面向地震應用的SAR衛星及星座總體研究

寧 蔚 張潤寧 李 芳 李志武

(航天東方紅衛星有限公司,北京 100094)

1 引言

合成孔徑雷達(SAR)衛星已開始廣泛應用于地震災害監測與評估、地震形變過程與演化規律研究等[1-4]。國際上已有多顆SAR衛星被用于地震監測與研究,如表1所示。利用SAR 遙感技術,如SAR成像、干涉SAR(INSAR)、差分干涉SAR(D-INSAR)等,可分別獲得地震區的高分辨率圖像、數字地形圖、同震位移圖等。對于地震災害發生前后的觀測與評估,可通過單顆SAR衛星實現;對于地震形變監測、演化規律甚至預報研究,則必須通過單星雙航過、單星雙天線或衛星編隊等干涉手段來實現;考慮到災害的突發性,則必須設計衛星星座以保證衛星的應急觀測能力。

我國目前面臨著地震頻發的現實,迫切需要包括SAR衛星在內的多種手段來處理地震問題。由于SAR衛星的對地觀測不受光照限制和惡劣天氣的影響,因而它在災害發生時的快速應急能力顯得非常突出。我國目前沒有專用于地震領域的SAR衛星,因而非常有必要結合地震相關部門的衛星應用需求,開展SAR衛星及星座設計的總體研究。

表1 用于或可用于地震研究的雷達衛星Table1 Radar satellites which could be used in earthquake research

2 地震應用對SAR衛星的基本要求

2.1 功能要求

由于SAR衛星主要反映地表圖像信息,因而地震應用對SAR衛星的功能要求主要有:

1)可生成較高分辨率的圖像;

2)圖像分辨率具有多個選擇;

3)可形成數字地形圖(DEM);

4)可監測地形形變;

5)具有快速重訪能力,災害發生后1 天內獲得地震災區圖像信息。

2.2 性能要求

對SAR衛星的技術性能指標要求,一般而言,主要包括分辨率、幅寬、工作頻率、極化方式、衛星重訪周期等,由于地震特殊應用,還將包括地面高程測量精度、地形形變測量精度等。從衛星使用角度,并從國內外的衛星研制能力和衛星數據處理水平的綜合情況看,以下幾個性能指標最具代表性,同時對衛星總體設計最為關鍵,即:

1)最高分辨率1～2m;

2)高程測量精度5～25m(絕對),3m(相對);

3)地形形變測量精度約厘米級;

4)最快重訪能力24h 內;

5)地形形變監測重訪周期最好小于10d,用于短臨預報;

6)極化方式,單極化條件下傾向于垂直線極化(VV)。

3 我國民用SAR衛星情況

即將發射的環境減災-1C(HJ-1C)衛星是我國環境與減災監測星座中的一顆SAR 星,主要應用于環境與災害監測、國土資源普查、海洋資源監測等。HJ-1C 衛星的主要技術指標如表2所示。

表2 HJ-1C 衛星主要技術指標Table2 Main technical parameters of HJ-1C satellite

從表2指標看出,HJ-1C 衛星能夠完成地震后的災區圖像生成、地震前后的災區圖像對比與災情評估,根據目前國際上雙航過SAR 數據的D-INSAR 處理技術,可實現地質形變測量。但是,與上一節中的地震應用要求相比,在分辨率和應急響應能力方面還存在較大差距。

4 面向地震應用的SAR衛星及星座總體研究

針對地震應用,SAR衛星總體設計將突出兩個方面:第一,不斷增強單顆SAR衛星的功能和技術指標,主要滿足分辨率要求和盡量增強重訪能力;第二,SAR衛星組網飛行,包括衛星編隊及星座化,主要滿足衛星干涉測量、重訪能力要求。下面分別闡述SAR衛星單星系統、衛星編隊系統和星座系統設計當中的重點問題。

4.1 單顆SAR衛星系統設計

1)圖像指標

就地震災害監測而言,SAR 圖像的清晰度越高越好。將分辨率從目前的4～6m 提高至1～2m。根據雷達工作原理,在其他設計條件不變的情況下,SAR 的功率孔徑若提高3～4倍,這意味著SAR 天線面積和SAR 發射功率將增加不少,同時可能帶來對衛星能耗要求的提高。幸好,衛星能源方面可以通過增加太陽翼面積、加大蓄電池容量等手段實現,甚至可與SAR 工作時間長短進行平衡設計;在SAR 天線和發射機方面,我國通過HJ-1C 衛星的研制,已掌握了研制較大面積的輕型網狀拋物面天線技術,也已實現了利用多模塊集成發射大功率信號的發射機技術途徑。

2)應急重訪能力

就地震災害突發的緊迫性而言,單顆SAR衛星也應盡可能地提高重訪能力。衛星重訪周期在軌道確定的情況下主要取決于載荷觀測帶寬。一般的SAR衛星通過天線機械側擺或相控側擺,已具備了較大的可觀測帶寬,但往往是單側視觀測,因此如能將SAR衛星改為左右雙側視,則可觀測帶寬能提高為原來的2倍。根據仿真與分析,通過SAR 雙側視設計,可將4d 的重訪周期加快至3d,如圖1所示,實線條代表升軌覆蓋區域,虛線條代表降軌覆蓋區域。對于SAR 左右雙側視技術的實現,可通過衛星姿態控制整星旋轉或滾動來完成,也可通過SAR 天線轉動機構來完成,當考慮降低熱控復雜度和左右側視同等重要的情況下,認為通過SAR 天線轉動機構實現左右雙側視是較為合理的。

圖1 一個回歸(重復)周期內兩條相鄰軌跡分布和有效載荷觀測范圍示意Fig.1 Sketch of satellite track distribution and SAR observation range during one regression period

3)多種分辨率設計

根據地震監測的實際需要,單星系統設計中應具備多種分辨率觀測方式,如:

(1)高分辨率1～2m ,適用于地震災區的詳細觀測,尤其是人口密集的災區,可觀測地面人員分布情況、房屋破壞程度等,對應幅寬約8～20km(在500km 軌道高度條件下,以下同)。可通過聚束模式或條帶模式實現,若采用聚束模式,則能較好地利用發射主瓣功率,但需要具備靈活穩定的波束指向能力。

(2)中分辨率8～10m,適用于地震災區房屋倒塌、道路破壞等的大范圍觀測,對應幅寬50～75km。通過掃描模式實現。

(3)低分辨率約30m,進一步擴大觀測幅寬至130km 以上,用于地震后快速大范圍地觀測房屋、基礎設施、生命線工程等。通過掃描模式實現。

以上3 種分辨率觀測方式,由于分別采用了不同長度的合成孔徑時間和波束組合形式,因此一般情況下不會同時進行3 種方式觀測。

4.2 SAR衛星編隊干涉系統設計

SAR衛星編隊干涉測量,對于地震應用而言,主要用于獲取并積累DEM 數據,并利用差分干涉條件監測地形形變。地形形變信息不僅能在地震后反映出地震前后的地形變化,還可用于地震前作臨震預測。關于SAR衛星編隊干涉的研究在近些年已成為國內外熱點,并正逐步成為現實。本文主要介紹SAR衛星總體設計中的編隊形式、基線測量和干涉測量性能分析等。

1)編隊形式選擇

從有利于信號相干性角度考慮,采用SAR衛星編隊形式較好。一般來說,編隊形式基本上有兩種,以兩顆星為例(見圖2),第一種形式是,兩星的軌道基本一致,但在軌道傾角或近地點幅角有細微差別,兩星間距約幾千米,形成相互繞飛的編隊形式[5-6];第二種形式是,兩星的軌道完全一致,兩星間距數十千米甚至上百千米,形成前后跟飛的編隊形式。前一種模式,由于飛行間距較近,對兩星雷達天線的指向、雷達信號的發射和接收需要嚴密配合,并且一致性要求很高,同時近距衛星編隊還需考慮飛行的安全性(即防撞要求);而后一種模式,由于飛行間距較遠,對兩星的實時配合要求不高,且飛行安全性問題沒有前一模式嚴峻。

圖2 SAR衛星編隊形式Fig.2 SAR satellite formation

從簡化衛星編隊構形設計、降低星間同步指標要求、減小近距編隊風險、同時保證滿足任務需求等因素考慮,采用編隊間距較遠的構形是目前較為實際的設計選擇。德國的Tandem-X 計劃將于近期發射,該計劃將完成兩顆SAR衛星近距離編隊飛行,生成全球高質量的DEM ,附加實現沿航跡干涉測量(AT I)功能,它的在軌編隊形式及測量效果將具有重要的參考價值。

2)基線測量

干涉測量中的絕對高程測量誤差主要由H (衛星高度)、B(星間基線)、α(基線傾角)、r1(目標到衛星距離)、Δφ(星間干涉相位)等5個量的誤差導致而成,其中基線測量誤差影響最大[7-8]。利用HJ-1C 衛星軌道參數,以下視角36°、基線1.5km為例,各參數對高程h 的誤差傳播系數計算如表3所示。可見,影響測高精度的最主要因素是基線傾角α和基線長度B 的測量誤差。

表3 高程測量誤差傳播系數Table3 Elevation measuring error coefficients

目前基線測量的方法主要采用GPS 相對定位,其他方法如無線測量、紅外測量、激光測量等由于多普勒效應,或需要反射配合,或精度較差等原因而較少采用。目前國內雙頻GPS的事后定位精度在厘米量級,這對干涉測量來說已是一個非常好的測量條件,下文將舉例分析。

3)差分干涉形變測量性能分析

如果在兩次觀測期間地表發生運動時,干涉測量所探測到的相位變化不僅僅是因為地形高度,其中也包含了由于地表變化帶來的相位變化φdisplacement,如圖3所示。

圖3 兩次成像期間地表發生位移時干涉測量示意圖Fig.3 Sketch of earth surface displacement betw een two SAR imagings

式中Δrd_los表示兩次觀測之間在雷達視線方向發生的位移量;λ為波長。

對同一地區不同時間的兩幅干涉圖進行差分,消除地形的影響,則可探測到地表的形變信息。從雷達干涉處理得到的相位中消除地形影響,其最理想的方法是,采用零基線數據,此時測量的相位中不包含地形影響,但實際中無法實現零基線。通常獲取地形形變的方法是多通法,即采用同一地區三幅或三幅以上的SAR 圖像進行差分干涉處理,生成由地表形變產生的干涉相位φdisplacement。其中,要求有兩幅SAR 圖像是地表形變前獲取的,其他SAR 圖像可以是形變后獲取的。以三通法為例,介紹差分干涉測量原理,幾何關系如圖4所示。

圖4 三通模式地表形變測量示意圖Fig.4 Sketch of earth surface displacement during three SAR imaging periods

圖中S1 和S2為地表形變前成像時的雷達位置,S3為形變后成像時的雷達位置。S1 和S2 兩次觀測的干涉相位φ12只包含地形高度信息φtop,可表示為

S1 和S3 兩次觀測的干涉相位φ13 即包含地形高度信息還包含地表形變信息,可表示為

比較式(2)與式(3)后可以得到地表形變在斜距向的分量Δrd_los

設國內星載雙頻GPS 定軌精度在5～10cm 之間,因此兩星基線參數估計可達到的精度約15cm。利用HJ-1C 衛星軌道參數,并考慮工程技術水平的能力,對干涉SAR 性能進行仿真,具體參數見表4。

根據仿真參數,計算視角范圍內相對高程測量精度和地形形變測量精度,結果如圖5、6所示。從仿真結果看,相對測高精度優于1.5m,地形形變測量精度在mm 量級。

表4 干涉SAR 仿真參數Table4 INSAR emulating parameters

圖5 相對高程測量精度隨視角變化Fig.5 Relative height accuracy change with look angle

圖6 地形形變測量精度隨視角變化Fig.6 Def ormation accuracy change with look angle

4.3 SAR衛星星座系統設計

SAR衛星星座設計,就是為滿足地震的應急響應、快速重訪、地形形變監測等要求。地震發生后,衛星的第一觀測時間要在數小時以內,最晚不得超過24h,其后的重訪周期為24h。在日常的地形形變監測過程中,由于地震前可能出現地形輕微形變的征兆,因此對地形形變監測的周期應與短臨周期相對應,約10d 左右,一旦發現某地震疑似地區,則須每天觀測該區域1次。

通過SAR衛星星座,可將重訪能力從幾天提高至十幾小時。例如,仍采用HJ-1C 衛星軌道參數,晨昏太陽同步軌道,軌道高度約為500km ,4顆星在同一軌道面內均勻分布,如圖7(a)所示,每顆星均采用SAR 左右雙側視模式設計,則星座的國土覆蓋周期為9d,重訪周期為18h,即保證當地震災害發生后最晚不超過18h可獲得SAR 圖像數據。考慮地形形變監測要求,將4顆衛星分成兩組干涉編隊,相位差180°,如圖7(b)所示,則可實現10d 完成國土約99%的DEM 測量(以幅寬130km 計),國土重訪能力約1.4d,可見重訪能力由于編隊形式而有所下降。如仍采用兩兩編隊的形式組網,則實現1d 重訪的途徑有兩種,一是增加1 組衛星,二是將衛星軌道高度增至約900km,顯然這兩種途徑都會增加衛星成本。令人鼓舞的是,衛星具有變軌特性,因此完全可利用衛星變軌調整組網形式,同樣能達到地震應用的需要。例如,4顆星發射部署完成后,先采用兩兩編隊的形式開展10～15d 的國土DEM 數據獲取,然后變軌為4顆星均勻分布,以后每隔一年進行1次為期10～15d 的編隊組網干涉測量,用以更新DEM 數據。這樣在每年內,除了衛星兩兩編隊期間重訪周期為1.4d 外,其他時間均能既保證衛星星座的1d 重訪周期,又能實現10d 的地形形變監測周期。

圖7 SAR衛星星座示意圖Fig.7 SAR satellite constellation sketch

5 總結

在地震監測與預報的科學研究過程中,SAR衛星是一種重要的信息獲取手段。面對我國地震災害頻發的實際情況,SAR衛星建設必須不斷提高在地震災害中的應急觀測能力、以及用于地震規律研究與預報所需高精度數據的獲取能力。本文基于我國SAR衛星工程研制技術與應用水平,在高分辨率SAR、干涉測量、衛星編隊與組網、重訪能力等方面進行了設計論證,可為針對地震應用的SAR衛星及星座設計提供參考。

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