微小型SAR卫星发展现状及分析

张永贺 张旭 王韶波 魏楚奇 吴秋诗

(1 北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094)(2 航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

SAR卫星具有全天时、全天候成像优势，且通过多极化、多相位等观测手段，可提供更为丰富的目标信息，在国土资源调查、灾害与环境监测、地形测绘、城市规划、军事侦察等领域发挥重要作用。近年来，在大中型SAR卫星继续向高分辨、宽幅宽、多轨道和多维度发展的同时，面向星座应用的微小型SAR卫星，具有“单星低成本、星座高重访”的特点，在商业、应急和军事等领域具有良好的应用前景，成为国内外新的研究热点[1-3]。以芬兰冰眼(ICEYE)系列卫星、美国卡佩拉(Capella)系列卫星为代表，欧美国家相继开始发力研制发射微小型高分辨SAR卫星，不仅可为用户提供高分辨、低时延的雷达图像，而且开发了港口流量监测、大型储油设施储油量监测、敏感地区监视等星座级数据产品。

面向微小型SAR卫星研制，不仅要求在小型化技术上实现突破，而且要求转变设计理念和应用方式。本文在总结微小型SAR卫星发展基础上，分析发展趋势，提出需进一步重点突破的关键技术和后续发展建议，可为我国微小型SAR卫星设计开发提供参考。

1 国外发展现状及技术水平分析

1.1 国外微小型SAR卫星发展现状

国外典型卫星主要有芬兰的冰眼(ICEYE)卫星、美国的卡佩拉(Capella)卫星，日本的思瑞克斯(StriX)卫星等。

1)芬兰冰眼系列卫星

冰眼系列卫星由芬兰ICEYE公司研发，该公司建立于2014年，目标是构建世界上第一个由18颗微小型SAR卫星组成的星座，实现对全球任一目标1—3 h的重复成像能力。2018年1月，冰眼系列卫星第一颗试验星ICEYE-X1成功发射，该卫星是世界上第一颗微小雷达卫星，采用X频段相控阵体制，卫星重70 kg，分辨率为10 m×10 m，目前已完成试验验证任务，在轨退役。2018年12月，冰眼系列卫星的业务星ICEYE-X2成功发射[4-6]，并明确后续业务星的技术状态，即采用X频段相控阵体制，卫星重85 kg，具有聚束、条带、扫描3种模式，其中聚束模式分辨率为1 m×1 m，幅宽5 km×5 km，信号带宽300 MHz，峰值功率3200 W。冰眼系列卫星外形如图1所示。

图1 冰眼卫星

2019年8月，ICEYE公司发布了世界上第一个基于小型化雷达卫星平台开发的聚束成像模式1 m分辨率卫星图像，并商业化销售。2020年3月27日，ICEYE公司宣布正式提供聚束模式高分辨率的雷达卫星图像服务，从数据开始下行连接到地面站，到实际处理后的图像可供客户在自己的系统中使用，只需5 min。截至2022年9月，ICEYE公司已成功发射21颗卫星(包含与美国军方合作的1颗技术试验卫星ICEYE-X3，也称Harbinger卫星)，形成小型雷达卫星的星座组网和商业化运营服务能力。

2)美国卡佩拉系列卫星

卡佩拉系列卫星由美国卡佩拉空间(Capella Space)公司研发，该公司建立于2016年，目标是发展36颗微小型SAR卫星组成的星座，为用户提供最大重访周期1 h(全球平均重访)、分辨率0.5 m的SAR图像数据产品。2018年12月试验星卡佩拉-德纳利(Capella-Denali)卫星发射，采用X频段反射面体制，卫星重48 kg，分辨率为10 m×10 m。2020年8月业务星卡佩拉-红杉(Capella-Sequoia)发射，采用X频段3.6 m口径网状反射面天线，卫星重116 kg，具备条带、聚束等多种成像模式，最高分辨率为0.5 m×0.5 m，幅宽5 km×5 km，单轨最大成像时长约10 min。应用服务方面，建立了与海事卫星(Inmarsat)的加密双向链路，可在全球任意地点对卫星进行操控，具备任务实时响应能力[7-9]。卡佩拉系列卫星卫星外形如图2所示。

图2 卡佩拉卫星

至2022年9月，已发射8颗Capella卫星，其中除试验星Capella-Denali外，其他7颗业务星技术状态基本一致。该星座主要为政府和商业用户提供全天时、全天候、小时级重访、快速交付的高分辨率SAR数据服务能力，帮助用户开展情报与国防安全、商贸、农业、食品安全、基础设施监控、自然灾害管理等各种应用。该公司已与美国空军、国家侦察局、国防部、国家地理空间情报局等单位签订合同，解决美国军方对商业雷达数据的需求，公司向用户承诺，在转入商业运营后可在数据采集后30 min内完成交付。

3)日本思瑞克斯系列卫星

思瑞克斯系列卫星由日本太空初创公司Synspective公司研发，星座规模为30颗[10-11]。首发星StriX-α、StriX-β分别于2020年12月和2022年2月发射，卫星采用相控阵体制，重约150 kg，天线尺寸为4.9 m×0.7 m，采用VV极化。与其他SAR卫星不同，其太阳电池片安装于SAR天线背面，具有很高的技术难度。该卫星在滑动聚束模式下，分辨率为1 m×1 m，幅宽10 km×10 km；在条带模式下，分辨率为3 m×3 m，幅宽30 km。在两颗试验星基础上，业务星StriX-1于2022年9月成功发射，卫星质量降低为100 kg，如图3所示，后续将逐步建成由30颗业务星构成的卫星星座。

图3 思瑞克斯-α卫星

4)其他卫星

日本QPS研究所、美国Umbra Lab公司也分别发射微小型高分辨率SAR卫星，主要任务为在轨技术验证，为业务星研制奠定基础。日本QPS研究所于2005年创立，计划研制由36颗微小型SAR卫星的QPS-SAR卫星星座，分别于2019年12月和2021年1月发射Izanagi和Izanami两颗试验星，卫星重约100 kg，采用抛物面体制，天线直径3.6 m，采用X频段，最高分辨率1 m。美国Umbra Lab公司于2021年6月和2022年1月分别发射2颗微小SAR成像卫星，伞影卫星(Umbra SAR)重50 kg，采用网状抛物面体制，天线直径约4 m，如图4所示，其规划星座规模为12颗。

图4 伞影卫星

1.2 国外微小型SAR卫星发展技术水平分析

面向国外典型微小型SAR卫星典型星座，对工作频段和工作体制、分辨率、质量、星座构建和业务化等方面进行总结分析如下[12]。

(1)工作频段和工作体制：为尽量实现小型化，国外ICEYE、Capella、StriX、QPS、Umbra等微小型SAR卫星均采用X频段，单极化，其中ICEYE和Capella为HH极化，StriX为VV极化；从工作体制上看，欧洲以ICEYE为代表主要发展相控阵体制，美国以Capella和Umbra主要发展抛物面体制，日本则两种体制同时开展了研制。

(2)最高分辨率：国外微小型SAR卫星发射信号带宽均在300 MHz以上，因此具备较高的分辨能力，并通过持续研发创新不断提升卫星的分辨能力。目前ICEYE和StriX发射信号带宽均为300 MHz，地距最高分辨率为1 m，其中ICEYE正在开展研制的下一代卫星信号带宽提升至600 MHz，将分辨率提高一倍；Capella信号带宽为500 MHz，最高分辨率为0.5 m，其下一代卫星计划于2023年发射，信号带宽提升至700 MHz，地距分辨率为0.31 m；Umbra发射信号带宽高达1200 MHz，具备获取0.25 m分辨率图像的能力。

(3)卫星质量：国外微小型SAR卫星集成度和轻量化均具备较高水平。其中ICEYE试验星和业务星质量分别为70 kg和85 kg，最新公布的下一代卫星质量为120 kg；Capella试验星和业务星质量分别为48 kg和116 kg；StriX试验星和业务星质量分别为150 kg和100 kg。

(4)星座建设和业务化应用：目前，国外微小型SAR卫星已经实现了试验星到业务应用的跨越，并持续快速增加在轨卫星数量，以增强星座性能，为用户提供更快速、更多样的数据和产品服务。其中，ICEYE公司计划在2021年已发射7颗卫星的基础上，2022年再发射11颗；Capella公司于2022年4月，获得了新一轮9700万美元融资，继续扩大在轨卫星数量；日本Synspective公司在发射首颗业务星StriX-1基础上，计划于2023年继续发射6颗业务星。面向业务化应用，ICEYE、Capella等公司开发了系列化数据产品，并持续丰富。

国外业务化和成熟度较高的微小型SAR卫星主要技术指标如表1所示。

表1 国外典型微小型SAR卫星主要技术指标

1.3 国外微小型与大中型SAR卫星对比分析

近年来，在微小型SAR卫星蓬勃发展的同时，国外大中型SAR卫星持续进行升级换代，研制发射了未来成像体系(FIA，美国)，哨兵(Sentinel-1，欧洲，见图5)，第二代地中海盆地卫星星座(CSG，意大利)、雷达卫星星座(RadarSat，加拿大，见图6)、合成孔径雷达观测与通信卫星星座(SAOCOM，阿根廷)等新一代大中型SAR卫星星座[13-16]。

图5 哨兵-1卫星

图6 雷达卫星星座

对近年发射的国外典型微小型和大中型SAR卫星星座进行对比分析(见表2)，可以看出：

表2 国外典型微小型与大中型SAR卫星对比

(1)大中型SAR卫星可实现多频多极化信息获取、大幅宽高信噪比成像、多模式宽视角观测，具备为多行业用户提供高精度数据的能力，特别是在超高分辨率成像、大幅宽观测和精准化定量化应用上具备突出优势。

(2)微小型SAR卫星目前最高几何分辨率已与传统大中型卫星基本相当，在卫星总质量基本相当的条件下，可将大中型SAR卫星的天级目标重访时间增强为小时级；但在NESZ、模糊度、多模式成像、设计寿命等方面与大中型SAR卫星存在差距，一方面需精准定位，结合应用场景进行合理设计，另一方面需进一步提高图像质量，逐步扩大应用范围。

(3)在充分分析大中型和微小型SAR卫星特点的基础上，充分发挥各自优势，实现大、中、小、微型SAR卫星协调发展。2021年12月，研制了RadarSat系列卫星的加拿大MDA公司公布了其合唱团(CHORUS)星座计划，将与ICEYE公司合作，发挥各自优势，构建由C频段大中型SAR卫星和X频段微小型SAR卫星共同构成的下一代商业地球观测星座。

2 国内发展情况分析

目前，国内多家研究所和卫星公司也开展了微小型高分辨SAR卫星研制，已成功发射海丝一号、齐鲁一号、巢湖一号等微小型SAR卫星。另外，中国空间技术研究院航天东方红卫星有限公司、北京微纳星空科技有限公司、银河航天(北京)科技有限公司等卫星研制单位也开展了研究工作。

1)海丝一号卫星和巢湖一号卫星

海丝一号由长沙天仪空间科技研究院有限公司和中国电子科技集团三十八所联合研制，卫星应用需求由厦门大学等单位根据海洋科学研究与遥感应用市场需要提出。卫星于2020年12月22日搭载长征八号运载火箭发射，卫星重约185 kg，轨道高度为512 km。SAR载荷为C频段，天线采用有源相控阵体制，具备二维扫描能力，天线尺寸为4.00 m(方位向)×0.64 m(距离向)，具备聚束、滑动聚束、条带、扫描等多种模式，其中聚束模式分辨率为1 m×1 m，幅宽为5 km×5 km；扫描模式分辨率为20 m×20 m，幅宽为120 km。

2022年2月27日，两家单位合作研制的巢湖一号卫星发射成功，卫星是“天仙星座”的首发星，工程总体为天地信息网络研究院(安徽)有限公司，质量285 kg，频段为C频段。

2)齐鲁一号卫星

齐鲁一号卫星是中科院重点部署项目“天基资源网络化服务体系构建与在轨验证”研发的首颗网络化智能微波遥感小卫星，由中科院空天信息创新研究院作为项目总体、中科院微小卫星创新研究院作为卫星总体，联合国家空间中心、中科大、信工所等优势单位研制，山东产业技术研究院为用户单位。

齐鲁一号卫星于2021年4月27日搭载长征六号运载火箭发射，卫星质量192 kg，轨道高度为500 km。SAR载荷为Ku频段，天线采用抛物面体制，极化形式为HH极化。卫星依靠整星姿态机动实现波束扫描，聚束模式分辨率为1 m×1 m。

从上述分析可以看出，我国的微小型SAR卫星发展具有多体制(相控阵和抛物面)、多频段并行发展的特点和优势，为后续微小型SAR卫星成体系建设和应用奠定了基础，在轻量化水平和业务化应用存在一定差距，卫星质量相对较大，目前尚未实现规模化应用。

3 微小型SAR卫星发展建议

综合国内外发展情况，微小型SAR卫星具有低成本、高重访、短研制周期、技术升级快等突出优势，具有很大的应用潜力。针对我国微小型SAR卫星，提出以下发展建议。

(1)以“试验星+业务化”为技术路线，持续推进微小型SAR卫星星座构建

目前，美、欧、日等国家已发展了数型微小型SAR卫星，特别是以ICEYE和Capella为代表，已进入规模化应用的新时代，并不断扩展其在轨星座数量。

在我国，一方面微小型SAR卫星处于起步阶段，尚未形成业务化运行能力和规模。建议借鉴ICEYE和Capella成功经验，采用试验星和业务化迭代发展的技术路线，充分利用各类科技基金和商业投资，搭载发射和在轨试验，推进微小型SAR卫星技术尽快成熟，进而推动业务化、规模化星座构建；另一方面，与国外微小SAR卫星均为X频段相比，我国C、Ku等频段微小SAR卫星已成功在轨运行，多频段微小SAR卫星正在进行工程研制，使我国在该领域具备多频段并行发展的国际领先优势，并为继续向轻量化、小型化发展奠定了良好的技术基础。

(2)以“轻量化+一体化”为设计思路，持续开展微小型SAR卫星关键技术攻关

微小型SAR卫星集成度和轻量化要求高，必须从整星系统级开展优化设计，重点突破高收纳比轻小型SAR天线设计、高功率密度能源系统设计、高集成度平台载荷一体化设计及高分辨率图像质量提升4个方面关键技术。

SAR天线质量占比高，一般占卫星总质量的30%～40%以上，尺寸大，决定了卫星的构型和发射包络，针对抛物面体制SAR天线，开展环形桁架式天线技术研究，实现大口径、轻质化和大收纳比；针对相控阵体制SAR天线，推进收发通道、功分器、延时放大组件、波控和DC/DC电源的多功能集成和组装设计，采用新型复合材料，降低波导阵面的结构厚度和质量。

根据微小型SAR卫星瞬时功率大、单轨工作时间短、轻量化要求高等特点，推进能量型高倍率电池和柔性太阳翼的工程应用，同时开展母线拓扑和二次电源优化设计，实现小平台、大负载。

开展载荷平台的深度融合和机电热一体化设计，对平台载荷结构刚度、压紧、力学加强、减重进行一体化设计；从整星热平衡角度出发统一建立热传导模型，并结合整星在轨使用策略、最优姿态设计等多个方面实现热优化设计；打破传统卫星分系统概念，实现星上电子设备的高度集成，降低星上单机结构电缆质量，并有利于整星批量总装测试。

目前，与大中型SAR卫星相比，微小SAR卫星在NESZ、模糊度等方面存在一定差距，需在天线射频、数字采集、成像处理等全链路设计开展技术攻关，实现图像质量提升，为后续图像的广泛应用奠定基础。

(3)以“网络化+智能化”为应用方向，持续提升微小型SAR卫星体系化运用水平

大规模组网应用是微小型SAR卫星星座的生命线，高频次、强即时性是微小型SAR卫星优势发挥的关键。因此必须打破传统SAR卫星“采集在天、成像在地”和遥感卫星单独运行的应用方式，推进SAR遥感与互联网和人工智能的深度融合，实现在轨成像、在轨产品生产和基于互联网的产品快速分发，提高星座总体的运用水平和综合效益。2020年11月，Capella公司宣布，基于其在轨运行的业务星Capella(Sequoia)安装的数据中继系统，实现了与Inmarsat卫星的高低轨互联，可在全球范围内实现快速任务上注和图像分发，大幅提高了其响应速度。2022年8月，Capella公司公布其下一代卫星将配置高速星间链路，进一步降低图像传输延迟。

4 结束语

微小型SAR卫星已经成为国内外竞相发展的新热点，本文对国外微小型的SAR卫星最新发展现状和技术水平进行了分析总结，介绍了国内发展现状和特点，并提出发展建议。未来，微小型SAR卫星将向着批量生产、规模部署和组网应用方向的发展，通过在与大中型SAR卫星、光学遥感卫星协同发展以及与互联网卫星融合发展，开启空间遥感应用的新格局。