"高分三号"03星星罩组合体

北京时间2022年4月7日07：47，搭载“高分三号”03星（GF-3C）的“长征四号丙”遥三十八运载火箭，在酒泉发射场9401工位发射升空，卫星顺利进入预定轨道。

“长四丙”遥八十三

此次发射的“高分三号”03星可不是一般的卫星，它属于“高分辨率对地观测系统”国家重大科技专项民用领域项目，“高分三号”系列卫星是我国首型C频段、多极化、高分辨率合成孔径雷达（SAR）卫星，具有全天时全天候监测、高精度测量、多模式成像等突出优势，主要技术指标达到或超过国际同类卫星水平。简单看来，以03星为代表的“高三”系列是一型很厉害的卫星，但究竟厉害在哪里又好像很难说清楚，不妨通过几个关键知识点来进一步了解这型“不明觉厉”的卫星。

“高分三号”03星厂房

什么是合成孔径雷达卫星？

按照成像原理，遥感卫星主要分为光学遥感卫星、雷达遥感卫星、红外遥感卫星等3种类型，其中雷达遥感卫星以合成孔径雷达（SAR）卫星为主。什么是合成孔径雷达？

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一种高分辨率微波成像雷达，它通过利用合成孔径原理、脉冲压缩技术和信号处理方法，以真实的小孔径天线获得距离向和方位向双向高分辨率遥感成像的雷达系统。

合成孔径雷达利用目标与雷达的相对运动，通过单阵元来完成空间采样，以单阵元在不同相对空间位置上所接收到的回波时间采样序列去取代由阵列天线所获取的波前空间采样集合。只要目标被雷达波束照射到或位于波束宽度之内，此目标就会被采样并成像。利用目标与雷达相对运动形成的轨迹来构成一个合成孔径以取代庞大的真实阵列孔径。

简单来说，通过合成孔径雷达成像，探测对象由开始被雷达波束照射到离开雷达波束照射范围，这期间一直处于成像过程中，通过一个持续的成像过程达到等同一个超大口径雷达的成像效果。

“高分三号”卫星就是配备了C波段SAR的雷达遥感卫星。电磁波按照波长由长到短排列，依次是无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线（X射线）、伽玛射线（γ射线），能量则由低到高。在无线电波当中，微波被称为“超高频电磁波”，频率在300MHz-300GHz之间，波长在1毫米到1米之间，在雷达或卫星通信领域对无线电频段进行了划分，其中C波段属于微波的范畴，频率4.0- 8.0GHz，波长75-37.5mm（厘米波）。作为微波，C波段具有易于集聚成束、高度定向性以及直线传播的特性，基本性质表现为穿透、反射、吸收，对于玻璃、塑料和瓷器，几乎是穿越而不被吸收，对于水和食物等就会被吸收发热，而对于金属而言则会被反射。C波段通常用于通信卫星，低频率的C波段在阴雨天气不会出现类似KU波段的雨衰现象。

“高分三号”卫星配备了长达15米的大天线，其分辨率可达1米，是世界上分辨率最高的C波段、多极化卫星。

“高分三号”模型

什么是多模式成像？

通常而言，SAR卫星具有多种成像模式，包括条带成像、扫描成像、聚束成像、双站成像、逆合成孔径雷达成像、干涉成像等多个类型，这类卫星具备多模式成像能力。在这些成像模式当中，条带成像、扫描成像以及聚束成像属于传统成像模式。

条带成像（Stripmap）指的是随着卫星的移动，雷达天线的指向保持不变，通过匀速扫过地面得到连续的图像，该模式对地面的一个条带进行成像，条带的长度取决于雷达移动的距离，方位向的分辨率取决于天线的长度。扫描成像（Scan ）指的是在一个合成孔径时间内，天线会沿着距离方向进行多次扫描，获得了宽的测绘带宽而牺牲了方位向分辨率，该模式的最佳方位分辨率等于条带模式下的方位向分辨率与扫描条带数的乘积。聚束成像（Spotlight）指的是卫星在飞越目标区域上空附近时，雷达天线通过不断调整波束指向使其始终瞄准该区域进行照射，可以在短时间内模拟出一个较宽的天线波束，相较于条带成像可以大幅提高分辨率，但是探测范围仅为有限的聚焦区域。

在条带成像、扫描成像等传统成像模式的基础上，“高分三号”01星具备波成像、全球观测成像等12种成像模式，并在后续运行过程中针对具体应用又拓展了10多种试验模式，是当时世界上成像模式最多的合成孔径雷达卫星。[1]03星则将成像模式增至20种，新增了高分宽幅成像、动目标检测和洋流测量成像等3种试验模式，进一步扩展了卫星的应用能力。[2]

什么是多极化？

极化是电磁波的本质属性之一，是除频率、幅度、相位之外的又一维重要信息。电磁波的传播和散射都是矢量现象，而极化正是用来研究电磁波的这种矢量特征的。雷达发射的能量脉冲的电场矢量，可以在垂直或水平面内被偏振。无论哪个波长，雷达信号可以传送水平(H)或者垂直(V)电场矢量，接收水平(horizontal,H)或者垂直(vertical,V)或者两者的返回信号。单极化是指水平发射水平接收（HH)或者垂直发射垂直接收(VV)。双极化是指在一种极化模式的同时，加上了另一种极化模式，如HH加HV。全极化（多极化）难度最高，包含HH、HV、VV、VH等四种方式。

电磁波的极化对目标的介电常数、物理特性、几何形状和取向等比较敏感，因而极化测量可以大大提高成像雷达对目标各种信息的获取能力。简单说来，在SAR对地观测成像的过程中，极化技术可以大大增强卫星区分事物种类、变化、特征的能力，可以分辨不同的农作物耕地，可以用于植被高度、衰减系数等生物量的估计和物种识别，可以用于土壤表面粗糙度和湿度、雪湿度的估计等等。

目前，雷达极化已经成为一项成熟的技术，而“高分三号”系列卫星则已经应用了其中难度最高的多极化技术，是其具备横跨海陆、多领域多目标多模式探测能力的关键支撑之一。

3星编队飞行，每天过头顶5次

“高分三号”01星于2016年8月10日发射升空，是我国首颗C波段全极化合成孔径雷达卫星；2021年11月23日02星发射升空；如今03星入轨后，标志着我国首个高分微波遥感卫星星座初步建成，全天时、全天候对地微波成像能力初具规模。

“高分三号”系列卫星采用编队飞行，均匀分布在同一轨道面上，三星绕地球一圈的时间均为99分钟。全球观测的最大重访周期从单星84小时缩短至三星的12小时，平均重访周期从单星的12小时缩短至三星的4.8小时，同一区域最低每天可以重访2次，平均每天可以重访5次，可以在全球区域进行高动态成像。

连续成像时长持续刷新世界纪录！

2016年，“高分三号” 01星一经发射就创造了大功率遥感卫星单次连续成像近小时量级的世界纪录，02、03星海洋连续探测的全球观测模式单次连续成像时间延长了一倍，03星的SAR载荷单圈工作时长由30分钟增加到100分钟，再次刷新了世界纪录，可实现全球海域长时间连续监测。[2]

“高分三号”首先是一型合成孔径雷达遥感卫星，采用C波段、具备多极化技术、分辨率达到1米，具备全天时全天候监测、高精度测量、多模式成像等优势，最大成像幅宽650千米，成像工作模式可以扩展到20种，为国际上综合性能最高的C波段SAR卫星！

作者：大白高国

本文为作者原创，@轻舟一号是文章唯一发表账号，如需转载请联系作者，并注明出处与作者

参考资料

[1] 引自中国空间技术研究院发布https://mp.weixin.qq.com/s/FBaplZFHOmM2180yGhEk2g

[2]部分引自空天信息研究院发布https://m.toutiao.com/is/NGCaXB5/?