環(huán)境一號C衛(wèi)星系統(tǒng)總體設(shè)計及其在軌驗證

張潤寧 姜秀鵬

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司 北京 100094)

1 引言

環(huán)境一號C(HJ-1-C)衛(wèi)星是“環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星星座”[1,2]中的1顆合成孔徑雷達(SAR)小衛(wèi)星，其具有全天時、全天候的工作能力，與星座中的光學(xué)衛(wèi)星HJ-1-A/B互補，可以對環(huán)境生態(tài)、環(huán)境污染和多種災(zāi)害實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測[3]，是我國民用航天體系建設(shè)的重要組成部分。

衛(wèi)星采用CAST2000平臺進行研制，整星重約830 kg，采用降交點地方時為6:00 AM太陽同步圓軌道，軌道高度約500 km，設(shè)計壽命3年。有效載荷為S波段SAR，其采用了6.0 m×2.8 m的可折疊式網(wǎng)狀拋物面天線，SAR原始數(shù)據(jù)通過 X波段下行鏈路傳輸，碼速率為2×160 Mbps。衛(wèi)星在軌飛行狀態(tài)如圖1所示。

衛(wèi)星的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖1 HJ-1-C衛(wèi)星在軌圖Fig.1 HJ-1-C satellite in orbit

作為我國自主研制的首顆民用合成孔徑雷達衛(wèi)星，HJ-1-C衛(wèi)星突破了以國產(chǎn)化S波段集中式固態(tài)發(fā)射機及輕型網(wǎng)狀拋物面天線為代表的多項關(guān)鍵技術(shù)，開創(chuàng)了我國合成孔徑雷達衛(wèi)星新的技術(shù)領(lǐng)域和方向。衛(wèi)星在軌成功獲得了具有獨特性能優(yōu)勢的 S波段 SAR圖像數(shù)據(jù)，填補了國內(nèi)乃至國際上沒有在軌S波段SAR數(shù)據(jù)的空白[4,5]，豐富了我國星載SAR數(shù)據(jù)庫。

本文從衛(wèi)星系統(tǒng)頂層設(shè)計角度，研究總結(jié)了衛(wèi)星頂層指標(biāo)體系、SAR載荷體制的選擇以及SAR與衛(wèi)星平臺接口關(guān)系的建立過程和匹配關(guān)系，并對衛(wèi)星在軌驗證情況進行了總結(jié)。

表1 HJ-1-C衛(wèi)星總體主要性能指標(biāo)Tab.1 Main technical index of HJ-1-C

2 衛(wèi)星任務(wù)頂層設(shè)計

2.1 有效載荷配置及軌道的選擇

衛(wèi)星總體任務(wù)設(shè)計時，必須開展用戶需求的分析工作，從而將用戶的應(yīng)用需求轉(zhuǎn)換為工程語言描述的系統(tǒng)功能要求和指標(biāo)體系。在型號工程立項綜合論證過程中，用戶提出了在環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星星座中，要有全天候、全天時的微波觀測手段，并且要求有相對較高的分辨率和寬覆蓋，在觀測時相方面，要盡量與光學(xué)衛(wèi)星配合實現(xiàn)均勻分布。為此，在系統(tǒng)總體頂層設(shè)計時，首先明確了HJ-1-C衛(wèi)星配置成像型的合成孔徑雷達有效載荷，同時由于 HJ-1-A/B兩顆光學(xué)衛(wèi)星必須采用近正午的軌道，因此HJ-1-C衛(wèi)星采用了太陽同步的晨昏軌道。通過整個星座頂層任務(wù)的規(guī)劃與設(shè)計，HJ-1-C衛(wèi)星與HJ-1-A/B衛(wèi)星配合，基本具備了全波段、全天候、全天時的觀測能力，大大縮短了整個星座的重訪和覆蓋周期，并使得整個星座對地面的觀測時機均勻化。

為了在觀測時相方面與 HJ-1-A/B配合，HJ-1-C衛(wèi)星的軌道選擇了500 km高度的太陽同步晨昏軌道，同時由于該軌道光照條件和外熱流相對穩(wěn)定，簡化了衛(wèi)星總體設(shè)計，有利于衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計以及SAR大功率熱耗散熱面的選擇。

2.2 應(yīng)急和覆蓋能力分析

SAR衛(wèi)星應(yīng)用于應(yīng)急觀測時，其對特定地區(qū)的重訪能力是一個非常重要的參數(shù)，通過遙感器在衛(wèi)星軌道上可視成像帶的覆蓋特性來評估系統(tǒng)的重訪能力，為此，需將衛(wèi)星的軌道特性、SAR天線側(cè)擺能力及其可視幅寬綜合優(yōu)化設(shè)計，以給出衛(wèi)星對特定地區(qū)重訪周期的設(shè)計參數(shù)。按照 SAR天線轉(zhuǎn)角范圍為28.0°～44.5°以及掃描模式下100 km的成像帶條件，并考慮地球曲率，在赤道緯度圈上，SAR可能的觀測視場在星下點右側(cè)約 206.8～620.0 km范圍。對我國國土可視覆蓋示意圖如圖2所示。在此種軌跡規(guī)律下，1天的國土覆蓋率約為37.2%,2天的國土覆蓋率約為78.2%,3天的國土覆蓋率約為92.0%,4天的國土覆蓋率為97.4%，基本能夠滿足4天內(nèi)對國土及周邊地區(qū)實現(xiàn)重訪的要求。

如果要對國土進行一次全面普查，此時需考察衛(wèi)星及SAR天線的瞬時幅寬的覆蓋能力，按照SAR天線瞬時幅寬100 km以及每軌成像時間12 min的條件，可以仿真計算出 HJ-1-C衛(wèi)星對國土的覆蓋能力如圖3所示。1天的國土覆蓋率約為9.84%；15天國土覆蓋率約為87.01%；在30天，國土覆蓋率達到100%。

圖2 衛(wèi)星1天和4天之內(nèi)的重訪能力Fig.2 Revisit capacity in one day and 4 days

圖3 1天和15天之內(nèi)的國土覆蓋Fig.3 Coverage in one day and 15 days

3 衛(wèi)星SAR有效載荷體制選擇

在確定選擇合成孔徑雷達為衛(wèi)星的主要載荷后，需對其頻段、分辨率、信噪比等主要技術(shù)指標(biāo)以及實現(xiàn)體制進行分析論證，以實現(xiàn)應(yīng)用與工程實現(xiàn)的最佳結(jié)合。

3.1 SAR波段的選擇

選擇 SAR衛(wèi)星工作波段首先考慮的因素是用戶的要求，其次是 SAR系統(tǒng)的重量、功耗、體積以及元器件的水平和組成SAR系統(tǒng)的可實現(xiàn)性。S波段處于SAR常用波段的中間段，其穿透性適中，是技術(shù)實現(xiàn)和應(yīng)用需求綜合優(yōu)勢比較明顯的一個頻段，具有綜合性和兼容性的特點，其目標(biāo)檢測能力比較強，在陸地使用的管理以及環(huán)境與自然災(zāi)害的監(jiān)測等方面可以發(fā)揮非常重要的作用。同時在同等約束條件下，SAR天線的尺寸、信號源和微波大功率產(chǎn)生、饋電鏈路實現(xiàn)難易程度、無線電波的傳播以及地面處理的各種校正因子對S波段的要求比較適中，因此 HJ-1-C衛(wèi)星在充分兼顧應(yīng)用需求與工程實現(xiàn)兩方面綜合因素的前提下，確定了 SAR載荷選用S波段。

3.2 SAR體制的選擇

一般來講，SAR系統(tǒng)可以采用分布式相控陣體制或集中式拋物面體制，其體制的選擇決定了衛(wèi)星的構(gòu)型、力學(xué)特性、控制模式以及供配電的體制，甚至影響到 SAR可以實現(xiàn)的成像模式以及分辨率和測繪帶寬等重要參數(shù)和性能。在選擇體制時要綜合考慮各種因素，包括 SAR的工作模式、微波大功率的產(chǎn)生方式，以及衛(wèi)星平臺的安裝空間等體積、重量、功耗約束。

集中式 SAR體制可以采用大功率合成以及可折疊網(wǎng)狀拋物面天線相結(jié)合的方案，采用該體制以后，可以在很小的空間內(nèi)安裝SAR天線和發(fā)射機，大大減輕對衛(wèi)星平臺體積、重量和功耗的要求，適合小衛(wèi)星平臺，為衛(wèi)星批量研制、組網(wǎng)運行奠定了良好的基礎(chǔ)。同時通過天線饋源的合理設(shè)計，也可以實現(xiàn)靈活的工作模式，并能有效控制天線旁瓣性能、便于抑制圖像模糊。為此，環(huán)境一號C衛(wèi)星優(yōu)先選擇了集中式SAR載荷體制。

4 衛(wèi)星平臺與SAR載荷匹配性研究

當(dāng)確定衛(wèi)星載荷的體制和基本配置后，在衛(wèi)星總體設(shè)計中需重點圍繞有效載荷的需求開展衛(wèi)星平臺適應(yīng)能力的分析以及載荷與平臺之間的匹配性研究，并經(jīng)過多次迭代以確定最終的衛(wèi)星總體方案[6]。本節(jié)重點對衛(wèi)星平臺中與SAR有直接接口關(guān)系的數(shù)傳、姿態(tài)、供配電以及熱控適應(yīng)能力進行分析研究。

4.1 SAR載荷與衛(wèi)星數(shù)傳的信息接口關(guān)系

SAR原始數(shù)據(jù)率按式(1)計算。

式中PRT為脈沖重復(fù)周期，Tw為采樣窗口，B為雷達信號帶寬，b為A/D轉(zhuǎn)換的量化位數(shù)，Ks為過采樣系數(shù)，一般取1.1～1.2。HJ-1-C衛(wèi)星為了實現(xiàn)5 m分辨率，40 km的幅寬，B至少應(yīng)大于60 MHz，當(dāng)按b=8 bit采樣時，SAR實時輸出數(shù)據(jù)碼速率大于800 Mbps，為此需考慮原始數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，HJ-1-C衛(wèi)星SAR分系統(tǒng)采用8:3 BAQ(塊自適應(yīng)量化)技術(shù)后，經(jīng)仿真驗證，圖像質(zhì)量仍然可以得到理想的結(jié)果。SAR壓縮后的原始數(shù)據(jù)與成像輔助數(shù)據(jù)經(jīng)格式編排后，分成兩路分別送入數(shù)傳分系統(tǒng)的兩個AOS編碼器，經(jīng)過傳輸信道的再次格式編排后，進入兩個X頻段直接調(diào)制的數(shù)傳通道，其中每個通道各負(fù)責(zé)一半成像帶幅寬的SAR原始數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了兩個通道的相互隔離，提高了系統(tǒng)的總體可靠度和故障隔離能力。總的2×160 Mbps的下行碼速率、SAR與數(shù)傳接口協(xié)議中約定可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的選通門長度和時序確保了SAR波位參數(shù)變化時，信道的裕度和數(shù)據(jù)格式的兼容性及適應(yīng)性滿足星地鏈路的要求。

4.2 SAR成像與衛(wèi)星平臺控制指標(biāo)的關(guān)系

衛(wèi)星的姿態(tài)誤差包括偏航、俯仰和滾動方面的誤差，分別用εy,εp,εr表示。由于確定SAR圖像目標(biāo)位置只要解3個方程，第1個是距離方程，第2個是多普勒方程，第3個是地球模型方程[7]，這些方程的解不需要衛(wèi)星的姿態(tài)信息，因此，衛(wèi)星姿態(tài)誤差對圖像定位誤差沒有直接影響。但衛(wèi)星姿態(tài)指向誤差會引起多普勒中心頻率的偏移，當(dāng)同時存在偏航角和俯仰角誤差時，多普勒回波頻譜偏移量為[8]：

對于 HJ-1-C 衛(wèi)星，v=7.6 km/s,λ=0.1 m,εp=εy=0.1°,θ=45°，多普勒頻譜偏移為 452 Hz，方位向多普勒帶寬約為 2v/L=2×7600/6=2533 Hz，因此，姿態(tài)誤差引起的多普勒偏移約占信號帶寬的18%，不會出現(xiàn)多普勒中心的模糊，因此，HJ-1-C衛(wèi)星0.1°的姿態(tài)指向誤差可以滿足地面處理的要求。但是當(dāng)考慮地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)后，SAR天線的正側(cè)視不再能保證波束中心對應(yīng)零多普勒中心，將會導(dǎo)致地面處理的復(fù)雜化，為此，衛(wèi)星總體按照星地一體綜合優(yōu)化的原則，在控制系統(tǒng)中采取了偏航牽引策略，以保證波束中心指向與零多普勒中心一致[9,10]，偏航角的具體計算公式如下[11－14]：

其中，i為軌道傾角，ωs為衛(wèi)星軌道速度，ωe為地球自轉(zhuǎn)速度，u為衛(wèi)星軌道緯度幅角，α為衛(wèi)星姿態(tài)偏航角。HJ-1-C衛(wèi)星偏航牽引規(guī)律如圖4所示。

此外，控制系統(tǒng)為了適應(yīng) SAR天線導(dǎo)致的整星力學(xué)頻率低、轉(zhuǎn)動慣量大以及質(zhì)心多變等特點，衛(wèi)星控制系統(tǒng)通過星上定時讀取 SAR天線的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，并針對不同的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)采用不同的控制參數(shù)，確保了 SAR天線在展開過程中以及處于不同轉(zhuǎn)角時姿態(tài)均能夠控得住、控得穩(wěn)。

4.3 SAR載荷與衛(wèi)星供配電系統(tǒng)的接口關(guān)系

衛(wèi)星供配電系統(tǒng)采用高低壓雙獨立母線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以適應(yīng) SAR載荷不同設(shè)備的需求，其中高壓母線為34.0 V，為SAR固態(tài)發(fā)射機和部分控溫回路供電；低壓母線為28.5 V，為其它中央電子設(shè)備供電。兩條母線完全獨立，配備各自的太陽電池陣、蓄電池組和功率調(diào)節(jié)設(shè)備，最終在配電器共地。此設(shè)計滿足了 SAR分系統(tǒng)對電源供電的穩(wěn)定性和母線品質(zhì)要求，且避免了固態(tài)發(fā)射機工作時對28.5 V母線產(chǎn)生的干擾。同時，整星供配電系統(tǒng)專為SAR有效載荷設(shè)計了預(yù)充電電路，消除了大功率有效載荷加電時所產(chǎn)生的浪涌電流，保證了電源分系統(tǒng)電源母線輸出電壓的穩(wěn)定。

4.4 衛(wèi)星熱控系統(tǒng)對SAR大功率、高熱流密度設(shè)備的溫度控制

SAR固態(tài)發(fā)射機是載荷中的關(guān)鍵設(shè)備[15]，其工作溫度要求為-10℃～+40℃，8個組件之間的溫差最大不超過 8℃，每圈工作不超過15 min，每天最多連續(xù)工作8圈，其余時間不工作。固態(tài)發(fā)射機的熱耗為820 W，熱流密度最大值為34000 W/m2，是目前國內(nèi)在軌運行的熱流密度最大的設(shè)備，而且在軌道周期中的熱耗波動范圍非常大。為此，固態(tài)發(fā)射機直接安裝在散熱面最好的＋Y面的上側(cè)壁熱控冷板上，其由實心鋁板和蜂窩板構(gòu)成，并預(yù)埋了8根熱管，同時，為了維持儀器溫度，對＋Y上側(cè)壁板進行了溫度補償。

圖4 HJ-1-C衛(wèi)星偏航牽引規(guī)律曲線Fig.4 Yaw steering laws of HJ-1-C

5 衛(wèi)星在軌測試驗證

HJ-1-C衛(wèi)星于2012年11月19日成功發(fā)射后，順利完成了 SAR天線的展開和平臺的工程測試，并于2012年12月9日實現(xiàn)載荷開機成像，形成了信噪比高、模糊度小、圖像清晰、層次分明、信息豐富的S波段合成孔徑雷達圖像數(shù)據(jù)，驗證了基于集中式發(fā)射以及輕型網(wǎng)狀拋物面天線的衛(wèi)星總體方案和參數(shù)設(shè)計的合理性和優(yōu)越性，也驗證了星地一體化鏈路的匹配性和兼容性。

5.1 SAR成像性能在軌測試驗證情況

SAR成像指標(biāo)在軌測試驗證情況如表2所示。

圖5為在軌測試期間衛(wèi)星對武漢地區(qū)的條帶模式成像結(jié)果，圖6所示為衛(wèi)星對岳陽地區(qū)的掃描模式成像結(jié)果。

5.2 姿態(tài)控制能力在軌測試驗證情況

在衛(wèi)星經(jīng)歷的 SAR天線解鎖、轉(zhuǎn)動、展開和側(cè)擺等各個環(huán)節(jié)中，衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定，證明了衛(wèi)星姿態(tài)控制的良好性能。圖7為SAR天線展開過程中的控制系統(tǒng)性能曲線。

表2 HJ-1-C衛(wèi)星SAR成像指標(biāo)在軌測試驗證情況Tab.2 Verification of SAR performance of HJ-1-C satellite in-orbit

圖8為衛(wèi)星姿態(tài)采用偏航牽引后，偏航角變化規(guī)律的在軌實際測試結(jié)果，其變化規(guī)律與 SAR載荷成像要求的規(guī)律一致。

5.3 供電系統(tǒng)適應(yīng)SAR載荷能力的在軌測試驗證情況

圖9，圖10為SAR載荷在2.5 min典型成像模式工作期間，衛(wèi)星供配電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測情況，從中可以看出，載荷工作期間，兩條母線狀態(tài)平穩(wěn)，相互間隔離狀態(tài)良好。

圖5 衛(wèi)星對武漢地區(qū)的條帶模式成像結(jié)果(1,2,3分別為武漢天河機場、碼頭及輪船、長江大橋及火車)Fig.5 Image of Wuhan district acquired in strip mode by HJ-1-C satellite (Wuhan Tianhe airport,harbor,ships,bridage and train are showed as Figs.1,2 and 3 in the image)

圖6 掃描模式獲得的岳陽地區(qū)的圖像Fig.6 Image of Yueyang district acquired in ScanSAR mode by HJ-1-C

5.4 對SAR大功率固態(tài)發(fā)射機熱控保證措施的在軌驗證情況

圖11為SAR固態(tài)發(fā)射機在軌工作7 min期間，8個發(fā)射機模塊溫升及相互差異情況曲線。從中可以看出，溫升速率不超過 1℃/min，8個模塊間的溫度差不超過2℃，滿足了固態(tài)發(fā)射機的設(shè)計要求，保證了SAR射頻信號性能的穩(wěn)定。

圖7 SAR天線在軌展開過程中姿態(tài)穩(wěn)定情況Fig.7 Attitude variation during the SAR antenna’s deployment in orbit

圖8 姿態(tài)偏航牽引后偏航角在軌實際變化曲線Fig.8 The variation of yaw attitude after introducing yaw steering in orbit

圖9 載荷工作模式為3波束掃描時28.5 V實時遙測變化Fig.9 The voltage variation of 28.5 V power bus during 3-beam ScanSAR mode in orbit

圖10 載荷工作模式為3波束掃描時34.0 V實時遙測變化Fig.10 The voltage variation of 34.0 V power bus during 3-beam ScanSAR mode in orbit

6 結(jié)束語

HJ-1-C衛(wèi)星的成功發(fā)射和運行，完成了我國環(huán)境減災(zāi)“2+1”星座的建設(shè)任務(wù)，支撐了后續(xù)任務(wù)的規(guī)劃。

衛(wèi)星在軌成功獲取了信噪比高、模糊度小、動態(tài)范圍大、層次分明、信息豐富的S波段合成孔徑雷達圖像數(shù)據(jù)，證明了S波段SAR成像是有效的，也證明了采用集中式發(fā)射以及輕型網(wǎng)狀拋物面天線的衛(wèi)星總體方案的可行性、合理性以及系統(tǒng)參數(shù)和接口的匹配性。

圖11 7 min固態(tài)發(fā)射機溫度遙測歷程曲線Fig.11 The variation of the solid state transmitter’s temperature during working in 7 minutes

衛(wèi)星獲得的具有獨特性能優(yōu)勢的 S波段 SAR圖像數(shù)據(jù)填補了國內(nèi)沒有在軌S波段SAR數(shù)據(jù)的空白，豐富了我國星載SAR圖像數(shù)據(jù)庫。

通過衛(wèi)星及 SAR載荷產(chǎn)品國產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)研制，驗證了集中式 SAR體制及其小衛(wèi)星平臺的適應(yīng)能力，為我國 SAR衛(wèi)星系統(tǒng)朝著輕小型化方向的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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