TanDEM-X卫星的系统参数和成像模式与TerraSAR-X卫星的基本一致, 但TanDEM-X卫星安装了协调星座间运行的冷气推进系统, 以及接收TerraSAR-X卫星GPS位置信息和状态信息的天线装置^[7]。2颗卫星的基本参数如表1所示。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 TanDEM-X/TerraSAR-X卫星基本参数 Tab.1 Basic parameters of TanDEM-X/TerraSAR-X satellites 参数项 TanDEM-X/TerraSAR-X基本参数 参数项 TanDEM-X/TerraSAR-X基本参数 合作模式 双站模式、双站交替、单站追踪 发射日期 20100621/20070615 成像模式 条带、聚焦、宽幅、高分辨率聚焦、单 星双接收天线顺轨干涉和孔径切换 最短时间基/s 0 极化 单极化、双极化、全极化 基线精度/mm 1 编队几何结构 长短基线交叉轨干涉、长短基线顺轨干涉 重访周期/d 11 分辨率/m 1, 3, 16 轨道高度/km 514 轨道倾角/(° ) 97.4 轨道精度/cm 10 轨道类型 太阳同步轨道 波长/cm 3.1 波段 X波段 天线视向 左右侧视 天线长宽/m 4.7× 0.7 信号带/MHz 300 消耗功率/W 730 脉冲重复频率/kHz 3.0~6.5 系统噪声/dB 5

表1 TanDEM-X/TerraSAR-X卫星基本参数 Tab.1 Basic parameters of TanDEM-X/TerraSAR-X satellites

TanDEM-X双站SAR科学计划的首要目标是获得一个全球的、连续的和高分辨率的DEM。TanDEM-X卫星设计寿命为5 a, 与TerraSAR-X卫星至少有3 a的编队飞行时间^[8]。在3 a的重叠期中, 首先进行6个月的试运行阶段, 之后2 a内将会调整空间基线范围, 获取全球DEM数据。其中, 在重叠期的最后半年, 将获取地形复杂地区的DEM数据^[9]; 重叠期之后, TanDEM-X计划将专注于获取大基线实验数据。

由表2可知, 第一年的垂直基线范围为200 ~ 450 m, 第二年的垂直基线将会扩大到第一年的1.3倍, 范围为450 ~ 600 m。之后半年内, TanDEM-X计划将调整垂直基线范围为500 ~ 3 000 m, 以减小阴影、叠掩和透视收缩所引起的误差, 获取复杂地形的DEM。3 a后, TerraSAR-X卫星如果仍能与TanDEM-X卫星保持编队飞行, TanDEM-X计划将进行各种基线的数据获取实验。欧空局为使其保持长期编队飞行, 在TerraSAR-X卫星停止运行后, 将会发射TerraSAR-X2继续维持编队飞行^[10]。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 TanDEM-X任务时间表 Tab.2 TanDEM-X mission timeline 时段 交叉轨分量 顺轨分量 2010年6月~2011年1月 试运行阶段 试运行阶段 2011年1月~2012年1月 200~450 m短基线获取全球DEM 0~1 000 m, 在预定纬度可以小于250 m 2012年1月~2013年1月 450~600 m长基线获取全球DEM 0~1 000 m, 在预定纬度可以小于250 m 2013年1月~2013年6月 500~3 000 m获取复杂地形DEM 任意 2013年6月之后 可以定制长基线数据 可以定制长基线数据

表2 TanDEM-X任务时间表 Tab.2 TanDEM-X mission timeline

TanDEM-X和TerraSAR-X卫星在非常接近的轨道面上协同运行^[6], 通过调整双星编队飞行结构的节点线角度、近地点角度、轨道扁率和双星相位, 结合在不同升降轨节点偏离轨道平面的位移和在不同扁率矢量垂直方向放射状的偏离, 这种双星编队形成了一种沿轨道螺旋状卫星之间的相对飞行^[11], 形成螺旋(helix)飞行结构, 如图2(a)所示。该轨道结构不存在相交情况, 保证了2颗卫星安全运行。2颗卫星空间基线的顺轨方向分量小于1 km, 甚至在预定纬度上可以小于250 m, 交叉轨方向分量在200 ~ 600 m之间, 以满足不同应用的需求。Helix编队可保持稳定的高程模糊度(height of ambiguity), 且使南北半球同一纬度能以相同的有效基线观测, 如图2(b)所示^[12]。

图2

Fig.2

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	图2 TanDEM-X/TerraSAR-X双星编队飞行示意图Fig.2 Formation flying for TanDEM-X/TerraSAR-X

TDX/TSX卫星编队采用3种协作模式获取干涉数据(图3), 并且这3种模式与聚焦、条带和宽幅SAR成像模式自由组合^[6]。其中双站模式是TanDEM-X计划中生成DEM的最常用模式, 而其他数据获取模式只进行系统标定和验证。

图3

Fig.3

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	图3 3种数据获取模式[4]Fig.3 Three data acquisition modes[4]

1)双站模式。如图3(a)所示, 在该模式下, 任何一颗卫星都可以作为雷达脉冲发射卫星, 2颗卫星同时接收回波信号, 消除了时间去相干源和大气去相干源, 但必须保证2颗卫星间PRF(pulse repetition frequency)同步。双站模式是TanDEM-X计划中获取DEM的标准模式。

2)单站追踪模式。如图3(b)所示, 单站追踪模式不需要保持2颗卫星同步, 可以单独运行。为避免2颗卫星雷达信号的干扰, 2颗卫星空间基线在顺轨方向分量必须大于10 km, 除了在植被、中高风速水面等地区外, 大部分地物都能保证较高的相干性。该模式与传统重复轨道干涉模式相似, 但在时间去相干方面远远优于重复轨道干涉模式。

3)双站交替模式。如图3(c)所示, 双站交替模式要求TanDEM-X和TerraSAR-X轮流发射雷达脉冲, 同时接收回波信号。2颗卫星轮流发射完一次脉冲称为一次交替, 每次发射脉冲的卫星获得的图像称为主图像, 相应另一颗卫星获得的图像称为辅图像。双站交替模式一次交替获取2幅主图像和2幅辅图像, 同一颗卫星的主图像和辅图像用来测定振荡器引起的相位误差, 进行双站SAR干涉测量精确相位校正。相位校正后, 2幅辅图像可以合为一个双倍PRF的辅图像。同时, 一次交替生成2幅具有不同高程模糊度的干涉图:

①一颗卫星的主图像与另一颗卫星的辅图像生成一幅干涉图, 干涉图的高程模糊度为

h_amb=(λ r sin θ _i)/B_⊥ , (1)

式中: λ 为脉冲波长; r为斜距; θ _i为入射角; B_⊥为视线向垂直基线。

同样地, 另一对主图像和辅图像也生成一幅干涉图。通过合并2幅干涉图来提高相位校正精度。

②2幅主图像也可以生成一幅干涉图, 且相位模糊度为第一幅干涉图的2倍。该干涉图的高程模糊度为

h_amb=(λ r sin θ _i)/2B_⊥ , (2)

双站交替模式采用交替发射脉冲方式, 获取2种不同相位模糊度的干涉图。这2种干涉图既能够提高干涉相位解缠质量和效率, 又能够区分一次散射和二次散射。

交叉轨干涉SAR技术主要用来生成高精度DEM。对2条SAR天线获取的图像进行相位差值, 并将相位转换成高程生成DEM数据。精确的DEM或DEM副产品广泛应用于地形测绘、冰川学、水文学、海洋学、地质学、城区制图、导航、灾害应急管理、土地覆盖和植被等领域。

1)全球地形测绘。目前, 获取局部地区高分辨率和高精度的DEM相对容易, 但获取一个全球的、高分辨率、高精度和有统一数据格式及投影的DEM比较困难^[14]。2000年NASA航天飞机获取SRTM DEM覆盖了全球南北纬60° 之间的范围, 但存在年数久远、分辨率低、精度低以及未能全球覆盖和有数据空洞等问题。TanDEM-X计划作为SRTM项目的延续, 其主要目的仍是全球地形测绘, 将生成精度满足HRTI-3(high resolution terrain information)标准的全球覆盖、12m高分辨率的DEM用于科学研究和商业用途^[15]。

2)冰川学。冰川物质平衡、冰川气候相互影响和冰川盆地径流的监测及建模, 都需要精确的DEM, 且多期DEM可以进行时序物质平衡探测和冰川退缩监测^[16]。而TanDEM-X脉冲信号为低穿透性的X波段, 可以提供冰川物质平衡变化和冰川退缩引起海平面上升方面的精确数据。DEM还可以作为一个重要输入参数^[17], 用于极地冰川变化模拟。尽管CryoSAT-2数据也能提供冰川地形^[18], 但分辨率较低, 而TanDEM-X可提供高分辨的DEM。

3)水文学。高分辨率DEM可用于区域洪水淹没风险评估和与水文有关的地貌特征提取(如水系网、集水区和地表湿润系数等)^[19]。TanDEM-X提供的高精度DEM可缩小现有水文模型的差距, 开辟遥感在水文学方面新的应用领域。

4)海洋学。目前只有ERS SAR和ENVISAT ASAR星载单天线SAR能够进行洋流波形测量^[20]。而TanDEM-X干涉数据有望克服传统测量方法的缺陷, 提高海洋波谱的估计精度。另外, SAR图像显示的精细洋流信息也可开辟新的应用领域, 譬如洋流-波形相互作用参数。TanDEM-X还可以提供海洋学中的2个重要参数, 即二维海洋波谱和风场参数。且TanDEM-X的SAR数据能够计算出二维海洋波谱的波高、波传播方向和波长参数以及高分辨率风场。

5)地质学。高精度的DEM是地质科学应用的基础数据。地面沉降、火山、地震和海啸等地质灾害都需要最新且精确的DEM, 用以计算灾害发生前后的变化信息^{[21, 22, 23]}。目前, 只有TanDEM-X计划能够获取全球高精度的DEM数据。

6)城区制图。城市土地利用、城市规划、城市环境和城市安全等领域都需要精确的DSM^{[24, 25]}。TanDEM-X将提供高分辨率且适合提取城市地区DSM的干涉对数据, 解决了阴影、叠掩和多路径效应导致SAR图像及干涉相位解译的困难。

顺轨干涉SAR技术是通过计算2幅同一地区、不同时刻的SAR图像相位差, 探测移动目标并估计其速度。与交叉轨干涉SAR相比, 顺轨干涉的2幅SAR数据获取时间方面存在短时间的差异。这种差异可以通过调整2颗卫星在顺轨方向的距离实现, 也可采用单颗卫星的双天线接收(DRA)设备实现。2颗卫星间距可以在0~1 000 m范围内调整, 以实现不同速率的动态目标探测和估算。顺轨干涉SAR可应用于监测海洋洋流、冰川流速和交通流量等领域。

1)洋流和河流流速提取。海岸带洋流地图集的制作、深海变化监测、潮汐发电机位置确定和不能现场实施的洋流和河流流速提取等, 都需要高分辨的流场数据^[26]。顺轨干涉测量技术能够提供该类数据。2000年的SRTM项目已成功获取顺轨干涉测量数据, 而TanDEM-X顺轨干涉测量技术的优势在于能够提供更高质量的数据, 并可根据用户需求提供实验区的时序数据。

2)冰川流速监测。除冰川地形和接地线位置外, 冰川流速也是计算冰川物质平衡变化的重要参数^[27]。TanDEM-X能够提供适合的时间基线和空间基线, 有效监测各种流速的冰川变化, 成为监测冰川流速的最佳手段之一。

3)交通流量监测。交通流量监测需要探测移动目标及其速度等参数^[28]。TanDEM-X计划的双站顺轨干涉, 尤其2颗卫星上的DRA设备, 在没有外部参考数据情况下能够精确测量动态目标的前后偏移量、速度和加速度等参数。