高轨SAR GESS系统1（CSDN_20241006）

目录

系统参数

轨道设计、覆盖率分析和星座

工作模式

性能

数据率和数据量

载荷设计

任务设计

成本

美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Labrotratory, JPL）于 2003 年前后提出了全球地震卫星系统（Global Earthquake Satellite System, GESS）方案，卫星采用的“伞状”天线直径为 30 米，工作在 L 波段，峰值发射功率为 60 千瓦，通过发射 10 颗卫星组网能够实现全球不间断的形变测量与地震预测。

GESS研究中最雄心勃勃的概念建设一个地球同步轨道SAR星座。虽然部署这样一个星座将是一项非常艰难的任务，需要克服大量的技术挑战，但在灵活性和地面目标区域瞬时覆盖性方面，高轨SAR星座将比低轨SAR有巨大的优势，如下图所示。

        地球同步轨道是独一无二的，因为它们的轨道周期等于一个地球日。地球静止轨道是一种特殊的地球同步轨道,其轨道倾角为零:从旋转的地球上看，地球静止轨道上的卫星始终保持固定在天空中的同一位置。这种特性使地球静止轨道成为通信和气象等应用的理想选择，但实际上使它们无法用于SAR任务。这是因为SAR需要传感器和被观测场景之间的相对运动来获得多普勒带宽，这正是合成孔径的含义。然而，当这种运动存在时，就需要倾斜的地球同步轨道，进而在非常远的距离下获取比较高的方位分辨率。虽然地球同步卫星遵循开普勒运动定律所规定的椭圆轨道，但由于地球和卫星的相对运动，卫星行下点每天在地面上勾勒出一个“数字8”图案(如下图所示)。由于雷达可以在白天和夜间获取图像，并且不受云层盖的影响，因此高轨SAR星座非常适合24小时全球灾害监测的任务。地球同步卫星星座几乎可以不间断地监视地球表面的大部分地区。

系统参数

        地球同步轨道SAR的轨道高度约为35800公里，比低轨SAR高出一个数量级以上。虽然高轨可以观测到更大的区域，但脉冲雷达系统固有的天线孔径限制约束（距离-多普勒模糊等）要求巨大的天线孔径，图像信噪比要求巨大的发射功率。

        我们设想一个具有直径30 m孔径的L波段天线的系统，信号脉宽较大，为1ms，峰值功率60kW。天线保持指向星下点方向，通过电子控制波束的左右侧视。当电子扫描角度控制在±8°时，天线足迹的任何部分都可以被照到。实际上，当轨道达到35800公里时，只需要9°的下视角，就会照到地球的边缘，但是入射角太大时，信噪比较低。同时星下点附近区域回波强度大，导致饱和，所以SAR卫星不会对高、低入射角的区域进行成像。本系统可以从平台星下点轨迹两侧的获取1000至6500公里地面范围内的数据，对应的地面入射角为10.6-66.49°。天线在方位向上的电扫能力也是±8°，对应地面目标的斜视角约为±60°。

        在如此宽的范围内，系统的一些参数必须在近距离和远距离之间发生很大的变化。系统带宽在最陡入射角的80 MHz到更远的10 MHz之间变化。为了表征电离层的影响，可以采用像LEO+那样的分谱方法。信号极化也可能随着传感器足迹的变化而变化，假设航天器通过偏航导引以使天线保持在名义上的HH偏振状态，但是在侧视采集几何模型中，极化状态可能会因为斜视而发生变化。  

        由于观测角度的变化，其他系统参数也会发生变化。当轨道倾角为60°时，卫星的相对速度会随着卫星向下点经纬度发生变化：高纬度区域约为1500 m/s，赤道区域约为3000 m/s。系统的PRF也会在120Hz-250Hz之间变化。下表给出了更详细的系统参数列表。

轨道设计、覆盖率分析和星座

        虽然高轨SAR有非常的足迹，但是“8字”形轨道始终保持在规定的经纬度以内，单一的高轨SAR无法覆盖全球。因为为了对全球区域进行覆盖，需要设计SAR星座。

      一种轨道设计方案是采用10颗卫星进行组网，每2颗卫星在相同的轨道平面上，且相位间隔为180°，从而获取12小时的干涉重复时间。5组卫星的星下点轨迹如下图所示，每一颗卫星的轨道倾角都是60°，最初设计方案是5组卫星沿着纬度均匀分布，但是考虑到不同区域的观测优先级不同，所以可能对5个轨道面做更细致的设计。

        在任何给定的时间，这个由10颗卫星组成的星座都能看到地球表面的80%或更多。大约20%的地表将连续出现在一颗或多颗卫星的视野中，大约80%的地表将几乎连续出现在视野中(大约90%的时间)。大约70%的地表覆盖间隔将小于1小时，而100%的地表覆盖间隔将小于5小时。覆盖时间间隔最长的地区将主要位于两极附近和赤道附近的某些经度。对于地球的绝大部分地区来说，在紧急事件发生后的10分钟内，平均可以获得一张20米分辨率的图像。

        该系统的3-D位移精度非常高(图4.4)。由于天线波束可以通过电子扫描实现前视和后视，因此可以从多种视角获取数据。此外，由于可以长时间观察目标区域，因此可以获得该区域的大量数据，尽管以获取其他又域的数据为代价。通常，在每个干涉测量重复周期中，可以获得目标区域的数百张图像。这些数据可以在最小二乘估计过程中组合，以减少时间去相关误差和大气层误差的影响。该系统预计24-36小时的3D位移精度为毫米级。

工作模式

        大多数情况下，SAR载荷不需要工作在全分辨率模式下。相反，为了获取数千公里的测绘带宽，该载荷主要工作在各种干涉ScanSAR模式下，ScanSAR模式下每个子带将达到400公里宽。由于天线波束将完全由电子控制，因此甚至可以从不相邻的子带（如左右侧视、前后斜视）获取回波数据。此外，ScanSAR的合成孔径时间长待几分钟，可以很好的为干涉测量做时间标定。同时，载荷还可以工作在标准条带模式或者聚束模式，这样可以获取更高分辨率的图像，但会损失观测面积。载荷可以在条带、聚束、扫描模式之间灵活切换。

        该系统有许多模式，可以根据不同的应用场景和不断变化的优先级进行定制。一个典型的操作计划可能包括每天一次或两次创建某些高优先级震区的多幅地图，以及每隔几天创建低分辨率全球地图，或每隔几周创建高分辨率全球地图。还可以根据全球灾害事件和当前条件，根据需要对作战计划进行修改。

性能

数据率和数据量

载荷设计

任务设计

成本

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