歐洲雷達成像衛星系統最新發展

徐冰 （北京空間科技信息研究所）

歐洲雷達成像衛星系統最新發展

徐冰 （北京空間科技信息研究所）

Development of European Radar Imaging Satellite System

歐洲在發展雷達成像衛星方面以德國、意大利、西班牙以及歐洲航天局為代表。在雷達成像衛星發展方面各具特色，德國傾向于軍、民用系統分立發展；意大利側重于發展軍民共用系統；西班牙起步較晚，主要借助德國民商共用系統的發展策略（公私合營）和成熟技術；歐洲航天局則在“哥白尼”計劃下發展哨兵－1（Sentinel－1）系列雷達成像衛星。歐洲現役雷達成像衛星能力較為先進，成像模式多樣化，最高分辨率達到0.25m。

1 德國同步發展下一代軍、民雷達成像衛星星座系統

下一代軍用雷達成像衛星系統

鑒于“合成孔徑雷達-放大鏡”（SAR-Lupe）系統在服役期間發揮的重要作用，以及為了保持偵察情報的連續性，德國開始發展下一代軍用雷達成像衛星系統—SARah。SARah衛星由兩家公司共同研制，主承包商德國不萊梅軌道高技術系統股份公司（OHB）負責研制2顆被動衛星，空客防務與航天公司（ADS）負責研制1顆主動衛星，計劃于2019年前后完成衛星部署，將加入歐洲“多國天基成像系統”（MUSIS）。SARah系統延續了其上一代“合成孔徑雷達-放大鏡”系統的目標、用途和發展方式，但在星座配置、技術水平和服務能力等方面將有所改變和提升。

1）星座設計。與“合成孔徑雷達-放大鏡”系統的5星星座設計不同，SARah系統由3顆編隊飛行的衛星組成，其中一顆為SARah主動衛星（SARah-Aktiv），采用相控陣天線，負責向地表發射雷達信號，另外2顆為SARah被動衛星（SARah-Passiv），均采用與第一代“合成孔徑雷達-放大鏡”衛星類似的拋物反射面天線，用于接收經過地表散射的雷達信號。

2）系統與載荷能力。SARah主動衛星與“合成孔徑雷達-放大鏡”在衛星構型上差異較大，SARah系統設計結合了第一代“合成孔徑雷達-放大鏡”系統和陸地合成孔徑雷達-X雙星系統的技術特點，強調在提高空間分辨率（可優于0.5m）的同時，利用陸地合成孔徑雷達-X雙星任務采用的編隊飛行控制技術和干涉合成孔徑雷達（InSAR）技術，通過被動衛星的不同編隊飛行模式可實現多種基于合成孔徑雷達的干涉工作模式，包括數字高程模型和移動目標指示等。主動和被動衛星相結合的空間配置將充分增強整個星座系統的有效性。

下一代民商用雷達成像衛星系統

2009年，德國開始定義下一代陸地合成孔徑雷達-X項目（陸地合成孔徑雷達-X NG），同樣也采用公私合營的發展方式，由空客防務與航天公司負責研制，計劃于2018年發射。陸地合成孔徑雷達-X NG衛星的目的是接替陸地合成孔徑雷達-X，保持數據獲取和服務的連續性一直到2025年后。

1）星座設計。德國的陸地合成孔徑雷達-X NG衛星僅規劃了1顆，但多年來在商業雷達領域積累的經驗以及用戶的反饋，促使陸地合成孔徑雷達-NG基于“協同星座概念”（CCC）運行。與單星相比，“協同星座”的優勢在于每一方都擁有星座的一部分，合作方可以共擔風險、分享利益。“帕茲”（PAZ）衛星發射后，與陸地合成孔徑雷達-X和陸地合成孔徑雷達-數字高程模型-X組成的星座將對“協同星座概念”進行初始驗證。

空客防務與航天公司與西班牙衛星服務戰略（Hisdesat）公司將利用陸地合成孔徑雷達-X、陸地合成孔徑雷達-數字高程模型-X和“帕茲”衛星，以及未來發射的陸地合成孔徑雷達-X NG構建“協同星座”，通過更快的重訪和更強的數據采集能力，增強時效性高、廣域覆蓋的應用能力。

2）系統與載荷能力。陸地合成孔徑雷達-X NG衛星將部署在目前陸地合成孔徑雷達-X的運行軌道，設計壽命9.5年，比陸地合成孔徑雷達-X提高了近一倍。這兩代衛星在構型上差異較大，但與SARah系統極為相似。

陸地合成孔徑雷達－X NG的合成孔徑雷達載荷代表了星載合成孔徑雷達取得的重大進步，與上一代相比不僅分辨率提高，幅寬增大，而且通過采用電波束控制技術增強敏捷性。陸地合成孔徑雷達-X NG衛星具有3種成像模式，分別為高分辨率聚束模式、條帶模式和步進掃描對地觀測模式（TOPS），且3種模式下都具有多方位相位中心（MAPS）處理能力。聚束模式包括凝視聚束和滑動聚束兩種，條帶模式可連續成像長達1500km，特別適用于大范圍監控和熱點地區探測。步進掃描對地觀測模式可達到400km大幅寬，特別適合于廣域海上監視。此外還增加船只發現模式，可用于探測長度超過25m的船只，虛警率非常低。與上一代僅有單極化和雙極化相比，陸地合成孔徑雷達-X NG衛星的極化方式更為多樣化，單極化、雙極化、交叉極化和全極化都具備。

2 意大利開始發展下一代軍民兩用雷達成像衛星星座系統

目前，意大利正在發展第二代“地中海盆地觀測小衛星星座”（CSG）系統，雖然僅由意大利國防部投資，但仍作為軍民兩用系統接替現役“地中海盆地觀測小衛星星座”系統提供更優質的服務，由泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）研制，將加入歐洲多國天基成像系統。

1）星座設計。意大利原本計劃發展4星星座，但因資金問題被迫發展2星星座，目前僅為研制首顆衛星及采購第二顆衛星部分組件提供預算支持，分別計劃于2018年和2019年發射。

2）系統與載荷能力。第二代“地中海盆地觀測小衛星星座”衛星發射后，將部署在現役第一代衛星的運行軌道，2顆衛星將運行于同一軌道面，提高重訪率。第二代與第一代“地中海盆地觀測小衛星星座”在衛星構型上極為相似，姿態敏捷性、存儲容量、下傳速率等平臺性能得到提升。

第二代“地中海盆地觀測小衛星星座”衛星載有X頻段合成孔徑雷達載荷，在成像模式上延續上一代衛星的聚束、條帶和掃描模式，但在極化方式上增加了雙極化和全極化，分辨率更高，幅寬更大，增強了數據獲取的多樣性。第二代“地中海盆地觀測小衛星星座”衛星具有窄幅和寬幅兩類成像模式，窄幅只對應聚束成像模式，聚束模式又可細分為極高分辨率和高分辨率兩類，每類都有單極化和雙極化兩類。寬幅對應條帶和掃描兩種成像模式。除了極高分辨率的聚束模式只用于軍用外，其他模式均為軍民兩用。

與上一代相比，第二代“地中海盆地觀測小衛星星座”系統設計有所取舍：在寬幅掃描模式下，第二代星座可在10天內完成一次全球覆蓋，第一代系統則需要14天。但由于衛星數量的減少，第二代星座系統在緊急狀態下對于任意目標的響應時間增加至36h（最長時間），而第一代系統僅需要12h。

陸地合成孔徑雷達-X NG衛星成像模式

3 西班牙首顆雷達成像衛星整裝待發

西班牙在國家整體的對地觀測衛星計劃下發展雷達成像衛星“帕茲”，由西班牙國防部所有并投資開發，作為一顆軍民兩用衛星，主要用于滿足西班牙的國防和安全需求。在發展方式上，“帕茲”衛星借鑒了陸地合成孔徑雷達-X的公私合營的發展經驗，在系統設計和性能指標方面與德國陸地合成孔徑雷達-X衛星極其相似。“帕茲”衛星計劃于2017年發射，將加入歐洲多國天基成像系統。

1）星座設計。“帕茲”衛星發射后將進入陸地合成孔徑雷達-X雙星軌道面，與其組成星座，驗證基于“協同星座概念”的合作模式。

2）系統與載荷能力。“帕茲”衛星載有X頻段SAR，具有高分辨率聚束、聚束、條帶和掃描SAR四種成像模式，能夠提供不同分辨率、不同幅寬的SAR圖像，具有多模式、多極化、左視或右視等靈活成像能力。

4 歐洲航天局已授出后續研制合同，保持數據的連續性

2015年12月15日，歐洲航天局再次選擇泰雷茲-阿萊尼亞航天公司作為主承包商，為其研制2顆哨兵－1C、1D衛星，合同價格為4億歐元。這2顆衛星與已發射的哨兵－1衛星基本相同，計劃于2021年后發射，屆時將接替現役衛星，確保未來15年雷達數據的連續性。

目前，原計劃的2顆哨兵－1衛星已經部署完成，在同一軌道面上組成觀測星座，相位相差180°，雙星可以在6天內覆蓋全球，提高全球氣候變化數據的時效性。哨兵－1衛星能提供高分辨率和中分辨率陸地、沿海和冰的測量數據，全天候成像能力與雷達干涉測量能力相結合，能夠對地表微小形變進行精細化探測，為地球環境管理方式帶來巨大變革。哨兵－1衛星載有C頻段合成孔徑雷達，具有以下4種成像模式：

第二代“地中海盆地觀測小衛星星座”衛星成像模式

“帕茲”衛星成像模式

1）干涉寬幅模式。分辨率5m×20m，幅寬250km，每軌最長工作25min，主要用于陸地觀測，通過歐洲航天局提出的步進掃描對地觀測模式來實現。

2）波模式。分辨率5m×5m，沿軌每間隔100km采樣圖像大小為20km×20km，主要用于海洋觀測。

3）超寬幅模式。分辨率20m×40m，幅寬400km，該模式也具有步進掃描對地觀測模式能力。

4）條帶模式。分辨率5m×5m，幅寬80km，6個重復的測量條帶能覆蓋所要求的375km的范圍。

5 小結

歐洲的下一代雷達成像衛星系統以滿足目前及未來的需求為目標，受益于近年來星載雷達技術水平的不斷提升，在星座設計、系統功能、載荷能力、產品多樣化等方面與上一代相比都有較大的改進。歐洲的雷達成像衛星技術能力居于世界先進水平，注重新技術開發和應用，成像模式和極化方式多樣化，從系統能力、星座設計、協同運行等多角度擴展服務應用能力。德國不萊梅軌道高技術系統股份公司、空客防務與航天公司、泰雷茲-阿萊尼亞航天公司等是歐洲航天領域的強企，其在雷達成像衛星研制方面積累的經驗，以及在星載雷達成像技術領域取得的突破都將成為歐洲保持星載雷達成像技術能力先進性的重要保障。