航天测绘技术：全域收集地理信息

2000年2月11日，美国“奋进”号航天飞机在佛罗里达州卡那维拉尔角航天发射中心发射升空，执行耗资3.64亿美元，被称为“航天飞机雷达地形测绘使命”（Shuttle Radar Topography Mission，SRTM）的空间飞行任务。此次航天测绘的覆盖面之广、采集数据量之大、精度之高在测绘史上是前所未有的，10天采集的原始数据仅全部处理就约需2年的时间。数据经处理后最终获得的全球数字高程模型（DEM），比美军以前的全球DEM的精度提高约30倍。人们不禁要问，航天飞机是怎么执行测绘任务的呢？

首先，我们来认识一下这次航天测绘所采取的核心技术，合成孔径雷达干涉测量技术（Synthetic Aperture Radar Interferometry，SARI）。合成孔径雷达属于一种主动式对地成像系统，具有全天候、全天时工作能力，拥有传统光学成像系统所无法比拟的优点。20世纪60年代，科学家发现，利用相邻雷达对同一地区图像数据的相位差，经雷达干涉测量处理，可以直接、快速地提取地形高程数据。

雷达干涉测量的基本原理是，相邻两副雷达天线分别接收到的同一地面点雷达回波信号间会有一个相位差，而利用此相位差就可以计算出地形高程。在SRTM计划实施之前，主要通过雷达卫星（如欧洲的ERS-1/2）在同一轨道重复飞行，来获得某地区的雷达干涉数据。但采用此种方法存在两个主要问题：一是雷达干涉测量对基线（即两副相干雷达天线的间距）的要求非常高，既不能太长也不能太短（最好是300～400米），而且要精确确定其长度；二是由于相邻轨道的数据不是同一时间获取的，致使相干性较低，有时无法进行干涉测量。而SRTM是在航天飞机的雷达系统上增加了一个长60米的可伸缩天线杆，并在天线杆的两端分别设置天线，来同时接收同一地区的雷达回波信号。这样就形成了一个60米基线的干涉测量系统，首次实现了单次通过干涉测量，即航天飞机一次通过某地区上空，就能获取该地区的高精度地形数据。用两个雷达天线来测绘地形，就像人用两只眼睛看东西一样，可看到有立体感的图像。

SRTM的硬件主要包括三部分，分别是主雷达天线、舱外雷达天线及可伸缩天线杆。主雷达天线由两条天线和一台计算天线位置数据的姿态与轨道测定仪（AODA）组成。每条天线由能发射和接收雷达信号的特殊面板制作。第一条称作C波段天线，可接收和发射波长为5.6厘米的雷达信号。第二条称作X波段天线，可接收和发射波长为3厘米的雷达信号。AODA的主要功能是测量天线杆长度、飞行姿态与轨道。AODA由电子测距仪、觇标跟踪仪、惯性导航仪、恒星跟踪仪及GPS接收机五部分组成。电子测距仪利用舱外天线上的角反射器测量天线杆长度，精度达到3毫米；觇标跟踪仪利用舱外天线上的3根发光二极管觇标，测量舱外天线相对于主雷达天线的位置；恒星跟踪仪由高性能的相机、计算机和恒星数据库组成，确定SRTM相对于恒星的姿态及舱外雷达天线的相对运动；惯性导航仪可非常精确地测量姿态变化，所得数据与恒星跟踪仪得到的数据相结合，可得到SRTM相对于恒星的绝对方位，惯导数据可用于推求随时间变化的姿态；两台GPS接收机与舱外的GPS天线相连，主要用于测定飞行器轨道。AODA的测量精度分别是：基线3毫米、姿态9弧秒、位置1米。舱外天线安装在天线杆的另一端，它由C波段和X波段2条雷达天线、2条GPS天线、3根发光二极管（LED）觇标及角反射器组成。2条雷达天线仅接收雷达信号，雷达信号的发射由主天线来完成。SRTM的可伸缩天线杆是一种可展开的铰接式天线杆（ADAM），直径1.12米、重量290千克、展开后长60米，由87个立方体框式部件组成。天线杆在不进行测量时装在金属罐内，测量时可由马达驱动展开，也可由宇航员人工驱动展开。

航天测绘数据在军事上有着极其广泛的用途：（1）SRTM数据是C4ISR的基础信息平台，在研究战场地域结构、作战方向、战场预设、作战部署、兵力集结与投送、防护条件、后勤保障等方面是必不可少的。利用可视化技术，可用它直接在屏幕上显示战场的通视、通行情况，自动选择空降或机降地域，为作战指挥人员提供辅助决策。（2）SRTM数据是精密导航和武器系统的基础保障，可提供高精度的地图。（3）SRTM可为高精度武器提供高精度数字地图和图像服务，美国的联合直接攻击弹药（JDAM）、联合防区外武器（JSOW）、联合空对地远程导弹（JASSM），以及“战斧”式巡航导弹等先进制导武器，都装有高精度数字高程数据和目标图像。数字高程数据主要用于导弹飞行中的地形匹配制导，数字图像则用于导弹的末制导，在导弹到达目标区后，存储在导弹里的目标图像与实地目标图像相对照，在确定无误后，再确定攻击。

同时，美国国家测绘局称，这些数据在非军事领域也有许多用途：可以用来观测地震断层，对潜在的熔岩流、山崩和水灾进行模拟，规划桥梁、大坝和管道的建设，改进航线规划、导航以及移动电话通信塔的布局，甚至还可以帮助那些徒步背包旅行者防止迷途。美国此次利用航天飞机干涉雷达系统，仅用不到10天的时间就成功地获取了全球80%陆地区域的高分辨率地形数据，而利用常规技术得到相应的数据，则需数十年的时间。