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CapellaX-SAR卫星情况调研

2020-06-11 17:08阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1140082427


由Payam Banazadeh和William Woods于2016年创立的位于加利福尼亚帕洛阿尔托的商业初创公司Capella Space正在开发X-SAR微卫星星座以提供全球覆盖。Capella星座将由36个微小卫星组成，卫星将运行在高度500km的极轨道上，轨道周期90分钟。平均重访时间不到一小时。雷达将是单极化X波段系统，可以在500 MHz带宽上运行条带成像和聚束成像模式。

今年，Capella Space将发射两颗50公斤以下的卫星，作为36颗星座的序幕，这将提供小时级的重访周期。该星座将交付的数据产品能够满足世界各地的特定用户需求。

该星座将在2019年发射，最初在两个轨道平面上部署6颗卫星。平均成像重访时间将在3到6小时之间，最大重访
时间将是6小时。在2021年部署全部36颗卫星时，将实现最大重访时间控制在1小时内。
CapellaX-SAR卫星情况调研
图1：完整星座的全球重访时间间隔（图片来源：Capella Space）
每颗Capella卫星的设计寿命均为三年。通过每年发射12颗卫星，该星座将无限期保持其成像能力。凭借不断更新和更新卫星技术的能力，Capella将能够按季度实施星座和雷达性能的改进。首批2颗卫星技术参数见表2所示。
参数
 2018年
 2019年
 2020年
 2021年
发射卫星数量
 2
 3+3
 12
 18
用途
 初始技术验证
 实际运营
 实际运营
 实际运营
卫星总数
 2
 6
 18
 36
轨道平面数
2+4
 8
 12
最高重访能力
 每周
 3-6小时
 1-3小时
 每小时
表1：Capella星座时间表和功能
敏感器介绍（X-SAR）
Capella SAR卫星将在X波段工作，带宽最高达500 MHz。地面分辨率和测绘带宽度随视角的变化而变化（图2），但用户将能够选择发射带宽和PRF的组合来满足其成像要求。首批Capella雷达将以单极化运行。计划为下一代Capella卫星改进雷达系统的性能，例如极化测量。
频段
 X波段（9.4 – 9.9 GHz）
极化特性
 单极化（HH）
轨道周期，倾角
 ?90分钟，?90º
赤道附近轨道高度
 485 – 525km
成像模式
 条带模式，多刈幅条带模式，聚束模式，滑动聚束模式
表 2：Capella系统性能
CapellaX-SAR卫星情况调研
图2：根据发射带宽和侧视角绘制的地面距离分辨率函数（图片来源：Capella Space）

雷达成像模式
Capella卫星将能够以多种模式成像，包括单点聚束和滑动聚束模式，传统条带和多刈幅条带模式。这些模式如下所述。请注意，对于大多数模式，用户可以选择图像尺寸，并能够以分辨率来换取成像质量。
聚束模式：Capella卫星将能够进行单点聚束成像，在整个采集过程中，雷达波束会聚焦在地球上的单个点上。在此模式下，方位角分辨率受目标上天线波束的持续时间限制。美国法规控制Capella出售图像的分辨率。结果，Capella仅能提供分辨率大于0.5 m的单眼复杂聚束模式数据，还能够提供分辨率介于0.3 m和0.5 m之间的仅幅度多眼聚光灯图像。这些多视图像将使用停留时间来获取，该停留时间将导致比0.3 m更好的方位角分辨率。原始SAR数据将被处理为全分辨率，然后仅振幅图像中的像素将被平均（多视）以产生高分辨率，
多视可减少斑点并提高SAR图像中对象的可检测性。但是，在许多SAR系统中，多视会以较粗的方位角分辨率为代价。由于Capella航天器可以凝视地面上的某个点数十秒钟，因此Capella可以提供由数十个外观构成的多视点图像，最终分辨率很高，例如0.3 m。
使用机载圆形数据模拟了通过多角度聚束实现的图像质量改善的示例。模拟的Capella多视角聚束图像如图3所示（第2行至第5行）。模拟的单眼聚束采集图像如图3所示 （第1行）。场景包含一条道路，一个停车场中的汽车以及几个拐角反射器。选择典型的大型SAR系统（例如TerraSAR-X）的NESZ值来模拟非Capella雷达模拟图像。该仿真突出显示了通过多角度聚束数据处理在SAR图像中恢复的对比度，即使NESZ相对较差（图3中最右边的第3、4和5行）。例如，道路在10、20和30外观的Capella图像中清晰可见，但在非Capella雷达单视图像中却很难区分，尽管该系统的NESZ较低。请注意，在每一列中，多视图不会降低分辨率。
Capella卫星还将能够获取彼此相邻的多个聚束图像。与单点聚束采集相比，每次采集的停留时间要短于最大停留时间，因此，随着点数的增加，每个点的分辨率将下降，或者可用于多视点的外观数将减少将随着斑点数量的增加而减少。此模式对于扩展要成像区域的宽度（宽度）很有用。为了沿轨迹方向成像更大的区域，即增加聚光灯采集的长度，滑动聚束（见下文）更加有效。表3中显示了0.3 m和1 m方位角分辨率的最大图像尺寸以及相关的聚束和多聚光灯外观数量。
最大图像尺寸（公里x公里）
 方位分辨率（米）
 成像次数
5 x 20、10 x 10
 0.3
 10
5 x 20、10 x 10
 0.3
 20
5 x 10
 0.3
 30
5 x 30、15 x 10
 1.0
 10
5 x 20、10 x 10
 1.0
 20
5 x 20、10 x 10
 1.0
 30
表 3：Spotlight和多点Spotlight图像的大小，分辨率和外观
滑动聚束：滑动聚束是条带贴图和聚光灯成像模式的组合。设置光束的摆率，以使其不会像聚束模式中那样跟踪地球表面上的单个点，而在点上的停留时间要比条带贴图模式中的停留时间长。此模式是一种实现更高分辨率的伪带状图模式的方法。滑动聚束场景大小和最佳方位分辨率如表4所示。对于小于0.3 m的方位角分辨率，将对像素进行多视，并将图像作为仅幅度数据提供。对于导致方位角分辨率大于0.5 m的滑动点采集，将提供单眼复杂数据（如聚束一样）。
图像长度（公里）
 最佳理论方位分辨率（m）
10
 0.018
20
 0.034
30
 0.049
40
 0.065
50
 0.080
60
 0.095
70
 0.109
80
 0.124
90
 0.137
100
 0.151
125
 0.184
150
 0.215
175
 0.243
200
 0.274
表 4：以30度视角滑动聚束场景大小
CapellaX-SAR卫星情况调研
图3：传统大型SAR载荷（第1行）和Capella SAR（第2至5行）的模拟结果显示了多次成像，地面范围分辨率和NESZ之间的权衡，以获取聚束图像。通过Capella SAR进行多视聚束模式采集，可以在不降低分辨率的情况下恢复图像的对比度（图片来源：Capella Space）
条带模式和多刈幅条带模式： 此模式是标准的合成孔径雷达带状图成像模式。扫描范围受视角，雷达波束宽度和为采集选择的PRF（脉冲重复频率）的限制。选择PRF是为了提供最大的测绘带，同时降低方位角歧义旁瓣比性能，或者选择减少的测绘带，以实现更好的方位方位歧义旁瓣比性能。最小倾斜范围分辨率为0.3 m。
Capella卫星将通过收集沿距离向相邻的多个连续条带，在单个水平到水平通道中捕获单个广域SAR图像。连续条带测绘带的数量受最终宽幅图像的长度和航天器的回传时间限制。表5中列出了带状图和多范围带状图的图像大小。
图像长度（公里）
 图像宽度（公里）
10-30
 50
40
 40
50-140
 30
150-780
 20
790-2100
 10
表 5：最大带状图场景大小，侧视角为30度
对于两个轨道平面中的六颗卫星，可以根据表6中的时间序列0 （即，在0、54、120、174等小时收集）进行重复通过（重复轨道）干涉测量。此外，可能会在12小时后，即在表6中的时间序列1 （12、66、132 小时， 186，...）。请注意，时间序列序列在10个时间序列或120小时（5天）之后重复，即表6中的时间序列10 是120小时的时间序列0。单个时间序列适合于观察在五天或更多天的时间范围内变化的过程。
时间序列号
 从序列开始的小时数
0
 0
 54
 120
 174
1个
 12
 66
 132
 186
2
 24
 78
 144
 198
...
 ...
 ...
 ...
 ...
9
 108
 162
 228
 282
10
 120
 174
 240
 294
表 6：重复通过干涉仪时间序列



Capella 卫星情况
Capella Space正在为今年秋天首次在SpaceX火箭上发射做准备，这是该公司计划建造世界上最小的商业雷达卫星星座的重要里程碑。Capella联合创始人兼首席执行官Payam Banazadeh说，Capella微卫星的重量小于40千克，这意味着四个可以装在一枚Rocket Lab 的Electron火箭上。
在轨道上，Capella计划将柔性材料制成的天线展开，该种材料公司拒绝公开。Banazadeh在公司旧金山总部最近一次访问中说，天线展开后其面积将达到8 m 2。
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图4：Capella图形显示其SAR卫星的大小（图片来源：Capella Space）



研发状况介绍：
•2020年1月21日：提供定制地球观测数据的信息服务公司Capella Space今天公布了其改进的卫星设计，可以对地球上任何地方进行按需观测。受到广泛的客户反馈和Capella测试平台卫星Denali发射的发现的启发，重新设计的设计采用了一系列技术创新，可向市场提供及时，灵活且频繁的0.5米以下高质量图像。增强的技术包将为市场上的小型卫星SAR图像提供最先进的产品。4）
Capella工程副总裁Christian Lenz表示：“我们的客户已经说过：今天等待八个小时才能接收数据的行业标准已经过时了。他们希望获得可靠，及时，最重要的是高质量的图像 “我们小型卫星的创新技术使Capella成为第一个也是唯一的SAR提供商，可以随时随地在地球上任何地方提供实时任务并捕获0.5m以下的高质量图像。这是各种游戏的革命者行业-从监视军事威胁到评估农业中的农作物产量，以协调灾难响应。”
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图5：Capella SAR卫星的艺术家印象（背景图片由NASA提供，图片来源：Capella）
卫星的发展是客户反馈，Capella的第一颗验证型卫星Denali进行广泛的在轨测试以及地面测试的直接结果。增强功能包括：
- 先进的设计可提供高对比度，低噪声，低于0.5米的图像： 3.5米部署的网状反射天线与高功率雷达相结合，可实现包括质量改进在内的关键性能改进。
- 扩展的工作时间占比：部署的400 W太阳能电池阵列将在轨工作时间占比提高到每圈轨道10分钟。
- 长距离连续成像：先进的热管理系统可以连续成像长达4000公里的条带图像。
- 高敏捷性的平台：借助大型反作用轮，新卫星可以快速调整指向以收集来自不同目标的图像。
- 聚束模式的图像模式：新模式可以收集最高的商用多次成像数据，从而进一步提高了图像质量。
- 增强的数据下行链路速率： 1.2 Gbit / s的高平均数据速率下行链路支持海量图像采集速率和扩展的占空比，与同类的任何其他商用SAR系统相比，每个轨道提供的数据更多。
- 实时任务：一个高度，通过建立独家合作关系保证了Inmarsat加密的双向链接与创值公司提供实时任务整个Capella星座的能力。
新的卫星设计巩固了与美国政府多个部门的主要交易，包括与美国空军和国家侦察局（NRO）的合同。技术改进将嵌入到Capella接下来的六颗名为“惠特尼”（Whitney）星座的商业卫星中，计划于2020年3月发射红杉。该红杉卫星目前正在完成系统级测试，并将于3月初到达发射场。
Capella还获得了NOAA（国家海洋和大气管理局）的许可，用于其36个小型卫星星座，并获准向全球客户出售法律允许的最高分辨率SAR商业图像。
•2019年12月16日：天基雷达影像提供商Capella Space将在12月16 日宣布发射7颗卫星并于2020年开始商业运营
-这家位于旧金山的初创公司于2018年12月部署了一颗小型合成孔径雷达（SAR）卫星以测试该服务。Capella Space的创始人兼首席执行官 Payam Banazadeh 对太空新闻说，它计划在2020年发射的下七颗卫星将是一种新设计。
-首颗名为红杉的卫星将于3月从卡纳维拉尔角（Cape Canaveral）发射到SpaceX火箭的极地太阳同步轨道上。接下来的三颗卫星预定在印度PSLV（极性卫星运载火箭）飞行中预定，该飞行器定于6月飞往极地太阳同步轨道。这将是第一批被命名为惠特尼的星座。
-下一批预订了三颗，预计将在2020年末上市。“我们希望在未来几个月内完成预订，” Banazadeh说。
他说，红杉和惠特尼是相同的卫星，但由于它们是在不同的生产周期中制造的，因此得名不同。“我们计划每年发射六到十二颗卫星。” 目标是到2023年使36颗卫星进入轨道。
-Banazadeh说，新卫星设计的细节将在1月份公布。根据市场研究和对原型卫星的测试，该公司决定需要更大的航天器来容纳更大的传感器孔径，以提供0.5米以下的高分辨率图像。
-除公司业务外，高分辨率图像对于公司追求的政府和军事客户也特别重要。Capella已与美国空军签订合同，最近从国家侦察局获得了研究合同。
-新的微卫星设计重量不到100千克，比原来的40千克设计大。Banazadeh说：“它仍然很小，但可以部署到空间很大的地方。” “在过去的12个月中，我们着眼于竞争并与客户交谈，我们意识到我们真的想占领超高分辨率市场。为了满足该需求，我们需要一个大光圈，因此我们改变了尺寸。”
-在过去的一年中，公司建立了地面基础设施，并开发了一个流程，从客户提出图像请求到数据下行传输到Amazon Web Services（AWS）地面站和云服务。“该过程是完全自动化的，” Banazadeh说。
-雷达的优点是可以透过云层看到。他说，客户希望看到模式是如何变化的，但更高的分辨率也很重要。“我们将能够检测到任何大于半米的物体，并识别出任何维度上大于1.5米的物体。”
-例如，机场的半米SAR图像分辨率将能够区分地面飞机的类型。战斗区的图片将显示车辆，并识别它们是军用还是民用。
-“在那里，半米变得非常有用，” Banazadeh说。“客户希望了解变化以及正在发生的变化。”
他指出，Capella有望在竞争中占优势，因为它设计了新的卫星以消耗更少的功率，因此每圈轨道可以成像10分钟。
-甚至对于较大的卫星，雷达通常也会消耗大量功率。尽管光学成像卫星始终在成像，但雷达卫星仅发送特定区域的照片，因为它们的星上能量有限。“您必须知道要看的地方，”巴纳扎德说。Capella（Capella）预测，每个轨道10分钟的成像将使其比其他只能每个轨道2分钟成像的小型卫星服务更具竞争优势。“这限制了他们可以查看多少个位置以及如何管理订单。”
-该公司向客户保证，一旦开始商业运营，它将能够在收集时间后不到30分钟的时间内传送SAR数据，这比业界平均8到12个小时的周转速度要快得多。
-为了帮助缩短周期，Capella与Inmarsat签署了一项协议，为每个卫星提供通信终端。他说：“我们可以一直通过Inmarsat网络实时访问我们的卫星。” 收到请求后，它会立即上传到特定的卫星。Banazadeh说，随着部署更多的卫星，卫星到达目标所需的时间将减少。
-一旦收集了数据并将其发送到Amazon Ground Station，就将开始30分钟的周转。他说：“数据在25分钟内进入云端，我们使客户可以访问它。”
-Banazadeh表示，这对于使用雷达影像的客户来说很重要，因为他们急于赶路，迫不及待要等云层消失。“必须等待八到十二个小时才能达到目的。”
-Capella（Capella）表示，在投资者DCVC（Data Collective）和Spark Capital的支持下，它有资金在2020年完成七颗卫星星座的发射。

•2018年9月26日：航空航天和信息服务公司Capella Space通过先进的太空雷达提供按需地球观测数据，宣布由Spark Capital和DCVC（Data Collective）领投1900万美元的B轮融资，Mark VC和Harmony加入其他投资者的合作伙伴。这将为公司的云穿透，雷达供电的小型卫星的首次运营发射提供资金，该卫星旨在在白天和黑夜的任何地方，任何条件下提供高质量的成像。Capella的卫星具有发射器上的背包大小，具有前所未有的工程壮举，将折纸形的天线（可展开至近100平方英尺）与极其高效的电子技术相结合，可有效提供与学校大小的雷达卫星相同的图像质量总线。6）
-“主要行业和政府都渴望获得及时的卫星数据，而对于具有独特信号和情报优势的数据则更是如此。Capella的合成孔径雷达技术可以提供这些优势。商品交易，城市发展，关键基础设施，运输和安全性：董事会意识到，毫秒数在当今的全球经济中至关重要，而且源源不断的可靠，易于访问的地球信息根本就不存在。” “ Capella正在为广泛的客户解决这一问题，包括国防部这样的典型企业，以及需要了解我们集体未来风险的蓝筹公司和非政府组织。”
•2018年3月，NOAA授予Capella许可，将两颗X波段SAR卫星送入450至600 km之间的极轨，倾角约为97.5º。
•自2016年成立以来，Capella已筹集了超过1500万美元的私人投资，其中2017年通过由Spark Capital的Nabeel Hyatt领导的A轮融资筹集了1200万美元。Capella目前正在筹集B轮融资。
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图6：艺术家描绘的Capella卫星在轨状态。该航天器使用的折纸状天线可展开至8 m 2（图片来源：Capella Space）7）

发射： Capella-1验证星（37千克微卫星）于2018年12月3日（格林尼治标准时间18:34:05 GMT）从范登堡空军基地，由SpaceX公司的 Falcon-9 Block 5运载火箭上进行了SSO-A搭载发射
卫星轨道：轨道高度575公里，轨道倾角98º，降交点地方时10:30的太阳同步圆轨道。
•SpaceX声明：12月3日星期一，太平洋标准时间上午10:34（格林尼治标准时间18:34），SpaceX成功地从范登堡航空的4E太空发射综合体（SLC-4E）向低地球轨道发射了Spaceflight SSO-A：SmallSat Express加利福尼亚部队基地。运载64枚有效载荷，是迄今为止美国最大的运载火箭最大的一次共享发射任务。在升空后13~43分区间内进行了六次部署，此后，Spaceflight开始指挥自己的部署序列。太空飞行的部署预计将持续六个小时。11）
-该任务也是SpaceX第三次发射相同的助推器。猎鹰9的太空飞行SSO-A第一阶段：SmallSat Express任务此前曾支持2018年5月的Bangabandhu Satellite-1任务和2018年8月的Merah Putih任务。在阶段分离之后，SpaceX将猎鹰9的第一阶段降落为“仅阅读指令”无人机，驻扎在太平洋。
•2018年12月3日的Capella Space信息：Capella Space是一家航空和信息服务公司，可按需提供地球观测数据，今天宣布发射了第一颗小型合成孔径雷达（SAR）卫星。该卫星以美国最高的山峰命名，名为“ Denali”，它将使Capella在不断完善其技术和操作的过程中，逐步在地球上任何位置可靠地提供小时信息和图像。此次发射标志着美国创新的关键时刻，因为Capella是第一家也是唯一一家为商业市场开发和发射雷达卫星的美国公司。12）
任务状态介绍
•2019年9月3日：Capella Space与非营利组织SpaceNet®合作，致力于加速针对地理空间应用的开源，人工智能（AI）应用研究。15）
-Capella与In-Q-Tel（IQT）的CosmiQ Works，Maxar Technologies，Intel AI和Amazon Web Services （AWS）一起加入了SpaceNet合作伙伴关系。Capella与合作伙伴的加入为将SpaceNet现有的地理空间开源研究扩展到一种新的数据类型Synthetic Aperture Radar（SAR）提供了令人兴奋的机会。开放访问此数据将有助于在各种地理空间分析应用程序中扩大高质量SAR的使用。
-从自然灾害响应到监视全球供应链活动，将机器学习应用于SAR数据具有广泛的应用潜力，但该行业仍面临采用的巨大障碍。开发人员和数据科学家缺乏开放的数据和软件工具。Capella寻求通过与SpaceNet的合作伙伴关系以及开发新的SAR用户社区来帮助克服这些障碍。
-Capella用户社区将扩大高分辨率SAR数据的采用，以解决一系列全球性问题。数据科学家和软件工程师将可以访问免费和开放的Capella数据，以及可以更轻松地使用SAR数据的工具和技术。该公司邀请学者，非政府组织（NGO），政府和公司加入Capella的用户社区- 访问此直接链接以获取更多信息...
-IQT高级副总裁兼SpaceNet总经理Ryan Lewis表示，SAR有望为各种地理空间应用带来巨大价值，因为与卫星图像不同，SAR不受天气或光照条件的限制。此外，SAR阶段数据可以提供对特定位置（例如地面沉降）的更多见解。Capella对开源高分辨率SAR数据集的贡献是SpaceNet的重要下一步，该公司很高兴看到参与者如何在即将到来的挑战中将这些数据用于机器学习模型。
•2019年8月5日：提供按需提供地球观测数据的信息服务公司Capella Space今天与一站式数字，无线和宽带通信技术产品创新者Addvalue达成协议，以使用其卫星间通过Inmarsat的全球L波段卫星通信网络的数据中继系统（IDRS™）。Inmarsat网络提供卫星上行链路和下行链路服务，使Capella能够实时对世界上任何位置的星座中的任何卫星进行任务。通过与Addvalue的协议，Capella将成为唯一具有实时任务处理能力的SAR（合成孔径雷达）提供商，在市场上具有领先优势。这种独特的合作伙伴关系将使Capella成为唯一具有实时响应能力的SAR运营商。
•2019年6月3日：总部位于旧金山的Capella于2018年12月发射了美国第一颗小型雷达卫星。Capella尚未发布该卫星的任何图像，这是一项名为Denali的技术演示。16）
取而代之的是，该公司专注于开发运营一个星座所需的基础设施，包括自动卫星任务，图像处理和交付，计费和客户服务。Capella还正在建立其地面基础设施，以允许客户直接下行数据或依靠Amazon Web Services通过Amazon云交付数据。
-“我们已经准备好迎接黄金时段，” Capella首席执行官Payam Banazadeh说。
-迄今为止，Capella已筹集了超过5,000万美元。这笔钱将把这家初创公司带入2020年，当时它计划开始建造36颗合成孔径雷达卫星星座，以获取分辨率为50厘米的图像，并在一小时内重新访问各个地点。与需要光的电光学卫星不同，雷达卫星在白天，晚上和通过云层都可以捕获图像。
-到今年年底，Capella计划发射其第一颗可运行卫星红杉。“我想用红杉的数据吸引人们，”巴纳扎德说。“我想让他们说，'我不敢相信图像来自一颗小卫星。'”
-Capella一直在扩充其约60名全职员工和15名承包商的员工。Joerg Hermann在四月加入了Capella。Hermann领导了在德国创建卫星雷达数据商业市场的工作，并领导了地理空间数据供应商Infoterra Ltd.。
-Capella已为其运营群批量订购组件。Capella已从Blue Canyon Technologies订购了12种姿态控制系统。Capella还从第四阶段购买了用于太空推进的Maxwell射频推进器。

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