第1章 空间信息技术概述

在人类的文明从自然经济社会过渡到工业化社会，继而迈向知识经济时代的过程中，人们不断通过对自然的认识开拓视野。从微观的基本粒子到广阔无边的宇宙，凭借科技的进步人们正无限地延伸着自己的感官能力和改造自然的能力。人类的社会结构、生产生活方式都发生了深刻的变化，空间信息技术的发展应用即是人类进入信息化社会的直接体现[1]。

空间信息技术是全球导航卫星系统（GNSS）、地理信息系统（GIS），以及遥感（RS）技术的总称。三者常常集成为一个综合的应用系统，其中GNSS进行实时定位，RS进行数据采集更新，GIS 进行空间分析和综合处理等，三者既相对独立，又密切关联。空间信息技术在工业、农业、国防、交通、环保等众多领域得到广泛应用，并且不断拓展范围，取得了巨大的社会效益和经济效益，受到世界各国的重视和社会公众的关注，是当前IT界及相关应用行业的热门技术之一[2]。

空间信息技术通常是指以航天航空遥感、卫星定位技术和地理信息系统技术为核心的技术体系，是当前人类快速获取大区域地球动态和定位信息的唯一手段。空间信息技术的应用改变人类观测地球和信息处理的方式，大大开拓了人类的视野，极大增强了人类认识世界的能力，将对21世纪人类的世界观、生活、生产，以及信息交流方式产生深远的影响。

1.1 全球导航卫星系统（GNSS）

GNSS是Global Navigation Satellite System的缩写，即全球导航卫星系统，包含了美国的 GPS、俄罗斯的 GLONASS、中国的 Compass（北斗）、欧盟的 Galileo系统，可用的卫星数目达到100颗以上。

1.1.1 GNSS的概念

20世纪90年代中期，国际民航组织、国际移动卫星组织以及欧洲空间局等倡导发展完全由民间控制的全球导航卫星系统（GNSS），该系统将由多卫星导航系统组成，并结合区域导航定位系统进行导航定位，同时提供卫星的完备性检验信息和足够的导航安全告警信息。1992年5月，在国际民航组织（ICAO）未来导航系统（FANS）会议上，全球导航卫星系统（GNSS）被定义为：它是一个全球性的位置和时间测定系统，包括一种或几种卫星星座、机载接收机和系统完好性监视[3]。全球导航卫星系统 GNSS 又称天基 PNT（Position、Navigation、Timing，定位、导航、授时）系统，是指利用在太空中的导航卫星对地面、海洋和空间用户进行导航定位的一种空间导航定位技术[4]。卫星导航定位技术目前已基本取代了无线电导航、天文测量和传统大地测量技术，并推动了全新导航定位领域研究的发展。当今GNSS系统不仅成为世界各国重大的空间和信息化基础设施，也成为体现现代化大国地位和国家综合国力的重要标志。GNSS 技术已在航空、航天、航海、军事、地质、石油、勘探、交通、测绘等领域得到广泛的应用。

1.1.2 GNSS的发展及应用现状

自1957年10月第一颗人造地球卫星（以下简称卫星）发射成功以来，航天技术在通信、资源勘察、气象、导航、遥感、测绘、地球动力、天文和生物等各个学科领域得到极其广泛地应用，对政治、经济、军事，以及人类社会生活都产生了广泛而深刻的影响，促进了现代科学技术的进步[5]。通过第一个颗造地球卫星，人们发现了多普勒定位原理，推动产生了美国的海军导航卫星系统—— 子午仪（Transit），进而出现了美国的GPS 和苏联的 GLONASS。GNSS 定位导航系统由全球设施、区域设施、用户部分，以及外部设施构成，其中，全球设施是GNSS的主要组成部分，是GNSS最基础性的设施组件。在当前 GNSS发展过程中，欧盟的 GALILEO计划、GPS现代化、GLONASS现代化和中国“北斗二号”都将起到关键作用。

1）欧盟的GALILEO计划

1998年，欧盟（EU）决定建立一个独立于 GPS、专门为全球民用用户设计的卫星导航系统。从2002年起，欧盟开始筹建这种卫星导航系统，称为伽利略（GALILEO）卫星导航系统。其星座部分包括30颗GALILEO卫星，它们均匀地分布在3个以地球为中心，与赤道平面成56°夹角的椭圆轨道上，轨道高度23000km。每个椭圆轨道均匀地分布10颗卫星，每颗卫星环绕地球一周的时间为14 h。

伽利略卫星定位系统是一个独立的卫星导航系统，但同时又在和其他系统，特别与GPS 的共用方面进行了优化。使伽利略卫星系统能够和其他系统互用的关键驱动程序是用户的需求和进入未来 GNSS 市场的根据。三个与其他系统互用的主要目标已经确定，如下：

（1）与其他GNSS系统（主要是GPS）在用户层面达到互用，尤其表现在对频率、信号结构、时间参考框架、椭球基面的研究和选择上；

（2）和其他非GNSS系统的共用。例如，地面导航系统、移动通信网络等，通过提供联合定位服务达到弥补GNSS系统缺陷的目的；

（3）使伽利略卫星定位系统和电信系统共同提供导航、通信服务。这是一个增强通信能力的附加功能（如大数据量传输），它能使GNSS具备提供增值服务的能力。例如，将会对未来GNSS市场产生重大影响的基于地域的服务。使伽利略卫星定位和其他系统组合运用，不仅要求在伽利略卫星定位系统的全球部分，而且在地面部分和用户设备上都具备互用性。

GALILEO系统一旦建成，将向全球用户提供多种形式的服务。计划中的六项服务是[6]：

（1）公开服务，与GPS的SPS类似。这种服务免费提供给全球的使用者。

（2）商业服务，它是对公开服务的一种增值服务，以获取商业回报。比如，在公开服务中添加加密的数据，通过伽利略导航定位系统和无线通信网络的结合实现航空通信；将增值数据结合到高精度的定位中去等。

（3）生命安全（SOL）服务，可提供完好性信息。这种服务一般只用于交通运输、船只入港、铁路运输管制和航空管制等。

（4）公共规范服务，只提供给欧盟成员国。它提供了与欧洲密切相关的军事、工业和经济服务，比如，国家安全、紧急救援、治安、警戒，以及紧急的能源、交通和通信等。其卫星信号更为可靠、耐用，并受成员国控制。

（5）对搜救服务的支持。它与国际通用的卫星搜索救援系统（CosPaS-Sarsat）原理相同，但在性能上有了很大的提高。

（6）地区性组织提供的导航定位服务。该服务根据用户的特殊要求，通过区域性增强系统向用户提供更精确的定位和授时服务。

2）GPS现代化

GPS现代化最初是1999年1月25日美国副总统以文告的形式发表的。文告中只提出了几项民用 GPS 导航技术的改进和发展，但其整个 GPS 现代化的实质是要加强 GPS在美军现代化战争中的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。随后美国军方和波音公司（GPS系统主要制造商）发表的文章都阐明了GPS现代化的内涵。

GPS现代化计划的具体措施，可根据其作用对象的不同分为军事方面和民用方面两部分，其中，军事部分的具体举措如下：

（1）增加GPS卫星发射的信号强度，以增加抗电子干扰能力。

（2）在GPS信号频道上，增加新的军用码（M码），并与民用码分开。M码将有更好的抗破译的保密和安全性能。

（3）军事用户的接收设备将比民用的有更好的保护装置，特别是抗干扰能力和快速初始化功能。

（4）发展新的技术，以阻止和阻扰敌方使用GPS。

民用部分的具体措施如下：

（1）用GPS-IIRM卫星替代目前的GPS-IIRM卫星。该卫星在L2频道上增加第二民用码，即 CA 码。这样用户就可以有更好的多余观测，以提高定位精度，并有利于电离层的改正。

（2）发射 GPS-IIF卫星。该卫星将增加 L5频段的 L5C民用信号，采用更先进的星载原子钟，这有利于提高民用实时定位的精度和导航的安全性。

除此之外，美国还提出了更先进的 GPSIII 计划。当前的 GPS 现代化工作能使星座维持运行到2010年，为了满足到2030年的军、民用要求，美国已着手开发GPSIII和相关的地面控制网，以便在2010年后使用。GPSIII 计划的目标是，提供能满足当前和未来军、民两用需要的GPS结构方案。从2004年起，美国国防部开始研究GPSIII的结构概念，以便验证系统要求。GPSIII 将选择全新的优化设计方案，放弃现有的24颗中轨道卫星，采用全新的33颗高轨道加静止轨道卫星组成。GPSIII 的卫星首次发射计划定于2009年，全部卫星在轨运行将在2015～2020年实现。据悉，与现有GPS相比，GPSIII的信号发射功率将提高100倍，信号抗干扰能力提高1000倍以上，授时精度将达到1 ns，定位精度提高到0.2～0.5 m。

GPS现代化举措主要包括取消SA政策、新增民用L2C码和军用M码、提高控制部分性能、研制并发射新型的BlockIIF卫星和BlockIII卫星。

3）GLONASS现代化

GLONASS是前苏联20世纪80年代初开始建设的与美国GPS类似的卫星定位系统，也由卫星、地面监控站和用户设备3部分组成，现由俄罗斯空间局管理。为了改善系统总体性能、提升系统服务质量以及提高系统市场竞争力和影响力，俄罗斯也正实施GLONASS 系统现代化。2001年8月起，俄罗斯在经济复苏后开始计划恢复并进行GLONASS现代化建设工作，同时印度也参与到 GLONASS的系统重建工作中。借助于成熟的一箭多星技术，计划2011年达到系统全部可操作性，包括24颗工作卫星，其中包括现代化卫星GLONASS-M和下一代卫星GLONASS-K[7]，从而实现全球覆盖。截至2009年3月，在轨工作卫星已增加到20颗，其中包括3颗现代化卫星GLONASS-M，计划在2010年发射利用CDMA编码的GLONASS-K，实现与GPS/GALILEO在L1频点上的兼容与互用。此外，拟在GLONASS MII卫星上，增设第二个民用导航定位信号，以扩展 GLONASS 的民用服务领域。其现代化计划预计在2011年完成，星座卫星数量将达到30颗。

4）中国北斗卫星导航计划

北斗卫星导航定位系统是国家重要基础设施，也是国际导航系统的重要组成部分，发展独立自主的卫星导航系统是国家的重大国策。我国自行研制的“北斗一号”卫星导航定位系统，可提供包括我国大陆、东部沿海在内的快速导航定位、授时等服务。以较低投入、较短周期建成了我国自主的区域卫星导航定位系统。为了进一步提高北斗卫星导航系统的能力，中国正在北斗一代的基础上进行北斗二代系统的建设。北斗卫星导航系统从有源双星定位的BD-1号试验系统，步入无源定位的BD-2先区域、后全球的新的发展阶段。北斗一代是区域卫星导航系统，北斗二代卫星可实现全球的定位与导航。北斗二代 COMPASS 将计划建成包含35颗卫星、覆盖全球的卫星导航定位系统。在计划的35颗卫星中，包括目前4颗北斗一代卫星在内共有5颗地球同步轨道卫星GEO（轨道高度36000 km）、3颗倾斜同步轨道卫星IGSO（轨道高度36000km）和27颗中轨MEO卫星（轨道高度21500km）。不同于国外卫星导航定位系统，我国北斗二代COMPASS/BD-2空间部分拟采用 GEO/IGSO/MEO 三种轨道混合的星座结构，这种星座结构的优点是能够用最少的星座实现较优的区域导航定位能力。2007年4月14日，我国成功发射了北斗二代系统首颗试验卫星COMPASS-M1，其工作在高度为21500km、倾角为55°的MEO圆轨道上，同时也拉开了第二代北斗导航系统布网建设的序幕。2009年4月15日，我国成功将第二颗北斗导航卫星COMPASS-G2送入预定轨道，也是 COMPASS 建设计划中的第二颗组网卫星，是地球同步静止轨道卫星。2010年1月17日将第三颗静止轨道北斗导航卫星送入预定轨道，这标志着北斗卫星导航系统工程建设又迈出重要一步，卫星组网正按计划稳步推进。中国北斗二代系统将于2015年之前完成建设并投入运行，计划于2010年前发射10颗北斗卫星，使整个星座的在轨卫星数达到15颗，并开始向中国及周边地区提供定位服务。北斗二代无论是导航方式，还是覆盖范围都和美国GPS有很多相似之处，但是保留了北斗一代的双向短信通信功能，这也是北斗和其他GNSS系统竞争的一个优势。

1.1.3 GNSS的发展趋势

GNSS 具有多功能、高效率、高精度的特点，可在全球任意地点，为任意多个用户提供几乎是瞬时的三维测速、三维定位服务，将极大地改变传统的定位技术和导航技术。全球卫星导航系统及其产业的发展趋势具有三个特点：

（1）从单一的GPS时代朝着多星座并存兼容的GNSS新时代转变，这样的结果将导致卫星导航体系全球化和增强多模化；

（2）处于从以卫星导航为应用主体到发展PNT（定位、导航、授时）与移动通信和因特网等信息载体融合的新阶段，这将促使信息融合化和产业一体化；

（3）从经销应用产品为主逐步转变为运营服务为主的新局面，这使应用规模化、服务大众化。

三大趋势发展的直接结果是使应用领域扩大，应用规模跃升，大众化市场和产业化服务迅速形成。

1.2 遥感（RS）技术

1.2.1 RS的概念

RS（Remote Sensing）即遥感，是在高空或远距离处，利用传感器接收物体辐射的电磁波信息，经加工处理成可识别的图像或电子计算机用的记录磁带，揭示被测物体的性质、形状和变化动态。遥感技术包括传感器技术，信息传输技术，信息处理、提取和应用技术，目标信息特征的分析与测量技术等。遥感技术可应用于气象、地质、地理、农业、林业、陆地水文、海洋、测绘、污染监测及军事侦察等领域。

遥感通常按其承载传感器的平台不同分为航天遥感、航空遥感、地面遥感。根据获取的电磁波波段不同，可分为可见光遥感、红外遥感、微波遥感、紫外遥感。遥感具有可获取大范围资料、信息量大、快速、周期短和受限制少等特点，目前遥感技术正经历着从定性向定量、从静态向动态的发展变化。

1.2.2 RS的发展及应用现状

遥感作为一门综合技术是美国学者在1960年提出来的。为了比较全面地描述这种技术和方法，Pruit EL 把遥感定义为“以摄影方式或以非摄影方式获得被探测目标的图像或数据的技术”[8]。广义地讲，遥感技术的发展是从19世纪初期（1839年）出现摄影术后开始的。19世纪中叶（1858年），就有人使用气球从空中对地面进行摄影。1903年飞机问世以后，便开始了可称为航空遥感的第一次试验。自19世纪初莱特兄弟发明人类历史上第一架飞机起，航空遥感就开始了它在军事上的应用，此后，航空遥感在地质、工程建设、地图制图、农业土地调查等方面得到了广泛应用。第二次世界大战中，由于伪装技术的不断提高。促使军事遥感出现了彩色、红外和光谱带照像等技术。随着空间技术、无线电电子技术、光学技术和计算机技术的发展，到20世纪中期，遥感技术有了很大发展。遥感器从第一代的航空摄影机，第二代的多光谱摄影机、扫描仪，很快发展到第三代固体扫描仪（CCD）；遥感器的运载工具，从收音机很快发展到卫星、宇宙飞船和航天飞机，遥感谱从可见光发展到红外和微波遥感。作为一种空间探测技术，它经历了地面用感、航空遥感和航天遥感三个阶段。随着传感器技术、航空航天技术和数据通信技术的不断发展，现代遥感技术已经进入一个能动态、快速、多平台、多时相、高分辨率地提供对地观测数据的新阶段。

我国已初步建成全国卫星遥感信息接收处理分发体系。20年来我国已建立起4个国家级遥感卫星数据接收和服务系统：由国家卫星气象中心建设的我国气象卫星应用系统，承担着极轨气象卫星与静止气象卫星资料的接收、处理、应用和存档服务任务；由中国科学院建立的中国遥感卫星地面站是根据邓小平同志1979年访美期间签订的中美科技合作备忘录而建立的，于1986年建成并投入正式运行；由中国资源卫星应用中心建设的资源卫星应用系统，于1991年10月开始筹建，已具备接收、处理和分发我国自行研制的资源卫星数据的能力，并投入运行服务；由国家卫星海洋应用中心建设的海洋卫星应用系统将从“海洋一号”卫星地面应用系统建设开始，逐步建立具备接收国内外海洋卫星和其他遥感卫星数据的能力，能够进行数据接收、处理、产品制作、存档和产品分发的业务化运行系统。我国遥感科技与空间信息科技方面的成就，主要是 FY 气象卫星、CBERS地球资源卫星、HY海洋卫星等卫星系统，初步建立了对地观测应用体系，并在国土资源调查、灾害监测、农作物监测与估产、城市规划、海洋监测等领域得到广泛应用。

当前，我国民用遥感卫星技术水平不但与发达国家之间存在较大的差距，而且落后于印度等发展中国家。我国遥感卫星及其地面基础设施发展迅速，但整体水平与世界先进水平之间存在较大差距，而且呈现差距加大的趋势，不能满足各行各业对遥感信息越来越高的需求。到目前为止，我国各个应用领域使用的卫星遥感数据90%以上来自美、法、加等国的遥感卫星。气象卫星已发射多颗，但工作稳定性较差、寿命较短，难以满足国内气象部门和有关单位对其数据的要求，因此国外卫星仍是目前业务应用的主要数据源。陆地卫星资源1号虽已发射成功，但其有效载荷仍缺乏足够的稳定性和定量化，还未能形成向主要用户提供及时、完整的标准产品的规模化能力。从整体上看，与国外先进的资源卫星相比，我国的资源卫星在技术、效益和管理方面仍有较大差距，特别是国民经济建设和新兴产业发展迫切需要的多波段高空间、高光谱分辩率卫星，全天候的雷达卫星数据在我国尚属空白。

1.2.3 RS的发展趋势

国际上对地观测技术在不断发展，预计未来的15年，人类将进入一个多层、立体、多角度、全方位和全天候的对地观测的新时代[9]。各种高、中、低轨道相结合，大、中、小卫星相互协同，高、中、低分辨率互补的全球对地观测系统，将能快速、及时地提供多种空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率的对地观测海量数据。在空间分辨率上，目前商业上已可得到分辨率为0.61 m的全球对地观测遥感图像数据。在时间分辨率上，气象卫星已奠定了低分辨率数据源每天两次以上覆盖的基础，预计未来5年内可获得每天覆盖一次的中分辨光谱对地观测数据和雷达遥感数据，以满足自然灾害和农作物长势监测、全球环境变化监测与研究的需要。同时，多角度测量、测高和成像技术也正逐步走向实用，目标探测将由二维向三维拓展。这些发展成就与趋势，为空间技术的综合应用和产业化发展提供了充足的空间信息源。

为协调时间分辨率和空间分辨率这对矛盾，小卫星群计划将成为现代遥感的另一发展趋势。例如，可用6颗小卫星在2～3天内完成一次对地重复观测，可获得高于1 m的高分辨率成像光谱仪数据。除此之外，机载和车载遥感平台，以及超低空无人机载平台等多平台的遥感技术与卫星遥感相结合，将使遥感应用呈现出一派五彩缤纷的景象[8]。

在未来的10年，我国将建立以气象卫星系列、资源卫星系列、海洋卫星系列和环境与灾害监测小卫星群组成的长期稳定运行的卫星对地观测体系，实现对中国和周边地区以及全球的陆地、大气、海洋的立体动态监测。

随着遥感技术的发展，测绘将不仅仅停留在地球上，还将向外层空间发展。联合国有一个和平利用外层空间的计划，要在全世界普及空间技术。外层空间是人类的第四环境，从陆地、海洋、大气层到外层空间是一个逐步扩展的过程。