、极地均可观测,但以极地冰盖和陆地为主。虽然卫星激光测距和卫星激光测高均采用激光进行观测,但由于观测对象不同,导致其发展水平存在较大差异。目前,重复频率高达数千赫兹的卫星激光测距系统已经得到业务化应用,最先进的距离测量精度可达毫米级,而卫星激光测高的精度则基本在10~15cm甚至更差的水平。两者在精度水平上还存在较大区别,导致应用领域也显著不同。目前,卫星激光测距在卫星精密定轨方面已经得到业务化应用,重复频率为千赫兹的系统也比较成熟。

4 发展历程

美国从20世纪70年代开始,通过持续投入和发展,一直保持着在卫星激光测高领域的绝对领先地位。1971年,美国阿波罗-15飞船所载的激光测高仪是国际上具有资料可考的最早的星载激光测高仪,随后在阿波罗-16、17飞船上也实现了搭载,用于辅助光学相机进行月球的立体测图;1994年,美国发射了“克莱门汀”(Clementine)月球探测器,通过搭载激光测高仪获取了月球表面的高精度地形数据,但足印较大、点较为稀疏;1996年和1997年,美国国家航空航天局(NASA)又前后2次在航天飞机上搭载了SLA-01/02,建立了基于航天飞机激光测高仪的全球控制点数据库,获取了高精度全球控制点信息,特别是第一次实现了非洲等区域的数字高程模型(DEM)地形测绘,有效提升了美国在全球测图方面的能力;1996年11月,“火星轨道器激光高度仪”(MOLA)搭载在美国国家航空航天局戈达德空间飞行中心研制的“火星全球勘探者”(MGS)探测器上,历时2年到达火星,获得了大量火星表面的特征数据,是目前最为全面的火星地形参考数据;1996年,美国发射了“近地小行星交会”(NEAR)探测器,上面搭载了激光测高仪,主要用于对爱神星(Eros)小行星进行地形观测。

 

21世纪初,美国于2003年成功发射了世界上第一颗对地观测激光测高卫星“冰卫星”(ICESat),搭载了“地球科学激光测高系统”,用于冰川和海冰的高程及厚度变化观测、全球高程控制点获取、森林生物量估算等。该卫星是美国“地球观测系统”(EOS)计划中的一个重要部分,也是中国资源-3卫星02星之前唯一一颗对地观测的激光测高卫星,已于2009年停止工作。随后几年,国际进入空间探测的高峰期,空间探测器上基本都搭载了激光测高载荷。2006年,美国发射的“水星表面形貌、空间环境、星体化学及测距”(MESSENGER)探测器装载了“水星激光测高仪”(MLA)有效载荷,于2011年7月到达水星轨道并开始获取数据,在水星地形测绘方面扮演了重要角色;日本2006年发射的“月女神”(SELENE)探月卫星也搭载了“激光测高仪”(LALT),日本利用其所获测高数据建立了包括两极地区的精准月球全球地形图,同时分析了月球重力和地形数据;2008年10月,印度发射的月船-1(Chandrayaan-1)上搭载了“月球激光测距仪”(LLRI),用于提供探测器距离月球表面的精确高度,测量月球全球地形;美国在探月领域沉寂若干年后,于2009年7月在“月球勘测轨道器”(LRO)上搭载了第一个空间多光束激光测高仪—“月球轨道器激光高度仪”(LOLA),用于帮助人类探索月球时选择合适的着陆点,该高度仪获得的月球地形数据以其良好的覆盖和质量,在国际上得到了广泛的认可和应用。在这个阶段,中国在2007年和2010年先后发射的嫦娥-1和2探测器上也搭载了激光测高仪,并获得了月球的三维地形信息,但激光点的密度、足印大小及高程精度等与美国的“月球轨道器激光高度仪”数据还有一定差距。

最近几年,欧美国家在深空探测中大量使用激光测高仪。其中,美国在2016年9月8日发射的用于探测小行星贝努(Bennu)的“奥西里斯-雷克斯”(OSIRIS-Rex,全称为“起源光谱释义资源识别安全风化层”)小行星探测器上搭载了“奥西里斯-雷克斯激光测高仪”(OLA),用于获得贝努小行星的全球地表模型和采样区的高精度地形;欧洲航天局(ESA)“贝皮-哥伦布”(Bepi Colombo)水星探测任务的“水星行星轨道器”(MPO)也将搭载“贝皮-哥伦布激光高度仪”(BELA),原计划于2016年发射,后被推迟到2018年发射,用于研究水星星体地貌;欧洲航天局还计划在2022年发射的“木星与冰层卫星探测器”(JUICE)上搭载“盖尼米德激光测高仪”(GALA),用于木卫三的地形信息获取,目前该计划正在紧锣密鼓进行中。

5 美国在对地观测领域的部署

除计划在深空探测中使用激光测高仪外,美国在未来5年还计划发射至少3个搭载激光测高仪执行对地观测的任务。

其中“全球生态系统动力学调查”(GEDI)激光测高载荷将于2018年搭载在“国际空间站”上,主要用于全球植被生物量测量,研究碳循环和全球气候变化等。“全球生态系统动力学调查”激光测高载荷工作重复频率为242Hz,波长1064nm,通过光学衍射单元将发射激光分成14束,每个激光足印大小为25m,垂轨方向足印相隔500m,扫描宽度总和为6.5km。

 

计划于2018年发射的冰卫星-2上将搭载新一代“先进地形激光测高系统”(ATLAS),目的是用于继续执行“冰卫星”未完成的观测任务,主要用于长期研究极地冰盖、海冰高程变化及森林冠层覆盖的科学研究,“先进地形激光测高系统”激光工作频率为10kHz,沿轨间隔约0.7m,将采用先进的光子计数技术。

除冰卫星-2之外,美国国家研究委员会(NRC)还提出了未来的高精度“表面地形激光测量”(LIST)计划,主要用于获得全球5m格网大小和10cm高程精度的地形信息,以及森林植被、湖泊水系、极地冰盖等的高程变化量等,目前仍在论证中,预计在2020年之后发射。

 

6 总结与展望

卫星激光测高与卫星雷达测高、卫星激光测距等是3种不同的技术,虽然相互之间有联系,但在观测对象、精度水平、足印大小等方面具有显著的区别。后两种技术已经得到了长足的发展,加强对卫星激光测高的关注非常必要。

从20世纪70年代以来,卫星激光测高在国外一直得到关注和发展。美国经过10多个型号的发展,已经在月球、火星、水星等多个地外星球探测中得到较成熟的应用,在对地观测领域的SLA-01/02和冰卫星-1基础上也提出了雄心勃勃的发展计划。冰卫星-2计划在2018年9月发射;“全球生态系统动力学调查”激光测高载荷也可能在2018年升空。我国的首台对地观测激光测高仪于2016年发射,但由于是试验性载荷,虽然获得了初步的试验成功,但离业务化应用还有一定距离。即将在未来3~5年发射的高分-7、陆地生态系统碳监测卫星上都配有业务化应用的激光测高仪,但两者均非独立的激光测高卫星,相应的载荷及平台设计与国外的冰卫星-1和2激光测高卫星相比还有一定差距,仍有较大的研究和发展空间。为有效应对全球气候变化,实现更高精度、更高频次的对地观测,结合极地冰盖监测、森林生物量碳监测、高频次的特定区域地形变化测量等需求,未来是否需要单独发展国产激光测高卫星是值得探讨的问题。

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