國外編隊(duì)飛行干涉SAR衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展綜述

尹建鳳 張慶君 劉杰 張潤寧 趙良波 張弛 劉久利

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

從20世紀(jì)90年代中后期，合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)逐漸成熟，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，成為SAR應(yīng)用研究的熱點(diǎn)之一。星載合成孔徑雷達(dá)干涉測量系統(tǒng)以衛(wèi)星或航天飛機(jī)為遙感平臺(tái)，可廣泛應(yīng)用于地形測量(高精度的數(shù)字高程模型獲取)、地殼形變(地震位移、地面沉降)測量、土地利用和洋流監(jiān)測、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示等。利用星載干涉SAR技術(shù)進(jìn)行地形高程測繪主要有3種方式：重復(fù)軌道干涉SAR、單航過雙天線干涉SAR和編隊(duì)飛行干涉SAR，這3種星載干涉SAR測量方式分別在不同的時(shí)間段成為了研究熱點(diǎn)。在2000年NASA利用航天飛機(jī)實(shí)現(xiàn)單航過雙天線干涉SAR衛(wèi)星系統(tǒng)后，隨著小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，利用編隊(duì)衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行干涉測量成為星載干涉SAR的研究熱點(diǎn)，歐洲多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在該方向開展了深入研究，典型的方案有法日合作的“干涉車輪”(Cartwheel)計(jì)劃[1-2]和德國的X頻段陸地合成孔徑雷達(dá)-附加數(shù)字高程測量(TanDEM-X)[3-5]系統(tǒng)，其中成功的典型代表是已經(jīng)過在軌驗(yàn)證并成功應(yīng)用的TanDEM-X系統(tǒng)[5-6]。國內(nèi)針對(duì)這類系統(tǒng)的分析主要針對(duì)相對(duì)測高性能、數(shù)據(jù)處理等方面展開，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)情況和最新應(yīng)用的進(jìn)展報(bào)道較少。

本文針對(duì)編隊(duì)飛行干涉SAR系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研分析，主要圍繞系統(tǒng)性能指標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑以及TanDEM-X的在軌應(yīng)用情況幾方面進(jìn)行介紹，再對(duì)已成功應(yīng)用的TanDEM-X系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，得到啟示，以供其他同類型衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考。

1 編隊(duì)飛行干涉SAR系統(tǒng)及應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 法國Cartwheel計(jì)劃

Cartwheel計(jì)劃利用3顆小衛(wèi)星進(jìn)行編隊(duì)(圖1)，每顆小衛(wèi)星只用作接收，用一個(gè)傳統(tǒng)在軌大衛(wèi)星SAR發(fā)射信號(hào)，3顆小衛(wèi)星的編隊(duì)使得在任何時(shí)候都有一個(gè)垂直航向的基線和一個(gè)沿航向的基線，該系統(tǒng)有幾種應(yīng)用方向：利用其垂直航向基線可以獲取數(shù)字地形高程圖，利用沿航向基線測洋流和動(dòng)目標(biāo)，利用一發(fā)多收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)距離和方位超分辨等[1]。法國國家空間研究中心(French Space Agency，CNES)的研究人員分析，在考慮各種誤差的情況下，Cartwheel聯(lián)合ASAR微波雷達(dá)傳感器得出的測高精度優(yōu)于4 m。在2001年Cartwheel干涉SAR系統(tǒng)提出之初[1]，提出了用3個(gè)偏心率相同、近地點(diǎn)不同的小衛(wèi)星與大衛(wèi)星組網(wǎng)的編隊(duì)構(gòu)型，小衛(wèi)星間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為橢圓，同時(shí)考慮了用作發(fā)射源的大衛(wèi)星包括“先進(jìn)陸地觀測衛(wèi)星”(Advanced Land Observing Satellite，ALOS)和“環(huán)境衛(wèi)星”(Environmental Satellite，Envisat)。2009年，又有學(xué)者對(duì)Cartwheel計(jì)劃進(jìn)行研究，發(fā)射源衛(wèi)星增加了陸地合成孔徑雷達(dá)-X頻段(TerraSAR-X)，并討論了交軌鐘擺、順軌干涉車輪和干涉車輪-鐘擺相結(jié)合的編隊(duì)構(gòu)型，認(rèn)為如果只有2個(gè)接收小衛(wèi)星的情況，交軌鐘擺式編隊(duì)構(gòu)型較好，可提供周期性變化的交軌基線長度和穩(wěn)定的順軌基線；如果可有3個(gè)接收小衛(wèi)星，則干涉車輪-鐘擺相結(jié)合的編隊(duì)構(gòu)型更具有靈活性，能提供可變的順軌、垂直基線和包絡(luò)穩(wěn)定的交軌基線[2]。2010年后關(guān)于Cartwheel計(jì)劃的報(bào)道非常少，目前該計(jì)劃仍停留在方案階段，因此本文不對(duì)Cartwheel計(jì)劃做深入論述。

圖1 Cartwheel干涉SAR衛(wèi)星軌道構(gòu)型示意Fig.1 Orbit formation of Cartwheel interferometric SAR satellites

1.2 德國TanDEM-X系統(tǒng)任務(wù)情況

1)TanDEM-X系統(tǒng)任務(wù)要求

TanDEM-X衛(wèi)星是歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)(EADS)的Astrium公司和德國航天局聯(lián)合研制的一顆衛(wèi)星，2010年6月21日在拜科努爾發(fā)射場成功發(fā)射，它和2007年6月15日發(fā)射的TerraSAR-X衛(wèi)星形成近距離編隊(duì)飛行。TerraSAR-X是一顆用于科學(xué)研究和商業(yè)運(yùn)營的X頻段高分辨率SAR衛(wèi)星，由德國教育科技部和德國航天局以及Astrium GmbH公司3家單位合作研制，至今仍在軌工作[3]。

為了便于編隊(duì)飛行干涉SAR系統(tǒng)協(xié)同工作和保持高相干性，TanDEM-X僅相對(duì)TerraSAR-X做了非常小的改動(dòng)，除此之外的平臺(tái)和載荷完全相同，與干涉測繪任務(wù)相關(guān)的改動(dòng)包括以下2點(diǎn)：

(1)為了實(shí)現(xiàn)自主編隊(duì)飛行控制，TanDEM-X增加了用于接收TerraSAR-X的S頻段遙測信號(hào)的接收機(jī)和解碼器設(shè)備，以獲取TerraSAR-X的位置、速度、姿態(tài)和工作模式等信息，為編隊(duì)飛行機(jī)動(dòng)控制指令的執(zhí)行提供輸入。

(2)TanDEM-X上增加了冷氣推進(jìn)系統(tǒng)，用于執(zhí)行相對(duì)于TerraSAR-X的相對(duì)位置和姿態(tài)機(jī)動(dòng)控制指令。

該系統(tǒng)的首要任務(wù)是完成對(duì)全球陸地高程的干涉測繪(通過幾百米的典型交軌基線編隊(duì)構(gòu)型實(shí)現(xiàn))，其次是獲取本土地區(qū)更高精度的數(shù)字高程模型(DEM)(通過增長空間基線長度實(shí)現(xiàn))，此外，還可以利用其順軌基線在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測、地面交通管制和洋流監(jiān)測方面有所應(yīng)用[4-5]。

TanDEM-X系統(tǒng)編隊(duì)構(gòu)型如圖2所示，任務(wù)性能要求如表1所示。

2)TanDEM-X系統(tǒng)工作模式、數(shù)據(jù)獲取及應(yīng)用情況[6-7]

利用TanDEM-X系統(tǒng)進(jìn)行干涉SAR數(shù)據(jù)獲取有3種模式，追趕式單站模式、標(biāo)準(zhǔn)雙站模式和交替式雙站模式，其收發(fā)波束示意圖如圖3所示。3種模式中，采用標(biāo)準(zhǔn)雙站模式完成標(biāo)準(zhǔn)DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品的獲取，其他模式將用于系統(tǒng)標(biāo)校、確認(rèn)和驗(yàn)證等試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取。

圖2 TanDEM-X系統(tǒng)在軌飛行示意圖Fig.2 TanDEM-X system on-orbit flying sketch map

交軌干涉(DEM)基線要求相對(duì)垂直精度/m2～4交軌基線長度150m～2km(可調(diào))絕對(duì)垂直精度/m10順軌基線長度/km<2(可調(diào))平面精度/m10基線測量精度/mm2～4(無控制點(diǎn))DEM網(wǎng)格/m12星間最近距離/m≥150(安全要求)順軌干涉(ATI)軌道參數(shù)速度測量精度/(m/s)0.01(海冰漂移)軌道類型太陽同步軌道0.1(洋流監(jiān)測)軌道周期11天/167軌1(交通管制)軌道高度/傾角514km/97.44°SAR載荷主要指標(biāo)指標(biāo)條帶模式掃描模式聚束模式分辨率(R×A)3m×3m16m×16m1m×1m場景(R×A)30km×采集長度100km×采集長度10km×5km視角范圍/(°)20～4520～4520～55等效噪聲后向散射系數(shù)/dB-22-21-20

圖3 TanDEM-X系統(tǒng)工作模式Fig.3 TanDEM-X dataacquisition mode

在TanDEM-X發(fā)射后至2010年10月14日，完成了雙星編隊(duì)構(gòu)型調(diào)整和測試，雙星間順軌基線約為20 km，開始以單站追趕式模式工作，以驗(yàn)證TanDEM-X的系統(tǒng)性能和產(chǎn)品質(zhì)量，確保與TerraSAR-X的成像質(zhì)量相當(dāng)。之后開始雙站模式的試運(yùn)行，主要任務(wù)是確認(rèn)雙站模式的信號(hào)鏈路完整可用。雙站模式的難點(diǎn)是系統(tǒng)同步和干涉基線的測量與校準(zhǔn)，經(jīng)過足夠的測試后，已于2010年12月采用標(biāo)準(zhǔn)式雙站模式開始進(jìn)行正常測繪作業(yè)，最優(yōu)基線在150～500 m范圍內(nèi)。

截至目前，對(duì)照任務(wù)要求，TanDEM-X系統(tǒng)超出預(yù)期的完成了任務(wù)。從2010年12月開始，至2014年夏天已經(jīng)完成了2次全球覆蓋(包括南極洲)、兩次對(duì)測圖困難區(qū)的補(bǔ)充覆蓋。目前，數(shù)據(jù)獲取任務(wù)主要用于科學(xué)研究的需求。第一次全球覆蓋在2012年3月完成，模糊高度為50 m，第二次全球覆蓋在2013年3月完成，模糊高度選為35 m，兩次模糊高度的選擇經(jīng)過合理優(yōu)化，利于陡峭地區(qū)的相位解纏。2013年4月到2014年7月主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)測圖困難地區(qū)的補(bǔ)充測繪，如陡峭崎嶇地區(qū)、沙漠和森林地帶。根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和評(píng)估結(jié)果，絕對(duì)高程精度優(yōu)于10 m(99.73%)，優(yōu)于1.13 m的樣本占90%，相對(duì)高程精度約為0.8 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其設(shè)計(jì)指標(biāo)。從2014年10月開始，TanDEM-X系統(tǒng)開始進(jìn)行試驗(yàn)和科學(xué)應(yīng)用，包括追趕式單站干涉、長交軌基線雙站干涉、順軌干涉、極化干涉、超分辨和數(shù)字波束形成[6-8]。

2 TanDEM-X系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)突破情況分析

2.1 高精度星間基線測量技術(shù)

為了滿足TanDEM-X系統(tǒng)的2 m相對(duì)高程測量精度要求，其空間基線估計(jì)精度需達(dá)到1 mm，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，兩顆衛(wèi)星上都安裝了跟蹤、掩星和測距設(shè)備(TOR)，包括高精度雙頻GPS接收機(jī)(集成的GPS掩星接收機(jī)，IGOR)和激光角反射器[9-10]。其中，大地測量應(yīng)用的雙頻GPS接收機(jī)是決定空間基線測量精度的重要設(shè)備。通過地面上利用GPS信號(hào)模擬器的廣泛驗(yàn)證，IGOR可達(dá)到的具有代表性的偽碼和載波相位對(duì)應(yīng)的精度分別為0.1 m和1 mm。另外，作為備份，每個(gè)衛(wèi)星還都安裝了L1載波單頻GPS接收機(jī)，單載頻接收機(jī)2008年在TerraSAR-X上的三維定軌精度達(dá)到了0.5～1 m，目前基于單頻GPS的定軌精度可達(dá)到20 cm左右。

利用IGOR的偽距和載波相位測量值進(jìn)行軌道確定，衛(wèi)星的絕對(duì)位置確定精度可達(dá)到厘米級(jí)。TerraSAR-X早期的驗(yàn)證已表明利用激光測距可使軌道測量精度(rms)達(dá)到約3 cm。對(duì)TanDEM-X編隊(duì)構(gòu)型，由于星間距離較近，且采用的定軌方法有相似之處，所以兩星的路徑延遲和算法引起的定軌誤差分量相近，將定軌結(jié)果差分可以消除兩星的大部分公共誤差分量，兩星定軌結(jié)果差分即得到干涉基線矢量，因此利用差分雙頻GPS技術(shù)可進(jìn)一步提高相對(duì)定位精度。在實(shí)際應(yīng)用中，采用差分載波相位測量法獲得兩星的相對(duì)位置，一方面能夠消除兩星大部分共有的定軌誤差，同時(shí)將載波相位和偽距數(shù)據(jù)融合解算GPS整周模糊度，這種方法的基線測量精度主要受載波相位測量噪聲的影響，再通過算法優(yōu)化和對(duì)更細(xì)節(jié)因素的補(bǔ)償，星間基線測量精度可達(dá)1 mm以內(nèi)。這種基于雙頻差分GPS技術(shù)的基線測量方法已經(jīng)在“重力場反演與天氣試驗(yàn)”(GRACE)衛(wèi)星的A星和B星上進(jìn)行過驗(yàn)證，當(dāng)基線220 km時(shí)，基線測量精度達(dá)到0.7 mm，經(jīng)過了Ka頻段雷達(dá)的檢驗(yàn)[11-12]。在TanDEM-X和TerraSAR-X上，由于沒有其他設(shè)備作為檢驗(yàn)手段，用2個(gè)不同研究機(jī)構(gòu)的軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，得到的基線測量精度為[0.48,0.74,0.63] mm[13]。為了獲得上述的高精度相對(duì)定位結(jié)果，TanDEM-X雙星編隊(duì)系統(tǒng)在精密定軌方面增加了以下工作：①對(duì)TanDEM-X的機(jī)動(dòng)需要建立相應(yīng)的軌道擾動(dòng)模型，并消除這種機(jī)動(dòng)對(duì)基線測量的影響；②星間時(shí)間同步，需要將TerraSAR-X和TanDEM-X的原始定軌數(shù)據(jù)同步到相同的GPS歷元，以消除時(shí)鐘誤差的影響；③考慮并消除太陽光壓的影響，對(duì)如此精確的相對(duì)軌道確定，即使是LEO軌道仍需要消除太陽光壓的影響。

2.2 高精度星間同步技術(shù)

編隊(duì)飛行干涉SAR的星間同步包括3個(gè)方面：時(shí)間同步，空間同步和頻率同步。時(shí)間和空間同步是為了確保兩顆星的主波束在同時(shí)覆蓋地面同一區(qū)域、兩星接收回波信號(hào)的時(shí)間窗口同步，頻率同步(也稱相位同步)是為了使兩星各自頻率漂移導(dǎo)致的干涉相位誤差足夠小，對(duì)干涉相位的影響可忽略[7,14]。

1)時(shí)間同步

TanDEM-X和TerraSAR-X每次開機(jī)成像時(shí)采用GPS秒脈沖觸發(fā)產(chǎn)生雷達(dá)定時(shí)脈沖信號(hào)，后續(xù)定時(shí)脈沖信號(hào)由載荷內(nèi)部晶振產(chǎn)生，由于兩星載荷晶振的不一致將會(huì)導(dǎo)致SAR載荷的快時(shí)間產(chǎn)生不同的漂移，為避免對(duì)距離采樣窗產(chǎn)生影響，需要調(diào)整采樣脈沖重復(fù)間隔(PRI)，這需要知道兩個(gè)載荷的頻率差，通過兩星間的頻率同步脈沖可以準(zhǔn)確獲知兩個(gè)載荷的頻率差，TanDEM-X的星間同步精度可達(dá)1 μs。

2)頻率同步

為實(shí)現(xiàn)星間的時(shí)間和頻率同步，采取兩星對(duì)發(fā)頻率同步脈沖的策略，為了保證近實(shí)時(shí)全方位的頻率同步脈沖接收，在每個(gè)衛(wèi)星上都安裝6個(gè)同步喇叭天線以提供準(zhǔn)全向波束覆蓋。

星間頻率同步的時(shí)序圖如圖4所示。為獲取高信噪比同步信號(hào)，采用CHIRP信號(hào)作為同步脈沖。雙站模式SAR數(shù)據(jù)獲取將會(huì)被周期性地中斷，此時(shí)同步脈沖將從衛(wèi)星1的SAR主天線上發(fā)射至衛(wèi)星2專用于同步的喇叭天線，衛(wèi)星2記錄該脈沖后再回傳一短同步脈沖給衛(wèi)星1，圖4中τp為同步脈沖寬度，τ12為同步脈沖信號(hào)從衛(wèi)星1到達(dá)衛(wèi)星2的時(shí)間，τ21為信號(hào)從衛(wèi)星2到衛(wèi)星1的時(shí)間，τsys為從衛(wèi)星1開始發(fā)射同步脈沖到衛(wèi)星2開始返回第一個(gè)同步脈沖的時(shí)延?；舅悸肥峭ㄟ^對(duì)交換的同步脈沖信號(hào)處理獲得兩星上頻率源引起的相位差異，以用其對(duì)雙站干涉圖進(jìn)行相位補(bǔ)償。另外，同步脈沖信號(hào)獲取時(shí)可認(rèn)為兩頻率源的頻率是常數(shù)，因此還可從同步信號(hào)相位差的線性部分提取出其頻率差，進(jìn)而完成時(shí)間同步。

經(jīng)過TanDEM-X系統(tǒng)在軌驗(yàn)證，當(dāng)同步信號(hào)鏈的信噪比大于30 dB，且同步脈沖頻率大于5 Hz時(shí)，可滿足9.65 GHz的中心頻率上，頻率源相位誤差不大于1°的雙站干涉要求。當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)雙站干涉模式時(shí)，兩星距離幾百米，同步信號(hào)的信噪比可以達(dá)到50 dB以上[15]。

圖4 星間同步脈沖時(shí)序圖Fig.4 Timing diagram for exchange of synchronization pulses

3)空間同步

空間同步是為了使兩星在成像時(shí)盡可能覆蓋相同的地面成像區(qū)域，一般會(huì)認(rèn)為采取主星天線正側(cè)視指向成像區(qū)域、輔星天線以小角度斜視指向成像區(qū)域的方法會(huì)保證最好的觀測區(qū)域重疊，但這會(huì)導(dǎo)致多普勒去相干增加。經(jīng)過對(duì)上述波束導(dǎo)引策略和兩星天線各自按正側(cè)視進(jìn)行波束導(dǎo)引兩種方法比較，后者能達(dá)到的兩星波束指向誤差約為3%波束寬度，同時(shí)保持較好的多普勒相干性，會(huì)損失較小的增益(一般不大于0.5 dB)，在系統(tǒng)增益較大的情況下，影響可忽略，因此TanDEM-X選擇了后者。

2.3 編隊(duì)飛行控制技術(shù)

TanDEM-X和TerraSAR-X選用HELIX編隊(duì)構(gòu)形，該構(gòu)形通過對(duì)另一顆衛(wèi)星設(shè)定不同的升交點(diǎn)赤經(jīng)來獲得軌道面外(水平方向)的星間距，通過設(shè)置不同的偏心率(e)和平近點(diǎn)角來獲得軌道面內(nèi)的星間距(垂直方向)[16]。如果兩顆衛(wèi)星都按標(biāo)稱軌道運(yùn)行，則不會(huì)有碰撞的機(jī)會(huì)。然而，實(shí)際中，由于軌道初始設(shè)置誤差的存在和各種擾動(dòng)因素，兩顆衛(wèi)星將逐漸偏離其設(shè)計(jì)軌道，星間基線構(gòu)型也將改變，其中最嚴(yán)重的就是Δe的順時(shí)針方向漂移容易導(dǎo)致相對(duì)偏心率矢量與相對(duì)傾角矢量垂直，這就增加了編隊(duì)衛(wèi)星的碰撞概率。因此，必須進(jìn)行編隊(duì)構(gòu)形保持。

經(jīng)過多種構(gòu)形保持策略的對(duì)比，選用了自主編隊(duì)飛行控制(TAFF)策略，這種控制方法的精度比采用全部基于地面站控制的絕對(duì)軌道控制精度高10倍，其中TerraSAR-X是編隊(duì)構(gòu)形的主導(dǎo)者，TanDEM-X通過S頻段星間鏈路接收TerraSAR-X的遙測信號(hào)，從遙測信號(hào)獲取TerraSAR-X的軌道和姿態(tài)等信息，進(jìn)而通過主動(dòng)控制自己與TerraSAR-X的相對(duì)位置來保持該構(gòu)形。TerraSAR-X的絕對(duì)軌道位置由地面控制，以使其接近標(biāo)稱軌道。為了保持編隊(duì)構(gòu)形不變，TanDEM-X需首先復(fù)制TerraSAR-X執(zhí)行絕對(duì)軌道維持的指令，再進(jìn)行小范圍的軌道機(jī)動(dòng)來校正自然軌道漂移和其他擾動(dòng)導(dǎo)致的相對(duì)軌道參數(shù)變化。為了由TanDEM-X完成星間構(gòu)形保持任務(wù)，除了在兩顆衛(wèi)星上都安裝了用于絕對(duì)軌道維持的肼推進(jìn)系統(tǒng)(兩組4個(gè)1 N推力器)外，還專門在TanDEM-X上安裝了高壓氮?dú)馔七M(jìn)系統(tǒng)(兩組4個(gè)40 mN推力器)，這種冷氣推進(jìn)系統(tǒng)的推力比肼推進(jìn)系統(tǒng)小得多，主要用于TanDEM-X的編隊(duì)構(gòu)形控制。根據(jù)分析，以兩星定軌和定姿結(jié)果為輸入實(shí)現(xiàn)相對(duì)導(dǎo)航，TanDEM-X的TAFF自主控制子系統(tǒng)的相對(duì)軌道控制精度為(相對(duì)TerraSAR-X衛(wèi)星)：徑向方向2 m(沿半長軸方向)，交軌方向10 m(1σ)，其控制策略框圖如圖5所示。

圖5 編隊(duì)構(gòu)形控制策略框圖Fig.5 Schematic functional view of autonomous formation flying

3 對(duì)其他類似系統(tǒng)研制的啟示

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)啟示

(1)從分布式干涉SAR的體制上講，類似于TanDEM-X的雙星編隊(duì)系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜度要低于類似于Cartwheel的一主多輔收發(fā)分置系統(tǒng)，因?yàn)楹笳咧餍桥c輔星距離較遠(yuǎn)，雙站SAR特性明顯，覆蓋區(qū)域、分辨率等系統(tǒng)性能會(huì)隨一發(fā)多收的編隊(duì)構(gòu)型發(fā)生變化使系統(tǒng)性能實(shí)現(xiàn)和控制相對(duì)困難，TanDEM-X編隊(duì)構(gòu)型主從兩星間距離較近且相對(duì)穩(wěn)定，基本等效于單站SAR，系統(tǒng)性能實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易。

(2)TanDEM-X以相對(duì)簡易的系統(tǒng)達(dá)到了目前全球陸地測繪的最高標(biāo)準(zhǔn)，主要取決于其在系統(tǒng)與任務(wù)層面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如為了解決陡峭地區(qū)測繪問題，TanDEM-X系統(tǒng)以大小不同的兩次模糊高度獲取全球數(shù)據(jù)[6]，針對(duì)沙漠地區(qū)后向散射系數(shù)小的問題，采取小入射角進(jìn)行觀測；TanDEM-X軌道構(gòu)型在不同緯度的有效基線不同，可通過調(diào)整入射角維持相同的模糊高度，提高不同緯度地區(qū)的高程測量精度一致性。

(3)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)首先梳理最為關(guān)注的頂層系統(tǒng)指標(biāo)，以這些頂層系統(tǒng)指標(biāo)優(yōu)化為目標(biāo)，以影響頂層系統(tǒng)性能的各要素(關(guān)鍵技術(shù)/分系統(tǒng)/單機(jī)等)之間的邏輯關(guān)系為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，而不是單獨(dú)追求某個(gè)影響因素的極限指標(biāo)，比如兩顆衛(wèi)星的偏航導(dǎo)引采用各自偏航導(dǎo)引的策略，雖然在覆蓋重疊度和收發(fā)合成天線方向系數(shù)方面略有損失，但對(duì)相干性的保持有利；此外，應(yīng)重視和提前預(yù)估數(shù)據(jù)處理在整個(gè)鏈路中的作用，避免過度提高某一段性能指標(biāo)導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)難度的大幅增加。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)途徑啟示

1)波束對(duì)準(zhǔn)策略

干涉SAR要求主副天線波束盡可能對(duì)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)空間同步保證足夠的重疊覆蓋區(qū)域和收發(fā)合成天線增益。如2.2節(jié)所述，TanDEM-X系統(tǒng)沒有采用輔星接收波束指向主星照射區(qū)域的策略，而是采取兩顆SAR衛(wèi)星都工作于正側(cè)視模式，分別進(jìn)行偏航導(dǎo)引的策略，即通過兩顆衛(wèi)星各自的姿態(tài)測量與控制和天線波束指向精度實(shí)現(xiàn)波束對(duì)準(zhǔn)，在順軌基線適當(dāng)?shù)臈l件下，能夠在保證相干性的同時(shí)滿足波束對(duì)準(zhǔn)的要求，相比第1種策略，降低了實(shí)現(xiàn)難度。

2)時(shí)間同步策略

TanDEM-X系統(tǒng)時(shí)間同步采用的是在每次成像開始時(shí)以GPS秒脈沖觸發(fā)，利用星間同步鏈路獲得兩載荷時(shí)間差的方法。我們?cè)谶M(jìn)行類似系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，可以依據(jù)當(dāng)前的新技術(shù)，采取每秒利用GPS秒脈沖對(duì)SAR載荷授時(shí)的策略，兩載荷的時(shí)間精度與GPS秒脈沖精度一致，這將減輕星間同步鏈路數(shù)據(jù)處理的工作量。

3)基線測量精度實(shí)現(xiàn)的啟示

星間基線測量是編隊(duì)飛行干涉SAR系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)，TanDEM-X采用差分GPS實(shí)現(xiàn)，硬件相對(duì)成熟簡單，針對(duì)LEO亞毫米級(jí)的相對(duì)定位精度要求的特殊應(yīng)用場景，主要從模型、算法方面進(jìn)行補(bǔ)償和修正，對(duì)輔星機(jī)動(dòng)對(duì)軌道的干擾、兩星時(shí)間同步和太陽光壓對(duì)定軌的影響都進(jìn)行了考慮和補(bǔ)償。這為國內(nèi)采取類似相對(duì)定位系統(tǒng)需要考慮的校正因素提供了參考。

4 結(jié)束語

從對(duì)目前關(guān)注度較高的兩種體制的編隊(duì)飛行干涉SAR系統(tǒng)，尤其是已在軌成功應(yīng)用的TanDEM-X系統(tǒng)的調(diào)研分析，星地一體全鏈路的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)高效費(fèi)比的關(guān)鍵，尤其需要重視數(shù)據(jù)處理的作用，應(yīng)通過仿真試驗(yàn)等手段提前摸索、合理分解各部分的指標(biāo)要求；TanDEM-X系統(tǒng)的星間基線測量、空間同步和頻率同步以及編隊(duì)飛行控制技術(shù)的解決途徑可達(dá)到較好的性能，其時(shí)間同步方法可基于當(dāng)前技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，以減小實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，以上結(jié)論可為類似系統(tǒng)的研究和研制提供參考。

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