德國(guó)在軌雷達(dá)成像衛(wèi)星商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力升級(jí)

● 文|中國(guó)空間技術(shù)研究院 賈世宇 宋旸

德國(guó)在軌雷達(dá)成像衛(wèi)星商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力升級(jí)

● 文|中國(guó)空間技術(shù)研究院 賈世宇 宋旸

德國(guó)目前共有兩顆民商用高分辨率雷達(dá)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(dá)”（TerraSAR-X）衛(wèi)星和2010年發(fā)射的“陸地合成孔徑雷達(dá)-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(cè)量X頻段合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星星座。最近，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，TerraSAR-X衛(wèi)星完成了任務(wù)擴(kuò)展，能力大幅提升，最高分辨率已達(dá)到0.25m。而同期德國(guó)航空航天中心（DLR）也聲明德國(guó)政府將不對(duì)商業(yè)出售的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)分辨率做嚴(yán)格限制。這一旦成為現(xiàn)實(shí)，將極大地提升德國(guó)在軌雷達(dá)成像衛(wèi)星的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。筆者認(rèn)為這兩事件或存在內(nèi)部關(guān)聯(lián)，本文中進(jìn)行相關(guān)分析。

一、TerraSAR-X衛(wèi)星在軌運(yùn)營(yíng)6年后增添新成像模式

TerraSAR-X衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命5年，截至2013年底已超期服役18個(gè)月。據(jù)衛(wèi)星運(yùn)管工程師計(jì)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(guò)工程人員的技術(shù)升級(jí)和在軌測(cè)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(jī)。

2013年10月，阿斯特留姆（Astrium）公司宣布完成對(duì)其已在軌運(yùn)行6年的TerraSAR-X衛(wèi)星的升級(jí)工作，使該衛(wèi)星成像模式從原來(lái)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(yīng)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(duì)比結(jié)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(lái)的4波束增加至目前的6波束，地面幅寬從原來(lái)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(dá)4×105km2，超過(guò)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(shí)現(xiàn)在軌運(yùn)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(cè)與跟蹤、漏油檢測(cè)及海冰監(jiān)測(cè)方面的能力大幅提升，進(jìn)而能夠用于改善全球海洋活動(dòng)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(lái)的聚束模式為滑動(dòng)聚束（Sliding Spotlight）成像，其方位向波束轉(zhuǎn)向角范圍是±0.75°。在新的凝視聚束模式下，通過(guò)將TerraSAR-X衛(wèi)星方位向波束轉(zhuǎn)向角范圍擴(kuò)展至±2.2°，使方位向波束在對(duì)地成像過(guò)程中始終指向成像區(qū)域中心，延長(zhǎng)了雷達(dá)波束駐留時(shí)間，相當(dāng)于變相地增加了雷達(dá)孔徑，從而大幅提升方位向分辨率，最高可達(dá)0.25m，優(yōu)于目前在軌的其他任何商業(yè)衛(wèi)星雷達(dá)成像系統(tǒng)。這種超高分辨率配合多次成像改進(jìn)輻射測(cè)量質(zhì)量，使遙感圖像紋理細(xì)節(jié)更清晰，信噪比更高，推動(dòng)TerraSAR-X衛(wèi)星對(duì)小尺寸目標(biāo)的探測(cè)能力從“識(shí)別”（Recognition）躍升至“確認(rèn)”（Identification）。凝視聚束成像模式已于2013年11月15日實(shí)現(xiàn)在軌運(yùn)行，主要用于辨識(shí)車輛、船舶和飛機(jī)等目標(biāo)。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(duì)挪威利勒斯特羅姆（Lillestroem）地區(qū)成像的效果對(duì)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(xì)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(duì)

“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(wù)，尤其是在防務(wù)安全和海洋監(jiān)視領(lǐng)域發(fā)揮更大效能?！?Astrium公司地理信息業(yè)務(wù)部門總經(jīng)理瓦爾克·海爾弗里茨（VarkHelfritz）博士說(shuō)，“同時(shí)，新成像模式也將應(yīng)用到計(jì)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(cè)任務(wù)?！?/p>

二、德國(guó)不對(duì)商業(yè)銷售對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)分辨率做嚴(yán)格限制

TerrsSAR-X衛(wèi)星新成像模式使其技術(shù)指標(biāo)大幅領(lǐng)先其他在軌的商業(yè)雷達(dá)成像衛(wèi)星，但技術(shù)能力優(yōu)勢(shì)能否轉(zhuǎn)化為商業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力要取決于德國(guó)天基對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)政策是否允許Astrium公司對(duì)外銷售其高達(dá)0.25m分辨率的雷達(dá)圖像。對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)政策是銜接天基對(duì)地觀測(cè)技術(shù)和天基對(duì)地觀測(cè)應(yīng)用的關(guān)鍵中樞節(jié)點(diǎn)。自2013年8月以來(lái)，美國(guó)數(shù)字全球（DigitalGlobe）公司和法國(guó)泰雷茲（Thales）公司相繼試圖說(shuō)服本國(guó)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(jìn)一步激活天基對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用市場(chǎng)，并提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

與美、法等國(guó)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(guó)DLR在TerraSAR-X衛(wèi)星完成能力升級(jí)后即發(fā)布聲明，表示德國(guó)政府不對(duì)商業(yè)銷售的對(duì)地觀測(cè)圖像分辨率做嚴(yán)格限制。德國(guó)天基對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的銷售和分發(fā)受德國(guó)《衛(wèi)星數(shù)據(jù)安全法案》（SatDSiG）管理。2007年底，德國(guó)頒布并開始執(zhí)行《衛(wèi)星數(shù)據(jù)安全法案》，用于鼓勵(lì)德國(guó)公司發(fā)展衛(wèi)星數(shù)據(jù)、相關(guān)產(chǎn)品和地理信息的商業(yè)市場(chǎng)，同時(shí)確保德國(guó)公司提供的“高等級(jí)”（High Grade）天基對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)不會(huì)損害國(guó)家安全和外交利益。該法案的核心內(nèi)容是要求德國(guó)公司在銷售和分發(fā)“高等級(jí)”數(shù)據(jù)時(shí)必須執(zhí)行一套嚴(yán)格的兩級(jí)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(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，新近完成能力升級(jí)的TerraSAR-X恰在此列，因此商業(yè)用戶和科研用戶在申請(qǐng)TerraSAR-X雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)都要接受數(shù)據(jù)敏感性檢查。德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)與出口管制辦公室（BAFA）以信息內(nèi)容、成像區(qū)域、訂購(gòu)人員和時(shí)間范圍等參數(shù)為判據(jù)對(duì)用戶申請(qǐng)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhǔn)后才能完成銷售和分發(fā)。圖3給出了德國(guó)“高等級(jí)”天基對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)分發(fā)程序。從圖中可以看出，這些程序沒有對(duì)德國(guó)可進(jìn)行商業(yè)銷售的天基對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)在分辨率方面做嚴(yán)格限制。但也要看到，越是“高等級(jí)”的數(shù)據(jù)，其銷售和分發(fā)面臨的檢查和限制越嚴(yán)格。

>>>圖3 德國(guó)“高等級(jí)”天基對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)分發(fā)流程

三、結(jié)論

TerraSAR-X衛(wèi)星在發(fā)射時(shí)并未設(shè)計(jì)寬掃描和凝視聚束兩種成像模式，但隨著衛(wèi)星成像技術(shù)的發(fā)展和成熟，通過(guò)地面指令控制和在軌測(cè)試，最終實(shí)現(xiàn)了在軌衛(wèi)星的能力升級(jí)。在超期服役的衛(wèi)星上測(cè)試并正式運(yùn)行新的成像機(jī)制具有重要意義。一方面，這種模式大幅提升了德國(guó)在軌雷達(dá)成像衛(wèi)星的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；另一方面，利用超期服役的衛(wèi)星測(cè)試并驗(yàn)證新的成像機(jī)制，可以降低新研衛(wèi)星應(yīng)用新技術(shù)機(jī)制的風(fēng)險(xiǎn)。與此同時(shí)，德國(guó)政府明確表示不對(duì)商業(yè)銷售的天基對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)分辨率做嚴(yán)格限制，這為TerraSAR-X衛(wèi)星從技術(shù)能力領(lǐng)先向市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)先轉(zhuǎn)化提供了政策保證，最終將促使德國(guó)在軌雷達(dá)成像衛(wèi)星商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力大幅升級(jí)。