合成孔径雷达星座发展综述

耿旭朴，薛思涵

(1.厦门大学 海洋与地球学院，福建 厦门 361102；2.厦门大学 近海海洋环境科学国家重点实验室，福建 厦门 361102)

0 引 言

1951年美国人Carl Wiley首次提出了“多普勒锐化”的思想。1953年在密歇根大学的暑期研讨会上，人们进一步讨论了“合成孔径雷达（SAR）”的基本概念——即通过雷达运动收集多个位置的回波信号并进行脉冲间数据的多普勒分析，能产生比实际天线波束宽度窄得多的方位分辨能力[1]。1957年密歇根大学采用机载挂飞、胶片记录和光学信号处理的方法，得到了第一张公开发表的大面积聚焦SAR图像，向世界证明了SAR的高分辨成像能力。

随着半导体工业和数字技术的快速发展，SAR成像技术不断进步，特别是1978年Seasat-A卫星的成功发射，开启了星载SAR发展的序幕。1981年、1984年和1994年，美国又用航天飞机将SIR-A、SIR-B和SIR-C三部成像雷达送入太空，其中SIC-C采用了相控阵扫描技术，具有较大的波束角扫描范围，并且拥有多波段多极化的能力。从1988年到2001年美国还先后发射了五颗Lacrosse军用雷达卫星，其分辨率从1 m提高至0.3 m，是目前空间分辨率最高的星载SAR系统。欧空局（ESA）先后于1991年和1995年发射了ERS-1和ERS-2两颗SAR卫星，还利用相继获得的ERS-1和ERS-2数据，生成了间隔至多相差一天的干涉数据[2]。2002年ESA在ERS系列基础上发射了改进的后续卫星Envisat。加拿大于2007年发射了Radarsat-2，作为一颗成熟的商业SAR卫星，在前一代Radarsat-1的基础上增加了多极化和“地面动目标显示（GMTI）”等功能。以色列于2008年发射的TecSAR卫星是小型SAR卫星的代表，其卫星总重仅300 kg，有效载荷不到100 kg，极轻的重量和体积不仅降低了发射费用，也增加了卫星的机动性。

近年来，星座化正成为SAR发展的重要趋势之一。德国于2006年至2008年共发射了5颗军事侦察卫星，组成了SAR-Lupe雷达卫星星座，虽然单星重量仅有770 kg，但分辨率可达0.5 m。另外德国于2007年和2010年先后发射了TerraSAR-X卫星和TanDEM-X卫星，双星编队飞行，获取了新的高精度全球数字高程模型（WorldDEM），西班牙即将发射的PAZ雷达卫星将加入到TerraSAR-X和TanDEM-X的系统中组成星座。意大利从2007年开始到2010年共发射了4颗SAR卫星，组成了军民两用的COSMO-SKyMed（CSK）卫星星座，其分辨率可达1m以下，法国的Pleiades光学卫星星座与CSK星座一起组成了“光学雷达地球观测联盟”（ORFEO），另外阿根廷即将发射的SAOCOM星座也将加入到该星座中。ESA 2016年发射的Sentinel-1B与已经在轨运行的Sentinel-1A组成SAR卫星星座，成为全球环境安全监测项目（GMES）的重要组成部分之一。加拿大也正在开发Radarsat星座任务（RCM），接替Radarsat-2卫星。多星组网能够显著增强卫星的对地观测能力，正受到各国越来越多的关注，甚至一些商业公司也加入到SAR卫星星座研发与应用的队伍中。

1 典型星座

部分已经在轨或将要发射的SAR卫星星座见表1。

表1 部分SAR星座Tab.1 Some SAR Constellations

1.1 SAR-Lupe星座

德国的SAR-Lupe星座于2006年发射第一颗卫星，至2008年完成了共5颗X波段雷达卫星的发射。这5颗卫星以2、1、2（每个轨道上的卫星数量）的形式分布于三个高度约500 km的近极地轨道平面内，轨道平面相互间夹角约为60°，如图1所示。卫星之间安装有星间通讯链路[3]，使位于地面控制站背面的卫星也能够更快地接到指令，并获取目标区域的SAR图像。

图1 SAR-Lupe卫星星座示意图（来源：OHB-System AG）Fig.1 SAR-Lupe constellation (source: OHB-System AG)

SAR-Lupe星座在系统设计之初就充分考虑了利用星座间卫星配合对热点区域进行高时效和高分辨率监视的需求。SAR-Lupe卫星并没有盲目追求功能的多样性和各项性能的提升，而是在保证单星分辨率的情况下，采用功能较少但质量更轻的抛物面天线，分辨率指标与美国的Lacrosse雷达卫星相当，但重量仅为其1/20[4]。SARLupe各星仅有2种工作模式：条带（stripmap）模式和聚束（spotlight）模式，相应地，由于质量的减轻，SAR-Lupe可以整星180°转动，改变天线波束的指向，增加观测范围。利用多星合作的优势，该星座在最关键的空间分辨率、时间分辨率和反应速度等方面达到了较高的标准，利用较低的成本实现了高可靠的性能。

1.2 COSMO-SkyMed星座

由意大利航天局（ASI）和国防部（MoD）共同出资研发的CSK卫星星座，是意大利最重要的航天对地观测项目。该SAR星座由4颗SAR卫星组成，分别于2007年6月、2007年12月、2008年10月和2010年11月发射升空。其SAR系统采用X波段，拥有多极化以及多种工作模式。

CSK卫星星座可以在两种基本轨道结构下运作，“常态轨道结构”和“干涉测量轨道结构”[5]。常态轨道结构下，4颗卫星处于同一个太阳同步晨昏轨道平面，均匀分布于轨道平面内，如图2所示，该结构能够提供全球观测数据，保证一天内对全球任一目标进行至少两次访问。干涉测量结构下，星座中两颗卫星分布于相近轨道上前后编队飞行以获得准实时干涉图像，如图3所示，这两颗卫星置于不同轨道平面内，两轨道平面夹角仅0.08°，形成约151 km的沿航迹间隔[6-7]。该模式的观测时间间隔仅为20 s，与重复轨道干涉相比，同一观测目标的时间相关性将大大提高，还可以大幅降低大气效应对InSAR测高的影响，除非特别恶劣的天气，一般受大气影响非常小。

图2 CSK星座常态结构示意图（来源：ASI）Fig.2 General configuration of CSK constellation (source: ASI)

CSK星座在设计阶段就已经考虑到了对当前及将来其他卫星系统的合作支持。法国的光学卫星星座Pleiades和CSK组成了“光学雷达地球观测联盟”（ORFEO），实现光学遥感和微波遥感的协作。另外，阿根廷航天局的SAOCOM计划包含两颗L波段的SAR卫星，与CSK的X波段互补，发射后将与CSK星座相互配合共同组成“意大利—阿根廷应急管理卫星系统（SIASGE）”。与其他卫星系统的合作使CSK星座功能得到扩展，可以获取更丰富的数据，实现更强大的功能。此外，意大利已经开始计划第二代COSMO-SkyMed（CSG），从而提供更高的图像质量（包括分辨率、幅宽和分辨率指标）。该系统的两颗卫星将运行于和CSK星座相同的轨道，以期在保证数据连续性的同时将观测性能提升一个台阶。

图3 CSK星座干涉测量结构示意图（来源：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卫星组成。TerraSAR-X和TanDEM-X卫星已发射升空，由德国宇航中心（DLR）和空客公司合作运营，目前TerraSAR-X/TanDM-X卫星编队已获取了全球高精度的WorldDEM产品。PAZ卫星是西班牙国家地球观测计划（PNOT）的第一颗雷达卫星，计划于2017年第四季度发射。

如图4所示，假设TanDEM-X和TerraSAR-X位于0处，根据TerraSAR11天的运行周期，在同一个轨道平面上PAZ卫星有十个相隔32.73°的可选位置，考虑到对称性及系统能力的提升，PAZ卫星将被置于3处。这样，可以将TerraSAR-X目前的干涉重复时间减少一半，整个星座也具有每天全球重放能力，而且也为开展不同分离的编队试验提供了灵活性[8-9]。

图4 TerraSAR/PAZ星座轨道结构示意图（来源：参考文献[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两颗卫星组成，是ESA GMES项目的重要组成部分之一。GMES项目主要由Sentinel-1 SAR成像卫星、Sentinel-2多光谱成像卫星、Sentinel-3海洋与全球陆地监测卫星、Sentinel-4地球同步轨道气象卫星和Sentinel-5低轨气象卫星组成，为监测全球气候变化和民用安全提供实时准确的信息。Sentinel-1星座将重访周期由单颗卫星的12天减少到6天[10-12]。

1.5 Radarsat星座任务

RCM是加拿大正在开发中的SAR卫星星座，由Radarsat项目演化而来，其目标是在保证C波段SAR数据连续性的基础上提升数据质量和系统可靠性。RCM计划于2018年发射，将包含3颗卫星，均匀分布于同一个高度约600 km的太阳同步晨昏轨道平面内，星座结构如图5所示。该星座可扩充为6颗卫星，能够有潜力满足日益增长的用户需求。RCM去掉了Radarsat-2的一些先进的功能如GMTI等，这样单星重量相比Radarsat-2大大减小，发射重量约1 300 kg，从而降低研制和发射成本。RCM侧重于中等分辨率（约50 m）的广域覆盖，主要任务是提供海事监控、灾难管理和生态系统监视方面的服务，还能够利用InSAR模式进行间隔4天的形变测量[13]。

RCM还特别设计了一些创新性的功能，如相干变化检测（CCD）、简缩极化模式，以及针对船舶监测的成像模式和自动识别系统（AIS）。CCD着眼于陆地应用，利用一组在相同几何条件下获取的图像进行干涉或根据样本的一致性开展变化检测。RCM将在世界上首次实现SAR简缩极化模式，该只发射一个方向的电磁波，而同时接收两个方向的回波，不仅能实现垂直和水平极化信号的双重接收，还能实现圆极化信号的传输[14]。船舶监测成像模式侧重于提高船舶信号对海洋背景杂波的比例，而与SAR传感器一同搭载的高频短程应答机可实现AIS功能，将与SAR船舶监测功能相结合，实现船舶之间位置信息的通讯，避免发生碰撞[15]。

图5 Radarsat星座示意图（来源：加拿大航天局）Fig.5 Radarsat constellation (source: Canadian Space Agency)

1.6 OptiSARTM星座

与上述由国防部或航天局主导的SAR卫星星座不同，近几年商业资本开始进军航天领域，一批以卫星应用为主体的创业公司提出了颇具规模的小卫星SAR星座计划，如UrtheCast公司的OptiSARTM、Iceye公司的SAR微卫星星座和XpressSAR公司的SAR星座等。

OptiSARTM星座计划于2019年到2020年发射，包括8颗SAR卫星和8颗光学卫星，分布于2个轨道平面内，每个轨道内包含4对卫星，每对由1颗L/X双频段SAR卫星和1颗视频/锥扫双模光学卫星组成，SAR卫星领先光学卫星几分钟，如图6所示。其中，SAR卫星的L和X波段都具有StripMap和ScanSAR两种工作模式，光学卫星具有6个光谱通道的成像能力。该星座旨在获取准同步的光学成像和雷达成像数据，通过两者的融合，得到纹理、结构、粗糙度、湿度和光谱等更多有助于理解地面场景的信息，用于海上监测、溢油跟踪、伪装检测、地球探测、汽车计数等[16]。

图6 OptiSAR星座轨道平面卫星分布图（来源：eoPortal Directory）Fig.6 Satellites distribution of OptiSAR constellation in the orbit plane(source: eoPortal Directory)

2 主要优势

2.1 缩短重访周期

为了获得足够强的雷达回波，SAR卫星轨道高度越高，就需要越大的天线和越强的发射功率。受制于此，目前的SAR卫星大都采用低轨道工作，这样其波束在地面的覆盖面积就相对有限。对于同一星载SAR设备的各种工作模式，通常分辨率越高，成像幅宽就越窄。再加上低轨卫星的重访周期限制，单颗SAR的时间分辨率很有限，无法满足对热点区域的高频率或者应急观测需求。

利用多颗卫星组成星座则可大幅缩短重访时间。意大利的CSK星座，单颗卫星重访周期为65 h，整个星座可以使重访周期低于12 h。德国的SAR-Lupe星座具有星间通讯连路，2颗星在轨时响应时间为24h，可以实现对地球表面任意地点10 h以内的应急响应。Sentinel-1星座单星在轨时重复周期为12 d，双星在轨时重复周期仅6d。

2.2 增强成像功能

合成孔径雷达干涉测量（InSAR）可以通过两次平行观测或者两副天线同时观测获得的SAR图像对的干涉相位提取地球表面三维信息，在地震形变监测、火山活动监测、山体滑坡监测等领域具有广泛的应用价值[17]。星载InSAR的实现方式主要有单星双航过、单星双天线和卫星编队等，其中单星双航过获得的数据相干性较差，单星双天线因其间距限制多用于机载或低轨道的航天飞机系统（如SRTM）[17]，而卫星编队可以突破天线间距的限制，是实现InSAR测量的理想手段。如图7所示，TerraSAR/PAZ星座中已经在轨的两颗卫星TerraSAR-X和TanDEM-X采用了精确控制的近距离编队飞行模式，卫星间距可控制在数百米左右进行InSAR测量，德国已使用该系统获取了高精度的WorldDEM产品，其在12×12(m2)水平网格内的高程数据可以达到优于2 m的相对精度[18]。前文提到的意大利的CSK星座也可以利用卫星变轨调整星座组网形式，实现类似TerraSAR-X/TanDM-X编队结构的干涉测量任务。

图7 TerraSAR-X/TanDM-X在轨工作示意图（来源：DLR）Fig.7 In-orbit configuration of TerraSAR-X/TanDM-X (source:Canadian Space Agency)

对于星座的编队结构，在单次航过时能够同时获得长、短基线，通过灵活配置基线组合，还可以兼顾地面快、慢运动目标的定位和测速能力（GMTI），增大动目标可测速范围[19]。以TerraSAR-X为例，单颗星对运动目标的位置估计误差约在百米量级，而利用TerraSAR-X/TanDEM-X双平台进行（准同步）观测，位置估计的误差可降低到十米的量级，并且能更好地估算出目标的速度与方向等参数[20]。

2.3 多传感器融合

SAR具有全天时、全天候以及对地面场景的粗糙度、湿度等观测优势；而光学图像比较符合人眼的视觉习惯，一般含有光谱信息，有助于目标的分类和识别。无论是法国与意大利的“光学雷达地球观测联盟”（ORFEO），还是加拿大UrtheCast公司的OptiSARTM星座，把SAR卫星和光学卫星进行组网，发挥多传感器的融合优势，已成为遥感卫星星座化的重要特征之一。

2.4 扩展性、机动性、容错性

星座化的结构设计具有扩展性，比如加拿大的RCM星座虽然计划靠3颗卫星完成任务，但其结构设计可容纳6颗卫星。若3颗卫星不足以满足用户需求，可发射具有新功能的卫星并入星座中，使所有该星座的用户均可以享受到新的功能。

航天技术的进步使SAR卫星在保证性能的同时重量越来越小。SAR卫星星座的优势并不仅仅依赖于单星的强大性能，更多的是靠整个系统的协同配合。考虑到星座内卫星的数量，为了节省成本，SAR卫星星座多采用中小型卫星。这也大大提高了SAR卫星的机动性，可以更自由地调整观测视角，同时也增强了卫星的变轨能力，可以实现更多形式（如编队）的测量任务。

而且，小卫星相对不容易成为打击目标，且卫星星座包含多颗卫星，若某一颗卫星出现故障，其他卫星可以进行一定的弥补，数据缺失不会太严重，还可以发射新卫星进行替换。因此，SAR卫星星座具有更强的生存能力。

3 结束语

目前，德国、法国和ESA已分别完成了SAR-Lupe（5颗）、COSMO-SkyMed（4颗）和Sentinel-1（2颗）3个SAR卫星星座的布署。如果今年第四季度西班牙PAZ卫星顺利发射升空，TerraSAR-X/PAZ星座也将构建完成。加拿大Radarsat系列卫星是全球商业化运行最成功的SAR卫星，其后续RCM星座也将在未来两三年内发射。与此同时，随着商业资本的进入和卫星创业公司的发展，以OptiSARTM为代表的一批小卫星SAR星座计划喷薄而出。

由于能够缩短重访周期，增强成像功能，进行多传感器融合，以及其本身具有的扩展性、机动性和容错性等优势，SAR卫星星座化必然是大势所趋。与此同时，随着航天技术的进步，尤其是轻型天线技术、集成电路技术、固态电子器件技术和高效太阳电池及蓄电池技术的发展，在保证性能的同时，卫星的体积和重量都大大降低，100 kg级重量的小卫星正受到更多的关注。SAR卫星也将进一步小型化，其星座构建成本将大幅降低。据报道，中国的航天科技集团将建设“16+4+4+X”的商业遥感卫星系统，其中就有4颗是SAR卫星[21]。未来将会出现更多的SAR卫星星座，其不断提升的系统能力将在军事和民用航天领域发挥越来越重要的作用。