孔經(jīng)東

（中電博微電子科技有限公司，安徽 合肥 230093）

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar,SAR）衛(wèi)星具備全天時(shí)、全天候監(jiān)測(cè)能力，可有效克服光學(xué)衛(wèi)星無(wú)法在陰雨、臺(tái)風(fēng)、霧霾及夜間等惡劣條件下提供影像問(wèn)題，是應(yīng)急救災(zāi)唯一可充分依賴的宏觀觀測(cè)手段[1-2]，在防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用前景。商業(yè)遙感小衛(wèi)星具備研發(fā)周期短、成本低、發(fā)射靈活等優(yōu)勢(shì)，但構(gòu)建具備小時(shí)級(jí)全球重訪能力的衛(wèi)星星座，仍存在成本高、風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題。本文以東南亞地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)國(guó)際合作為出發(fā)點(diǎn)，提出基于“一帶一路”倡議的商業(yè)遙感SAR 衛(wèi)星星座的國(guó)際合作發(fā)展模式。

1 國(guó)內(nèi)外SAR 衛(wèi)星星座發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外SAR 衛(wèi)星星座發(fā)展現(xiàn)狀

自1978 年美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）成功發(fā)射全球第一顆SAR 衛(wèi)星SEASAT 以來(lái)，SAR 衛(wèi)星成為各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。2015 年商業(yè)航天拉開(kāi)序幕，隨著以SpaceX 為代表的商業(yè)火箭公司的迅猛發(fā)展以及COTS 級(jí)元器件的逐漸成熟，衛(wèi)星的發(fā)射、迭代成本開(kāi)始大幅下降，一批小型商業(yè)雷達(dá)衛(wèi)星企業(yè)也開(kāi)始迅速發(fā)展，如芬蘭ICEYE、美國(guó)Capella Space、日本Synspective 等[3]，目前國(guó)外主要在軌小型商業(yè)SAR 衛(wèi)星星座情況如表1 所示 。

表1 國(guó)外主要在軌小型商業(yè)SAR 衛(wèi)星星座情況

1.2 國(guó)內(nèi)SAR 衛(wèi)星星座發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)目前在軌運(yùn)行的民用SAR 衛(wèi)星主要有“環(huán)境一號(hào)”C 星、“高分三號(hào)”（3 顆衛(wèi)星）、“天繪二號(hào)”02組、“陸探一號(hào)”雙星星座[4]，以及百公斤級(jí)商業(yè)小衛(wèi)星“海絲一號(hào)”（重量小于185kg）、“巢湖一號(hào)”（具備InSAR 功能，約290kg）。

我國(guó)從事SAR 衛(wèi)星載荷科研生產(chǎn)的單位主要包括中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所（以下簡(jiǎn)稱38 所）。38 所在國(guó)內(nèi)率先進(jìn)軍商業(yè)SAR 小衛(wèi)星領(lǐng)域，與天儀研究院先后聯(lián)合研發(fā)“海絲一號(hào)”“巢湖一號(hào)”兩顆商業(yè)SAR 小衛(wèi)星，并承擔(dān)SAR 載荷總體的研制生產(chǎn)。“海絲一號(hào)”的應(yīng)用需求由廈門大學(xué)等提出，“巢湖一號(hào)”的應(yīng)用需求則由天地信息網(wǎng)絡(luò)研究院（安徽）有限公司提出。此外，38 所于2021 年9 月28 日正式發(fā)布了“天仙星座”計(jì)劃，該星座將由96 顆輕小型SAR 衛(wèi)星組成，“海絲一號(hào)”“巢湖一號(hào)”分別是該星座計(jì)劃的試驗(yàn)星與首發(fā)星，目前已完成組網(wǎng)運(yùn)行。

2 東南亞地區(qū)自然災(zāi)害問(wèn)題

2.1 東南亞地區(qū)自然災(zāi)害概述

東南亞地處亞歐板塊、印度洋板塊和太平洋板塊交界處，是世界上最易遭受自然災(zāi)害的地區(qū)之一。該地區(qū)水文、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，破壞性大且難以預(yù)測(cè)，主要包括地震、火山爆發(fā)、林火、洪澇、臺(tái)風(fēng)、海嘯等，在過(guò)去的二十年里造成數(shù)十萬(wàn)人死亡、數(shù)千萬(wàn)人流離失所，總經(jīng)濟(jì)損失數(shù)萬(wàn)億美元。

2.2 中國(guó)-東盟防災(zāi)減災(zāi)合作

中國(guó)-東盟災(zāi)害管理部長(zhǎng)級(jí)會(huì)議已于2021 年、2022 年連續(xù)舉辦兩屆，雙方共同發(fā)布了《中國(guó)-東盟災(zāi)害管理工作計(jì)劃（2021-2025）》并將致力于共建基地。此外，2022 年11 月11 日，《中國(guó)-東盟全面戰(zhàn)略伙伴關(guān)系行動(dòng)計(jì)劃（2022-2025）》正式發(fā)布，該計(jì)劃在《落實(shí)中國(guó)-東盟面向和平與繁榮的戰(zhàn)略伙伴關(guān)系聯(lián)合宣言行動(dòng)計(jì)劃（2021-2025）》所列重點(diǎn)領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步明確中國(guó)和東盟就《中國(guó)-東盟建立對(duì)話關(guān)系30 周年紀(jì)念峰會(huì)聯(lián)合聲明》以及雙方商定領(lǐng)域深化務(wù)實(shí)合作的承諾。其中，第四章“共謀可持續(xù)發(fā)展”中對(duì)防災(zāi)減災(zāi)合作方面提出了包括“根據(jù)東盟有關(guān)領(lǐng)域主管部門和中國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)共同商定的優(yōu)先事項(xiàng)，探討自然資源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與技術(shù)共享和應(yīng)用合作”在內(nèi)的若干具體內(nèi)容。

3 防災(zāi)減災(zāi)對(duì)SAR 衛(wèi)星的能力需求

SAR 衛(wèi)星可用于地質(zhì)災(zāi)害、洪澇、雪災(zāi)、林火等災(zāi)害的應(yīng)急監(jiān)測(cè)。為有效開(kāi)展災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)，SAR 衛(wèi)星需要具備以下能力：米級(jí)高分辨率成像能力、小時(shí)級(jí)重訪觀測(cè)能力、云雨煙霧及一定的地表穿透能力、多頻多極化等多元數(shù)據(jù)獲取能力[5]。

SAR 衛(wèi)星所載雷達(dá)工作模式主要有4 種：聚束模式、滑聚模式、條帶模式和掃描模式。其中聚束模式分辨率最佳但觀測(cè)幅寬受限，而掃描模式觀測(cè)幅寬最大但分辨率較低。防災(zāi)減災(zāi)對(duì)四種模式下SAR 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的需求見(jiàn)表2。

表2 防災(zāi)減災(zāi)對(duì)SAR 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的需求

4 商業(yè)遙感SAR 衛(wèi)星星座建設(shè)國(guó)際合作模式研究

4.1 星座建設(shè)思路

建議與東盟十國(guó)開(kāi)展合作共建商業(yè)SAR衛(wèi)星星座，由政府牽頭，東盟十國(guó)出資，結(jié)合我國(guó)政府補(bǔ)貼，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)承擔(dān)研制、生產(chǎn)、發(fā)射，構(gòu)建包含多種波段的SAR 衛(wèi)星星座，在中國(guó)與東盟十國(guó)境內(nèi)分別開(kāi)展地面系統(tǒng)建設(shè)，開(kāi)發(fā)東盟應(yīng)急救災(zāi)響應(yīng)等專用系統(tǒng)，服務(wù)防災(zāi)減災(zāi)及其他政府、商業(yè)用途。

4.2 星座構(gòu)成設(shè)計(jì)

4.2.1 星座設(shè)計(jì)

東盟十國(guó)各1 顆，共10 顆SAR 衛(wèi)星構(gòu)成星座，運(yùn)行于512km～710km 高度的太陽(yáng)同步軌道上，平均分布于5 個(gè)軌道平面。5 個(gè)軌道平面的降交點(diǎn)地方時(shí)各不相同，可在不同地方時(shí)對(duì)地面進(jìn)行觀測(cè)。軌道數(shù)量的增多增加了發(fā)射成本，但同時(shí)也縮短了重訪時(shí)間，有效提升觀測(cè)頻次。

以2022 年8 月泰國(guó)北部遭受洪澇災(zāi)害較嚴(yán)重的清萊（E99°48′，N19°54′）為目標(biāo)，對(duì)衛(wèi)星星座進(jìn)行重訪能力仿真。仿真結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 十星組網(wǎng)星座對(duì)清萊（E99°48′，N19°54′）重訪能力仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示，24 小時(shí)內(nèi)，10 顆衛(wèi)星的SAR 傳感器共對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行了14 次訪問(wèn)，平均單次訪問(wèn)時(shí)間約為38.55s，平均重訪時(shí)間約為1.7h，達(dá)到小時(shí)級(jí)重訪。

4.2.2 衛(wèi)星設(shè)計(jì)

建議參考“巢湖一號(hào)”有關(guān)參數(shù)進(jìn)行衛(wèi)星設(shè)計(jì)，該星具備D-InSAR 功能和星上處理能力，在軌壽命不少于5 年。

4.2.3 載荷設(shè)計(jì)

工作頻段建議采用C、X 和L 波段在星座中進(jìn)行互補(bǔ)設(shè)計(jì)，極化方式建議采用HH、VV、HV、VH 組合實(shí)現(xiàn)雙極化、全極化，成像模式建議支持聚束模式、滑聚模式、條帶模式、掃描模式，分辨率建議在聚束模式下可達(dá)1m 以下，幅寬建議在掃描模式下可達(dá)120km 以上。

4.3 地面系統(tǒng)建設(shè)

地面系統(tǒng)建設(shè)主要包含運(yùn)行控制站、測(cè)運(yùn)控中心、大數(shù)據(jù)管理中心及專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)四個(gè)方面。其中，專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)主要是基于東盟防災(zāi)減災(zāi)需求開(kāi)發(fā)的應(yīng)急救災(zāi)響應(yīng)專用系統(tǒng)，可包含防災(zāi)減災(zāi)運(yùn)行管理平臺(tái)、災(zāi)情監(jiān)測(cè)評(píng)估及災(zāi)情多維可視化等若干子系統(tǒng)。后續(xù)也可根據(jù)需求就農(nóng)業(yè)應(yīng)用、海洋監(jiān)測(cè)等方面開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的專用系統(tǒng)。

4.4 星座運(yùn)營(yíng)模式

星座衛(wèi)星、地面及應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)資金由我國(guó)政府補(bǔ)貼、東盟各國(guó)出資及我國(guó)內(nèi)企業(yè)投資多元融合構(gòu)成，由我國(guó)內(nèi)企業(yè)獨(dú)立或聯(lián)合承擔(dān)研發(fā)與建設(shè)任務(wù)。因此，建議由我國(guó)內(nèi)承研企業(yè)或聯(lián)合體擁有該星座的所有權(quán)，并對(duì)星座維護(hù)、升級(jí)與各相關(guān)業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)總體負(fù)責(zé)，東盟各國(guó)依托東盟境內(nèi)設(shè)立的衛(wèi)星地面站系統(tǒng)和專用應(yīng)用系統(tǒng)獲取相關(guān)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，應(yīng)用于地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)及其他政府、商業(yè)用途。

4.5 星座應(yīng)用預(yù)測(cè)

該商業(yè)SAR 衛(wèi)星星座將具備全天時(shí)、全天候數(shù)據(jù)獲取和小時(shí)級(jí)重訪能力，采用D-InSAR 等技術(shù)，具備物體毫米級(jí)形變探知能力。該星座將在東南亞地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，還可服務(wù)于國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目工程、自然資源探查、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等各個(gè)方面。通過(guò)東盟地區(qū)SAR 衛(wèi)星國(guó)際合作打造示范工程，在“一帶一路”國(guó)家進(jìn)一步推廣，可加快促進(jìn)我國(guó)航天商業(yè)化進(jìn)程，構(gòu)建商業(yè)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

商業(yè)SAR 衛(wèi)星在防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域具備得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，我國(guó)正處在商業(yè)SAR 衛(wèi)星發(fā)展的機(jī)遇期、上升期，在東南亞地區(qū)開(kāi)展相關(guān)國(guó)際合作，是落實(shí)《中國(guó)—東盟全面戰(zhàn)略伙伴關(guān)系行動(dòng)計(jì)劃（2022-2025）》、以“高質(zhì)量”促進(jìn)“一帶一路”倡議由“大寫意”向“工筆畫”轉(zhuǎn)變的堅(jiān)定舉措，是響應(yīng)習(xí)近平主席在第76 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出的“全球發(fā)展倡議”，秉持以人民為中心的理念，通過(guò)務(wù)實(shí)合作，加快落實(shí)2030 年可持續(xù)發(fā)展議程的“行動(dòng)派”。