高轨SAR卫星在综合减灾中的应用潜力和工作模式需求

张薇 杨思全 范一大 吴玮 赵秉吉

(1 民政部国家减灾中心,北京 100124)(2 民政部信息中心,北京 100721) (3 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)



高轨SAR卫星在综合减灾中的应用潜力和工作模式需求

张薇1杨思全1范一大2吴玮1赵秉吉3

(1 民政部国家减灾中心,北京 100124)(2 民政部信息中心,北京 100721) (3 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR，高轨SAR)卫星集合了地球同步轨道和主动微波遥感观测的优势。文章分析了高轨SAR卫星在综合减灾中的应用潜力，包括在洪涝灾害、地质灾害、旱灾、雪灾等方面的应用。从减灾应用的角度，分别比较了高轨SAR卫星与可见光卫星和现有中低轨SAR卫星的优势。针对综合减灾应用，提出了4种高轨SAR卫星工作模式需求，包括灾害常规模式、单灾应急模式、多灾应急模式和区域灾害模式。文章的分析表明，高轨SAR卫星尤其适合于自然灾害的大尺度、全天时、全天候的动态监测。

地球同步轨道合成孔径雷达；综合减灾；应用潜力；工作模式

1 引言

综合减灾是对各种自然灾害及其全过程进行整体的、综合的减灾措施，包括多灾种、多要素、全过程、多尺度的减灾措施。多灾种减灾即洪涝灾害、地质灾害、干旱灾害、雪灾等灾种的监测，各灾种间还存在一定的自然内在联系，涉及到灾害链，例如台风-暴雨-洪涝-地质灾害链。多要素减灾即指孕灾环境、致灾因子、承灾体等构成灾害要素的监测。全过程减灾即指灾害发展过程的灾前预警、灾中监测、灾后恢复重建的全过程监测。多尺度减灾包括全球尺度、国家尺度、区域尺度、更小单元尺度等完整的监测体系。因此，可以从多个角度对综合减灾加以论述。

空间技术对地探测谱段，广义上包括光学和微波，光学又包含可见光和红外等。合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨率成像雷达，作为一种主动式的微波传感器，利用与目标的相对运动合成较大的等效天线孔径，以达到空间上的高分辨率。相对于光学遥感，SAR具有不受光照和气候条件等限制，实现全天时、全天候对地观测的特点，甚至可以透过地表或植被获取其掩盖的信息。目前，我国大部分陆地观测光学和微波卫星运行在400～800 km范围内的中低轨道区间，回归周期在数十天数量级上，难以满足灾害应急时效性需求。灾害风险调查、预警预测和应急管理等业务工作，需要地球同步轨道卫星具备高时空分辨率、机动灵活、大幅宽、应急成像等特点。

地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR，高轨SAR)是一种新体制星载SAR。高轨SAR卫星工作于高度为35 786 km的地球同步轨道，卫星在每天同一时间的星下点轨迹相同，覆盖范围大，成像幅宽2000 km以上，有利于获得宏观同步信息。高轨SAR卫星可实现对地连续观测，对某一固定地区通过波束控制可获得小时级的观测资料，具有很高的时间分辨率。高轨SAR卫星能够将地球同步轨道的轨位优势与SAR卫星穿透能力强、不受气象条件和黑夜影响的优势结合起来，实现对地球全天候、大范围、高时间分辨率、中等空间分辨率的观测。

目前，全球还没有在轨运行的高轨SAR卫星，但高轨SAR卫星已经成为星载SAR的研究热点。从1978年K.Tomiyasu与美国NASA合作对高轨SAR卫星进行了初始的参数分析[1-2]到现在，美国、俄罗斯、英国、意大利、中国等在天线体制、系统参数、系统方案、卫星组网、后端信号处理，甚至卫星能源供给等方面开展了全面而深入的分析和设计[3-7]。经过30多年的发展，高轨SAR卫星的系统方案已相对成熟，SAR信号处理方案基本进展到仿真验证阶段，但尚未见针对高轨SAR卫星数据特点进行应用分析的相关文献报道。应用需求是卫星研制的动力和牵引，本文从综合减灾角度，论述高轨SAR卫星的应用潜力，并针对减灾应用提出了高轨SAR卫星的工作模式需求，为高轨SAR卫星后续应用提供参考。

2 高轨SAR卫星在综合减灾中的应用潜力分析

近年来，我国极端天气事件发生频繁，重大自然灾害日益增多，灾害影响范围分布广泛，灾害损失持续加重，并呈现出多灾并发、群发和集中爆发的特征。为更好地应对重大自然灾害，迫切须要加强对地观测手段应用，提高对灾害的监测预警和应急响应能力，增强灾害救助决策和灾情评估的科学性、及时性，最大限度地减少灾害造成的损失。结合高轨SAR卫星的特点，本文主要从洪涝、地质、旱灾、雪灾等灾害角度分析高轨SAR卫星的应用潜力[8]。

2.1 洪涝灾害监测评估

洪涝是我国主要自然灾害之一，也是每年造成经济损失最大的自然灾害，其主要特点是发生频率高、影响范围广。洪涝发生时，洪涝范围和水淹深度信息的高效准确提取是危险性评价、人员安全转移等救灾决策的重要依据。一方面，高轨SAR卫星搭载的主动式微波传感器，可以穿透云雨全天时、全天候地获取洪泛区的遥感数据；另一方面，SAR影像提取水体技术的可用性和优势已经被广泛接受，利用高轨SAR卫星进行洪水范围的提取在技术上完全可行[9]。因此，在洪涝范围提取的基础上，结合灾区的数字高程模型(DEM)数据和其他基础地理信息数据，可以快速提取大区域洪水淹没的深度。流域性洪涝的一个特点是要求影像覆盖范围广，很可能会大于数百万平方千米，低轨道SAR卫星难以覆盖，而高轨SAR卫星的观测幅宽可达数千千米，能很好地解决这个问题。此外，由于洪涝灾害动态变化性很强，对洪涝范围高频次的动态监测相当重要。通过对高轨SAR卫星轨道等系统参数的设计，可实现对同一区域1小时级的重复观测，很好地实现洪水范围高效精准提取及长时序洪水演进动态监测。洪涝灾害监测简化技术路线如图1所示，序列高轨SAR影像分别获取洪水淹没范围，叠加空间信息获取洪水淹没深度，进而获取高时效的洪水动态演进情况。

2.2 地质灾害监测

近年来，滑坡、泥石流、地面沉降等地质灾害频发，对生命和财产安全造成巨大威胁。星载SAR干涉测量技术已被证明在地质灾害监测领域具有很大的潜力[10]，但目前已发射升空的SAR卫星均处于太阳同步轨道，在辐射范围和重访周期等方面都受到了极大的限制，难以满足灾害应急、抢险和救灾的需求。高轨SAR卫星工作于地球同步轨道，对地球的覆盖性好，可以很好地解决上述瓶颈问题。在高轨SAR卫星应用于地质灾害监测时，要突破一项关键技术，即在时空基线、电离层误差和轨道误差的影响下实现重轨干涉，卫星设计方案中要考虑轨道定位误差、轨道测量误差和电离层对干涉相位及精度的影响。

2.3 旱情监测

干旱是我国最常见、对农业生产影响最大的气候灾害，干旱受灾面积占农作物总受灾面积的50%以上，在严重干旱年份比例高达75%。旱灾的主要特点是发生频次高，受灾范围广，持续时间长，对农业产量影响大。土壤含水量是旱情监测的关键指标，对旱灾防御意义重大。土壤含水量的高低可以显著影响土壤的介电常数，而微波对土壤介电常数的变化非常敏感[11]，与可见光相比，SAR工作的微波信号波长相对较长，能够穿透植被，并对土壤具有一定的穿透能力，因此可获取更丰富、更准确的信息。与中低轨SAR卫星相比，高轨SAR卫星可对受灾区域大范围、高频次地进行土壤水分反演。

2.4 雪灾监测

高轨SAR卫星具有一定的穿透性，可用于可见光和红外遥感无法实现的积雪深度和密度反演。高轨SAR卫星比中低轨SAR卫星具有高重访性的优势，能对同一地区积雪面积变化信息进行高频次、大范围的提取，实现对积雪面积变化的动态监测。此外，通过建立适当的模型，高轨SAR卫星数据可反演积雪雪水当量，为融雪性洪水预报提供信息输入[12-13]。

3 高轨SAR卫星工作模式

基于综合减灾的应用需求以及高轨SAR卫星的特点，高轨SAR卫星在综合减灾中的主要工作模式包括灾害常规模式、单灾应急模式、多灾应急模式和区域灾害模式，如图2所示。

3.1 灾害常规模式

灾害常规模式针对常规SAR条带成像模式，高轨SAR条带模式成像期间，卫星姿态保持不变，波束指向也保持不变。在没有灾害的情况下，要对我国及周边地区进行连续周期性观测，此时采用灾害常规模式。通过不断积累这些区域的影像，反演灾害背景特征参数，进行大范围灾害脆弱性和风险调查，在时空分析和灾害异常信息提取的基础上，为灾害风险评估和预警提供支持。

3.2 单灾应急模式

单灾应急模式针对常规SAR条带成像模式。灾害应急响应的最大特点是时效性要求很高，例如河湖堤坝溃决后洪水淹没面积变化、堰塞湖水体面积变化等，需要分钟级时间分辨率的卫星遥感数据。在单灾应急模式下，卫星通过轨道控制、姿态调整、波束控制等实现对灾害发生区域连续、高频次的观测。因此，高轨SAR卫星单灾应急模式特别适合变化很快的自然灾害应急动态监测。以2010年6月21日江西抚河唱凯堤发生的溃坝为例，决堤长度达到300多米，洪水倾泻而下，1 h内就淹没了近百平方千米范围。这种情况下，对于高轨SAR卫星，按5 s变化一个像素计算，迫切须要实现小时级甚至分钟级间隔对灾害进行高频次连续监测。

3.3 多灾应急模式

多灾应急模式针对常规SAR条带成像模式。该模式利用卫星姿态机动能力对多个地区进行交替成像，从而获取多个地区的数据。经过测算，卫星针对多灾地区交替成像观测情况，卫星姿态和载荷波束指向调整时间为1 h。多灾应急模式可以同时对多个灾区的并发灾害进行观测，对多场并发灾害的洪涝淹没范围、滑坡泥石流范围、堰塞湖水体面积、干旱范围、积雪范围、海冰面积进行持续监测评估及灾情发展趋势分析。

3.4 区域灾害模式

区域灾害模式针对常规SAR扫描成像模式，高轨SAR扫描模式成像期间，卫星姿态保持不变，波束指向沿距离向快速切换，可以达到较大的成像幅宽。该模式下，用户可自定义一个成像区域，卫星通过控制横滚角，使波束中心瞄准该区域中心位置，进而利用波束的快速切换对大范围区域成像。通过载荷扫描模式获得覆盖特定成像区域的图像，满足用户要求。通常情况下，卫星可在分钟级内完成上千千米幅宽范围的成像。区域灾害模式适合于需要对较大范围的灾害频发区进行周期性成像的情况，包括河湖范围、植被生长、积雪范围等灾害风险预警，以及覆盖大于上千千米幅宽的大范围受灾区域的监测评估，如洪涝淹没范围监测、干旱范围、积雪范围、海冰范围监测，生态环境恢复重建监测评估。

3.5 对卫星设计的建议

高轨SAR卫星的应用优势体现在高时效的应急需求，在单灾应急模式和多灾应急模式下，需要卫星在保持运行稳定性的同时，能够机动灵活地控制雷达波束指向，完成应急区域的高时效成像。因此，卫星设计方案要考虑雷达波束机动灵活的控制能力及卫星寿命有效期内的波束调整次数限制。

高轨SAR成像机理与低轨SAR一致：距离向的成像分辨率通过发射一定带宽的线性调频脉冲信号，进行脉冲压缩来实现；通过雷达与目标之间的相对运动产生多普勒频率，进行匹配滤波来获得方位向的成像分辨率。在成像理论方面，两者在雷达方程、模糊设计、成像非理想因素影响的分析方法上是一致的。然而，由于高轨SAR卫星的轨道特性，在轨道高度、雷达作用距离、地球自转、变速运动、弯曲轨迹、合成孔径时间、电离层影响、斜视8个方面，存在与低轨SAR卫星明显不同的成像特性，并对系统性能及系统设计产生影响。

4 结束语

本文从综合减灾角度分析了高轨SAR卫星相比于光学卫星和中低轨SAR卫星在洪涝、地质、干旱、雪灾等减灾应用上的优势和潜力，提出了高轨SAR卫星的工作模式需求及卫星设计建议。高轨SAR卫星将是我国卫星减灾应用体系中至关重要的数据源之一，能有效填补载荷类型、覆盖范围、时间分辨率、空间分辨率等方面的空白或不足。高轨SAR卫星不依赖于太阳辐射的影响，可用于自然灾害的预警、监测和评估，是“天-空-地-现场”一体化灾害监测评估网络体系建设中的重要基础，尤其在台风暴雨洪涝、地震及滑坡泥石流等次生灾害、旱灾、雪灾等灾害管理环节中具有巨大的应用潜力。

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Zhang Wei,Yang Siquan,Wang Lei,et al. Review on disaster reduction application potentiality of synthetic aperture radar [J]. Remote Sensing and Application,2012,27(6): 904-911 (in Chinese)

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(编辑：夏光)

Application Potential and Working Mode Requirements of GEO SAR Satellite for Comprehensive Disaster Reduction

ZHANG Wei1YANG Siquan1FAN Yida2WU Wei1ZHAO Bingji3

(1 National Disaster Reduction Center of China,MCA,Beijing 100124,China) (2 Information Center,MCA,Beijing 100721,China) (3 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

GEO SAR (geosynchronous orbit synthetic aperture radar) satellite combines the advantages of earth geosynchronous orbit and active microwave remote sensing. This paper analyzes GEO SAR’s application potential in comprehensive disaster reduction,including floods,droughts,geological disasters and snow accumulation. Comparison with visible remote sensing and existing spaceborne SAR in LEO (low earth orbit) is carried out from the point of view of disaster reduction. Four working modes are proposed for different purposes in comprehensive disaster reduction,including daily survey,signal disaster response,multi disaster response and regional observation. It is shown that GEO SAR is especially suitable for dynamic monitoring of natural disaster in large scale,all-day and all-weather.

GEO SAR； comprehensive disaster reduction； application potential； working mode

2016-11-17；

2017-01-09

张薇，女，博士，副研究员，研究方向为空间技术减灾应用。Email：rruun@126.com。

V19

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.018