欧洲雷达成像卫星系统最新发展

徐冰 （北京空间科技信息研究所）

欧洲雷达成像卫星系统最新发展

徐冰 （北京空间科技信息研究所）

Development of European Radar Imaging Satellite System

欧洲在发展雷达成像卫星方面以德国、意大利、西班牙以及欧洲航天局为代表。在雷达成像卫星发展方面各具特色，德国倾向于军、民用系统分立发展；意大利侧重于发展军民共用系统；西班牙起步较晚，主要借助德国民商共用系统的发展策略（公私合营）和成熟技术；欧洲航天局则在“哥白尼”计划下发展哨兵－1（Sentinel－1）系列雷达成像卫星。欧洲现役雷达成像卫星能力较为先进，成像模式多样化，最高分辨率达到0.25m。

1 德国同步发展下一代军、民雷达成像卫星星座系统

下一代军用雷达成像卫星系统

鉴于“合成孔径雷达-放大镜”（SAR-Lupe）系统在服役期间发挥的重要作用，以及为了保持侦察情报的连续性，德国开始发展下一代军用雷达成像卫星系统—SARah。SARah卫星由两家公司共同研制，主承包商德国不莱梅轨道高技术系统股份公司（OHB）负责研制2颗被动卫星，空客防务与航天公司（ADS）负责研制1颗主动卫星，计划于2019年前后完成卫星部署，将加入欧洲“多国天基成像系统”（MUSIS）。SARah系统延续了其上一代“合成孔径雷达-放大镜”系统的目标、用途和发展方式，但在星座配置、技术水平和服务能力等方面将有所改变和提升。

1）星座设计。与“合成孔径雷达-放大镜”系统的5星星座设计不同，SARah系统由3颗编队飞行的卫星组成，其中一颗为SARah主动卫星（SARah-Aktiv），采用相控阵天线，负责向地表发射雷达信号，另外2颗为SARah被动卫星（SARah-Passiv），均采用与第一代“合成孔径雷达-放大镜”卫星类似的抛物反射面天线，用于接收经过地表散射的雷达信号。

2）系统与载荷能力。SARah主动卫星与“合成孔径雷达-放大镜”在卫星构型上差异较大，SARah系统设计结合了第一代“合成孔径雷达-放大镜”系统和陆地合成孔径雷达-X双星系统的技术特点，强调在提高空间分辨率（可优于0.5m）的同时，利用陆地合成孔径雷达-X双星任务采用的编队飞行控制技术和干涉合成孔径雷达（InSAR）技术，通过被动卫星的不同编队飞行模式可实现多种基于合成孔径雷达的干涉工作模式，包括数字高程模型和移动目标指示等。主动和被动卫星相结合的空间配置将充分增强整个星座系统的有效性。

下一代民商用雷达成像卫星系统

2009年，德国开始定义下一代陆地合成孔径雷达-X项目（陆地合成孔径雷达-X NG），同样也采用公私合营的发展方式，由空客防务与航天公司负责研制，计划于2018年发射。陆地合成孔径雷达-X NG卫星的目的是接替陆地合成孔径雷达-X，保持数据获取和服务的连续性一直到2025年后。

1）星座设计。德国的陆地合成孔径雷达-X NG卫星仅规划了1颗，但多年来在商业雷达领域积累的经验以及用户的反馈，促使陆地合成孔径雷达-NG基于“协同星座概念”（CCC）运行。与单星相比，“协同星座”的优势在于每一方都拥有星座的一部分，合作方可以共担风险、分享利益。“帕兹”（PAZ）卫星发射后，与陆地合成孔径雷达-X和陆地合成孔径雷达-数字高程模型-X组成的星座将对“协同星座概念”进行初始验证。

空客防务与航天公司与西班牙卫星服务战略（Hisdesat）公司将利用陆地合成孔径雷达-X、陆地合成孔径雷达-数字高程模型-X和“帕兹”卫星，以及未来发射的陆地合成孔径雷达-X NG构建“协同星座”，通过更快的重访和更强的数据采集能力，增强时效性高、广域覆盖的应用能力。

2）系统与载荷能力。陆地合成孔径雷达-X NG卫星将部署在目前陆地合成孔径雷达-X的运行轨道，设计寿命9.5年，比陆地合成孔径雷达-X提高了近一倍。这两代卫星在构型上差异较大，但与SARah系统极为相似。

陆地合成孔径雷达－X NG的合成孔径雷达载荷代表了星载合成孔径雷达取得的重大进步，与上一代相比不仅分辨率提高，幅宽增大，而且通过采用电波束控制技术增强敏捷性。陆地合成孔径雷达-X NG卫星具有3种成像模式，分别为高分辨率聚束模式、条带模式和步进扫描对地观测模式（TOPS），且3种模式下都具有多方位相位中心（MAPS）处理能力。聚束模式包括凝视聚束和滑动聚束两种，条带模式可连续成像长达1500km，特别适用于大范围监控和热点地区探测。步进扫描对地观测模式可达到400km大幅宽，特别适合于广域海上监视。此外还增加船只发现模式，可用于探测长度超过25m的船只，虚警率非常低。与上一代仅有单极化和双极化相比，陆地合成孔径雷达-X NG卫星的极化方式更为多样化，单极化、双极化、交叉极化和全极化都具备。

2 意大利开始发展下一代军民两用雷达成像卫星星座系统

目前，意大利正在发展第二代“地中海盆地观测小卫星星座”（CSG）系统，虽然仅由意大利国防部投资，但仍作为军民两用系统接替现役“地中海盆地观测小卫星星座”系统提供更优质的服务，由泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（TAS）研制，将加入欧洲多国天基成像系统。

1）星座设计。意大利原本计划发展4星星座，但因资金问题被迫发展2星星座，目前仅为研制首颗卫星及采购第二颗卫星部分组件提供预算支持，分别计划于2018年和2019年发射。

2）系统与载荷能力。第二代“地中海盆地观测小卫星星座”卫星发射后，将部署在现役第一代卫星的运行轨道，2颗卫星将运行于同一轨道面，提高重访率。第二代与第一代“地中海盆地观测小卫星星座”在卫星构型上极为相似，姿态敏捷性、存储容量、下传速率等平台性能得到提升。

第二代“地中海盆地观测小卫星星座”卫星载有X频段合成孔径雷达载荷，在成像模式上延续上一代卫星的聚束、条带和扫描模式，但在极化方式上增加了双极化和全极化，分辨率更高，幅宽更大，增强了数据获取的多样性。第二代“地中海盆地观测小卫星星座”卫星具有窄幅和宽幅两类成像模式，窄幅只对应聚束成像模式，聚束模式又可细分为极高分辨率和高分辨率两类，每类都有单极化和双极化两类。宽幅对应条带和扫描两种成像模式。除了极高分辨率的聚束模式只用于军用外，其他模式均为军民两用。

与上一代相比，第二代“地中海盆地观测小卫星星座”系统设计有所取舍：在宽幅扫描模式下，第二代星座可在10天内完成一次全球覆盖，第一代系统则需要14天。但由于卫星数量的减少，第二代星座系统在紧急状态下对于任意目标的响应时间增加至36h（最长时间），而第一代系统仅需要12h。

陆地合成孔径雷达-X NG卫星成像模式

3 西班牙首颗雷达成像卫星整装待发

西班牙在国家整体的对地观测卫星计划下发展雷达成像卫星“帕兹”，由西班牙国防部所有并投资开发，作为一颗军民两用卫星，主要用于满足西班牙的国防和安全需求。在发展方式上，“帕兹”卫星借鉴了陆地合成孔径雷达-X的公私合营的发展经验，在系统设计和性能指标方面与德国陆地合成孔径雷达-X卫星极其相似。“帕兹”卫星计划于2017年发射，将加入欧洲多国天基成像系统。

1）星座设计。“帕兹”卫星发射后将进入陆地合成孔径雷达-X双星轨道面，与其组成星座，验证基于“协同星座概念”的合作模式。

2）系统与载荷能力。“帕兹”卫星载有X频段SAR，具有高分辨率聚束、聚束、条带和扫描SAR四种成像模式，能够提供不同分辨率、不同幅宽的SAR图像，具有多模式、多极化、左视或右视等灵活成像能力。

4 欧洲航天局已授出后续研制合同，保持数据的连续性

2015年12月15日，欧洲航天局再次选择泰雷兹-阿莱尼亚航天公司作为主承包商，为其研制2颗哨兵－1C、1D卫星，合同价格为4亿欧元。这2颗卫星与已发射的哨兵－1卫星基本相同，计划于2021年后发射，届时将接替现役卫星，确保未来15年雷达数据的连续性。

目前，原计划的2颗哨兵－1卫星已经部署完成，在同一轨道面上组成观测星座，相位相差180°，双星可以在6天内覆盖全球，提高全球气候变化数据的时效性。哨兵－1卫星能提供高分辨率和中分辨率陆地、沿海和冰的测量数据，全天候成像能力与雷达干涉测量能力相结合，能够对地表微小形变进行精细化探测，为地球环境管理方式带来巨大变革。哨兵－1卫星载有C频段合成孔径雷达，具有以下4种成像模式：

第二代“地中海盆地观测小卫星星座”卫星成像模式

“帕兹”卫星成像模式

1）干涉宽幅模式。分辨率5m×20m，幅宽250km，每轨最长工作25min，主要用于陆地观测，通过欧洲航天局提出的步进扫描对地观测模式来实现。

2）波模式。分辨率5m×5m，沿轨每间隔100km采样图像大小为20km×20km，主要用于海洋观测。

3）超宽幅模式。分辨率20m×40m，幅宽400km，该模式也具有步进扫描对地观测模式能力。

4）条带模式。分辨率5m×5m，幅宽80km，6个重复的测量条带能覆盖所要求的375km的范围。

5 小结

欧洲的下一代雷达成像卫星系统以满足目前及未来的需求为目标，受益于近年来星载雷达技术水平的不断提升，在星座设计、系统功能、载荷能力、产品多样化等方面与上一代相比都有较大的改进。欧洲的雷达成像卫星技术能力居于世界先进水平，注重新技术开发和应用，成像模式和极化方式多样化，从系统能力、星座设计、协同运行等多角度扩展服务应用能力。德国不莱梅轨道高技术系统股份公司、空客防务与航天公司、泰雷兹-阿莱尼亚航天公司等是欧洲航天领域的强企，其在雷达成像卫星研制方面积累的经验，以及在星载雷达成像技术领域取得的突破都将成为欧洲保持星载雷达成像技术能力先进性的重要保障。