徐冰 （北京空間科技信息研究所）

歐洲雷達(dá)成像衛(wèi)星系統(tǒng)最新發(fā)展

徐冰 （北京空間科技信息研究所）

Development of European Radar Imaging Satellite System

歐洲在發(fā)展雷達(dá)成像衛(wèi)星方面以德國(guó)、意大利、西班牙以及歐洲航天局為代表。在雷達(dá)成像衛(wèi)星發(fā)展方面各具特色，德國(guó)傾向于軍、民用系統(tǒng)分立發(fā)展；意大利側(cè)重于發(fā)展軍民共用系統(tǒng)；西班牙起步較晚，主要借助德國(guó)民商共用系統(tǒng)的發(fā)展策略（公私合營(yíng)）和成熟技術(shù)；歐洲航天局則在“哥白尼”計(jì)劃下發(fā)展哨兵－1（Sentinel－1）系列雷達(dá)成像衛(wèi)星。歐洲現(xiàn)役雷達(dá)成像衛(wèi)星能力較為先進(jìn)，成像模式多樣化，最高分辨率達(dá)到0.25m。

1 德國(guó)同步發(fā)展下一代軍、民雷達(dá)成像衛(wèi)星星座系統(tǒng)

下一代軍用雷達(dá)成像衛(wèi)星系統(tǒng)

鑒于“合成孔徑雷達(dá)-放大鏡”（SAR-Lupe）系統(tǒng)在服役期間發(fā)揮的重要作用，以及為了保持偵察情報(bào)的連續(xù)性，德國(guó)開始發(fā)展下一代軍用雷達(dá)成像衛(wèi)星系統(tǒng)—SARah。SARah衛(wèi)星由兩家公司共同研制，主承包商德國(guó)不萊梅軌道高技術(shù)系統(tǒng)股份公司（OHB）負(fù)責(zé)研制2顆被動(dòng)衛(wèi)星，空客防務(wù)與航天公司（ADS）負(fù)責(zé)研制1顆主動(dòng)衛(wèi)星，計(jì)劃于2019年前后完成衛(wèi)星部署，將加入歐洲“多國(guó)天基成像系統(tǒng)”（MUSIS）。SARah系統(tǒng)延續(xù)了其上一代“合成孔徑雷達(dá)-放大鏡”系統(tǒng)的目標(biāo)、用途和發(fā)展方式，但在星座配置、技術(shù)水平和服務(wù)能力等方面將有所改變和提升。

1）星座設(shè)計(jì)。與“合成孔徑雷達(dá)-放大鏡”系統(tǒng)的5星星座設(shè)計(jì)不同，SARah系統(tǒng)由3顆編隊(duì)飛行的衛(wèi)星組成，其中一顆為SARah主動(dòng)衛(wèi)星（SARah-Aktiv），采用相控陣天線，負(fù)責(zé)向地表發(fā)射雷達(dá)信號(hào)，另外2顆為SARah被動(dòng)衛(wèi)星（SARah-Passiv），均采用與第一代“合成孔徑雷達(dá)-放大鏡”衛(wèi)星類似的拋物反射面天線，用于接收經(jīng)過地表散射的雷達(dá)信號(hào)。

2）系統(tǒng)與載荷能力。SARah主動(dòng)衛(wèi)星與“合成孔徑雷達(dá)-放大鏡”在衛(wèi)星構(gòu)型上差異較大，SARah系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)合了第一代“合成孔徑雷達(dá)-放大鏡”系統(tǒng)和陸地合成孔徑雷達(dá)-X雙星系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)在提高空間分辨率（可優(yōu)于0.5m）的同時(shí)，利用陸地合成孔徑雷達(dá)-X雙星任務(wù)采用的編隊(duì)飛行控制技術(shù)和干涉合成孔徑雷達(dá)（InSAR）技術(shù)，通過被動(dòng)衛(wèi)星的不同編隊(duì)飛行模式可實(shí)現(xiàn)多種基于合成孔徑雷達(dá)的干涉工作模式，包括數(shù)字高程模型和移動(dòng)目標(biāo)指示等。主動(dòng)和被動(dòng)衛(wèi)星相結(jié)合的空間配置將充分增強(qiáng)整個(gè)星座系統(tǒng)的有效性。

下一代民商用雷達(dá)成像衛(wèi)星系統(tǒng)

2009年，德國(guó)開始定義下一代陸地合成孔徑雷達(dá)-X項(xiàng)目（陸地合成孔徑雷達(dá)-X NG），同樣也采用公私合營(yíng)的發(fā)展方式，由空客防務(wù)與航天公司負(fù)責(zé)研制，計(jì)劃于2018年發(fā)射。陸地合成孔徑雷達(dá)-X NG衛(wèi)星的目的是接替陸地合成孔徑雷達(dá)-X，保持?jǐn)?shù)據(jù)獲取和服務(wù)的連續(xù)性一直到2025年后。

1）星座設(shè)計(jì)。德國(guó)的陸地合成孔徑雷達(dá)-X NG衛(wèi)星僅規(guī)劃了1顆，但多年來在商業(yè)雷達(dá)領(lǐng)域積累的經(jīng)驗(yàn)以及用戶的反饋，促使陸地合成孔徑雷達(dá)-NG基于“協(xié)同星座概念”（CCC）運(yùn)行。與單星相比，“協(xié)同星座”的優(yōu)勢(shì)在于每一方都擁有星座的一部分，合作方可以共擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)、分享利益?！芭疗潯保≒AZ）衛(wèi)星發(fā)射后，與陸地合成孔徑雷達(dá)-X和陸地合成孔徑雷達(dá)-數(shù)字高程模型-X組成的星座將對(duì)“協(xié)同星座概念”進(jìn)行初始驗(yàn)證。

空客防務(wù)與航天公司與西班牙衛(wèi)星服務(wù)戰(zhàn)略（Hisdesat）公司將利用陸地合成孔徑雷達(dá)-X、陸地合成孔徑雷達(dá)-數(shù)字高程模型-X和“帕茲”衛(wèi)星，以及未來發(fā)射的陸地合成孔徑雷達(dá)-X NG構(gòu)建“協(xié)同星座”，通過更快的重訪和更強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集能力，增強(qiáng)時(shí)效性高、廣域覆蓋的應(yīng)用能力。

2）系統(tǒng)與載荷能力。陸地合成孔徑雷達(dá)-X NG衛(wèi)星將部署在目前陸地合成孔徑雷達(dá)-X的運(yùn)行軌道，設(shè)計(jì)壽命9.5年，比陸地合成孔徑雷達(dá)-X提高了近一倍。這兩代衛(wèi)星在構(gòu)型上差異較大，但與SARah系統(tǒng)極為相似。

陸地合成孔徑雷達(dá)－X NG的合成孔徑雷達(dá)載荷代表了星載合成孔徑雷達(dá)取得的重大進(jìn)步，與上一代相比不僅分辨率提高，幅寬增大，而且通過采用電波束控制技術(shù)增強(qiáng)敏捷性。陸地合成孔徑雷達(dá)-X NG衛(wèi)星具有3種成像模式，分別為高分辨率聚束模式、條帶模式和步進(jìn)掃描對(duì)地觀測(cè)模式（TOPS），且3種模式下都具有多方位相位中心（MAPS）處理能力。聚束模式包括凝視聚束和滑動(dòng)聚束兩種，條帶模式可連續(xù)成像長(zhǎng)達(dá)1500km，特別適用于大范圍監(jiān)控和熱點(diǎn)地區(qū)探測(cè)。步進(jìn)掃描對(duì)地觀測(cè)模式可達(dá)到400km大幅寬，特別適合于廣域海上監(jiān)視。此外還增加船只發(fā)現(xiàn)模式，可用于探測(cè)長(zhǎng)度超過25m的船只，虛警率非常低。與上一代僅有單極化和雙極化相比，陸地合成孔徑雷達(dá)-X NG衛(wèi)星的極化方式更為多樣化，單極化、雙極化、交叉極化和全極化都具備。

2 意大利開始發(fā)展下一代軍民兩用雷達(dá)成像衛(wèi)星星座系統(tǒng)

目前，意大利正在發(fā)展第二代“地中海盆地觀測(cè)小衛(wèi)星星座”（CSG）系統(tǒng)，雖然僅由意大利國(guó)防部投資，但仍作為軍民兩用系統(tǒng)接替現(xiàn)役“地中海盆地觀測(cè)小衛(wèi)星星座”系統(tǒng)提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，由泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）研制，將加入歐洲多國(guó)天基成像系統(tǒng)。

1）星座設(shè)計(jì)。意大利原本計(jì)劃發(fā)展4星星座，但因資金問題被迫發(fā)展2星星座，目前僅為研制首顆衛(wèi)星及采購(gòu)第二顆衛(wèi)星部分組件提供預(yù)算支持，分別計(jì)劃于2018年和2019年發(fā)射。

2）系統(tǒng)與載荷能力。第二代“地中海盆地觀測(cè)小衛(wèi)星星座”衛(wèi)星發(fā)射后，將部署在現(xiàn)役第一代衛(wèi)星的運(yùn)行軌道，2顆衛(wèi)星將運(yùn)行于同一軌道面，提高重訪率。第二代與第一代“地中海盆地觀測(cè)小衛(wèi)星星座”在衛(wèi)星構(gòu)型上極為相似，姿態(tài)敏捷性、存儲(chǔ)容量、下傳速率等平臺(tái)性能得到提升。

第二代“地中海盆地觀測(cè)小衛(wèi)星星座”衛(wèi)星載有X頻段合成孔徑雷達(dá)載荷，在成像模式上延續(xù)上一代衛(wèi)星的聚束、條帶和掃描模式，但在極化方式上增加了雙極化和全極化，分辨率更高，幅寬更大，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)獲取的多樣性。第二代“地中海盆地觀測(cè)小衛(wèi)星星座”衛(wèi)星具有窄幅和寬幅兩類成像模式，窄幅只對(duì)應(yīng)聚束成像模式，聚束模式又可細(xì)分為極高分辨率和高分辨率兩類，每類都有單極化和雙極化兩類。寬幅對(duì)應(yīng)條帶和掃描兩種成像模式。除了極高分辨率的聚束模式只用于軍用外，其他模式均為軍民兩用。

與上一代相比，第二代“地中海盆地觀測(cè)小衛(wèi)星星座”系統(tǒng)設(shè)計(jì)有所取舍：在寬幅掃描模式下，第二代星座可在10天內(nèi)完成一次全球覆蓋，第一代系統(tǒng)則需要14天。但由于衛(wèi)星數(shù)量的減少，第二代星座系統(tǒng)在緊急狀態(tài)下對(duì)于任意目標(biāo)的響應(yīng)時(shí)間增加至36h（最長(zhǎng)時(shí)間），而第一代系統(tǒng)僅需要12h。

陸地合成孔徑雷達(dá)-X NG衛(wèi)星成像模式

3 西班牙首顆雷達(dá)成像衛(wèi)星整裝待發(fā)

西班牙在國(guó)家整體的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃下發(fā)展雷達(dá)成像衛(wèi)星“帕茲”，由西班牙國(guó)防部所有并投資開發(fā)，作為一顆軍民兩用衛(wèi)星，主要用于滿足西班牙的國(guó)防和安全需求。在發(fā)展方式上，“帕茲”衛(wèi)星借鑒了陸地合成孔徑雷達(dá)-X的公私合營(yíng)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能指標(biāo)方面與德國(guó)陸地合成孔徑雷達(dá)-X衛(wèi)星極其相似。“帕茲”衛(wèi)星計(jì)劃于2017年發(fā)射，將加入歐洲多國(guó)天基成像系統(tǒng)。

1）星座設(shè)計(jì)?！芭疗潯毙l(wèi)星發(fā)射后將進(jìn)入陸地合成孔徑雷達(dá)-X雙星軌道面，與其組成星座，驗(yàn)證基于“協(xié)同星座概念”的合作模式。

2）系統(tǒng)與載荷能力?！芭疗潯毙l(wèi)星載有X頻段SAR，具有高分辨率聚束、聚束、條帶和掃描SAR四種成像模式，能夠提供不同分辨率、不同幅寬的SAR圖像，具有多模式、多極化、左視或右視等靈活成像能力。

4 歐洲航天局已授出后續(xù)研制合同，保持?jǐn)?shù)據(jù)的連續(xù)性

2015年12月15日，歐洲航天局再次選擇泰雷茲-阿萊尼亞航天公司作為主承包商，為其研制2顆哨兵－1C、1D衛(wèi)星，合同價(jià)格為4億歐元。這2顆衛(wèi)星與已發(fā)射的哨兵－1衛(wèi)星基本相同，計(jì)劃于2021年后發(fā)射，屆時(shí)將接替現(xiàn)役衛(wèi)星，確保未來15年雷達(dá)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

目前，原計(jì)劃的2顆哨兵－1衛(wèi)星已經(jīng)部署完成，在同一軌道面上組成觀測(cè)星座，相位相差180°，雙星可以在6天內(nèi)覆蓋全球，提高全球氣候變化數(shù)據(jù)的時(shí)效性。哨兵－1衛(wèi)星能提供高分辨率和中分辨率陸地、沿海和冰的測(cè)量數(shù)據(jù)，全天候成像能力與雷達(dá)干涉測(cè)量能力相結(jié)合，能夠?qū)Φ乇砦⑿⌒巫冞M(jìn)行精細(xì)化探測(cè)，為地球環(huán)境管理方式帶來巨大變革。哨兵－1衛(wèi)星載有C頻段合成孔徑雷達(dá)，具有以下4種成像模式：

第二代“地中海盆地觀測(cè)小衛(wèi)星星座”衛(wèi)星成像模式

“帕茲”衛(wèi)星成像模式

1）干涉寬幅模式。分辨率5m×20m，幅寬250km，每軌最長(zhǎng)工作25min，主要用于陸地觀測(cè)，通過歐洲航天局提出的步進(jìn)掃描對(duì)地觀測(cè)模式來實(shí)現(xiàn)。

2）波模式。分辨率5m×5m，沿軌每間隔100km采樣圖像大小為20km×20km，主要用于海洋觀測(cè)。

3）超寬幅模式。分辨率20m×40m，幅寬400km，該模式也具有步進(jìn)掃描對(duì)地觀測(cè)模式能力。

4）條帶模式。分辨率5m×5m，幅寬80km，6個(gè)重復(fù)的測(cè)量條帶能覆蓋所要求的375km的范圍。

5 小結(jié)

歐洲的下一代雷達(dá)成像衛(wèi)星系統(tǒng)以滿足目前及未來的需求為目標(biāo)，受益于近年來星載雷達(dá)技術(shù)水平的不斷提升，在星座設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能、載荷能力、產(chǎn)品多樣化等方面與上一代相比都有較大的改進(jìn)。歐洲的雷達(dá)成像衛(wèi)星技術(shù)能力居于世界先進(jìn)水平，注重新技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用，成像模式和極化方式多樣化，從系統(tǒng)能力、星座設(shè)計(jì)、協(xié)同運(yùn)行等多角度擴(kuò)展服務(wù)應(yīng)用能力。德國(guó)不萊梅軌道高技術(shù)系統(tǒng)股份公司、空客防務(wù)與航天公司、泰雷茲-阿萊尼亞航天公司等是歐洲航天領(lǐng)域的強(qiáng)企，其在雷達(dá)成像衛(wèi)星研制方面積累的經(jīng)驗(yàn)，以及在星載雷達(dá)成像技術(shù)領(lǐng)域取得的突破都將成為歐洲保持星載雷達(dá)成像技術(shù)能力先進(jìn)性的重要保障。