● 文|中國空間技術研究院 賈世宇 宋旸

德國在軌雷達成像衛(wèi)星商業(yè)競爭力升級

● 文|中國空間技術研究院 賈世宇 宋旸

德國目前共有兩顆民商用高分辨率雷達成像衛(wèi)星在軌，分別是2007年發(fā)射的“X頻段陸地合成孔徑雷達”（TerraSAR-X）衛(wèi)星和2010年發(fā)射的“陸地合成孔徑雷達-數(shù)字高程模型-X”（TanDEM-X）衛(wèi)星。這兩顆衛(wèi)星有效載荷相同，最高分辨率均為1m×1.2m（方位向×距離向），共同組成高分辨率干涉測量X頻段合成孔徑雷達衛(wèi)星星座。最近，據(jù)國外媒體報道，TerraSAR-X衛(wèi)星完成了任務擴展，能力大幅提升，最高分辨率已達到0.25m。而同期德國航空航天中心（DLR）也聲明德國政府將不對商業(yè)出售的對地觀測數(shù)據(jù)分辨率做嚴格限制。這一旦成為現(xiàn)實，將極大地提升德國在軌雷達成像衛(wèi)星的商業(yè)競爭力。筆者認為這兩事件或存在內部關聯(lián)，本文中進行相關分析。

一、TerraSAR-X衛(wèi)星在軌運營6年后增添新成像模式

TerraSAR-X衛(wèi)星設計壽命5年，截至2013年底已超期服役18個月。據(jù)衛(wèi)星運管工程師計算，星上剩余燃料還足夠支撐衛(wèi)星繼續(xù)服役至2015年。最近，經(jīng)過工程人員的技術升級和在軌測試，這顆已經(jīng)超期服役的衛(wèi)星在壽命末期又煥發(fā)了新的生機。

2013年10月，阿斯特留姆（Astrium）公司宣布完成對其已在軌運行6年的TerraSAR-X衛(wèi)星的升級工作，使該衛(wèi)星成像模式從原來的4種增加至現(xiàn)在的6種。新增的兩種成像模式分別是寬掃描（Wide ScanSAR）模式和凝視聚束（Staring Spotlight）模式，分別相應地提高了TerraSAR-X衛(wèi)星的地面覆蓋范圍和成像分辨率。表1給出了目前TerraSAR-X衛(wèi)星的6種成像模式對比結果。

表1 TerraSAR-X衛(wèi)星成像能力

在新的寬掃描模式下，TerraSAR-X衛(wèi)星方位向分辨率為40m。由于掃描成像波束數(shù)從原來的4波束增加至目前的6波束，地面幅寬從原來的100km提高到270km。這使得TerraSAR-X衛(wèi)星單軌成像的最大地面覆蓋范圍高達4×105km2，超過歐洲北海面積的一半。寬掃描成像模式已于2013年10月1日實現(xiàn)在軌運行，其廣域覆蓋和全天候成像能力使得TerraSAR-X衛(wèi)星在海上船舶探測與跟蹤、漏油檢測及海冰監(jiān)測方面的能力大幅提升，進而能夠用于改善全球海洋活動的安全性。圖1是TerraSAR-X衛(wèi)星以寬掃描模式拍攝的波的尼亞灣（Gulf of Bothnia）圖像。

>>>圖1 TerraSAR-X衛(wèi)星寬掃描模式波的尼亞灣圖像

TerraSAR-X衛(wèi)星原來的聚束模式為滑動聚束（Sliding Spotlight）成像，其方位向波束轉向角范圍是±0.75°。在新的凝視聚束模式下，通過將TerraSAR-X衛(wèi)星方位向波束轉向角范圍擴展至±2.2°，使方位向波束在對地成像過程中始終指向成像區(qū)域中心，延長了雷達波束駐留時間，相當于變相地增加了雷達孔徑，從而大幅提升方位向分辨率，最高可達0.25m，優(yōu)于目前在軌的其他任何商業(yè)衛(wèi)星雷達成像系統(tǒng)。這種超高分辨率配合多次成像改進輻射測量質量，使遙感圖像紋理細節(jié)更清晰，信噪比更高，推動TerraSAR-X衛(wèi)星對小尺寸目標的探測能力從“識別”（Recognition）躍升至“確認”（Identification）。凝視聚束成像模式已于2013年11月15日實現(xiàn)在軌運行，主要用于辨識車輛、船舶和飛機等目標。圖2是TerraSAR-X衛(wèi)星以高分辨率聚束模式和凝視聚束模式對挪威利勒斯特羅姆（Lillestroem）地區(qū)成像的效果對比圖。從圖中可以看出，新的凝視聚束模式圖像分辨率更高，細節(jié)紋理更加清晰，而且圖像信噪比有了大幅提升。

>>>圖2 TerraSAR-X衛(wèi)星高分辨率聚束模式（上）和凝視聚束模式（下）利勒斯特羅姆地區(qū)成像比對

“這兩種新的成像模式將有助于我們更好地為客戶提供服務，尤其是在防務安全和海洋監(jiān)視領域發(fā)揮更大效能?！?Astrium公司地理信息業(yè)務部門總經(jīng)理瓦爾克·海爾弗里茨（VarkHelfritz）博士說，“同時，新成像模式也將應用到計劃于2014年發(fā)射的西班牙‘帕斯’（PAZ）衛(wèi)星上。PAZ衛(wèi)星與TerraSAR-X以及TanDEM-X衛(wèi)星形成星座，可以提高重訪周期，增加地面覆蓋范圍，從而支持全天候、廣域覆蓋的監(jiān)測任務?！?/p>

二、德國不對商業(yè)銷售對地觀測數(shù)據(jù)分辨率做嚴格限制

TerrsSAR-X衛(wèi)星新成像模式使其技術指標大幅領先其他在軌的商業(yè)雷達成像衛(wèi)星，但技術能力優(yōu)勢能否轉化為商業(yè)市場競爭力要取決于德國天基對地觀測數(shù)據(jù)政策是否允許Astrium公司對外銷售其高達0.25m分辨率的雷達圖像。對地觀測數(shù)據(jù)政策是銜接天基對地觀測技術和天基對地觀測應用的關鍵中樞節(jié)點。自2013年8月以來，美國數(shù)字全球（DigitalGlobe）公司和法國泰雷茲（Thales）公司相繼試圖說服本國政府將商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)分辨率限制降低至0.25m，以進一步激活天基對地觀測數(shù)據(jù)應用市場，并提高企業(yè)市場競爭力。

與美、法等國政府尚在討論是否放寬商業(yè)銷售數(shù)據(jù)政策不同，德國DLR在TerraSAR-X衛(wèi)星完成能力升級后即發(fā)布聲明，表示德國政府不對商業(yè)銷售的對地觀測圖像分辨率做嚴格限制。德國天基對地觀測數(shù)據(jù)的銷售和分發(fā)受德國《衛(wèi)星數(shù)據(jù)安全法案》（SatDSiG）管理。2007年底，德國頒布并開始執(zhí)行《衛(wèi)星數(shù)據(jù)安全法案》，用于鼓勵德國公司發(fā)展衛(wèi)星數(shù)據(jù)、相關產(chǎn)品和地理信息的商業(yè)市場，同時確保德國公司提供的“高等級”（High Grade）天基對地觀測數(shù)據(jù)不會損害國家安全和外交利益。該法案的核心內容是要求德國公司在銷售和分發(fā)“高等級”數(shù)據(jù)時必須執(zhí)行一套嚴格的兩級控制程序。

《衛(wèi)星數(shù)據(jù)安全法案》的適用范圍僅限于具有高分辨率成像能力的非軍用對地觀測衛(wèi)星，新近完成能力升級的TerraSAR-X恰在此列，因此商業(yè)用戶和科研用戶在申請TerraSAR-X雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)時都要接受數(shù)據(jù)敏感性檢查。德國聯(lián)邦經(jīng)濟與出口管制辦公室（BAFA）以信息內容、成像區(qū)域、訂購人員和時間范圍等參數(shù)為判據(jù)對用戶申請的數(shù)據(jù)進行分類。判定為非敏感的數(shù)據(jù)，Astrium公司可以直接分發(fā)給用戶；判定為敏感的數(shù)據(jù)，則要經(jīng)BAFA批準后才能完成銷售和分發(fā)。圖3給出了德國“高等級”天基對地觀測數(shù)據(jù)分發(fā)程序。從圖中可以看出，這些程序沒有對德國可進行商業(yè)銷售的天基對地觀測數(shù)據(jù)在分辨率方面做嚴格限制。但也要看到，越是“高等級”的數(shù)據(jù)，其銷售和分發(fā)面臨的檢查和限制越嚴格。

>>>圖3 德國“高等級”天基對地觀測數(shù)據(jù)分發(fā)流程

三、結論

TerraSAR-X衛(wèi)星在發(fā)射時并未設計寬掃描和凝視聚束兩種成像模式，但隨著衛(wèi)星成像技術的發(fā)展和成熟，通過地面指令控制和在軌測試，最終實現(xiàn)了在軌衛(wèi)星的能力升級。在超期服役的衛(wèi)星上測試并正式運行新的成像機制具有重要意義。一方面，這種模式大幅提升了德國在軌雷達成像衛(wèi)星的技術優(yōu)勢；另一方面，利用超期服役的衛(wèi)星測試并驗證新的成像機制，可以降低新研衛(wèi)星應用新技術機制的風險。與此同時，德國政府明確表示不對商業(yè)銷售的天基對地觀測數(shù)據(jù)分辨率做嚴格限制，這為TerraSAR-X衛(wèi)星從技術能力領先向市場應用領先轉化提供了政策保證，最終將促使德國在軌雷達成像衛(wèi)星商業(yè)競爭力大幅升級。