德国在轨雷达成像卫星商业竞争力升级

● 文|中国空间技术研究院 贾世宇 宋旸

德国在轨雷达成像卫星商业竞争力升级

● 文|中国空间技术研究院 贾世宇 宋旸

德国目前共有两颗民商用高分辨率雷达成像卫星在轨，分别是2007年发射的“X频段陆地合成孔径雷达”（TerraSAR-X）卫星和2010年发射的“陆地合成孔径雷达-数字高程模型-X”（TanDEM-X）卫星。这两颗卫星有效载荷相同，最高分辨率均为1m×1.2m（方位向×距离向），共同组成高分辨率干涉测量X频段合成孔径雷达卫星星座。最近，据国外媒体报道，TerraSAR-X卫星完成了任务扩展，能力大幅提升，最高分辨率已达到0.25m。而同期德国航空航天中心（DLR）也声明德国政府将不对商业出售的对地观测数据分辨率做严格限制。这一旦成为现实，将极大地提升德国在轨雷达成像卫星的商业竞争力。笔者认为这两事件或存在内部关联，本文中进行相关分析。

一、TerraSAR-X卫星在轨运营6年后增添新成像模式

TerraSAR-X卫星设计寿命5年，截至2013年底已超期服役18个月。据卫星运管工程师计算，星上剩余燃料还足够支撑卫星继续服役至2015年。最近，经过工程人员的技术升级和在轨测试，这颗已经超期服役的卫星在寿命末期又焕发了新的生机。

2013年10月，阿斯特留姆（Astrium）公司宣布完成对其已在轨运行6年的TerraSAR-X卫星的升级工作，使该卫星成像模式从原来的4种增加至现在的6种。新增的两种成像模式分别是宽扫描（Wide ScanSAR）模式和凝视聚束（Staring Spotlight）模式，分别相应地提高了TerraSAR-X卫星的地面覆盖范围和成像分辨率。表1给出了目前TerraSAR-X卫星的6种成像模式对比结果。

表1 TerraSAR-X卫星成像能力

在新的宽扫描模式下，TerraSAR-X卫星方位向分辨率为40m。由于扫描成像波束数从原来的4波束增加至目前的6波束，地面幅宽从原来的100km提高到270km。这使得TerraSAR-X卫星单轨成像的最大地面覆盖范围高达4×105km2，超过欧洲北海面积的一半。宽扫描成像模式已于2013年10月1日实现在轨运行，其广域覆盖和全天候成像能力使得TerraSAR-X卫星在海上船舶探测与跟踪、漏油检测及海冰监测方面的能力大幅提升，进而能够用于改善全球海洋活动的安全性。图1是TerraSAR-X卫星以宽扫描模式拍摄的波的尼亚湾（Gulf of Bothnia）图像。

>>>图1 TerraSAR-X卫星宽扫描模式波的尼亚湾图像

TerraSAR-X卫星原来的聚束模式为滑动聚束（Sliding Spotlight）成像，其方位向波束转向角范围是±0.75°。在新的凝视聚束模式下，通过将TerraSAR-X卫星方位向波束转向角范围扩展至±2.2°，使方位向波束在对地成像过程中始终指向成像区域中心，延长了雷达波束驻留时间，相当于变相地增加了雷达孔径，从而大幅提升方位向分辨率，最高可达0.25m，优于目前在轨的其他任何商业卫星雷达成像系统。这种超高分辨率配合多次成像改进辐射测量质量，使遥感图像纹理细节更清晰，信噪比更高，推动TerraSAR-X卫星对小尺寸目标的探测能力从“识别”（Recognition）跃升至“确认”（Identification）。凝视聚束成像模式已于2013年11月15日实现在轨运行，主要用于辨识车辆、船舶和飞机等目标。图2是TerraSAR-X卫星以高分辨率聚束模式和凝视聚束模式对挪威利勒斯特罗姆（Lillestroem）地区成像的效果对比图。从图中可以看出，新的凝视聚束模式图像分辨率更高，细节纹理更加清晰，而且图像信噪比有了大幅提升。

>>>图2 TerraSAR-X卫星高分辨率聚束模式（上）和凝视聚束模式（下）利勒斯特罗姆地区成像比对

“这两种新的成像模式将有助于我们更好地为客户提供服务，尤其是在防务安全和海洋监视领域发挥更大效能。” Astrium公司地理信息业务部门总经理瓦尔克·海尔弗里茨（VarkHelfritz）博士说，“同时，新成像模式也将应用到计划于2014年发射的西班牙‘帕斯’（PAZ）卫星上。PAZ卫星与TerraSAR-X以及TanDEM-X卫星形成星座，可以提高重访周期，增加地面覆盖范围，从而支持全天候、广域覆盖的监测任务。”

二、德国不对商业销售对地观测数据分辨率做严格限制

TerrsSAR-X卫星新成像模式使其技术指标大幅领先其他在轨的商业雷达成像卫星，但技术能力优势能否转化为商业市场竞争力要取决于德国天基对地观测数据政策是否允许Astrium公司对外销售其高达0.25m分辨率的雷达图像。对地观测数据政策是衔接天基对地观测技术和天基对地观测应用的关键中枢节点。自2013年8月以来，美国数字全球（DigitalGlobe）公司和法国泰雷兹（Thales）公司相继试图说服本国政府将商业卫星数据分辨率限制降低至0.25m，以进一步激活天基对地观测数据应用市场，并提高企业市场竞争力。

与美、法等国政府尚在讨论是否放宽商业销售数据政策不同，德国DLR在TerraSAR-X卫星完成能力升级后即发布声明，表示德国政府不对商业销售的对地观测图像分辨率做严格限制。德国天基对地观测数据的销售和分发受德国《卫星数据安全法案》（SatDSiG）管理。2007年底，德国颁布并开始执行《卫星数据安全法案》，用于鼓励德国公司发展卫星数据、相关产品和地理信息的商业市场，同时确保德国公司提供的“高等级”（High Grade）天基对地观测数据不会损害国家安全和外交利益。该法案的核心内容是要求德国公司在销售和分发“高等级”数据时必须执行一套严格的两级控制程序。

《卫星数据安全法案》的适用范围仅限于具有高分辨率成像能力的非军用对地观测卫星，新近完成能力升级的TerraSAR-X恰在此列，因此商业用户和科研用户在申请TerraSAR-X雷达卫星数据时都要接受数据敏感性检查。德国联邦经济与出口管制办公室（BAFA）以信息内容、成像区域、订购人员和时间范围等参数为判据对用户申请的数据进行分类。判定为非敏感的数据，Astrium公司可以直接分发给用户；判定为敏感的数据，则要经BAFA批准后才能完成销售和分发。图3给出了德国“高等级”天基对地观测数据分发程序。从图中可以看出，这些程序没有对德国可进行商业销售的天基对地观测数据在分辨率方面做严格限制。但也要看到，越是“高等级”的数据，其销售和分发面临的检查和限制越严格。

>>>图3 德国“高等级”天基对地观测数据分发流程

三、结论

TerraSAR-X卫星在发射时并未设计宽扫描和凝视聚束两种成像模式，但随着卫星成像技术的发展和成熟，通过地面指令控制和在轨测试，最终实现了在轨卫星的能力升级。在超期服役的卫星上测试并正式运行新的成像机制具有重要意义。一方面，这种模式大幅提升了德国在轨雷达成像卫星的技术优势；另一方面，利用超期服役的卫星测试并验证新的成像机制，可以降低新研卫星应用新技术机制的风险。与此同时，德国政府明确表示不对商业销售的天基对地观测数据分辨率做严格限制，这为TerraSAR-X卫星从技术能力领先向市场应用领先转化提供了政策保证，最终将促使德国在轨雷达成像卫星商业竞争力大幅升级。