总结部分SAR卫星及其参数以及SAR卫星发展的趋势

(64) 2024-03-31 14:01:02

总结国内外失效、在轨和未来发射的SAR卫星及其参数

国内的SAR卫星及其参数

1、高分三号卫星

高分三号卫星(GF-3)于2016年8月10日成功发射,是我国首颗分辨率达到1米的C频段多极化合成孔径雷达(SAR)卫星,自然资源部为其主用户。

GF-3星的分辨率可以达到1米,是世界上分辨率最高的C频段、多极化卫星。同时卫星获取的微波图像性能高,不仅可以得到目标的几何信息,还可以支持用户的高定量化反演应用;卫星具备12种成像模式,涵盖传统的条带成像模式和扫描成像模式,以及面向海洋应用的波成像模式和全球观测成像模式;功率达万瓦级,可以获取高性能的微波图像,同时是我国首颗连续成像时间达到近小时量级的合成孔径雷达卫星;卫星成像幅宽大,与高空间分辨率优势相结合,既能实现大范围普查,也能详查特定区域,可满足不同用户对不同目标成像的需求。

GF-3星在系统设计上进行了全面优化,具有高分辨率、大成像幅宽、多成像模式、长寿命运行等特点,主要技术指标达到或超过国际同类卫星水平,显著提升了我国对地遥感观测能力,是高分专项工程实现时空协调、全天候、全天时对地观测目标的重要基础。
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2、天绘二号卫星

天绘二号卫星系统是我国首个基于干涉合成孔径雷达技术的微波测绘卫星系统,也是继德国TanDEM-X系统后的第2个微波干涉测绘卫星系统。

微波干涉测绘卫星是利用干涉原理可以生产数字表面模型(DSM)和雷达正射影像测绘产品,与单SAR卫星相比具有更精准的测图能力,与光学测绘卫星相比具有全天候、全天时数据获取以及数据处理速度快等优点。此外对于常年多云雨地区,利用微波测绘卫星影像数据,实施无地面控制条件下测绘产品生产。

3、陆地探测一号

LT-1卫星系统是由A、B两颗先进的全极化L波段SAR卫星组成,A和B卫星可独立工作、也可双星协同成像。SAR分系统工作在L波段,具备多模式全极化、多通道宽幅、极化干涉等先进成像模式。中科院空天院载荷研制团队经过11年研发,提出了多项新体制新方法,并突破了多项核心关键技术。系统在轨运行后,将填补我国在星载差分干涉、多模式极化、单航过极化干涉SAR、双基宽幅等微波遥感领域上的多项空白,提升我国对地多维信息感知与综合环境监测能力。

4、海丝一号卫星

海丝一号卫星是国内首颗对标国际先进指标的、基于有源相控阵天线的百公斤级(整星<185kg)、1米分辨率、C波段商业SAR遥感卫星,可以穿透云层,不受时间和恶劣条件限制,获取全天时、全天候的二维高分辨雷达数据 ,将为海洋动力环境参数的遥感反演、海洋灾害监测、洪水监测和地表形变分析等提供支持。

“海丝一号”卫星搭载合成孔径雷达,这是一种主动式的对地观测系统,可安装在飞机、卫星、宇宙飞船等飞行平台上,全天时、全天候对地实施观测,并具有一定的地表穿透能力。

5、巢湖一号卫星

巢湖一号卫星由长沙天仪空间科技研究院有限公司研制,是中国“天仙星座”项目的首发星,于2022年2月27日在文昌航天发射场成功发射。

依托天仪全球自动地面站网络及SAR遥感卫星全天时全天候获取稳定预期遥感影像的特性,巢湖一号卫星将具备6小时应急成像能力,为用户提供更加精准、高效、可靠的SAR卫星遥感数据服务。

巢湖一号卫星是中国“天仙星座”项目的首发星,其应用需求由天地信息网络研究院(安徽)有限公司提出,天仪研究院为卫星总体,中国电子科技集团公司第三十八研究所(简称“中国电科38所”)为载荷总体,联合负责卫星的研制。这也是天仪研究院与中国电科38所继联合研制我国首颗商业SAR卫星海丝一号后的第二次合作。

相比我国首颗商业SAR卫星海丝一号,巢湖一号卫星进一步优化了卫星平台和雷达载荷设计,使得卫星在成像幅宽、分辨率、最大成像时长、数据传输、轨控等核心能力上均有了显著的提升,并增加了区域多点目标的连续成像能力、精密定轨能力及在轨AI处理功能。

6、泰景四号01卫星

泰景四号01卫星是中国首颗X波段商业SAR(合成孔径雷达)由北京微纳星空科技有限公司研制的X波段商业SAR卫星,总重量接近350千克,可用于全天时、全天候地获取高分辨率地表雷达图像,具备向用户提供多样化、高质量、极致性价比的SAR图像产品能力。

国外的SAR卫星及其参数

1、美国Seasat系统

1978年6月,美国国家航空航天局发射了海洋卫星(SeaSat),在卫星上首次装在了合成孔径雷达,对地球表面1亿km2的面积进行了测绘,该卫星在空间飞行100天,采用的是重复轨道干涉模式,首次从空间获得地球表面雷达干涉测量数据。

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2、欧洲空间局ERS系统

ERS-1和ERS-2雷达卫星为欧洲空间局分别于1991年和1995年发射,携带有多种有效载荷,包括侧视合成孔径雷达和风向散射计等装置。

ERS-1和ERS-2雷达卫星构成对同一地面访问时间相差一天的星对,使得两次取得的SAR数据之间的相干性得到了一定保障,采用太阳同步晨昏轨道,该系统采用的是重复轨道干涉模式,卫星编队形式为跟飞

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3、日本JERS-1系统

JERS-1雷达系统是日本于1992年发射升空的,采用太阳同步晨昏轨道,该卫星采用了重复轨道干涉模式,但其轨道控制方式不太理想,在交轨方向的基线分量不如日本之后发射的ALOS卫星。表3中的基线长度是对JERS-1持续观测四年(1993年—1994年)期间的基线变化范围。

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4、加拿大Radarsat雷达卫星

雷达卫星Radarsat除了有一个地面卫星数据接收站外,卫星上还载有磁带记录器,可覆盖全球。该卫星除陆地及海洋应用外,其还肩负两个方面的重要任务:一是对南极大陆提供第一个完全的高分辨率卫星覆盖,二是对全球产生多次卫星覆盖。

Radarsat雷达卫星由加拿大于1995年11月4日发射,具有7种模式、25种波束及不同入射角,因而具有多种分辨率、不同幅宽和多种信息特征,使用于全球环境、土地利用和自然资源监测等。

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5、美国SRTM任务

2002年2月美国“奋进”号航天飞机发射升空,执行耗资亿美元,称为“航天飞机雷达测绘使命(SRTM)”的空间飞行任务。它采用的方式为单航过双天线干涉测量,即在航天飞机上构建双天线实施InSAR地形测绘。该任务历经11天顺利完成任务,共计进行了222小时23分钟的数据采集工作,获取的雷达影像数据达万亿字节,数据覆盖范围在北纬60°至南纬56°之间,覆盖面积超过亿km2数据产品为间距30m和90m的数字高程模型数据,相对测高精度为6m。(天线直径,交轨基线长度60m,顺轨基线长度7m,采用频段C/X,绝对测高精度:水平20m,垂直16m,相对测高精度:水平15m,垂直4m)。

6、欧洲ENVISAT雷达系统

ENVISAT雷达卫星属极轨对地观测卫星系列之一,于2002年3月升空。星上载有10种探测设备,其中4中是ERS-1/2所载设备的改进型。作为ERS-1/2雷达卫星的延续,ENVISAT雷达卫星数据主要用于检测环境,即对地球表面和大气层进行连续的观测,供制图、资源勘查、气象及灾害判断之用。

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7、日本ALOS观测卫星

2006年1月日本发射了先进陆地观测卫星(ALOS),它携带有L波段相控阵合成孔径雷达(PALSAR),该卫星主要用于对全球陆地资源和环境实施全天候监测,在高分辨率模式下距离向分辨率优于2m,**轨道定位精度10m。**PALSAR有较高的距离向分辨率和较高的信噪比,并且在交轨方向对轨道有较好的控制。

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8、加拿大Radarsat-2雷达系统

Radarsat-2是加拿大第二代地球观测卫星,于2006年12月发射升空,它几乎保留了Radarsat-1的所有优点,雷达采用C波段,HH极化,数据分辨率3—100m,幅宽10—500km,设计使用寿命为7年,采用多极化工作模式,**轨道定位精度15m。**能够大大增加可识别地物或目标的类别,能够左视和右视,并且可以实现相互转换,主要用于测绘以及环境和自然资源的检测等方面。

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9、德国TanDEM-X任务

德国TanDEM-X任务是利用两颗TerraSAR-X卫星进行编队飞行的一个高精度的雷达干涉测量系统,第一颗TerraSAR-X卫星于2007年发射升空,计划使用寿命为5年,第二颗TerraSAR-X卫星于2009年发射升空,计划使用寿命为5年,两颗卫星有三年的工作交叠期,德国预计在这三年中生成全球的高精度DEM数字高程模型,高程定位精度优于2m,DEM网格间距为12m。

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星载干涉系统在不同基线的情况下高程模糊度的具体数值

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不同波段下系统干涉的性能比较

L、X、C波段所生成的SAR图像有其各自的特点,高程信息的精度主要取决于雷达波长和相干系数。对于同一区域的SAR图像干涉处理,L波段的图像相干性高于X、C波段的图像,但是就高程信息的敏感度,X、C波段优于L波段。

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SAR卫星发展的趋势是什么?

高分辨率宽幅

传统星载SAR系统参数间存在复杂的相互制约关系,其成像几何指标方位分辨率与成像幅宽无法同时高。为突破传统星载SAR的系统性能约束,获取高分辨率宽幅成像能力,各国科学家充分挖掘了星载SAR系统在空间域、时间域、频率域和编码域的多自由度特征,陆续提出新的工作体制,大大拓展了系统成像能力。主要包括:方位多波束、变脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency,PRF)、俯仰向数字波束形成(DigitalBeamForming, DBF)、多发多收(Multiple-Input,Multiple-Output,MIMO)等。

双基/多基地

和单基SAR相比,多基SAR具备多项独特优势:

  • 收发分置,视角可变。可获取目标多角度散射特性信息,实现多角度融合
  • 基线配置机动灵活。根据不同观测区域的测量精度要求,灵活调整发射端和接收端的基线距离,获取地面高程和地面运动目标信息
  • 静默接收,隐蔽性强。接收机无需发射电磁波,在现代战争中不易被对方的侦查装置侦查到
  • 系统构型多样,收发系统可搭载于卫星、飞机、地面装置等。未来可实现“一星发射多星接收“的分布式多基SAR系统,可同时实现高分辨率与超宽幅成像

多基SAR作为一种高度灵活的遥感技术,将会在军事侦察、环境监测、动态地球测量和海洋监视等领域发挥重要作用。拥有3个或多个只接收卫星的多基SAR系统将进一步拓展天基雷达遥感的观测维度。例如,垂直航迹多基线干涉可用于获取亚米级精度的DEM。

多维度

得益于SAR成像利用的电磁波信息具有的频率、幅度、相位、极化等特性,可从 SAR图像中提取出观测目标的多维度信息。如利用极化SAR技术可用于获取地物的取向、形状、粗糙度、介电常数等物理特性;干涉SAR技术可用于获取场景的高精度数字高程模型(DEM)、洋流测速、冰川位移、地表形变监测等;SAR极化干涉技术在森林高度和生物量反演、地物覆盖分类、农作物参数反演和城市建筑识别与高度估计等应用领域有广泛的应用;SAR层析技术可实现城市的三维重建和森林的垂直结构反演。

小型化

随着SAR系统技术和应用需求的发展,SAR卫星在从高成本、长周期的研制基础上,走向低成本、易部署的微小型SAR卫星,以弥补大型SAR 卫星系统的不足。小型SAR卫星重量一般在1000kg以下,微小型卫星重量在500 kg 以下。国外在轨成功运行的小型SAR卫星系统主要有:德国的SAR-Lupe卫星系统、以色列的TecSAR卫星、印度的RISAT-2卫星和日本的MicroSAR。

THE END

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