|
+ F7 h% n( H- T! i, {# l 测绘卫星是获取地理信息和提供地理信息服务的重要手段，是保障测绘地理信息发展与应用的重要支撑，在人类生活的各个领域都发挥着至关重要的作用。而微波测绘卫星具有全天候、全天时的工作能力，利用合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术可实现全球地形高程数据的快速、高效获取，有效弥补光学测绘卫星的不足，已成为国外发展卫星测绘能力的重要技术手段。
9 m: _( ]& q, C R5 m7 ]' m 一、国外微波测绘卫星发展现状 ! H) s6 k$ J4 W# z& W* K" h
总体来看，随着微波技术的进步，国外微波测绘卫星主要发展了重复航过InSAR、单航过双天线InSAR、编队飞行分布式InSAR 3种不同体制。 p) @; c7 G& }2 \5 _% w' h. R
21世纪初，美国发射了全球首个天基地形测绘任务——“航天飞机雷达地形测绘任务”（SRTM），该任务采用单航过双天线InSAR体制，展示了InSAR技术在地形测绘方面的卓越性能，开启了业务化测绘的开端。 % R$ b1 }. {3 j" P0 b3 Z
2000年2月11日，航天飞机入轨后，航天员首先展开了长达60m的天线，利用C频段和X频段雷达在9天多的时间内完成北纬60°到南纬56°间全部陆地区域的地形测绘任务，高纬度地区甚至被覆盖4次，陆地周边的海域也被多次覆盖，其获取的数字高程模型（DEM）数据的绝对高程精度为16m，相对高程精度为10m，绝对定位精度为20m，相对定位精度为15m，达到了高分辨率地形信息2级（HRTI-2）标准。
9 Q+ S# t' D, y; ` 德国宇航中心（DLR）于2007年和2010年先后发射了“陆地合成孔径雷达-X”（TerraSAR-X）卫星和“陆地合成孔径雷达-数字高程模型-X”（TanDEM-X）卫星，这两颗卫星是全球首个星载编队飞行分布式InSAR系统，开创了真正意义上的星载双站InSAR时代。两颗卫星在轨通过标准双站、交替式双站和追赶式单站3种模式获取InSAR数据，其中最常用的是标准双站模式，时间去相干性较好。
2 z% M# {8 r/ u& V TerraSAR-X和TanDEM-X执行了为期3年多的全球陆地高精度DEM测量任务，获取的数据空间分辨率为12m、绝对高程精度优于10m、相对高程精度优于2m、绝对水平定位精度10m、相对水平定位精度3m，达到HRTI-3标准。与SRTM任务相比，TerraSAR-X双星的地形测绘范围扩展至全球覆盖，分辨率和高程精度分别提高到12m和2m，其数据精度较此前已有的全球尺度DEM数据提升了30余倍，成为新一代全球DEM基础数据。 ; ^% C0 d7 k& U- T! z( G. Z+ w4 T
国外多颗SAR卫星/星座特别是商业SAR星座陆续发射，以重复航过InSAR模式实现了一定的测绘能力。原则上，国外发展的众多SAR成像卫星在执行成像观测主任务的同时，也可以通过重复航过InSAR模式实现部分地区的高程测量，以“欧洲遥感卫星”（ERS）和“地中海盆地观测”（Cosmo-Skymed）小卫星星座、“雷达卫星星座任务”（RCM）为代表。RCM星座由3颗卫星构成，可实现对给定目标的4天精确重访，利用干涉测量技术发现多幅图像间的厘米级变化，实现相干变化检测，可用于监测地面沉降、土地利用变化等微小运动。 9 B% k4 N4 J2 W
近年来，国外商业微小雷达成像卫星星座发展迅速，已经有多家初创公司正在构建多种商业微纳SAR星座，以芬兰冰眼公司（ICEYE）的ICEYE-X星座和美国卡佩拉公司（Capella）的Capella星座为典型代表，目前已受到全球政府和商业用户的高度重视。美国正在构建的Capella星座计划在12个轨道面上部署36颗卫星，InSAR重访时间是4h，通过星座部署极大提高了时间相干性，其高重访率可以获取时间间隔极短的干涉像对，从而实现极优的重复轨道干涉测量能力。 & T8 j o" J# F% s( Q3 H: G' d( D3 `
2020年，ICEYE公司发布了InSAR数据产品，为用户提供由土壤沉降、地下勘探、地震甚至微震引起的细微变化等信息，随着星座规模的继续扩大，未来将实现地球任意地点24h地面重复轨道的日常干涉测量和相干变化检测能力。 , |0 f5 s) ^4 K* G
二、国外未来微波测绘卫星发展计划
, D* e5 g& e8 x0 y: L 近年来，编队飞行分布式InSAR体制凭借其具有的独特优势受到了高度重视和关注，目前已有多个国家提出未来的专用微波测绘卫星发展计划。 + o2 Y4 l1 r ? E1 j' e3 y% ]
（一）德国加快部署兼具高分辨率成像、高精度测绘和动目标检测等多种能力的“萨拉”星座 ) e% c& m. D# a# Y( N
“萨拉”（SARah）是德国发展的接替“合成孔径雷达-放大镜”（SAR-Lupe）5星星座的换代系统，由3颗卫星组成，其中：SARah-1由空客防务与航天公司研制，充分借鉴TerraSAR-X和TanDEM-X的研制经验，采用相控阵天线；SARah-2/3由OHB系统公司研制，采用SAR-Lupe卫星验证过的抛物面反射器天线。 3 w' `* X+ g. N% ^5 q' I2 }
3颗卫星设计寿命均为10年，SARah-1卫星质量约为2200kg，SARah-2/3卫星质量为1800kg，分辨率从SAR-Lupe卫星的1m提高到SARah-2/3的优于0.5m。SARah系统采用一发多收的方式，配合高精度的编队飞行控制技术，调整穿轨和顺轨基线长度，具备获取高精度DEM和检测地面动目标的能力。 8 M1 s9 H' G4 c# b' d
（二）德国发展能提供急需的地表地形信息的TanDEM-L双基地SAR星座 ; P; I- @0 k5 h5 o3 X
在成功发射TanDEM-X卫星后，德国DLR在2012年提出发展TanDEM-L双星计划。TanDEM-L双星计划于2024年发射，将采用与TanDEM-X双星类似体制，2颗L频段SAR卫星编队飞行，以获取地球相关的动态数据，用于研究全球气候变化。 U7 Y w6 z9 b
TanDEM-L双星将在高度760km、倾角98.4°的太阳同步轨道上运行，轨道重复周期16天，两颗卫星距离500m至20km之间，形成水平基线1~18km，垂直基线1~600m。卫星质量3000kg，设计寿命10年，波长23.6cm，带宽84MHz，带有直径15m的大型可展开反射天线，采用数字波束形成技术，可在高分辨率条带观测模式下实现较大的观测幅宽，即在单/双极化模式下实现7m方位向分辨率、350km观测幅宽，或在全极化模式下实现7m方位向分辨率、175km观测幅宽。 5 `" ^- L* w8 Z; s. \
TanDEM-L双星每轨观测时间30min以上，可实现每周对全球范围覆盖2次，研究地球动态过程，包括生物圈、岩石圈、低温层、水圈等，并通过干涉测量获取全球数字地形模型（DTM）数据并实现年度更新，达到裸土区域空间分辨率为12m、相对高程精度为2m，植被区域空间分辨率为25m、相对高程精度为4m目标。 X+ b7 p/ w; p
与TanDEM-X双星主要获取DEM数据（即植被茂盛地区的上表面和城市地区的上表面建筑物）不同，TanDEM-L双星主要获取DTM数据，利用穿透能力很强的L频段极化SAR载荷测量地表地形，将作为TanDEM-X双星的补充，提供急需的地表地形信息。同时，TanDEM-L双星的数据获取能力与TanDEM-X双星相比将大幅提升，每天获取数据量将超过8TB，计划采用Ka频段以2.6Gbit/s数据传输速率实现高速数据下传。 : r5 Z# g) v# C' I
（三）欧洲发展“和谐”多基地SAR星座，以伴飞形式提升在轨卫星的应用效能 : [: b1 l6 Z* {; ~
2021年2月，欧空局（ESA）确定将“和谐”（Harmony）任务作为未来“地球探测者”任务之一，目前正在论证该任务的技术可行性和科学成熟度。Harmony任务计划在2024年发射，采用“一主两辅”构型，具体包含两颗质量约500kg、携带仅用于接收信号的雷达载荷的相同小卫星Harmony-A和Harmony-B，与发射雷达信号的C频段“哨兵”1（Sentinel-1）主卫星形成编队在轨工作。 ! m$ a* Q8 S2 A) K& v( a6 n: N
Harmony任务有两种编队构型，一种是立体构型，即两颗辅星位于Sentinel-1卫星前后350km处；另一种是两颗辅星均位于Sentinel-1卫星一侧350km处，两星之间相距200~500m，实现单航过穿轨干涉测量获取地表微小形变。通过这两种编队构型，Harmony任务致力于从多角度高精度观测和量化海气界面（海风和海浪）、固体地球（火山构造和高度变化）及冰冻圈（冰川流动和高度变化）中的小尺度运动和变形等。 ; x8 N) d' w: V' C* Q
（四）德国发展“高分辨率宽测绘带”卫星多基地SAR星座，实现多基线高精度干涉测量和高分辨率宽幅成像
( l0 p$ i) w, W7 {' C2 P “高分辨率宽测绘带”（HRWS）星座是DLR提出的一项多基地SAR任务，由1颗主星和3颗辅星组成，计划于2024年发射，用于实现干涉地形测绘、高分辨率宽幅成像等任务。主星采用大卫星，发射并接收回波信号；辅星采用小卫星平台，接收场景的回波信号并通过射频组件传回主星。主星与辅星之间有星间链路，主星还负责进行信号处理和数据下传。 ( A9 J1 N' |/ T. r1 _
HRWS卫星在X频段工作，频率为9.65GHz，带宽1200MHz，具有单极化、双极化和全极化能力，采用主动相控阵天线和数字波束形成技术，具有凝视聚束（分辨率0.25m/幅宽10km），滑动聚束（分辨率0.25m/幅宽15km、20km、30km），条带（分辨率1m/幅宽30km、分辨率2m/幅宽30km、分辨率3m/幅宽80km），扫描SAR（分辨率2m×8m/幅宽120km、分辨率2m×16m/幅宽540km）等多种成像模式。 : O& U, A z; ]+ ~- d5 ?+ v
通过4颗卫星不同的编队构型，可实现多基线高精度干涉测量和高分辨率宽幅成像，可获取符合HRE-40标准的DEM，相对高程精度优于2m，像素网格4m×4m，可短时间内实现数据采集和处理。HRWS星座可通过干涉测量实现高分辨率基础设施完整性监测、大面积海上监视（船舶探测），利用全极化实现目标识别，按需获取区域DEM，检测3D/4D变化，利用SAR层析成像技术实现3D重建、海冰地形测绘，利用沿航迹干涉测量实现地面动目标指示（GMTI）。国外未来微波测绘卫星发展计划列于表1中。
! p4 G+ R0 Q/ ?0 n3 U 表1 国外未来微波测绘卫星发展计划
; X+ m) w, i; h8 `4 I. _ 三、发展趋势和特点分析 # q9 ~) R8 z% N5 B/ s) ~
（一）测绘卫星仍是未来遥感领域发展的重点方向，微波测绘因其具有的独特优势成为重要手段之一 1 l3 \6 K' ^5 r
测绘卫星是高精度获取全球或局部地区地形信息（地物、地貌信息）的航天测绘系统，按照用途可将地形信息测绘卫星细分为光学测绘卫星（包括可见光测绘和激光测高）和微波测绘卫星。微波测绘采用InSAR技术，其是获取高精度DEM的重要手段之一。
; m* p; `; p) h% ?/ P 微波测绘相比于光学测绘、激光测距等技术，具备全天时全天候、极高有效点密度、高测绘精度（特别是更高的高程精度）和高测绘效率等优势，可高精度、高效率地完成大范围的连续观测，提供无缝的广域DEM数据，且L、C等频段具有很强的穿透能力，可穿透地表获取有用的测绘信息，而光学测绘只能获取地面目标的表层信息。
" V8 N) W/ T1 V. n5 @. F& y 国外一直高度重视测绘卫星发展，已发展了多种类型、多种体制的测绘卫星。在微波测绘方面，更是提出了多个后续卫星发展计划，将继续生成高精度地形测绘数据产品，支撑全球地理信息框架构建，为军事作战提供基准地形信息，并为经济建设提供高精度测绘信息服务。
9 {( j6 R4 _5 ^+ d; W b: c# b9 x （二）多种微波测绘体制各有优缺点，可相互补充，编队飞行分布式InSAR成为获取高精度地形测绘数据的主要方式
$ {! p g0 x7 {3 q9 Y( l, q 在3种测绘体制中，重复航过InSAR模式是利用单颗卫星重复过顶或同一轨道面上的多星组网重复观测，实现对同一区域的干涉测量，采用这种模式的卫星基本上以成像观测任务为主，兼具干涉测量能力。该体制存在因重访周期长导致的时间失相干极为严重，以及因基线无法实时测量导致的基线精度较低等问题，因此DEM精度和测绘效率都不高，可进行干涉测量的区域也有限，但可通过构建更大规模的SAR星座在一定程度上降低时间失相干影响，来提高应用效果。因此，这种体制获取的干涉数据主要用于高分辨率修测及监测地表形变，尤其针对大梯度形变及严重失相干环境下的形变测量，优势十分明显，特别适用于地震、滑坡、冰川等自然环境的形变监测。
/ f; k. r; r0 r 单航过双天线InSAR模式是在同一颗卫星上相隔一定距离安装两副SAR天线，在对同一区域单次观测中同时获取两幅SAR图像实现干涉测量。该体制采用固定基线，测绘效率高、更新速度快、数据一致性好，但因基线相对固定且小于最优基线长度，导致测绘精度低于编队飞行分布式InSAR系统。
6 {; B; ~3 E& e: n5 m 编队飞行分布式InSAR模式是通过多颗卫星编队飞行，利用星上多个天线形成干涉基线，单次航过即可完成对同一区域的干涉测量。该体制干涉基线长，且可以通过变换编队构型改变基线，测绘精度高，但不能随时满足干涉基线要求，干涉基线变化范围大，测绘精度一致性差，测绘效率低于单航过双天线InSAR模式。 . h! ?& ^( I- c- A6 t1 K
综上，单航过双天线InSAR模式和编队飞行分布式InSAR模式都是发展专用业务化微波测绘卫星常用的技术体制，主要用于生成高精度DEM。二者在测绘精度和测绘效率方面各有优势，且数据具有一定的互补性。
- |, h G- {1 u 以上3种体制在国外微波测绘领域都采用过，呈现出从单基地向双/多基地分布式过渡的趋势。单航过双天线InSAR模式在SRTM之后就因测绘精度较低而再未使用过，编队飞行分布式InSAR模式成为国外未来获取高精度地形测绘数据的主要方式。特别是欧洲，已经提出覆盖多个频段的分布式多基地SAR卫星发展计划。
. `6 K2 Y* e# y y! k% x9 Z, E 编队飞行分布式InSAR系统具有多种优势： ! y' ]5 Q1 | W, M" M" e
一是具有高分辨率成像能力，结合数字波束形成等技术，可同时实现高分辨率和超宽幅成像，这种广域覆盖特性在军事侦察及战场态势感知、地形测绘、国土测量、环境及灾害监测等领域都具有重要意义；
- s$ z2 u7 D- h5 E9 b' O! ]6 Q 二是具备高精度地理测绘能力，可采用“一主多辅”协同配合，通过穿轨干涉基线优化设计，可实现全球高精度DEM测量；
# o) p% H# q$ M, f9 V 三是将SAR与GMTI技术相结合，通过多条沿轨基线可实现对地面动目标的高精度探测，有效支持军事作战； ' y! o6 v8 D1 u1 P+ ?
四是大型卫星和小卫星采用主从式搭配使用，在保证性能不减的前提下，降低卫星成本，提高卫星应用效益。 " G; c$ ~* Y; K3 F( _
这种编队飞行分布式InSAR系统既能获取目标区域静止场景的高分辨率图像和地形制图，又能检测目标区域的运动目标，获取其运动信息，将高分辨率成像、高精度DEM和GMTI多项功能集于一身，高效地实现一星多能。 - t- B& K# y9 c' `
（三）不同频段针对不同应用需求，多频段协同应用可实现多要素的全方位观测
* l$ O; h4 p1 H* x; K( m6 ~ 卫星小型化、轻型无线技术、集成电路技术、固态电子器件技术等的发展，促使微波测绘卫星向高性能、小体积、轻质量、低成本等方向发展；在雷达载荷层面，向多频段、多极化、多模式等方向发展，用于获取更加丰富的陆地地形地物信息，以及海洋、冰冻圈、固体地球等小尺度变形等信息。
+ E# r# Z7 g( q0 N+ T: P9 y; Y 目前，国外提出的分布式多基地SAR系统覆盖X、L、C等频段，未来将向更高频段（如毫米波）拓展。从本质上来看，不同频段具有不同的植被穿透能力，可得到不同的数字高程产品。X频段波长短、频率高，不能穿透植被，因此像TerraSAR-X、SARah等卫星采用X频段的双/多基地SAR任务主要获取植被上层表面和城区顶层的高程数据。 - K! ?& ~8 o0 A6 g2 v0 W" _2 |0 g
而TanDEM-L双基地SAR等系统采用L频段，波长更长、频率低、穿透性强，可用于描述植被覆盖区域下层的地形特征，获得DTM。同时，ESA、德国DLR等已针对星载毫米波InSAR开展理论研究和概念设计。毫米波段（Ka频段）与厘米波段相比，波长更短，在同等高程精度要求下所需基线较短，例如，在同等基线长度下，测绘精度更高，可有效应用于地形测绘、植被高度测量等领域。（原文刊载于《中国航天》2023年第9期）
( X; g5 a; |1 N 本文来自微信公众号：中国航天（ID：zght-caecc），作者：齐晶（航天东方红卫星有限公司）、吴之尧（中国航天科技国际交流中心）、徐冰（北京空间科技信息研究所） ) T5 N# B" f1 U: `! F
( D2 v+ E ~/ Q4 q; ?" Y
+ A& @$ A$ ?/ @( k3 c: @; k5 k( X! Q- W) U2 i) C
' R) B7 Z j( ~: l% E& Q, @ | 
