地球同步轨道星载合成孔径雷达概念研究

·专家论坛·中图分类号：TN957．51文献标志码：A文章编号：1004－7859（2011）05－0001－04地球同步轨道星载合成孔径雷达概念研究朱敏慧（中国科学院电子学研究所，北京100190）摘要：从不断增长的对地实时观测和对突发事件快速反应的急迫需求出发，提出了采用地球同步轨道合成孔径雷达的概念研究。

通过对地球同步轨道卫星运动轨迹的分析，验证了可以通过控制轨道倾角、偏心率和轨道高度误差以获得同步轨道卫星与地面之间的相对运动，构成了雷达运行在同步轨道实现合成孔径成像的基础。

并研究和分析了同步轨道SAR 卫星的观测性能，指出了对于要求重复观测周期短、实时应用强的情况，尤其是对于大面积定点区域的连续观测来说，采用同步轨道SAR 是一条理想的技术途径。

关键词：大面积定点目标；同步轨道SAR ；重复观测能力A Study on the Concept of Geosynchronous Synthetic Aperture RadarZHU Min-hui（Institute of Electronics ，Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100190，China ）Abstract ：A concept of geosynchronous synthetic aperture radar （SAR ）is presented in this paper for the increasing requirements of the timely global observation and urgent requests for fast reaction to burst events．Through the analysis of motive paths of geosyn-chronous satellite ，the method for obtaining relative motions between geosynchronous satellite and the ground by means of control-ling orbit inclination ，eccentricity and radius error is verified．This forms the basis for implementing SAR imaging when radar oper-ates on the geosynchronous orbit．Moreover ，observational performance of geosynchronous SAR satellite is studied and analyzed．The adoption of geosynchronous SAR is an ideal technical approach for short repetitive observation period and real-time applications especially for large-area spot and continuous observation．Key words ：large-area spotted target ；geosynchronous SAR ；repeated observation ability通信作者：朱敏慧Email ：mihzhu@mail．ie．ac．cn收稿日期：2011-01-29修订日期：2011-03-200引言合成孔径雷达（SAR ）是一种高性能遥感工具，和传统的光学遥感相比，它能够全天时、全天候并且穿透一定深度的地表和植被获取大面积的遥感图像，在灾害监测、环境监测、海洋观测、资源勘察、农作物调查估产、森林调查、测绘和军事等方面具有独特的应用效果，在某些情况下，能起到其他对地观测卫星起不到的作用。

各用户迫切地希望进一步发展和提高SAR 卫星的技术水平和性能指标，以拓宽其应用领域。

为此，近20多年来，很多国家投入了大量资金，使SAR 卫星在高分辨率、多极化、多波段、多工作模式、动目标检测能力等方面取得了长足的进步［1－3］。

进入21世纪后，随着合成孔径雷达应用领域的研究不断拓展和深入，越来越多的观测任务对SAR 卫星的性能指标提出了更为苛刻的要求，例如战场侦查、灾害监控、环境监控等。

这些应用不仅仅要求合成孔径雷达卫星具有一定的分辨率，还要求其能够实现对大面积定点区域进行不间断的观测，这就在重复观测周期、测绘带宽、可视能力等方面对系统设计提出了新的挑战。

现有的SAR 卫星，轨道通常在500km 800km ，由于轨道高度的限制，可覆盖区域小、测绘带窄、重复观测周期长，在很大程度上限制了其应用。

例如，目前国际上已有的最宽测绘带宽星载合成孔径雷达Radar-SAT ，其典型的重复观测周期约为2d 左右，对于瞬息万变的战场和突如其来的灾害来说，这样的观测能力不具有太多的实际应用价值。

为了克服这些弱点，人们也提出了一些解决方案，目前最常见的一种设计思路是利用多颗轨道相近的卫星组网，即所谓的“星座”观测。

例如，用于地中海地区环境监测的COSMO 小卫星星座，是由4颗X 波段小型SAR 卫星分布在同一轨道内，成90ʎ间隔，其最大重复观测周期为13h 。

由于它仍然是基于低轨卫星，因此这种改进无法从根本上克服上面提到的那些缺陷。

这就产生了另外一种设计思路，借鉴光学观测卫星的发展历程，将合成孔径雷达卫星的轨道升高，这样对于同样的天线波束偏转角，其可覆盖区域会大幅度—1—第33卷第5期2011年5月现代雷达Modern RadarVol．33No．5May 2011增加，从而使低轨道SAR 卫星所遇到的困难一一迎刃而解。

地球同步轨道SAR 卫星的概念是20世纪80年代提出来的［1］，但是限于当时的天线技术、火箭运载能力、卫星电源技术、卫星太阳能电池技术等的水平，这个概念和思想长期以来鲜有问津。

近年来，随着许多关键技术水平的不断提高和突破，地球同步轨道SAR 卫星不再是一个遥不可及的目标，这个概念开始得到越来越多的重视。

美国JPL 实验室在NASA 的支持下，对地球同步轨道SAR 进行了许多概念和相应的新技术研究，并针对地震、火山、灾害监测，土壤、植被测量等应用进行了初步的方案和可行性研究［1－2］。

1同步轨道卫星孔径合成原理虽然地球同步轨道卫星在对地观测的可视范围和重复性上拥有巨大的优势，但是要想将其和合成孔径雷达结合起来，在理论上还存在着一个约束条件。

理想状态下的地球静止轨道只有一条，其轨道高度可以由下式计算ωG =2π/T s =72．92ˑ10－6r G =3GM E /ω2槡G ≈42164km 运行与这条轨道上的卫星绕地球公转角速度与地球自转角速度完全相同，因此从地面上看来，它是完全静止不动的，这就是“静止”轨道名称的由来。

然而合成孔径雷达的基本原理是要靠孔径合成来提高方位向的分辨率。

具体做法是将天线长度为D a 的雷达安装在载体上，载体以速度V a 匀速直线运动，如图1所示。

雷达以间隔时间T 向正侧方发射并接收相干脉冲，进行相干处理，相当于对由间隔为Δx =V a ·T 排列的天线阵元发出的信号进行相干叠加，这样随着雷达的前进形成等效的合成线性天线阵列，如图2所示。

合成天线阵列的最大长度L s 为L s =R β图1合成孔径雷达几何关系示意图即天线L s 在距离R 处的波束照射宽度，远远大于真实天线孔径D a，因此合成波束宽度远远小于真实波束宽度，极大地提高了雷达的角分辨率，这就是合成孔径原理。

图2真实天线和合成天线阵列在合成天线阵中，由于雷达信号在收、发双程受传播相移的影响，因此长度为L s 的合成天线阵列的角分辨率为βa =λ2L s可知斜距为R 处的理论地面分辨率为ρa =R βa =L a /2这样方位分辨率只与真实天线的长度有关，从而改善了方位向的分辨率。

从频率分析的角度来看，位于雷达真实波束照射区内不同位置的两个点A 和B ，如图2a ）所示，当雷达以速度V a 匀速直线运动时，A 、B 相对于雷达的径向速度不同，它们回波的多普勒频率也就不同，只要采用适当的滤波器将对应的频率分离，就可以达到多普勒锐化，将A 、B 两点分开，即用频率分析的方法改善雷达角分辨率，这与合成天线阵列所需要完成的信号相干处理是一致的。

对合成孔径雷达来说，最基本的条件就是雷达和目标之间必须存在着相对运动。

这个基本要求似乎和地球静止轨道“完全静止”的特性格格不入。

但是，由于地球并不是一个绝对理想的球体，它的质量分布也并不均匀，并且由于太阳、月球等第三体扰动的存在，运行在地球静止轨道上的卫星实际上并不是绝对静止的，它的轨道在不断的漂移之中。

同时如果再考虑到实际卫星发射时，轨道参数并不可能完全精确，实际上从地球上看来，静止卫星的位置不但不静止，其运行轨迹还相当复杂，这也就是我们常说的地球同步轨道。

如果我们选择合适的轨道参数（特别是轨道倾角），就可以获得足够的相对速度，这就为实现孔径合成打下了基础，使得SAR 的应用变为可能。

—2—2011，33（5）现代雷达早在1978年Kiyo Tomiyasu 就在“Synthetic Aper-ture Radar in Geosynchronous Orbit ”一文中指出由于轨道倾角、扁心率以及轨道高度的偏差，所谓的地球静止轨道卫星实际上每天都在以一定的轨迹周而复始地运动着，对于轨道倾角为1ʎ、扁心率为0．009的卫星来说其相对于静止点的运动速度最大大约是48m /s 左右，以这个运动为基础，实现孔径综合，从而最终实现雷达成像是完全可能的，如图3所示。

图3地球同步轨道卫星运动轨迹（i =1ʎ、e =0．009）进一步分析影响同步轨道卫星轨迹的主要因素有以下3项［3］：（1）由卫星轨道相对于赤道平面的倾角引起的经度上的简谐振动；（2）由卫星轨道扁心率引起的经度上的简谐振动；（3）由卫星轨道半径的误差δR 引起的经度上的线性漂移。

这3个因素的影响使得卫星的日轨迹接近一个椭圆或“8”字形，实际中地球同步轨道通信卫星的轨道参数也证明了这一点，例如Hotbird 4卫星1998年8月19日的这几项参数分别为e =2．25ˑ10－4、i =0．0541ʎ、δR =1．4173km ；东方红三号卫星1997年7月4日的轨道参数分别为i =1．631900ʎ、e =0．00892500。

从这个例子我们不难看出，即使假定地球是一个理想的密度均匀的球体，同时忽略太阳、月球等第三体的影响，只要卫星的轨道倾角和扁心率存在着微小的偏差，卫星相对于静止点都会有一定的速度。