给月球装上三维透视眼：构建月基SAR对地观测系统方案

在距离地球约38万公里的地方，月球这颗地球唯一的天然卫星正被赋予新的使命。我国科研人员计划在月球建造一个面向地球的“透视眼”，实现全天时、全天候、多尺度的三维地球观测。

基于月球的对地观测

随着科技的不断进步，月球不再只是一个被仰望的对象。在浩瀚宇宙中，月球是距离地球最近、运行最稳定的天然卫星，也是尚未被充分利用的深空平台。月球具备地质结构稳定、轨道长期稳定、视野开阔等特点，与地球轨道卫星相比，能提供更好的长期一致性和全球覆盖能力，实现数千公里幅宽的中等分辨率成像，并支持多尺度、连续性的地球变化观测。月面空间充足，便于部署多种传感器开展联合观测；平台构型固定，有利于构建稳定、长距离的干涉基线，提升三维测量精度。月球对地球具有明显的周期性引力作用，与固体潮等宏观地球过程高度耦合，使月基传感器在相关观测中具备独特的优势。在众多观测载荷中，月基合成孔径雷达（SAR）因穿云透雾、不受日夜限制、能获取高精度三维信息等特点，成为对地观测中最具潜力的技术手段之一。月基SAR不仅能在单日实现几何条件较为一致的全球大部覆盖，还能探测到细微的沿南北向梯度变化，可实现“日内-每日-年际”多尺度时间动态完整重建，是现有低轨和高轨SAR系统难以等效替代的关键补充（见图1）。

月基SAR系统方案

2022年12月，由中国科学院空天信息创新研究院牵头，北京航空航天大学和北京无线电测量研究所共同承担的国家重点研发计划青年科学家项目“月基SAR对地全球尺度透视观测方案研究”正式立项。项目聚焦固体潮、极地海冰冻融变化、三极冰盖/冰川崩解、大陆尺度植被含水量动态4类典型宏观地球科学现象，开展了系统设计与技术论证（见图2）。2025年4月，项目取得阶段性成果，提出的“月基多波段SAR三维观测系统方案”通过专家评审。

固体潮是由月球引力主导、周期为半日的全球性微形变，对观测的一致性与时效性要求极高。传统低轨SAR受轨道限制导致观测不连续，高轨SAR则存在观测方位角变化大等问题，均难以胜任。而月基SAR具备周期与潮汐同步、覆盖广、视角稳定等先天优势。大陆尺度植被含水量具有“日内-每日-年际”多尺度时间动态，而低轨SAR只能观测一天中的个别固定时刻，高轨SAR在不同区域观测地方时不同，在重访中还面临同地不同时刻观测几何参数差异大的问题。月基SAR每日重访时间推迟约0.8小时，观测几何接近，在一个周期内（约27天）可对完整的24小时变化进行重建，在植被水分动态研究中具有独特的优势。冻融季南北极海冰变化监测需要传感器高频覆盖极区海域并具备绕极成像的连续性和一致性，而低轨和高轨SAR都不具备这一能力。三极冰盖/冰川崩解观测需要在短时间内实现大范围垂直向结构层析观测。月基SAR具有长达数小时至半日的连续可见性，在可见时间内能多次成像并能形成高度向合成孔径、实现单次过境的高度向信息提取，这是月基SAR相比星载SAR能力显著提升的一个方向（见图3）。

针对这些观测目标，项目团队构建了一套涵盖月球酒海和南极2个观测站，L、C、Ku3个波段，具备常规超宽幅全球观测、双站干涉、层析观测及高分辨率观测4种观测模式的系统方案，可实现大幅宽中等分辨率观测、高精度三维信息提取等多项能力。系统在常规模式下单站成像幅宽达4000公里，双站联合幅宽可超过7000公里；方位和距离分辨率分别优于86米和80米，在高分辨率模式下可进一步提升至优于4.1米和4.6米。在三维观测方面，系统支持重轨干涉、交轨干涉和层析成像，干涉测高理论精度优于0.5米，层析瑞利分辨率优于1.2米，可在两个观测周期内完成80%以上陆地区域的固体潮信息提取。为满足宽幅成像需求，项目团队提出了基于修正等效斜视距离模型的高阶“ChirpScaling”成像算法，具备良好的保相性能。此外，团队通过两组地对月反向观测实验和两组地面散射测量及成像实验，验证了系统关键性能指标，并围绕天线设计、供能保障等方面初步分析了工程实现路径与可行性。

未来展望

尽管月基SAR系统展示出显著的观测优势，但其真正实现仍面临超大天线的远距离运输与部署、系统长期稳定供能、月面环境中极端温差、强辐射与月尘条件下的设备维护等诸多挑战。此外，在数据处理中还面临地球大气的时空变化对干涉处理精度的干扰、分钟级合成孔径时间内的不稳定散射给成像聚焦和信息提取带来挑战等难题。目前，大多数关键问题尚停留在理论分析或仿真验证阶段，缺乏真实月球环境下的实测数据支持。为推动月基SAR的工程实现，可采用“低配先行、逐步验证”的发展路径，即首先研发一个低配版系统模块，优先部署至月球表面，用于实地验证系统的成像性能、数据下传稳定性、供能与结构适应性等核心指标；在获得真实在轨观测数据基础上，进一步优化完备版系统方案，并通过地面和机载试验进行技术闭环验证，最终实现在月球平台上的完整系统部署。

随着月基SAR系统的建立，我们将能够以前所未有的空间和时间尺度，持续、稳定地观测地球的多圈层动态，为全球气候变化、灾害预警、生态系统稳态转变等重大科学问题的研究提供新的视角。

致谢：感谢国家重点研发计划青年科学家项目“月基SAR对地全球尺度透视观测方案研究”（2022YFB3902100）的支持。

本文刊登于IEEESpectrum中文版《科技纵览》2025年8月刊。

专家简介

吴文瑾：中国科学院空天信息创新研究院副研究员。门志荣：北京航空航天大学副教授。

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本文转载自“悦智网”，原标题《给月球装上三维透视眼：构建月基SAR对地观测系统方案》。

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