哨兵1号(Sentinel-1)SAR卫星介绍-编程知识

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

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。

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：

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。