高分三號衛(wèi)星及應(yīng)用概況

2016年8月10日，高分三號衛(wèi)星在我國太原衛(wèi)星發(fā)射基地升空入軌，開始執(zhí)行對地觀測任務(wù)。至今為止，高分三號衛(wèi)星已經(jīng)在軌穩(wěn)定運行近兩年，為國民經(jīng)濟各行業(yè)提供了48萬余景圖像數(shù)據(jù)，有力支持了我國各項建設(shè)工作的順利開展。

高分三號衛(wèi)星是“國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項”中唯一的民用微波遙感成像衛(wèi)星，也是我國首顆C頻段多極化高分辨率合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星。高分三號衛(wèi)星具有高分辨率、大成像幅寬、高輻射精度、多成像模式和長時工作的特點，能夠全天候和全天時實現(xiàn)全球海洋和陸地信息的監(jiān)視監(jiān)測，并通過左右姿態(tài)機動擴大對地觀測范圍和提升快速響應(yīng)能力，其獲取的C頻段多極化微波遙感信息可用于海洋、減災(zāi)、水利及氣象等多個領(lǐng)域，服務(wù)于我國海洋、減災(zāi)、水利及氣象等多個行業(yè)及業(yè)務(wù)部門，是我國實施海洋開發(fā)、陸地環(huán)境資源監(jiān)測和防災(zāi)減災(zāi)的重要技術(shù)支撐。

作為我國自主研制的首顆C頻段多極化SAR衛(wèi)星，高分三號衛(wèi)星突破了整星機電熱一體化設(shè)計技術(shù)、多極化相控陣天線技術(shù)、高精度SAR內(nèi)定標技術(shù)、大型相控陣SAR天線展開機構(gòu)技術(shù)、大熱耗SAR天線熱控技術(shù)、脈沖大功率供電技術(shù)、大撓性星體條件下的衛(wèi)星控制技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)，各項指標達到或超過國外同類衛(wèi)星水平（如表1所示），具有先進性和創(chuàng)新性等特點，可以稱為“新一代SAR衛(wèi)星系統(tǒng)”。

表1 高分三號衛(wèi)星與國際同類衛(wèi)星綜合技術(shù)指標比對

高分三號衛(wèi)星2017年數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域示意圖

續(xù)表

從表1可看到，高分三號衛(wèi)星具有聚束、條帶、掃描等12種成像模式，可以獲取分辨率1m～500m、幅寬10km～500km、從單極化至全極化的SAR圖像，單次成像最長可連續(xù)工作50min。高分三號衛(wèi)星具體成像模式及成像技術(shù)指標如圖1所示。

圖1 高分三號衛(wèi)星在軌成像模式及具體指標

圖1所示的12種工作模式，是通過與不同用戶溝通后確定的，以滿足各行業(yè)的絕大部分的應(yīng)用需求，具體情況如表2所示。

表2 高分三號衛(wèi)星主要觀測應(yīng)用匯總

2016年8—12月，高分三號衛(wèi)星完成在軌測試并在內(nèi)蒙古鄂托克旗完成外場定標工作，對各成像模式的分辨率、幅寬、旁瓣比、輻射精度、定位精度、指向精度等天地一體化指標進行了標定，經(jīng)分析，各項指標均滿足衛(wèi)星研制技術(shù)要求，部分指標達到國際同類衛(wèi)星先進水平，其典型圖像如圖2和圖3所示。

圖2 高分三號衛(wèi)星滑動聚束模式武漢地區(qū)1m分辨率圖像

圖3 高分三號衛(wèi)星25m模式南極地區(qū)成像圖

此外，在高分三號衛(wèi)星設(shè)計過程中，針對用戶成像任務(wù)規(guī)劃多樣、各模式下成像參數(shù)差異大的特點，衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)留了靈活的外部控制接口，可通過上注指令的方式，對系統(tǒng)參數(shù)、時序、工作方式等進行靈活的調(diào)整，這樣既保證了SAR載荷常規(guī)工作模式的需求，也為在軌開展各項試驗?zāi)Ｊ津炞C提供了可能。因此在2017年穩(wěn)定運行過程中，衛(wèi)星總體對高分三號衛(wèi)星成像模式的可擴展性進行了專門的設(shè)計，在軌成功實施多項新模式試驗驗證，如凝視聚束模式成像、TOPSAR模式成像、動目標檢測和干涉測高等。

1） 凝視聚束模式。通過優(yōu)化系統(tǒng)成像參數(shù)，完成了高分三號衛(wèi)星凝視聚束成像模式試驗，實現(xiàn)了方位向分辨率由1.0 m到優(yōu)于0.5 m的提升。圖4給出了凝視聚束模式下，對寧和城際鐵路橋和南京長江第三大橋的成像結(jié)果。凝視聚束模式圖像中橋體結(jié)構(gòu)清晰，細節(jié)可辨，證明了凝視聚束模式提升方位分辨率的能力。

圖4 高分三號衛(wèi)星對寧和城際鐵路橋和南京長江大橋的凝視聚束模式成像結(jié)果

2）TOPSAR成像模式。高分三號衛(wèi)星開展了TOPSAR模式成像驗證試驗，實現(xiàn)TOPSAR模式方位向4跳拼接成像，成像結(jié)果如圖5所示。該圖像雖然未經(jīng)輻射校正，但圖像中無明顯拼接痕跡和亮暗起伏，從而驗證了衛(wèi)星具備實現(xiàn)TOPSAR模式所需的波束掃描能力，也說明了其TOPSAR模式能獲得比掃描模式輻射特性更均勻的圖像產(chǎn)品。

圖5 高分三號衛(wèi)星TOPSAR模式試驗圖像

3）動目標檢測模式。高分三號衛(wèi)星在軌采取“一發(fā)兩收”的工作方式，獲得了雙通道數(shù)據(jù)，進行了動目標檢測能力的驗證。動目標試驗的檢測區(qū)域為山西及河北境內(nèi)的大同—秦皇島鐵路線，檢測結(jié)果如圖6所示，通過提取目標的相位信息，估計出火車的位置和徑向速度，結(jié)果與先驗信息相符。

圖6 高分三號衛(wèi)星動目標檢測模式試驗結(jié)果

4）干涉形變測量模式。利用重軌干涉原理可獲取地表形變信息。高分三號衛(wèi)星的試驗測量區(qū)域為河北黃驊和上海，測量結(jié)果見圖7，圖中檢測到厘米級的地表形變，檢測精度達到亞厘米級。正因為高分三號衛(wèi)星在地表形變測量中的優(yōu)異表現(xiàn)，目前高分三號衛(wèi)星干涉測量應(yīng)用已經(jīng)列入了中歐“龍計劃”第4期合作項目中。

圖7 高分三號衛(wèi)星干涉形變測量模式試驗結(jié)果

通過近兩年的穩(wěn)定運行，高分三號衛(wèi)星在軌成功獲取了豐富的高分辨率多極化微波圖像，極大改善了我國民用天基高分辨率SAR圖像全部依靠進口的狀態(tài)，為國內(nèi)各行業(yè)用戶提供了高質(zhì)量、高精度對地觀測數(shù)據(jù)。同時，高分三號衛(wèi)星工程研制過程中攻克的關(guān)鍵技術(shù)及工程方法，將在引領(lǐng)我國民用高分辨率微波遙感衛(wèi)星應(yīng)用方面起到重要示范作用，其研制和應(yīng)用具有重大意義。