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国外微波测绘卫星最新发展分析

中国航天 2023-10-15

齐晶1  吴之尧2  徐冰3

1.航天东方红卫星有限公司;2.中国航天科技国际交流中心;3.北京空间科技信息研究所

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。

一、国外微波测绘卫星发展现状

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。

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。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。

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。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。

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。

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。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。

二、国外未来微波测绘卫星发展计划

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。


(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

“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。

(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

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。

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。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。

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。


(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

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。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。


(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

“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。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。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。

表1 国外未来微波测绘卫星发展计划

三、发展趋势和特点分析


(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

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。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。

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。


(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

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。

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。

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。

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。

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。编队飞行分布式InSAR系统具有多种优势: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;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;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;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。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。


(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

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。

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。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


期刊简


《中国航天》(CN11-2801/V,ISSN1002-7742)创刊于1987年,月刊,由中国航天科技集团有限公司主管、中国航天系统科学与工程研究院(中国航天十二院)主办,是航天领域具有较大影响力的权威综合性科技期刊。期刊曾获全国优秀期刊二等奖、三等奖各一次,航天科技期刊一等奖4次,中国期刊方阵“双百”期刊等奖项。

约稿范围


包括但不限于以下方向:空间技术与系统(包括航天运输系统、空间基础设施、载人航天、月球及行星探测、发射场与测控系统、空间环境治理等);空间应用(包括卫星遥感、卫星通信、卫星导航等卫星应用业务及空间应用产业等);空间科学(包括空间天文、月球与行星科学、空间环境下的科学实验等);世界主要航天国家发展分析包括国外航天技术动态、主要航天国家发展战略及规划研究等);航天国际交流合作研究(包括外空全球治理,空间科学、空间技术、空间应用等领域国际合作等)


联系方式


电话:010-89061771/89061765

邮箱:zght68372338@163.com

地址:北京市西城区月坛北小街2号院1号楼

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