加拿大“雷達(dá)衛(wèi)星星座任務(wù)”及應(yīng)用領(lǐng)域

李意 徐冰 （ 中國空間技術(shù)研究院， 北京空間科技信息研究所）

2019年6月12日，加拿大的下一代雷達(dá)成像衛(wèi)星星座――“雷達(dá)衛(wèi)星星座任務(wù)”（RCM）的3顆衛(wèi)星搭乘獵鷹―9（Falcon―9）火箭發(fā)射升空。RCM星座是中分辨率衛(wèi)星任務(wù)，主要用于對加拿大廣闊國土和海域進(jìn)行定期監(jiān)測。中分辨率數(shù)據(jù)和高分辨率數(shù)據(jù)結(jié)合使用，將極大增強(qiáng)加拿大資源管理和環(huán)境監(jiān)測能力。

1 衛(wèi)星概況

RCM是雷達(dá)衛(wèi)星-2（RadarSat-2）的后續(xù)任務(wù)，于2004年正式立項(xiàng)，主承包商是加拿大麥克唐納·迪特維利聯(lián)合有限公司[MDA，已于2017年更名為麥克薩技術(shù)公司（Maxar Technologies）]，負(fù)責(zé)衛(wèi)星設(shè)計(jì)、建造和測試。RCM項(xiàng)目共有來自加拿大7個(gè)省的125家供應(yīng)商參與。發(fā)射后，RCM星座進(jìn)入試運(yùn)行階段，通過3～6個(gè)月的在軌測試確保星座能夠按照設(shè)計(jì)目標(biāo)和指標(biāo)要求正常運(yùn)行。2019年秋，RCM星座將開始正式業(yè)務(wù)運(yùn)行。

RCM星座采用多顆小衛(wèi)星組網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行的方式，與單個(gè)大衛(wèi)星相比，RCM擁有一個(gè)更穩(wěn)健、更靈活的系統(tǒng)，發(fā)射和運(yùn)行成本也更低。通過星座組網(wǎng)配置實(shí)現(xiàn)更快速重訪和動態(tài)監(jiān)測，能夠滿足加拿大特有的對海上、國土、北極等區(qū)域的監(jiān)視需求。

RCM星座由3顆構(gòu)型完全相同的衛(wèi)星組成，在軌協(xié)同工作，每顆衛(wèi)星質(zhì)量1400kg，長1.7m，寬1.1m，高3.6m（天線展開后跨度6.98m），設(shè)計(jì)壽命7年，運(yùn)行于高度約600km、傾角98°的太陽同步軌道，三星運(yùn)行于同一軌道面，等間距分布，相鄰兩顆衛(wèi)星的時(shí)距為32min。

RCM星座地面段主要基于現(xiàn)有雷達(dá)衛(wèi)星地面段進(jìn)行升級改造，以滿足RCM星座的運(yùn)行需求。加拿大航天局（CSA）的任務(wù)運(yùn)行中心（MOC）主要負(fù)責(zé)任務(wù)規(guī)劃、衛(wèi)星運(yùn)管、圖像質(zhì)量評估、數(shù)據(jù)分發(fā)等。RCM圖像數(shù)據(jù)通過加拿大自然資源部（NRCan）開發(fā)的新的對地觀測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)向加拿大政府相關(guān)用戶進(jìn)行分發(fā)，確保在10～30min內(nèi)提供數(shù)據(jù)。加拿大航天局將免費(fèi)公開RCM獲取的大氣科學(xué)、空間氣象和行星探測等數(shù)據(jù)。加拿大自然資源部下屬的制圖與對地觀測中心（CCMEO）通過對地觀測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行SAR數(shù)據(jù)長期存檔管理。

2 衛(wèi)星平臺

RCM衛(wèi)星呈長方體，帶有單邊太陽翼，采用加拿大布里斯托爾宇航公司（Bristol Aerospace）的加拿大小衛(wèi)星平臺（SmallSat，也稱為MAC-200平臺），三軸穩(wěn)定控制方式，包括姿態(tài)確定與控制分系統(tǒng)，指令與數(shù)管分系統(tǒng)，電源分系統(tǒng)，推進(jìn)分系統(tǒng)，遙控、遙測、通信分系統(tǒng)等。遙控遙測采用S頻段，上行速率4kbit/s，下行速率最高為4Mbit/s。數(shù)傳采用X頻段，數(shù)據(jù)率為2×150Mbit/s，星上數(shù)據(jù)存儲容量500Gbit（壽命末期）。

3 有效載荷

RCM衛(wèi)星載有C頻段合成孔徑雷達(dá)（SAR）和“船舶自動識別系統(tǒng)”（AIS）。SAR載荷由天線、支撐結(jié)構(gòu)、平臺安裝部件等組成。SAR天線技術(shù)源于雷達(dá)衛(wèi)星-2，天線展開后入射角為37.5°。RCM衛(wèi)星具有低分辨率、中分辨率、高分辨率、低噪聲、聚束、全極化等多種成像模式，最高分辨率為1m×3m，RCM星座還具有單軌干涉測量（InSAR）能力。聚束模式適用于小區(qū)域高分辨率成像，寬幅成像模式幅寬高達(dá)500km，適用于廣域監(jiān)視。船只探測模式幅寬350km，RCM每天可實(shí)現(xiàn)對距離加拿大海岸2000km的所有海域、長25m船只的精確探測。RCM每星每軌平均成像時(shí)間15min，最長25min，連續(xù)成像時(shí)間12.5min。

RCM衛(wèi)星結(jié)構(gòu)

RCM衛(wèi)星成像模式

RCM衛(wèi)星成像模式

“船舶自動識別系統(tǒng)”作為次級有效載荷，可獨(dú)立或與SAR載荷結(jié)合使用。AIS主要用于監(jiān)測加拿大海上交通，工作在VHF頻段（162MHz），幅寬800km，船只探測精度優(yōu)于90%，可向其他船只以及岸上傳送船只類型、長度、位置、航向、吃水量和危險(xiǎn)貨物等信息。

4 加拿大雷達(dá)衛(wèi)星指標(biāo)對比

與雷達(dá)衛(wèi)星-2相比，RCM衛(wèi)星有很多改進(jìn)，包括增加了AIS載荷，改進(jìn)對船只的探測和跟蹤能力；采用了新的緊湊極化模式；星座設(shè)計(jì)提高重訪能力，精確重訪時(shí)間從雷達(dá)衛(wèi)星-2衛(wèi)星的24天縮短到4天（星座）；數(shù)據(jù)獲取能力更強(qiáng)，據(jù)估計(jì)，加拿大政府每年大約使用25萬幅RCM圖像數(shù)據(jù)（是第一代雷達(dá)衛(wèi)星的50倍以上）。但是，與雷達(dá)衛(wèi)星-2不同，RCM數(shù)據(jù)并不對外商業(yè)銷售。

加拿大雷達(dá)衛(wèi)星指標(biāo)對比

雷達(dá)衛(wèi)星―2（上圖）與RCM星座（下圖）覆蓋能力對比

5 應(yīng)用領(lǐng)域

RCM星座接替雷達(dá)衛(wèi)星提供連續(xù)的雷達(dá)數(shù)據(jù)服務(wù)，主要在以下三大關(guān)鍵領(lǐng)域?yàn)榧幽么筇峁┯行У慕鉀Q方案和一流的快速響應(yīng)。

1）海洋監(jiān)測（海冰、海風(fēng)、溢油、船舶）。對加拿大領(lǐng)海和附近海域?qū)崿F(xiàn)平均每日覆蓋。

2）災(zāi)害管理（減緩、預(yù)警、救援、重建）。能夠定期監(jiān)測加拿大減災(zāi)情況，評估風(fēng)險(xiǎn)并確定易受損害區(qū)域。

3）生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測（農(nóng)業(yè)、濕地、林業(yè)和海岸變化監(jiān)測）。定期（特殊時(shí)期可實(shí)現(xiàn)每周數(shù)次）覆蓋加拿大陸地和內(nèi)陸水域。

應(yīng)用領(lǐng)域不同，對RCM星座的及時(shí)性和數(shù)據(jù)延遲（從數(shù)據(jù)采集到分發(fā)）要求也不同。海洋監(jiān)測和災(zāi)害管理時(shí)效性要求高，船舶探測應(yīng)用要求10min內(nèi)完成從數(shù)據(jù)采集到分發(fā)；其他海洋監(jiān)測應(yīng)用要求30min；災(zāi)害管理應(yīng)用要求2h；生態(tài)監(jiān)測應(yīng)用要求24h。

RCM星座可每天重訪加拿大國土和附近海域，能夠每天實(shí)現(xiàn)對全球90%區(qū)域的覆蓋，對北極地區(qū)每天重訪多達(dá)4次，在氣候變化、土地利用演變、海岸變化、城市沉降，甚至是人類對環(huán)境造成的影響等動態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域都將發(fā)揮重要作用。

RCM星座可實(shí)現(xiàn)對給定目標(biāo)的四天精確重訪（雷達(dá)衛(wèi)星-1、2的精確重訪時(shí)間都是24天，RCM單星重復(fù)周期12天），利用InSAR模式可實(shí)現(xiàn)相干變化檢測（CCD）。利用干涉測量技術(shù)發(fā)現(xiàn)多幅圖像間的厘米級變化，有利于監(jiān)測地面沉降、土地利用變化等微小運(yùn)動。在多個(gè)成像模式下，RCM都可以實(shí)現(xiàn)平均每天全球重訪，滿足大多數(shù)應(yīng)用要求（相干變化檢測應(yīng)用要求每周精確重訪1～2次）。