一種基于時(shí)間調(diào)制的彈性化SAR衛(wèi)星系統(tǒng)

曹岸杰，王 輝，劉慶波，成 飛

(1. 上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109； 2. 上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海 201109)

0 引言

近年來(lái)，星載高分辨率遙感技術(shù)得到了迅速發(fā)展。高分辨率遙感衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)在對(duì)大型自然災(zāi)害的災(zāi)害響應(yīng)、災(zāi)情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、災(zāi)后重建等方面發(fā)揮了重要作用[1]。目前，基于光學(xué)圖像的地震災(zāi)害災(zāi)后評(píng)估技術(shù)已發(fā)展得較為成熟，許多研究人員在該領(lǐng)域開展了大量的研究工作。但自然災(zāi)害往往伴隨著惡劣天氣，如2008年5月12日汶川地震后，由于重災(zāi)地區(qū)位于西藏高原東部邊緣，降水量與降水頻率極高；2014年威馬遜臺(tái)風(fēng)登陸海口時(shí)，天空云層覆蓋密集。多變的天氣、光照強(qiáng)度有時(shí)會(huì)影響衛(wèi)星光學(xué)有效載荷的觀測(cè)效果，降低觀測(cè)精度、觀測(cè)頻率，無(wú)法及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取受災(zāi)地區(qū)情況。

SAR衛(wèi)星可提供全天時(shí)、全天候、高分辨率的圖像遙感數(shù)據(jù)，在第一時(shí)間獲得災(zāi)區(qū)受災(zāi)情況的分布情況，并能提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)信息，對(duì)應(yīng)急救援、災(zāi)害評(píng)估的意義重大。然而，SAR衛(wèi)星載荷功耗巨大、幅寬有限一定程度上限制了衛(wèi)星廣域成像或多目標(biāo)詳細(xì)觀測(cè)的能力。同時(shí)，SAR衛(wèi)星龐大的微波組件規(guī)模與基線尺寸也限制了衛(wèi)星在軌數(shù)量。

隨著雙基/多基SAR衛(wèi)星系統(tǒng)的提出[2]，SAR衛(wèi)星突破了外形包絡(luò)、發(fā)射質(zhì)量帶來(lái)的制約，具有更靈活的觀測(cè)基線設(shè)計(jì)和更多樣化的工作模式。隨著毫米波射頻器件日益成熟與星載調(diào)頻連續(xù)波SAR載荷技術(shù)飛速發(fā)展，SAR衛(wèi)星具備了小型化、多模式的發(fā)展?jié)撡|(zhì)。德國(guó)宇航中心(DLR)在TerraSAR-X衛(wèi)星成功發(fā)射后，開展了Tandem-X衛(wèi)星的研制與發(fā)射工作；荷蘭開展了基于X波段FMCW SAR衛(wèi)星PanelSAR的研制工作；法國(guó)提出了Cartwheel衛(wèi)星星座。然而，現(xiàn)有的雙基/多基SAR衛(wèi)星均采用相同設(shè)計(jì)，因此規(guī)模與成本也相應(yīng)增加。雙基/多基SAR衛(wèi)星采用獨(dú)立的本振調(diào)制與解調(diào)，需通過(guò)星間同步鏈路保障SAR載荷的性能，增加了衛(wèi)星復(fù)雜度，同時(shí)降低了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出了一種彈性化小衛(wèi)星星座系統(tǒng)?；谡{(diào)頻連續(xù)波技術(shù)、時(shí)間調(diào)制陣列技術(shù)、自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)，提供了一種小型化、模塊化、低成本的多基觀測(cè)系統(tǒng)方案，為后續(xù)多基衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展提供了彈性化的解決思路。

1 系統(tǒng)概述

彈性化衛(wèi)星系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1、2所示，該系統(tǒng)由發(fā)射星和接收星2類衛(wèi)星組成。發(fā)射星配置了Ka FMCW SAR發(fā)射載荷，接收星配置了Ka FMCW SAR接收載荷。該系統(tǒng)既可雙星組網(wǎng)觀測(cè)，也可依據(jù)觀測(cè)幅寬、應(yīng)用需求進(jìn)行彈性化組網(wǎng)觀測(cè)。衛(wèi)星均配置了全球掩星探測(cè)儀(GNSS)，用于高精度校時(shí)，提供全球掩星觀測(cè)數(shù)據(jù)；衛(wèi)星還配置了基于時(shí)間調(diào)制天線的電磁信號(hào)遙感載荷，用于廣域搜救、引導(dǎo)SAR自主成像等。其中，發(fā)射星配置了用于SAR成像背景輻射校正的多通道微波輻射計(jì)(MWS)。

圖1 發(fā)射星結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of proposed transmitter satellite

圖2 接收星結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of proposed receiver satellite

該系統(tǒng)的一大優(yōu)勢(shì)是能以較低的接收星研制成本實(shí)現(xiàn)高精度雙基/多基觀測(cè)。Ka FMCW SAR的引入不僅使衛(wèi)星具備了準(zhǔn)光學(xué)的觀測(cè)能力，而且大幅降低了在軌實(shí)時(shí)處理的復(fù)雜度。由于該系統(tǒng)可以在不同的星座構(gòu)型下彈性化運(yùn)行，具有單發(fā)射單接收(SISO)、單發(fā)射多接收(SIMO)、多發(fā)射多接收(MIMO)等不同模式，可以滿足可變幅寬成像、洋流測(cè)速甚至層析觀測(cè)的要求，因此需要通過(guò)自主任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)以滿足實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)要求。隨著臨近災(zāi)區(qū)或接收到求救信號(hào)的定位，星載任務(wù)規(guī)劃算法通常在一定時(shí)間(約5 s)內(nèi)積累目標(biāo)信息，形成特征集，然后衛(wèi)星選擇相應(yīng)的模式進(jìn)行最優(yōu)觀測(cè)，基于統(tǒng)一觀測(cè)基準(zhǔn)調(diào)度衛(wèi)星完成姿態(tài)機(jī)動(dòng)并完成高分辨率成像。由于災(zāi)區(qū)建筑物和地理特征會(huì)因?yàn)闉?zāi)情受到破壞，影響回波信號(hào)強(qiáng)度和背景的亮溫信息。衛(wèi)星通過(guò)周期性調(diào)用檢測(cè)算法，對(duì)圖像與遙感數(shù)據(jù)中紋理的差異進(jìn)行識(shí)別，從而規(guī)劃10 s后的觀測(cè)工作。

圖3 基于地標(biāo)的任務(wù)機(jī)動(dòng)Fig.3 Attitude maneuver based on unified benchmark

圖4 自主任務(wù)規(guī)劃Fig.4 Autonomous task planning

系統(tǒng)另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是基于星簇特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了星間同步方案。現(xiàn)有方案的主要方法有：基于星間同步鏈路傳遞連續(xù)高穩(wěn)頻率源信號(hào)的相位同步、基于雙向脈沖交換的相位同步、高穩(wěn)頻率源結(jié)合地面控制點(diǎn)的方法、基于直達(dá)波傳遞的相位同步、交替雙站模式相位同步等。但上述方法需通過(guò)復(fù)雜的星間/星地通信鏈路來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)將接收星簡(jiǎn)化為“空間路由器”結(jié)構(gòu)，直接將接收系統(tǒng)收到的雷達(dá)回波信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至發(fā)射星，避免了星間相位同步帶來(lái)的額外資源開銷。接收星僅作為空間路由器，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)回波信號(hào)。通過(guò)簡(jiǎn)化星載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)傳等分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由于Ka FMCW體制在低峰值發(fā)射功率方面具有優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)化后接收星的質(zhì)量?jī)H為同指標(biāo)下傳統(tǒng)衛(wèi)星方案的1/3，能在保障系統(tǒng)性能的同時(shí)，大幅減輕發(fā)射質(zhì)量，降低研制成本，使系統(tǒng)更靈活。

圖5 可擴(kuò)展星座結(jié)構(gòu)Fig.5 Expandable satellite constellation architecture

2 同步鏈路簡(jiǎn)化

為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)借鑒了類似“空間路由器”的概念，省去了目前收發(fā)分置式星載SAR系統(tǒng)中采用的星間雙向相位同步鏈路。為了不影響系統(tǒng)性能，雷達(dá)信號(hào)在接收-轉(zhuǎn)發(fā)路徑中的相位變化量必須保證恒定可控。為了保證發(fā)射星接收到來(lái)自多個(gè)接收星的回波且互不干擾，接收星需通過(guò)多載波頻率調(diào)制回波數(shù)據(jù)。然而，無(wú)雙向同步鏈路的傳統(tǒng)混頻器調(diào)制手段將引入額外的相位誤差。通過(guò)引入時(shí)間調(diào)制陣列系統(tǒng)[3]，在射頻端對(duì)回波進(jìn)行調(diào)制，由于時(shí)間調(diào)制的本質(zhì)是陣列信號(hào)的時(shí)間維度解耦[4]，因此可以避免額外的相位誤差[5]。在此基礎(chǔ)上，時(shí)間調(diào)制陣列還提供了一種空分復(fù)用的小型化解決方案。接收星和發(fā)射星載荷的原理框圖如圖6、圖7所示。

圖6 發(fā)射星載荷原理框圖Fig.6 Schematic diagram of transmitters

圖7 接收星載荷原理框圖Fig.7 Schematic diagram of receivers

時(shí)間調(diào)制陣列系統(tǒng)通過(guò)控制轉(zhuǎn)發(fā)天線陣列中射頻的開關(guān)狀態(tài)[6]，改變每個(gè)天線單元的工作狀態(tài)，并通過(guò)天線陣列系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。該方式下的天線只具有通、斷2種狀態(tài)，不會(huì)引入相位誤差，系統(tǒng)將諧波的功率聚焦到發(fā)射星接收天線方向，并按照預(yù)先頻分復(fù)用的約定，完成載波頻率偏移[7]。發(fā)射星同樣采用時(shí)間調(diào)制陣列完成多回波頻分空分轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的接收，利用多個(gè)諧波指向完成不同空間指向與頻率偏移[8]。衛(wèi)星系統(tǒng)觀測(cè)模式如圖8所示。

圖8 觀測(cè)模式示意圖Fig.8 Schematic diagram of observation mode

射頻開關(guān)的通、斷會(huì)產(chǎn)生各次諧波，通常情況下這些諧波被視為能量損失，而在高速射頻開關(guān)對(duì)每個(gè)天線單元工作狀態(tài)周期性的改變下，各次諧波能量在空間上耦合，天線單元的幅相改變等效于低旁瓣的離散泰勒分布[9-13]。

為了驗(yàn)證自適應(yīng)時(shí)間調(diào)制天線陣系統(tǒng)的性能，假設(shè)了應(yīng)用場(chǎng)景，開展了仿真工作。τi,on，τi,off表示第i個(gè)開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)閉時(shí)間，用于改變各次諧波的波束指向，其表達(dá)式為

(1)

式中：fc為載波頻率；Ti為控制序列的時(shí)間周期，決定了遷移頻率fp。

當(dāng)信號(hào)從與法線夾角θ°處射入時(shí)，第i個(gè)天線陣收到的信號(hào)表示為

si(t)=e-j(n-1)Kdsin θejωct

(2)

描述波束方向圖可表示為

(3)

以一個(gè)16元天線陣列的轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)為例，由圖10中的控制序列進(jìn)行調(diào)制，天線波束的方向結(jié)果如圖11所示。天線陣列同時(shí)產(chǎn)生正1次諧波指向10°方向，產(chǎn)生負(fù)3次諧波指向-30°方向，2個(gè)波束的頻率差為4/Tp，同時(shí)滿足了空分復(fù)用與頻分復(fù)用的需求。

圖10 控制時(shí)序Fig.10 Control sequence

圖11 波束方向圖Fig.11 Beam pointing pattern

在發(fā)射星端，針對(duì)多顆接收星的轉(zhuǎn)發(fā)需求，采用16單元兩維時(shí)間調(diào)制陣列天線，形成空間波束指向間隔20°的5個(gè)獨(dú)立波束。在保障主星和各接收星同時(shí)具有獨(dú)立鏈路的情況下，完成回波的載頻回遷，用于數(shù)據(jù)處理。

圖12 發(fā)射天線波束方向圖Fig.12 Pointing pattern of transmitter

3 發(fā)展展望

基于時(shí)間調(diào)制陣列的結(jié)構(gòu)特性，可將接收星進(jìn)一步簡(jiǎn)化為圖13中的“透視路由”，即將接收天線使用的時(shí)間調(diào)制陣列替代相控陣列天線，對(duì)地面天線通過(guò)高速時(shí)序調(diào)制，形成高增益、低旁瓣的對(duì)地掃描波束，在收到回波的同時(shí)，完成載頻遷移，由對(duì)天面天線輻射在空間耦合形成波束。初步設(shè)計(jì)結(jié)果表明，同增益下的透視天線系統(tǒng)的質(zhì)量是原有“相控陣+時(shí)間調(diào)制陣列”系統(tǒng)的1/5。采取上述的“透視路由”使衛(wèi)星系統(tǒng)具備了彈性化高分辨率寬幅SAR成像能力，也使全球數(shù)字高程模型(DEM)的探測(cè)精度有望進(jìn)一步提升。未來(lái)，系統(tǒng)低成本會(huì)帶來(lái)多樣化的基線設(shè)計(jì)，使星座系統(tǒng)可適應(yīng)洋流監(jiān)測(cè)、冰蓋厚度測(cè)量、植被特性監(jiān)測(cè)等一系列探測(cè)應(yīng)用需求。

圖13 透視天線Fig.13 Perspective antenna

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)星載雙基/多基SAR衛(wèi)星觀測(cè)小型化、多模式的需求，本文采用Ka FMCW SAR技術(shù)和時(shí)間調(diào)制陣列技術(shù)，基于彈性化衛(wèi)星星座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出了一種基于時(shí)間調(diào)制的彈性化SAR衛(wèi)星系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的大型雙基/多基SAR衛(wèi)星相比，該系統(tǒng)有效簡(jiǎn)化了衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)，省去了接收星數(shù)傳、存儲(chǔ)等星上分系統(tǒng)，避免了星間同步鏈路產(chǎn)生。同時(shí)可根據(jù)不同觀測(cè)任務(wù)的需要，提供了一種頻分、空分的“空間路由”架構(gòu)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、靈活性。后續(xù)還將針對(duì)時(shí)間調(diào)制陣列，開展基于“透視路由”的天線小型化設(shè)計(jì)。