國外編隊飛行干涉SAR衛星系統發展綜述

尹建鳳 張慶君 劉杰 張潤寧 趙良波 張弛 劉久利

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

從20世紀90年代中后期，合成孔徑雷達干涉測量技術逐漸成熟，應用領域不斷擴展，成為SAR應用研究的熱點之一。星載合成孔徑雷達干涉測量系統以衛星或航天飛機為遙感平臺，可廣泛應用于地形測量(高精度的數字高程模型獲取)、地殼形變(地震位移、地面沉降)測量、土地利用和洋流監測、運動目標指示等。利用星載干涉SAR技術進行地形高程測繪主要有3種方式：重復軌道干涉SAR、單航過雙天線干涉SAR和編隊飛行干涉SAR，這3種星載干涉SAR測量方式分別在不同的時間段成為了研究熱點。在2000年NASA利用航天飛機實現單航過雙天線干涉SAR衛星系統后，隨著小衛星技術的發展，利用編隊衛星技術進行干涉測量成為星載干涉SAR的研究熱點，歐洲多個研究團隊在該方向開展了深入研究，典型的方案有法日合作的“干涉車輪”(Cartwheel)計劃[1-2]和德國的X頻段陸地合成孔徑雷達-附加數字高程測量(TanDEM-X)[3-5]系統，其中成功的典型代表是已經過在軌驗證并成功應用的TanDEM-X系統[5-6]。國內針對這類系統的分析主要針對相對測高性能、數據處理等方面展開，對關鍵技術實現情況和最新應用的進展報道較少。

本文針對編隊飛行干涉SAR系統現狀進行調研分析，主要圍繞系統性能指標、關鍵技術實現途徑以及TanDEM-X的在軌應用情況幾方面進行介紹，再對已成功應用的TanDEM-X系統的設計進行總結，得到啟示，以供其他同類型衛星系統設計參考。

1 編隊飛行干涉SAR系統及應用發展現狀

1.1 法國Cartwheel計劃

Cartwheel計劃利用3顆小衛星進行編隊(圖1)，每顆小衛星只用作接收，用一個傳統在軌大衛星SAR發射信號，3顆小衛星的編隊使得在任何時候都有一個垂直航向的基線和一個沿航向的基線，該系統有幾種應用方向：利用其垂直航向基線可以獲取數字地形高程圖，利用沿航向基線測洋流和動目標，利用一發多收系統實現距離和方位超分辨等[1]。法國國家空間研究中心(French Space Agency，CNES)的研究人員分析，在考慮各種誤差的情況下，Cartwheel聯合ASAR微波雷達傳感器得出的測高精度優于4 m。在2001年Cartwheel干涉SAR系統提出之初[1]，提出了用3個偏心率相同、近地點不同的小衛星與大衛星組網的編隊構型，小衛星間的相對運動為橢圓，同時考慮了用作發射源的大衛星包括“先進陸地觀測衛星”(Advanced Land Observing Satellite，ALOS)和“環境衛星”(Environmental Satellite，Envisat)。2009年，又有學者對Cartwheel計劃進行研究，發射源衛星增加了陸地合成孔徑雷達-X頻段(TerraSAR-X)，并討論了交軌鐘擺、順軌干涉車輪和干涉車輪-鐘擺相結合的編隊構型，認為如果只有2個接收小衛星的情況，交軌鐘擺式編隊構型較好，可提供周期性變化的交軌基線長度和穩定的順軌基線；如果可有3個接收小衛星，則干涉車輪-鐘擺相結合的編隊構型更具有靈活性，能提供可變的順軌、垂直基線和包絡穩定的交軌基線[2]。2010年后關于Cartwheel計劃的報道非常少，目前該計劃仍停留在方案階段，因此本文不對Cartwheel計劃做深入論述。

圖1 Cartwheel干涉SAR衛星軌道構型示意Fig.1 Orbit formation of Cartwheel interferometric SAR satellites

1.2 德國TanDEM-X系統任務情況

1)TanDEM-X系統任務要求

TanDEM-X衛星是歐洲宇航防務集團(EADS)的Astrium公司和德國航天局聯合研制的一顆衛星，2010年6月21日在拜科努爾發射場成功發射，它和2007年6月15日發射的TerraSAR-X衛星形成近距離編隊飛行。TerraSAR-X是一顆用于科學研究和商業運營的X頻段高分辨率SAR衛星，由德國教育科技部和德國航天局以及Astrium GmbH公司3家單位合作研制，至今仍在軌工作[3]。

為了便于編隊飛行干涉SAR系統協同工作和保持高相干性，TanDEM-X僅相對TerraSAR-X做了非常小的改動，除此之外的平臺和載荷完全相同，與干涉測繪任務相關的改動包括以下2點：

(1)為了實現自主編隊飛行控制，TanDEM-X增加了用于接收TerraSAR-X的S頻段遙測信號的接收機和解碼器設備，以獲取TerraSAR-X的位置、速度、姿態和工作模式等信息，為編隊飛行機動控制指令的執行提供輸入。

(2)TanDEM-X上增加了冷氣推進系統，用于執行相對于TerraSAR-X的相對位置和姿態機動控制指令。

該系統的首要任務是完成對全球陸地高程的干涉測繪(通過幾百米的典型交軌基線編隊構型實現)，其次是獲取本土地區更高精度的數字高程模型(DEM)(通過增長空間基線長度實現)，此外，還可以利用其順軌基線在運動目標檢測、地面交通管制和洋流監測方面有所應用[4-5]。

TanDEM-X系統編隊構型如圖2所示，任務性能要求如表1所示。

2)TanDEM-X系統工作模式、數據獲取及應用情況[6-7]

利用TanDEM-X系統進行干涉SAR數據獲取有3種模式，追趕式單站模式、標準雙站模式和交替式雙站模式，其收發波束示意圖如圖3所示。3種模式中，采用標準雙站模式完成標準DEM數據產品的獲取，其他模式將用于系統標校、確認和驗證等試驗數據的獲取。

圖2 TanDEM-X系統在軌飛行示意圖Fig.2 TanDEM-X system on-orbit flying sketch map

交軌干涉(DEM)基線要求相對垂直精度/m2～4交軌基線長度150m～2km(可調)絕對垂直精度/m10順軌基線長度/km<2(可調)平面精度/m10基線測量精度/mm2～4(無控制點)DEM網格/m12星間最近距離/m≥150(安全要求)順軌干涉(ATI)軌道參數速度測量精度/(m/s)0.01(海冰漂移)軌道類型太陽同步軌道0.1(洋流監測)軌道周期11天/167軌1(交通管制)軌道高度/傾角514km/97.44°SAR載荷主要指標指標條帶模式掃描模式聚束模式分辨率(R×A)3m×3m16m×16m1m×1m場景(R×A)30km×采集長度100km×采集長度10km×5km視角范圍/(°)20～4520～4520～55等效噪聲后向散射系數/dB-22-21-20

圖3 TanDEM-X系統工作模式Fig.3 TanDEM-X dataacquisition mode

在TanDEM-X發射后至2010年10月14日，完成了雙星編隊構型調整和測試，雙星間順軌基線約為20 km，開始以單站追趕式模式工作，以驗證TanDEM-X的系統性能和產品質量，確保與TerraSAR-X的成像質量相當。之后開始雙站模式的試運行，主要任務是確認雙站模式的信號鏈路完整可用。雙站模式的難點是系統同步和干涉基線的測量與校準，經過足夠的測試后，已于2010年12月采用標準式雙站模式開始進行正常測繪作業，最優基線在150～500 m范圍內。

截至目前，對照任務要求，TanDEM-X系統超出預期的完成了任務。從2010年12月開始，至2014年夏天已經完成了2次全球覆蓋(包括南極洲)、兩次對測圖困難區的補充覆蓋。目前，數據獲取任務主要用于科學研究的需求。第一次全球覆蓋在2012年3月完成，模糊高度為50 m，第二次全球覆蓋在2013年3月完成，模糊高度選為35 m，兩次模糊高度的選擇經過合理優化，利于陡峭地區的相位解纏。2013年4月到2014年7月主要用于實現對測圖困難地區的補充測繪，如陡峭崎嶇地區、沙漠和森林地帶。根據對數據的處理和評估結果，絕對高程精度優于10 m(99.73%)，優于1.13 m的樣本占90%，相對高程精度約為0.8 m，遠遠優于其設計指標。從2014年10月開始，TanDEM-X系統開始進行試驗和科學應用，包括追趕式單站干涉、長交軌基線雙站干涉、順軌干涉、極化干涉、超分辨和數字波束形成[6-8]。

2 TanDEM-X系統關鍵技術突破情況分析

2.1 高精度星間基線測量技術

為了滿足TanDEM-X系統的2 m相對高程測量精度要求，其空間基線估計精度需達到1 mm，為了實現這一目標，兩顆衛星上都安裝了跟蹤、掩星和測距設備(TOR)，包括高精度雙頻GPS接收機(集成的GPS掩星接收機，IGOR)和激光角反射器[9-10]。其中，大地測量應用的雙頻GPS接收機是決定空間基線測量精度的重要設備。通過地面上利用GPS信號模擬器的廣泛驗證，IGOR可達到的具有代表性的偽碼和載波相位對應的精度分別為0.1 m和1 mm。另外，作為備份，每個衛星還都安裝了L1載波單頻GPS接收機，單載頻接收機2008年在TerraSAR-X上的三維定軌精度達到了0.5～1 m，目前基于單頻GPS的定軌精度可達到20 cm左右。

利用IGOR的偽距和載波相位測量值進行軌道確定，衛星的絕對位置確定精度可達到厘米級。TerraSAR-X早期的驗證已表明利用激光測距可使軌道測量精度(rms)達到約3 cm。對TanDEM-X編隊構型，由于星間距離較近，且采用的定軌方法有相似之處，所以兩星的路徑延遲和算法引起的定軌誤差分量相近，將定軌結果差分可以消除兩星的大部分公共誤差分量，兩星定軌結果差分即得到干涉基線矢量，因此利用差分雙頻GPS技術可進一步提高相對定位精度。在實際應用中，采用差分載波相位測量法獲得兩星的相對位置，一方面能夠消除兩星大部分共有的定軌誤差，同時將載波相位和偽距數據融合解算GPS整周模糊度，這種方法的基線測量精度主要受載波相位測量噪聲的影響，再通過算法優化和對更細節因素的補償，星間基線測量精度可達1 mm以內。這種基于雙頻差分GPS技術的基線測量方法已經在“重力場反演與天氣試驗”(GRACE)衛星的A星和B星上進行過驗證，當基線220 km時，基線測量精度達到0.7 mm，經過了Ka頻段雷達的檢驗[11-12]。在TanDEM-X和TerraSAR-X上，由于沒有其他設備作為檢驗手段，用2個不同研究機構的軟件計算結果進行對照，得到的基線測量精度為[0.48,0.74,0.63] mm[13]。為了獲得上述的高精度相對定位結果，TanDEM-X雙星編隊系統在精密定軌方面增加了以下工作：①對TanDEM-X的機動需要建立相應的軌道擾動模型，并消除這種機動對基線測量的影響；②星間時間同步，需要將TerraSAR-X和TanDEM-X的原始定軌數據同步到相同的GPS歷元，以消除時鐘誤差的影響；③考慮并消除太陽光壓的影響，對如此精確的相對軌道確定，即使是LEO軌道仍需要消除太陽光壓的影響。

2.2 高精度星間同步技術

編隊飛行干涉SAR的星間同步包括3個方面：時間同步，空間同步和頻率同步。時間和空間同步是為了確保兩顆星的主波束在同時覆蓋地面同一區域、兩星接收回波信號的時間窗口同步，頻率同步(也稱相位同步)是為了使兩星各自頻率漂移導致的干涉相位誤差足夠小，對干涉相位的影響可忽略[7,14]。

1)時間同步

TanDEM-X和TerraSAR-X每次開機成像時采用GPS秒脈沖觸發產生雷達定時脈沖信號，后續定時脈沖信號由載荷內部晶振產生，由于兩星載荷晶振的不一致將會導致SAR載荷的快時間產生不同的漂移，為避免對距離采樣窗產生影響，需要調整采樣脈沖重復間隔(PRI)，這需要知道兩個載荷的頻率差，通過兩星間的頻率同步脈沖可以準確獲知兩個載荷的頻率差，TanDEM-X的星間同步精度可達1 μs。

2)頻率同步

為實現星間的時間和頻率同步，采取兩星對發頻率同步脈沖的策略，為了保證近實時全方位的頻率同步脈沖接收，在每個衛星上都安裝6個同步喇叭天線以提供準全向波束覆蓋。

星間頻率同步的時序圖如圖4所示。為獲取高信噪比同步信號，采用CHIRP信號作為同步脈沖。雙站模式SAR數據獲取將會被周期性地中斷，此時同步脈沖將從衛星1的SAR主天線上發射至衛星2專用于同步的喇叭天線，衛星2記錄該脈沖后再回傳一短同步脈沖給衛星1，圖4中τp為同步脈沖寬度，τ12為同步脈沖信號從衛星1到達衛星2的時間，τ21為信號從衛星2到衛星1的時間，τsys為從衛星1開始發射同步脈沖到衛星2開始返回第一個同步脈沖的時延。基本思路是通過對交換的同步脈沖信號處理獲得兩星上頻率源引起的相位差異，以用其對雙站干涉圖進行相位補償。另外，同步脈沖信號獲取時可認為兩頻率源的頻率是常數，因此還可從同步信號相位差的線性部分提取出其頻率差，進而完成時間同步。

經過TanDEM-X系統在軌驗證，當同步信號鏈的信噪比大于30 dB，且同步脈沖頻率大于5 Hz時，可滿足9.65 GHz的中心頻率上，頻率源相位誤差不大于1°的雙站干涉要求。當采用標準雙站干涉模式時，兩星距離幾百米，同步信號的信噪比可以達到50 dB以上[15]。

圖4 星間同步脈沖時序圖Fig.4 Timing diagram for exchange of synchronization pulses

3)空間同步

空間同步是為了使兩星在成像時盡可能覆蓋相同的地面成像區域，一般會認為采取主星天線正側視指向成像區域、輔星天線以小角度斜視指向成像區域的方法會保證最好的觀測區域重疊，但這會導致多普勒去相干增加。經過對上述波束導引策略和兩星天線各自按正側視進行波束導引兩種方法比較，后者能達到的兩星波束指向誤差約為3%波束寬度，同時保持較好的多普勒相干性，會損失較小的增益(一般不大于0.5 dB)，在系統增益較大的情況下，影響可忽略，因此TanDEM-X選擇了后者。

2.3 編隊飛行控制技術

TanDEM-X和TerraSAR-X選用HELIX編隊構形，該構形通過對另一顆衛星設定不同的升交點赤經來獲得軌道面外(水平方向)的星間距，通過設置不同的偏心率(e)和平近點角來獲得軌道面內的星間距(垂直方向)[16]。如果兩顆衛星都按標稱軌道運行，則不會有碰撞的機會。然而，實際中，由于軌道初始設置誤差的存在和各種擾動因素，兩顆衛星將逐漸偏離其設計軌道，星間基線構型也將改變，其中最嚴重的就是Δe的順時針方向漂移容易導致相對偏心率矢量與相對傾角矢量垂直，這就增加了編隊衛星的碰撞概率。因此，必須進行編隊構形保持。

經過多種構形保持策略的對比，選用了自主編隊飛行控制(TAFF)策略，這種控制方法的精度比采用全部基于地面站控制的絕對軌道控制精度高10倍，其中TerraSAR-X是編隊構形的主導者，TanDEM-X通過S頻段星間鏈路接收TerraSAR-X的遙測信號，從遙測信號獲取TerraSAR-X的軌道和姿態等信息，進而通過主動控制自己與TerraSAR-X的相對位置來保持該構形。TerraSAR-X的絕對軌道位置由地面控制，以使其接近標稱軌道。為了保持編隊構形不變，TanDEM-X需首先復制TerraSAR-X執行絕對軌道維持的指令，再進行小范圍的軌道機動來校正自然軌道漂移和其他擾動導致的相對軌道參數變化。為了由TanDEM-X完成星間構形保持任務，除了在兩顆衛星上都安裝了用于絕對軌道維持的肼推進系統(兩組4個1 N推力器)外，還專門在TanDEM-X上安裝了高壓氮氣推進系統(兩組4個40 mN推力器)，這種冷氣推進系統的推力比肼推進系統小得多，主要用于TanDEM-X的編隊構形控制。根據分析，以兩星定軌和定姿結果為輸入實現相對導航，TanDEM-X的TAFF自主控制子系統的相對軌道控制精度為(相對TerraSAR-X衛星)：徑向方向2 m(沿半長軸方向)，交軌方向10 m(1σ)，其控制策略框圖如圖5所示。

圖5 編隊構形控制策略框圖Fig.5 Schematic functional view of autonomous formation flying

3 對其他類似系統研制的啟示

3.1 系統總體設計啟示

(1)從分布式干涉SAR的體制上講，類似于TanDEM-X的雙星編隊系統的技術復雜度要低于類似于Cartwheel的一主多輔收發分置系統，因為后者主星與輔星距離較遠，雙站SAR特性明顯，覆蓋區域、分辨率等系統性能會隨一發多收的編隊構型發生變化使系統性能實現和控制相對困難，TanDEM-X編隊構型主從兩星間距離較近且相對穩定，基本等效于單站SAR，系統性能實現相對容易。

(2)TanDEM-X以相對簡易的系統達到了目前全球陸地測繪的最高標準，主要取決于其在系統與任務層面的優化設計，如為了解決陡峭地區測繪問題，TanDEM-X系統以大小不同的兩次模糊高度獲取全球數據[6]，針對沙漠地區后向散射系數小的問題，采取小入射角進行觀測；TanDEM-X軌道構型在不同緯度的有效基線不同，可通過調整入射角維持相同的模糊高度，提高不同緯度地區的高程測量精度一致性。

(3)遙感衛星系統設計，應首先梳理最為關注的頂層系統指標，以這些頂層系統指標優化為目標，以影響頂層系統性能的各要素(關鍵技術/分系統/單機等)之間的邏輯關系為依據，實現整個系統的優化設計，而不是單獨追求某個影響因素的極限指標，比如兩顆衛星的偏航導引采用各自偏航導引的策略，雖然在覆蓋重疊度和收發合成天線方向系數方面略有損失，但對相干性的保持有利；此外，應重視和提前預估數據處理在整個鏈路中的作用，避免過度提高某一段性能指標導致實現難度的大幅增加。

3.2 關鍵技術途徑啟示

1)波束對準策略

干涉SAR要求主副天線波束盡可能對準，以實現空間同步保證足夠的重疊覆蓋區域和收發合成天線增益。如2.2節所述，TanDEM-X系統沒有采用輔星接收波束指向主星照射區域的策略，而是采取兩顆SAR衛星都工作于正側視模式，分別進行偏航導引的策略，即通過兩顆衛星各自的姿態測量與控制和天線波束指向精度實現波束對準，在順軌基線適當的條件下，能夠在保證相干性的同時滿足波束對準的要求，相比第1種策略，降低了實現難度。

2)時間同步策略

TanDEM-X系統時間同步采用的是在每次成像開始時以GPS秒脈沖觸發，利用星間同步鏈路獲得兩載荷時間差的方法。我們在進行類似系統的設計時，可以依據當前的新技術，采取每秒利用GPS秒脈沖對SAR載荷授時的策略，兩載荷的時間精度與GPS秒脈沖精度一致，這將減輕星間同步鏈路數據處理的工作量。

3)基線測量精度實現的啟示

星間基線測量是編隊飛行干涉SAR系統的技術難點，TanDEM-X采用差分GPS實現，硬件相對成熟簡單，針對LEO亞毫米級的相對定位精度要求的特殊應用場景，主要從模型、算法方面進行補償和修正，對輔星機動對軌道的干擾、兩星時間同步和太陽光壓對定軌的影響都進行了考慮和補償。這為國內采取類似相對定位系統需要考慮的校正因素提供了參考。

4 結束語

從對目前關注度較高的兩種體制的編隊飛行干涉SAR系統，尤其是已在軌成功應用的TanDEM-X系統的調研分析，星地一體全鏈路的系統優化設計是實現衛星系統高效費比的關鍵，尤其需要重視數據處理的作用，應通過仿真試驗等手段提前摸索、合理分解各部分的指標要求；TanDEM-X系統的星間基線測量、空間同步和頻率同步以及編隊飛行控制技術的解決途徑可達到較好的性能，其時間同步方法可基于當前技術進行適當的改進，以減小實現的復雜度，以上結論可為類似系統的研究和研制提供參考。

References)

[1] Massonnet D. Capabilities and limitations of the interferometric Cartwheel[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2001,39(3): 506-520

[2] Erica H Peterson, Georgia Fotopoulos, Robert E Zee. A feasibility assessment for low-cost InSAR formation-flying microsatellites[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2009, 47(8): 2847-2858

[3] Stefan Ochs, Eads Astrium Gmbh, Wolfgang Pitz, et al. The TerraSAR-X and TanDEM-X satellites[C]// 2007 3rd International Conference on Recent Advances in Space Technologies. Turkey: RAST,2007:294-298

[4] Alberto Moreira, Gerhard Krieger, Irena Hajnsek,et al. TanDEM-X: A TerraSAR-X add-on satellite for single-pass SAR interferometry[C]// 2004 IEEE Interenatial Geoscience and Remote Sensing Symposium. New York:IEEE, 2004: 1000-1003

[5] M Zink, Michael Bartusch, David Miller. TanDEM-X mission status[C]//2011 IEEE International Geoscience & Remote Sensing Symposium. New York: IEEE, 2011: 2290-2293

[6] Daniela Borla Tridon, Maria Donata Polimeni, Markus Bachmann,et al. TanDEM-X going for the DEM: acquisition, performance, and further activities[C]// 2015 IEEE 5thAsia-Pacific Conference on Synthetic Aperture Radar (APSAR). New York: IEEE, 2015: 163-168

[7] Gerhard Krieger, Hauke Fiedler, Irena Hajnsek. TanDEM-X:a satellite formation for high-resolution SAR interferometry[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2007, 45(11): 3317-3341

[8] DLR. Siesind hier: home[ED/OL]. [2016-09-30]. http://www.dlr.de/blogs/en/home/tandem-x.aspx

[9] Markus Rothacher, Byron D Tapley, Christoph Reigber, et al. The Tracking, Occultation and Ranging (TOR) instrument onboard TerraSAR-X and on TanDEM-X[C]// 2007 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Now York: IEEE, 2007: 4983-4986

[10] O Montenbruck, P W L Barneveld.GPS-based precision baseline reconstruction for the TanDEM-X SAR-formation[C]// 2007 19th International Symposium on Space Flight Dynamics.Annapolis USA:Coddard Space Flight Center, 2007: 1-13

[11] Kroes R, Montenbruck O, Bertiger W, et al. Precise GRACE baseline determination using GPS[J]. GPS Solutions, 2005(9): 21-31

[12] Gerardo Allende-Alba, Oliver Montenbruck. Robust and precise baseline determination of distributed spacecraft in LEO[J]. Advances in Space Research, 2016, 57: 46-63

[13] Moon Yongjin, Koenig Rolf, Wermuth Martin. Operational precise baseline determination for TanDEM-X DEM processing[C]// 2012 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. New York: IEEE, 2012: 1633-1636

[14] R Klein, M Bachmann, G Krieger, et al. Performance prediction and verification for the synchronization link of TanDEM-X[C]// 2007 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. New York: IEEE, 2007: 5206-5209

[15] Breit H Younis, M Balss U. Bistatic synchronization and processing of TanDEM-X data[C]// 2011 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. New York: IEEE, 2011: 2424-2427

[16] J S Ardaens, S D Amico, B Kazeminejad. Spaceborne autonomous and ground based relative orbit control for the TerraSAR-X/TanDEM-X formation[C]// 2007 20th International Symposium on Space Flight Dynamics.Annapolis USA:Coddard Space Flight Center, 2007:1-13