復雜約束條件下的高分三號衛(wèi)星系統(tǒng)設計

劉杰 張慶君 李延 齊亞琳 唐治華

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

復雜約束條件下的高分三號衛(wèi)星系統(tǒng)設計

劉杰 張慶君 李延 齊亞琳 唐治華

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

高分三號(GF-3)衛(wèi)星是中國首顆民用平面相控陣SAR衛(wèi)星,配置一套大型平面相控陣雷達天線,由于載荷尺寸大、質量大、功耗大、熱耗大和電磁復雜特點,在衛(wèi)星系統(tǒng)設計過程中采用了面向復雜約束條件下的系統(tǒng)綜合設計方法。文章在梳理GF-3衛(wèi)星載荷約束的基礎上,提出了SAR衛(wèi)星系統(tǒng)設計思路,詳細介紹了圍繞SAR載荷開展的面向機、電、熱、磁等方面系統(tǒng)設計方案的選擇與優(yōu)化過程,并重點在SAR天線體制、結構形式、熱控方案、機構要求,以及供配電狀態(tài)和太陽翼方案等方面,給出了系統(tǒng)綜合設計結果。

高分三號衛(wèi)星;合成孔徑雷達載荷;機、電、熱、磁約束;系統(tǒng)設計

1 引言

合成孔徑雷達(SAR)衛(wèi)星具備全天候、全天時的成像能力,以及一定的穿透性,獲得的圖像能夠反映目標微波散射特性,被廣泛應用于國民經(jīng)濟各領域。高分三號(GF-3)衛(wèi)星是中國首顆民用高分辨全極化平面相控陣SAR衛(wèi)星[1],能實現(xiàn)全天候全球海洋和陸地信息的監(jiān)視監(jiān)測。

GF-3衛(wèi)星配置一副大型平面相控陣體制SAR載荷,由于SAR載荷在衛(wèi)星的質量、尺寸、功耗、熱耗等方面占比較高,與衛(wèi)星的機、電、熱、磁等設計耦合嚴重,對衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)包絡、質量、結構設計、供配電設計、熱設計、電磁兼容性(EMC)設計等有著直接的影響。因此,在衛(wèi)星系統(tǒng)設計中,系統(tǒng)總體設計是以SAR載荷,特別是以SAR天線的特點和要求為切入點開展的綜合設計工作。

本文以GF-3衛(wèi)星為研究對象,系統(tǒng)梳理了平面相控陣SAR載荷特點及其對衛(wèi)星系統(tǒng)設計的約束條件,介紹了在機、電、熱、磁等復雜約束條件下的系統(tǒng)綜合設計思路、流程和方法。

2 平面相控陣SAR載荷特點及設計約束分析

2．1 SAR載荷機械特性分析

根據(jù)星載SAR的成像原理,SAR天線尺寸受到距離方位模糊、方位向分辨率和波束覆蓋范圍等多方面因素的限制[2]。在約750km軌道高度條件約束下,GF-3衛(wèi)星SAR天線機械尺寸約為15．0 m×1．5 m,考慮到天線陣面展開機構和熱控部分設備,SAR天線質量將在1500 kg左右。

受到運載火箭整流罩包絡約束,大陣面天線在發(fā)射過程中采用折疊、收攏、壓緊安裝在衛(wèi)星表面,入軌后展開拼接使用,并在軌保持高精度型面。因此,要求衛(wèi)星系統(tǒng)提供較大且有一定剛度、平面度的天線安裝平面;同時提供在軌展開機構,展開后構成一定剛度的天線柔性附件,不僅要滿足與控制系統(tǒng)解耦的要求,還要滿足天線成像質量下平面保持精度(優(yōu)于5 mm)要求。通過系統(tǒng)分析,SAR天線展開后剛度要大于1．5 Hz。此外,根據(jù)初步估計,衛(wèi)星荷載比超過50%,剛度較小;但在衛(wèi)星承載能力、運載火箭承載能力、星箭耦合振動要求等約束下,衛(wèi)星剛度要滿足星箭聯(lián)合系統(tǒng)要求,而SAR天線剛度是最大影響因素,因此應確保SAR天線收攏壓緊狀態(tài)下一階基頻不小于25 Hz。

2．2 SAR載荷功率特性分析

為滿足約750 km高度軌道高質量成像要求,SAR載荷要具備高輻射功率。GF-3衛(wèi)星SAR載荷峰值功率近15 000 W,各工作模式下的平均功率約為8000 W,同時對其他設備的EMC干擾較大,電磁環(huán)境非常復雜。

SAR天線采用脈沖工作模式,最大占空比在17%左右,這種脈沖工作模式將對衛(wèi)星電源品質要求較高,電源設計時應具備較好的動態(tài)特性,并充分考慮脈沖負載對穩(wěn)定負載干擾,以及脈沖負載對電源響應速度和輸出阻抗的要求。此外,GF-3衛(wèi)星單次連續(xù)成像時間最長達到50 min,功率累積消耗大,要求電源具備長時間連續(xù)工作能力。

2．3 SAR天線熱特性分析

由于工作時間長,功耗大,SAR天線陣面熱耗將近6000 W,且不同工作模式下熱耗跨度大。相控陣雷達對相位控制精度要求高,射頻器件相位精度與溫度息息相關。首先,微波器件適應的溫度范圍較窄,對溫控要求高,如發(fā)射/接收(T/R)組件、延時放大組件等艙外部件的工作溫度要求控制在－20～＋45℃。其次,SAR天線通過相位切換形成不同成像波束,而T/R組件等射頻器件相位受到溫度影響較大,為保證這些溫度敏感器件的高精度輸出,對相關器件、電纜等工作溫度的一致性要求也很高。為保證天線性能,要求單模塊內T/R組件和延時放大組件等射頻器件溫度梯度不超過7℃,全陣面溫度梯度不超過10℃。

2．4 SAR天線指向特性分析

在對地觀測過程中,SAR載荷會伴隨著衛(wèi)星本體非規(guī)則運動和SAR天線自身變形引起天線指向不穩(wěn)定,從而引起成對回波信號干擾,影響圖像的旁瓣比、分辨率和模糊度等參數(shù),直接或間接影響觀測帶寬度、圖像定位精度等[3]。GF-3衛(wèi)星SAR載荷指向精度的要求較高,通過大量仿真試驗表明約在0．01°量級。

影響SAR天線波束指向誤差的因素很多,包括衛(wèi)星平臺姿態(tài)控制指向精度誤差、指向穩(wěn)定度誤差和SAR天線的展開誤差、SAR天線形變誤差、SAR天線陣元誤差等。以其中涉及的熱變形為例,GF-3衛(wèi)星工作在C頻段,對天線陣面熱變形的要求必須在毫米量級,這就需要天線結構、天線展開機構、天線熱控和衛(wèi)星總裝等各個環(huán)節(jié)共同保證。

3 復雜約束條件下的GF-3衛(wèi)星系統(tǒng)設計

3．1 衛(wèi)星系統(tǒng)設計思路

SAR衛(wèi)星是一個復雜衛(wèi)星系統(tǒng),SAR載荷是核心設備,對系統(tǒng)設計約束條件較多,衛(wèi)星系統(tǒng)設計必須從整體角度開展面向機、電、熱、磁約束條件下的系統(tǒng)綜合設計,不斷迭代優(yōu)化,才能滿足衛(wèi)星系統(tǒng)指標要求。GF-3衛(wèi)星系統(tǒng)設計思路如圖1所示。

(1)充分論證用戶指標要求,分析SAR載荷,尤其是SAR天線對衛(wèi)星系統(tǒng)設計提出的各項要求。

(2)在載荷性能指標要求和其他大系統(tǒng)約束條件下,開展設計工作。

(3)面向SAR衛(wèi)星特點及約束,設計流程經(jīng)過“先分散設計－再集中優(yōu)化－再分散設計和集中優(yōu)化”的多輪方案比較和優(yōu)化,最終確定一個易于實現(xiàn)、各方面綜合效果最優(yōu)的結果。例如:SAR天線結構形式,涉及天線結構設計、衛(wèi)星基頻計算、熱控方案設計與仿真等多個方面,對天線結構設計可能的多種方案,可分別開展衛(wèi)星狀態(tài)下系統(tǒng)設計,對不滿足約束邊界的指標,可優(yōu)先根據(jù)機、熱設計建議對天線結構設計進行微調,并相應調整熱控等措施,再進行仿真計算;通過多輪設計迭代,從而最終確定符合載荷要求和衛(wèi)星約束的天線結構形式。

圖1 GF-3衛(wèi)星系統(tǒng)設計思路Fig.1 System design idea of GF-3 satellite

3．2 基于機械約束的設計

1)SAR天線結構形式分析設計

大型平面相控陣雷達天線一般有無支撐結構和有支撐結構形式2種形式,且各有特點。無支撐結構形式天線可顯著降低天線總體質量,但其結構基頻主要由天線熱控板厚度來確保。通過分析,無支撐結構體制下,天線總體質量可優(yōu)于1000 kg,但其結構基頻不能滿足要求,且天線陣面溫度較高,如T/R組件的最高溫度將達到76℃,遠遠高于系統(tǒng)要求的最高45℃要求。因此,無支撐結構形式滿足衛(wèi)星系統(tǒng)總體要求的難度很大。有支撐結構形式天線,雖然天線總體質量有一定的增加,但其結構基頻顯著提升,而且天線熱控布局約束少,陣面最高溫度可降到40℃以內,對在軌圖像質量提升有較大設計余量。

此外,SAR天線收攏、壓緊狀態(tài)下的分陣形式,不僅影響天線本身設計,同時也與展開機構、衛(wèi)星本體設計及運載要求密切相關,考慮以上多種約束,可有四面板和五面板2種天線分陣劃分方案,具體如圖2所示。

圖2 SAR天線陣面劃分方案Fig.2 Dividing scheme of SAR antenna array

四面板方案為對稱設計,天線電訊設計簡單,但由于在衛(wèi)星本體上存在“懸臂梁”狀態(tài),會導致天線結構基頻要求較高,如采用有支撐結構天線狀態(tài),再采用衛(wèi)星本體結構“加強梁”狀態(tài),則可有效提升天線結構基頻,滿足基頻25 Hz的要求。五面板方案為非對稱設計,雖然有效避免了SAR天線高出衛(wèi)星本體導致的“懸臂梁”狀態(tài)而降低了對天線結構強度要求,并減小了天線的質量,但天線電訊設計較為復雜,不僅體現(xiàn)在板間供電、控制及射頻電纜數(shù)量上,更體現(xiàn)在SAR天線雙通道設計要求下功率分配及定標網(wǎng)絡的復雜程度上,考慮復雜SAR天線在軌需求,為提高載荷在軌壽命和可靠性,優(yōu)先選擇電訊設計較為簡單的方案。

通過系統(tǒng)分析,綜合考慮天線陣面基頻要求、電訊設計復雜程度和天線熱控精度,在對衛(wèi)星本體主承力結構優(yōu)化設計前提下,選擇天線對稱劃分設計及天線有支撐結構的設計方案。

2)SAR天線展開機構與衛(wèi)星本體接口分析設計

SAR天線在展開狀態(tài)下,是通過展開機構與衛(wèi)星本體連接(如圖3所示)。展開機構與衛(wèi)星本體連接接口采用3角支撐架的3處連接點,主要從以下3個方面考慮:①剛度。衛(wèi)星本體結構連接點剛度將影響展開狀態(tài)天線基頻,特別是頂支撐點剛度。頂支撐點設計為衛(wèi)星本體主承力結構點,其剛度較高并在最大程度上保證天線在軌剛度。②強度。天線展開鎖定過程中和衛(wèi)星在軌調整姿態(tài)過程中會對連接點產(chǎn)生較大的拉拔力,因此連接點強度要求較高,設計過程中衛(wèi)星本體結構分別在3個支撐點設計埋件,保證足夠連接強度。③精度。3個連接點的精度直接關系到SAR天線陣面的平面度和指向精度,因此對支撐點接口位置進行一體化精加工,確保安裝接口平面精度和位置精度。

圖3 SAR天線與衛(wèi)星本體連接狀態(tài)Fig.3 Connection status of SAR antenna and satellite structure

此外,SAR天線在軌工作期間,因外熱流變化會導致冷熱變形。如果接口之間完全固定,則會由于變形不協(xié)調而發(fā)生翹曲,采用設計游離連接裝置,允許可展開支撐桁架與天線基板間發(fā)生相對滑動,從而避免出現(xiàn)結構翹曲。同時,展開機構與天線之間所有的連接組件均具有轉動自由度,其平動自由度和方向可根據(jù)需要進行不同的設計。

3)太陽翼及設備布局分析設計

在完成SAR天線等主載荷結構設計的基礎上,進一步開展太陽翼及設備狀態(tài)設計。一般,SAR衛(wèi)星功率需求較大,太陽翼面積相對較大,其結構設計和收攏安裝狀態(tài)是其中的關鍵環(huán)節(jié)。

在軌道約束下,通過功率平衡設計,GF-3衛(wèi)星太陽翼需求面積為不小于28 m2,因此配置為雙側太陽翼。由于衛(wèi)星±X側已經(jīng)壓緊安裝SAR天線,因此太陽翼只能收攏安裝在衛(wèi)星±Y側,并沿X方向展開使用。GF-3衛(wèi)星太陽翼設計采用平面二維展開方式,展開狀態(tài)如圖4所示。

圖4 太陽翼展開Fig.4 Deployment of solar wing

在衛(wèi)星大部件完成結構設計的基礎上,可開展星內設備布局設計分析,其中的關注點是光學部件要滿足視場設計,轉動部件滿足轉動范圍設計,推力器部件滿足羽流設計等。

3．3 基于電約束的設計

1)SAR天線的電性能設計

從減小衛(wèi)星質量、減輕供配電及熱控壓力、提高極化隔離度等角度出發(fā),對SAR天線陣面輻射陣面形式、T/R組件狀態(tài)等開展設計。

在天線輻射陣面方面,有微帶天線和波導縫隙天線2種形式[4]。通過系統(tǒng)設計和分析,2種輻射陣面形式均可滿足衛(wèi)星系統(tǒng)設計要求,2個方案細節(jié)對比如表1所示。綜合來看,波導縫隙天線在極化隔離和輻射效率方面有顯著提升,同時其制造工藝較為成熟,產(chǎn)品指標一致性會有較好保證。全陣波導裂縫天線質量會增加約80 kg,但仍在衛(wèi)星可接受范圍內,因此選用波導縫隙輻射陣面形式,這樣在系統(tǒng)電訊性能、部組件可生產(chǎn)性及一致性,以及后續(xù)在軌圖像質量各方面更具優(yōu)勢。

表1 微帶天線與波導縫隙天線對比Table 1 Comparison of microstrip antenna and slotted waveguide antenna

在極化通道設計方面,存在2種系統(tǒng)設計方案(見圖5):①極化隔離方案,即水平(H)極化和垂直(V)極化采用完全獨立的2套射頻發(fā)射接收鏈路,同時2個通道配置獨立的供電和控制網(wǎng)絡;②極化共用方案,即H極化和V極化共用發(fā)射支路,僅接收支路相互獨立,同時為適應H極化和V極化發(fā)射,采用多極化T/R組件,2種極化共用1套供電和控制網(wǎng)絡。通過比對(見表2)可知,主要是作為核心部件的T/R組件存在差異,進而導致配套單機數(shù)量和系統(tǒng)供電控制復雜度不同。極化隔離T/R組件在極化隔離上明顯優(yōu)于多極化方案,能消除鏈路中隔離度短板。綜合來看,選用H極化和V極化隔離方案,綜合性能最優(yōu)。

圖5 SAR載荷極化通道隔離方案Fig.5 Polarization isolation schemes of SAR payload

表2 極化通道隔離方案對比Table 2 Comparison of polarization isolation schemes

2)供配電分析設計

SAR衛(wèi)星平臺負載較為穩(wěn)定,且為長期負載功耗,而SAR載荷為脈沖工作模式,長時間連續(xù)工作,且不同成像模式下功率需求跨度較大,因此衛(wèi)星供電是圍繞SAR載荷開展設計。

在供電電壓方面,考慮到設備型譜化需求,盡可能選用標準電壓。目前,國內外衛(wèi)星電源母線電壓一般分為28 V、42 V(50 V)和100 V(120 V)3種,根據(jù)相關標準和設計規(guī)范要求,一般負載功率2 k W以下衛(wèi)星選擇28 V低壓母線,負載功率4 k W以內衛(wèi)星選擇42 V中壓母線,4 k W以上大功率負載的衛(wèi)星選擇100 V高壓母線[5]。GF-3衛(wèi)星平臺部分設備總功耗約1000 W,且平臺設備多選用遙感公用平臺28 V供電接口的繼承設備,因此平臺設備電壓選擇28 V電壓較為合適。載荷部分功耗約8000 W,全部是新研產(chǎn)品,為提高供電效能,可采用高電壓,但低軌衛(wèi)星高壓太陽電池陣靜電放電風險,電壓有一定限制。試驗數(shù)據(jù)表明,太陽電池串間靜電放電閥值為75 V左右,因此載荷部分供電電壓以不超過70 V為宜。

在供電體制方面,從衛(wèi)星電源需求和軌道特點分析來看,GF-3衛(wèi)星用電設備分為平臺相對穩(wěn)定的長期負載和峰值功率較大的短期脈沖負載。根據(jù)這個特點,可供選擇的供電體制有單母線供電體制和雙母線供電體制2種。單母線供電體制為一次電源單母線輸出,穩(wěn)定負載和脈沖負載共用一條供電母線。其優(yōu)點是電源系統(tǒng)設備數(shù)量較少,體積、質量較小,能夠充分合理利用能源,成本相對較低;缺點是脈沖負載給供電母線帶來的頻域和時域噪聲干擾較大,對母線上其他設備抗干擾能力和電源系統(tǒng)濾波技術要求較高。雙母線供電體制為一次電源雙獨立母線輸出,兩條母線在衛(wèi)星接地點單點共地,一條供給平臺穩(wěn)定負載,一條供給載荷脈沖負載。其優(yōu)點是能夠有效避免脈沖負載對穩(wěn)定負載帶來的干擾;缺點是電源系統(tǒng)設備數(shù)量較多,體積、質量相對較大。根據(jù)GF-3衛(wèi)星電壓選擇方案,如采用單母線供電,母線電壓為優(yōu)先滿足載荷需求而選擇高壓,則需要配置高濾波性能的二次電源模塊為平臺設備低電壓供電,但國內該類設備技術儲備不足,還沒有適用于航天器應用的高可靠產(chǎn)品,且在衛(wèi)星載荷脈沖工作模式下,電磁環(huán)境較為復雜,大量星上設備要考慮脈沖負載對穩(wěn)定負載的干擾。因此,GF-3衛(wèi)星選擇雙母線供電體制,一條母線給平臺設備穩(wěn)定供電,一條母線給SAR載荷供電,兩條母線相互獨立,互不影響。

在母線拓撲結構方面,可以選擇全調節(jié)母線、半調節(jié)母線和不調節(jié)母線[6]。通過對各種母線拓撲結構的特點和適用范圍的分析可知:全調節(jié)母線拓撲結構比較適合低軌應用,能夠較好地滿足和適用GF-3衛(wèi)星平臺設備對電源的需求;不調節(jié)母線輸出阻抗小,響應速度快,可以最大限度地滿足短期峰值負載和脈沖負載的供電需要,非常適合SAR載荷脈沖工作的電源使用要求。

3．4 基于熱約束的設計

1)散熱面選擇及熱控分析設計

SAR載荷熱耗大、脈沖工作下熱波動明顯,因此衛(wèi)星熱設計的重點是SAR載荷熱設計。

熱設計的前提是散熱面正確選擇,尤其針對高熱耗SAR天線。一般情況下,采用平面SAR天線,其散熱面在不增加展開熱輻射器的前提下,可選擇對地面散熱或背地面散熱。GF-3衛(wèi)星SAR天線,其對地面上只有很小的太陽反照和一定的地球紅外輻射熱流,外熱流穩(wěn)定,同時輻射面為鋁制波導,散熱能力強,非常適合開設散熱面。SAR天線背地面在受到太陽照射的同時,還受到衛(wèi)星艙體反射及太陽翼遮擋影響,熱耦合強烈,導致熱環(huán)境復雜,因此該面的散熱效果受到較大影響,不適合開設散熱面。

正確選擇散熱面后,SAR天線熱設計的關鍵是采用熱管等熱控部件確保設備保持在正常工作溫度范圍內。一般情況下,平面SAR天線有兩種熱控方案,一種是預埋熱管＋結構板與波導散熱方案,另外一種是預埋相變材料熱管＋結構板與波導散熱方案。針對GF-3衛(wèi)星SAR天線,對兩種方案進行了設計及分析,結果為:兩種設計方案中,T/R組件和陣面二次電源設備最低溫度都在5℃左右,基本沒有差別。采用普通熱管時,高溫工況下T/R組件最高溫度達到35．6℃,陣面二次電源設備最高溫度為32．4℃;而采用相變材料熱管時,對比普通熱管方案分別降低了3．1℃和1．6℃。在其他工況下,天線結構板及其上設備溫度都低于22℃,相變材料的熱控效果并沒有體現(xiàn)出優(yōu)勢。分析結果表明,相變材料應用效果有限,這是由相變材料在SAR天線應用場景下的特點決定的。

針對大型平面SAR天線溫度一致性要求,可采用主動控溫的熱隨動控制方式,實現(xiàn)跟蹤控溫,保證SAR天線工作時各陣面溫度梯度滿足要求。其主要思路是:利用控溫儀采集各安裝板上全陣面溫度參考點(在對應模塊的T/R組件或延時組件上)的溫度值,通過對工作狀態(tài)安裝板上設備參考溫度的比對,找出溫度最高值,并將此溫度值適當降低,作為其他控溫回路的控溫目標值,形成閉環(huán)控制。

2)熱變形的隔離設計

衛(wèi)星本體熱變形將導致SAR天線指向精度誤差變大,因此應盡可能隔離衛(wèi)星本體熱變形對SAR天線的影響。可采取的具體措施包括:①衛(wèi)星本體主承力結構和部分外壁板采用碳纖維鋪層蜂窩板結構,結構熱變形可在鋁蒙皮結構條件下降到最低;②SAR天線通過展開桁架安裝在衛(wèi)星本體上,安裝位置選擇衛(wèi)星本體主承力結構且接口剛度較高,以大幅降低衛(wèi)星本體熱變形影響;③影響SAR成像質量的衛(wèi)星姿態(tài)指向精度,主要由星敏感器決定,因此星敏感器盡可能安裝在距離SAR天線較近的載荷艙,且安裝在與SAR天線固連的主承力結構上或與SAR載荷進行結構設計,確保衛(wèi)星本體結構熱變形導致的指向變化極性一致,以降低熱變形對姿態(tài)精度的影響。

3．5 電磁兼容設計

SAR衛(wèi)星系統(tǒng)射頻設備多,發(fā)射功率大,射頻接收靈敏度高,因此在完成圍繞SAR載荷開展的機、電、熱設計基礎上,要進一步考慮衛(wèi)星系統(tǒng)電磁兼容性,確保各射頻設備具有安全的隔離度,能正常工作。

(1)按照電磁兼容性要求,明確射頻發(fā)射源和接收器,將所有可能的干擾源作為干擾向量,與所有可能的受擾設備建立對應的干擾關聯(lián)分析[7]。對于GF-3衛(wèi)星,其射頻系統(tǒng)包括SAR載荷、數(shù)傳設備、測控設備和GPS設備,其關聯(lián)矩陣如表3所示。根據(jù)關聯(lián)矩陣,可以對射頻設備的研制和試驗下達具體要求,從研制的源頭對衛(wèi)星電磁兼容進行考慮。

表3 射頻關聯(lián)矩陣Table 3 Incidence matrix of radio frequency

(2)針對SAR載荷大功率輻射特點,要加強對SAR載荷和數(shù)傳設備發(fā)射機雜波抑制度控制,以確保SAR載荷工作時產(chǎn)生的雜波干擾電平對衛(wèi)星平臺天線不產(chǎn)生影響。發(fā)射機雜波抑制度可以通過電磁兼容試驗確認,根據(jù)GF-3衛(wèi)星各射頻設備電磁兼容分析,要求SAR載荷在USB接收頻段的帶外雜波抑制度優(yōu)于110 dB,在GPS接收頻段的帶外雜波抑制度優(yōu)于100 d B。同時,為確保射頻收發(fā)設備的兼容性,各天線要有安全的隔離度。通過分析,GF-3衛(wèi)星各天線隔離度要求如表4所示,該要求可通過輻射模型星測試進行確認,GF-3衛(wèi)星天線隔離度測試如圖6所示。

表4 天線隔離度要求Table 4 Isolation requirements of antenna

圖6 GF-3衛(wèi)星天線隔離度測試Fig.6 Antenna isolation test of GF-3 satellite

(3)系統(tǒng)設計中考慮電源傳導干擾。在SAR衛(wèi)星系統(tǒng)中,要對衛(wèi)星設備供電分類控制,以減小衛(wèi)星在軌工作時母線電壓干擾波動。GF-3衛(wèi)星采用雙供電母線物理隔離布線,并遵循以下原則:①不同母線電源控制器與電源配電器獨立布置;②減少平臺傳導敏感設備與SAR天線大功率母線干擾的耦合途徑,降低耦合度來避免干擾;③重視電纜網(wǎng)走線分類隔離的同時,關注不同電壓接地隔離,且不同供電元器件安裝要進行空間隔離;④從高電壓電路到低電壓電路的信號增加隔離抑制措施。

(4)在電磁兼容設計中關注電信號系統(tǒng)接地設計,以構筑一個良好的電信號系統(tǒng),降低無用信號干擾[8]。GF-3衛(wèi)星采用對高頻設備多點接地和對低頻設備單點接地的混合式接地方案,衛(wèi)星設置一個主接地參考點,將兩條母線連接起來;每個低頻分系統(tǒng)設置一個本地接地點,這些接地點低阻連接到衛(wèi)星結構上,且位于分系統(tǒng)配電器內。此外,為防止不良接地,各接地參考點對衛(wèi)星結構或安裝板的搭接位置選取在易吸收和易泄放電荷的金屬結構處。

4 結束語

以GF-3衛(wèi)星為代表的平面相控陣天線體制SAR衛(wèi)星系統(tǒng),由于大承載、高功耗、大熱耗、多頻段等特點,需要在衛(wèi)星系統(tǒng)設計過程中采用復雜機、電、熱、磁約束下的設計,才能獲得優(yōu)化的衛(wèi)星系統(tǒng)設計方案,全面滿足衛(wèi)星系統(tǒng)需求。GF-3衛(wèi)星自2016年8月發(fā)射入軌以來,一直穩(wěn)定運行,載荷狀態(tài)良好,實現(xiàn)了定量化、多極化應用[10]及地面運動目標檢測(GMTI)[11]等新技術,獲得的SAR圖像數(shù)據(jù)已經(jīng)廣泛應用在海洋、水利、氣象、減災等國民經(jīng)濟領域,發(fā)揮了重要作用,進一步證明了GF-3衛(wèi)星復雜機、電、熱、磁約束條件下綜合設計的正確性[9]。本文介紹的衛(wèi)星系統(tǒng)分析及設計方法,是以SAR載荷需求為核心,綜合考慮了衛(wèi)星電源、構型、熱控等方面的約束,以及衛(wèi)星系統(tǒng)的工程可行性,可對中國后續(xù)SAR衛(wèi)星系統(tǒng)設計提供參考。

References)

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Syetem Design Under Complex Restrictions of GF-3 Satellite

LIU Jie ZHANG Qingjun LI Yan QI Yalin TANG Zhihua
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

GF-3 satellite is the first planar phased array SAR satellite in civil field in China,which deploys a large scale,high weight,high power,large thermal consumption SAR antenna,so an integrated system design method is adopted under these complex restrictions．The SAR payload restrictions of GF-3 satellite are teased,a system integrated design thought is brought up,and the process of system design and optimization is introduced around the SAR payload under the structural-electromagnetic-thermal restrictions in detail．Finally,the optimization design scheme is given in antenna mechanism,structure shape,thermal control,expanding mechanism requirement of SAR antenna,the power supply and the solar wing．

GF-3 satellite;SAR payload;structural-electromagnetic-thermal restriction;system design

V474．2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.002

2017-10-10;

2017-11-28

國家重大科技專項工程

劉杰,男,博士,研究員,研究方向為航天器系統(tǒng)與總體技術。Email:liujie＠cast．cn。

(編輯:夏光)