高分三號(hào)衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

張慶君

中國空間技術(shù)研究院，北京 100094

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高分三號(hào)衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

張慶君

中國空間技術(shù)研究院，北京 100094

高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星作為我國首顆自主研制的C頻段多極化SAR衛(wèi)星，突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。衛(wèi)星在明確SAR載荷的體制和基本配置的基礎(chǔ)上，圍繞SAR載荷的需求開展衛(wèi)星平臺(tái)適應(yīng)能力的分析以及載荷與平臺(tái)之間的匹配性研究，形成了一系列衛(wèi)星特點(diǎn)和技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過國際同類衛(wèi)星水平。

高分三號(hào)衛(wèi)星；總體設(shè)計(jì)；合成孔徑雷達(dá)

高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星是“國家高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)”中唯一的民用微波遙感成像衛(wèi)星，也是我國首顆C頻段多極化高分辨率合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar，SAR)衛(wèi)星。GF-3衛(wèi)星具有高分辨率、大成像幅寬、高輻射精度、多成像模式和長時(shí)工作的特點(diǎn)，能夠全天候和全天時(shí)實(shí)現(xiàn)全球海洋和陸地信息的監(jiān)視監(jiān)測(cè)，并通過左右姿態(tài)機(jī)動(dòng)擴(kuò)大對(duì)地觀測(cè)范圍和提升快速響應(yīng)能力，其獲取的C頻段多極化微波遙感信息可以用于海洋、減災(zāi)、水利及氣象等多個(gè)領(lǐng)域，服務(wù)于我國海洋、減災(zāi)、水利及氣象等多個(gè)行業(yè)及業(yè)務(wù)部門，是我國實(shí)施海洋開發(fā)、陸地環(huán)境資源監(jiān)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)的重要技術(shù)支撐[1]。

作為我國自主研制的首顆C頻段多極化SAR衛(wèi)星，GF-3衛(wèi)星擁有整星機(jī)電熱一體化設(shè)計(jì)技術(shù)、多極化相控陣天線技術(shù)、高精度SAR內(nèi)定標(biāo)技術(shù)、大型相控陣SAR天線展開機(jī)構(gòu)技術(shù)、大熱耗SAR天線熱控技術(shù)、脈沖大功率供電技術(shù)、大撓性星體條件下的衛(wèi)星控制技術(shù)等9項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。高分三號(hào)衛(wèi)星具有以下特點(diǎn)：

(1) 衛(wèi)星具備12種成像模式，是目前世界上成像模式最多的SAR衛(wèi)星，也是我國首顆多極化SAR衛(wèi)星。衛(wèi)星圖像幅寬和分辨率兼得，圖像分辨率1～500 m，相應(yīng)幅寬10～650 km，具有詳查和普查功能。衛(wèi)星定量化水平高，圖像質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到或超過國外同類SAR衛(wèi)星水平，分辨率1～10 m，NEσ0優(yōu)于-19 dB；分辨率25～500 m，NEσ0優(yōu)于-21 dB；絕對(duì)輻射精度達(dá)到1.5 dB(1景)、2 dB(長期)。

(2) 通過SAR天線裝配及熱控設(shè)計(jì)，SAR天線平面度優(yōu)于5 mm，全陣面溫度一致性優(yōu)于7℃。

(3) 衛(wèi)星平臺(tái)供電能力高，可適應(yīng)載荷高功率脈沖工作的需求，最大峰值功率15 360 W，最大平均功耗8000 W。

(4) 衛(wèi)星撓性特性突出，姿態(tài)控制精度和穩(wěn)定性高，具備連續(xù)二維姿態(tài)導(dǎo)引機(jī)動(dòng)能力。

(5) 衛(wèi)星采用自主健康管理機(jī)制降低整星故障風(fēng)險(xiǎn)。

(6) 衛(wèi)星采用并網(wǎng)控制技術(shù)能夠在應(yīng)急狀況下將載荷高壓母線變換成28V供平臺(tái)使用，以提升衛(wèi)星可靠性和安全性。

(7) 該衛(wèi)星是首顆低軌8年設(shè)計(jì)壽命的遙感衛(wèi)星。

本文從衛(wèi)星系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)角度，研究總結(jié)了衛(wèi)星系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和衛(wèi)星技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)等方面的內(nèi)容。

1 衛(wèi)星系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 衛(wèi)星觀測(cè)任務(wù)

我國各領(lǐng)域?qū)π禽dSAR遙感數(shù)據(jù)的需求非常迫切，在資源調(diào)查和災(zāi)害救援等方面進(jìn)口了大量的星載SAR圖像數(shù)據(jù)，國內(nèi)還沒有在軌應(yīng)用的民用SAR遙感衛(wèi)星。因此，多個(gè)領(lǐng)域都提出了建造我國民用SAR衛(wèi)星的需求，詳細(xì)需求如表1所示。

為實(shí)現(xiàn)眾多用戶的各種觀測(cè)需求，GF-3衛(wèi)星設(shè)計(jì)了條帶、聚束、掃描等12種工作模式(如表2所示)，具備分辨率1～500 m，觀測(cè)幅寬10～650 km的觀測(cè)能力，同時(shí)具有雙通道、多極化等功能，可極大地?cái)U(kuò)展衛(wèi)星的觀測(cè)能力和應(yīng)用能力，實(shí)現(xiàn)全天時(shí)全天候海洋與陸地觀測(cè)，提高海洋監(jiān)視監(jiān)測(cè)和災(zāi)害管理水平，并提高農(nóng)業(yè)、國土、環(huán)保、國安、公安、電子政務(wù)與主體功能區(qū)、住建、交通、統(tǒng)計(jì)、林業(yè)、地震、測(cè)繪等行業(yè)的調(diào)查與監(jiān)測(cè)能力，提升突發(fā)事件快速響應(yīng)能力，填補(bǔ)我國民用自主高分辨多極化SAR遙感數(shù)據(jù)空白。

表1 GF-3衛(wèi)星主要用戶觀測(cè)需求Tab.1 Users’ requirement of GF-3 satellite

表2 GF-3衛(wèi)星各工作模式主要指標(biāo)Tab.2 The main technical specifications of each imaging mode

1.2 衛(wèi)星方案概述

GF-3衛(wèi)星是一顆三軸穩(wěn)定的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，衛(wèi)星發(fā)射重量約2779 kg，在軌設(shè)計(jì)壽命8年。衛(wèi)星運(yùn)行在軌道高度約755 km的太陽同步回歸晨昏軌道，采用側(cè)視成像飛行狀態(tài)(圖1、圖2)。

高分三號(hào)衛(wèi)星以ZY1000B平臺(tái)為基線，由有效載荷和服務(wù)系統(tǒng)兩部分組成。有效載荷主要包括SAR載荷、數(shù)傳、數(shù)傳天線分系統(tǒng)；服務(wù)系統(tǒng)為有效載荷提供安裝、供電、指向、溫度維持和測(cè)控等支持服務(wù)，主要由電源、總體電路、控制、推進(jìn)、測(cè)控、數(shù)管、結(jié)構(gòu)、熱控分系統(tǒng)組成[2]。

GF-3衛(wèi)星SAR有效載荷系統(tǒng)具有多極化、多工作模式、高分辨率、大幅寬、大天線尺寸、高功耗、高輻射分辨率、長成像時(shí)間的特點(diǎn)，同時(shí)具有內(nèi)外定標(biāo)功能。系統(tǒng)共設(shè)計(jì)聚束、條帶、掃描、雙孔徑等12種成像模式，最長連續(xù)工作時(shí)間為50 min，能夠獲取分辨率1～500 m，成像幅寬10～650 km的C頻段多極化SAR圖像，圖像輻射分辨率優(yōu)于2 dB，輻射精度最高可達(dá)1 dB。系統(tǒng)配置15 m×1.232 m四極化波導(dǎo)縫隙相控陣SAR天線。該天線由波導(dǎo)縫隙天線、四通道T/R組件、延時(shí)放大組件、波控單元、射頻收發(fā)及定標(biāo)饋電網(wǎng)絡(luò)、二次電源、高低頻電纜網(wǎng)、有源安裝板、結(jié)構(gòu)框架、展開機(jī)構(gòu)和熱控等部分組成，能夠靈活地對(duì)二維波束進(jìn)行賦形、掃描和展寬，具有高極化隔離度、孔徑配置靈活、高用電效率、輕型化等特點(diǎn)。

圖1 衛(wèi)星發(fā)射前壓緊狀態(tài)示意Fig.1 Status of satellite before launching

圖2 衛(wèi)星右側(cè)視狀態(tài)示意Fig.2 Status of right sidelook in orbit

衛(wèi)星平臺(tái)由電源、總體電路、測(cè)控、數(shù)管、控制、推進(jìn)、結(jié)構(gòu)、熱控共8個(gè)分系統(tǒng)組成。衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定對(duì)地定向控制模式，指向精度優(yōu)于0.03 °，穩(wěn)定度優(yōu)于5×10-4°/s，具備±31.5°側(cè)擺能力。衛(wèi)星采用雙獨(dú)立母線供電，配置三結(jié)砷化鎵太陽電池陣、100 Ah鎘鎳蓄電池和225 Ah鋰離子蓄電池，能夠滿足衛(wèi)星短期功耗近萬瓦的成像需求，同時(shí)，平臺(tái)母線輸出功率不足或母線輸出異常時(shí)，能夠通過并網(wǎng)控制器將載荷高壓電源轉(zhuǎn)換為低壓電源，供平臺(tái)設(shè)備使用。整星具備自主健康管理體制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵事件連續(xù)監(jiān)測(cè)，并對(duì)產(chǎn)品狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，提前采取多種有效手段，確保衛(wèi)星在軌安全[3]。

1.3 衛(wèi)星工作模式

根據(jù)飛行任務(wù)要求，衛(wèi)星共設(shè)計(jì)6種工作模式。

(1) 成像對(duì)地實(shí)時(shí)傳輸模式：在地面衛(wèi)星接收站可視范圍內(nèi)，衛(wèi)星處于正常飛行姿態(tài)，SAR分系統(tǒng)對(duì)地成像，將接收到的SAR回波成像數(shù)據(jù)、相應(yīng)輔助數(shù)據(jù)發(fā)送至地面數(shù)據(jù)接收站。

(2) 記錄模式：衛(wèi)星處于正常飛行姿態(tài)，SAR分系統(tǒng)對(duì)地成像，接收到的SAR回波成像數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)送至固態(tài)存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)。

(3) 回放模式：在地面衛(wèi)星接收站可視范圍內(nèi)，衛(wèi)星處于正常飛行姿態(tài)，SAR分系統(tǒng)不成像，將存儲(chǔ)在固態(tài)存儲(chǔ)器中的SAR回波成像數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)回放至地面數(shù)據(jù)接收站。

(4) 邊記邊放模式：在地面衛(wèi)星接收站可視范圍內(nèi)，衛(wèi)星處于正常飛行姿態(tài)，SAR分系統(tǒng)對(duì)地成像，圖像數(shù)據(jù)送固態(tài)存儲(chǔ)器進(jìn)行記錄，同時(shí)固態(tài)存儲(chǔ)器將當(dāng)前記錄的數(shù)據(jù)或者歷史記錄數(shù)據(jù)發(fā)送至地面數(shù)據(jù)接收站。

(5) 平臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模式：衛(wèi)星在飛經(jīng)地面數(shù)據(jù)接收站數(shù)據(jù)接收范圍時(shí)，向地面數(shù)據(jù)接收站發(fā)送平臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

(6) PN碼傳輸模式：衛(wèi)星飛經(jīng)地面數(shù)據(jù)接收站數(shù)據(jù)接收范圍時(shí)，向地面發(fā)送PN碼，不進(jìn)行加擾、信道編碼等處理。

2 衛(wèi)星技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 多極化、多成像模式設(shè)計(jì)

GF-3衛(wèi)星具有12種成像模式，涵蓋了聚束模式、方位多波束模式、條帶模式、掃描模式、四極化模式、波模式等，為實(shí)現(xiàn)多極化、多種成像模式，主要采用以下設(shè)計(jì)思路：

(1) 采用“極化時(shí)分+正負(fù)調(diào)頻斜率”方案獲得多極化數(shù)據(jù)，改善點(diǎn)目標(biāo)模糊。

(2) 采用有源相控陣天線實(shí)現(xiàn)成像模式靈活控制和波位的靈活切換。采用波導(dǎo)縫隙天線，H極化波導(dǎo)和V極化波導(dǎo)分別設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)分別饋電，物理實(shí)現(xiàn)上完全獨(dú)立，有效減小了兩種天線之間的互耦，提高了天線的端口隔離度，進(jìn)而提高了天線的極化隔離度。

(3) 該系統(tǒng)具有多種調(diào)頻信號(hào)帶寬和時(shí)寬組合。12種成像工作模式對(duì)應(yīng)的調(diào)頻信號(hào)組合多達(dá)18種，并在信號(hào)通路中采用不同的濾波器，以保證不同帶寬信號(hào)帶外抑制。

(4) 為實(shí)現(xiàn)多波束與多極化，SAR具有雙接收通道。為保證雙通道的幅相一致性，采用中頻采樣的數(shù)字接收機(jī)方案。

(5) 為保證多極化回波進(jìn)行最優(yōu)數(shù)據(jù)量化，對(duì)同極化和交叉極化的回波分別進(jìn)行獨(dú)立的接收增益控制；采取直接截取高4位、8:4BAQ和8:3BAQ多種數(shù)據(jù)壓縮方式，滿足各種模式的需要。

(6) 為實(shí)現(xiàn)雙孔徑和多極化模式，采用接收開關(guān)矩陣對(duì)天線的不同孔徑接收的回波信號(hào)進(jìn)行組合切換，形成兩個(gè)接收通道[4]。

2.2 多極化相控陣體制SAR天線

GF-3衛(wèi)星SAR天線具有多極化、多工作模式能力，采用平面二維掃描固態(tài)有源相控陣天線體制，實(shí)現(xiàn)聚束、條帶、掃描等多種SAR成像模式，能夠高精度定量化地對(duì)海洋、陸地信息進(jìn)行探測(cè)，充分發(fā)揮了微波遙感衛(wèi)星的系統(tǒng)效能。天線工作于C波段，具有多極化、多工作模式能力，采用可展開平面二維掃描固態(tài)有源相控陣天線體制。在發(fā)射模式下，其發(fā)射鏈路完成輸入線性調(diào)頻信號(hào)的功率放大，向指定空余輻射水平或垂直極化電磁能量；接收模式下，天線陣面接收水平極化或垂直極化回波信號(hào)，也可同時(shí)接收雙極化回波信號(hào)，并經(jīng)過低噪聲放大鏈路后送至SAR中央電子設(shè)備[5]。為實(shí)現(xiàn)天線的性能檢測(cè)、故障檢測(cè)和隔離，天線具有獨(dú)立定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，在中央電子設(shè)備的控制下，可完成首發(fā)鏈路的標(biāo)定。同時(shí)，天線具有多極化、高極化隔離度、海量賦形波束的功能，具有15 360 W高峰值輸出功率，采用了以TR組件、薄壁波導(dǎo)為代表的輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)、天線面板、展開機(jī)構(gòu)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度力學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)。天線展開機(jī)構(gòu)能夠滿足天線陣面的折疊、展開、支撐等功能。陣面熱控，實(shí)現(xiàn)SAR天線陣面的控溫功能，滿足各電性單機(jī)的使用環(huán)境要求，保證電氣設(shè)備的使用壽命。

該天線在傳統(tǒng)SAR衛(wèi)星天線設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，主要具備以下特點(diǎn)：

(1) 高極化隔離度。多極化是該SAR天線的重要功能，通過設(shè)計(jì)天線輻射單元自身的交叉極化、T/R組件之間接收鏈路的通道隔離以及電纜的電磁屏蔽，保證天線能夠同時(shí)接收雙極化(H/V)信號(hào)，具有較高的極化隔離度(>35 dB)。

(2) 高能量利用效率、兼顧熱控要求。在保障較高用電效率的同時(shí)，提高微波器件的輻射效率，并同步考慮天線陣面的熱控，用于保障天線各單機(jī)工作在合理溫度范圍之內(nèi)，進(jìn)而保證天線全陣面空間波束指向的穩(wěn)定性。

(3) 二維波束的高精度控制。天線在射頻收發(fā)通道的幅度相位穩(wěn)定性、波束切換響應(yīng)速度及雙極化波束控制可靠性等方面開展設(shè)計(jì)，能夠針對(duì)12種不同孔徑、工作脈寬、脈沖重復(fù)頻率的工作模式需求，實(shí)現(xiàn)靈活的天線波束掃描和賦形。

(4) 輕量化。實(shí)現(xiàn)天線的輕型化主要通過兩個(gè)途徑：一是選取合理的天線整體方案，從系統(tǒng)層面降低硬件設(shè)備量和內(nèi)部互連復(fù)雜度；二是提高設(shè)計(jì)及工藝水平，加大集成設(shè)計(jì)力度，通過天線局部硬件優(yōu)化減輕天線重量。

(5) 高精度天線模型。通過獲取SAR天線幅相特性相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立SAR天線高精度模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)SAR天線方向圖特性的高精度仿真。

2.3 SAR系統(tǒng)內(nèi)定標(biāo)回路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)成像數(shù)據(jù)的高精度定量化應(yīng)用需求，SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中充分考慮了在軌內(nèi)定標(biāo)的需求，設(shè)計(jì)了多個(gè)定標(biāo)回路，覆蓋了整個(gè)收發(fā)鏈路，并具備極化定標(biāo)的能力。

SAR系統(tǒng)內(nèi)定標(biāo)具備單極化和多極化定標(biāo)的能力，可以完成HH/HV/VH/VV四極化定標(biāo)。通過定標(biāo)可以得到系統(tǒng)真實(shí)線性調(diào)頻信號(hào)、系統(tǒng)增益標(biāo)定、天線方向圖及增益(結(jié)合地面輻射陣面測(cè)試結(jié)果)監(jiān)測(cè)[6]。

陣面定標(biāo)可分為全陣面定標(biāo)和單個(gè)T/R組件定標(biāo)。全陣面定標(biāo)時(shí)天線陣面T/R組件全工作，分別對(duì)全陣面發(fā)射功率定標(biāo)和全陣面接收增益及接收機(jī)增益定標(biāo)，可選擇H極化或者V極化；單個(gè)組件定標(biāo)主要是監(jiān)測(cè)每個(gè)T/R組件的射頻特性。全陣面定標(biāo)時(shí)使用中心波位(波束法線方向)，逐個(gè)T/R定標(biāo)需要波控配相。另外，在整個(gè)陣面T/R組件均處于高阻狀態(tài)(既不發(fā)射雷達(dá)信號(hào)，也不接收回波)時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)熱噪聲的記錄。

星載SAR系統(tǒng)內(nèi)定標(biāo)回路設(shè)計(jì)有6條：非延遲定標(biāo)回路、延遲參考定標(biāo)回路、驅(qū)放定標(biāo)回路、全陣面/單T/R發(fā)射定標(biāo)回路、全陣面/單T/R接收定標(biāo)回路、全陣面發(fā)射接收定標(biāo)回路、噪聲記錄模式。通過6條定標(biāo)回路和噪聲記錄模式，SAR分系統(tǒng)的內(nèi)定標(biāo)可以標(biāo)定系統(tǒng)真實(shí)線性調(diào)頻信號(hào)、系統(tǒng)增益標(biāo)定、天線方向圖及增益(結(jié)合地面輻射陣面測(cè)試結(jié)果)監(jiān)測(cè)、通過單個(gè)T/R組件定標(biāo)可以對(duì)單個(gè)T/R組件的移相器、衰減器和網(wǎng)絡(luò)延遲線進(jìn)行監(jiān)測(cè)。可以進(jìn)行全陣面定標(biāo)、T/R逐行定標(biāo)、T/R逐列定標(biāo)、單模塊定標(biāo)、模塊逐行定標(biāo)、模塊逐列定標(biāo)及最精細(xì)的單T/R定標(biāo)?？梢赃M(jìn)行相位或幅度矢量編碼定標(biāo)。

2.4 SAR天線展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

可展開支撐桁架作為平面天線板的支撐結(jié)構(gòu)，直接關(guān)系到在軌展開鎖定后天線陣的位置精度、型面精度和基頻。

可展開支撐桁架主要由星體支撐架、內(nèi)框架組件、外框架組件、桁架桿、支撐桿組件、90°鉸鏈、180°鉸鏈等構(gòu)成。

星體支撐架是可展開支撐桁架與星體間的連接組件，與星體有4個(gè)連接點(diǎn)。內(nèi)框架組件通過90°鉸鏈鉸接于星體支撐架。內(nèi)、外框架組件間通過180°鉸鏈鉸接。6根桁架桿和支撐桿組件的一端集中鉸接于同一轉(zhuǎn)動(dòng)軸，另一端分別鉸接到內(nèi)、外框架組件和星體支撐架上，展開鎖定后形成穩(wěn)定的桁架結(jié)構(gòu)。內(nèi)、外框架組件通過游離連接裝置與天線結(jié)構(gòu)板連接，適應(yīng)桁架與天線板結(jié)構(gòu)在天線面內(nèi)的熱變形，保證天線的型面精度。內(nèi)桁架、外桁架均可簡化為一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，展開鎖定后成為一個(gè)三角形，以保證單塊天線板的平面度及剛度，減少在溫度變化下天線陣面的變形。內(nèi)、外桁架可共用四連桿機(jī)構(gòu)中的兩桿，從而更好地保證展開同步性，鎖定后的剛度更好。采用桁架連接器將內(nèi)、外桁架連接，通過兩個(gè)鉸接頭將內(nèi)外桁架連接起來。構(gòu)成桁架的基本單元可采用碳纖維(M40)復(fù)合材料制成的桿件，碳纖維桿件應(yīng)進(jìn)行零膨脹設(shè)計(jì)，以減小天線展開后的熱變形。

2.5 SAR天線熱控設(shè)計(jì)

SAR天線熱控除采取預(yù)埋熱管網(wǎng)絡(luò)、開設(shè)散熱面、包覆多層隔熱材料組件等常規(guī)熱控手段外，還采取了主動(dòng)控溫及熱隨動(dòng)控溫設(shè)計(jì)技術(shù)，為SAR天線在軌工作期間提供良好的熱環(huán)境，使SAR天線單機(jī)溫度保持在-10°C～+25°C，單模塊內(nèi)溫度梯度小于2.5°C，全陣面溫度梯度小于5.9°C。

主動(dòng)控溫的目的是在天線長期不工作的情況下，通過加熱保證天線及其設(shè)備的溫度不致過低，同時(shí)保持溫度一致性的需要。全陣面共布置72路加熱回路，總控溫長期平均功率不超過1800 W，控溫回路由載荷控溫儀控制。每面板三路控溫回路加熱片粘貼區(qū)域分別為：天線安裝板-Z面延時(shí)組件間空隙布置1路；天線安裝板+Z面無設(shè)備安裝側(cè)布置兩路。

熱隨動(dòng)跟蹤控溫技術(shù)利用主動(dòng)控溫的加熱功率，實(shí)現(xiàn)跟蹤控溫，保證SAR天線工作時(shí)各陣面的溫度梯度滿足要求。利用控溫儀采集各安裝板上全陣面溫度參考點(diǎn)溫度值，溫度參考點(diǎn)在對(duì)應(yīng)模塊的T/R組件或延時(shí)組件上，通過對(duì)工作的安裝板上參考溫度的比對(duì)，找出溫度最高的溫度值，并將此溫度值降低5°C，作為其他控溫回路的控溫目標(biāo)值，形成閉環(huán)控制。

2.6 高精度姿態(tài)控制及二維導(dǎo)引

衛(wèi)星在左側(cè)視和右側(cè)視飛行狀態(tài)下均有姿態(tài)導(dǎo)引的需求。SAR的姿態(tài)導(dǎo)引的目的是消除地球自轉(zhuǎn)、地球橢率和衛(wèi)星軌道扁率引起的多普勒中心頻率變化。根據(jù)目標(biāo)側(cè)視角、軌道根數(shù)，計(jì)算目標(biāo)姿態(tài)導(dǎo)引角。偏航導(dǎo)引計(jì)算公式為

式中，i為軌道傾角；u為衛(wèi)星緯度輻角；N為每天的衛(wèi)星回歸次數(shù)。此計(jì)算公式適用于球形地球模型，在橢球地球模型下，該角度與實(shí)際角度有微小偏差。一軌內(nèi)的偏航控制曲線(如圖3所示)，服從余弦規(guī)律，最大值為3.892 8 °。

在偏航導(dǎo)引基礎(chǔ)上，加入俯仰導(dǎo)引，能夠修正俯仰向姿態(tài)的不同，俯仰角計(jì)算公式為

式中，e為軌道偏心率；θ為真近心角。一軌內(nèi)的俯仰控制曲線(如圖4所示)，服從余弦規(guī)律，最大值為0.065 9 °。

圖4 衛(wèi)星俯仰導(dǎo)引控制曲線Fig.4 Curve of pitching steering

2.7 衛(wèi)星雙獨(dú)立母線供電體制

衛(wèi)星電源分系統(tǒng)采用雙母線供電體制，一條供給平臺(tái)使用，一條供給SAR載荷使用，兩條母線相互獨(dú)立，互不干涉，兩條母線在整星接地點(diǎn)單點(diǎn)共地。平臺(tái)母線系統(tǒng)采用S4R兩域控制全調(diào)節(jié)母線，T/R母線采用不調(diào)節(jié)母線。

平臺(tái)母線系統(tǒng)采用S4R兩域控制全調(diào)節(jié)母線。光照期，MEA和BEA共同控制S4R電路穩(wěn)定母線電壓和完成對(duì)蓄電池組充電。S4R電路對(duì)太陽電池輸出功率調(diào)節(jié)分配原則為，母線負(fù)載需求有第一優(yōu)先權(quán)， 其次是滿足充電需求， 母線負(fù)載和充電都不需要的功率對(duì)地分流調(diào)節(jié)。當(dāng)母線負(fù)載由輕到重時(shí)，所有對(duì)地分流S4R電路依次退出分流，然后將進(jìn)行充電的S4R電路依次退出充電，仍不能滿足負(fù)載需要時(shí)，蓄電池組受MEA控制通過放電調(diào)節(jié)電路對(duì)母線提供電能，并穩(wěn)定母線電壓。陰影期，蓄電池組受MEA控制通過放電調(diào)節(jié)電路對(duì)母線提供電能，穩(wěn)定母線電壓。T/R母線采用不調(diào)節(jié)母線系統(tǒng)，母線電壓始終被蓄電池組電壓鉗位，跟隨蓄電池組電壓變化而變化。在光照期當(dāng)蓄電池組需要充電時(shí)，BEA控制S3R電路退出分流，太陽電池輸出功率首先滿足負(fù)載需要，剩余功率為蓄電池組充電，母線電壓會(huì)隨蓄電池組電壓升高而升高，如果太陽電池的輸出功率不能滿足負(fù)載需要，蓄電池組參與放電，聯(lián)合供電。當(dāng)蓄電池組充滿電后，太陽電池輸出功率只滿足負(fù)載需要，多余太陽電池功率由PCU控制對(duì)地分流。在陰影期蓄電池組直接對(duì)母線供電，母線電壓會(huì)隨蓄電池組電壓降低而降低。

2.8 并網(wǎng)控制技術(shù)

衛(wèi)星采用雙母線供電體制，一條供給平臺(tái)使用，一條供給SAR載荷使用，兩條母線相互獨(dú)立，互不干涉。為提高整星供電安全性，當(dāng)平臺(tái)母線蓄電池出現(xiàn)故障時(shí)，載荷母線可以通過直流/直流變換器將45～67.5V變換成平臺(tái)需要的28V，給平臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)供電。并網(wǎng)控制用直流/直流變換器工作原理框圖如圖5所示。

圖5 衛(wèi)星并網(wǎng)控制原理Fig.5 Grid-connected control of satellite

并網(wǎng)控制用直流/直流變換器與平臺(tái)一次母線和載荷一次母線均有接口，即載荷一次母線是它的輸入，而輸出則連接到平臺(tái)一次母線。為保障設(shè)備自身的故障不影響到平臺(tái)和載荷母線的供電安全，在輸入、輸出端均設(shè)置了開關(guān)，一旦發(fā)現(xiàn)問題可立即斷開。除了物理隔離外，還在輸入端設(shè)置了載荷母線保護(hù)電路，輸出端通過兩個(gè)串聯(lián)的二極管與平臺(tái)母線進(jìn)行了隔離。

2.9 衛(wèi)星自主健康管理

目前我國低軌遙感衛(wèi)星在軌運(yùn)行管理離不開地面測(cè)控站的支持，依靠大批專業(yè)人員對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，在發(fā)生故障情況下，主要依靠地面專家的決策。然而，由于遙感衛(wèi)星軌道特點(diǎn)及測(cè)控站地域限制，地面站不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感衛(wèi)星的全程實(shí)時(shí)跟蹤，且遙感衛(wèi)星大部分運(yùn)行時(shí)段均不在可控范圍之內(nèi)，在不可控弧段發(fā)生的故障，將無法及時(shí)采取糾正措施。即使在可控時(shí)段，單靠地面采取補(bǔ)救措施，其有效性和實(shí)時(shí)性都是有限的，極有可能錯(cuò)過最佳的處理時(shí)機(jī)而導(dǎo)致遙感任務(wù)成功率下降甚至失敗。這就對(duì)衛(wèi)星提出了更高的自主故障診斷的要求，即要求衛(wèi)星具有不依賴地面支持的星上自主故障診斷與恢復(fù)，在最佳時(shí)間處理故障，做到故障的不擴(kuò)散。星上自主故障診斷隔離恢復(fù)，獲取最佳處理時(shí)機(jī)，提高衛(wèi)星的在軌生存能力，這是提高衛(wèi)星生存能力的需要，也是保障衛(wèi)星安全的重要輔助手段。

為此，GF-3衛(wèi)星提出分級(jí)自主健康管理策略(如圖6所示)、團(tuán)隊(duì)式體系結(jié)構(gòu)及可量化故障模型等系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法，實(shí)施整星健康指數(shù)實(shí)時(shí)發(fā)布、衛(wèi)星智能隨動(dòng)控溫、整星自主并網(wǎng)控制、雙頻GPS接收機(jī)單粒子翻轉(zhuǎn)自主監(jiān)測(cè)與恢復(fù)、SAR異常自主管理等18項(xiàng)創(chuàng)新措施。新技術(shù)已在GF-3衛(wèi)星在軌完成工程驗(yàn)證，測(cè)試表明衛(wèi)星對(duì)健康狀況的敏感性和處置故障及時(shí)性得到了顯著提升，分系統(tǒng)終端能實(shí)時(shí)主動(dòng)掌握整星健康狀態(tài)，依據(jù)不同級(jí)別健康狀況及時(shí)啟動(dòng)安全管理策略，保障衛(wèi)星在故障狀態(tài)下自主實(shí)施故障的監(jiān)測(cè)/隔離/恢復(fù)，將故障處理時(shí)間從目前的不少于一軌(90min以上)縮減到10s以內(nèi)。

圖6 衛(wèi)星自主健康管理流程Fig.6 Flow chart of self-health management

2.10 精密定軌和時(shí)統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了滿足合成孔徑雷達(dá)的成像精度，要求星上的實(shí)時(shí)軌道確定精度優(yōu)于10m(1σ)，事后精處理軌道精度優(yōu)于20cm(1σ)。為此，GF-3衛(wèi)星采用雙頻GPS系統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)精密定軌。星上雙頻GPS系統(tǒng)由雙頻GPS天線、雙頻GPS接收機(jī)和前置放大器組成。衛(wèi)星進(jìn)入在軌飛行段時(shí)，雙頻GPS接收機(jī)通過雙頻GPS天線接收GPS導(dǎo)航星座的L1、L2頻段的導(dǎo)航信號(hào)，在捕獲到4顆及以上GPS衛(wèi)星信號(hào)后，即可完成實(shí)時(shí)、精確的定位。雙頻GPS接收機(jī)在定位后，將產(chǎn)生的L1、L2頻段的偽距和載波相位等原始測(cè)量信息傳輸給地面應(yīng)用系統(tǒng)。地面應(yīng)用系統(tǒng)利用IGS精密星歷進(jìn)行地面事后精密軌道計(jì)算，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星20m的定軌精度。GF-3衛(wèi)星對(duì)GPS天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小衛(wèi)星艙體對(duì)天線接收性能的影響，提高天線相位中心的穩(wěn)定性。在事后精密定軌中，采用高精度動(dòng)力學(xué)模型結(jié)合原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了4cm的定軌精度。

GF-3衛(wèi)星為確保衛(wèi)星定位精度，需要有效載荷、姿軌控和測(cè)控等相關(guān)分系統(tǒng)工作在統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)下，提高衛(wèi)星成像時(shí)刻和敏感器測(cè)量時(shí)刻標(biāo)定精度。為完成上述任務(wù)，GF-3衛(wèi)星采用高精度時(shí)間同步技術(shù)為相關(guān)設(shè)備提供高精度的時(shí)統(tǒng)服務(wù)。時(shí)間同步技術(shù)由硬件秒脈沖和軟件整秒時(shí)刻授時(shí)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)，硬件秒脈沖的時(shí)標(biāo)與整星時(shí)間同步(有效載荷和控制系統(tǒng))的誤差要求小于100μs。

2.11 小 結(jié)

GF-3衛(wèi)星在明確SAR載荷的體制和基本配置的基礎(chǔ)上，圍繞SAR載荷的需求開展衛(wèi)星平臺(tái)適應(yīng)能力的分析以及載荷與平臺(tái)之間的匹配性研究，形成了一系列衛(wèi)星特點(diǎn)和技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過國際同類衛(wèi)星水平，比對(duì)情況如表3所示。

表3 GF-3衛(wèi)星與國際同類衛(wèi)星SAR載荷指標(biāo)比對(duì)Tab.3 Characteristics comparison of SAR payload between GF-3 satellite and foreign satellites

3 衛(wèi)星在軌試驗(yàn)驗(yàn)證

2016年8月25日，國防科技工業(yè)局對(duì)外公布首批高分三號(hào)衛(wèi)星影像圖，包括黃海、北京、福建、武漢等城市和海域的衛(wèi)星影像，充分展示了高分三號(hào)衛(wèi)星高分辨率多極化的微波成像優(yōu)勢(shì)及在構(gòu)建全天時(shí)、全天候、寬覆蓋對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)中的重要作用。截至10月，GF-3衛(wèi)星已完成所有12中成像模式和7種定標(biāo)模式的測(cè)試，成像共計(jì)500余次，開機(jī)時(shí)間超過1 000 min，共獲取1.6萬余景SAR圖像。

2016年9—11月，GF-3衛(wèi)星在內(nèi)蒙古鄂托克旗開展外場(chǎng)定標(biāo)工作，對(duì)各工作模式的分辨率、幅寬、旁瓣比、輻射精度、定位精度、指向精度等天地一體化指標(biāo)進(jìn)行了標(biāo)定。經(jīng)初步分析，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足研制要求，部分指標(biāo)達(dá)到國際同類衛(wèi)星先進(jìn)水平[7]，如表4所示。

4 結(jié)束語

GF-3衛(wèi)星在軌成功獲取高分辨率多極化微波圖像，極大改善了我國民用天基高分辨率SAR圖像全部依靠進(jìn)口的狀態(tài)，為國內(nèi)各行業(yè)用戶提供高質(zhì)量、高精度對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)。GF-3衛(wèi)星工程的研制將在引領(lǐng)我國民用高分辨率微波遙感衛(wèi)星應(yīng)用方面起到重要示范作用，其研制和應(yīng)用具有重大意義。衛(wèi)星正式交付后將服務(wù)于我國海洋、減災(zāi)、水利及氣象等多個(gè)行業(yè)及業(yè)務(wù)部門，成為我國實(shí)施海洋開發(fā)、陸地環(huán)境資源監(jiān)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)的重要技術(shù)支撐。

表4 GF-3衛(wèi)星圖像質(zhì)量指標(biāo)及在軌測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test result of image quality in orbit

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(責(zé)任編輯：張燕燕)

System Design and Key Technologies of the GF-3 Satellite

ZHANG Qingjun

China Academy of Space Technology，Beijing 100094, China

GF-3 satellite, the first C band and multi-polarization SAR satellite in China, achieves breakthroughs in a number of core and key technologies.The satellite technology abides by the principle of “Demand Pulls, Technology Pushes”, forming a series of innovation point, and reaching or surpassing international level in main technical specification.

GF-3 satellite；system design；SAR

張慶君.高分三號(hào)衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2017,46(3)：269-277.

10.11947/j.AGCS.2017.20170049.

ZHANG Qingjun.System Design and Key Technologies of the GF-3 Satellite[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(3):269-277.DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170049.

P227

A

1001-1595(2017)03-0269-09

2017-02-06

修回日期：2017-02-15

張慶君(1969—)，男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星總體設(shè)計(jì)、星載微波遙感技術(shù)。First author：ZHANG Qingjun(1969—),male, professor, PhD supervisor, majors in satellite system design, microwave remote sensing technology.