耿旭樸，薛思涵

(1.廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院，福建 廈門 361102；2.廈門大學(xué) 近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361102)

0 引 言

1951年美國人Carl Wiley首次提出了“多普勒銳化”的思想。1953年在密歇根大學(xué)的暑期研討會上，人們進(jìn)一步討論了“合成孔徑雷達(dá)（SAR）”的基本概念——即通過雷達(dá)運(yùn)動收集多個位置的回波信號并進(jìn)行脈沖間數(shù)據(jù)的多普勒分析，能產(chǎn)生比實(shí)際天線波束寬度窄得多的方位分辨能力[1]。1957年密歇根大學(xué)采用機(jī)載掛飛、膠片記錄和光學(xué)信號處理的方法，得到了第一張公開發(fā)表的大面積聚焦SAR圖像，向世界證明了SAR的高分辨成像能力。

隨著半導(dǎo)體工業(yè)和數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，SAR成像技術(shù)不斷進(jìn)步，特別是1978年Seasat-A衛(wèi)星的成功發(fā)射，開啟了星載SAR發(fā)展的序幕。1981年、1984年和1994年，美國又用航天飛機(jī)將SIR-A、SIR-B和SIR-C三部成像雷達(dá)送入太空，其中SIC-C采用了相控陣掃描技術(shù)，具有較大的波束角掃描范圍，并且擁有多波段多極化的能力。從1988年到2001年美國還先后發(fā)射了五顆Lacrosse軍用雷達(dá)衛(wèi)星，其分辨率從1 m提高至0.3 m，是目前空間分辨率最高的星載SAR系統(tǒng)。歐空局（ESA）先后于1991年和1995年發(fā)射了ERS-1和ERS-2兩顆SAR衛(wèi)星，還利用相繼獲得的ERS-1和ERS-2數(shù)據(jù)，生成了間隔至多相差一天的干涉數(shù)據(jù)[2]。2002年ESA在ERS系列基礎(chǔ)上發(fā)射了改進(jìn)的后續(xù)衛(wèi)星Envisat。加拿大于2007年發(fā)射了Radarsat-2，作為一顆成熟的商業(yè)SAR衛(wèi)星，在前一代Radarsat-1的基礎(chǔ)上增加了多極化和“地面動目標(biāo)顯示（GMTI）”等功能。以色列于2008年發(fā)射的TecSAR衛(wèi)星是小型SAR衛(wèi)星的代表，其衛(wèi)星總重僅300 kg，有效載荷不到100 kg，極輕的重量和體積不僅降低了發(fā)射費(fèi)用，也增加了衛(wèi)星的機(jī)動性。

近年來，星座化正成為SAR發(fā)展的重要趨勢之一。德國于2006年至2008年共發(fā)射了5顆軍事偵察衛(wèi)星，組成了SAR-Lupe雷達(dá)衛(wèi)星星座，雖然單星重量僅有770 kg，但分辨率可達(dá)0.5 m。另外德國于2007年和2010年先后發(fā)射了TerraSAR-X衛(wèi)星和TanDEM-X衛(wèi)星，雙星編隊(duì)飛行，獲取了新的高精度全球數(shù)字高程模型（WorldDEM），西班牙即將發(fā)射的PAZ雷達(dá)衛(wèi)星將加入到TerraSAR-X和TanDEM-X的系統(tǒng)中組成星座。意大利從2007年開始到2010年共發(fā)射了4顆SAR衛(wèi)星，組成了軍民兩用的COSMO-SKyMed（CSK）衛(wèi)星星座，其分辨率可達(dá)1m以下，法國的Pleiades光學(xué)衛(wèi)星星座與CSK星座一起組成了“光學(xué)雷達(dá)地球觀測聯(lián)盟”（ORFEO），另外阿根廷即將發(fā)射的SAOCOM星座也將加入到該星座中。ESA 2016年發(fā)射的Sentinel-1B與已經(jīng)在軌運(yùn)行的Sentinel-1A組成SAR衛(wèi)星星座，成為全球環(huán)境安全監(jiān)測項(xiàng)目（GMES）的重要組成部分之一。加拿大也正在開發(fā)Radarsat星座任務(wù)（RCM），接替Radarsat-2衛(wèi)星。多星組網(wǎng)能夠顯著增強(qiáng)衛(wèi)星的對地觀測能力，正受到各國越來越多的關(guān)注，甚至一些商業(yè)公司也加入到SAR衛(wèi)星星座研發(fā)與應(yīng)用的隊(duì)伍中。

1 典型星座

部分已經(jīng)在軌或?qū)⒁l(fā)射的SAR衛(wèi)星星座見表1。

表1 部分SAR星座Tab.1 Some SAR Constellations

1.1 SAR-Lupe星座

德國的SAR-Lupe星座于2006年發(fā)射第一顆衛(wèi)星，至2008年完成了共5顆X波段雷達(dá)衛(wèi)星的發(fā)射。這5顆衛(wèi)星以2、1、2（每個軌道上的衛(wèi)星數(shù)量）的形式分布于三個高度約500 km的近極地軌道平面內(nèi)，軌道平面相互間夾角約為60°，如圖1所示。衛(wèi)星之間安裝有星間通訊鏈路[3]，使位于地面控制站背面的衛(wèi)星也能夠更快地接到指令，并獲取目標(biāo)區(qū)域的SAR圖像。

圖1 SAR-Lupe衛(wèi)星星座示意圖（來源：OHB-System AG）Fig.1 SAR-Lupe constellation (source: OHB-System AG)

SAR-Lupe星座在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就充分考慮了利用星座間衛(wèi)星配合對熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行高時效和高分辨率監(jiān)視的需求。SAR-Lupe衛(wèi)星并沒有盲目追求功能的多樣性和各項(xiàng)性能的提升，而是在保證單星分辨率的情況下，采用功能較少但質(zhì)量更輕的拋物面天線，分辨率指標(biāo)與美國的Lacrosse雷達(dá)衛(wèi)星相當(dāng)，但重量僅為其1/20[4]。SARLupe各星僅有2種工作模式：條帶（stripmap）模式和聚束（spotlight）模式，相應(yīng)地，由于質(zhì)量的減輕，SAR-Lupe可以整星180°轉(zhuǎn)動，改變天線波束的指向，增加觀測范圍。利用多星合作的優(yōu)勢，該星座在最關(guān)鍵的空間分辨率、時間分辨率和反應(yīng)速度等方面達(dá)到了較高的標(biāo)準(zhǔn)，利用較低的成本實(shí)現(xiàn)了高可靠的性能。

1.2 COSMO-SkyMed星座

由意大利航天局（ASI）和國防部（MoD）共同出資研發(fā)的CSK衛(wèi)星星座，是意大利最重要的航天對地觀測項(xiàng)目。該SAR星座由4顆SAR衛(wèi)星組成，分別于2007年6月、2007年12月、2008年10月和2010年11月發(fā)射升空。其SAR系統(tǒng)采用X波段，擁有多極化以及多種工作模式。

CSK衛(wèi)星星座可以在兩種基本軌道結(jié)構(gòu)下運(yùn)作，“常態(tài)軌道結(jié)構(gòu)”和“干涉測量軌道結(jié)構(gòu)”[5]。常態(tài)軌道結(jié)構(gòu)下，4顆衛(wèi)星處于同一個太陽同步晨昏軌道平面，均勻分布于軌道平面內(nèi)，如圖2所示，該結(jié)構(gòu)能夠提供全球觀測數(shù)據(jù)，保證一天內(nèi)對全球任一目標(biāo)進(jìn)行至少兩次訪問。干涉測量結(jié)構(gòu)下，星座中兩顆衛(wèi)星分布于相近軌道上前后編隊(duì)飛行以獲得準(zhǔn)實(shí)時干涉圖像，如圖3所示，這兩顆衛(wèi)星置于不同軌道平面內(nèi)，兩軌道平面夾角僅0.08°，形成約151 km的沿航跡間隔[6-7]。該模式的觀測時間間隔僅為20 s，與重復(fù)軌道干涉相比，同一觀測目標(biāo)的時間相關(guān)性將大大提高，還可以大幅降低大氣效應(yīng)對InSAR測高的影響，除非特別惡劣的天氣，一般受大氣影響非常小。

圖2 CSK星座常態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖（來源：ASI）Fig.2 General configuration of CSK constellation (source: ASI)

CSK星座在設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)考慮到了對當(dāng)前及將來其他衛(wèi)星系統(tǒng)的合作支持。法國的光學(xué)衛(wèi)星星座Pleiades和CSK組成了“光學(xué)雷達(dá)地球觀測聯(lián)盟”（ORFEO），實(shí)現(xiàn)光學(xué)遙感和微波遙感的協(xié)作。另外，阿根廷航天局的SAOCOM計(jì)劃包含兩顆L波段的SAR衛(wèi)星，與CSK的X波段互補(bǔ)，發(fā)射后將與CSK星座相互配合共同組成“意大利—阿根廷應(yīng)急管理衛(wèi)星系統(tǒng)（SIASGE）”。與其他衛(wèi)星系統(tǒng)的合作使CSK星座功能得到擴(kuò)展，可以獲取更豐富的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能。此外，意大利已經(jīng)開始計(jì)劃第二代COSMO-SkyMed（CSG），從而提供更高的圖像質(zhì)量（包括分辨率、幅寬和分辨率指標(biāo)）。該系統(tǒng)的兩顆衛(wèi)星將運(yùn)行于和CSK星座相同的軌道，以期在保證數(shù)據(jù)連續(xù)性的同時將觀測性能提升一個臺階。

圖3 CSK星座干涉測量結(jié)構(gòu)示意圖（來源：ASI）Fig.3 Interferometric configuration of CSK constellation (source: ASI)

1.3 TerraSAR-X/PAZ星座

TerraSAR-X/PAZ星座由TerraSAR-X、TanDEM和PAZ衛(wèi)星組成。TerraSAR-X和TanDEM-X衛(wèi)星已發(fā)射升空，由德國宇航中心（DLR）和空客公司合作運(yùn)營，目前TerraSAR-X/TanDM-X衛(wèi)星編隊(duì)已獲取了全球高精度的WorldDEM產(chǎn)品。PAZ衛(wèi)星是西班牙國家地球觀測計(jì)劃（PNOT）的第一顆雷達(dá)衛(wèi)星，計(jì)劃于2017年第四季度發(fā)射。

如圖4所示，假設(shè)TanDEM-X和TerraSAR-X位于0處，根據(jù)TerraSAR11天的運(yùn)行周期，在同一個軌道平面上PAZ衛(wèi)星有十個相隔32.73°的可選位置，考慮到對稱性及系統(tǒng)能力的提升，PAZ衛(wèi)星將被置于3處。這樣，可以將TerraSAR-X目前的干涉重復(fù)時間減少一半，整個星座也具有每天全球重放能力，而且也為開展不同分離的編隊(duì)試驗(yàn)提供了靈活性[8-9]。

圖4 TerraSAR/PAZ星座軌道結(jié)構(gòu)示意圖（來源：參考文獻(xiàn)[8]）Fig.4 TerraSAR-X/PAZ orbital configuration (source: reference[8])

1.4 Sentinel-1星座

Sentinel-1星座主要由Sentinel-1A和Sentinel-1B兩顆衛(wèi)星組成，是ESA GMES項(xiàng)目的重要組成部分之一。GMES項(xiàng)目主要由Sentinel-1 SAR成像衛(wèi)星、Sentinel-2多光譜成像衛(wèi)星、Sentinel-3海洋與全球陸地監(jiān)測衛(wèi)星、Sentinel-4地球同步軌道氣象衛(wèi)星和Sentinel-5低軌氣象衛(wèi)星組成，為監(jiān)測全球氣候變化和民用安全提供實(shí)時準(zhǔn)確的信息。Sentinel-1星座將重訪周期由單顆衛(wèi)星的12天減少到6天[10-12]。

1.5 Radarsat星座任務(wù)

RCM是加拿大正在開發(fā)中的SAR衛(wèi)星星座，由Radarsat項(xiàng)目演化而來，其目標(biāo)是在保證C波段SAR數(shù)據(jù)連續(xù)性的基礎(chǔ)上提升數(shù)據(jù)質(zhì)量和系統(tǒng)可靠性。RCM計(jì)劃于2018年發(fā)射，將包含3顆衛(wèi)星，均勻分布于同一個高度約600 km的太陽同步晨昏軌道平面內(nèi)，星座結(jié)構(gòu)如圖5所示。該星座可擴(kuò)充為6顆衛(wèi)星，能夠有潛力滿足日益增長的用戶需求。RCM去掉了Radarsat-2的一些先進(jìn)的功能如GMTI等，這樣單星重量相比Radarsat-2大大減小，發(fā)射重量約1 300 kg，從而降低研制和發(fā)射成本。RCM側(cè)重于中等分辨率（約50 m）的廣域覆蓋，主要任務(wù)是提供海事監(jiān)控、災(zāi)難管理和生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)視方面的服務(wù)，還能夠利用InSAR模式進(jìn)行間隔4天的形變測量[13]。

RCM還特別設(shè)計(jì)了一些創(chuàng)新性的功能，如相干變化檢測（CCD）、簡縮極化模式，以及針對船舶監(jiān)測的成像模式和自動識別系統(tǒng)（AIS）。CCD著眼于陸地應(yīng)用，利用一組在相同幾何條件下獲取的圖像進(jìn)行干涉或根據(jù)樣本的一致性開展變化檢測。RCM將在世界上首次實(shí)現(xiàn)SAR簡縮極化模式，該只發(fā)射一個方向的電磁波，而同時接收兩個方向的回波，不僅能實(shí)現(xiàn)垂直和水平極化信號的雙重接收，還能實(shí)現(xiàn)圓極化信號的傳輸[14]。船舶監(jiān)測成像模式側(cè)重于提高船舶信號對海洋背景雜波的比例，而與SAR傳感器一同搭載的高頻短程應(yīng)答機(jī)可實(shí)現(xiàn)AIS功能，將與SAR船舶監(jiān)測功能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)船舶之間位置信息的通訊，避免發(fā)生碰撞[15]。

圖5 Radarsat星座示意圖（來源：加拿大航天局）Fig.5 Radarsat constellation (source: Canadian Space Agency)

1.6 OptiSARTM星座

與上述由國防部或航天局主導(dǎo)的SAR衛(wèi)星星座不同，近幾年商業(yè)資本開始進(jìn)軍航天領(lǐng)域，一批以衛(wèi)星應(yīng)用為主體的創(chuàng)業(yè)公司提出了頗具規(guī)模的小衛(wèi)星SAR星座計(jì)劃，如UrtheCast公司的OptiSARTM、Iceye公司的SAR微衛(wèi)星星座和XpressSAR公司的SAR星座等。

OptiSARTM星座計(jì)劃于2019年到2020年發(fā)射，包括8顆SAR衛(wèi)星和8顆光學(xué)衛(wèi)星，分布于2個軌道平面內(nèi)，每個軌道內(nèi)包含4對衛(wèi)星，每對由1顆L/X雙頻段SAR衛(wèi)星和1顆視頻/錐掃雙模光學(xué)衛(wèi)星組成，SAR衛(wèi)星領(lǐng)先光學(xué)衛(wèi)星幾分鐘，如圖6所示。其中，SAR衛(wèi)星的L和X波段都具有StripMap和ScanSAR兩種工作模式，光學(xué)衛(wèi)星具有6個光譜通道的成像能力。該星座旨在獲取準(zhǔn)同步的光學(xué)成像和雷達(dá)成像數(shù)據(jù)，通過兩者的融合，得到紋理、結(jié)構(gòu)、粗糙度、濕度和光譜等更多有助于理解地面場景的信息，用于海上監(jiān)測、溢油跟蹤、偽裝檢測、地球探測、汽車計(jì)數(shù)等[16]。

圖6 OptiSAR星座軌道平面衛(wèi)星分布圖（來源：eoPortal Directory）Fig.6 Satellites distribution of OptiSAR constellation in the orbit plane(source: eoPortal Directory)

2 主要優(yōu)勢

2.1 縮短重訪周期

為了獲得足夠強(qiáng)的雷達(dá)回波，SAR衛(wèi)星軌道高度越高，就需要越大的天線和越強(qiáng)的發(fā)射功率。受制于此，目前的SAR衛(wèi)星大都采用低軌道工作，這樣其波束在地面的覆蓋面積就相對有限。對于同一星載SAR設(shè)備的各種工作模式，通常分辨率越高，成像幅寬就越窄。再加上低軌衛(wèi)星的重訪周期限制，單顆SAR的時間分辨率很有限，無法滿足對熱點(diǎn)區(qū)域的高頻率或者應(yīng)急觀測需求。

利用多顆衛(wèi)星組成星座則可大幅縮短重訪時間。意大利的CSK星座，單顆衛(wèi)星重訪周期為65 h，整個星座可以使重訪周期低于12 h。德國的SAR-Lupe星座具有星間通訊連路，2顆星在軌時響應(yīng)時間為24h，可以實(shí)現(xiàn)對地球表面任意地點(diǎn)10 h以內(nèi)的應(yīng)急響應(yīng)。Sentinel-1星座單星在軌時重復(fù)周期為12 d，雙星在軌時重復(fù)周期僅6d。

2.2 增強(qiáng)成像功能

合成孔徑雷達(dá)干涉測量（InSAR）可以通過兩次平行觀測或者兩副天線同時觀測獲得的SAR圖像對的干涉相位提取地球表面三維信息，在地震形變監(jiān)測、火山活動監(jiān)測、山體滑坡監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值[17]。星載InSAR的實(shí)現(xiàn)方式主要有單星雙航過、單星雙天線和衛(wèi)星編隊(duì)等，其中單星雙航過獲得的數(shù)據(jù)相干性較差，單星雙天線因其間距限制多用于機(jī)載或低軌道的航天飛機(jī)系統(tǒng)（如SRTM）[17]，而衛(wèi)星編隊(duì)可以突破天線間距的限制，是實(shí)現(xiàn)InSAR測量的理想手段。如圖7所示，TerraSAR/PAZ星座中已經(jīng)在軌的兩顆衛(wèi)星TerraSAR-X和TanDEM-X采用了精確控制的近距離編隊(duì)飛行模式，衛(wèi)星間距可控制在數(shù)百米左右進(jìn)行InSAR測量，德國已使用該系統(tǒng)獲取了高精度的WorldDEM產(chǎn)品，其在12×12(m2)水平網(wǎng)格內(nèi)的高程數(shù)據(jù)可以達(dá)到優(yōu)于2 m的相對精度[18]。前文提到的意大利的CSK星座也可以利用衛(wèi)星變軌調(diào)整星座組網(wǎng)形式，實(shí)現(xiàn)類似TerraSAR-X/TanDM-X編隊(duì)結(jié)構(gòu)的干涉測量任務(wù)。

圖7 TerraSAR-X/TanDM-X在軌工作示意圖（來源：DLR）Fig.7 In-orbit configuration of TerraSAR-X/TanDM-X (source:Canadian Space Agency)

對于星座的編隊(duì)結(jié)構(gòu)，在單次航過時能夠同時獲得長、短基線，通過靈活配置基線組合，還可以兼顧地面快、慢運(yùn)動目標(biāo)的定位和測速能力（GMTI），增大動目標(biāo)可測速范圍[19]。以TerraSAR-X為例，單顆星對運(yùn)動目標(biāo)的位置估計(jì)誤差約在百米量級，而利用TerraSAR-X/TanDEM-X雙平臺進(jìn)行（準(zhǔn)同步）觀測，位置估計(jì)的誤差可降低到十米的量級，并且能更好地估算出目標(biāo)的速度與方向等參數(shù)[20]。

2.3 多傳感器融合

SAR具有全天時、全天候以及對地面場景的粗糙度、濕度等觀測優(yōu)勢；而光學(xué)圖像比較符合人眼的視覺習(xí)慣，一般含有光譜信息，有助于目標(biāo)的分類和識別。無論是法國與意大利的“光學(xué)雷達(dá)地球觀測聯(lián)盟”（ORFEO），還是加拿大UrtheCast公司的OptiSARTM星座，把SAR衛(wèi)星和光學(xué)衛(wèi)星進(jìn)行組網(wǎng)，發(fā)揮多傳感器的融合優(yōu)勢，已成為遙感衛(wèi)星星座化的重要特征之一。

2.4 擴(kuò)展性、機(jī)動性、容錯性

星座化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有擴(kuò)展性，比如加拿大的RCM星座雖然計(jì)劃靠3顆衛(wèi)星完成任務(wù)，但其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可容納6顆衛(wèi)星。若3顆衛(wèi)星不足以滿足用戶需求，可發(fā)射具有新功能的衛(wèi)星并入星座中，使所有該星座的用戶均可以享受到新的功能。

航天技術(shù)的進(jìn)步使SAR衛(wèi)星在保證性能的同時重量越來越小。SAR衛(wèi)星星座的優(yōu)勢并不僅僅依賴于單星的強(qiáng)大性能，更多的是靠整個系統(tǒng)的協(xié)同配合?？紤]到星座內(nèi)衛(wèi)星的數(shù)量，為了節(jié)省成本，SAR衛(wèi)星星座多采用中小型衛(wèi)星。這也大大提高了SAR衛(wèi)星的機(jī)動性，可以更自由地調(diào)整觀測視角，同時也增強(qiáng)了衛(wèi)星的變軌能力，可以實(shí)現(xiàn)更多形式（如編隊(duì)）的測量任務(wù)。

而且，小衛(wèi)星相對不容易成為打擊目標(biāo)，且衛(wèi)星星座包含多顆衛(wèi)星，若某一顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障，其他衛(wèi)星可以進(jìn)行一定的彌補(bǔ)，數(shù)據(jù)缺失不會太嚴(yán)重，還可以發(fā)射新衛(wèi)星進(jìn)行替換。因此，SAR衛(wèi)星星座具有更強(qiáng)的生存能力。

3 結(jié)束語

目前，德國、法國和ESA已分別完成了SAR-Lupe（5顆）、COSMO-SkyMed（4顆）和Sentinel-1（2顆）3個SAR衛(wèi)星星座的布署。如果今年第四季度西班牙PAZ衛(wèi)星順利發(fā)射升空，TerraSAR-X/PAZ星座也將構(gòu)建完成。加拿大Radarsat系列衛(wèi)星是全球商業(yè)化運(yùn)行最成功的SAR衛(wèi)星，其后續(xù)RCM星座也將在未來兩三年內(nèi)發(fā)射。與此同時，隨著商業(yè)資本的進(jìn)入和衛(wèi)星創(chuàng)業(yè)公司的發(fā)展，以O(shè)ptiSARTM為代表的一批小衛(wèi)星SAR星座計(jì)劃噴薄而出。

由于能夠縮短重訪周期，增強(qiáng)成像功能，進(jìn)行多傳感器融合，以及其本身具有的擴(kuò)展性、機(jī)動性和容錯性等優(yōu)勢，SAR衛(wèi)星星座化必然是大勢所趨。與此同時，隨著航天技術(shù)的進(jìn)步，尤其是輕型天線技術(shù)、集成電路技術(shù)、固態(tài)電子器件技術(shù)和高效太陽電池及蓄電池技術(shù)的發(fā)展，在保證性能的同時，衛(wèi)星的體積和重量都大大降低，100 kg級重量的小衛(wèi)星正受到更多的關(guān)注。SAR衛(wèi)星也將進(jìn)一步小型化，其星座構(gòu)建成本將大幅降低。據(jù)報道，中國的航天科技集團(tuán)將建設(shè)“16+4+4+X”的商業(yè)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)，其中就有4顆是SAR衛(wèi)星[21]。未來將會出現(xiàn)更多的SAR衛(wèi)星星座，其不斷提升的系統(tǒng)能力將在軍事和民用航天領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。