商业小卫星蓝海:穿云透雨的雷达卫星,中美商业航天竞争新焦点 | 36氪研究

来源:36氪
发布时间:2021-12-04
SAR卫星的全天时全天候特性,决定了其在遥感卫星产业中不可或缺的地位

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作者:刘年华

编辑:石亚琼(syq@36kr.com)

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“国产SAR(卫星)还是少了。”

“不仅是少了,是太太太太少了。”

在今年7月的河南特大暴雨灾情期间,由于国产SAR卫星数量较少,无法在第一时间提供受灾区域的影像,千域空天的创始人蓝天翼和天仪研究院的CEO杨峰在朋友圈发出这样的感慨。

他们感慨的SAR,专业名字为合成孔径雷达,英文名字为Synthetic Aperture radar。这种卫星是唯一能在黑夜以及云雾条件下对地球表面进行观测的遥感卫星。这种穿越云雾和不分昼夜的能力,决定了其在国防、金融、保险、农业、应急等领域的重要地位,也很可能是影响国际格局的重要变量。

随着商业航天时代到来,SAR卫星开始往小型化、商业化的方向发展。从2015年至今,国内外有大量的小型商业SAR卫星企业相继成立,纷纷获得资本支持。欧洲代表企业ICEYE迄今为止共筹集了1.52亿美元的资金,在2020年9月完成了8700万美元的C轮融资;美国代表企业Capella Space总共获得了8000万美元的融资;我国代表企业天仪研究院也在近期完成了C轮融资。

小型SAR卫星快速发展的同时,传统SAR卫星的营收也在提升。过往SAR卫星以影像销售为主,营收来源主要为国防情报部门。但随着下游商业应用端的增长,应急、金融、农业等领域的SAR卫星应用正在快速增长,SAR卫星影像的长尾效应开始逐渐体现出来。

相比于全球市场,中国的SAR卫星市场无论是上游制造业,还是下游应用端,都处于早期蓝海阶段。上游制造业的核心玩家入场券是实现卫星的在轨验证,我国目前已实现SAR卫星在轨验证的小卫星企业只有天仪研究院一家。下游应用端对SAR卫星数据非常渴求,但处理门槛较高、专业人员较少等问题,也困扰着下游应用的发展。

SAR卫星为什么遥感卫星产业的未来支柱?SAR卫星影像有哪些应用?中国有哪些商业SAR卫星初创企业?

以下是本文研究提纲。

一、SAR卫星是遥感卫星行业未来支柱:

  1. SAR卫星运作原理

  2. SAR卫星成为支柱

二、SAR卫星市场

  1. 市场份额

  2. 市场占比

  3. 我国市场前景

  4. 需求分析;

三、SAR卫星的发展过程

  1. 早期:技术受到限制,服务于国家用途

  2. 中期:技术快速发展,商业化拉开序幕

  3. 近期:哨兵一号公益开放,中低分辨率商业市场萎缩

  4. 未来:小卫星逐渐发力,实现快速迭代升级

四、SAR卫星的优缺点

  1. 优点:全天时全天候

  2. 缺点:成像复杂

五、SAR主要工作模式

  1. 成像与强度应用(条带、扫描、聚束)

  2. 干涉

  3. 极化

  4. 其他

六、SAR卫星应用方向

七、中外大型SAR卫星盘点

  1. 加拿大

  2. 欧洲(德国、西班牙、意大利、俄罗斯)

  3. 阿根廷

  4. 日本

  5. 中国(电子所、38所、其他)

八、全球民营SAR卫星玩家盘点

九、中国民营SAR卫星玩家盘点

十、SAR卫星行业未来发展趋势

以下是本文正文。

一、SAR卫星是遥感卫星产业的未来支柱

1.1 SAR卫星运作原理

主流的遥感卫星分为两种:光学卫星和微波成像雷达卫星。光学卫星的原理和人眼类似,依靠太阳光照射在地球表面物体的反射,被动地获取影像。局限性也和人眼一模一样,云雾天气看不到物体,黑夜中没法使用。微波成像雷达卫星则是一种主动的遥感成像方式,需要主动多次发送电磁波到地面,利用回波来成像,来间接测量被测物体的信息。微波的波长较长,具有一定的穿透特性,可以在一定程度穿越云雾和地表。

与光学卫星相比,SAR卫星成熟较晚,但具有全天候、全天时的优点与一定的地表穿透能力。作为一种主动微波遥感成像雷达,SAR穿云透雨和穿透地表的能力,弥补了光学和红外遥感的缺陷。但传统的SAR卫星重轨周期一般以周为单位,数据更新频率较低,因此更适用于长时间的普查,例如高铁、公路的长期形变监测,和石油管道、城市沉降等的勘察工作。卫星在太空运转,不需要人员到现场施工,因此对于大范围和边远地区的监测,SAR卫星非常具有优势。

1.2 SAR卫星成为支柱

2021年7月,郑州市遭遇有记录以来最强降雨过程。为了第一时间分析统计灾情,河南省卫星中心紧急联系了相关卫星遥感服务企业,协调高分三号、COSMO-SkyMed及哨兵一号等国内外卫星数据,提取洪涝淹没区,分析道路淹没范围,为应急救援抢险救灾提供决策支撑。这些数据有一个共同点,都来自于SAR卫星。

随着应急、海事、金融等领域对于时效性和连续性的要求越来越高,光学卫星无法确保在黑夜或阴雨雾霾天气提供图像的弊端成为行业发展的阻力,SAR卫星的应用价值逐渐凸显。虽然雷达影像无法像光学图像那么直观,但遥感产业的最终产品不是图像本身,而是符合特定场景、满足客户需求的信息。近年来,全球有大量紧急事件都在调用SAR卫星数据进行分析,例如沙特阿美炼油厂遇袭事件、长赐号苏伊士运河搁浅事件等。

可以想象,在国防、金融期货、应急赈灾等场景,如果因为天气原因而无法即时获取影像,对于客户来说是不可容忍的。因此,SAR卫星的全天时全天候特性,使其成为遥感卫星产业的未来支柱之一,许多国内外重要玩家也都在陆续公布自己的SAR卫星星座计划。

单一的卫星数据源都存在或多或少的缺点。在不同场景应用中,通过SAR卫星影像与全色、多光谱、高光谱图像的融合,综合利用了光学和雷达成像的优势,将是遥感服务业未来的核心竞争领域。

二、SAR卫星市场

2.1 市场份额

上游遥感影像市场方面,根据Mordor Intelligence的报告,2018年,SAR卫星市场价值为24.5亿美元,预计到2024年达到51.8亿美元。预测期间(2019年至2024年)的复合年增长率为11.6%。NSR的报告指出,未来数年高分辨率雷达数据的客户将大幅度增加,预计到2025年SAR影像的累计收入将达到62亿美元,85%的地球观测业务将集中于北美、欧洲和亚洲。亚米级超高分辨率(<0.5m)将是增长最快的市场,主要面向国防和情报部门以及民营行业(农业、海洋等)的垂直客户,这些行业客户对高质量雷达图像资源需求正在日益增长。而亚米级分辨率(0.5-1m)的SAR影像将成为市场占比最大的产品。

然而,并非所有的SAR卫星都能享受到时代发展的红利。根据NSR的测算,中等分辨率(1m-5m)的SAR卫星影像销售额在2017年之后就下降,低分辨率的SAR卫星数据更是进入了免费的时代。因此,中低分辨率的SAR卫星供应商将逐渐被淘汰。

下游应用端的市场预计在百亿元量级。从国土资源、海洋环境、船舶识别等应急监测市场,到市政基础设施、交通能源安全等安全风险灾害监测市场,SAR卫星应用均可参与到其中。其中,干涉雷达应用(InSAR)的商业化正在迅速崛起,每年我国在软件、数据和应用服务方面的市场规模已超过10亿元。

美国国家地理空间情报机构(NGA)是商业SAR图像最大的买家。2000年-2009年,NGA每年向MDA购买1000万美元的SAR图像。2009年以后,NGA的潜在商业SAR数据提供者多了意大利航天局和Telespazio合资公司e-Geos提供的Cosmos Skymed雷达卫星、法国Astrium和德国合作的TanDEM-X雷达卫星,该卫星数据由美国21st Century Systems Inc.作为分销商,以及以色列国防部的TecSar,格鲁曼公司作为该卫星数据的分销商。NGA自2009年开始决定选择四家商业公司授予固定价格、无限期交货、无限期数量的合同,每家合同价值高达8500万美元。

SAR卫星图像有其优越性,在这些像老旧黑白照相机拍摄出来的图片下隐藏着大量信息,世界上最优秀的雷达卫星生产商和图像销售商如空客和MDA等企业,正在准备开发更强大的雷达卫星星座,从而提供毫米级别的高度变化测量,美国Maxar所属MDA总裁迈克·格林利(Mike Greenley)说,“用SAR建立的全球地表数字高程模型可以显示土地正在下沉,或者建筑物移动了,或者有人挖隧道使他们上方的地面移动,它对海拔高度非常敏感,这对很多客户来说很重要。”

2.2 市场占比

在客户类型方面,全球的国防和情报机构目前仍然是SAR图像和数据的主要购买方。国防和情报机构对于信息时效性和连续性的需求非常高,比如在某些关注度较高的海峡区域,如果能做到单日重访获取影像,对于国防机构获取稳定的情报信息有较大的帮助。而由于海面天气条件不稳定,光学卫星发挥受到限制,因此SAR卫星一直是国防和情报机构的必备选项之一。预计到 2025 年, 国防与情报市场将占据高分辨率SAR卫星数据收入的70%。 

美国国家地理空间情报机构(NGA)是商业SAR图像最大的买家。在2009年以前,NGA为加拿大卫星企业MDA提供了每年1000万美元的SAR影像购买合同。从2009年开始,NGA确定了四家商业SAR卫星影像供应商,给予每年8500万美元,通过固定价格、无限期交货、无限数量的形式供给SAR卫星影像。

在市场占比方面,欧洲航天局(ESA)的SAR影像业务占据了全球最大的份额。欧洲是全球商业雷达卫星推进力度最大、发展速度最快的区域。无论是在数据开放、产业扶持等方面,欧洲都领先于全球。以德国、意大利为代表的两个欧洲国家,是当前在SAR卫星技术、应用等方面最领先的第一梯队。

对于应用类型而言,国防应用和民营应用有一个显著的区别:国防应用对数据源的需求更大,而民营应用对数据应用的需求更大。在体系建设的过程中,国防应用的体系建设很完整,拥有数据存储,数据处理,数据分发,数据应用各个链条的能力。民营应用往往集中在不同行业,对于新兴的卫星遥感数据需求单位,不太可能短时间内建立起来全链条的能力,因而更需要数据应用。

从国际的发展趋势来看,短期仍以国防市场为主,但增量有限。新的增量需求会更多来自国防以外的应用,但需要更长的时间。

2.3 我国市场前景

在我国,SAR卫星市场正在快速增长。下游应用需要大量数据支撑,带动上游卫星制造业快速增长。例如在河南省降雨灾情中,需要大量卫星数据进行快速分析。由于国产卫星数据太少,只能紧急求助于欧洲卫星进行数据补充。这种跨区域的紧急协调,无论时间还是成本,都是一个巨大的挑战。对比于欧洲的SAR卫星数量,我国的SAR卫星数量仍有差距。无论是国有的大卫星还是民营机构的小卫星,都有较大的增长空间。

除此之外,国家相关政策也在促进下游应用的发展。例如第一次全国自然灾害综合风险普查,计划投入超过2000亿元,将促进下游干涉雷达应用(InSAR)的快速发展。

全球的SAR卫星影像市场年增长率在8%-11%左右,中国市场如果能发展起来,整体的增长率会更高。当前国内的整体产业链条发展并不充分,在数据源、数据处理、行业应用都处于萌芽阶段。预计在2-3年的时间里,通过产业链条的不断完善,后期市场增长率会大幅提升,特别是数据源上,预计未来3年会有超过10颗民营的SAR卫星上天,这些卫星提供的SAR数据将至少将中国的SAR数据容量提升5~8倍。

2.4 需求分析

对于我国SAR卫星的需求数量,当前从业者有两派意见。

光学卫星的从业者认为,SAR卫星的应用范围没有可见光广,主要市场目前一直局限于微变形监测,包括地震,石油管网等。应急市场虽然有一定的需求,但由于事件发生频次较低,能否支撑起更大的市场,需要更深入的探讨。因此,我国SAR卫星需求不超过10颗,做到月度或者季度级的数据即可。大型SAR卫星的研制成本一直较高,单颗卫星研制成本超过10亿元,超过民营企业所能承担的范围。因此,部分从业者认为,应该由国家来承担SAR卫星的上游制造业务,将卫星数据作为公益产品分发,例如欧盟的哨兵一号任务,由民营企业做数据应用端的开发工作。

商业SAR卫星的从业者认为,当前SAR卫星市场不如光学卫星市场,主要是SAR卫星的处理复杂度较高,从业门槛较高。未来随着航天工业的不断发展,从业人才不断增加,SAR卫星的处理将逐渐流程化普及化,在更多应用领域向光学卫星看齐。

同时,商业SAR卫星必须开发更多的下游应用,寻找更多商业客户。从美国目前的发展来看,当民营SAR企业的数据服务与应用能力提升后,国防部门正在逐渐付费开展使用计划,并不排除未来批量采购的可能性。我国的国防应用需求虽然较大,但目前依然倾向于采购国营单位的卫星数据。因此,商业SAR卫星制造商必须拥有自我造血能力,不能指望国家部委、国防和情报机构负担整星的制造成本,下游应用商也不能指望政策红利能持续带来业务增长。

横向对比于欧美国家,我国的上下游厂商,无论是在数量、融资额度与轮次上,都有明显的差距。在上游制造领域,以ICEYE为代表的欧洲商业SAR小厂商,受到资本的热捧,C轮已总计融资1.52亿美元。而下游的干涉雷达应用(InSAR)行业,SkyGeo、TRE ALTAMIRA等InSAR服务商也已经获得了过亿美元的融资。中国作为基建大国,对于InSAR技术的需求处于全球前三的状态。因此,下游应用厂商仍有较大的发展空间。

三、SAR卫星发展过程

3.1 早期:技术受到限制,服务于国家用途

高分辨率微波雷达,是在外太空观测地表小物体的必要条件。为了能够看清房屋、船只等地表物体,微波雷达的真实孔径必须在千米级别。但是由于成本和发射技术的限制,超过千米孔径的雷达无法被送上太空。如何解决这个矛盾?

1951年,美国Goodyear宇航公司的卡尔•威利(Carl Wiley)提出,利用多普勒频移处理来改善雷达的角分辨率。在观测时,雷达与被观测目标之间存在相对运动。合成孔径雷达就是在目标的移动路径上间隔取样,相干累加,获得与大孔径真实雷达相同的观测效果。在不增大雷达体积的情况下,实现高分辨率雷达成像,这是合成孔径雷达技术(Synthetic Aperture Radar,SAR)的开端。1960年4月,世界上第一部SAR在美国华盛顿机场取得实验成功。1978年,美国国家航空航天局喷气推进实验室发射了全球第一颗SAR卫星(SEASAT-1)。在1990年以前,SAR卫星技术的研究几乎集中在美国,但许多技术依然不成熟,仍处于实验阶段。

1990到2000 年间, SAR卫星技术逐渐成熟完善,火箭运载能力也大幅提高。美国、欧洲、加拿大、俄罗斯、日本等国家和地区都开始了 SAR 卫星的研制和应用。2000年以后,中国、韩国、印度等国家也先后发射了SAR 卫星。然而由于研制成本较高,应用范围有限,高分辨率SAR一直局限于国防和情报领域,仅少数国家有能力研制。

3.2 中期:技术快速发展,商业化拉开序幕

虽然美国在早期SAR卫星研究方面发展领先,但商业化发展却非常缓慢,对SAR卫星技术和影像实施了比光学影像更为严格的管控。SAR卫星商业化运作最早的国家却是加拿大。1995年,加拿大的RadarSAT-1卫星发射,通过7类25种工作模式,来满足不同领域的商业化需求。然而RadarSAT-1卫星的分辨率并不高,其精度无法满足许多商业客户的需求。向市场提供亚米级高分辨率雷达影像,最早开始于2007年的德国与意大利,他们分别推出民用的X波段SAR卫星TerraSAR-X和X波段Cosmo Skymed。

这一时期的SAR卫星仍然是大型卫星,由少数几颗卫星组成星座。整体卫星数量较少,并且数据价格过于高昂,可达同等分辨率光学卫星影像的三倍。

3.3 近期:哨兵一号公益开放,中低分辨率商业市场萎缩

就在SAR卫星开始缓慢发展商业化时,一个划时代意义的事件出现了。

欧洲航天局(ESA)于2014年和2016年先后发射了两颗哨兵一号卫星,6天的重访周期,空间分辨率达5米。为了促进欧盟哥白尼计划的下游应用,ESA决定将哨兵一号卫星向全球所有使用者免费开放。同时,ESA在全欧洲境内17个国家合作成立了20个商业孵化中心(ESA BIC),培育了700多家初创企业。在免费数据和配套措施的鼓励下,以InSAR业务为主的大量雷达应用开始增长。经过五年时间的发展,几乎全球所有的InSAR应用企业都在使用哨兵一号的数据,并且超过一半的雷达应用业务都需要哨兵一号数据的支持。

哨兵一号免费开放了数据,在促进下游应用端快速发展的同时,也给其他上游SAR卫星制造商带来了巨大的压力。在商业SAR卫星领域,中等分辨率(1m-5m)卫星正在逐渐下降,低分辨率的SAR卫星已基本失去市场。因此,中低分辨率的SAR卫星制造商将逐渐被淘汰,必须向高分辨率SAR卫星逐渐转型。

与哨兵一号的免费数据形成差异化,是其他SAR卫星继续商业化的必然选项,主要有四种方式:

  1. 更改波段:主流的雷达卫星有C/X/L三个波段,哨兵一号是C波段雷达。C波段雷达是观察海洋上强目标的最佳选择,对环境、农业和森林监测也是有效的观测手段。形变测量精度可达毫米级的X波段,则是重大设施、工程结构以及工矿企业等特定目标的日常监测的最佳选择。雷达卫星在同样入射角观测地物时,X 波段比C/L波段更能够精确地描述目标的细微形状。L波段独特优势在于可以部分穿透植被并到达地面,从而可以同时获取植被和地面信息。此外,L波段不受植被生长的影响,从而可以使用InSAR技术研究地表形变。

  2. 更换关注区域:受限于卫星的能量和数据传输速率,卫星既不能24小时开机,也无法将所有拍摄到的数据进行下传。哨兵一号作为欧洲的卫星,主要关注欧洲和北冰洋区域。因此,切换关注区域,增加特定区域的数据,也是其他商业SAR卫星的可选项之一。

  3. 提高分辨率:空间分辨率对任何遥感系统而言都是极为关键的参数。哨兵一号的分辨率为5米*20米,精细测量能力有所欠缺,完全避开了亚米级别的商业数据区间。来自高分辨率应用的需求,使得亚米级高分辨率的SAR卫星影像依然有巨大的市场容量,不受哨兵一号公益数据的影响。例如哨兵一号数据在三个方向上(东、北方向和垂直方向)地理编码的精度很难优于4米,而TerraSAR-X和COSMO-SkyMed的精度普遍优于1米,TerraSAR-X雷达数据的测量点密度在一定条件下可达哨兵一号的10倍。

  4. 降低重访周期:近几年,随着轻型天线、集成电路、固态电子器件和高效太阳电池技术的发展,卫星的体积和重量可在保证性能的同时大大降低,百公斤级的小型SAR卫星成为可能。ICEYE、Capella Space、天仪研究院等小型SAR卫星厂商开始迅猛发展,纷纷宣布小卫星组网计划。小卫星组网的优势在于大大降低了重访周期,例如ICEYE的重访周期已经降低至20小时。需要注意的是,哨兵一号最快将于2022年发射第三颗和第四颗卫星。如前两颗卫星依然能服役,那么哨兵一号的重访周期也将缩短。

3.4 未来:小卫星逐渐发力,实现快速迭代升级

2015年,商业航天的序幕拉开,全球的商业小卫星企业开始陆续成立,包括诸多SAR卫星企业。

商业小卫星行业开始发展,有几个基础因素:

一、发射成本下降:随着SpaceX领衔的商业火箭公司在近几年突飞猛进,卫星的发射成本开始大幅下降。预计在可回收技术更成熟后,卫星发射成本还有进一步下降的空间。

二、航天工业逐渐成熟:传统的航天元器件非常昂贵,大卫星为了保证元器件稳定性,研制费用通常达到上亿元,并且会使用研制非常成熟的组建,进行多组件备份。商业航天时代,COTS级元器件开始逐渐成熟,商业小卫星企业可以通过工业级元器件控制成本,实现快速迭代升级。

三、政策放开:在SpaceX通过大量发射小卫星占据轨道资源的情况下,全球政府与航天机构普遍感到压力,因此均选择在一定程度下放宽小卫星行业,或进行相应的政策支持。

得益于以上行业背景,小型商业SAR卫星也开始迅速发展。预计在未来10年间,小型商业SAR卫星发射数量将保持逐年增长的趋势。

四、SAR卫星的优缺点

4.1 优点

  • 具有全天时的数据获取能力,成像不受光线限制,白天或黑夜均可工作,无阳光照射要求。

  • 具有全天候工作能力,射频辐射不受云,降水或其他大气条件的明显影响,因此不受气候和云雾限制,可以在任何天气条件下工作。

  • 成图分辨率与飞行高度无关,可选卫星轨道更加充裕。

  • 相比于可见光和红外,可以更深地穿透植被和土壤。穿透能力具体取决于微波波长,为反演地表植被以及土壤特性提供可能。

  • 可收集不同波长和偏振的数据,以获得不同类型的信息,例如有关表面结构和水分含量的信息。

  • 可以以较低分辨率在大范围内收集信息,或者在较小区域内收集详细的高分辨率图像。

4.2 缺点

  • 某些非线性调频连续脉冲信号的SAR卫星影像信噪比较低。

  • 由于侧视相干成像方式,图像噪声污染较严重。

  • 系统设计复杂、处理的数据量大,难以获得有效特征信息。

  • 对比于光学遥感影像,SAR数据空间分辨率偏低,目视效果不佳。

  • 对比于光学遥感影像,SAR成像技术比较繁琐,数据后处理难度稍大。技术人员培训周期较长,从业门槛较高,需具备充分的物理基础知识。

  • 在干涉形变识别应用领域,由于形变梯度大,山区解缠效果不理想。

五、SAR主要工作模式

5.1 成像与强度应用

影像成像与强度应用是SAR影像的基本工作模式,单幅SAR影像数据主要是应用于地物分类以及目标识别,强度特征则是SAR影像最主要的特征之一,基于SAR强度影像可以提取地物信息。SAR可以根据物体的物理化学性质差异,辨别各种地形、地貌特征,对于地质领域的填图以及地震带的确认工作有较大帮助。在目标识别上,SAR 可进行海上的船舶监测和识别、溢油探测、陆地车辆等移动目标监测。地面慢速运动目标的检测与成像也是SAR卫星影像的国防之一。通过建筑物的叠掩和阴影,SAR可以对建筑物的三维信息进行提取,并在一些突发地灾后对建筑损毁状况、滑坡、堰塞湖等进行受灾前后的对比评估。SAR还可以结合高程数据进行精确的坐标定位。

  1. 条带成像(StripMap SAR):条带成像工作模式是指随着SAR卫星的移动,天线保持相对固定的方向与位置。天线通过相对均匀的速度扫过地面,信号传输速率等于脉冲重复频率(PRF),以此得到不间断的图像和较高的方位角分辨率。该模式的成像结果会呈现条带状,条带的长度取决于雷达移动的距离,方位向分辨率由天线长度决定。

  2. 扫描成像(Scan SAR):扫描模式与条带模式的不同在于,在一个工作周期内,天线波束会沿着距离向进行多次扫描。这种方式牺牲了方位向分辨率,但覆盖区域比聚束和条带模式要大得多。然而,由于方位向的带宽降低,方位角分辨率远低于条带成像模式。

  3. 聚束成像(SpotLight SAR):聚束模式主要针对特定用户较感兴趣的范围,通过扩大天线照射波束角宽,使目标在波束内保持更长时间,从而提高条带模式的分辨率。实现原理是在SAR卫星飞行过程中,将天线波束指向向后调整,在短时间内模拟出一个较宽的天线波束。但卫星在太空轨道中一直保持相对运动,天线波束向后的调整范围有限,因此只能在有限区域成像。同时,由于天线波束在结束特定区域观察后需要回调向前,因此聚束模式无法做到连续采集影像,无法保证影响到连续性。聚束模式牺牲了影像的覆盖范围,但针对特定兴趣目标可以提供更高方位角分辨率的影像。聚束模式的产品也是几种工作模式中最贵的一种。

5.2 干涉(InSAR)

如果只有单幅SAR卫星影像,那么用户没办法知道地面物体到SAR卫星之间的距离。为了获取更多的信息,干涉测量(InSAR)成为了SAR技术最重要的分支之一。其原理在于对同一目标进行两次以上的观测,并进行相干处理,利用干涉相位反演,测量出地表的微小移动或地面高程信息。InSAR初期主要利用相位高程信息进行数字高程模型(DEM)的生成和制图。随着技术的演进,InSAR应用扩展到了地面沉降监测、地震形变场反演、山体滑坡、火山活动监测、监测建筑物和桥梁等基础设施的稳定性方面,可以捕捉到毫米至厘米级的地表形变信息。

InSAR是SAR最重要技术路径之一。如果不能做InSAR,相当于失去了SAR卫星影像一半的信息。众所周知,卫星在太空中一直围绕着地球在运动。然而如果要进行InSAR测量,必须保证影像多次拍摄的位置和角度不能相差太远,其所对应的就是基线、共同频谱和天线倾斜角度。拍摄两张SAR影像的时间周期内,卫星的位置必须被控制在一个范围,通常需要在数百米内。同时,天线的姿态和角度必须相同,才能产生共同频谱。因此,轨道控制是SAR卫星实现InSAR最重要的方式。InSAR的定量化精准度与系统的敏感度密切相关。行业内检验一颗SAR卫星的质量,会将其是否能做InSAR处理作为核心的考核指标。

轨道控制需要消耗能源,携带能源的数量直接取决于卫星的体积。因此,过往InSAR技术只有国家级别的研究机构和大型航天器才能实现,例如1230kg的TerrSAR-X和2200kg的哨兵一号。当芬兰小卫星企业ICEYE在2020年5月发布两张干涉图样张时,业内普遍感到震惊。ICEYE的小卫星重量不到100kg,如果能以如此小的卫星重量,通过18天的重访周期实现InSAR,对小卫星行业的发展将具有跨时代的意义。但从业者认为,ICEYE目前发布的是高频监视图像,并非InSAR模式,小卫星的InSAR数据获取能力尚不成熟。当前,行业内也在密切中国的民营小卫星企业,哪一家能解决小卫星姿轨控问题,率先推出稳定的InSAR服务。

InSAR技术虽然作为SAR应用领域的重要分支,但其本质是为其他行业提供信息和服务。因此,要将InSAR技术落地成具体的服务,还需要深入了解地球物理、土木、工程、油气、地质灾害等行业的知识,才能将InSAR的测量结果转化成其他行业所需的关键信息。InSAR有两个方面主要特长,一个是在广域空间背景下普查识别正在变形的疑似灾害体,另一个是中长时间尺度对已确认为灾害隐患的目标进行重复连续监测。然而,受限于相位测量的局限性,InSAR依然难以达不到地面GNSS观测手段的高效性,也做不到短时间内的预警,因此仍需要其他观测手段进行辅助。

5.3 极化(Pol-SAR)

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。当SAR卫星向地面发射信号时,同一目标在不同方向的电磁场振动下会产生不同的回波信号,这就是极化(Pol-SAR)。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。不同地物对极化的响应能力不同,利用不同极化的电磁波对地物进行观测,能够得到更加丰富的地物信息。极化的方式主要就两个,分别是水平极化(H)和垂直极化(V)。水平极化是指SAR卫星发射信号时,其无线电波的振动方向是水平方向。垂直极化是指SAR卫星发射信号时,其无线电波的振动方向是垂直方向。使用H和V线性极化的雷达系统可以具有常见的四个双极化通道(HH、VV、HV、VH),分别表示发送和接收极化信号的方式。

全极化技术难度最高,要求同时发射H和V,也就是提供HH、HV、VH和VV四种极化方式。全极化SAR不仅可以提供四种极化的强度影像,还可以通过目标极化分解得到表征目标散射或几何结构信息的极化特征,进一步增强地物信息提取能力。

雷达极化已经发展成为一种比较成熟的技术,在农业(分辨不同的农作物耕地)、森林(植被高度、衰减系数等生物量的估计、物种识别)、地质(地质结构描述)、水文(表面粗糙度和土壤湿度估计、雪湿度估计)、海冰监测(冰龄和厚度估计)和海洋学(波特性估计,热和波前探测)等很大范围内都得到广泛的研究和应用。

5.4 其他

  • Pol-InSAR是当前微波遥感最先进的技术之一。Pol-InSAR是极化和干涉两个技术的结合, 充分利用了干涉测量结果随极化变化的特性,结合了极化技术对对方向、纹理等特征敏感的特点,又具备干涉技术对高度敏感的特点,因而可以有效识别和分离同一单元内不同高度位置的空间结构特征和散射信息。Pol-InSAR对于森林或农作物高度反演估计、植被覆盖区表面参数估计、目标三位结构、积雪以及冰盖参数估计等研究都有重要的作用。

  • 为了解决地表形变导致的相位失相干问题,出现了永久散射体干涉测量(PS-InSAR)、小基线干涉测量(SBAS-InSAR)等干涉叠加技术。干涉叠加技术可以同时处理多幅影像,对研究区进行长时间的时序监测,克服了差分干涉(D-InSAR)中出现的大气延迟误差以及失相干问题,改善了D-InSAR在小型地质灾害的监测能力。因为其具有高分辨率和毫米级形变精度,对于掌握地面的动态变化以及原因分析有很大帮助,主要应用于城市、矿区地表形变的监测分析。

  • TomoSAR是传统二维SAR成像技术的三维扩展,其原理是通过对同一目标地物进行多角度干涉测量,反演其在斜距方向上不同高度的散射值。随着SAR系统的不断成熟和处理技术的进步,可参与相干层析的 SAR 数据不断增加。当基线数量增多后,就实现了在不同角度对目标三维信息的获取。该技术可应用于城市地表形变监测、森林垂直结构估计、生物量估计、冰川变化监测等领域。

  • ISAR是一种国防领域常用的技术。SAR一般用于目标静止,雷达平台移动时的情况,需要通过雷达在目标或场景周围的移动来实现。ISAR技术则是用于雷达静止但目标处于运动中的场景,主要使用于飞机、坦克、舰船和导弹等。ISAR技术关键在于后期数据处理,与雷达天线本身无关。

六、雷达卫星应用方向

  1. 在地质勘探方面,SAR卫星的大范围探测优势得到体现,利用SAR数据可以分析地貌特征和构造现象, 甚至可以对岩体岩性和浅部埋藏地质体进行初步解译。在地物分类方面,多频率、多极化的SAR,可以帮助分析目标的多种属性,提高分类精度,在一定程度上避免了噪声干扰。多时相干涉SAR得到的分类结果更加精确,也可以更好地分辨随时间变化的土地覆盖情况。

  2. SAR卫星的干涉成像功能,可以在人员罕至的地区获得毫米级的形变高精度信息,对受灾地区的状况进行监测,方便指导救灾,也可以帮助进行灾后的分析和研究。如对于地震灾害,InSAR可以监测活跃地震带及滑坡的微小形变信息,对地震的同震和震后形变进行反演,帮助了解地震、分析地震的过程和机制。除此之外,SAR还可以帮助对城市地表沉降、矿区沉降、滑坡、雪灾、火山和台风等灾害进行监测,监测地表沉降的动态和滑坡形成过程,获取台风时的海面风速信息等,帮助相关单位及部门及时作出灾情预警及评估等决策。

  3. SAR卫星由于不受天气和昼夜光线的影响,可在水灾洪涝发生的第一时间抓取受灾区域卫星图像,并分析洪水的演进变化,对风险进行评估与量化分析,为相关企业或部门提供持续的最新的灾区影像,帮助其在全局层面掌握灾情动态,为其应急处理及决策提供依据。洪灾过后,可对淹没农田面积,淹没房屋面积进行量化评估,也可调取历史洪灾大数据,确保相关企业或部门准确进行洪灾定损及精算。

  4. SAR卫星在海洋领域应用非常广泛,包括船舶识别、溢油监测、海底地形反演、海浪监测、内波反演等。在船舶识别监测方面,由于海洋水面呈现暗色调,船只呈现明亮光斑,不同类型船只在雷达图像上的有典型的特征,通过算法可以进行分类识别,并匹配AIS信息快速判定并定位非法船只。在海上溢油监测方面,被油膜覆盖时的海水表面更加平滑,SAR卫星信号在其上发生镜面反射,表现为暗黑色斑块或条带特征,与清洁海面相区分,SAR 可利用油膜对海面波动的抑制造成的后向散射差异进行溢油区域探测。在海底地形反演方面,SAR卫星可以作为海洋调查船的补充,结合先验地形特征、水动力模型,对近岸浅海区域的水下地形进行探测。SAR 还可以进行海洋动力要素反演,帮助管理海洋交通运输、海上生产、渔业港口建设,海洋减震防灾等。

  5. 不同农作物在SAR卫星影像中表现出不同特征,可以作为农作物的分类依据。将光学遥感、地面监测以及SAR卫星数据结合可显著地提高农作物的分类精度,对不同季节、不同环境的水稻种植进行规划和管理,监测农作物发育状况。此外,SAR卫星影像还可以对土壤湿度和植被含水量进行评估。林业方面,SAR卫星数据在大范围森林覆盖变化监测中有巨大应用价值。利用SAR卫星数据不仅可以监测森林面积,而且可以获取垂向信息,进而反演森林高度、森林蓄积量等指标,为有效地管理和保护森林、预防灾害发生提供科学依据。

  6. 数字高层模型(DEM)是智慧城市、数字孪生等领域的基础数据之一。SAR 数据在建立地DEM方面具有监测精度高、范围广、全天时全天候等优势,可满足对于生成高精度DEM的需求。利用SAR卫星获取的DEM数据具有更高的时效性,与研究区的真实地面状况更加相似。也可以结合其他数据开展智慧城市应用,监测城市建筑形变,对建筑物进行精细结构成像等。

  7. 冰川和积雪是重要的水资源,非常易受气候变化的影响。SAR技术可以对其进行监测,反演气候水文循环的变化过程。利用SAR数据可以进行海冰分类,对冰川地貌进行识别和绘图,还可以对冰川的变化进行动态监测,研究冰川流速与温度、季节、地理位置和地貌条件等多种因素的关系,并识别出冰雪融化中的融雪阶段,进行融雪前后的比较,监测冰雪融化过程。这对于掌握积雪变化规律,避免雪崩和融雪洪灾等具有重要意义。

七、中外大型SAR卫星盘点

国家机构与政府单位,一直以来承担了超过90%的SAR卫星制造的任务,也是SAR影像数据最大的买家。即使到了商业SAR卫星时代,国家单位依然是主要的制造商,只是在近年放开了商业公司购买遥感影像的可能性。区分国有SAR卫星和民营商业卫星最大的一点,就是体积和重量。几乎所有的大卫星都是由国家机构牵头制造。受限于成本和竞争优势,很少有民营企业进入千公斤级别的大型SAR卫星赛道。因此,大型SAR卫星之间的比拼,其实就是国家与国家之间的比拼。

事实上,在上个世纪SAR技术领先了非常多的美国,一直在限制国有SAR卫星通过商业模式出售遥感影像。以LACROSSE系列为主的SAR卫星,更多是作为军事侦察使用。当前大型商业SAR卫星的第一梯队国家,主要包括加拿大和欧洲的德国、意大利等国家。除此之外,日本、阿根廷、中国、印度等国家也在积极发展当中。

在轨大型SAR卫星对比,36氪经公开资料整理

7.1 加拿大

从1995年发射RadarSAT-1卫星开始,加拿大就是商业SAR卫星的积极参与者。第一代的RadarSAT卫星总投入6.2亿加拿大币。受限于90年代的物理特性和航天技术,分辨率有限,加上商业SAR的概念过于前沿,因此商业影像的销售情况并不理想。

2007年,加拿大发射了第二代RadarSAT卫星,造价达到了20亿美元,最高可提供3m空间分辨率的影像。加拿大航天局(CSA)采取和民营公司MDA合作的方式开发此卫星,由CSA提供约 75%的总体开销,以换取向政府机构提供该卫星的遥感图像。RadarSAT-2虽然设计寿命只有7年,但至今仍在服役,总运营时间超过了13年,每年可获取超过6万幅遥感影像。

2019年,加拿大航天局通过SpaceX发射了3颗最新的RadarSAT卫星,形成RCM星座。RCM星座延续了RadarSAT-2的C波段设计,依然是委托CSA的长期伙伴MDA进行制造。

值得一提的是,MDA在2017年与美国光学卫星头部企业DigitalGlobe合并,成立新公司Maxar,总部设于美国科罗拉多,并在美国和加拿大两边都上市。但到了2020年,Maxar又将MDA的加拿大业务剥离出来,使其重新回到加拿大的控制。

7.2 欧洲

欧洲也是商业SAR最早的参与者之一,主要由欧洲航天局(ESA)牵头负责。从1991年发射ERS-1卫星开始,欧洲便开始了商业化的探索。2002年,ESA发射了世界上最大的民用SAR卫星——Envisat,耗资29亿美元。Envisat卫星继承了ESR星座,设计寿命为5年,最终在轨运行了10年,于2012年失去联系。由于该卫星重达8吨(相当于117个冰眼小卫星、31个星链卫星的重量),可以说是单颗大卫星的代表作之一,但其失去运作后也成为巨大的太空垃圾。2014年与2017年,ESA发射了Envisat卫星的继承者——两颗哨兵卫星(Sentinel),并计划于近两年发射第三和第四颗进行补网。从ERS,到Envisat,再到哨兵卫星,ESA一直坚持使用C波段,也保证了数据和应用的连续性。

同时,为了能够在森林监测方面取得更多进展,欧洲计划于2023年发射P波段的BIOMASS雷达卫星,以评估陆地碳储量并更好地了解地球的碳循环机制。

在遥感数据分发方面,ESA最开始实行双轨制。对于ERS卫星和Envisat卫星,如果是科研用途使用者,可以直接通过ESA的渠道申请数据,以接近成本的价格获取数据。如果是商业用途,则需要通过ESA指定的数据代理商进行采购,通过市场价购买。到了哨兵卫星时代,欧盟希望通过哥白尼对地观测计划(Copernicus)扶持欧洲的航天产业链下游应用,因此将哨兵卫星获取的数据不限用途进行免费分发。得益于免费政策,哨兵一号数据成为全球下载量最大的SAR卫星数据,也是InSAR应用在这几年能够迅速发展的关键推手。

除了在欧盟哥白尼计划的大框架下,欧洲部分国家也有自己的一些商业SAR卫星,主要包括德国、意大利和西班牙。由于欧洲航天局已经使用了C波段,因此这三个国家使用的都是X波段SAR卫星:

7.2.1 德国

德国的SAR卫星研究主要依托于德国宇航中心(DLR)旗下的微波雷达研究所,是全球最领先的SAR技术和应用机构之一。德国最早的SAR卫星是用于军事用途的SAR-Lupe卫星,该卫星是德国第一颗军用卫星,也标志着欧洲SAR军事侦察卫星完成组网,具备独立、全天时、全天候、高分辨率的军事侦察能力。

此后,DLR又发射了两颗SAR卫星,分别是2007年发射的TerraSAR-X卫星和2010年发射的TanDEM-X星。这两颗卫星搭载了相同的载荷,最高分辨率均为米级,共同组成高分辨率干涉测量SAR卫星星座。TerraSAR-X是德国早期研制的一颗高分辨率SAR卫星,由商业公司Astrium负责影像的销售业务,单幅影像价格在数千欧元不等,销售情况非常好。

7.2.2 西班牙

跟随着德国的脚步,西班牙于2018年发射了PAZ雷达卫星,也是西班牙的第一颗军事卫星,影像可作为商业用途。该卫星与德国的TerraSAR-X和TanDEM-X卫星运行在同一轨道上,相当于加入组网,将干涉重访周期从11天减少到平均4天。该卫星由空客公司(Airbus)和Hisdesat共同开发,Hisdesat负责数据的商业运营。

7.2.3 意大利

意大利的SAR卫星研究主要由意大利航天局(ASI)负责。从2007年到2010年,意大利发射了四颗COSMO-SkyMed第一代卫星,形成了四星组网。与德国和西班牙一样,意大利的这四颗卫星也是军民两用卫星。2019年12月,意大利COSMO-SkyMed第二代卫星,也是世界上第一个能够同时获取两幅图像的SAR卫星系统。就像德国和西班牙合作一样,意大利选择与阿根廷合作,将阿根廷SAOCOM卫星与COSMO-SkyMed卫星联合运营,以提供与应急管理相关的高频信息。

COSMO-SkyMed卫星的整体销售情况也非常不错,在全球范围有大量的代理商与客户。中国InSAR应用头部公司东方至远,也是COSMO-SkyMed卫星数据的中国区独家总代理商。

7.2.4 俄罗斯

俄罗斯在SAR卫星领域也在积极探索。目前已发射了用于温室气体排放监测的X波段Smotr卫星,以及出口到南非作为军事用途的S波段卫星Kondor-E。

7.3 阿根廷

阿根廷作为南美航天的代表力量,除了在光学领域有和中国密切合作的商业公司Satellogic,阿根廷航天局在SAR卫星领域也一直在推动进程。

2018年和2020年,阿根廷航天局分别发射了SAOCOM1-A和SAOCOM1-B两颗卫星,每颗星重量在3吨左右。SAOCOM卫星的工作波段是用于地球科学和地球物理领域的L波段,卫星主要任务是收集地球土壤湿度信息。

7.4 日本

作为亚洲航天的重要力量之一,日本的SAR卫星研究由日本宇航局(JAXA)负责。2014年,日本发射了ALOS-2号卫星,搭载了一颗L波段的SAR传感器,旨在用于亚太地区的制图、海上交通监测和灾害监测。日本选择L波段有其特定的环境原因。由于日本处在地震高发带,且三分之二的地面被植被覆盖。L波段独特的优势在于可以部分穿透植被并到达地面,从而同时获取植被和地面信息。因此日本很早就对L波段进行专门的研究,当前在国际上也有一定优势。除此之外,德国计划于2022年发射TanDEM-L卫星,也将瞄准L波段。

在数据销售方面,ALOS-2在全球范围也有良好的市场。在中国,ALOS-2的影像主要由博宇智图负责总代理。

7.5 中国

  • 电子所

我国对SAR的研究工作开始于上世纪70年代。1979年,由中国科学院电子学研究所(简称“电子所”)获得国内首幅SAR图像。80年代,电子所成功研制了分辨率为10m的机载SAR实时成像系统。此后三十余年,电子所获得了国内第一部极化SAR、第一部多维度SAR、机载SAR分辨率优于0.1m等成就。星载SAR方面,电子所于1997年完成了L波段星载SAR工程样机的研制工作。发展至今,我国90%以上的星载SAR卫星载荷,都是由电子所负责研制。

目前,我国有高分三号、环境一号C、齐鲁一号等民用SAR卫星的载荷总体,主要由电子所研制。2012年11月19日,我国首颗民用SAR卫星环境一号C星(HJ-1C)成功发射,星上搭载了S波段雷达,单视模式空间分辨率为5米,距离向四视分辨率为20米。2016年8月10号,高分三号卫星发射升空,这是我国首颗分辨率达到1米的C波段SAR卫星。2021年11月23日,高分三号02星成功发射,该星充分继承了高分三号卫星技术方案,运行于755公里高度太阳同步回归轨道,主要载荷为C波段合成孔径雷达,发射入轨后将与在轨运行的高分三号卫星进行组网,形成海陆雷达卫星星座,具备1米分辨率、1天重访的能力,此外还增加了船舶自动身份识别信号接收系统和星上实时处理功能。

接下来,我国的民用科研星陆探一号卫星(LT-1),将采取双星编队的方式,预计将在未来数月内发射。该卫星立足于面向1:5万比例尺地形图测绘,致力于解决中国全境高程数据,特别是多云多雨地区长期存在的数据来源、精度、质量不一致的问题。

在非民用领域,我国有遥感卫星1号、3号、10号卫星。最高分辨率5米,主要用于国防用途。除特大自然灾害等事件外,较少公布相关影像,不具备商业化背景。

因此,当前在我国商业SAR领域,有载荷研制的能力的创业团队,基本上都具有电子所的学术科研背景。电子所与民营企业银河航天、九天微星之间的合作非常密切。

  • 38所

除电子所外,有能力参与SAR卫星总体研制的团队还有中国电子科技集团公司第38研究所(简称“38所”)。38所过往以机载SAR领域的研究为主,较少接触星载SAR的终端电子设备和载荷总体,因此当前也在加紧研发当中。38所与民营企业天仪研究院的合作非常密切。

2021年9月28日,38所正式发布了“天仙星座”计划。该星座是由96颗轻小型、高性能SAR雷达卫星构成的卫星星座,部署在多个轨道面,可为我国在海洋环境、灾害监测及土地利用等领域提供服务。天仙星座致力于为全球每一位用户提供及时、精准的监测服务,通过多星组网实现遥感数据服务能力,通过X和C双频搭配、高低分辨率统筹设计,可兼顾军民融合应用。

星座试验星“海丝一号”是我国首颗商业SAR卫星,由38所和天仪研究院合作研制,于2020年12月22日发射,基于C频段轻量化有源相控阵天线技术和一体化中央电子设备集成技术研制,整星重量小于185kg,方位向最高分辨率1米。据悉,该星座明年有4颗卫星的发射计划。根据发射协议,天仙星座首批SAR卫星的首发星将于2022年2月下旬搭载长征八号火箭发射入轨。后续多颗卫星计划于2022年三季度完成发射,力争2023年初步形成每天响应1-2次的全球服务能力。

  • 其他

虽然电子所几乎囊括了我国星载SAR领域的所有成就,尤其是在载荷研制领域。但我国有不少SAR领域研究机构,因此有许多其他单位也在尝试进入星载SAR领域。2021年8月19日,中国成功将两颗天绘二号02雷达测绘卫星送入轨道,其有效载荷系统由中国电科14所研制。该卫星为军民两用卫星,主要使用InSAR技术来收集3D地形图的立体数据,用于开展科学试验研究、国土资源普查、地图测绘等任务。

当前和SAR领域研究相关的科研单位包括西安电子科技大学、中国航天科工二院23所、北京理工大学、国防科技大学、北京航空航天大学、北京理工大学、 电子科技大学等。部分单位过往有机载SAR的研制经验,也在成像理论探索、星上处理系统、技术分析、实验论证和系统研制等方面做了许多工作。

除此之外,厦门大学也正在构建由32颗SAR、水色和高分辨光学卫星等构成的“海丝”系列卫星星座,辐射我国东南沿海和一带一路沿线国家和地区。

航天科技集团旗下的中国四维投资、世景公司提出了在2022年左右建成一个“16+4+4+X”的0.5米级高分辨率的商业遥感卫星系统,其中包括了4颗微波卫星。据悉,中国四维近期即将发射X波段SAR卫星。

7.6 其他

除中国与日本外,亚洲地区还有印度的C波段RISAT-1卫星、韩国的X波段Kompsat-5卫星、以色列的X波段TecSAR卫星也值得关注。

美国和印度合作,计划于2023年发射的NiSAR卫星,也采用了L波段以及S波段。该卫星定位于研究自然灾害和全球环境变化,12天时间即可完成一次全球地表成像,所有数据将向公众免费开放。

在成功发射“海丝一号”和“海丝二号”卫星的基础上,厦门大学正在构建由32颗SAR、水色和高分辨光学卫星等构成的“海丝”系列卫星星座,辐射我国东南沿海和一带一路沿线国家和地区。

八、全球民营小型SAR卫星玩家盘点

随着航天工业技术的不断成熟,小卫星已经成为全球卫星行业发展的趋势。为了促进小卫星行业的发展,许多国家在官方和民营层面都达成了共识,国营层面负责成本较高,稳定性要求高的大卫星,民营层面负责成本较低,迭代速度要求较快的小卫星,SAR卫星行业也不例外。

虽然传统的大型SAR卫星领域有空客、波音、萨里等大型企业,但这些企业或多或少都有国家力量在背后支持,留给风险资金参与的机会较少。而小型商业SAR卫星正处于发展早期,未来潜力较大,风险和收益都处于较高的状态,属于风险资金行业喜欢的项目。因此,本文主要列举商业卫星上游的小卫星制造企业。对于下游的SAR卫星数据分析和应用企业,由于种类繁多,将另开篇幅讨论。

8.1 ICEYE(冰眼)

芬兰ICEYE是当前全球在雷达小卫星领域最领先的企业,也是欧洲的代表公司。

ICEYE团队成立于芬兰阿尔托大学纳米卫星小组Aalto-1。2018年1月发射首颗验证星ICEYE-X1,该卫星是全球第一颗重量不到100kg的SAR卫星。2019年8月,ICEYE开始向全球客户提供1m分辨率的商业卫星影像。2020年3月,ICEYE宣布提供0.25m分辨率的雷达卫星图像服务,并发布了其最新的视频SAR产品预览版。2020年5月,ICEYE发布干涉影像样张产品,成为第一家在小卫星领域实现干涉功能的企业。但有从业者认为,ICEYE目前宣布的是高频监视图像,并非干涉模式,小卫星的干涉数据获取能力尚不成熟。

截止目前,ICEYE已发射了14颗卫星,目标是在2022年将其在轨卫星数量扩展到超过18颗。在2021年10月,美国国家地理空间情报局(NGA)发布的报告中,ICEYE的重访速度被评为全球第一名。

ICEYE与欧空局ESA有紧密的合作关系。ICEYE宣布提供商业SAR卫星影像时,欧空局的开源SAR处理软件Snap toolbox就在第一时间支持导入该数据。由于SAR卫星源影像处理流程非常复杂,处理技术门槛较高,许多遥感产学研应用方需要依赖相关软件进行影像处理。因此Snap toolbox的支持,也为许多下游应用商采购ICEYE数据解决了后顾之忧。除此之外,ICEYE于2021年10月宣布正式加入欧盟哥白尼对地观测计划,成为第一家为哥白尼计划提供影像的商业SAR卫星公司。同时,ICEYE还与瑞士再保险企业Swiss Re、数据分析公司RS Metrics等公司达成了战略合作关系,在保险理赔、期货交易等方面预测分析。

融资方面,ICEYE在2020年9月完成了8700万美元的C轮融资。迄今为止,ICEYE共筹集了1.52亿美元的资金。

8.2 Capella Space

美国Capella Space是全球雷达小卫星领域的第一梯队企业,也是美国的代表公司。

成立于2016年的Capella Space,并获得300万美元的种子轮融资。2018 年,Capella Space发射了美国第一颗测试卫星。迄今为止,Capella Space总共筹集了8000万美元的资金。Capella Space一直在进行宣传,强调美国必须夺回商业SAR领域的领头羊定位。Capella Space原计划在2020年发射7颗卫星,但由于疫情和各方面的原因,发射任务一直在延期。因此,在2020年8月底发射第一颗业务星之前,Capella Space一直饱受业内的质疑。

目前,Capella Space共有5颗在轨卫星,空间分辨率可达到0.5m,重量约为112kg。Capella Space希望打造一个36颗卫星组网的SAR卫星星座,实现每小时的全球范围重访,在时间和价格方面建立优势。

在2021年10月,美国国家地理空间情报局(NGA)发布的报告中,Capella Space的空间分辨率被评为全球第一名。美国政府目前在全球范围内是最大的SAR卫星影像采购方之一。作为一家美国的企业,Capella Space赢得了非常多美国政府和军方的订单,其客户包括美国空军、国家侦察局(NRO)和国防部国防创新小组(DIUx),在政府业务订单上具有一定的优势。

拥有多家知名VC支持的Capella Space,目前是最有希望实现上市的企业。作为美国企业,当前已经有多家知名VC支持,并且有在轨卫星,即将实现明确的持续收入,军方点名采购,因此上市前景较好。

由于与美国军方的密切合作关系,Capella Space目前在中国市场的运营处于停滞状态。

8.3 Umbra

成立于2015年Umbra,也是当前为数不多实现在轨验证的商业SAR卫星公司之一。

总部位于美国加州圣巴巴拉的Umbra,原名为Umbra Lab。在即将发射第一颗卫星之前,公司将Lab(实验室)去掉,象征着技术走向成熟应用期。

2021年6月,Umbra发射了第一颗商业SAR卫星,空间分辨率达到25cm。第一颗卫星Umbra-SAR 2001是一颗 50 公斤的卫星,配备了X 波段雷达,主要任务是测试技术和卫星设计,验证传感器性能。

目前,Umbra已经获得联邦通信委员会的许可,将以高达15 cm的分辨率采集影像。Umbra的优势在于发明了一种创新的天线设计方法,具有业界领先的轻质量、高压缩比、高增益的特色。该天线收缩状态下由于小型冰箱的体积,展开可达到SUV的体积,解决了以前面临的天线体积、质量和功率问题。

与其他竞争对手不同,Umbra的商业模式主要是销售SAR图像,暂时没有计划提供地理空间分析的服务。Umbra构建12颗星组成的星座,提供15cm的超高分辨率SAR图像。

在2021年1月的最新一轮融资中,Umbra获得了3200 万美元的资金。

8.4 Synspective

成立于2018年2月的Synspective,总部位于日本东京。作为日本商业SAR代表企业,成立不到3年时间便实现在轨验证,发展速度非常快。

Synspective计划利用25颗小型SAR卫星组成可覆盖全球的遥感星座,以提供卫星数据。该公司计划在2023年建造一个6颗卫星组成的星座。

2020年12月,Synspective的首颗SAR卫星StriX-α通过新西兰Rocket Lab的火箭成功发射入轨,并于2021年2月发布了首批SAR卫星影像。这家日本企业计划在2021年发射第二颗验证卫星,然后开启业务星项目。作为业务星,StriX β是Synspective将配备X波段雷达,重量将控制在100公斤内,并且能够实现1-3m的成像分辨率和InSAR技术。到 2023 年,该公司计划发射该星座的六颗第一颗卫星。

作为日本商业SAR卫星企业的领头羊,Synspective获得了日本政府非常多的支持,例如第一代卫星的载荷技术就是由日本宇宙航空研究开发机构JAXA提供支持。

在2019年的A轮融资中,Synspective获得了接近1亿美元的资金,由包括三菱在内的12家机构提供支持。

8.5 PredaSAR

成立于2019年的PredaSAR,总部位于美国佛罗里达州。

PredaSAR是Terran Orbital的子公司,与Tyvak纳米卫星公司属于姐妹公司关系。当前PredaSAR的CEO是美国退役空军少将罗杰·蒂格 (Roger Teague) ,董事会和公司管理层中有许多美国退伍军官。公司计划建造至少44颗SAR卫星组成的星座。

发射方面,PredaSAR原计划于2021年春季搭载SpaceX火箭发射第一颗SAR卫星。但由于全球发射集体延迟的缘故,PredaSAR至今未发射第一颗卫星。

融资方面,PredaSAR在2020年3月获得了2500万美元的种子轮融资。

相比于其他美国商业SAR卫星企业,PredaSAR的宣传相对较少,出现于媒体的次数远少于其他企业。

8.6 iQPS

成立于2005年的iQPS,隶属于日本QPS研究所。

iQPS的目标是到2025年构建36个卫星组网的星座,在10分钟内观测的全球任意一个地点。

2019年11月,iQPS通过在印度发射了首颗100千克的SAR卫星“IZANAGI”。2021年1月,iQPS通过SpaceX的火箭成功发射乐第二颗卫星。

iQPS的业务覆盖范围较广,不仅有整星的业务,也有大量的零部件产品设计制造业务,甚至提供相关技术咨询、会议组织等服务。iQPS的客户包括九州大学、名古屋大学、九州工业大学、東京大学、千葉大学、JAXA等。

融资方面,iQPS在2017年的A轮融资中获得了20.35亿日元的资金,从成立至今总计融资了30.23亿日元(约2700万美元)。

8.7 Trident Space

成立于2016年的Trident Space,总部位于美国弗吉尼亚州。

Trident Space计划在2021年发射首颗卫星。不同于其他初创公司瞄准的百公斤级SAR卫星,Trident Space的首颗卫星重量计划为300公斤,分辨率1米,设计寿命4年。由于全球整体发射延迟的缘故,目前这颗卫星尚未发射。首颗卫星发射后,Trident Space计划在2023年再发射6颗卫星,提供每天20次的重访,此后每年发射12颗卫星,最终建造一个48颗卫星星座,使重访时间降至10分钟以下。

根据Trident Space的CEO卡兰格兰的测算,按每平方公里10美元计算,每颗卫星在使用寿命内可以获得4.4亿美元的收入。

Trident Space目前已完成700万美元的A轮融资。

8.8 XpressSAR

成立于2015年10月的Xpress SAR,总部位于美国弗吉尼亚州。

Xpress SAR计划于2024年发射并运营四颗高分辨率商业X波段SAR卫星星座,分辨率最高可达1m。

8.9 其他

商业小卫星虽然受到各个国家的支持和资本的追捧,但由于前期的研发投入成本较高,也有许多项目因为无法持续造血而停止运营,其中包括知名的UrtheCast公司。这家2013年在多伦多上市的加拿大公司,以在国际空间站安装了两颗超高清摄像头而闻名。该公司曾计划搭建由16颗高分辨率光学成像卫星和8颗SAR卫星组成的OptiSAR星座,搭载1m级分辨率的X 波段和5m分辨率L波段传感器。UrtheCast还分别于2015年和2019年收购了Deimos Imaging和Geosys。然而,到2020年10月,UrtheCast终究无法应对持续的财务危机,最终宣布破产。

UrtheCast破产有很多原因,但有两点无法忽视。一个是其发展进度较慢,因各类问题导致其OptiSAR星座的建设速度不断推迟。其次是在OptiSAR星座中的SAR卫星主要是1400kg的中型卫星,这类卫星在发射市场非常尴尬,没法满足单一重型运载火箭的运载量,在商业航天的小卫星拼单发射市场也不受到欢迎。

九、中国民营SAR卫星玩家盘点

相比于已经发射14颗卫星的欧洲ICEYE,以及有多家公司成功或在一年内即将实现在轨验证的美国,中国的商业SAR卫星行业还处于非常早期的阶段,与中国庞大的国防和应急需要非常不匹配。当前,民营企业仅有天仪研究院一家企业,实现了单颗小型商业SAR卫星的在轨验证。除此之外,智星空间也实现了一颗6U多光谱遥感卫星的在轨验证。

针对当前状况,本文主要讨论已有SAR卫星生产或发射计划的企业。这些企业不仅有专注于卫星制造的上游企业,也有主营业务在下游的遥感应用与服务企业。许多下游的企业通过联合上游制造方,共同发射SAR卫星,以保障数据源的稳定供给,也开拓企业自身的服务和应用。

9.1 天仪研究院

成立于2016年的天仪研究院,是我国小卫星行业的龙头代表企业,也是当前中国唯一实现小型商业SAR卫星在轨验证的企业。天仪研究院目前共完成了12次太空任务,成功发射21颗小卫星。

2020年12月,我国首颗商业SAR卫星“海丝一号”试验星成功发射。该卫星是中国第一颗平板可折叠卫星,也是国际首颗C波段轻小型商业合成孔径雷达遥感卫星,整星重量小于185kg,方位向最高分辨率1米。 

根据官网报道,天仪研究院计划在2023年完成56颗SAR卫星组网,到2025年实现96颗高分辨率SAR星座的组网。届时,对全球绝大部分地区,天仪的SAR卫星基本可保证每小时至少一次的覆盖频率。除SAR卫星外,天仪研究院还有科研卫星的产品服务,目前已实现多次在轨验证。

据悉,天仪研究院在2021年有四颗SAR卫星投产,预计将于2022年第一季度发射下一颗SAR卫星。天仪研究院在SAR卫星方面的主要合作伙伴包括38所。

融资方面,天仪研究院于2021年完成C轮融资。2021年9月,天仪研究院完成最新一轮融资,投资方为沄柏资本旗下海河沄柏产业投资基金。

9.2 智星空间

成立于2018年5月的智星空间,专注于SAR卫星的制造和运营,具备星载一体化设计能力,是国内首家报备X波段SAR卫星的单位。

2020年12月,公司首发星“智星一号A星”成功发射。“智星一号A星”是一颗6U大小的多光谱遥感卫星,也是“丝路卫星星座”的首发星。该星座由12颗小型SAR卫星组成,计划在未来两年内完成建设,实现全球任意地点小时级的按需观测重访。根据与埃塞俄比亚航天科技研究院达成的合作协议,后续“智星一号A星”也将服务于非洲国家的卫星遥感应用市场。

智星空间预计年底前完成2颗SAR卫星“智星二号X1/X2卫星”的出厂测试,明年上半年搭载发射。智星二号X1/X2卫星重量约为200kg,是国内首批X波段小型商业SAR卫星,也是“丝路卫星”星座工程一期首批商业SAR卫星,具备重访InSAR的能力。在聚束模式下,测试的最高分辨率可达0.5m。

除星载雷达外,智星空间也在开展机载雷达的研制工作。“盛景一号”MiniSAR是智星空间首款自研的小型机载SAR系统,可集成安装在多旋翼、固定翼等小型无人机上,在2021年11月成功完成中石化管道巡线飞行雷达成像任务。

作为陕西省的特色项目,智星空间获得了陕西省铜川市的大力支持。在“丝路卫星星座“的雷达卫星系统研制项目,智星空间获得数亿元的大合同,包含12颗合成孔径雷达卫星系统的研制、发射和在轨测运控服务,建设周期为两年。同时,智星空间也在地方政府的支持下搭建具备卫星整装集成测试能力的卫星工厂。

2019年5月,智星空间完成数千万元人民币天使轮融资,由哈工创投领投,宣城火花基金和同润科投跟投;2020年12月,智星空间完成数千万元Pre-A轮融资,由铜川产业发展基金战略投资。

9.3 航天宏图

成立于2008年的航天宏图,是国内头部卫星运营与应用服务提供商,已经于2019年在科创板上市。

2021年7月,航天宏图发布公告,将通过一箭四星的形式,建设由4颗SAR卫星组成的航天宏图一号(PIESAT-1)星座,具有InSAR能力,可制作高精度数字表面模型(DSM)相关应用,并执行全球非极区1:5万比例尺测绘任务。该星座研制费用为2.4亿元,合作方包括中国空间技术研究院(航天五院)与银河航天。

航天宏图属于典型的下游应用端回溯上游供给侧的企业。在企业完成上市获得充裕的现金流,通过合作的形式与上游SAR卫星制造方共同搭建星座,以此获得稳定的数据源,扩展应用。航天宏图的下游产品线非常丰富,无论是遥感卫星数据的处理软件和云平台,还是面向各个行业的垂直解决方案,都已经有成熟的产品。因此,选择向上游扩展,既可以丰富下游应用的数据源,也可以进一步拓展公司第二曲线,实现收入稳定持续快速增长,对二级市场予以更大的想象空间和发展前景。值得关注的是,航天宏图计划通过一箭四星的形式进行发射。虽然一箭四星的方式有利于控制成本,但是对于火箭发射稳定性也有较高的要求。据悉,航天宏图仍有更多SAR卫星星座建设计划。

9.4 四象爱数

与航天宏图类似,四象爱数也是从下游应用端回溯到上游制造的企业。

成立于2017年的四象爱数,主营业务为遥感卫星数据的分析和处理,推出了包括基建安全、农业、金融等领域的应用。四象爱数在金融保险领域具有一定优势,与国泰君安、南华期货、苇莱保险等金融机构开展广泛合作,并有多个另类数据产品上线万得资讯、同花顺、Neudata等金融数据平台。

据悉,四象爱数正在研制200kg的SAR卫星,目前已完成总体方案设计、卫星与载荷技术接口设计、机载飞行试验,预计可达到米级分辨率,总投入约在数千万元。四象爱数原定于2021年6月进行发射,目前发射计划已推迟。

9.5 中科卫星

成立于2020年12月的中科卫星,是由中国科学院空天信息创新研究院(以下简称“空天院”)创办的新型混合所有制企业,提供卫星研制,整星设计等服务,总部位于山东济南。

中科卫星的首席科学家为空天院高级专务邓云凯研究员,曾任我国第一颗微波成像雷达卫星载荷主任设计师和卫星副总师。

2021年4月,齐鲁一号SAR卫星成功发射。该卫星是近地轨道卫星,分辨率约为0.5m,整星重量约150kg,是我国第一颗Ku波段的高分辨率轻小型SAR卫星,具有条带、聚束、滑动聚束多种成像模式。

据悉,齐鲁卫星星座总计有4颗SAR卫星的发射计划。该星座由山东产业技术研究院、空天院等机构多方合作建设。

9.6 感知起源

成立于2021年6月的感知起源,是商业SAR领域的最新团队之一,创始人为马兵强博士,中科院电子所SAR专业,具有丰富的SAR型号研发经验。感知起源是国内首家专注于小卫星SAR载荷研发的商业公司,核心产品瞄准百公斤级。公司计划与产业上下游的合作伙伴,携手共建小卫星SAR星座,提供高分辨率雷达数据,补充国产数据的空缺,服务于应急救灾、金融保险、自然资源和环境保护等重要领域。

目前,团队已获得数百万种子轮融资,正在进行下一轮融资。

9.7 欧比特

成立于2000年的珠海欧比特宇航科技股份有限公司,现隶属于珠海国资委,由珠海格力集团控股。

“珠海一号”卫星星座,是由欧比特发射并运营的商业遥感微纳卫星星座。 整个星座由34颗卫星组成,涵盖了视频卫星、高光谱卫星、雷达卫星、高分光学卫星和红外卫星。其中,欧比特计划发射两颗2颗OSS雷达卫星。

9.8 中科遥感

成立于2005年的中科遥感,是最早提出要建设SAR卫星星座的企业之一。

2017年9月,中科遥感SAR新型卫星星座首发星“深圳一号”正式启动会在深圳召开。主要项目参与单位包括中科遥感(深圳)卫星应用创新研究院、深圳航天东方红海特卫星、北京遥测技术研究所等三家单位,计划发射8颗小型SAR卫星以搭建星座。其中,“深圳一号”是一颗X波段微小型SAR卫星,具备国内重点城市2天的重访周期,具备单星InSAR能力。

2015年12月,深圳曾发生滑坡事故。为避免相关灾害再次发射,深圳在应急防灾领域有巨大投入,因此对SAR卫星数据有较大需求。中科遥感于2017年9月启动项目,是国内最早提出小型SAR卫星星座的单位,“深圳一号”原计划于2018年12月具备进场发射条件。然而从项目启动会至今,该星座构建计划并没有披露更多进展消息。

9.9 时空道宇

成立于2018年的时空道宇,是吉利科技集团旗下的企业。

时空道宇的主营业务为航天信息与通信基础设施,实现从星座设计、卫星研制、星座测运控、卫星应用的全产业链布局建设。

根据时空道宇的新闻报道,经过两年多的时间,时空道宇已经完成了低轨导航增强双星研制出厂,遥感AI卫星产品发布,形成了覆盖10公斤级至吨级的卫星平台产品体系,以及国内首个C频段商用卫星控制中心的建设,实现从星座设计、整星及供应链产品研制、卫星应用的全产业链布局。

虽然时空道宇目前尚未发布SAR卫星星座计划,但其已经在为SAR卫星产业进行布局。时空道宇的高级副总裁刘勇,在中科院任职期间,曾担任齐鲁一号SAR卫星的总设计师,深入参与该卫星的研制过程。

航天产业链的研发资金需求巨大,而时空道宇在航天领域的产业链布局也非常庞大,需要母公司吉利科技持续的资金投入决心。据悉,吉利科技当前有进入手机市场的计划,加上飞行汽车、无人机等资金需求巨大的领域,吉利科技的研发资金需求将非常高。

9.10 九天微星

成立于2015年的九天微星,是国内的微小卫星全产业链服务商,为政企客户提供商业卫星定制、星座核心服务、行业终端应用和航天科教系统。

九天微星迄今已发射共计9颗卫星,全部成功在轨交付,于2018年实现民营百公斤级卫星的设计研制和在轨验证。2021年,九天微星卫星工厂完成一期工程建设,进入车间产线设备全面调试阶段。工厂投产后,将具备年产100颗卫星的能力。目前,九天微星有多颗商业卫星在研,卫星载荷的批量化产线也已启动方案设计。

九天微星创始人兼董事长谢涛告诉36氪,商用SAR卫星是一个新兴的需求。九天微星的布局是把“一纵一横”两大产业做实。“一纵”是面向卫星互联网的端到端产品与服务。“一横”即是SAR卫星的平台、数据应用和行业应用,为SAR卫星星座运营商提供整星研制和在轨交付,通过“通导遥一体化”的定制解决方案,将卫星技术运用普及到应急救援、环境监测、智慧交通、智慧城市,智慧能源等各个领域。一纵一横的交叉点是相控阵天线。互联网卫星和终端需要相控阵天线。SAR卫星载荷里面,60-70%也是相控阵设备。过去雷达卫星的成本比较高,但随着现在卫星互联网的带动,相控阵成本在降低,技术越来越成熟,SAR的商用就变得越来越可行了。

十、SAR卫星行业未来发展趋势

小型商业SAR未来,在未来5-10年都将保持增长的态势,也会有更多的创业团队投入该领域。

然而,随着时间的推移,留给初创团队的时间窗口也越来越短。无法在三年时间内实现在轨验证的初创企业,将迅速被行业所淘汰,既无法寻找到合作订单,也没有办法寻求新一轮融资。商业航天行业的风险很高,风险资本将呈现出极端的马太效应,已经实现在轨技术验证,并且一步步实现组网的企业,将获得大量的资金支持。而无法在技术上实现突破的企业,将被行业抛弃。

千域空天的创始人蓝天翼认为,中国商业SAR卫星企业的优势和劣势都是起步晚。从优势来说,在商业模式、研制方法上有丰富的可参考的经验。对于不敢出手这个领域的投资机构,也会在看到欧美相关企业的发展后,会开始了解这个领域并在国内寻找相应标的。从劣势来说,未来航天的市场都是全球的,欧美公司先一步开始在全球领域去售卖数据、提供服务,会对后进入这一领域的中国公司造成比较明显的市场进入阻碍。

在发展方向上,全行业未来将呈现巨大趋势:

一、小型化,轻量化:对于研发成本较高的SAR卫星而言,大型和中型卫星的研发和投入成本将拖垮一家初创公司。因此,留给初创公司的机会只有200kg以下的小卫星。在重量更轻的条件下获取分辨率更高的影像,将成为决定行业发展的关键。对标于ICEYE以不到100kg的小卫星实现0.25m的分辨率,中国的初创企业还有许多需要追赶的地方。

二、组网化:组网能力是考验商业小卫星企业发展的关键点。由于小卫星受到重量的制约,其姿轨控系统的稳定性和使用寿命,一直是业内的质疑点。SpaceX的星链卫星曾遭受到行业的广泛质疑,就是因为部分卫星在轨运行不到一年就开始偏离,业界担心starlink项目的收益无法填补其每年补网所需要的资金缺口,成为一个资金的无底洞。相比之下,许多大卫星虽然造价昂贵,但由于稳定性较高,都可以在预期寿命以上超期服役,降低补网的成本。组网能力还与火箭的运载成本以及卫星的重量和制造成本息息相关。如果商业发射的成本能进一步下探,商业小卫星的重量能将到100kg内,那么小卫星组网获取影像的收入将逐渐超过其运营成本。

三、获利于国际局势振荡:小型商业SAR卫星行业不能单靠政府的补贴和风险投资来运营,必须有更大的应用市场,诸如国防安全,金融保险,应急管理等领域。其中,国防安全又占据SAR影像应用的大比例。因此,国际局势的稳定性对于SAR卫星影像市场有较大影响。如国际局势在未来二十年内保持持续振荡的状态,SAR影像市场将进一步扩大。

四、降低门槛,减少流程:当前商业SAR卫星影像行业的上下游链路较长,从卫星的制造到影像获取,从数据的分发到影像处理,从终端的产品到行业应用,每一环都决定了行业的发展态势。当前,由于数据较为缺乏,国产的上下游企业联系有待进一步深化。以SAR卫星影像处理为例,SAR卫星影像处理流程非常复杂,需要专用的软件,开源的SNAP和付费的ENVI是当前主要的处理软件。如后续国产SAR卫星需要进一步扩大应用,针对于处理软件和平台的产学研结合必须深化发展,降低影像的处理门槛。

五、上下游扩张:近年来出现下游数据应用向上游卫星制造扩张的公司,说明下游感受到了上游数据源不足的压力。同时,上游卫星制造公司也在向下游扩张,这都是行业发展过程中不可避免的“内卷”。这种现象源自市场的驱动、自身的发展和竞争的加剧,客观也反映了大家对未来整体市场蛋糕的看好,毕竟投入不小,如果不是对未来有很坚定的信心,这样的投入也是有很大风险的。

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