星载SAR及InSAR卫星系统参数
本报告总结了多种星载InSAR（干涉 SAR）系统的开发与应用情况。其中除了TanDEM-X系统外，其他卫星主要采用重复轨道干涉测量模式进行成像。该模式下需估算基线数值以满足精度要求，并通过多次轨道飞行实现更精确的数据采集。
报告列出了多种系统的具体技术指标：如海事卫星（SEASAT）采用L波段工作，默认分辨率25m；ERS-1/2使用C波段，并支持4视图成像；JERS-1采用L波段；Radarsat系列则覆盖C/X波段，并支持多极化模式；ALOS和TerraSAR-x分别采用高分辨率模式和X波段工作等。
此外还对各系统的相对测高精度进行了对比：L波段相对测高精度为20—50m左右；X波段优于L波段但精度较低；C波段介于两者之间。这些数据为选择合适的雷达系统提供了参考依据，并强调了不同波段在高程测量中的敏感度差异。
本报告对当前国际上已有的相关星载InSAR系统的整体发展现状进行了系统性研究，并对各系统的各项技术参数及其选择依据进行了归纳和分析。
除TanDEM-X雷达干涉系统外，在卫星被动遥感领域中其他多数星载SAR系统的功能并非专为精确遥感设计其主要任务仍致力于二维高分辨率图像获取因而普遍采用重复覆盖几何构型的双点基准技术在实施双点基准遥感之前必须先估算本次遥感任务所需的基线长度若所得结果精度不达标则该次测得的数据将被舍弃其中最佳双点基准的选择通常基于测高精度的需求来确定。
1、美国Seasat系统
在1978年6月，美国国家航空航天局成功发射了海洋卫星（SeaSat），随后将合成孔径雷达首次安装在卫星上，并对地球表面一亿的面积进行了测绘。该卫星在空间中飞行了100天，在采用重复轨道干涉模式的基础上实现了地球表面雷达干涉测量数据的空间获取。
表1 SeaSat卫星的技术指标及相关参数
| SeaSat卫星 | |||
|---|---|---|---|
| 研究单位 | 美国国家航空航天局 | 天线尺寸(长*宽,m) | |
| 发射时间 | 1978年6月 | 极化方式 | HH |
| 工作模式 | 重复轨道干涉模式 | 飞行高度(km) | 795 |
| 轨道倾角(度) | 108 | 幅宽(km) | 100 |
| 重访周期(天) | 3 | 方位向分辨率(m) | 25 |
| 工作波段 | L | 距离向分辨率(m) | 25 |
| 工作波长(cm) | 23.5 | 卫星编队模式 | 无 |
| 入射角(度) | 23 —26 | 基线长度(m) | 2000(波动很大) |
| 脉冲宽度(s) | 绝对测高精度(m) | 20 —50 | |
| 信号带宽(Hz) | 相对测高精度(m) | ||
| PRF(Hz) | 1646 |
2、欧洲空间局ERS系统
ERS-1和ERS-2雷达卫星分别为欧洲空间局于1991年和1995年成功发射的两颗重要卫星平台，在其设计中包含了多种有效的载荷设备。这些设备包括侧视型合成孔径雷达系统以及用于监测风向的散射计等先进装置。
ERS-1及ERS-2雷达卫星组成了一个星对，在此星对中两颗卫星在地面上的访问时间相隔一天。通过这种配置安排，在两次获取的数据间实现了较高的相干性保障。该系统采用了太阳同步晨昏轨道设计，并采用了重复轨道干涉模式作为信号处理方案。其卫星编队采用了追赶飞行（Follow-on）模式以维持稳定的相对位置关系。
表2****ERS-1和ERS-2雷达卫星星对的技术指标及相关参数
| ERS-1和ERS-2星对 | |||
|---|---|---|---|
| 研究单位 | 欧洲空间局 | 天线尺寸(长*宽,m) | |
| 发射时间 | 1991年、1995年 | 极化方式 | VV |
| 工作模式 | 重复轨道干涉模式 | 飞行高度(km) | 782—785 |
| 轨道倾角(度) | 98.52 | 幅宽(km) | 80—100 |
| 工作波段 | C | 方位向分辨率(m) | 30/100 |
| 工作波长(cm) | 5.7 | 距离向分辨率(m) | 30/100 |
| 入射角(度) | 23—26 | 卫星编队模式 | 跟飞或无 |
| 脉冲宽度(s) | 基线长度(m) | 75—175 | |
| 信号带宽(Hz) | 绝对测高精度(m) | ||
| PRF(Hz) | 1679 | 相对测高精度(m) | 11 —14 |
| 临界基线长度（km） | 1.1 |
ERS-1/2基线测定手段：采用卫星运行轨迹信息与精确的动力学和引力场模拟相结合的方法进行计算得到。
3、日本JERS-1系统
JERS-1雷达系统是由日本在1992年成功发射并投入使用的地球静止通信卫星。它运行于太阳同步升 descends orbit, 该系统采用了重复轨道干涉模式 ，但在交轨方向上的基准分量方面却明显落后于随后由日本推出的ALOS系列卫星。其中表格3详细记录了JERS-1连续四年内（从1993年到1994年）期间测量基线的变化情况。
表3****JERS-1雷达卫星的技术指标及相关参数
| JERS-1卫星 | |||
|---|---|---|---|
| 研究单位 | 日本 | 极化方式 | HH |
| 发射时间 | 1992年 | 飞行高度(km) | 568 |
| 工作模式 | 重复轨道干涉模式 | 幅宽(km) | 75 |
| 轨道倾角(度) | 97.9 | 方位向分辨率(m) | 18 |
| 工作波段 | L | 距离向分辨率(m) | 18 |
| 工作波长(cm) | 23.5 | 基线长度(m) | 87 —707 |
| 入射角(度) | 35 | 绝对测高精度(m) | |
| 卫星编队模式 | 无 | 相对测高精度(m) | 10 —25 |
4、加拿大Radarsat雷达卫星
雷达卫星Radarsat除了配备一个地面卫星数据接收站之外（原文：除了有一个地面卫星数据接收站外），还携带磁带记录器（原文： satellite上还载有磁带记录器），实现了对地球表面的持续监测（原文：可覆盖全球）。该系统承担了两项关键任务：其一是首次实现了对南极大陆的高分辨率全球监控（原文：一是对南极大陆提供第一个完全的高分辨率卫星覆盖），其二是持续为全球范围内的气象研究提供多次观测机会（原文：二是对全球产生多次卫星覆盖）。
Radarsat雷达卫星于1995年11月4日由加拿大发射升空，在设计上包含了7种不同的工作模式、25个独立可调节的波束以及可变的入射角设置。这些设计特征赋予其多样化的分辨率等级、覆盖宽度以及丰富的信息类型特征，在全球环境评估、土地利用分类以及自然资源管理等多个领域均展现出强大的应用价值
表4 Radarsat雷达卫星的技术指标及相关参数
| Radarsat卫星 | |||
|---|---|---|---|
| 研究单位 | 加拿大 | 极化方式 | HH |
| 发射时间 | 1995年11月4日 | 飞行高度(km) | 793—821 |
| 工作模式 | 重复轨道干涉模式 | 幅宽(km) | 45—500 |
| 轨道倾角(度) | 98.58 | 方位向分辨率(m) | 9—100 |
| 工作波段 | C | 距离向分辨率(m) | 6—100 |
| 工作波长(cm) | 5.7 | 基线长度(m) | 286 —1978 |
| 入射角(度) | 10—60 | 绝对测高精度(m) | |
| 卫星编队模式 | 无 | 相对测高精度(m) | 15 —50 |
5、美国SRTM任务
2002年2月，“奋进号”航天飞机于起飞后承担了一项名为"航天飞机雷达测绘使命（SRTM）"的重要空间探测任务。这项任务通过**单航过双天线干涉测量（SAR interferometric mapping）**技术得以实施，在航天飞机上构建了双天线系统以执行InSAR地形测绘工作。整个任务历时11个完整工作日完成全部目标，在约947小时后精确捕捉了高达9.8万亿字节的雷达影像数据。这些数据覆盖了从北纬60°到南纬56°的区域范围，并完整记录了一个面积超过1.19亿平方公里的地貌特征。其中包含间距为30米和90米的数字高程模型数据集，在水平方向上的绝对测高精度可达20米、垂直方向上则达到16米；相对测高精度方面则分别达到了水平方向上的15米和垂直方向上的4米精度水平。（研究使用的主要设备包括直径达1.12米的主 dish天线系统，在轨道交汇处实现了约60米的距离基准；而在环绕地球运行的过程中则保持了7米左右的前后向基准距离；所有观测均采用了C/X频段进行编码信号传输）
6、欧洲ENVISAT雷达系统
属于极轨系列之一的ENVISAT雷达卫星于公元二千零二年三月成功升空。该卫船上配备了共十种探测装置，在这十种设备中四种是基于ERS-1/2系列的设计改进型装置。可视为ERS-1/2雷达卫的一代升级版的ENVISAT系统主要负责持续监测地球表面和大气层的变化，并应用于制图、资源调查以及气象预测和灾害评估等多个领域。
表5****ENVISAT雷达系统的技术指标及相关参数
| ENVISAT卫星 | |||
|---|---|---|---|
| 研究单位 | 欧洲 | 极化方式 | HH,VV HH/VV HH/HV,VV/VH |
| 发射时间 | 2002年2月 | 飞行高度(km) | 786—813 |
| 工作模式 | 重复轨道干涉模式 | 幅宽(km) | 56—405 |
| 轨道倾角(度) | 98.54 | 方位向分辨率(m) | 6—1000 |
| 工作波段 | C | 距离向分辨率(m) | 9—1000 |
| 工作波长(cm) | 5.6 | 基线长度(m) | 213 —2230 |
| 入射角(度) | 15—45 | 绝对测高精度(m) | |
| 卫星编队模式 | 无 | 相对测高精度(m) | 10 —40 |
7、日本ALOS观测卫星
于2006年1月，日本成功发射了先进陆地观测卫星（ALOS），该系统搭载了L波段相控阵合成孔径雷达（PALSAR）。该卫星旨在全面监测全球陆地资源与环境的全天候观测系统，在高分辨率模式下其垂直分辨率优于2米的同时，在轨道交汇方向上具有良好的自主导航能力。PALSAR具备卓越的距离分辨能力和优异的信噪比，并且在交轨方向上实现了精确的自主导航功能。
表6****ALOS观测卫星的技术指标及相干参数
| ALOS卫星 | |||
|---|---|---|---|
| 观测模式 | 高分辨率模式 | 扫描模式 | 多极化模式 |
| 极化 | HH/HV或VV/VH | HH或VV | HH/VV/HV/VH |
| 侧视角(度) | 10—60 | 18—43 | 8—30 |
| 距离向分辨率(m) | 10(2视)/20(4视) | 100(多视) | 24—89 |
| 扫描幅宽(km) | 40—70 | 250—350 | 20—65 |
| 数据率(M) | 240 | ||
| 天线尺寸 | 9.8*2.9 | ||
| 工作模式 | 重复轨道干涉模式 | ||
| 基线长度(m) | 交轨大于50m ，顺轨小于2公里 | ||
| 绝对测高精度(m) | |||
| 相对测高精度(m) | 10 —20 |
8、加拿大Radarsat-2雷达系统
Radarsat-2是一种基于加拿大第二代地球观测卫星平台开发而成的先进遥感技术系统，在2006年12月正式投入使用后获得了良好的应用效果。该系统在继承前一代产品诸多优势的同时，在雷达性能方面进行了多项优化升级。其雷达系统采用了C波段工作频率，并实现了HH极化的最佳匹配配置，在数据采集方面呈现出3至100米的空间分辨率特征；幅宽达到了惊人的1万到五千公里范围；整个系统的预期使用寿命可达7年；为了满足复杂地形条件下的导航需求，在运行过程中实现了多极化的自动切换功能；其显著的技术优势在于能够在同一时间段内实现对地物和目标的全面扫描覆盖，并通过智能算法实现扫描方向的有效变换；该遥感平台主要应用于测绘领域以及环境和自然资源调查评估方面等各项基础研究项目中
表7 Radarsat-2卫星的主要性能指标及相关参数
| Radarsat-2卫星 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 轨道参数 | ||||
| 倾角(度) | 重访周期(天) | 使用寿命(年) | 轨道高度(km) | 轨道 |
| 98.6° | 24 | 7 | 798 | 极轨，太阳同步轨道 |
| 可选极化方式 | 部分波束模式 | 标称分辨率 距离*方位(m) | 标称幅宽(km) | |
| HH,HV,VH,VV | 标准 | 35*28 | 100 | |
| 宽幅 | 38*28 | 150 | ||
| 精细 | 10*8 | 50 | ||
| HV或VH | 精细(1/4景) | 11*9 | 25 | |
| HH或VV | 超精细宽 | 3*3 | 20 | |
| 超精细窄 | 3*3 | 10 | ||
| 相对测高精度(m) | 2—20 | 基线长度(m) | 顺轨小于2公里 | |
| 编队形式 | 前后跟飞 | 标称间距(m) | 10 |
9、德国TanDEM-X任务
德国TanDEM-X项目采用了两枚TerraSAR-X卫星实施协同飞行策略，并构建了一个高精度的雷达干涉测量系统。第一枚TerraSAR-X卫星在2007年成功升空，并预计将在5年内完成其设计寿命；第二枚同样型号的卫星于2009年顺利升空，并预期在其设计寿命内持续运行。这两枚 satellite具备三年的有效工作重叠时间段。德国预期通过这三年的数据整合，在全球范围内构建一个具有高度精确度的空间数字地形模型（Digital Elevation Model, DEM）。该系统的定位精度优于每米二；栅格单元间隔设定在十二米（12m）左右。
表8 TanDEM-X干涉系统的性能指标及相关参数
| TanDEM-X干涉任务 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 交轨基线 | 顺轨基线 | 基线测量 | 轨道 | 系统寿命 |
| 300m—2km | 小于2km(一发双收) 200m—2km(双发双收) | 2mm—4mm | 太阳同步轨道 | 大于5年 |
| SAR基本参数 | ||||
| SAR模式 | 波段 | 入射角 | 分辨率 | 像素定位精度 |
| 条带，少量扫描 | X | 25°—50° | 6m（4视） | 小于5m |
| 数字高程模型(HRTI-3) | ||||
| 垂直精度 | 水平精度 | DEM间距 | ||
| 2m—4m（相对），10m（绝对） | 10m | 12m | ||
| 卫星编队模式 | 前后跟飞、并列绕飞 |
表9列出了多种星载干涉系统根据不同基线情况下的高程模糊度详细数值信息
表9 不同垂直基线下的高程模糊度(单位：m)
| 垂直基线长度 | 卫星 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SEASAT | JERS-1 | ALOS | ERS-1/2 | ENVISAT/ASAR | RADARSAT | TerraSAR-x | |
| 125 | 294 | 323 | 91~563 | 69 | 58~81 | 31~155 | 21~56 |
| 200 | 184 | 206 | 57~352 | 43 | 37~51 | 20~97 | 14~35 |
| 500 | 74 | 83 | 23~141 | 17 | 15~21 | 8~39 | 6~14 |
不同波段下系统干涉的性能比较
表10 上述几种星载干涉系统的相对测高精度对比
| 系统名称 | 相对测高精度(m) |
|---|---|
| SeaSat海洋卫星（L波段） | 20—50 |
| ERS-1和ERS-2星对(C波段) | 11—14 |
| JERS-1卫星(L波段) | 10—25 |
| Radarsat-1卫星(C波段) | 15—50 |
| ENVISAT系统(C波段) | 10—40 |
| ALOS卫星(L波段) | 10—20 |
| Radarsat-1和Radarsat-2星对(C波段) | 2—20 |
| TanDEM-X干涉系统(X波段) | 2—4 |
不同频率下的L、X与C频段形成的SAR图象各有特色，在生成过程中受到雷达波长及相干系数的影响程度也各不相同。在对同一区域进行SAR图象干涉处理时，在相同区域内相比而言，在相同区域内的相关性上来说,L频带所得图象的相关程度较高,然而在对高程信息敏感度方面则表现出色