在距離地球約38萬公里的地方，月球這顆地球唯一的天然衛(wèi)星正被賦予新的使命。我國科研人員計(jì)劃在月球建造一個(gè)面向地球的“透視眼”，實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候、多尺度的三維地球觀測。

基于月球的對(duì)地觀測

隨著科技的不斷進(jìn)步，月球不再只是一個(gè)被仰望的對(duì)象。在浩瀚宇宙中，月球是距離地球最近、運(yùn)行最穩(wěn)定的天然衛(wèi)星，也是尚未被充分利用的深空平臺(tái)。月球具備地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、軌道長期穩(wěn)定、視野開闊等特點(diǎn)，與地球軌道衛(wèi)星相比，能提供更好的長期一致性和全球覆蓋能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)千公里幅寬的中等分辨率成像，并支持多尺度、連續(xù)性的地球變化觀測。月面空間充足，便于部署多種傳感器開展聯(lián)合觀測；平臺(tái)構(gòu)型固定，有利于構(gòu)建穩(wěn)定、長距離的干涉基線，提升三維測量精度。月球?qū)Φ厍蚓哂忻黠@的周期性引力作用，與固體潮等宏觀地球過程高度耦合，使月基傳感器在相關(guān)觀測中具備獨(dú)特的優(yōu)勢。在眾多觀測載荷中，月基合成孔徑雷達(dá)（SAR）因穿云透霧、不受日夜限制、能獲取高精度三維信息等特點(diǎn)，成為對(duì)地觀測中最具潛力的技術(shù)手段之一。月基SAR不僅能在單日實(shí)現(xiàn)幾何條件較為一致的全球大部覆蓋，還能探測到細(xì)微的沿南北向梯度變化，可實(shí)現(xiàn)“日內(nèi)-每日-年際”多尺度時(shí)間動(dòng)態(tài)完整重建，是現(xiàn)有低軌和高軌SAR系統(tǒng)難以等效替代的關(guān)鍵補(bǔ)充（見圖1）。

月基SAR系統(tǒng)方案

2022年12月，由中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院牽頭，北京航空航天大學(xué)和北京無線電測量研究所共同承擔(dān)的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目“月基SAR對(duì)地全球尺度透視觀測方案研究”正式立項(xiàng)。項(xiàng)目聚焦固體潮、極地海冰凍融變化、三極冰蓋/冰川崩解、大陸尺度植被含水量動(dòng)態(tài)4類典型宏觀地球科學(xué)現(xiàn)象，開展了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與技術(shù)論證（見圖2）。2025年4月，項(xiàng)目取得階段性成果，提出的“月基多波段SAR三維觀測系統(tǒng)方案”通過專家評(píng)審。

固體潮是由月球引力主導(dǎo)、周期為半日的全球性微形變，對(duì)觀測的一致性與時(shí)效性要求極高。傳統(tǒng)低軌SAR受軌道限制導(dǎo)致觀測不連續(xù)，高軌SAR則存在觀測方位角變化大等問題，均難以勝任。而月基SAR具備周期與潮汐同步、覆蓋廣、視角穩(wěn)定等先天優(yōu)勢。大陸尺度植被含水量具有“日內(nèi)-每日-年際”多尺度時(shí)間動(dòng)態(tài)，而低軌SAR只能觀測一天中的個(gè)別固定時(shí)刻，高軌SAR在不同區(qū)域觀測地方時(shí)不同，在重訪中還面臨同地不同時(shí)刻觀測幾何參數(shù)差異大的問題。月基SAR每日重訪時(shí)間推遲約0.8小時(shí)，觀測幾何接近，在一個(gè)周期內(nèi)（約27天）可對(duì)完整的24小時(shí)變化進(jìn)行重建，在植被水分動(dòng)態(tài)研究中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。凍融季南北極海冰變化監(jiān)測需要傳感器高頻覆蓋極區(qū)海域并具備繞極成像的連續(xù)性和一致性，而低軌和高軌SAR都不具備這一能力。三極冰蓋/冰川崩解觀測需要在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大范圍垂直向結(jié)構(gòu)層析觀測。月基SAR具有長達(dá)數(shù)小時(shí)至半日的連續(xù)可見性，在可見時(shí)間內(nèi)能多次成像并能形成高度向合成孔徑、實(shí)現(xiàn)單次過境的高度向信息提取，這是月基SAR相比星載SAR能力顯著提升的一個(gè)方向（見圖3）。

針對(duì)這些觀測目標(biāo)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一套涵蓋月球酒海和南極2個(gè)觀測站，L、C、Ku3個(gè)波段，具備常規(guī)超寬幅全球觀測、雙站干涉、層析觀測及高分辨率觀測4種觀測模式的系統(tǒng)方案，可實(shí)現(xiàn)大幅寬中等分辨率觀測、高精度三維信息提取等多項(xiàng)能力。系統(tǒng)在常規(guī)模式下單站成像幅寬達(dá)4000公里，雙站聯(lián)合幅寬可超過7000公里；方位和距離分辨率分別優(yōu)于86米和80米，在高分辨率模式下可進(jìn)一步提升至優(yōu)于4.1米和4.6米。在三維觀測方面，系統(tǒng)支持重軌干涉、交軌干涉和層析成像，干涉測高理論精度優(yōu)于0.5米，層析瑞利分辨率優(yōu)于1.2米，可在兩個(gè)觀測周期內(nèi)完成80%以上陸地區(qū)域的固體潮信息提取。為滿足寬幅成像需求，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出了基于修正等效斜視距離模型的高階“ChirpScaling”成像算法，具備良好的保相性能。此外，團(tuán)隊(duì)通過兩組地對(duì)月反向觀測實(shí)驗(yàn)和兩組地面散射測量及成像實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)，并圍繞天線設(shè)計(jì)、供能保障等方面初步分析了工程實(shí)現(xiàn)路徑與可行性。

未來展望

盡管月基SAR系統(tǒng)展示出顯著的觀測優(yōu)勢，但其真正實(shí)現(xiàn)仍面臨超大天線的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸與部署、系統(tǒng)長期穩(wěn)定供能、月面環(huán)境中極端溫差、強(qiáng)輻射與月塵條件下的設(shè)備維護(hù)等諸多挑戰(zhàn)。此外，在數(shù)據(jù)處理中還面臨地球大氣的時(shí)空變化對(duì)干涉處理精度的干擾、分鐘級(jí)合成孔徑時(shí)間內(nèi)的不穩(wěn)定散射給成像聚焦和信息提取帶來挑戰(zhàn)等難題。目前，大多數(shù)關(guān)鍵問題尚停留在理論分析或仿真驗(yàn)證階段，缺乏真實(shí)月球環(huán)境下的實(shí)測數(shù)據(jù)支持。為推動(dòng)月基SAR的工程實(shí)現(xiàn)，可采用“低配先行、逐步驗(yàn)證”的發(fā)展路徑，即首先研發(fā)一個(gè)低配版系統(tǒng)模塊，優(yōu)先部署至月球表面，用于實(shí)地驗(yàn)證系統(tǒng)的成像性能、數(shù)據(jù)下傳穩(wěn)定性、供能與結(jié)構(gòu)適應(yīng)性等核心指標(biāo)；在獲得真實(shí)在軌觀測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化完備版系統(tǒng)方案，并通過地面和機(jī)載試驗(yàn)進(jìn)行技術(shù)閉環(huán)驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)在月球平臺(tái)上的完整系統(tǒng)部署。

隨著月基SAR系統(tǒng)的建立，我們將能夠以前所未有的空間和時(shí)間尺度，持續(xù)、穩(wěn)定地觀測地球的多圈層動(dòng)態(tài)，為全球氣候變化、災(zāi)害預(yù)警、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變等重大科學(xué)問題的研究提供新的視角。

致謝：感謝國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目“月基SAR對(duì)地全球尺度透視觀測方案研究”（2022YFB3902100）的支持。

本文刊登于IEEESpectrum中文版《科技縱覽》2025年8月刊。

專家簡介

吳文瑾：中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院副研究員。門志榮：北京航空航天大學(xué)副教授。

>End

本文轉(zhuǎn)載自“悅智網(wǎng)”，原標(biāo)題《給月球裝上三維透視眼：構(gòu)建月基SAR對(duì)地觀測系統(tǒng)方案》。

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