地球同步轨道星载合成孔径雷达概念研究

现代雷达ModernRadar

中图分类号：TN957．51

文献标志码：A

Vol．33No．5May2011

文章编号：1004－7859（2011）05－0001－04

·专家论坛·

地球同步轨道星载合成孔径雷达概念研究

朱敏慧

（中国科学院电子学研究所，北京100190）

摘要：从不断增长的对地实时观测和对突发事件快速反应的急迫需求出发，提出了采用地球同步轨道合成孔径雷达的概念研究。通过对地球同步轨道卫星运动轨迹的分析，验证了可以通过控制轨道倾角、偏心率和轨道高度误差以获得同步轨道卫星与地面之间的相对运动，构成了雷达运行在同步轨道实现合成孔径成像的基础。并研究和分析了同步轨道SAR卫星的观测性能，指出了对于要求重复观测周期短、实时应用强的情况，尤其是对于大面积定点区域的连续观测来说，采用同步轨道SAR是一条理想的技术途径。

关键词：大面积定点目标；同步轨道SAR；重复观测能力

AStudyontheConceptofGeosynchronousSyntheticApertureRadar

ZHUMin-hui

（InstituteofElectronics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100190，China）

Abstract：Aconceptofgeosynchronoussyntheticapertureradar（SAR）ispresentedinthispaperfortheincreasingrequirementsofthetimelyglobalobservationandurgentrequestsforfastreactiontoburstevents．Throughtheanalysisofmotivepathsofgeosyn-chronoussatellite，themethodforobtainingrelativemotionsbetweengeosynchronoussatelliteandthegroundbymeansofcontrol-lingorbitinclination，eccentricityandradiuserrorisverified．ThisformsthebasisforimplementingSARimagingwhenradaroper-atesonthegeosynchronousorbit．Moreover，observationalperformanceofgeosynchronousSARsatelliteisstudiedandanalyzed．TheadoptionofgeosynchronousSARisanidealtechnicalapproachforshortrepetitiveobservationperiodandreal-timeapplicationsespeciallyforlarge-areaspotandcontinuousobservation．

Keywords：large-areaspottedtarget；geosynchronousSAR；repeatedobservationability

0引言

合成孔径雷达（SAR）是一种高性能遥感工具，和传统的光学遥感相比，它能够全天时、全天候并且穿透在灾一定深度的地表和植被获取大面积的遥感图像，害监测、环境监测、海洋观测、资源勘察、农作物调查估产、森林调查、测绘和军事等方面具有独特的应用效果，在某些情况下，能起到其他对地观测卫星起不到的作用。各用户迫切地希望进一步发展和提高SAR卫星的技术水平和性能指标，以拓宽其应用领域。为此，近20多年来，很多国家投入了大量资金，使SAR卫星在高分辨率、多极化、多波段、多工作模式、动目标检测

［1－3］

。能力等方面取得了长足的进步

进入21世纪后，随着合成孔径雷达应用领域的研

这就在重复观测周面积定点区域进行不间断的观测，

期、测绘带宽、可视能力等方面对系统设计提出了新的挑战。

现有的SAR卫星，轨道通常在500km～800km，由于轨道高度的，可覆盖区域小、测绘带窄、重复在很大程度上了其应用。例如，目前观测周期长，

国际上已有的最宽测绘带宽星载合成孔径雷达Radar-SAT，其典型的重复观测周期约为2d左右，对于瞬息万变的战场和突如其来的灾害来说，这样的观测能力不具有太多的实际应用价值。为了克服这些弱点，人们也提出了一些解决方案，目前最常见的一种设计思路是利用多颗轨道相近的卫星组网，即所谓的“星座”观测。例如，用于地中海地区环境监测的COSMO小卫星星座，是由4颗X波段小型SAR卫星分布在同一轨道内，成90°间隔，其最大重复观测周期为13h。由

因此这种改进无法从根本于它仍然是基于低轨卫星，

上克服上面提到的那些缺陷。

这就产生了另外一种设计思路，借鉴光学观测卫星的发展历程，将合成孔径雷达卫星的轨道升高，这样对于同样的天线波束偏转角，其可覆盖区域会大幅度

—1—

究不断拓展和深入，越来越多的观测任务对SAR卫星

的性能指标提出了更为苛刻的要求，例如战场侦查、灾害监控、环境监控等。这些应用不仅仅要求合成孔径雷达卫星具有一定的分辨率，还要求其能够实现对大

通信作者：朱敏慧

01-29收稿日期：2011-Email：mihzhu@mail．ie．ac．cn

03-20修订日期：2011-

2011，33（5）现代雷达

增加，从而使低轨道SAR卫星所遇到的困难一一迎刃而解。

地球同步轨道SAR卫星的概念是20世纪80年

［1］

代提出来的，但是限于当时的天线技术、火箭运载能力、卫星电源技术、卫星太阳能电池技术等的水平，这个概念和思想长期以来鲜有问津。近年来，随着许多关键技术水平的不断提高和突破，地球同步轨道SAR卫星不再是一个遥不可及的目标，这个概念开始得到越来越多的重视。美国JPL实验室在NASA的支持下，对地球同步轨道SAR进行了许多概念和相应的新技术研究，并针对地震、火山、灾害监测，土壤、植被

［1－2］

。测量等应用进行了初步的方案和可行性研究

即天线Ls在距离R处的波束照射宽度，远远大于真实

天线孔径Da，因此合成波束宽度远远小于真实波束宽度，极大地提高了雷达的角分辨率，这就是合成孔径原理。

图2真实天线和合成天线阵列

1同步轨道卫星孔径合成原理

虽然地球同步轨道卫星在对地观测的可视范围和重复性上拥有巨大的优势，但是要想将其和合成孔径雷达结合起来，在理论上还存在着一个约束条件。理想状态下的地球静止轨道只有一条，其轨道高度可以由下式计算

－6

ωG=2π/Ts=72．92×10

在合成天线阵中，由于雷达信号在收、发双程受传播相移的影响，因此长度为Ls的合成天线阵列的角分辨率为

βa=

λ

2Ls

可知斜距为R处的理论地面分辨率为

ρa=Rβa=La/2

这样方位分辨率只与真实天线的长度有关，从而改善了方位向的分辨率。

从频率分析的角度来看，位于雷达真实波束照射

如图2a）所示，当雷达区内不同位置的两个点A和B，

A、B相对于雷达的径向速以速度Va匀速直线运动时，

度不同，它们回波的多普勒频率也就不同，只要采用适当的滤波器将对应的频率分离，就可以达到多普勒锐

B两点分开，化，将A、即用频率分析的方法改善雷达角分辨率，这与合成天线阵列所需要完成的信号相干

处理是一致的。

对合成孔径雷达来说，最基本的条件就是雷达和目标之间必须存在着相对运动。这个基本要求似乎和“完全静止”地球静止轨道的特性格格不入。但是，由

于地球并不是一个绝对理想的球体，它的质量分布也并不均匀，并且由于太阳、月球等第三体扰动的存在，运行在地球静止轨道上的卫星实际上并不是绝对静止的，它的轨道在不断的漂移之中。同时如果再考虑到实际卫星发射时，轨道参数并不可能完全精确，实际上从地球上看来，静止卫星的位置不但不静止，其运行轨迹还相当复杂，这也就是我们常说的地球同步轨道。如果我们选择合适的轨道参数（特别是轨道倾角），就

rG=

GME/ωG≈421km槡3

2运行与这条轨道上的卫星绕地球公转角速度与地

球自转角速度完全相同，因此从地面上看来，它是完全“静止”静止不动的，这就是轨道名称的由来。然而合成孔径雷达的基本原理是要靠孔径合成来提高方位向的分辨率。具体做法是将天线长度为Da的雷达安装在载体上，载体以速度Va匀速直线运动，如图1所示。雷达以间隔时间T向正侧方发射并接收相干脉冲，进行相干处理，相当于对由间隔为Δx=Va·T排

这样随着雷达列的天线阵元发出的信号进行相干叠加，

的前进形成等效的合成线性天线阵列，如图2所示。合

成天线阵列的最大长度Ls为

Ls=Rβ

图1合成孔径雷达几何关系示意图

可以获得足够的相对速度，这就为实现孔径合成打下了基础，使得SAR的应用变为可能。

—2—·专家论坛·

朱敏慧：地球同步轨道星载合成孔径雷达概念研究2011，33（5）

早在1978年KiyoTomiyasu就在“SyntheticAper-tureRadarinGeosynchronousOrbit”一文中指出由于轨道倾角、扁心率以及轨道高度的偏差，所谓的地球静止轨道卫星实际上每天都在以一定的轨迹周而复始地运

动着，对于轨道倾角为1°、扁心率为0．009的卫星来说其相对于静止点的运动速度最大大约是48m/s左右，以这个运动为基础，实现孔径综合，从而最终实现如图3所示。雷达成像是完全可能的，

对于固定的轨道覆盖能力。在波束角一定的前提下，

高度和入射角，与之相对应的测绘带宽度也是一定的，目前SAR卫星就是这样工作的。当前对于运行在遥感轨道上的SAR卫星来说，测绘带宽一般在100km左右，这很难满足应用的需要。通常我们可以采用波束扫描的方法，改变观测的视角，也就是改变测绘带的，“可视”入射角，这样虽然测绘带宽度基本未变带宽

天线增却大幅度地提高了。但是由于雷达发射功率、益以及信噪比等诸多因素的，通常入射角必须限

制在一定的范围内。因此即使是目前最优秀的SAR“可视”卫星，其带宽通常也只有500km左右。

图3e=0．009）地球同步轨道卫星运动轨迹（i=1°、

图4

e=0）地球同步轨道卫星运动轨迹地面投影（i=50°、

进一步分析影响同步轨道卫星轨迹的主要因素有

［3］

以下3项：

（1）由卫星轨道相对于赤道平面的倾角引起的经度上的简谐振动；

（2）由卫星轨道扁心率引起的经度上的简谐振动；（3）由卫星轨道半径的误差δR引起的经度上的线性漂移。

这3个因素的影响使得卫星的日轨迹接近一个椭圆或“8”字形，实际中地球同步轨道通信卫星的轨道参数也证明了这一点，例如Hotbird4卫星1998年8月19日的这几项参数分别为e=2．25×10－4、i=0．01°、δR=1．4173km；东方红三号卫e=星1997年7月4日的轨道参数分别为i=1．631900°、0．002500。

从这个例子我们不难看出，即使假定地球是一个理想的密度均匀的球体，同时忽略太阳、月球等第三体的影响，只要卫星的轨道倾角和扁心率存在着微小的偏差，卫星相对于静止点都会有一定的速度。这就为地球同步轨道SAR卫星的设计提供了思路。

为了研究需要，倘若将同步轨道SAR卫星的轨道倾角定为50°，这样轨道倾角就成为决定卫星日轨迹的主要因素。图4是由卫星轨迹仿真软件绘制的卫星运动轨迹平面投影图，卫星轨道的回归周期为1d。

上面这些结论都是针对单侧视的情况的，为了进

一步提高观测能力，还可以用双侧视的方法提高“可视”带宽。如当初俄罗斯的Almaz卫星采用两副SAR天线形成左右双侧视，加拿大的Radarsat2采用整星左右滚动的方法实现一副SAR天线左右双侧视观测。虽然这样可以获得比单侧视大近一倍的“可视”带宽，但是在系统复杂度方面却需要做出相当大的牺牲。

图5给出了双侧视情况下，轨道高度与瞬时地面

［3］

覆盖面积的关系图。从图中不难看出，随着轨道高度的不断升高，瞬时地面覆盖面积不断增大。即使限

定20°～45°的地面入射角，当轨道高度为36000km

72

左右时，瞬时地面覆盖面积将达到3×10km，这是目前SAR卫星远远不能达到的。也就是说，增加卫星的轨道高度是提高SAR卫星地面覆盖能力的一条非常有效的手段。

2星载SAR对地重复观测性能分析

图5

轨道高度与瞬时地面覆盖面积关系图

影响重复观测性能的最主要因素是SAR卫星的对地面覆盖能力。测绘带宽某种程度上可以反映这种

—3—

2011，33（5）现代雷达

3地球同步轨道星载SAR的新概念新技术研究

SAR运行在地球同步轨道上，无论从理论、技术上都带来了新的挑战。

1）研究卫星的同步轨道特性，不难发现通过控制轨道参数可以使得地球同步轨道卫星投影在地面产生

8字形、圆、椭圆、直线以及其他一些复杂的航迹。然控制轨道参数使得卫星相对地球产生符合SAR成而，

SAR像原理的航迹和相对运动涉及到卫星轨道力学、成像原理等诸多复杂的科学问题。卫星摄动既产生了

确定性变化也有不确定的随机扰动，必将需要突破现有聚焦的孔径合成方法，因而研究和引伸新和新工作模式深入地开展是它的基本要素。

2）现有运行在卫星遥感轨道上的SAR，合成孔径时间只有几秒～十几秒量级左右，采取的是控制了雷达基本在匀速运动的成像及运动补偿方法。然而运行在同步轨道上的雷达，孔径合成周期为1d，目标散射的角相关特性和时变特性凸显，因此研究及突破超长时间的合成孔径时间的成像及运动补偿方法是关键问题。

借鉴气象卫星的运动轨迹，可以验证在地球同步轨道实现合成孔径雷达成像的可能。通过本文的分析，证明了这种思路即具有理论上的依据，同时具有很大的应用价值。可以说同步轨道SAR卫星是实现全球不间断观测的有效技术途径之一。

同时我们注意到，要实现同步轨道SAR这一目

要付出相当大的系统代价，巨大的天线面积和发射标，

功率，以及对火箭运载能力的要求在短期内都是这一计划实现的难题。但是我们应当看到，随着电子学、材料科学、空间科学技术等相关领域的不断进步，这些目标并不是不可实现的。据有关报道NASA的GESS计划中提出了远景规划，打算再用20年左右的时间建立起以10颗同步轨道卫星组成的全天不间断

首颗卫星计划将于2015年左右发射。对地观测网，

参考文献

［1］MadsenSN，EdelsteinW，DomenicoD，etal．Ageosyn-chronoussyntheticapertureradar；fortectonicmapping，dis-astermanagementandmeasurementsofvegetationandsoilmoisture．［C］//2001IEEEInternationalGeoscienceandRemoteSensingSymposium．Press，2001：447－449．［2］

MadsenSN，ChenC，Edelstein，W．Radaroptionsforglobalearthquakemonitoring．［C］//2002IEEEInterna-tionalGeoscienceandRemoteSensingSympusium［S．l．］：IEEEPress，2002：1483－1485．

［3］孔德亮．基于大面积定点区域连续观测的雷达新概念新

D］．北京：中国科学院电子学研究所，2006．技术研究［

KongDeliang．Newradararchitectureandtechnologybased．Beijing：Instituteonincessantfixedregionobservation［D］

ofElectronicsofChineseAcademyofSciences，2006．

Sydney，Australia：IEEE

檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪专家介绍

朱敏慧

1943年生，女，中国科学院电子学研究所研究员，博士生导师，中国科学院研究生院信息与通信学

IEEE高级会员。曾任中国科学院电子信息学报主编，电子科学学刊（英文）主编，全国政协委员，科专家组组长，

电子学研究所所长、学术委员会主任、学位委员会，微波成像技术国家重点实验室主任，学位委员会评议组成员等职。津贴获得者。我国合成孔径雷达及其成像处理系统领域的学术带头人之一，主持和完成多项重大科研项目和基础科研课题。20世纪90年代，曾分别担任国家重大工程项目总指挥和总设计师，“863”重大专项责任专家，为我国第一颗遥感雷达卫星和遥感地面成像处理系统的研制成功做出重要贡献。近十年来致力于开拓雷达遥感的海洋观察及目标探测理论和方法研究。并获得国家科技进步二等奖、国防科学技术一等奖以及中国科学院科技进步一、二等奖6次等。2008年获得中国科学院研究生院首批杰出贡献教师荣誉称号。

—4—