高分三號衛(wèi)星及應用概況

2016年8月10日，高分三號衛(wèi)星在我國太原衛(wèi)星發(fā)射基地升空入軌，開始執(zhí)行對地觀測任務。至今為止，高分三號衛(wèi)星已經在軌穩(wěn)定運行近兩年，為國民經濟各行業(yè)提供了48萬余景圖像數據，有力支持了我國各項建設工作的順利開展。

高分三號衛(wèi)星是“國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項”中唯一的民用微波遙感成像衛(wèi)星，也是我國首顆C頻段多極化高分辨率合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星。高分三號衛(wèi)星具有高分辨率、大成像幅寬、高輻射精度、多成像模式和長時工作的特點，能夠全天候和全天時實現全球海洋和陸地信息的監(jiān)視監(jiān)測，并通過左右姿態(tài)機動擴大對地觀測范圍和提升快速響應能力，其獲取的C頻段多極化微波遙感信息可用于海洋、減災、水利及氣象等多個領域，服務于我國海洋、減災、水利及氣象等多個行業(yè)及業(yè)務部門，是我國實施海洋開發(fā)、陸地環(huán)境資源監(jiān)測和防災減災的重要技術支撐。

作為我國自主研制的首顆C頻段多極化SAR衛(wèi)星，高分三號衛(wèi)星突破了整星機電熱一體化設計技術、多極化相控陣天線技術、高精度SAR內定標技術、大型相控陣SAR天線展開機構技術、大熱耗SAR天線熱控技術、脈沖大功率供電技術、大撓性星體條件下的衛(wèi)星控制技術等多項關鍵技術，各項指標達到或超過國外同類衛(wèi)星水平（如表1所示），具有先進性和創(chuàng)新性等特點，可以稱為“新一代SAR衛(wèi)星系統(tǒng)”。

表1 高分三號衛(wèi)星與國際同類衛(wèi)星綜合技術指標比對

高分三號衛(wèi)星2017年數據覆蓋區(qū)域示意圖

續(xù)表

從表1可看到，高分三號衛(wèi)星具有聚束、條帶、掃描等12種成像模式，可以獲取分辨率1m～500m、幅寬10km～500km、從單極化至全極化的SAR圖像，單次成像最長可連續(xù)工作50min。高分三號衛(wèi)星具體成像模式及成像技術指標如圖1所示。

圖1 高分三號衛(wèi)星在軌成像模式及具體指標

圖1所示的12種工作模式，是通過與不同用戶溝通后確定的，以滿足各行業(yè)的絕大部分的應用需求，具體情況如表2所示。

表2 高分三號衛(wèi)星主要觀測應用匯總

2016年8—12月，高分三號衛(wèi)星完成在軌測試并在內蒙古鄂托克旗完成外場定標工作，對各成像模式的分辨率、幅寬、旁瓣比、輻射精度、定位精度、指向精度等天地一體化指標進行了標定，經分析，各項指標均滿足衛(wèi)星研制技術要求，部分指標達到國際同類衛(wèi)星先進水平，其典型圖像如圖2和圖3所示。

圖2 高分三號衛(wèi)星滑動聚束模式武漢地區(qū)1m分辨率圖像

圖3 高分三號衛(wèi)星25m模式南極地區(qū)成像圖

此外，在高分三號衛(wèi)星設計過程中，針對用戶成像任務規(guī)劃多樣、各模式下成像參數差異大的特點，衛(wèi)星系統(tǒng)預留了靈活的外部控制接口，可通過上注指令的方式，對系統(tǒng)參數、時序、工作方式等進行靈活的調整，這樣既保證了SAR載荷常規(guī)工作模式的需求，也為在軌開展各項試驗模式驗證提供了可能。因此在2017年穩(wěn)定運行過程中，衛(wèi)星總體對高分三號衛(wèi)星成像模式的可擴展性進行了專門的設計，在軌成功實施多項新模式試驗驗證，如凝視聚束模式成像、TOPSAR模式成像、動目標檢測和干涉測高等。

1） 凝視聚束模式。通過優(yōu)化系統(tǒng)成像參數，完成了高分三號衛(wèi)星凝視聚束成像模式試驗，實現了方位向分辨率由1.0 m到優(yōu)于0.5 m的提升。圖4給出了凝視聚束模式下，對寧和城際鐵路橋和南京長江第三大橋的成像結果。凝視聚束模式圖像中橋體結構清晰，細節(jié)可辨，證明了凝視聚束模式提升方位分辨率的能力。

圖4 高分三號衛(wèi)星對寧和城際鐵路橋和南京長江大橋的凝視聚束模式成像結果

2）TOPSAR成像模式。高分三號衛(wèi)星開展了TOPSAR模式成像驗證試驗，實現TOPSAR模式方位向4跳拼接成像，成像結果如圖5所示。該圖像雖然未經輻射校正，但圖像中無明顯拼接痕跡和亮暗起伏，從而驗證了衛(wèi)星具備實現TOPSAR模式所需的波束掃描能力，也說明了其TOPSAR模式能獲得比掃描模式輻射特性更均勻的圖像產品。

圖5 高分三號衛(wèi)星TOPSAR模式試驗圖像

3）動目標檢測模式。高分三號衛(wèi)星在軌采取“一發(fā)兩收”的工作方式，獲得了雙通道數據，進行了動目標檢測能力的驗證。動目標試驗的檢測區(qū)域為山西及河北境內的大同—秦皇島鐵路線，檢測結果如圖6所示，通過提取目標的相位信息，估計出火車的位置和徑向速度，結果與先驗信息相符。

圖6 高分三號衛(wèi)星動目標檢測模式試驗結果

4）干涉形變測量模式。利用重軌干涉原理可獲取地表形變信息。高分三號衛(wèi)星的試驗測量區(qū)域為河北黃驊和上海，測量結果見圖7，圖中檢測到厘米級的地表形變，檢測精度達到亞厘米級。正因為高分三號衛(wèi)星在地表形變測量中的優(yōu)異表現，目前高分三號衛(wèi)星干涉測量應用已經列入了中歐“龍計劃”第4期合作項目中。

圖7 高分三號衛(wèi)星干涉形變測量模式試驗結果

通過近兩年的穩(wěn)定運行，高分三號衛(wèi)星在軌成功獲取了豐富的高分辨率多極化微波圖像，極大改善了我國民用天基高分辨率SAR圖像全部依靠進口的狀態(tài)，為國內各行業(yè)用戶提供了高質量、高精度對地觀測數據。同時，高分三號衛(wèi)星工程研制過程中攻克的關鍵技術及工程方法，將在引領我國民用高分辨率微波遙感衛(wèi)星應用方面起到重要示范作用，其研制和應用具有重大意義。