2016年5月30日，我國(guó)首顆高精度民用立體測(cè)圖衛(wèi)星資源－3衛(wèi)星01星的后續(xù)星02星順利發(fā)射，02星上搭載了國(guó)內(nèi)首臺(tái)對(duì)地觀測(cè)激光測(cè)高試驗(yàn)性載荷，主要用于測(cè)試激光測(cè)高儀的硬件性能，探索高精度高程控制點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取的可行性，以及采用該數(shù)據(jù)輔助提高光學(xué)衛(wèi)星影像無(wú)控立體測(cè)圖精度的可能性。在此之前，對(duì)地觀測(cè)的衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用的研究在國(guó)內(nèi)基本處于空白或剛剛起步的階段。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，特別是美國(guó)在衛(wèi)星激光測(cè)高方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用成果。系統(tǒng)性地梳理總結(jié)國(guó)內(nèi)外尤其是歐美國(guó)家在激光測(cè)高衛(wèi)星領(lǐng)域的發(fā)展及趨勢(shì)，對(duì)于指導(dǎo)我國(guó)發(fā)展自主激光測(cè)高衛(wèi)星觀測(cè)體系具有重要的借鑒與指導(dǎo)作用。

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星激光測(cè)高屬于衛(wèi)星激光雷達(dá)的一個(gè)子類。衛(wèi)星激光雷達(dá)總體上包括：用于測(cè)CO2等大氣含量的差分吸收激光雷達(dá)、測(cè)風(fēng)場(chǎng)的多普勒激光雷達(dá)、測(cè)云層與氣溶膠的后向散射激光雷達(dá)，以及測(cè)高激光雷達(dá)，前三者在國(guó)外已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，美歐已經(jīng)發(fā)射了相應(yīng)的星載激光載荷，如“正交偏振云－氣溶膠激光雷達(dá)”(CALIOP)、“空間激光雷達(dá)試驗(yàn)”(LITE)、“后向散射光雷達(dá)”(ATLID)和“阿拉丁”(ALADIN)新型大氣激光多普勒效應(yīng)儀。

衛(wèi)星激光測(cè)高是一種在衛(wèi)星平臺(tái)上搭載激光測(cè)高儀，并以一定頻率向地面發(fā)射激光脈沖，通過(guò)測(cè)量激光從衛(wèi)星到地面再返回的時(shí)間，計(jì)算激光單向傳輸?shù)木_距離，再結(jié)合精確測(cè)量的衛(wèi)星軌道、姿態(tài)以及激光指向角，最終獲得激光足印點(diǎn)高程的技術(shù)與方法。

衛(wèi)星激光測(cè)高工作原理圖

衛(wèi)星激光測(cè)高的幾個(gè)核心部分包括：高精度距離測(cè)量、高精度衛(wèi)星軌道測(cè)量、高精度衛(wèi)星姿態(tài)及激光指向測(cè)量、高精度時(shí)間測(cè)量。利用激光精確測(cè)量衛(wèi)星到地面的距離，通過(guò)接收GPS信號(hào)精確測(cè)量軌道的位置，采用星敏感器精確測(cè)量衛(wèi)星的姿態(tài)，最終結(jié)合高精度的時(shí)間同步測(cè)量，將測(cè)距、定軌、定姿三者進(jìn)行關(guān)聯(lián)，即可計(jì)算出地面足印點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。

自20世紀(jì)70年代，衛(wèi)星激光測(cè)高技術(shù)在“阿波羅”(Apollo)飛船上首次得到應(yīng)用，雖然歷經(jīng)了近50年的發(fā)展，但由于相關(guān)技術(shù)的成熟度、數(shù)據(jù)保密性及應(yīng)用范圍有限等多種原因，造成該技術(shù)知名度并不是很高，或者說(shuō)沒有諸如衛(wèi)星雷達(dá)測(cè)高、衛(wèi)星激光測(cè)距等相關(guān)技術(shù)的廣泛認(rèn)同度。因此，為了深入剖析衛(wèi)星激光測(cè)高技術(shù)特點(diǎn)，突顯該技術(shù)的獨(dú)特地位，與衛(wèi)星雷達(dá)測(cè)高和衛(wèi)星激光測(cè)距相關(guān)技術(shù)進(jìn)行有效區(qū)分，對(duì)三者進(jìn)行較系統(tǒng)的對(duì)比分析是非常有必要的。

衛(wèi)星雷達(dá)測(cè)高是指利用人造地球衛(wèi)星搭載微波雷達(dá)高度計(jì)進(jìn)行地面點(diǎn)定位以及測(cè)定地球形狀、大小和地球重力場(chǎng)的技術(shù)和方法。美國(guó)在1973年發(fā)射的“天空實(shí)驗(yàn)室”(Skylab)上裝載了世界上第一個(gè)航天器上應(yīng)用的雷達(dá)高度計(jì)，隨后歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)過(guò)50多年的持續(xù)投入，衛(wèi)星雷達(dá)測(cè)高技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前，美國(guó)的雷達(dá)測(cè)高衛(wèi)星以“賈森”(Jason)系列為代表，正在形成衛(wèi)星雷達(dá)測(cè)高觀測(cè)體系。我國(guó)在2011年發(fā)射了第一顆雷達(dá)測(cè)高衛(wèi)星海洋-2A(HY-2A)衛(wèi)星。

衛(wèi)星激光測(cè)距是指利用安置在地面上的激光測(cè)距系統(tǒng)所發(fā)射的激光脈沖，跟蹤觀測(cè)裝有激光反射棱鏡的人造地球衛(wèi)星或月球等地外天體，以測(cè)定觀測(cè)站點(diǎn)到衛(wèi)星之間距離的技術(shù)和方法。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，衛(wèi)星激光測(cè)距已經(jīng)達(dá)到毫米級(jí)的精度水平，在空間大地測(cè)量中扮演了重要角色。衛(wèi)星激光測(cè)距可精確測(cè)定衛(wèi)星軌道、地面觀測(cè)站點(diǎn)的精確三維地心坐標(biāo)、幾千千米的基線長(zhǎng)、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)以及地球重力場(chǎng)、潮汐、地殼板塊運(yùn)動(dòng)等精密的地球物理參數(shù)，是支持“國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)”(IERS)的重要技術(shù)手段之一，近年來(lái)還在空間碎片測(cè)量與預(yù)警方面得到有效應(yīng)用。全球各地分布有50多個(gè)衛(wèi)星激光測(cè)距地面觀測(cè)站點(diǎn)，其中我國(guó)境內(nèi)固定的觀測(cè)站點(diǎn)有5個(gè)，國(guó)內(nèi)的衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)水平基本能與國(guó)際保持同步。

除傳感器類型不一致外，足印大小是區(qū)分衛(wèi)星雷達(dá)測(cè)高與衛(wèi)星激光測(cè)高的最顯著指標(biāo)。衛(wèi)星雷達(dá)測(cè)高的足印大小基本在千米級(jí)，如“賈森”系列的足印大小為2.2km；而衛(wèi)星激光測(cè)高的足印大小一般在10~100m，如“地球科學(xué)激光測(cè)高系統(tǒng)”(GLAS)的標(biāo)稱足印大小為66m。而兩者的觀測(cè)對(duì)象也存在一定區(qū)別，衛(wèi)星雷達(dá)測(cè)高以海洋為主，而衛(wèi)星激光測(cè)高則陸地、海洋、極地均可觀測(cè)，但以極地冰蓋和陸地為主。雖然衛(wèi)星激光測(cè)距和衛(wèi)星激光測(cè)高均采用激光進(jìn)行觀測(cè)，但由于觀測(cè)對(duì)象不同，導(dǎo)致其發(fā)展水平存在較大差異。目前，重復(fù)頻率高達(dá)數(shù)千赫茲的衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)已經(jīng)得到業(yè)務(wù)化應(yīng)用，最先進(jìn)的距離測(cè)量精度可達(dá)毫米級(jí)，而衛(wèi)星激光測(cè)高的精度則基本在10~15cm甚至更差的水平。兩者在精度水平上還存在較大區(qū)別，導(dǎo)致應(yīng)用領(lǐng)域也顯著不同。目前，衛(wèi)星激光測(cè)距在衛(wèi)星精密定軌方面已經(jīng)得到業(yè)務(wù)化應(yīng)用，重復(fù)頻率為千赫茲的系統(tǒng)也比較成熟。

美國(guó)從20世紀(jì)70年代開始，通過(guò)持續(xù)投入和發(fā)展，一直保持著在衛(wèi)星激光測(cè)高領(lǐng)域的絕對(duì)領(lǐng)先地位。1971年，美國(guó)阿波羅－15飛船所載的激光測(cè)高儀是國(guó)際上具有資料可考的最早的星載激光測(cè)高儀，隨后在阿波羅－16、17飛船上也實(shí)現(xiàn)了搭載，用于輔助光學(xué)相機(jī)進(jìn)行月球的立體測(cè)圖；1994年，美國(guó)發(fā)射了“克萊門汀”（Clementine）月球探測(cè)器，通過(guò)搭載激光測(cè)高儀獲取了月球表面的高精度地形數(shù)據(jù)，但足印較大、點(diǎn)較為稀疏；1996年和1997年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）又前后2次在航天飛機(jī)上搭載了SLA－01/02，建立了基于航天飛機(jī)激光測(cè)高儀的全球控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取了高精度全球控制點(diǎn)信息，特別是第一次實(shí)現(xiàn)了非洲等區(qū)域的數(shù)字高程模型（DEM）地形測(cè)繪，有效提升了美國(guó)在全球測(cè)圖方面的能力；1996年11月，“火星軌道器激光高度儀”（MOLA）搭載在美國(guó)國(guó)家航空航天局戈達(dá)德空間飛行中心研制的“火星全球勘探者”（MGS）探測(cè)器上，歷時(shí)2年到達(dá)火星，獲得了大量火星表面的特征數(shù)據(jù)，是目前最為全面的火星地形參考數(shù)據(jù)；1996年，美國(guó)發(fā)射了“近地小行星交會(huì)”（NEAR）探測(cè)器，上面搭載了激光測(cè)高儀，主要用于對(duì)愛神星（Eros）小行星進(jìn)行地形觀測(cè)。

美國(guó)航天飛機(jī)SLA－01/02獲得的全球激光足印點(diǎn)空間分布示意圖

21世紀(jì)初，美國(guó)于2003年成功發(fā)射了世界上第一顆對(duì)地觀測(cè)激光測(cè)高衛(wèi)星“冰衛(wèi)星”（ICESat），搭載了“地球科學(xué)激光測(cè)高系統(tǒng)”，用于冰川和海冰的高程及厚度變化觀測(cè)、全球高程控制點(diǎn)獲取、森林生物量估算等。該衛(wèi)星是美國(guó)“地球觀測(cè)系統(tǒng)”（EOS）計(jì)劃中的一個(gè)重要部分，也是中國(guó)資源－3衛(wèi)星02星之前唯一一顆對(duì)地觀測(cè)的激光測(cè)高衛(wèi)星，已于2009年停止工作。隨后幾年，國(guó)際進(jìn)入空間探測(cè)的高峰期，空間探測(cè)器上基本都搭載了激光測(cè)高載荷。2006年，美國(guó)發(fā)射的“水星表面形貌、空間環(huán)境、星體化學(xué)及測(cè)距”（MESSENGER）探測(cè)器裝載了“水星激光測(cè)高儀”（MLA）有效載荷，于2011年7月到達(dá)水星軌道并開始獲取數(shù)據(jù)，在水星地形測(cè)繪方面扮演了重要角色；日本2006年發(fā)射的“月女神”（SELENE）探月衛(wèi)星也搭載了“激光測(cè)高儀”（LALT），日本利用其所獲測(cè)高數(shù)據(jù)建立了包括兩極地區(qū)的精準(zhǔn)月球全球地形圖，同時(shí)分析了月球重力和地形數(shù)據(jù)；2008年10月，印度發(fā)射的月船－1（Chandrayaan－1）上搭載了“月球激光測(cè)距儀”（LLRI），用于提供探測(cè)器距離月球表面的精確高度，測(cè)量月球全球地形；美國(guó)在探月領(lǐng)域沉寂若干年后，于2009年7月在“月球勘測(cè)軌道器”（LRO）上搭載了第一個(gè)空間多光束激光測(cè)高儀—“月球軌道器激光高度儀”（LOLA），用于幫助人類探索月球時(shí)選擇合適的著陸點(diǎn)，該高度儀獲得的月球地形數(shù)據(jù)以其良好的覆蓋和質(zhì)量，在國(guó)際上得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。在這個(gè)階段，中國(guó)在2007年和2010年先后發(fā)射的嫦娥－1和2探測(cè)器上也搭載了激光測(cè)高儀，并獲得了月球的三維地形信息，但激光點(diǎn)的密度、足印大小及高程精度等與美國(guó)的“月球軌道器激光高度儀”數(shù)據(jù)還有一定差距。

最近幾年，歐美國(guó)家在深空探測(cè)中大量使用激光測(cè)高儀。其中，美國(guó)在2016年9月8日發(fā)射的用于探測(cè)小行星貝努（Bennu）的“奧西里斯-雷克斯”（OSIRIS-Rex，全稱為“起源光譜釋義資源識(shí)別安全風(fēng)化層”）小行星探測(cè)器上搭載了“奧西里斯-雷克斯激光測(cè)高儀”（OLA），用于獲得貝努小行星的全球地表模型和采樣區(qū)的高精度地形；歐洲航天局（ESA）“貝皮-哥倫布”（Bepi Colombo）水星探測(cè)任務(wù)的“水星行星軌道器”（MPO）也將搭載“貝皮-哥倫布激光高度儀”（BELA），原計(jì)劃于2016年發(fā)射，后被推遲到2018年發(fā)射，用于研究水星星體地貌；歐洲航天局還計(jì)劃在2022年發(fā)射的“木星與冰層衛(wèi)星探測(cè)器”（JUICE）上搭載“蓋尼米德激光測(cè)高儀”（GALA），用于木衛(wèi)三的地形信息獲取，目前該計(jì)劃正在緊鑼密鼓進(jìn)行中。

除計(jì)劃在深空探測(cè)中使用激光測(cè)高儀外，美國(guó)在未來(lái)5年還計(jì)劃發(fā)射至少3個(gè)搭載激光測(cè)高儀執(zhí)行對(duì)地觀測(cè)的任務(wù)。

其中“全球生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)調(diào)查”（GEDI）激光測(cè)高載荷將于2018年搭載在“國(guó)際空間站”上，主要用于全球植被生物量測(cè)量，研究碳循環(huán)和全球氣候變化等?！叭蛏鷳B(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)調(diào)查”激光測(cè)高載荷工作重復(fù)頻率為242Hz，波長(zhǎng)1064nm，通過(guò)光學(xué)衍射單元將發(fā)射激光分成14束，每個(gè)激光足印大小為25m，垂軌方向足印相隔500m，掃描寬度總和為6.5km。

“全球生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)調(diào)查”激光測(cè)高載荷相關(guān)參數(shù)示意圖

計(jì)劃于2018年發(fā)射的冰衛(wèi)星－2上將搭載新一代“先進(jìn)地形激光測(cè)高系統(tǒng)”（ATLAS），目的是用于繼續(xù)執(zhí)行“冰衛(wèi)星”未完成的觀測(cè)任務(wù)，主要用于長(zhǎng)期研究極地冰蓋、海冰高程變化及森林冠層覆蓋的科學(xué)研究，“先進(jìn)地形激光測(cè)高系統(tǒng)”激光工作頻率為10kHz，沿軌間隔約0.7m，將采用先進(jìn)的光子計(jì)數(shù)技術(shù)。

冰衛(wèi)星－2的“先進(jìn)地形激光測(cè)高系統(tǒng)”6波束激光測(cè)高示意圖

除冰衛(wèi)星－2之外，美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)（NRC）還提出了未來(lái)的高精度“表面地形激光測(cè)量”（LIST）計(jì)劃，主要用于獲得全球5m格網(wǎng)大小和10cm高程精度的地形信息，以及森林植被、湖泊水系、極地冰蓋等的高程變化量等，目前仍在論證中，預(yù)計(jì)在2020年之后發(fā)射。

“表面地形激光測(cè)量”計(jì)劃激光測(cè)高衛(wèi)星觀測(cè)示意圖

衛(wèi)星激光測(cè)高與衛(wèi)星雷達(dá)測(cè)高、衛(wèi)星激光測(cè)距等是3種不同的技術(shù)，雖然相互之間有聯(lián)系，但在觀測(cè)對(duì)象、精度水平、足印大小等方面具有顯著的區(qū)別。后兩種技術(shù)已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，加強(qiáng)對(duì)衛(wèi)星激光測(cè)高的關(guān)注非常必要。

從20世紀(jì)70年代以來(lái)，衛(wèi)星激光測(cè)高在國(guó)外一直得到關(guān)注和發(fā)展。美國(guó)經(jīng)過(guò)10多個(gè)型號(hào)的發(fā)展，已經(jīng)在月球、火星、水星等多個(gè)地外星球探測(cè)中得到較成熟的應(yīng)用，在對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的SLA－01/02和冰衛(wèi)星－1基礎(chǔ)上也提出了雄心勃勃的發(fā)展計(jì)劃。冰衛(wèi)星－2計(jì)劃在2018年9月發(fā)射；“全球生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)調(diào)查”激光測(cè)高載荷也可能在2018年升空。我國(guó)的首臺(tái)對(duì)地觀測(cè)激光測(cè)高儀于2016年發(fā)射，但由于是試驗(yàn)性載荷，雖然獲得了初步的試驗(yàn)成功，但離業(yè)務(wù)化應(yīng)用還有一定距離。即將在未來(lái)3～5年發(fā)射的高分－7、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星上都配有業(yè)務(wù)化應(yīng)用的激光測(cè)高儀，但兩者均非獨(dú)立的激光測(cè)高衛(wèi)星，相應(yīng)的載荷及平臺(tái)設(shè)計(jì)與國(guó)外的冰衛(wèi)星－1和2激光測(cè)高衛(wèi)星相比還有一定差距，仍有較大的研究和發(fā)展空間。為有效應(yīng)對(duì)全球氣候變化，實(shí)現(xiàn)更高精度、更高頻次的對(duì)地觀測(cè)，結(jié)合極地冰蓋監(jiān)測(cè)、森林生物量碳監(jiān)測(cè)、高頻次的特定區(qū)域地形變化測(cè)量等需求，未來(lái)是否需要單獨(dú)發(fā)展國(guó)產(chǎn)激光測(cè)高衛(wèi)星是值得探討的問題。