与国产商业SAR卫星发展同行
文摘
科技
2023-12-16 19:30
北京
当未来的某一天回顾起中国商业SAR卫星发展历程时，人们应该不会忘记2023年的一系列故事。这一年的特殊性不仅仅是因为疫情过后百业复苏，更重要的是代表着中国技术、发展雄心和商业模式的SAR卫星一个接着一个成功发射，随之而来的是雷达遥感应用数据的日益增加，SAR卫星干涉能力正在一一补齐。4月份由泰伯网组织业内相关机构，针对商业SAR卫星发展的机遇与挑战作闭门研讨。包括中国航天科工集团、中国自然资源航空物探遥感中心、北京卫星环境工程研究所、中国电科38所、阿里达摩院、东方至远、航天宏图、蓝箭航天、智星空间、启元实验室、椭圆时空、数字绿土、微纳星空、陕西天润、数字太空 、AIRLOOK 、艾可萨科技、四象科技、数慧时空、苍穹数码、中科光启、星达时空、星启宇航、微动时空、云遥宇航、二十一世纪空间技术应用股份有限公司等40家企业及单位在内的诸多从业者参与研讨，共同表达了对发展商业SAR卫星的热情和渴望。业界热情如此之高的原因，我在当时的会议上做了表述，一是由于SAR卫星研制技术已趋于成熟稳定，由国家组织的一系列SAR大卫星完成了高分辨率成像、干涉、极化、姿态/轨道控制以及地面处理等技术设计与验证，为商业SAR提供了可以参照的技术路径和人员储备；另一方面，也是最为关键的，在光学遥感日趋饱和，商业遥感赛道挤满高分辨率光学的时候，SAR卫星成了新的竞争着力点，与成百上千颗的光学遥感卫星对比，SAR卫星严重不足，其总量不及光学遥感卫星的20%。当光学遥感卫星以天级、小时级观测频率，亚米级空间分辨率提供数据产品时，SAR卫星仍然停留在米级为主，数天重访的阶段。诚如泰伯智库所预测“SAR卫星遥感市场目前仍处于发展的早期阶段，由于具备其他类型卫星遥感不具备的优势，SAR卫星遥感在接下来5-10年内都将保持增长的态势，尤其是高分辨率SAR卫星遥感领域，预计将会有越来越多的创业团队投入其中”。自3月份以来，宏图-1号、四象矿大南湖号、涪城-1号等一批SAR卫星得以发射，航天宏图、天仪研究院等多家企业提出了未来5-10年发展SAR卫星星座的宏伟计划，分别以X、C为工作频段，构建了高分为主、多星组网、高低倾角结合的SAR卫星计划，特别是中低倾角的轨道的计划，将是近极轨卫星补充侧视成像观测不足的补充。这些，彰显了中国商业SAR遥感的雄心，但前进的路上，问题不会少！SAR卫星发展路径、应用场景、增长规模、竞争格局等问题是必要的考虑。事实上，在各行各业内卷严重的今天，无论是SAR卫星研制方，还是投资主体，都面临着如下三个问题。一是在商业引导与强烈的发展愿景下，SAR卫星遥感市场有多大，机遇在哪里？就过去20余年SAR卫星遥感的发展过程，从技术演进的角度而言，存在着通过卫星能力创新引领应用领域拓展的发展模式。商业SAR能否实现技术上的超越，为应用提供更好的解决方案，这是核心竞争力。另一方面，从商业SAR卫星发展的路径选择上，是在成熟的卫星研制与应用技术基础上，形成量产能力。通过小型化，量产，降低卫星研制投入，通过多星组网提高时间分辨率，提高应用效能，这是当前国内外商业SAR的基本路径。事实上，在上述路径下，广大研发主体均选择了从高分辨率X波段SAR入手，走多星组网，以数量换效率的路径。用高分辨率成像，提供图像服务仍是第一选择。而提升多星联合干涉能力，是许多企业正逐步理解，并不断验证试验的途径，并将其视为竞争能力和机遇。就卫星遥感而言，盈利的商业模式是从提供数据资源的独特性开始的。因而，在当下业界普遍的热情之下，更应从SAR卫星设计研发与遥感应用的源头，对未来做合理定位，以差异化市场定位，走专业化卫星研发，依靠商业化释放价值。要独辟蹊径，方能行的更远！二是商业SAR卫星的大小选择，大卫星不能商业化吗？回顾国际上过去30年SAR卫星发展历程，每一个卫星都是独特的，以重达2-3吨的大卫星为主，而小型化量产的SAR卫星则是从TanDEM-X、COSMO-SkyMed等逐步开始。过往大卫星以大型航天机构主导，以服务科学研究为目标，未来几年将发射的NISAR卫星、ALOS-4卫星以及仍在论证的ROSE-L、Biomass-P、我国的China-Earth高分宽幅高频SAR星座等都是大卫星。事实上，大卫星也是商业模式的途径之一，RADARSAT-2、ALOS-2、SAOCOM等卫星走商业模式，获得了巨大的收益，也开创了广阔的商业市场和应用场景。目前，国际商业SAR卫星，多以X波段小卫星为主，多星组网形成高频高分辨率观测模式，以芬兰的ICEYE、美国的Capella、umbra，日本的synspective等，我国的宏图-1，天仪系列、齐鲁-1号等卫星星座也在走此路。那么问题来了，这些X波段小卫星必然面临着同质化的尴尬。在大卫星不足的背景下，与国家航天计划相呼应，用社会资本发射大卫星，也或是商业模式的一种选择。毕竟，大卫星的观测性能、覆盖能力、应用效能有其独特性，这也可能是另外一种竞争力。三是SAR卫星未来的商业增长点，数据产品或应用生态如何构建？无论观测技术如何进步，其直接输出仍是数据。SAR数据的应用产出和价值增长点在哪里，是政府、军方还是民众感兴趣？采购愿意在哪里？服务的深度，服务模式的创新，价值点的细化和挖掘。目前出现的一种模式是“卫星数据-应用产品-服务模式一体化全覆盖”，试图依靠前端卫星数据，深化应用链条，实现价值超越，出现的结果是“就数据对数据，就算法做算法的应用”，缺乏应用场景和专业知识，生产了很多数据，计算了很长时间，结果达不到应用需求，数据价值未得以挖掘和发挥。如何构建SAR卫星遥感应用生态？是全链条还是特色化？从商业模式的顶层设计上避免同质化，在应用场景上寻求差异化，在服务模式上形成多元化，这是避免“白菜价”的必要选择。事实上，我们从事的InSAR技术应用已经出现了此类局面，“你有我也有，你会我也会，你覆盖全国，我监测全球”。“me too模式”正在拉低这个行业的专业性，这可能是技术发展的必然，但社会心理预期则要求技术越来越普适化，价格越来越低廉化。
国产SAR卫星差分干涉测试——以天仪涪城一号为例
扯了这么多，回到InSAR！在今年的Fringe2023上，国外的商业SAR小卫星干涉结果得以展示。Capella、ICEYE、Synspective等均展示了差分干涉测试结果，并给出了未来卫星星座干涉能力计划。那么，同在本年度发射的中国商业SAR卫星，能否干涉，干涉性能如何，需要测一测。在准备蒋弥教授粤港澳大湾区遥感大会雷达分论坛的报告时，特意向航天宏图、天仪研究院等单位提出了干涉测试要求，他们非常爽快的答应，并提供了相关数据，希望通过测试评估性能，改善星上观测和地面处理不足。这里，先以天仪提供的涪城一号卫星两个地区的差分干涉为例，给出基本的测试效果。后续将陆续提供其他SAR卫星差分以及时序InSAR测试结果。
涪城-1卫星是天仪研究院“绵阳星座”的首发星，于2023年6月7日成功发射，“涪城-1”卫星在研制过程中对InSAR技术要求的相位误差控制、轨道定位与重轨观测基线范围做了专门设计，希望未来在地质灾害、交通设施以及环保等领域提供遥感数据服务。此次测试采用2023年11月09日，11月20日两期SAR数据，为升轨右视观测，VV极化。测试区域位于四川茂县地区，数据由三景影像拼接而成，中心经纬度为31.86°N，103.64°E，条带长度100km，幅宽25km，如表1所示。![]()
涪城一号11天间隔重复观测该地区，测试长条数据由上下三景拼接而成，经过精配准，精度达到0.1像元。采用Copernicus 30m分辨率DEM数据模拟地形相位并做差分处理，得到差分干涉相位图，显示存在地形相位残余相位。经天仪提供精密轨道数据，残余相位仍然存在。因测试主要目标为滑坡形变，即局部尺度上的斜坡形变探测，故采用地形与大气相关函数对残余相位予以估计并去除，得到“背景干净”的差分干涉相位。图1. 茂县回龙乡白布村滑坡群区域测试结果（上图：涪城-1；下图：Sentinel-1A）测试结果：这里不对基线等参数做量化评价，主要分析11天差分干涉相位对滑坡的探测能力。测试结果显示，一是干涉像对位置准确，覆盖重合度超过99%，未出现上下飘移的常见现象；二是干涉像对基线极短，小于3m，利于形变相位提取，且测试区地表植被覆盖整体较少，干涉图相干性超过预期；三是分辨率高，精准定位斜坡滑动的位置和范围，对30m宽的地表滑移也可明显反映。与大家习惯了的开源Sentinel-1A卫星数据相比，尽管涪城-1卫星幅宽小，但优于3m的空间分辨率更适合小目标，特别是小规模地表滑移的精细监测。以茂县回龙乡白布村、南新镇罗山村两地的堆积体滑坡群为例，干涉相位连续，质量较好，即使在较短时间内，也可准确刻画滑坡细节变化。图2.茂县南新镇罗山村滑坡群区域测试结果（上图：涪城-1；下图：Sentinel-1A）该组数据为涪城一号卫星降轨左视成像，分辨率接近1.5m，是茂县数据的一倍。干涉像对空间覆盖一致，定位准确，条带全长约105km。由提供的精轨数据估算基线20.05m。受制于该地区地表植被，尤其是树木的影响，整体相干性明显逊色于茂县干涉像对。对其进行同样的差分干涉和地形残余相位估计，得到了背景较为平滑的差分干涉图。对比光学遥感影像，植被覆盖区域失相干现象突出。西向坡因左视观测，与升轨右视观测覆盖接近，斜坡聚集的滑坡并不突出。对比哨兵-1卫星数据stacking形变相位数据，因朝向和观测方向限制，该测试结果中未发现显著变形的滑坡。因分辨率更高，对相干地区的相位变化揭示更为精细，以四川省雷波县顺河乡村上天坝附近的磷矿为例，露天矿坑因开采地形和堆积物变形（夹杂地形变化的相位），地表变形明显，干涉相位连续，质量较好。图3. 干涉图局部相位变化与对应的地物类型（雷波县顺河乡上田坝，磷矿坑）与建筑物密集地区不同，植被，尤其是树木覆盖的地类时，相位噪声突出，相位不连续。尽管11天时间间隔，且为冬季观测，干涉图上这些地区失相干现象突出。
1．从国内外商业SAR卫星提供的差分干涉（以及InSAR时间序列、offset-tracking）等结果来看，小型SAR卫星在姿轨控和基线约束方面采取了一定的策略和技术后，可用于重复轨道差分干涉，具备了形变监测的基本前提。小卫星长期干涉性能能否保持，这些测试数据是常态下的产物，还是特殊控制措施下精挑细选的样例，仍待进一步观察。若SAR能保持稳定的相位质量，采用限定的轨道管道半径，90%的数据基线可约束在四分之一到三分之一的临界基线范围内，则长期稳定的小型SAR形变监测会成为常态，这是值得期待的，也是大家希望的！
2．在哨兵-1等卫星的映衬下，小型SAR卫星走高分辨率干涉的路子是差异化的体现，但还不够，尤其是时间分辨率仍有很大的提升空间。一是通过提高时间分辨率满足对时效性，对变化监测要求更高的应用场景；二是尽可能短的时间间隔提升相干性保持能力。当然有人会说，相干性可能会因一阵风而改变。确实如此，但整体来看，保持3-5天的干涉重访有利于整体更好，而更短的时间还可以细分变化过程，尽可能捕捉全大变形过程，改变对非连续变形的低估的现实。3．天仪、宏图、世景（还有其他，但没有公开以及没有测试）等国产商业SAR卫星正在朝着增强干涉能力的方向走，采取一定的轨道控制和编队策略，确保重复轨观测或者多星联合干涉，相关技术得到验证，正在走向成熟。尽管业内对小型SAR能否干涉表示过质疑，更多的是担心卫星控制，以及频繁控制带来的成本提升。但涪城一号两组数据差分干涉的结果显示了干涉效果，尤其对小规模、小范围地表变形（滑坡等）在短时间内的变化捕捉，揭示了细节，这是应用的必经之路，走向精细！4．国产SAR卫星正在蓬勃发展，如何更好的为用户提供数据产品，是否一颗卫星搞一种数据格式，搞一套数据产品分类定义？如此带来了大量的繁琐准备工作。因此，国产商业SAR卫星研制单位和用户非常有必要坐下来，讨论数据统一问题，制定可接受的数据和产品定义，提高应用的便捷性十分必要。5．这几天同行们纷纷测试涪城一号干涉效果，普遍对商业SAR获得茂县差分干涉结果及其良好的结果表达了喜悦！这一方面是小卫星的测试表现超出了预期，改变了“不可能”的看法，另一方面则是高分辨率对细节的揭示。我们乐见SAR卫星越来越多，越来越好。更希望国产SAR，无论大卫星，还是小卫星，都具备重复轨道差分干涉能力！继续跟踪国产SAR卫星，在大小SAR星发展的过程中，让InSAR技术成为SAR卫星的基本能力，让InSAR应用更为便捷，更为广泛！大家加油！
本公众号依托“自然资源部地质灾害隐患遥感识别与监测工程技术创新中心”技术团队，立足遥感技术研究与地质灾害应用，面向图谱遥感与几何遥感，致力于创新InSAR测量、影像变化检测、遥感智能解译、定量评估方法，构建联通地质灾害业务应用——遥感信息提取技术研究—业务应用系统平台开发—卫星（传感器）设计的发展模式，以科技创新支撑综合防灾减灾，服务经济社会高质量发展。
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