HJ-1-C 卫星合成孔径雷达载荷的设计与实现

HJ-1-C 是我国环境与灾害监测小卫星2+1星座中的一颗合成孔径雷达(SAR)卫星,工作于S 波段,具有5 m 分辨率。SAR 载荷采用网状反射面天线和大功率放大器方案,具有重量轻、效率高的特点,适合于小卫星平台。目前HJ-1-C 卫星已在轨运行,获得我国首批S 波段星载SAR 图像,图像质量高,地物信息丰富,表明SAR 载荷的设计合理,试验和测试充分。HJ-1-C 卫星将为我国减灾和环境应用发展做出贡献。该文将对HJ-1-C卫星SAR 载荷的设计和研制进行全面介绍,包括其主要功能和技术指标,各部分的设计,以及研制、测试和试验工程,最后给出其在轨获得的图像。      

环境一号C 卫星系统总体设计及其在轨验证

HJ-1-C 卫星是我国环境与灾害监测预报小卫星星座的一颗合成孔径雷达卫星,与光学卫星HJ-1-A/B 共同完成环境与自然灾害监测。该文介绍了中国第1 颗民用SAR 卫星的系统总体及载荷的设计特点,研究了卫星平台部分的数传、姿态控制、供配电和热控分系统对SAR 载荷的支持能力以及相互之间的匹配关系,同时,给出了卫星在轨测试验证的相应结果。      

HJ-1A/B星CCD相机在轨辐射性能检测分析

为检测分析HJ-1A/B星CCD相机在轨辐射探测性能及其辐射定标的有效性,提出了基于多种光学特性地面目标的在轨检测方法。首先,介绍了HJ-1A/B星CCD相机在轨辐射性能检测方法,并基于2013年HJ-1A/B卫星地面同步观测试验数据,获取了HJ-1A/B星过境时刻的卫星入瞳处等效辐亮度。然后以该等效辐亮度为基准,对HJ-1A/B星CCD相机历次在轨辐射定标结果进行检验,分析HJ-1A/B星CCD相机的在轨运行期间辐射探测性能变化趋势。结果表明：HJ-1A/B星在轨运行过程中,辐射性能在不断发生变化;在轨运行5年多时间里,HJ-1A/B星的CCD相机各波段的辐射性能平均衰变量最低为3.7%,最大为39.6%;为保证遥感数据的定量化精度,定期的在轨绝对辐射定标十分必要。     

HJ-1B卫星热红外通道在轨场地定标与验证

在对热红外辐射计CE312定标的基础上,基于青海湖水面辐射校正场,采用CE312开展同步测量实验,对HJ-1B卫星热红外通道进行在轨绝对辐射定标。由于HJ-1B卫星在轨星上定标系统不稳定,高温点难以准确获取,因此分别使用单点法和两点法,对2010年8月1日和5日两组传感器入瞳等效辐亮度值和卫星通道计数值回归得到该卫星通道绝对定标系数,并使用内蒙达里湖水面辐射校正场2010年6月29日实测数据进行定标系数的验证工作。验证结果表明,青海湖场地两次定标系数有较好的一致性,定标结果稳定可信。两点法所得定标系数的精度高于单点法。     

环境一号C 卫星合成孔径雷达相干性分析

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)是一种相干成像雷达,相干性是保证SAR 成像的关键。对相干系统而言,诸多因素会破坏其相干性。该文以环境一号C 卫星SAR 分系统方案和指标为基础,主要分析了频率源稳定度和脉间定时抖动对系统相干性的影响。环境一号C 卫星SAR 采用短期稳定度为101.010 / 5 ms 的晶振,经过直接倍频与分频提供系统所需的基准频率信号,由短期稳定度引入的方位向随机相位误差对积分旁瓣的影响可忽略。环境一号C 卫星SAR 定时脉冲前沿抖动优于2 ns (rms),合成孔径时间内的随机相位误差对方位脉冲压缩旁瓣略有影响。该文通过公式推导和仿真分析证明了HJ-1-C 卫星SAR 系统相干性设计满足合成孔径雷达成像要求。      

HJ-1-C 卫星SAR 全功率辐射试验的设计及实现

该文面向HJ-1-C SAR 全功率辐射试验设计,阐述了SAR 大功率集中发射所带来的新问题,从保证雷达接收通路的安全性出发,提出全功率辐射试验的接收通道漏过功率测试的必要性,给出构成雷达系统收发通道闭环测试的方法。试验结果表明,所提出的HJ-1-C SAR 系统全功率辐射试验的方案合理可行,试验达到了预期的效果。      

环境一号C 卫星SAR 图像典型环境遥感应用初探

环境一号C 卫星(HJ-1C)于2012 年11 月19 日成功发射,并与2008 年9 月6 日一箭双星发射的环境一号A 星,B 星(HJ-1A/1B)组成2+1环境与灾害监测预报小卫星星座系统。该文以2012 年12 月～2013 年1 月期间获取的9 景HJ-1C 卫星数据2 级产品(S 波段,VV 极化,Strip 模式,5 m 分辨率)为实验数据,以北京市和福建省近海海域为研究实验区,以HJ-1C 卫星SAR 图像土地利用类型人工解译与制图、地表覆盖自动分类、近海海洋溢油污染识别、海浪特征参数反演、海水养殖区特征提取等近海海洋环境监测等为例,开展了HJ-1C卫星SAR 图像环境遥感应用能力的分析与评价。结果表明:(1)HJ-1C 卫星SAR 图像可用于耕地、林地、公路用地、河流水面、城镇住宅用地、农村宅基地等土地利用类型的人工解译和制图,地类图斑面积勾绘误差小于5%;(2)HJ-1C 卫星SAR 与HJ-1B CCD 图像融合可有效提高地表覆盖自动分类精度;(3)HJ-1C 卫星SAR 图像可用于海洋溢油污染识别、海浪特征参数反演及近海养殖区信息提取等近海海洋环境遥感监测。      

MODIS的HJ-1B红外通道星上定标系数交叉验证

HJ-1B卫星自发射以红外通道共进行了7次星上黑体定标,针对星上定标系数的验证工作开展较少,以MODIS第31、32通道为参考源,分别基于光谱响应差异和线性统计关系两种方法对HJ-1B红外通道星上定标系数进行验证.首先,计算两个传感器表观辐亮度的匹配关系,进而计算出HJ-1B红外通道的等效离表亮温,通过与HJ-1B红外通道基于星上定标系数反演得到的离表亮温进行比较,实现对星上定标系数的验证.通过半高宽法、矩方法和查找表法这三种不同的方法计算得到了2009年9月14日星上定标系数.结果表明:三种方法中,查找表法精度较高, 且HJ-1B查找表法星上定标系数反演亮温与基于光谱响应差异和线性统计关系计算的等效亮温偏差较小,分别为0.02 K和0.81 K.这两种交叉验证方法的精度均在1 K以内,证明了该方法的可行性,且基于光谱响应差异的验证方法精度更高.该研究为光学载荷在轨辐射定标的验证提供了理论基础.     

高光谱成像仪交叉定标技术研究及应用

针对高光谱成像仪的在轨定标,提出三种交叉定标技术方案,分析了时相匹配、视场匹配、光谱匹配和几何匹配等交叉定标过程中的关键单元技术,结合HJ-1A/HSI、EO-1/Hyperion等开展了交叉定标算法模型验证。通过这三种技术方案的应用,与场地定标相结合,将有利于提高在轨定标的频次、快速校验场地定标系数,有效提升高光谱数据的定量化应用水平。     

高分一号卫星PMS 相机多场地宽动态辐射定标

为克服卫星遥感器常规定标方法不足,实现GF-1 卫星PMS 相机高精度在轨定标,提出了多场地宽动态辐射定标方法,分析了新方法的不确定度。首先,介绍宽动态辐射定标原理和试验场区概况,设计开展了GF-1 卫星多场地同步观测试验;接着,基于试验数据和宽动态定标模型,实现了GF-1 卫星PMS 相机的在轨辐射定标;最后,讨论GF-1 卫星PMS 相机多场地定标的不确定度和模型的稳定性。结果表明:GF-1 卫星PMS 相机自发射以来辐射响应特性与实验室定标结果相比发生了一定变化,最大变化量达到了7.72%;PMS 相机多场地辐射定标的综合不确定度为5.35%。所获取的PMS 相机定标系数满足遥感辐亮度产品生产的精度要求,且多场地定标可作为后续高分卫星的在轨定标的方法参考。     

星载SAR成像对卫星姿态控制精度的要求

详细地论述了椭圆轨道条件下星载SAR目标的多普勒特性,推导了卫星姿态变化下多普勒参数的表达式,证明了卫星姿态变化对星载SAR成像的影响.理论分析与仿真结果表明卫星轨道近似与姿态变化对星载SAR成像有较大影响,应根据不同的成像精度提出不同的卫星控制精度.     

利用相位中心偏移方位多波束来实现宽测绘带SAR成像

该文提出了一种基于相位中心偏移方位多波束的宽测绘带星载SAR实现方案。通过在方位向上配置相位中心偏移的多个波束使雷达在一个脉冲周期内完成多个多普勒历程的信号采样,显著降低系统对脉冲重复频率的要求,实现宽测带SAR成像。针对卫星速度的非恒定性和不同波位所需PRF的多样性造成的方位信号非均匀采样,该方案采用了多通道信号重建技术来恢复均匀采样信号的算法。与采用高轨技术和分布式技术的宽测绘带SAR方案相比,这种方案的技术难度较小、易于实现。     

FY—2B气象卫星红外通道发射前实验室定标与在轨辐射定标比较

FY－2B是自旋稳定卫星，红外通道无法进行在轨星上绝对定标，FY－2B发射前的地面实验室定标方案参照了FY－2A在轨环境温度的变化情况，定标结果十分理想，在轨电子学定标数据修正红外通道的量化关系，得到的在轨定标结果与利用青海湖进行的同步场地辐射定标结果非常接近。     

GPS‐Based Orbit Determination for KOMPSAT‐5 Satellite

Korea Multi‐Purpose Satellite‐5 (KOMPSAT‐5) is the first satellite in Korea that provides 1 m resolution synthetic aperture radar (SAR) images. Precise orbit determination (POD) using a dual‐frequency IGOR receiver data is performed to conduct high‐resolution SAR images. We suggest orbit determination strategies based on a differential GPS technique. Double‐differenced phase observations are sampled every 30 seconds. A dynamic model approach using an estimation of general empirical acceleration every 6 minutes through a batch least‐squares estimator is applied. The orbit accuracy is validated using real data from GRACE and KOMPSAT‐2 as well as simulated KOMPSAT‐5 data. The POD results using GRACE satellite are adjusted through satellite laser ranging data and compared with publicly available reference orbit data. Operational orbit determination satisfies 5 m root sum square (RSS) in one sigma, and POD meets the orbit accuracy requirements of less than 20 cm and 0.003 cm/s RSS in position and velocity, respectively.     

星载SAR非沿迹成像新模式:机遇与挑战

星载合成孔径雷达(SAR)通过采用不同成像模式,实现分辨率与成像带宽度的不同性能组合。常规星载SAR模式的成像带沿着卫星航迹方向,走向单一;但实际目标场景的地理走向多种多样,与沿卫星航迹方向的成像带地理走向不匹配的情况普遍出现,导致数采周期长或方位分辨低、存储与计算资源浪费。星载SAR非沿迹成像模式是解决该问题的新思路,其通过生成与卫星航迹不同向的直线型或曲线型的成像带,匹配于目标场景的实际地理走向,对目标场景进行“地理定制化”成像。该文主要从信息获取、成像处理等方面,讨论了星载SAR非沿迹成像新模式的主要机遇与挑战,并通过计算机仿真实现了星载SAR非沿迹成像模式的原理性验证。      

地球同步轨道星载SAR观测特性分析

地球同步轨道星载合成孔径雷达(Geosynchronous Synthetic Aperture Radar,GEOSAR)具有超高的卫星轨道和超长的合成孔径时间,相比于目前的低轨星载SAR,GEOSAR在信号特性与成像信号处理方面变化显著.GEOSAR体制和理论方法的研究都要以GEOSAR自身的特性分析为基础.文中根据GEOSAR的星地几何关系对星下点轨迹、卫星速度与波束扫描速度、合成孔径时间、多普勒特性等观测特性进行了深入分析,然后在此基础上与典型低轨SAR进行比较,得出了相应结论.     

标校卫星地面应用系统方案设计

卫星标校技术采用低轨卫星搭载标校载荷为地面测控设备标定系统误差,由于国内标校卫星发展较晚,相关研究主要集中于地面具体型号测控设备的卫星标校方法,缺少标校卫星地面系统研究以及真实卫星数据和试验验证手段。针对国内首个标校卫星型号“天平”一号卫星地面应用系统,设计了系统工作模式,提出了标校卫星任务规划方法,并对精密定轨调度和标校数据处理业务流程进行了分析设计。标校卫星地面应用系统面向标校用户提供测控设备标校服务,并为后续研究提供真实卫星数据和试验验证平台。     

ERS-1 internal clock drift measured by interferometry

Radar interferometry opens a very wide field of new applications to synthetic aperture radar data. Although some of them could be satisfied with relative calibration of the phase signal over a short range, many of the applications linked to geophysics would require a global calibration of the signal. This calibration should ideally be valid over several hundred kilometers. Among the potential artefacts to be taken into account to fulfil this requirement are atmospheric thickness variation, improper orbit modeling, spacecraft vibrations. In order to eliminate such artefacts, the orbits must be properly tuned. This can be done by taking advantage of the limited number of the parameters which govern orbital positions. In this paper, the authors show evidence that the internal clock aboard the ERS-1 satellite can cause phase artefacts. The evidence is obtained through the analysis of a very long segment of ERS-1 data, in which the fringe patterns show features which can be caused only by a drift of the internal dock. A linear drift with time is sufficient to explain the phenomenon: the total frequency change over a five minutes orbital segment is of the order, of 5000 Hz. The drift is characterized and its consequences are detailed, in particular on the image geometry. Some new specifications are given which should avoid such an artefact in future SAR systems: with the features of ERS-1, the clock should stay within 200 Hz of its nominal value during the largest interferometric segment envisaged for the mission     

卫星对地成像覆盖分析

星载线阵CCD和SAR成像是卫星对地成像的主要方式。分析了星载线阵CCD和SAR的成像几何特性,给出了在给定卫星轨道高度以及线阵CCD、SAR成像系统的主要参数条件下,确定其对地成像范围的方法。以SPOT2和RADARSAT1为例,给出了用STK卫星仿真工具软件对卫星对地成像进行仿真的实例,进而提出在实际应用中卫星对地成像覆盖分析的方法。