高軌SAR衛星在綜合減災中的應用潛力和工作模式需求

張薇 楊思全 范一大 吳瑋 趙秉吉

(1 民政部國家減災中心,北京 100124)(2 民政部信息中心,北京 100721) (3 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

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高軌SAR衛星在綜合減災中的應用潛力和工作模式需求

張薇1楊思全1范一大2吳瑋1趙秉吉3

(1 民政部國家減災中心,北京 100124)(2 民政部信息中心,北京 100721) (3 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

地球同步軌道合成孔徑雷達(GEO SAR，高軌SAR)衛星集合了地球同步軌道和主動微波遙感觀測的優勢。文章分析了高軌SAR衛星在綜合減災中的應用潛力，包括在洪澇災害、地質災害、旱災、雪災等方面的應用。從減災應用的角度，分別比較了高軌SAR衛星與可見光衛星和現有中低軌SAR衛星的優勢。針對綜合減災應用，提出了4種高軌SAR衛星工作模式需求，包括災害常規模式、單災應急模式、多災應急模式和區域災害模式。文章的分析表明，高軌SAR衛星尤其適合于自然災害的大尺度、全天時、全天候的動態監測。

地球同步軌道合成孔徑雷達；綜合減災；應用潛力；工作模式

1 引言

綜合減災是對各種自然災害及其全過程進行整體的、綜合的減災措施，包括多災種、多要素、全過程、多尺度的減災措施。多災種減災即洪澇災害、地質災害、干旱災害、雪災等災種的監測，各災種間還存在一定的自然內在聯系，涉及到災害鏈，例如臺風-暴雨-洪澇-地質災害鏈。多要素減災即指孕災環境、致災因子、承災體等構成災害要素的監測。全過程減災即指災害發展過程的災前預警、災中監測、災后恢復重建的全過程監測。多尺度減災包括全球尺度、國家尺度、區域尺度、更小單元尺度等完整的監測體系。因此，可以從多個角度對綜合減災加以論述。

空間技術對地探測譜段，廣義上包括光學和微波，光學又包含可見光和紅外等。合成孔徑雷達(SAR)是一種高分辨率成像雷達，作為一種主動式的微波傳感器，利用與目標的相對運動合成較大的等效天線孔徑，以達到空間上的高分辨率。相對于光學遙感，SAR具有不受光照和氣候條件等限制，實現全天時、全天候對地觀測的特點，甚至可以透過地表或植被獲取其掩蓋的信息。目前，我國大部分陸地觀測光學和微波衛星運行在400～800 km范圍內的中低軌道區間，回歸周期在數十天數量級上，難以滿足災害應急時效性需求。災害風險調查、預警預測和應急管理等業務工作，需要地球同步軌道衛星具備高時空分辨率、機動靈活、大幅寬、應急成像等特點。

地球同步軌道合成孔徑雷達(GEO SAR，高軌SAR)是一種新體制星載SAR。高軌SAR衛星工作于高度為35 786 km的地球同步軌道，衛星在每天同一時間的星下點軌跡相同，覆蓋范圍大，成像幅寬2000 km以上，有利于獲得宏觀同步信息。高軌SAR衛星可實現對地連續觀測，對某一固定地區通過波束控制可獲得小時級的觀測資料，具有很高的時間分辨率。高軌SAR衛星能夠將地球同步軌道的軌位優勢與SAR衛星穿透能力強、不受氣象條件和黑夜影響的優勢結合起來，實現對地球全天候、大范圍、高時間分辨率、中等空間分辨率的觀測。

目前，全球還沒有在軌運行的高軌SAR衛星，但高軌SAR衛星已經成為星載SAR的研究熱點。從1978年K.Tomiyasu與美國NASA合作對高軌SAR衛星進行了初始的參數分析[1-2]到現在，美國、俄羅斯、英國、意大利、中國等在天線體制、系統參數、系統方案、衛星組網、后端信號處理，甚至衛星能源供給等方面開展了全面而深入的分析和設計[3-7]。經過30多年的發展，高軌SAR衛星的系統方案已相對成熟，SAR信號處理方案基本進展到仿真驗證階段，但尚未見針對高軌SAR衛星數據特點進行應用分析的相關文獻報道。應用需求是衛星研制的動力和牽引，本文從綜合減災角度，論述高軌SAR衛星的應用潛力，并針對減災應用提出了高軌SAR衛星的工作模式需求，為高軌SAR衛星后續應用提供參考。

2 高軌SAR衛星在綜合減災中的應用潛力分析

近年來，我國極端天氣事件發生頻繁，重大自然災害日益增多，災害影響范圍分布廣泛，災害損失持續加重，并呈現出多災并發、群發和集中爆發的特征。為更好地應對重大自然災害，迫切須要加強對地觀測手段應用，提高對災害的監測預警和應急響應能力，增強災害救助決策和災情評估的科學性、及時性，最大限度地減少災害造成的損失。結合高軌SAR衛星的特點，本文主要從洪澇、地質、旱災、雪災等災害角度分析高軌SAR衛星的應用潛力[8]。

2.1 洪澇災害監測評估

洪澇是我國主要自然災害之一，也是每年造成經濟損失最大的自然災害，其主要特點是發生頻率高、影響范圍廣。洪澇發生時，洪澇范圍和水淹深度信息的高效準確提取是危險性評價、人員安全轉移等救災決策的重要依據。一方面，高軌SAR衛星搭載的主動式微波傳感器，可以穿透云雨全天時、全天候地獲取洪泛區的遙感數據；另一方面，SAR影像提取水體技術的可用性和優勢已經被廣泛接受，利用高軌SAR衛星進行洪水范圍的提取在技術上完全可行[9]。因此，在洪澇范圍提取的基礎上，結合災區的數字高程模型(DEM)數據和其他基礎地理信息數據，可以快速提取大區域洪水淹沒的深度。流域性洪澇的一個特點是要求影像覆蓋范圍廣，很可能會大于數百萬平方千米，低軌道SAR衛星難以覆蓋，而高軌SAR衛星的觀測幅寬可達數千千米，能很好地解決這個問題。此外，由于洪澇災害動態變化性很強，對洪澇范圍高頻次的動態監測相當重要。通過對高軌SAR衛星軌道等系統參數的設計，可實現對同一區域1小時級的重復觀測，很好地實現洪水范圍高效精準提取及長時序洪水演進動態監測。洪澇災害監測簡化技術路線如圖1所示，序列高軌SAR影像分別獲取洪水淹沒范圍，疊加空間信息獲取洪水淹沒深度，進而獲取高時效的洪水動態演進情況。

2.2 地質災害監測

近年來，滑坡、泥石流、地面沉降等地質災害頻發，對生命和財產安全造成巨大威脅。星載SAR干涉測量技術已被證明在地質災害監測領域具有很大的潛力[10]，但目前已發射升空的SAR衛星均處于太陽同步軌道，在輻射范圍和重訪周期等方面都受到了極大的限制，難以滿足災害應急、搶險和救災的需求。高軌SAR衛星工作于地球同步軌道，對地球的覆蓋性好，可以很好地解決上述瓶頸問題。在高軌SAR衛星應用于地質災害監測時，要突破一項關鍵技術，即在時空基線、電離層誤差和軌道誤差的影響下實現重軌干涉，衛星設計方案中要考慮軌道定位誤差、軌道測量誤差和電離層對干涉相位及精度的影響。

2.3 旱情監測

干旱是我國最常見、對農業生產影響最大的氣候災害，干旱受災面積占農作物總受災面積的50%以上，在嚴重干旱年份比例高達75%。旱災的主要特點是發生頻次高，受災范圍廣，持續時間長，對農業產量影響大。土壤含水量是旱情監測的關鍵指標，對旱災防御意義重大。土壤含水量的高低可以顯著影響土壤的介電常數，而微波對土壤介電常數的變化非常敏感[11]，與可見光相比，SAR工作的微波信號波長相對較長，能夠穿透植被，并對土壤具有一定的穿透能力，因此可獲取更豐富、更準確的信息。與中低軌SAR衛星相比，高軌SAR衛星可對受災區域大范圍、高頻次地進行土壤水分反演。

2.4 雪災監測

高軌SAR衛星具有一定的穿透性，可用于可見光和紅外遙感無法實現的積雪深度和密度反演。高軌SAR衛星比中低軌SAR衛星具有高重訪性的優勢，能對同一地區積雪面積變化信息進行高頻次、大范圍的提取，實現對積雪面積變化的動態監測。此外，通過建立適當的模型，高軌SAR衛星數據可反演積雪雪水當量，為融雪性洪水預報提供信息輸入[12-13]。

3 高軌SAR衛星工作模式

基于綜合減災的應用需求以及高軌SAR衛星的特點，高軌SAR衛星在綜合減災中的主要工作模式包括災害常規模式、單災應急模式、多災應急模式和區域災害模式，如圖2所示。

3.1 災害常規模式

災害常規模式針對常規SAR條帶成像模式，高軌SAR條帶模式成像期間，衛星姿態保持不變，波束指向也保持不變。在沒有災害的情況下，要對我國及周邊地區進行連續周期性觀測，此時采用災害常規模式。通過不斷積累這些區域的影像，反演災害背景特征參數，進行大范圍災害脆弱性和風險調查，在時空分析和災害異常信息提取的基礎上，為災害風險評估和預警提供支持。

3.2 單災應急模式

單災應急模式針對常規SAR條帶成像模式。災害應急響應的最大特點是時效性要求很高，例如河湖堤壩潰決后洪水淹沒面積變化、堰塞湖水體面積變化等，需要分鐘級時間分辨率的衛星遙感數據。在單災應急模式下，衛星通過軌道控制、姿態調整、波束控制等實現對災害發生區域連續、高頻次的觀測。因此，高軌SAR衛星單災應急模式特別適合變化很快的自然災害應急動態監測。以2010年6月21日江西撫河唱凱堤發生的潰壩為例，決堤長度達到300多米，洪水傾瀉而下，1 h內就淹沒了近百平方千米范圍。這種情況下，對于高軌SAR衛星，按5 s變化一個像素計算，迫切須要實現小時級甚至分鐘級間隔對災害進行高頻次連續監測。

3.3 多災應急模式

多災應急模式針對常規SAR條帶成像模式。該模式利用衛星姿態機動能力對多個地區進行交替成像，從而獲取多個地區的數據。經過測算，衛星針對多災地區交替成像觀測情況，衛星姿態和載荷波束指向調整時間為1 h。多災應急模式可以同時對多個災區的并發災害進行觀測，對多場并發災害的洪澇淹沒范圍、滑坡泥石流范圍、堰塞湖水體面積、干旱范圍、積雪范圍、海冰面積進行持續監測評估及災情發展趨勢分析。

3.4 區域災害模式

區域災害模式針對常規SAR掃描成像模式，高軌SAR掃描模式成像期間，衛星姿態保持不變，波束指向沿距離向快速切換，可以達到較大的成像幅寬。該模式下，用戶可自定義一個成像區域，衛星通過控制橫滾角，使波束中心瞄準該區域中心位置，進而利用波束的快速切換對大范圍區域成像。通過載荷掃描模式獲得覆蓋特定成像區域的圖像，滿足用戶要求。通常情況下，衛星可在分鐘級內完成上千千米幅寬范圍的成像。區域災害模式適合于需要對較大范圍的災害頻發區進行周期性成像的情況，包括河湖范圍、植被生長、積雪范圍等災害風險預警，以及覆蓋大于上千千米幅寬的大范圍受災區域的監測評估，如洪澇淹沒范圍監測、干旱范圍、積雪范圍、海冰范圍監測，生態環境恢復重建監測評估。

3.5 對衛星設計的建議

高軌SAR衛星的應用優勢體現在高時效的應急需求，在單災應急模式和多災應急模式下，需要衛星在保持運行穩定性的同時，能夠機動靈活地控制雷達波束指向，完成應急區域的高時效成像。因此，衛星設計方案要考慮雷達波束機動靈活的控制能力及衛星壽命有效期內的波束調整次數限制。

高軌SAR成像機理與低軌SAR一致：距離向的成像分辨率通過發射一定帶寬的線性調頻脈沖信號，進行脈沖壓縮來實現；通過雷達與目標之間的相對運動產生多普勒頻率，進行匹配濾波來獲得方位向的成像分辨率。在成像理論方面，兩者在雷達方程、模糊設計、成像非理想因素影響的分析方法上是一致的。然而，由于高軌SAR衛星的軌道特性，在軌道高度、雷達作用距離、地球自轉、變速運動、彎曲軌跡、合成孔徑時間、電離層影響、斜視8個方面，存在與低軌SAR衛星明顯不同的成像特性，并對系統性能及系統設計產生影響。

4 結束語

本文從綜合減災角度分析了高軌SAR衛星相比于光學衛星和中低軌SAR衛星在洪澇、地質、干旱、雪災等減災應用上的優勢和潛力，提出了高軌SAR衛星的工作模式需求及衛星設計建議。高軌SAR衛星將是我國衛星減災應用體系中至關重要的數據源之一，能有效填補載荷類型、覆蓋范圍、時間分辨率、空間分辨率等方面的空白或不足。高軌SAR衛星不依賴于太陽輻射的影響，可用于自然災害的預警、監測和評估，是“天-空-地-現場”一體化災害監測評估網絡體系建設中的重要基礎，尤其在臺風暴雨洪澇、地震及滑坡泥石流等次生災害、旱災、雪災等災害管理環節中具有巨大的應用潛力。

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(編輯：夏光)

Application Potential and Working Mode Requirements of GEO SAR Satellite for Comprehensive Disaster Reduction

ZHANG Wei1YANG Siquan1FAN Yida2WU Wei1ZHAO Bingji3

(1 National Disaster Reduction Center of China,MCA,Beijing 100124,China) (2 Information Center,MCA,Beijing 100721,China) (3 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

GEO SAR (geosynchronous orbit synthetic aperture radar) satellite combines the advantages of earth geosynchronous orbit and active microwave remote sensing. This paper analyzes GEO SAR’s application potential in comprehensive disaster reduction,including floods,droughts,geological disasters and snow accumulation. Comparison with visible remote sensing and existing spaceborne SAR in LEO (low earth orbit) is carried out from the point of view of disaster reduction. Four working modes are proposed for different purposes in comprehensive disaster reduction,including daily survey,signal disaster response,multi disaster response and regional observation. It is shown that GEO SAR is especially suitable for dynamic monitoring of natural disaster in large scale,all-day and all-weather.

GEO SAR； comprehensive disaster reduction； application potential； working mode

2016-11-17；

2017-01-09

張薇，女，博士，副研究員，研究方向為空間技術減災應用。Email：rruun@126.com。

V19

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.018