国外典型SAR卫星发展概述与趋势展望

合成孔径雷达这一概念最早出现在1951年美国Goodyear航空公司CarlWiley提出的“多普勒波束锐化”思想中，指出利用多普勒频率分析可以改善相干移动雷达的角分辨率。1953年，利用载体运动将雷达天线等效成大尺寸线性天线阵列的思想出现，并于1957年研制出首个聚焦式机载合成孔径雷达系统，获得了首幅全聚焦SAR图像，自此SAR技术进入实际应用阶段，机载SAR技术不断发展。直至1978年美国国家航空航天局（NASA）研制的海洋卫星（Seasat）成功发射，开启了星载SAR应用技术研究的新时代。

21世纪以来，多元空间信息竞争日益激烈，星载SAR愈加成为全球对地观测技术的研究热点，世界各国国家机构或政府单位积极投入SAR卫星建设，牵头制造出了一批体型较大、以服务国家民事或军事为主的对地观测SAR卫星，其中不乏出现了一些备受关注的典型SAR卫星系统。这些卫星/星座有些实现了重大技术突破具有里程碑式的纪念价值，有些是因为高质量生产了重要的全球观测产品而意义重大，还有一些创新数据产品或信息服务机制推动了SAR产品业务化应用发展，在全球遥感技术与地球科学研究历史中发挥了重要作用。目前国外典型的SAR卫星/星座如图1所示。从发展历程来看，SAR卫星遥感技术分辨率大幅提高，从早期的几十米提高到现在的几米甚至一米；极化方式更为丰富，从单极化成像扩展到双极化乃至全极化综合应用；成像模式多元化，从单波条带升级为聚束、条带、扫描与宽幅等多种成像模式复合观测；星座协同观测能力提升，从单星观测发展到多星编队或多星组网协同观测。近年来，SAR卫星对地观测技术正向着多频多极化、多模式、高时空分辨率与多维度成像的方向发展，未来雷达遥感技术对地综合观测能力将不断提升。

（1）Seasat卫星

1978年6月，美国NASA将世界上首颗SAR卫星——Seasat（图2）成功送入795km的太空轨道，工作频段为L波段，成像幅宽达100km，分辨率为25m，主要任务为验证海洋卫星观测海洋资源的可行性，探究未来海洋卫星业务化运行的设计需求，为海洋科学研究和海洋工业发展提供数据支持，如监测海洋环境与资源、监督指导海洋资源开发等。虽然Seasat卫星不到一年时间出现电路短路故障被迫停止运行，但在正常工作的100多天内完成了对地表1亿平方千米范围的观测，并且采用重复轨道干涉模式获取了首批来自星载SAR的地表干涉测量数据，为雷达卫星遥感技术发展与地球科学研究奠定了基础。

（2）SIR-A/B/C

在Seasat取得巨大突破的基础上，美国NASA分别于1981年11月、1984年10月和1994年4月利用航天飞机将SIR-A、SIR-B和SIR-C/X-SAR三部成像雷达送入太空。其中，SIR-A采用HH极化L波段SAR成像，设计目的是为地球观测提供科学平台，最著名的事件是探测到撒哈拉沙漠的地下古河道，展现出较强的穿透能力而轰动世界。SIR-B沿用了前者的成像参数，但将天线波束指向由固定不变改进成可机械变化的方式，提高了对地观测区域的灵活机动性。SIR-C/X-SAR在SIR-A/B的基础上引进了更先进的技术，具备了L、C（SIR-C，美国研制）和X波段（X-SAR，德国和意大利共同研制）共3个波段成像雷达，可实现HH/HV/VH/VV共4种极化方式，采用的有源相控阵扫描天线具有可变入射角和凝视能力，可较灵活改变观测视角和测绘带的成像范围以提高观测能力，是20世纪90年代最先进的星载SAR系统。此外，SIR-C系统还发现了北京以西700km处被湮没在沙漠下的长城（图3），展现了SAR卫星对探索历史遗迹的重要价值。

（3）长曲棍球（Lacrosse）系列卫星

由美国国家侦察局（NRO）研制并运营的Lacrosse（或称Onyx）系列卫星是当前世界最先进的军用雷达侦察卫星之一，最早的Lacrosse-1于1988年由亚特兰蒂斯号搭载升空，随着2005年4月Lacrosse-5发射，该系列已实现5颗雷达卫星组网，分别运行于57°和68°倾角轨道。Lacrosse-1/2/3为第一代，采用X波段成像，其中Lacrosse-1/2分别于1997年和2011年退役；Lacrosse-4/5为第二代，采用X/L双波段成像，卫星搭载了2片长约45m的太阳翼，可为卫星提供20kW的电力，同时配置了巨大的侧装伞形天线进行对地成像，精扫模式下可实现0.3m分辨率，宽扫模式下观测面积可达几百平方千米。Lacrosse系列卫星不仅可以跟踪舰船、装甲车等军用装备，还能发现伪装的武器和识别假目标，是美国卫星侦察情报的重要来源。

（4）SRTM计划

SRTM（ShuttleRadarTopographyMission）是一项国际合作的航天飞机雷达地形测绘计划，由美国NASA、国防部国家测绘局（NIMA）、德国航空航天中心（DLR）和意大利航天局（ASI）共同研制，主要载荷为C波段和X波段雷达，2000年2月11日搭乘奋进号航天飞机发射升空，采用单航迹双天线干涉测量，核心任务为获取南纬56°至北纬60°之间的干涉雷达数据，生产几乎覆盖全球的数字高程模型（DEM）。该计划历时11天顺利完成数据采集工作，生产的DEM产品间距为30m和90m两种，官方标称产品高程精度16m、平面精度20m，至今仍在广泛应用。SRTM计划首次实现了星载SAR对地球高程的测绘制图（图4），DEM产品的高效生产与业务化应用在遥感史上具有重要意义。

（1）欧洲遥感卫星系列（ERS-1/2）

ERS-1和ERS-2卫星由欧洲航天局（ESA）于1991年7月和1995年4月发射（图5），搭载C波段雷达运行在780km的晨昏太阳同步极地轨道，采用VV单极化方式成像，可获取30m空间分辨率SAR影像，观测幅宽可达100km，主要任务是为海洋资源开发和海洋科研提供数据，同时兼顾陆地资源探测，实现全球环境监测。ERS-1和ERS-2这两颗卫星采用跟飞形式编队运行，对同一观测点的访问时间相差一天，保证了两次SAR观测数据之间的相干性，可支持干涉SAR技术研究。

（2）欧洲环境卫星（Envisat）

Envisat卫星是ERS卫星的延续，由ESA于2002年3月送入太空，是近极地太阳同步轨道卫星（图6），主要应用于环境监测、资源勘查、气象及灾害监测。Envisat搭载的先进合成孔径雷达（ASAR）是在ERS-1/2主动微波仪（AMI）的基础上改造的，不仅继承了AMI的成像模式和工作波段（C波段），而且在工作模式方面得到了进一步增强，能够采用双极化方式成像、观测幅宽扩大到400km，最高分辨率提高到10m，同时搭载了海洋遥感器，海洋探测能力大幅增强，可以实现对海洋水色环境和海岸带的有效监测。Envisat卫星在轨工作10年后，于2012年5月因故障宣布结束运行。

（3）哨兵一号（Sentinel-1）星座

Sentinel-1卫星是ESA哥白尼计划地球观测卫星中的重要组成部分（图7），由Sentinel-1A和Sentinel-1B两颗卫星组成，先后于2014年4月和2016年4月发射成功。双星可支持ERS-1/2和Envisat获取C-SAR数据的连续性，搭载了C波段SAR运行于693km的太阳同步轨道，均可采用双极化方式、4种模式成像，空间分辨率最高可达5m，观测幅宽最宽达400km，双星在同一轨道平面内相差180°，将重访周期从单星12天缩短至双星6天，可以在6天内实现一次全球成像。Sentinel-1卫星设计的主要目的是为哥白尼计划提供全球陆地和海洋的常规星载SAR数据与信息产品，支撑海洋陆地资源监测、自然灾害救助与人道主义援助等行业的业务化应用。2021年12月23日，Sentinel-1B数据传输发生故障，调试无效后被迫停止运行。

哨兵一号星座为全球广大用户提供了免费开放的对地观测数据，生产的初级、高级和信息产品可满足不同层次和行业的用户需求，深受世界各地用户的欢迎。未来，哥白尼计划除补充发射Sentinel-1卫星之外，还在研究哥白尼第二代扩展任务以提高哨兵家族的观测能力，其中包括一颗L波段SAR卫星——Sentinel-12（ROSE-L）。

RADARSAT-1是加拿大航天局（CSA）于1995年11月发射的第一颗商业对地观测卫星，主要任务是监测地球环境与资源变化。该星运行于780km的近极地太阳同步轨道，采用C波段HH极化方式成像，具备7种波束模式、25种成像模式，其中采用的可变视角的ScanSAR模式是卫星设计的一个重大突破，以500km幅宽进行对地观测，提高了卫星覆盖效率。

RADARSAT-2于2007年12月发射，除继承了RADARSAT-1原有系统特性外，进一步扩展了成像方式，增加了多极化成像、提高空间分辨率至3m，新增了双边成像和动目标探测，大幅增强了卫星对地物的观测识别能力。此外，两颗卫星保持同轨道间隔成像的运行方式，从而获取双星SAR干涉数据以支撑地形测绘等任务。

加拿大雷达卫星星座任务（RCM）于2019年6月成功发射（图8），是新一代RADARSAT卫星星座，由3颗C波段SAR卫星在592km轨道组网运行，可以实现对加拿大领土和海上通道的一天重访，在系统设计上继承了RADARSAT-1/2星的特点，不同的是RCM星座卫星体型更小，具有更强大灵活的系统，发射和运行成本更低，同时配置了自动识别系统（AIS），有效提高对船舶的检测与跟踪能力。RCM星座旨在为海上监测、灾害管理和生态系统监测等领域提供数据支撑，在加拿大和国际公共社会的许多领域得到广泛应用。

TanDEM-X任务是DLR提出的地球观测雷达任务，由欧洲EADSAstrium公司负责卫星研发、建造与部署，DLR负责卫星数据的处理。任务设计了TerraSAR-X和TanDEM-X两颗基本相同的X波段SAR卫星紧密编队飞行（图9），是全球首个星载编队飞行分布式InSAR系统，主要进行地形测绘，完成3D地球数字模型绘制任务。

TerraSAR-X是该任务的第一颗卫星，于2007年6月发射升空，可采用多极化多工作模式成像，具有精确的姿势和轨道控制能力，同时采用了可裁减AstroBus平台、体装方式的3节砷化镓太阳能电池、全冗余设计的有效载荷部件等新技术，标志着德国对地观测技术水平达到了新高度。

TanDEM-X作为监测TerraSAR-X的“姊妹”星于2010年6月成功发射，两颗卫星运行在514km的太阳同步轨道，相距350m同步接收雷达信号形成干涉SAR数据，执行为期3年的全球数字高程模型生产。2016年9月，12m网格间距的全球DEM数据生产完成，相对高程精度达2m，是首个以统一精度和无间隙方式获取的全球覆盖数字高程产品。当前，由TanDEM-XDEM12m产品重采样得到的90mDEM数据已开放免费下载，得到广泛应用。

ALOS是日本启动的地球观测卫星计划，用以收集全球高分辨率陆地观测数据供科学研究与商业应用。2006年1月，日本宇航研究开发机构（JAXA）发射了ALOS系列第一颗SAR卫星——ALOS-1，搭载了全色立体测绘仪（PRISM）、先进可见光与近红外辐射计-2（AVNIR-2）和相控阵L波段SAR（PALSAR）三个传感器，主要用于全球陆地资源与环境监测，其中PALSAR具有3种观测模式、可选多极化方式，采用了先进的卫星精确定位和姿态控制技术。但ALOS-1卫星于2011年因电源故障宣布失效。

2014年5月，日本发射ALOS系列第二颗卫星——ALOS-2（亦称大地二号，图10），是ALOS-1星的后续卫星，同样采用L波段多极化成像，但搭载的传感器具有更高的性能，卫星观测模式进一步丰富，观测范围提高了3倍，同时平台稳定性增强，数据传输效率提高，卫星运控方案更科学。ALOS-2星系统回归周期为14天，主要服务于全球陆地观测特别是自然灾害监测，实现热点事件快速响应能力，至今已多次支持全球范围内的地震和台风等灾害应急响应工作。日本还规划了ALOS-4SAR卫星，将配置AIS系统用于商业与军事目的的海洋船舶目标监测。

COSMO-SkyMed系列卫星是ASI设计的军民两用SAR卫星，由4颗X波段卫星组成，第一颗卫星COSMO-SkyMed-1于2007年6月成功发射（图11），COSMO-SkyMed-4星于2010年11月入轨，标志着该卫星星座完成组网，进入四星运作、高效运营的阶段。4颗卫星协同运行于620km的近极地太阳同步轨道，包括3种工作模式和多极化方式，能够进行左、右曼哈顿大角度侧视和雷达天线的快速摆动，具有强大的对地观测与数据处理能力。COSMO-SkyMed星座通过多星协作观测获取了全球范围内的高时效性数据，提供的数据产品广泛应用于全球环境监测、资源管理与国家安全等领域。

2019年12月，意大利COSMO-SkyMed第二代卫星星座的首颗CSG-1星发射成功，第二颗卫星CGS-2（FM2）于2022年2月成功入轨，至此COSMO-SkyMed二代星座完成组网，与第一代星座在同一轨道上协同运行，在卫星成像幅宽、重访周期等方面得到显著提升，旨在提升雷达成像质量，进一步增强星载SAR对地观测能力，获取更多更优质的雷达遥感数据，充分满足用户在响应时间、数据保密性、影像质量等方面的高要求。

无论从观测能力还是产品应用来看，现阶段星载SAR系统已得到充分发展，卫星的观测幅宽不断扩展，重访周期越来越短，多成像模式和高时空分辨率已然实现常态化，极化与干涉测量技术日趋成熟。卫星的任务规划更加科学完善，业务化应用水平日益提高，除应急响应任务外，常规观测产品围绕地表测绘、陆地观测、海洋资源监测与生物量等多领域展开业务化应用。

各国政府、军方以及商业遥感公司都热切关注星载SAR卫星发展，积极规划投入运营新的SAR卫星。ESA规划发射BIOMASS卫星观测全球林业动态，以揭示林业在地球碳循环和气候变化中的作用，将有望成为世界首颗P波段SAR卫星。美国和印度合作研制的NISAR将利用L和S双波段雷达观测全球陆地和冰川活动，监测冰冻表面的运动变化。此外，德国新一代TanDEM、ESA哥白尼二代卫星ROSE-L和日本ALOS-4等卫星将具备强大的观测性能，为全球环境监测与资源探索带来更丰富的数据支撑。未来，星载SAR卫星将朝着多频段、多星协作观测的方向发展，除目前常见的X、C、S和L波段外，P波段SAR卫星的研制也在持续深入，分布式雷达技术将得到充分发展与应用，多星在轨组网协同运行将发挥重要的数据增强与补充作用，为实现全球多要素全方位观测提供更多可能性。另外，这些典型SAR卫星系统的大力建设推动了航天技术的进步与航天工业的迅猛发展，在相关政策的允许和支持下，商业航天企业正在稳步发展，以芬兰冰眼（ICEYE）系列卫星、美国卡佩拉（Capella）系列卫星和日本的思瑞克斯（StriX）卫星为代表，各遥感大国相继发力研制发射商业微小型高分辨SAR卫星，将进一步促进SAR卫星遥感技术迭代升级与业务化应用不断成熟。