微小型SAR衛星發展現狀及分析

張永賀 張旭 王韶波 魏楚奇 吳秋詩

(1 北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094)(2 航天東方紅衛星有限公司，北京 100094)

SAR衛星具有全天時、全天候成像優勢，且通過多極化、多相位等觀測手段，可提供更為豐富的目標信息，在國土資源調查、災害與環境監測、地形測繪、城市規劃、軍事偵察等領域發揮重要作用。近年來，在大中型SAR衛星繼續向高分辨、寬幅寬、多軌道和多維度發展的同時，面向星座應用的微小型SAR衛星，具有“單星低成本、星座高重訪”的特點，在商業、應急和軍事等領域具有良好的應用前景，成為國內外新的研究熱點[1-3]。以芬蘭冰眼(ICEYE)系列衛星、美國卡佩拉(Capella)系列衛星為代表，歐美國家相繼開始發力研制發射微小型高分辨SAR衛星，不僅可為用戶提供高分辨、低時延的雷達圖像，而且開發了港口流量監測、大型儲油設施儲油量監測、敏感地區監視等星座級數據產品。

面向微小型SAR衛星研制，不僅要求在小型化技術上實現突破，而且要求轉變設計理念和應用方式。本文在總結微小型SAR衛星發展基礎上，分析發展趨勢，提出需進一步重點突破的關鍵技術和后續發展建議，可為我國微小型SAR衛星設計開發提供參考。

1 國外發展現狀及技術水平分析

1.1 國外微小型SAR衛星發展現狀

國外典型衛星主要有芬蘭的冰眼(ICEYE)衛星、美國的卡佩拉(Capella)衛星，日本的思瑞克斯(StriX)衛星等。

1)芬蘭冰眼系列衛星

冰眼系列衛星由芬蘭ICEYE公司研發，該公司建立于2014年，目標是構建世界上第一個由18顆微小型SAR衛星組成的星座，實現對全球任一目標1—3 h的重復成像能力。2018年1月，冰眼系列衛星第一顆試驗星ICEYE-X1成功發射，該衛星是世界上第一顆微小雷達衛星，采用X頻段相控陣體制，衛星重70 kg，分辨率為10 m×10 m，目前已完成試驗驗證任務，在軌退役。2018年12月，冰眼系列衛星的業務星ICEYE-X2成功發射[4-6]，并明確后續業務星的技術狀態，即采用X頻段相控陣體制，衛星重85 kg，具有聚束、條帶、掃描3種模式，其中聚束模式分辨率為1 m×1 m，幅寬5 km×5 km，信號帶寬300 MHz，峰值功率3200 W。冰眼系列衛星外形如圖1所示。

圖1 冰眼衛星

2019年8月，ICEYE公司發布了世界上第一個基于小型化雷達衛星平臺開發的聚束成像模式1 m分辨率衛星圖像，并商業化銷售。2020年3月27日，ICEYE公司宣布正式提供聚束模式高分辨率的雷達衛星圖像服務，從數據開始下行連接到地面站，到實際處理后的圖像可供客戶在自己的系統中使用，只需5 min。截至2022年9月，ICEYE公司已成功發射21顆衛星(包含與美國軍方合作的1顆技術試驗衛星ICEYE-X3，也稱Harbinger衛星)，形成小型雷達衛星的星座組網和商業化運營服務能力。

2)美國卡佩拉系列衛星

卡佩拉系列衛星由美國卡佩拉空間(Capella Space)公司研發，該公司建立于2016年，目標是發展36顆微小型SAR衛星組成的星座，為用戶提供最大重訪周期1 h(全球平均重訪)、分辨率0.5 m的SAR圖像數據產品。2018年12月試驗星卡佩拉-德納利(Capella-Denali)衛星發射，采用X頻段反射面體制，衛星重48 kg，分辨率為10 m×10 m。2020年8月業務星卡佩拉-紅杉(Capella-Sequoia)發射，采用X頻段3.6 m口徑網狀反射面天線，衛星重116 kg，具備條帶、聚束等多種成像模式，最高分辨率為0.5 m×0.5 m，幅寬5 km×5 km，單軌最大成像時長約10 min。應用服務方面，建立了與海事衛星(Inmarsat)的加密雙向鏈路，可在全球任意地點對衛星進行操控，具備任務實時響應能力[7-9]?？ㄅ謇盗行l星衛星外形如圖2所示。

圖2 卡佩拉衛星

至2022年9月，已發射8顆Capella衛星，其中除試驗星Capella-Denali外，其他7顆業務星技術狀態基本一致。該星座主要為政府和商業用戶提供全天時、全天候、小時級重訪、快速交付的高分辨率SAR數據服務能力，幫助用戶開展情報與國防安全、商貿、農業、食品安全、基礎設施監控、自然災害管理等各種應用。該公司已與美國空軍、國家偵察局、國防部、國家地理空間情報局等單位簽訂合同，解決美國軍方對商業雷達數據的需求，公司向用戶承諾，在轉入商業運營后可在數據采集后30 min內完成交付。

3)日本思瑞克斯系列衛星

思瑞克斯系列衛星由日本太空初創公司Synspective公司研發，星座規模為30顆[10-11]。首發星StriX-α、StriX-β分別于2020年12月和2022年2月發射，衛星采用相控陣體制，重約150 kg，天線尺寸為4.9 m×0.7 m，采用VV極化。與其他SAR衛星不同，其太陽電池片安裝于SAR天線背面，具有很高的技術難度。該衛星在滑動聚束模式下，分辨率為1 m×1 m，幅寬10 km×10 km；在條帶模式下，分辨率為3 m×3 m，幅寬30 km。在兩顆試驗星基礎上，業務星StriX-1于2022年9月成功發射，衛星質量降低為100 kg，如圖3所示，后續將逐步建成由30顆業務星構成的衛星星座。

圖3 思瑞克斯-α衛星

4)其他衛星

日本QPS研究所、美國Umbra Lab公司也分別發射微小型高分辨率SAR衛星，主要任務為在軌技術驗證，為業務星研制奠定基礎。日本QPS研究所于2005年創立，計劃研制由36顆微小型SAR衛星的QPS-SAR衛星星座，分別于2019年12月和2021年1月發射Izanagi和Izanami兩顆試驗星，衛星重約100 kg，采用拋物面體制，天線直徑3.6 m，采用X頻段，最高分辨率1 m。美國Umbra Lab公司于2021年6月和2022年1月分別發射2顆微小SAR成像衛星，傘影衛星(Umbra SAR)重50 kg，采用網狀拋物面體制，天線直徑約4 m，如圖4所示，其規劃星座規模為12顆。

圖4 傘影衛星

1.2 國外微小型SAR衛星發展技術水平分析

面向國外典型微小型SAR衛星典型星座，對工作頻段和工作體制、分辨率、質量、星座構建和業務化等方面進行總結分析如下[12]。

(1)工作頻段和工作體制：為盡量實現小型化，國外ICEYE、Capella、StriX、QPS、Umbra等微小型SAR衛星均采用X頻段，單極化，其中ICEYE和Capella為HH極化，StriX為VV極化；從工作體制上看，歐洲以ICEYE為代表主要發展相控陣體制，美國以Capella和Umbra主要發展拋物面體制，日本則兩種體制同時開展了研制。

(2)最高分辨率：國外微小型SAR衛星發射信號帶寬均在300 MHz以上，因此具備較高的分辨能力，并通過持續研發創新不斷提升衛星的分辨能力。目前ICEYE和StriX發射信號帶寬均為300 MHz，地距最高分辨率為1 m，其中ICEYE正在開展研制的下一代衛星信號帶寬提升至600 MHz，將分辨率提高一倍；Capella信號帶寬為500 MHz，最高分辨率為0.5 m，其下一代衛星計劃于2023年發射，信號帶寬提升至700 MHz，地距分辨率為0.31 m；Umbra發射信號帶寬高達1200 MHz，具備獲取0.25 m分辨率圖像的能力。

(3)衛星質量：國外微小型SAR衛星集成度和輕量化均具備較高水平。其中ICEYE試驗星和業務星質量分別為70 kg和85 kg，最新公布的下一代衛星質量為120 kg；Capella試驗星和業務星質量分別為48 kg和116 kg；StriX試驗星和業務星質量分別為150 kg和100 kg。

(4)星座建設和業務化應用：目前，國外微小型SAR衛星已經實現了試驗星到業務應用的跨越，并持續快速增加在軌衛星數量，以增強星座性能，為用戶提供更快速、更多樣的數據和產品服務。其中，ICEYE公司計劃在2021年已發射7顆衛星的基礎上，2022年再發射11顆；Capella公司于2022年4月，獲得了新一輪9700萬美元融資，繼續擴大在軌衛星數量；日本Synspective公司在發射首顆業務星StriX-1基礎上，計劃于2023年繼續發射6顆業務星。面向業務化應用，ICEYE、Capella等公司開發了系列化數據產品，并持續豐富。

國外業務化和成熟度較高的微小型SAR衛星主要技術指標如表1所示。

表1 國外典型微小型SAR衛星主要技術指標

1.3 國外微小型與大中型SAR衛星對比分析

近年來，在微小型SAR衛星蓬勃發展的同時，國外大中型SAR衛星持續進行升級換代，研制發射了未來成像體系(FIA，美國)，哨兵(Sentinel-1，歐洲，見圖5)，第二代地中海盆地衛星星座(CSG，意大利)、雷達衛星星座(RadarSat，加拿大，見圖6)、合成孔徑雷達觀測與通信衛星星座(SAOCOM，阿根廷)等新一代大中型SAR衛星星座[13-16]。

圖5 哨兵-1衛星

圖6 雷達衛星星座

對近年發射的國外典型微小型和大中型SAR衛星星座進行對比分析(見表2)，可以看出：

表2 國外典型微小型與大中型SAR衛星對比

(1)大中型SAR衛星可實現多頻多極化信息獲取、大幅寬高信噪比成像、多模式寬視角觀測，具備為多行業用戶提供高精度數據的能力，特別是在超高分辨率成像、大幅寬觀測和精準化定量化應用上具備突出優勢。

(2)微小型SAR衛星目前最高幾何分辨率已與傳統大中型衛星基本相當，在衛星總質量基本相當的條件下，可將大中型SAR衛星的天級目標重訪時間增強為小時級；但在NESZ、模糊度、多模式成像、設計壽命等方面與大中型SAR衛星存在差距，一方面需精準定位，結合應用場景進行合理設計，另一方面需進一步提高圖像質量，逐步擴大應用范圍。

(3)在充分分析大中型和微小型SAR衛星特點的基礎上，充分發揮各自優勢，實現大、中、小、微型SAR衛星協調發展。2021年12月，研制了RadarSat系列衛星的加拿大MDA公司公布了其合唱團(CHORUS)星座計劃，將與ICEYE公司合作，發揮各自優勢，構建由C頻段大中型SAR衛星和X頻段微小型SAR衛星共同構成的下一代商業地球觀測星座。

2 國內發展情況分析

目前，國內多家研究所和衛星公司也開展了微小型高分辨SAR衛星研制，已成功發射海絲一號、齊魯一號、巢湖一號等微小型SAR衛星。另外，中國空間技術研究院航天東方紅衛星有限公司、北京微納星空科技有限公司、銀河航天(北京)科技有限公司等衛星研制單位也開展了研究工作。

1)海絲一號衛星和巢湖一號衛星

海絲一號由長沙天儀空間科技研究院有限公司和中國電子科技集團三十八所聯合研制，衛星應用需求由廈門大學等單位根據海洋科學研究與遙感應用市場需要提出。衛星于2020年12月22日搭載長征八號運載火箭發射，衛星重約185 kg，軌道高度為512 km。SAR載荷為C頻段，天線采用有源相控陣體制，具備二維掃描能力，天線尺寸為4.00 m(方位向)×0.64 m(距離向)，具備聚束、滑動聚束、條帶、掃描等多種模式，其中聚束模式分辨率為1 m×1 m，幅寬為5 km×5 km；掃描模式分辨率為20 m×20 m，幅寬為120 km。

2022年2月27日，兩家單位合作研制的巢湖一號衛星發射成功，衛星是“天仙星座”的首發星，工程總體為天地信息網絡研究院(安徽)有限公司，質量285 kg，頻段為C頻段。

2)齊魯一號衛星

齊魯一號衛星是中科院重點部署項目“天基資源網絡化服務體系構建與在軌驗證”研發的首顆網絡化智能微波遙感小衛星，由中科院空天信息創新研究院作為項目總體、中科院微小衛星創新研究院作為衛星總體，聯合國家空間中心、中科大、信工所等優勢單位研制，山東產業技術研究院為用戶單位。

齊魯一號衛星于2021年4月27日搭載長征六號運載火箭發射，衛星質量192 kg，軌道高度為500 km。SAR載荷為Ku頻段，天線采用拋物面體制，極化形式為HH極化。衛星依靠整星姿態機動實現波束掃描，聚束模式分辨率為1 m×1 m。

從上述分析可以看出，我國的微小型SAR衛星發展具有多體制(相控陣和拋物面)、多頻段并行發展的特點和優勢，為后續微小型SAR衛星成體系建設和應用奠定了基礎，在輕量化水平和業務化應用存在一定差距，衛星質量相對較大，目前尚未實現規模化應用。

3 微小型SAR衛星發展建議

綜合國內外發展情況，微小型SAR衛星具有低成本、高重訪、短研制周期、技術升級快等突出優勢，具有很大的應用潛力。針對我國微小型SAR衛星，提出以下發展建議。

(1)以“試驗星+業務化”為技術路線，持續推進微小型SAR衛星星座構建

目前，美、歐、日等國家已發展了數型微小型SAR衛星，特別是以ICEYE和Capella為代表，已進入規?；瘧玫男聲r代，并不斷擴展其在軌星座數量。

在我國，一方面微小型SAR衛星處于起步階段，尚未形成業務化運行能力和規模。建議借鑒ICEYE和Capella成功經驗，采用試驗星和業務化迭代發展的技術路線，充分利用各類科技基金和商業投資，搭載發射和在軌試驗，推進微小型SAR衛星技術盡快成熟，進而推動業務化、規模化星座構建；另一方面，與國外微小SAR衛星均為X頻段相比，我國C、Ku等頻段微小SAR衛星已成功在軌運行，多頻段微小SAR衛星正在進行工程研制，使我國在該領域具備多頻段并行發展的國際領先優勢，并為繼續向輕量化、小型化發展奠定了良好的技術基礎。

(2)以“輕量化+一體化”為設計思路，持續開展微小型SAR衛星關鍵技術攻關

微小型SAR衛星集成度和輕量化要求高，必須從整星系統級開展優化設計，重點突破高收納比輕小型SAR天線設計、高功率密度能源系統設計、高集成度平臺載荷一體化設計及高分辨率圖像質量提升4個方面關鍵技術。

SAR天線質量占比高，一般占衛星總質量的30%～40%以上，尺寸大，決定了衛星的構型和發射包絡，針對拋物面體制SAR天線，開展環形桁架式天線技術研究，實現大口徑、輕質化和大收納比；針對相控陣體制SAR天線，推進收發通道、功分器、延時放大組件、波控和DC/DC電源的多功能集成和組裝設計，采用新型復合材料，降低波導陣面的結構厚度和質量。

根據微小型SAR衛星瞬時功率大、單軌工作時間短、輕量化要求高等特點，推進能量型高倍率電池和柔性太陽翼的工程應用，同時開展母線拓撲和二次電源優化設計，實現小平臺、大負載。

開展載荷平臺的深度融合和機電熱一體化設計，對平臺載荷結構剛度、壓緊、力學加強、減重進行一體化設計；從整星熱平衡角度出發統一建立熱傳導模型，并結合整星在軌使用策略、最優姿態設計等多個方面實現熱優化設計；打破傳統衛星分系統概念，實現星上電子設備的高度集成，降低星上單機結構電纜質量，并有利于整星批量總裝測試。

目前，與大中型SAR衛星相比，微小SAR衛星在NESZ、模糊度等方面存在一定差距，需在天線射頻、數字采集、成像處理等全鏈路設計開展技術攻關，實現圖像質量提升，為后續圖像的廣泛應用奠定基礎。

(3)以“網絡化+智能化”為應用方向，持續提升微小型SAR衛星體系化運用水平

大規模組網應用是微小型SAR衛星星座的生命線，高頻次、強即時性是微小型SAR衛星優勢發揮的關鍵。因此必須打破傳統SAR衛星“采集在天、成像在地”和遙感衛星單獨運行的應用方式，推進SAR遙感與互聯網和人工智能的深度融合，實現在軌成像、在軌產品生產和基于互聯網的產品快速分發，提高星座總體的運用水平和綜合效益。2020年11月，Capella公司宣布，基于其在軌運行的業務星Capella(Sequoia)安裝的數據中繼系統，實現了與Inmarsat衛星的高低軌互聯，可在全球范圍內實現快速任務上注和圖像分發，大幅提高了其響應速度。2022年8月，Capella公司公布其下一代衛星將配置高速星間鏈路，進一步降低圖像傳輸延遲。

4 結束語

微小型SAR衛星已經成為國內外競相發展的新熱點，本文對國外微小型的SAR衛星最新發展現狀和技術水平進行了分析總結，介紹了國內發展現狀和特點，并提出發展建議。未來，微小型SAR衛星將向著批量生產、規模部署和組網應用方向的發展，通過在與大中型SAR衛星、光學遙感衛星協同發展以及與互聯網衛星融合發展，開啟空間遙感應用的新格局。