2016年5月30日，我國首顆高精度民用立體測圖衛星資源－3衛星01星的后續星02星順利發射，02星上搭載了國內首臺對地觀測激光測高試驗性載荷，主要用于測試激光測高儀的硬件性能，探索高精度高程控制點數據獲取的可行性，以及采用該數據輔助提高光學衛星影像無控立體測圖精度的可能性。在此之前，對地觀測的衛星激光測高數據處理及應用的研究在國內基本處于空白或剛剛起步的階段。歐美發達國家經過幾十年的發展，特別是美國在衛星激光測高方面已經積累了豐富的經驗和應用成果。系統性地梳理總結國內外尤其是歐美國家在激光測高衛星領域的發展及趨勢，對于指導我國發展自主激光測高衛星觀測體系具有重要的借鑒與指導作用。

嚴格來說，衛星激光測高屬于衛星激光雷達的一個子類。衛星激光雷達總體上包括：用于測CO2等大氣含量的差分吸收激光雷達、測風場的多普勒激光雷達、測云層與氣溶膠的后向散射激光雷達，以及測高激光雷達，前三者在國外已經得到了廣泛的應用，美歐已經發射了相應的星載激光載荷，如“正交偏振云－氣溶膠激光雷達”(CALIOP)、“空間激光雷達試驗”(LITE)、“后向散射光雷達”(ATLID)和“阿拉丁”(ALADIN)新型大氣激光多普勒效應儀。

衛星激光測高是一種在衛星平臺上搭載激光測高儀，并以一定頻率向地面發射激光脈沖，通過測量激光從衛星到地面再返回的時間，計算激光單向傳輸的精確距離，再結合精確測量的衛星軌道、姿態以及激光指向角，最終獲得激光足印點高程的技術與方法。

衛星激光測高的幾個核心部分包括：高精度距離測量、高精度衛星軌道測量、高精度衛星姿態及激光指向測量、高精度時間測量。利用激光精確測量衛星到地面的距離，通過接收GPS信號精確測量軌道的位置，采用星敏感器精確測量衛星的姿態，最終結合高精度的時間同步測量，將測距、定軌、定姿三者進行關聯，即可計算出地面足印點的三維空間坐標。

自20世紀70年代，衛星激光測高技術在“阿波羅”(Apollo)飛船上首次得到應用，雖然歷經了近50年的發展，但由于相關技術的成熟度、數據保密性及應用范圍有限等多種原因，造成該技術知名度并不是很高，或者說沒有諸如衛星雷達測高、衛星激光測距等相關技術的廣泛認同度。因此，為了深入剖析衛星激光測高技術特點，突顯該技術的獨特地位，與衛星雷達測高和衛星激光測距相關技術進行有效區分，對三者進行較系統的對比分析是非常有必要的。

衛星雷達測高是指利用人造地球衛星搭載微波雷達高度計進行地面點定位以及測定地球形狀、大小和地球重力場的技術和方法。美國在1973年發射的“天空實驗室”(Skylab)上裝載了世界上第一個航天器上應用的雷達高度計，隨后歐美等發達國家經過50多年的持續投入，衛星雷達測高技術得到了長足的發展。目前，美國的雷達測高衛星以“賈森”(Jason)系列為代表，正在形成衛星雷達測高觀測體系。我國在2011年發射了第一顆雷達測高衛星海洋-2A(HY-2A)衛星。

衛星激光測距是指利用安置在地面上的激光測距系統所發射的激光脈沖，跟蹤觀測裝有激光反射棱鏡的人造地球衛星或月球等地外天體，以測定觀測站點到衛星之間距離的技術和方法。經過40多年的發展，衛星激光測距已經達到毫米級的精度水平，在空間大地測量中扮演了重要角色。衛星激光測距可精確測定衛星軌道、地面觀測站點的精確三維地心坐標、幾千千米的基線長、地球自轉參數以及地球重力場、潮汐、地殼板塊運動等精密的地球物理參數，是支持“國際地球自轉服務”(IERS)的重要技術手段之一，近年來還在空間碎片測量與預警方面得到有效應用。全球各地分布有50多個衛星激光測距地面觀測站點，其中我國境內固定的觀測站點有5個，國內的衛星激光測距技術水平基本能與國際保持同步。

除傳感器類型不一致外，足印大小是區分衛星雷達測高與衛星激光測高的最顯著指標。衛星雷達測高的足印大小基本在千米級，如“賈森”系列的足印大小為2.2km；而衛星激光測高的足印大小一般在10~100m，如“地球科學激光測高系統”(GLAS)的標稱足印大小為66m。而兩者的觀測對象也存在一定區別，衛星雷達測高以海洋為主，而衛星激光測高則陸地、海洋、極地均可觀測，但以極地冰蓋和陸地為主。雖然衛星激光測距和衛星激光測高均采用激光進行觀測，但由于觀測對象不同，導致其發展水平存在較大差異。目前，重復頻率高達數千赫茲的衛星激光測距系統已經得到業務化應用，最先進的距離測量精度可達毫米級，而衛星激光測高的精度則基本在10~15cm甚至更差的水平。兩者在精度水平上還存在較大區別，導致應用領域也顯著不同。目前，衛星激光測距在衛星精密定軌方面已經得到業務化應用，重復頻率為千赫茲的系統也比較成熟。

美國從20世紀70年代開始，通過持續投入和發展，一直保持著在衛星激光測高領域的絕對領先地位。1971年，美國阿波羅－15飛船所載的激光測高儀是國際上具有資料可考的最早的星載激光測高儀，隨后在阿波羅－16、17飛船上也實現了搭載，用于輔助光學相機進行月球的立體測圖；1994年，美國發射了“克萊門汀”（Clementine）月球探測器，通過搭載激光測高儀獲取了月球表面的高精度地形數據，但足印較大、點較為稀疏；1996年和1997年，美國國家航空航天局（NASA）又前后2次在航天飛機上搭載了SLA－01/02，建立了基于航天飛機激光測高儀的全球控制點數據庫，獲取了高精度全球控制點信息，特別是第一次實現了非洲等區域的數字高程模型（DEM）地形測繪，有效提升了美國在全球測圖方面的能力；1996年11月，“火星軌道器激光高度儀”（MOLA）搭載在美國國家航空航天局戈達德空間飛行中心研制的“火星全球勘探者”（MGS）探測器上，歷時2年到達火星，獲得了大量火星表面的特征數據，是目前最為全面的火星地形參考數據；1996年，美國發射了“近地小行星交會”（NEAR）探測器，上面搭載了激光測高儀，主要用于對愛神星（Eros）小行星進行地形觀測。

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

最近幾年，歐美國家在深空探測中大量使用激光測高儀。其中，美國在2016年9月8日發射的用于探測小行星貝努（Bennu）的“奧西里斯-雷克斯”（OSIRIS-Rex，全稱為“起源光譜釋義資源識別安全風化層”）小行星探測器上搭載了“奧西里斯-雷克斯激光測高儀”（OLA），用于獲得貝努小行星的全球地表模型和采樣區的高精度地形；歐洲航天局（ESA）“貝皮-哥倫布”（Bepi Colombo）水星探測任務的“水星行星軌道器”（MPO）也將搭載“貝皮-哥倫布激光高度儀”（BELA），原計劃于2016年發射，后被推遲到2018年發射，用于研究水星星體地貌；歐洲航天局還計劃在2022年發射的“木星與冰層衛星探測器”（JUICE）上搭載“蓋尼米德激光測高儀”（GALA），用于木衛三的地形信息獲取，目前該計劃正在緊鑼密鼓進行中。

除計劃在深空探測中使用激光測高儀外，美國在未來5年還計劃發射至少3個搭載激光測高儀執行對地觀測的任務。

其中“全球生態系統動力學調查”（GEDI）激光測高載荷將于2018年搭載在“國際空間站”上，主要用于全球植被生物量測量，研究碳循環和全球氣候變化等。“全球生態系統動力學調查”激光測高載荷工作重復頻率為242Hz，波長1064nm，通過光學衍射單元將發射激光分成14束，每個激光足印大小為25m，垂軌方向足印相隔500m，掃描寬度總和為6.5km。

計劃于2018年發射的冰衛星－2上將搭載新一代“先進地形激光測高系統”（ATLAS），目的是用于繼續執行“冰衛星”未完成的觀測任務，主要用于長期研究極地冰蓋、海冰高程變化及森林冠層覆蓋的科學研究，“先進地形激光測高系統”激光工作頻率為10kHz，沿軌間隔約0.7m，將采用先進的光子計數技術。

除冰衛星－2之外，美國國家研究委員會（NRC）還提出了未來的高精度“表面地形激光測量”（LIST）計劃，主要用于獲得全球5m格網大小和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，預計在2020年之后發射。

衛星激光測高與衛星雷達測高、衛星激光測距等是3種不同的技術，雖然相互之間有聯系，但在觀測對象、精度水平、足印大小等方面具有顯著的區別。后兩種技術已經得到了長足的發展，加強對衛星激光測高的關注非常必要。

從20世紀70年代以來，衛星激光測高在國外一直得到關注和發展。美國經過10多個型號的發展，已經在月球、火星、水星等多個地外星球探測中得到較成熟的應用，在對地觀測領域的SLA－01/02和冰衛星－1基礎上也提出了雄心勃勃的發展計劃。冰衛星－2計劃在2018年9月發射；“全球生態系統動力學調查”激光測高載荷也可能在2018年升空。我國的首臺對地觀測激光測高儀于2016年發射，但由于是試驗性載荷，雖然獲得了初步的試驗成功，但離業務化應用還有一定距離。即將在未來3～5年發射的高分－7、陸地生態系統碳監測衛星上都配有業務化應用的激光測高儀，但兩者均非獨立的激光測高衛星，相應的載荷及平臺設計與國外的冰衛星－1和2激光測高衛星相比還有一定差距，仍有較大的研究和發展空間。為有效應對全球氣候變化，實現更高精度、更高頻次的對地觀測，結合極地冰蓋監測、森林生物量碳監測、高頻次的特定區域地形變化測量等需求，未來是否需要單獨發展國產激光測高衛星是值得探討的問題。