哨兵1号(Sentinel-1)SAR卫星介绍

1. 哥白尼计划 

说起欧空局的哨兵1号，就不得不先说一下欧空局的“哥白尼计划”。

欧空局的哥白尼计划（Copernicus Programme）是欧空局与欧盟合作的一项极其重要的地球观测计划。该计划旨在提供免费开放的、可持续的地球观测数据，以支持土地管理、海洋环境、大气、应急、安全和气候变化多个领域的应用。

哥白尼计划最早的筹备工作始于2001年，但正式启动日期是在2014年。这个计划以尼古拉斯·哥白尼（Nicolaus Copernicus）的名字命名，以纪念这位波兰天文学家。自启动以来，哥白尼计划已经不断发展和扩展，为全球提供了重要的地球观测数据。

• 介绍哥白尼计划的视频：欧空局“哥白尼计划”介绍
• 哥白尼计划官网：哥白尼计划欧空局主页
• 中国气象局对其的报道：哥白尼计划——欧洲对地观测的战略雄心

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2. 哨兵系列卫星

哥白尼计划包括一系列卫星，被称为 “ 哥白尼哨兵（Copernicus Sentinel）”。这些卫星搭载不同的传感器，包括SAR、光学和红外传感器，用于监测地球表面、大气和海洋。这些哨兵卫星提供了较高分辨率、多谱段的地球观测数据。

本文信息大部分来自欧空局官网：任务 - 哨兵在线 - 哨兵在线 (esa.int)

接下来我们针对哨兵1号展开详细介绍。

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3. 哨兵1号SAR卫星

SENTINEL-1的使命：为需要长时间序列的业务和应用提供更高的重访频率、覆盖范围、及时性和可靠性。并提供业务化的干涉成像能力。

Sentinel-1是由两颗相同的SAR卫星组成的星座。Sentinel-1A于2014年4月3日发射升空，Sentinel-1B于2016年4月25日发射升空。这两颗卫星在同一轨道平面上相距180度，可以实现最佳的全球覆盖和数据传输，可以在六天内对全球进行一次成像。

不过Sentinel-1B星在2021年底因为电源故障无法使用了，目前欧空局准备再发一颗Sentinel-1C星进行替代，目前Sentinel-1C应当是研制完成了，之前预计23年上半年发射，现在推迟到什么时候还不知道。

下面这张图从几个角度对哨兵1号进行了简介：

Sentinel-1主要应用于：

• 北极海冰面积监测
• 常规海冰测绘
• 监测海洋环境，包括溢油监测
• 用于海上安全的船舶检测
• 监测地表板块运动风险
• 森林、水和土壤管理制图
• 绘制地图以支持人道主义援助和危机局势。

3.1 视频介绍

• 哨兵1号SAR卫星空客宣传片_哔哩哔哩_bilibili
• 手绘漫画科普：哨兵1号SAR卫星微波视觉_哔哩哔哩_bilibili

想知道卫星造好以后到在轨服务中间经历了什么吗？请看以下系列视频：

• 哨兵1号SAR卫星相控阵天线暗室测试_哔哩哔哩_bilibili
• 哨兵1号SAR卫星太阳能帆板测试_哔哩哔哩_bilibili
• 哨兵1号SAR卫星转厂检查装入火箭_哔哩哔哩_bilibili
• 哨兵1号SAR卫星搭载俄罗斯联盟号火箭发射_哔哩哔哩_bilibili
• 哨兵1号SAR卫星入轨流程与在轨工作演示_哔哩哔哩_bilibili
• 哨兵1号SAR卫星使用激光通信实现高速数传_哔哩哔哩_bilibili

最后是3个SAR数据的应用案例：

• 哨兵1号SAR卫星瞰新加坡，马六甲海峡船好多_哔哩哔哩_bilibili
• 哨兵1号SAR卫星瞰鄱阳湖_哔哩哔哩_bilibili
• 哨兵1号SAR卫星瞰贝加尔湖，曾经中国的领土，中国的北海，苏武牧羊的地方，朱元璋派蓝玉在这里大败北元！_哔哩哔哩_bilibili

上面的视频基本按照卫星制造-总装-测试-转厂-搭载火箭-发射-星箭分离-入轨调整-在轨测控数传-数据服务的流程进行了排序，因为素材有限，以上视频有的是Sentinel-1A，有的是Sentinel-1B或1C，1A、1B、1C这三颗卫星基本一样，不影响流程。

3.2 指标介绍

下面站在卫星研制和数据产品的角度对哨兵1号卫星进行全面介绍！ 

类别	说明	备注
卫星型号	Sentinel-1
卫星所有权	欧空局
卫星制造商	Thales Alenia Space Italy 为总体单位,  空客防务与航天(以前叫Astrium )承制SAR载荷
卫星总设计师、SAR载荷总设计师	不详
卫星总装厂	Thales Alenia Space’s plant in Cannes, France.
搭载火箭	俄罗斯联盟号火箭
发射基地	法国殖民地圭亚那
接收站	X波段： 挪威斯瓦尔巴特群岛；意大利马泰拉；西班牙 Maspalomas；加拿大 Inuvik； 激光中转： 德国魏尔海姆（Weilheim）地面站、英国哈罗威尔（Harwell）地面站等	Sentinel-1上的激光通信终端（LCT）通过欧洲数据中继卫星（EDRS）将数据传输到地面站。
卫星轨道	太阳同步轨道，轨道高度693km，轨道倾角98.18°
姿轨控精度	姿态：测量精度0.004°；维持精度0.01°； 轨道：轨道回归精度100 m (RMS)
升交点地方时	18：00
重访周期	单颗卫星最长12天，175轨	详见4.3
系统形态	双基SAR(也可以单基SAR独立工作)
观测方向	右侧视
电池容量	324Ah
数传速率	X波段数传， 最高520 Mbit/s 星间激光通信，最高1.8Gbps
卫星体积	3.9 m × 2.6 m × 2.5 m（长×宽×高）2.8x2.5x4	在火箭里不展开时的体积
卫星重量	发射重量2300kg，干重2170kg SAR载荷重945kg，其中相控阵天线重880kg
卫星功耗	最大可供能5900w
卫星成本	制造成本：欧空局给Thales Alenia Space Italy 签了2.7亿欧元合同 发射成本：联盟号火箭约4000美元/公斤
卫星寿命	设计至少7年 搭了12年的燃料，也就是说最多12年	实际上sentinel-1B使用了6年挂掉了，6年寿命对于卫星来说不算短了。
研制周期	约4年
雷达体制	相控阵脉冲雷达
波段	C波段，5.405GHz
极化方式	单极化（HH 或 VV） 双极化（HH+HV 或 VV+VH）	大部分时候使用双极化
天线类型	波导缝隙天线
天线孔径	方位向 x 距离向：12.3 m x 0.821 m
通道数量	不详
发射功率	峰值功率：- 4.368 kW, - 4.075 kW (IW, dual polarisations)
NESZ	不详
成像模式	SM，条带SAR IW，干涉SAR+TOPSAR，3个子带 EW， TOPSAR，5个子带 WV，比较特殊的成像模式，两种入射角交替间隔成像，适用于大范围海洋监测，后面有详细解释	SM: Stripmap IW: Interferometric Wide swath EW: Extra Wide swath WV: Wave，仅限单极化
分辨率@幅宽	分辨率最高4.3m； 幅宽最宽400km； 20m@250km（主要模式）	详见3.3节
入射角范围	20°- 46°
扫描角范围	方位向：-0.9° to +0.9° 距离向：-13.0° to +12.3°
波束宽度	方位向0.23° 距离向3.43°
姿态导引	零多普勒导引，滚转导引
脉宽	5-100us
带宽	最大100MHz
ADC采样率	300MSpS（实采样）
ADC有效位宽	10bit
PRF	1 000 - 3 000 Hz
发射占空比	Max 12%, SM 8.5%, IW 9%, EW 5%, WV 0.8%
单次成像时间	小于25分钟
模糊度	不详
辐射分辨率	0.8~2.2dB
辐射精度	相对辐射精度0.3dB(1σ) 绝对辐射精度0.8dB(1σ)
定位精度	10米左右	几何精校后
数据大小	星上固存容量最大1 410 Gb
数据压缩方式	FDBAQ

注：以上指标有一些没找到，后续找到了补充上去，也欢迎知道的朋友发在评论里。 

3.3 数据产品介绍

名词解释：

• SLC: Single Look Complex，单复视。复数数据，同时包含有幅度和相位信息
• GRD: Ground Range Detected，地距探测。SLC进行地距投影+多视处理得到GRD图像
• OCN: Ocean，海洋。2级海洋数据。
• OSW: ocean swell spectra
• OWI: ocean wind fields
• RVL: surface radial velocity

 注意区分辨率与像素间距

数据分发时间表：

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4. 扩展知识

哨兵-1 SAR的一些名词解释

4.1 PRIMA  bus

PRIMA (Piattaforma Italiana Multi Applicativa) bus是由Thales Alenia Space Italy公司研制的一种高适应性的多任务卫星平台，它可以根据不同的载荷和任务需求进行配置，适用于低地球轨道（LEO）和中地球轨道（MEO）的各种卫星任务。

PRIMA bus基于先进的空间技术，采用模块化的架构和集成的控制系统¹。PRIMA bus由三个模块组成，分别是推进模块（PPM），服务模块（SVM）和载荷模块（PLM）。这三个模块在结构上和功能上是分离的，可以进行并行的集成和测试。

• 推进模块（PPM）包含了所有的推进设备，包括燃料箱、喷管、阀门、管路等³。推进模块提供了精确的轨道控制能力，可以维持卫星在一个直径为100米的地球固定轨道管内运行²。
• 服务模块（SVM）包含了所有其他必要的设备，以保证卫星的正常运行，包括姿态和轨道控制系统、数据处理系统、电源系统、热控制系统、卫星自主性和故障检测识别和恢复系统、以及与地面通信系统³。服务模块采用三轴稳定的架构，使用太阳传感器、恒星传感器、陀螺仪和磁场传感器来测量卫星的姿态，使用四个反作用轮和三个磁力矩器作为执行器来调整卫星的姿态。服务模块提供了高精度的姿态测量信息（小于0.004°）、高精度的姿态控制（约0.01°）和实时的轨道确定能力（小于10米）。服务模块还使用Mil-1553总线作为计算机、航空电子和卫星通信的主干线，并使用ERC 32处理器架构。
• 载荷模块（PLM）包含了主要的载荷和其他次要的载荷。主要的载荷是一种合成孔径雷达（C-SAR），它可以在任何天气和光照条件下观测地球表面。

PRIMA bus已经成功地应用于多个卫星项目，包括RADARSAT-2，COSMO-SKYMED，Sentinel-1和Sentinel-3等。PRIMA bus具有高可靠性、高灵活性、高性能和低成本等优点，是一种先进而实用的卫星平台技术。

4.2 WV成像模式

Wave (WV) - Data is acquired in small stripmap scenes called "vignettes", situated at regular intervals of 100 km along track. The vignettes are acquired by alternating, acquiring one vignette at a near range incidence angle while the next vignette is acquired at a far range incidence angle. WV is SENTINEL-1's operational mode over open ocean.

WV模式是Sentinel-1在开阔海洋上使用的一种特殊模式，它与全球海浪模型相结合，可以帮助确定开阔海洋上波浪的方向、波长和高度。

在这种模式下，卫星不是连续地拍摄一条长条形的图像，而是每隔100公里拍摄一个20公里乘20公里的小方形图像，这些小方形图像被称为“vignettes”。每个vignette都是用单极化（HH或VV）的雷达波进行成像的。

为了提高成像的质量和多样性，Sentinel-1在拍摄vignettes时会交替改变天线的入射角。不同的入射角会导致不同的反射和散射效果，从而影响图像的对比度和细节。在拍摄一个vignette时，卫星会选择其中一个入射角范围，并保持不变。在拍摄下一个vignette时，卫星会切换到另一个入射角范围，并以此类推。这样，相同位置的vignettes就会有不同的入射角，从而提供更多的信息。

4.3 重访周期

由两颗卫星组成的sentinel-1星座在赤道上提供了6天的精确重复周期。由于轨道轨道间距随纬度而变化，高纬度地区的重访率明显高于赤道。

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接下来的文章我们将分析L0级回波数据，然后对回波数据进行预处理和SAR成像处理，并且不使用ENVI、SNAP等遥感软件，全部使用MATLAB实现，代码全部开源。

敬请期待！