寧 蔚 張潤(rùn)寧 李 芳 李志武

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星已開(kāi)始廣泛應(yīng)用于地震災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估、地震形變過(guò)程與演化規(guī)律研究等[1-4]。國(guó)際上已有多顆SAR衛(wèi)星被用于地震監(jiān)測(cè)與研究,如表1所示。利用SAR 遙感技術(shù),如SAR成像、干涉SAR(INSAR)、差分干涉SAR(D-INSAR)等,可分別獲得地震區(qū)的高分辨率圖像、數(shù)字地形圖、同震位移圖等。對(duì)于地震災(zāi)害發(fā)生前后的觀測(cè)與評(píng)估,可通過(guò)單顆SAR衛(wèi)星實(shí)現(xiàn);對(duì)于地震形變監(jiān)測(cè)、演化規(guī)律甚至預(yù)報(bào)研究,則必須通過(guò)單星雙航過(guò)、單星雙天線或衛(wèi)星編隊(duì)等干涉手段來(lái)實(shí)現(xiàn);考慮到災(zāi)害的突發(fā)性,則必須設(shè)計(jì)衛(wèi)星星座以保證衛(wèi)星的應(yīng)急觀測(cè)能力。

我國(guó)目前面臨著地震頻發(fā)的現(xiàn)實(shí),迫切需要包括SAR衛(wèi)星在內(nèi)的多種手段來(lái)處理地震問(wèn)題。由于SAR衛(wèi)星的對(duì)地觀測(cè)不受光照限制和惡劣天氣的影響,因而它在災(zāi)害發(fā)生時(shí)的快速應(yīng)急能力顯得非常突出。我國(guó)目前沒(méi)有專(zhuān)用于地震領(lǐng)域的SAR衛(wèi)星,因而非常有必要結(jié)合地震相關(guān)部門(mén)的衛(wèi)星應(yīng)用需求,開(kāi)展SAR衛(wèi)星及星座設(shè)計(jì)的總體研究。

表1 用于或可用于地震研究的雷達(dá)衛(wèi)星Table1 Radar satellites which could be used in earthquake research

2 地震應(yīng)用對(duì)SAR衛(wèi)星的基本要求

2.1 功能要求

由于SAR衛(wèi)星主要反映地表圖像信息,因而地震應(yīng)用對(duì)SAR衛(wèi)星的功能要求主要有:

1)可生成較高分辨率的圖像;

2)圖像分辨率具有多個(gè)選擇;

3)可形成數(shù)字地形圖(DEM);

4)可監(jiān)測(cè)地形形變;

5)具有快速重訪能力,災(zāi)害發(fā)生后1 天內(nèi)獲得地震災(zāi)區(qū)圖像信息。

2.2 性能要求

對(duì)SAR衛(wèi)星的技術(shù)性能指標(biāo)要求,一般而言,主要包括分辨率、幅寬、工作頻率、極化方式、衛(wèi)星重訪周期等,由于地震特殊應(yīng)用,還將包括地面高程測(cè)量精度、地形形變測(cè)量精度等。從衛(wèi)星使用角度,并從國(guó)內(nèi)外的衛(wèi)星研制能力和衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理水平的綜合情況看,以下幾個(gè)性能指標(biāo)最具代表性,同時(shí)對(duì)衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵,即:

1)最高分辨率1～2m;

2)高程測(cè)量精度5～25m(絕對(duì)),3m(相對(duì));

3)地形形變測(cè)量精度約厘米級(jí);

4)最快重訪能力24h 內(nèi);

5)地形形變監(jiān)測(cè)重訪周期最好小于10d,用于短臨預(yù)報(bào);

6)極化方式,單極化條件下傾向于垂直線極化(VV)。

3 我國(guó)民用SAR衛(wèi)星情況

即將發(fā)射的環(huán)境減災(zāi)-1C(HJ-1C)衛(wèi)星是我國(guó)環(huán)境與減災(zāi)監(jiān)測(cè)星座中的一顆SAR 星,主要應(yīng)用于環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)、國(guó)土資源普查、海洋資源監(jiān)測(cè)等。HJ-1C 衛(wèi)星的主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 HJ-1C 衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)Table2 Main technical parameters of HJ-1C satellite

從表2指標(biāo)看出,HJ-1C 衛(wèi)星能夠完成地震后的災(zāi)區(qū)圖像生成、地震前后的災(zāi)區(qū)圖像對(duì)比與災(zāi)情評(píng)估,根據(jù)目前國(guó)際上雙航過(guò)SAR 數(shù)據(jù)的D-INSAR 處理技術(shù),可實(shí)現(xiàn)地質(zhì)形變測(cè)量。但是,與上一節(jié)中的地震應(yīng)用要求相比,在分辨率和應(yīng)急響應(yīng)能力方面還存在較大差距。

4 面向地震應(yīng)用的SAR衛(wèi)星及星座總體研究

針對(duì)地震應(yīng)用,SAR衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)將突出兩個(gè)方面:第一,不斷增強(qiáng)單顆SAR衛(wèi)星的功能和技術(shù)指標(biāo),主要滿足分辨率要求和盡量增強(qiáng)重訪能力;第二,SAR衛(wèi)星組網(wǎng)飛行,包括衛(wèi)星編隊(duì)及星座化,主要滿足衛(wèi)星干涉測(cè)量、重訪能力要求。下面分別闡述SAR衛(wèi)星單星系統(tǒng)、衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)和星座系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中的重點(diǎn)問(wèn)題。

4.1 單顆SAR衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1)圖像指標(biāo)

就地震災(zāi)害監(jiān)測(cè)而言,SAR 圖像的清晰度越高越好。將分辨率從目前的4～6m 提高至1～2m。根據(jù)雷達(dá)工作原理,在其他設(shè)計(jì)條件不變的情況下,SAR 的功率孔徑若提高3～4倍,這意味著SAR 天線面積和SAR 發(fā)射功率將增加不少,同時(shí)可能帶來(lái)對(duì)衛(wèi)星能耗要求的提高。幸好,衛(wèi)星能源方面可以通過(guò)增加太陽(yáng)翼面積、加大蓄電池容量等手段實(shí)現(xiàn),甚至可與SAR 工作時(shí)間長(zhǎng)短進(jìn)行平衡設(shè)計(jì);在SAR 天線和發(fā)射機(jī)方面,我國(guó)通過(guò)HJ-1C 衛(wèi)星的研制,已掌握了研制較大面積的輕型網(wǎng)狀拋物面天線技術(shù),也已實(shí)現(xiàn)了利用多模塊集成發(fā)射大功率信號(hào)的發(fā)射機(jī)技術(shù)途徑。

2)應(yīng)急重訪能力

就地震災(zāi)害突發(fā)的緊迫性而言,單顆SAR衛(wèi)星也應(yīng)盡可能地提高重訪能力。衛(wèi)星重訪周期在軌道確定的情況下主要取決于載荷觀測(cè)帶寬。一般的SAR衛(wèi)星通過(guò)天線機(jī)械側(cè)擺或相控側(cè)擺,已具備了較大的可觀測(cè)帶寬,但往往是單側(cè)視觀測(cè),因此如能將SAR衛(wèi)星改為左右雙側(cè)視,則可觀測(cè)帶寬能提高為原來(lái)的2倍。根據(jù)仿真與分析,通過(guò)SAR 雙側(cè)視設(shè)計(jì),可將4d 的重訪周期加快至3d,如圖1所示,實(shí)線條代表升軌覆蓋區(qū)域,虛線條代表降軌覆蓋區(qū)域。對(duì)于SAR 左右雙側(cè)視技術(shù)的實(shí)現(xiàn),可通過(guò)衛(wèi)星姿態(tài)控制整星旋轉(zhuǎn)或滾動(dòng)來(lái)完成,也可通過(guò)SAR 天線轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)完成,當(dāng)考慮降低熱控復(fù)雜度和左右側(cè)視同等重要的情況下,認(rèn)為通過(guò)SAR 天線轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)左右雙側(cè)視是較為合理的。

圖1 一個(gè)回歸(重復(fù))周期內(nèi)兩條相鄰軌跡分布和有效載荷觀測(cè)范圍示意Fig.1 Sketch of satellite track distribution and SAR observation range during one regression period

3)多種分辨率設(shè)計(jì)

根據(jù)地震監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要,單星系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)具備多種分辨率觀測(cè)方式,如:

(1)高分辨率1～2m ,適用于地震災(zāi)區(qū)的詳細(xì)觀測(cè),尤其是人口密集的災(zāi)區(qū),可觀測(cè)地面人員分布情況、房屋破壞程度等,對(duì)應(yīng)幅寬約8～20km(在500km 軌道高度條件下,以下同)。可通過(guò)聚束模式或條帶模式實(shí)現(xiàn),若采用聚束模式,則能較好地利用發(fā)射主瓣功率,但需要具備靈活穩(wěn)定的波束指向能力。

(2)中分辨率8～10m,適用于地震災(zāi)區(qū)房屋倒塌、道路破壞等的大范圍觀測(cè),對(duì)應(yīng)幅寬50～75km。通過(guò)掃描模式實(shí)現(xiàn)。

(3)低分辨率約30m,進(jìn)一步擴(kuò)大觀測(cè)幅寬至130km 以上,用于地震后快速大范圍地觀測(cè)房屋、基礎(chǔ)設(shè)施、生命線工程等。通過(guò)掃描模式實(shí)現(xiàn)。

以上3 種分辨率觀測(cè)方式,由于分別采用了不同長(zhǎng)度的合成孔徑時(shí)間和波束組合形式,因此一般情況下不會(huì)同時(shí)進(jìn)行3 種方式觀測(cè)。

4.2 SAR衛(wèi)星編隊(duì)干涉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SAR衛(wèi)星編隊(duì)干涉測(cè)量,對(duì)于地震應(yīng)用而言,主要用于獲取并積累DEM 數(shù)據(jù),并利用差分干涉條件監(jiān)測(cè)地形形變。地形形變信息不僅能在地震后反映出地震前后的地形變化,還可用于地震前作臨震預(yù)測(cè)。關(guān)于SAR衛(wèi)星編隊(duì)干涉的研究在近些年已成為國(guó)內(nèi)外熱點(diǎn),并正逐步成為現(xiàn)實(shí)。本文主要介紹SAR衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)中的編隊(duì)形式、基線測(cè)量和干涉測(cè)量性能分析等。

1)編隊(duì)形式選擇

從有利于信號(hào)相干性角度考慮,采用SAR衛(wèi)星編隊(duì)形式較好。一般來(lái)說(shuō),編隊(duì)形式基本上有兩種,以?xún)深w星為例(見(jiàn)圖2),第一種形式是,兩星的軌道基本一致,但在軌道傾角或近地點(diǎn)幅角有細(xì)微差別,兩星間距約幾千米,形成相互繞飛的編隊(duì)形式[5-6];第二種形式是,兩星的軌道完全一致,兩星間距數(shù)十千米甚至上百千米,形成前后跟飛的編隊(duì)形式。前一種模式,由于飛行間距較近,對(duì)兩星雷達(dá)天線的指向、雷達(dá)信號(hào)的發(fā)射和接收需要嚴(yán)密配合,并且一致性要求很高,同時(shí)近距衛(wèi)星編隊(duì)還需考慮飛行的安全性(即防撞要求);而后一種模式,由于飛行間距較遠(yuǎn),對(duì)兩星的實(shí)時(shí)配合要求不高,且飛行安全性問(wèn)題沒(méi)有前一模式嚴(yán)峻。

圖2 SAR衛(wèi)星編隊(duì)形式Fig.2 SAR satellite formation

從簡(jiǎn)化衛(wèi)星編隊(duì)構(gòu)形設(shè)計(jì)、降低星間同步指標(biāo)要求、減小近距編隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)、同時(shí)保證滿足任務(wù)需求等因素考慮,采用編隊(duì)間距較遠(yuǎn)的構(gòu)形是目前較為實(shí)際的設(shè)計(jì)選擇。德國(guó)的Tandem-X 計(jì)劃將于近期發(fā)射,該計(jì)劃將完成兩顆SAR衛(wèi)星近距離編隊(duì)飛行,生成全球高質(zhì)量的DEM ,附加實(shí)現(xiàn)沿航跡干涉測(cè)量(AT I)功能,它的在軌編隊(duì)形式及測(cè)量效果將具有重要的參考價(jià)值。

2)基線測(cè)量

干涉測(cè)量中的絕對(duì)高程測(cè)量誤差主要由H (衛(wèi)星高度)、B(星間基線)、α(基線傾角)、r1(目標(biāo)到衛(wèi)星距離)、Δφ(星間干涉相位)等5個(gè)量的誤差導(dǎo)致而成,其中基線測(cè)量誤差影響最大[7-8]。利用HJ-1C 衛(wèi)星軌道參數(shù),以下視角36°、基線1.5km為例,各參數(shù)對(duì)高程h 的誤差傳播系數(shù)計(jì)算如表3所示?？梢?jiàn),影響測(cè)高精度的最主要因素是基線傾角α和基線長(zhǎng)度B 的測(cè)量誤差。

表3 高程測(cè)量誤差傳播系數(shù)Table3 Elevation measuring error coefficients

目前基線測(cè)量的方法主要采用GPS 相對(duì)定位,其他方法如無(wú)線測(cè)量、紅外測(cè)量、激光測(cè)量等由于多普勒效應(yīng),或需要反射配合,或精度較差等原因而較少采用。目前國(guó)內(nèi)雙頻GPS的事后定位精度在厘米量級(jí),這對(duì)干涉測(cè)量來(lái)說(shuō)已是一個(gè)非常好的測(cè)量條件,下文將舉例分析。

3)差分干涉形變測(cè)量性能分析

如果在兩次觀測(cè)期間地表發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí),干涉測(cè)量所探測(cè)到的相位變化不僅僅是因?yàn)榈匦胃叨?其中也包含了由于地表變化帶來(lái)的相位變化φdisplacement,如圖3所示。

圖3 兩次成像期間地表發(fā)生位移時(shí)干涉測(cè)量示意圖Fig.3 Sketch of earth surface displacement betw een two SAR imagings

式中Δrd_los表示兩次觀測(cè)之間在雷達(dá)視線方向發(fā)生的位移量;λ為波長(zhǎng)。

對(duì)同一地區(qū)不同時(shí)間的兩幅干涉圖進(jìn)行差分,消除地形的影響,則可探測(cè)到地表的形變信息。從雷達(dá)干涉處理得到的相位中消除地形影響,其最理想的方法是,采用零基線數(shù)據(jù),此時(shí)測(cè)量的相位中不包含地形影響,但實(shí)際中無(wú)法實(shí)現(xiàn)零基線。通常獲取地形形變的方法是多通法,即采用同一地區(qū)三幅或三幅以上的SAR 圖像進(jìn)行差分干涉處理,生成由地表形變產(chǎn)生的干涉相位φdisplacement。其中,要求有兩幅SAR 圖像是地表形變前獲取的,其他SAR 圖像可以是形變后獲取的。以三通法為例,介紹差分干涉測(cè)量原理,幾何關(guān)系如圖4所示。

圖4 三通模式地表形變測(cè)量示意圖Fig.4 Sketch of earth surface displacement during three SAR imaging periods

圖中S1 和S2為地表形變前成像時(shí)的雷達(dá)位置,S3為形變后成像時(shí)的雷達(dá)位置。S1 和S2 兩次觀測(cè)的干涉相位φ12只包含地形高度信息φtop,可表示為

S1 和S3 兩次觀測(cè)的干涉相位φ13 即包含地形高度信息還包含地表形變信息,可表示為

比較式(2)與式(3)后可以得到地表形變?cè)谛本嘞虻姆至喀d_los

設(shè)國(guó)內(nèi)星載雙頻GPS 定軌精度在5～10cm 之間,因此兩星基線參數(shù)估計(jì)可達(dá)到的精度約15cm。利用HJ-1C 衛(wèi)星軌道參數(shù),并考慮工程技術(shù)水平的能力,對(duì)干涉SAR 性能進(jìn)行仿真,具體參數(shù)見(jiàn)表4。

根據(jù)仿真參數(shù),計(jì)算視角范圍內(nèi)相對(duì)高程測(cè)量精度和地形形變測(cè)量精度,結(jié)果如圖5、6所示。從仿真結(jié)果看,相對(duì)測(cè)高精度優(yōu)于1.5m,地形形變測(cè)量精度在mm 量級(jí)。

表4 干涉SAR 仿真參數(shù)Table4 INSAR emulating parameters

圖5 相對(duì)高程測(cè)量精度隨視角變化Fig.5 Relative height accuracy change with look angle

圖6 地形形變測(cè)量精度隨視角變化Fig.6 Def ormation accuracy change with look angle

4.3 SAR衛(wèi)星星座系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SAR衛(wèi)星星座設(shè)計(jì),就是為滿足地震的應(yīng)急響應(yīng)、快速重訪、地形形變監(jiān)測(cè)等要求。地震發(fā)生后,衛(wèi)星的第一觀測(cè)時(shí)間要在數(shù)小時(shí)以?xún)?nèi),最晚不得超過(guò)24h,其后的重訪周期為24h。在日常的地形形變監(jiān)測(cè)過(guò)程中,由于地震前可能出現(xiàn)地形輕微形變的征兆,因此對(duì)地形形變監(jiān)測(cè)的周期應(yīng)與短臨周期相對(duì)應(yīng),約10d 左右,一旦發(fā)現(xiàn)某地震疑似地區(qū),則須每天觀測(cè)該區(qū)域1次。

通過(guò)SAR衛(wèi)星星座,可將重訪能力從幾天提高至十幾小時(shí)。例如,仍采用HJ-1C 衛(wèi)星軌道參數(shù),晨昏太陽(yáng)同步軌道,軌道高度約為500km ,4顆星在同一軌道面內(nèi)均勻分布,如圖7(a)所示,每顆星均采用SAR 左右雙側(cè)視模式設(shè)計(jì),則星座的國(guó)土覆蓋周期為9d,重訪周期為18h,即保證當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害發(fā)生后最晚不超過(guò)18h可獲得SAR 圖像數(shù)據(jù)?？紤]地形形變監(jiān)測(cè)要求,將4顆衛(wèi)星分成兩組干涉編隊(duì),相位差180°,如圖7(b)所示,則可實(shí)現(xiàn)10d 完成國(guó)土約99%的DEM 測(cè)量(以幅寬130km 計(jì)),國(guó)土重訪能力約1.4d,可見(jiàn)重訪能力由于編隊(duì)形式而有所下降。如仍采用兩兩編隊(duì)的形式組網(wǎng),則實(shí)現(xiàn)1d 重訪的途徑有兩種,一是增加1 組衛(wèi)星,二是將衛(wèi)星軌道高度增至約900km,顯然這兩種途徑都會(huì)增加衛(wèi)星成本。令人鼓舞的是,衛(wèi)星具有變軌特性,因此完全可利用衛(wèi)星變軌調(diào)整組網(wǎng)形式,同樣能達(dá)到地震應(yīng)用的需要。例如,4顆星發(fā)射部署完成后,先采用兩兩編隊(duì)的形式開(kāi)展10～15d 的國(guó)土DEM 數(shù)據(jù)獲取,然后變軌為4顆星均勻分布,以后每隔一年進(jìn)行1次為期10～15d 的編隊(duì)組網(wǎng)干涉測(cè)量,用以更新DEM 數(shù)據(jù)。這樣在每年內(nèi),除了衛(wèi)星兩兩編隊(duì)期間重訪周期為1.4d 外,其他時(shí)間均能既保證衛(wèi)星星座的1d 重訪周期,又能實(shí)現(xiàn)10d 的地形形變監(jiān)測(cè)周期。

圖7 SAR衛(wèi)星星座示意圖Fig.7 SAR satellite constellation sketch

5 總結(jié)

在地震監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)的科學(xué)研究過(guò)程中,SAR衛(wèi)星是一種重要的信息獲取手段。面對(duì)我國(guó)地震災(zāi)害頻發(fā)的實(shí)際情況,SAR衛(wèi)星建設(shè)必須不斷提高在地震災(zāi)害中的應(yīng)急觀測(cè)能力、以及用于地震規(guī)律研究與預(yù)報(bào)所需高精度數(shù)據(jù)的獲取能力。本文基于我國(guó)SAR衛(wèi)星工程研制技術(shù)與應(yīng)用水平,在高分辨率SAR、干涉測(cè)量、衛(wèi)星編隊(duì)與組網(wǎng)、重訪能力等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)論證,可為針對(duì)地震應(yīng)用的SAR衛(wèi)星及星座設(shè)計(jì)提供參考。

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