面向地震应用的SAR卫星及星座总体研究

宁 蔚 张润宁 李 芳 李志武

(航天东方红卫星有限公司,北京 100094)

1 引言

合成孔径雷达(SAR)卫星已开始广泛应用于地震灾害监测与评估、地震形变过程与演化规律研究等[1-4]。国际上已有多颗SAR卫星被用于地震监测与研究,如表1所示。利用SAR 遥感技术,如SAR成像、干涉SAR(INSAR)、差分干涉SAR(D-INSAR)等,可分别获得地震区的高分辨率图像、数字地形图、同震位移图等。对于地震灾害发生前后的观测与评估,可通过单颗SAR卫星实现;对于地震形变监测、演化规律甚至预报研究,则必须通过单星双航过、单星双天线或卫星编队等干涉手段来实现;考虑到灾害的突发性,则必须设计卫星星座以保证卫星的应急观测能力。

我国目前面临着地震频发的现实,迫切需要包括SAR卫星在内的多种手段来处理地震问题。由于SAR卫星的对地观测不受光照限制和恶劣天气的影响,因而它在灾害发生时的快速应急能力显得非常突出。我国目前没有专用于地震领域的SAR卫星,因而非常有必要结合地震相关部门的卫星应用需求,开展SAR卫星及星座设计的总体研究。

表1 用于或可用于地震研究的雷达卫星Table1 Radar satellites which could be used in earthquake research

2 地震应用对SAR卫星的基本要求

2.1 功能要求

由于SAR卫星主要反映地表图像信息,因而地震应用对SAR卫星的功能要求主要有:

1)可生成较高分辨率的图像;

2)图像分辨率具有多个选择;

3)可形成数字地形图(DEM);

4)可监测地形形变;

5)具有快速重访能力,灾害发生后1 天内获得地震灾区图像信息。

2.2 性能要求

对SAR卫星的技术性能指标要求,一般而言,主要包括分辨率、幅宽、工作频率、极化方式、卫星重访周期等,由于地震特殊应用,还将包括地面高程测量精度、地形形变测量精度等。从卫星使用角度,并从国内外的卫星研制能力和卫星数据处理水平的综合情况看,以下几个性能指标最具代表性,同时对卫星总体设计最为关键,即:

1)最高分辨率1～2m;

2)高程测量精度5～25m(绝对),3m(相对);

3)地形形变测量精度约厘米级;

4)最快重访能力24h 内;

5)地形形变监测重访周期最好小于10d,用于短临预报;

6)极化方式,单极化条件下倾向于垂直线极化(VV)。

3 我国民用SAR卫星情况

即将发射的环境减灾-1C(HJ-1C)卫星是我国环境与减灾监测星座中的一颗SAR 星,主要应用于环境与灾害监测、国土资源普查、海洋资源监测等。HJ-1C 卫星的主要技术指标如表2所示。

表2 HJ-1C 卫星主要技术指标Table2 Main technical parameters of HJ-1C satellite

从表2指标看出,HJ-1C 卫星能够完成地震后的灾区图像生成、地震前后的灾区图像对比与灾情评估,根据目前国际上双航过SAR 数据的D-INSAR 处理技术,可实现地质形变测量。但是,与上一节中的地震应用要求相比,在分辨率和应急响应能力方面还存在较大差距。

4 面向地震应用的SAR卫星及星座总体研究

针对地震应用,SAR卫星总体设计将突出两个方面:第一,不断增强单颗SAR卫星的功能和技术指标,主要满足分辨率要求和尽量增强重访能力;第二,SAR卫星组网飞行,包括卫星编队及星座化,主要满足卫星干涉测量、重访能力要求。下面分别阐述SAR卫星单星系统、卫星编队系统和星座系统设计当中的重点问题。

4.1 单颗SAR卫星系统设计

1)图像指标

就地震灾害监测而言,SAR 图像的清晰度越高越好。将分辨率从目前的4～6m 提高至1～2m。根据雷达工作原理,在其他设计条件不变的情况下,SAR 的功率孔径若提高3～4倍,这意味着SAR 天线面积和SAR 发射功率将增加不少,同时可能带来对卫星能耗要求的提高。幸好,卫星能源方面可以通过增加太阳翼面积、加大蓄电池容量等手段实现,甚至可与SAR 工作时间长短进行平衡设计;在SAR 天线和发射机方面,我国通过HJ-1C 卫星的研制,已掌握了研制较大面积的轻型网状抛物面天线技术,也已实现了利用多模块集成发射大功率信号的发射机技术途径。

2)应急重访能力

就地震灾害突发的紧迫性而言,单颗SAR卫星也应尽可能地提高重访能力。卫星重访周期在轨道确定的情况下主要取决于载荷观测带宽。一般的SAR卫星通过天线机械侧摆或相控侧摆,已具备了较大的可观测带宽,但往往是单侧视观测,因此如能将SAR卫星改为左右双侧视,则可观测带宽能提高为原来的2倍。根据仿真与分析,通过SAR 双侧视设计,可将4d 的重访周期加快至3d,如图1所示,实线条代表升轨覆盖区域,虚线条代表降轨覆盖区域。对于SAR 左右双侧视技术的实现,可通过卫星姿态控制整星旋转或滚动来完成,也可通过SAR 天线转动机构来完成,当考虑降低热控复杂度和左右侧视同等重要的情况下,认为通过SAR 天线转动机构实现左右双侧视是较为合理的。

图1 一个回归(重复)周期内两条相邻轨迹分布和有效载荷观测范围示意Fig.1 Sketch of satellite track distribution and SAR observation range during one regression period

3)多种分辨率设计

根据地震监测的实际需要,单星系统设计中应具备多种分辨率观测方式,如:

(1)高分辨率1～2m ,适用于地震灾区的详细观测,尤其是人口密集的灾区,可观测地面人员分布情况、房屋破坏程度等,对应幅宽约8～20km(在500km 轨道高度条件下,以下同)。可通过聚束模式或条带模式实现,若采用聚束模式,则能较好地利用发射主瓣功率,但需要具备灵活稳定的波束指向能力。

(2)中分辨率8～10m,适用于地震灾区房屋倒塌、道路破坏等的大范围观测,对应幅宽50～75km。通过扫描模式实现。

(3)低分辨率约30m,进一步扩大观测幅宽至130km 以上,用于地震后快速大范围地观测房屋、基础设施、生命线工程等。通过扫描模式实现。

以上3 种分辨率观测方式,由于分别采用了不同长度的合成孔径时间和波束组合形式,因此一般情况下不会同时进行3 种方式观测。

4.2 SAR卫星编队干涉系统设计

SAR卫星编队干涉测量,对于地震应用而言,主要用于获取并积累DEM 数据,并利用差分干涉条件监测地形形变。地形形变信息不仅能在地震后反映出地震前后的地形变化,还可用于地震前作临震预测。关于SAR卫星编队干涉的研究在近些年已成为国内外热点,并正逐步成为现实。本文主要介绍SAR卫星总体设计中的编队形式、基线测量和干涉测量性能分析等。

1)编队形式选择

从有利于信号相干性角度考虑,采用SAR卫星编队形式较好。一般来说,编队形式基本上有两种,以两颗星为例(见图2),第一种形式是,两星的轨道基本一致,但在轨道倾角或近地点幅角有细微差别,两星间距约几千米,形成相互绕飞的编队形式[5-6];第二种形式是,两星的轨道完全一致,两星间距数十千米甚至上百千米,形成前后跟飞的编队形式。前一种模式,由于飞行间距较近,对两星雷达天线的指向、雷达信号的发射和接收需要严密配合,并且一致性要求很高,同时近距卫星编队还需考虑飞行的安全性(即防撞要求);而后一种模式,由于飞行间距较远,对两星的实时配合要求不高,且飞行安全性问题没有前一模式严峻。

图2 SAR卫星编队形式Fig.2 SAR satellite formation

从简化卫星编队构形设计、降低星间同步指标要求、减小近距编队风险、同时保证满足任务需求等因素考虑,采用编队间距较远的构形是目前较为实际的设计选择。德国的Tandem-X 计划将于近期发射,该计划将完成两颗SAR卫星近距离编队飞行,生成全球高质量的DEM ,附加实现沿航迹干涉测量(AT I)功能,它的在轨编队形式及测量效果将具有重要的参考价值。

2)基线测量

干涉测量中的绝对高程测量误差主要由H (卫星高度)、B(星间基线)、α(基线倾角)、r1(目标到卫星距离)、Δφ(星间干涉相位)等5个量的误差导致而成,其中基线测量误差影响最大[7-8]。利用HJ-1C 卫星轨道参数,以下视角36°、基线1.5km为例,各参数对高程h 的误差传播系数计算如表3所示。可见,影响测高精度的最主要因素是基线倾角α和基线长度B 的测量误差。

表3 高程测量误差传播系数Table3 Elevation measuring error coefficients

目前基线测量的方法主要采用GPS 相对定位,其他方法如无线测量、红外测量、激光测量等由于多普勒效应,或需要反射配合,或精度较差等原因而较少采用。目前国内双频GPS的事后定位精度在厘米量级,这对干涉测量来说已是一个非常好的测量条件,下文将举例分析。

3)差分干涉形变测量性能分析

如果在两次观测期间地表发生运动时,干涉测量所探测到的相位变化不仅仅是因为地形高度,其中也包含了由于地表变化带来的相位变化φdisplacement,如图3所示。

图3 两次成像期间地表发生位移时干涉测量示意图Fig.3 Sketch of earth surface displacement betw een two SAR imagings

式中Δrd_los表示两次观测之间在雷达视线方向发生的位移量;λ为波长。

对同一地区不同时间的两幅干涉图进行差分,消除地形的影响,则可探测到地表的形变信息。从雷达干涉处理得到的相位中消除地形影响,其最理想的方法是,采用零基线数据,此时测量的相位中不包含地形影响,但实际中无法实现零基线。通常获取地形形变的方法是多通法,即采用同一地区三幅或三幅以上的SAR 图像进行差分干涉处理,生成由地表形变产生的干涉相位φdisplacement。其中,要求有两幅SAR 图像是地表形变前获取的,其他SAR 图像可以是形变后获取的。以三通法为例,介绍差分干涉测量原理,几何关系如图4所示。

图4 三通模式地表形变测量示意图Fig.4 Sketch of earth surface displacement during three SAR imaging periods

图中S1 和S2为地表形变前成像时的雷达位置,S3为形变后成像时的雷达位置。S1 和S2 两次观测的干涉相位φ12只包含地形高度信息φtop,可表示为

S1 和S3 两次观测的干涉相位φ13 即包含地形高度信息还包含地表形变信息,可表示为

比较式(2)与式(3)后可以得到地表形变在斜距向的分量Δrd_los

设国内星载双频GPS 定轨精度在5～10cm 之间,因此两星基线参数估计可达到的精度约15cm。利用HJ-1C 卫星轨道参数,并考虑工程技术水平的能力,对干涉SAR 性能进行仿真,具体参数见表4。

根据仿真参数,计算视角范围内相对高程测量精度和地形形变测量精度,结果如图5、6所示。从仿真结果看,相对测高精度优于1.5m,地形形变测量精度在mm 量级。

表4 干涉SAR 仿真参数Table4 INSAR emulating parameters

图5 相对高程测量精度随视角变化Fig.5 Relative height accuracy change with look angle

图6 地形形变测量精度随视角变化Fig.6 Def ormation accuracy change with look angle

4.3 SAR卫星星座系统设计

SAR卫星星座设计,就是为满足地震的应急响应、快速重访、地形形变监测等要求。地震发生后,卫星的第一观测时间要在数小时以内,最晚不得超过24h,其后的重访周期为24h。在日常的地形形变监测过程中,由于地震前可能出现地形轻微形变的征兆,因此对地形形变监测的周期应与短临周期相对应,约10d 左右,一旦发现某地震疑似地区,则须每天观测该区域1次。

通过SAR卫星星座,可将重访能力从几天提高至十几小时。例如,仍采用HJ-1C 卫星轨道参数,晨昏太阳同步轨道,轨道高度约为500km ,4颗星在同一轨道面内均匀分布,如图7(a)所示,每颗星均采用SAR 左右双侧视模式设计,则星座的国土覆盖周期为9d,重访周期为18h,即保证当地震灾害发生后最晚不超过18h可获得SAR 图像数据。考虑地形形变监测要求,将4颗卫星分成两组干涉编队,相位差180°,如图7(b)所示,则可实现10d 完成国土约99%的DEM 测量(以幅宽130km 计),国土重访能力约1.4d,可见重访能力由于编队形式而有所下降。如仍采用两两编队的形式组网,则实现1d 重访的途径有两种,一是增加1 组卫星,二是将卫星轨道高度增至约900km,显然这两种途径都会增加卫星成本。令人鼓舞的是,卫星具有变轨特性,因此完全可利用卫星变轨调整组网形式,同样能达到地震应用的需要。例如,4颗星发射部署完成后,先采用两两编队的形式开展10～15d 的国土DEM 数据获取,然后变轨为4颗星均匀分布,以后每隔一年进行1次为期10～15d 的编队组网干涉测量,用以更新DEM 数据。这样在每年内,除了卫星两两编队期间重访周期为1.4d 外,其他时间均能既保证卫星星座的1d 重访周期,又能实现10d 的地形形变监测周期。

图7 SAR卫星星座示意图Fig.7 SAR satellite constellation sketch

5 总结

在地震监测与预报的科学研究过程中,SAR卫星是一种重要的信息获取手段。面对我国地震灾害频发的实际情况,SAR卫星建设必须不断提高在地震灾害中的应急观测能力、以及用于地震规律研究与预报所需高精度数据的获取能力。本文基于我国SAR卫星工程研制技术与应用水平,在高分辨率SAR、干涉测量、卫星编队与组网、重访能力等方面进行了设计论证,可为针对地震应用的SAR卫星及星座设计提供参考。

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