意大利下一代雷達(dá)成像衛(wèi)星發(fā)展概述

馬楠 徐冰 （ 中國(guó)空間技術(shù)研究院， 北京空間科技信息研究所）

2019年12月18日，意大利下一代雷達(dá)成像衛(wèi)星星座—“第二代地中海盆地觀測(cè)小衛(wèi)星星座”（CSG）的首發(fā)星（CSG－1），利用“聯(lián)盟-弗雷蓋特”（Soyuz-Fregat）運(yùn)載火箭成功發(fā)射，將接替第一代“地中海盆地觀測(cè)小衛(wèi)星星座”（Cosmo-SkyMed），為意大利軍民用戶提供連續(xù)、高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)情報(bào)服務(wù)。

1 任務(wù)背景

1996年，意大利政府啟動(dòng)國(guó)家對(duì)地觀測(cè)計(jì)劃，并于1997年出臺(tái)了“1998－2002年國(guó)家航天計(jì)劃”，意大利航天局（ASI）的Cosmo-SkyMed星座項(xiàng)目列入其中，并作為該計(jì)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目。2001年，意大利國(guó)防部加入Cosmo-SkyMed項(xiàng)目，使該系統(tǒng)具有明顯的軍事背景。

Cosmo-SkyMed星座

Cosmo-SkyMed是由意大利航天局和意大利國(guó)防部聯(lián)合投資發(fā)展的軍民兩用雷達(dá)成像四星星座，能夠?qū)崿F(xiàn)全天時(shí)、全天候的高分辨率成像偵察，為意大利政府和軍方提供軍、民用的雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)。

泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）作為Cosmo-SkyMed系統(tǒng)的主承包商，負(fù)責(zé)建造衛(wèi)星平臺(tái)和雷達(dá)載荷。4顆Cosmo-SkyMed衛(wèi)星已于2007－2010年間發(fā)射部署，目前均超期服役。Cosmo-SkyMed衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量1700kg，設(shè)計(jì)壽命5年，運(yùn)行在高度619.6km、傾角97.86°的晨昏太陽(yáng)同步軌道(SSO)。4顆衛(wèi)星部署在同一軌道面，標(biāo)稱情況下各衛(wèi)星等間距分布，平均重訪時(shí)間可以達(dá)到半天。衛(wèi)星采用TAS公司的“多用途可重構(gòu)意大利衛(wèi)星平臺(tái)”（PRIMA），載有合成孔徑雷達(dá)－2000（SAR－2000），工作在X頻段，具有聚束、條帶和掃描3種成像模式，最高分辨率優(yōu)于1m。該星座的最高日采集能力為在條帶或掃描模式下連續(xù)工作10min，或是在聚束模式下采集20幅圖像。

Cosmo-SkyMed衛(wèi)星外形圖

CSG星座

CSG衛(wèi)星項(xiàng)目由意大利國(guó)防部投資，由意大利航天局給定任務(wù)需求，仍然作為軍民兩用系統(tǒng)接替現(xiàn)役Cosmo-SkyMed系統(tǒng)。由于沒(méi)有充足的資金研制四星星座，因此意大利政府同意先研發(fā)兩顆衛(wèi)星，將加入歐洲“多國(guó)天基成像系統(tǒng)”（MUSIS），CSG－2衛(wèi)星計(jì)劃于2020年底發(fā)射。

2015年9月，TAS公司與意大利政府簽訂合同，為其研制首顆CSG衛(wèi)星，并為第二顆衛(wèi)星購(gòu)買所需的組件，合同價(jià)值1.82億歐元（約2億美元）。

2 任務(wù)研制歷程

早在2011年，意大利航天局就授予TAS公司CSG項(xiàng)目的階段B合同，希望2016年發(fā)射首顆衛(wèi)星，但因?yàn)轭A(yù)算撥款不足問(wèn)題導(dǎo)致進(jìn)度一再延遲，直到2015年意大利政府明確表態(tài)，該項(xiàng)目才得以繼續(xù)推進(jìn)。

2013－2016年為詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，2017年11月完成了任務(wù)關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審。2016－2018年為系統(tǒng)研制階段，原計(jì)劃2018年發(fā)射首顆衛(wèi)星，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的試運(yùn)行，于2019年正式投入服務(wù)。原計(jì)劃2019年發(fā)射第二顆衛(wèi)星，并于2020年正式投入服務(wù)。

3 任務(wù)基本情況

任務(wù)目標(biāo)

CSG星座的總體目標(biāo)是接替上一代Cosmo-SkyMed星座，提升成像服務(wù)質(zhì)量，獲取更多、更高分辨率、更大幅寬的圖像數(shù)據(jù)，更好地服務(wù)于意大利政府和軍方用戶。

星座設(shè)計(jì)

與Cosmo-SkyMed系統(tǒng)的四星星座設(shè)計(jì)不同，CSG系統(tǒng)由2顆編隊(duì)飛行的衛(wèi)星組成，在軌期間將與法國(guó)“昴宿星”光學(xué)成像偵察衛(wèi)星協(xié)同工作。

CSG衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量約2230kg，設(shè)計(jì)壽命7年，可實(shí)現(xiàn)24h自主運(yùn)行，運(yùn)行在高度619.6km、傾角97.86°的晨昏太陽(yáng)同步圓軌道，軌道周期97.1min，升交點(diǎn)地方時(shí)為6：00，兩顆衛(wèi)星將運(yùn)行于同一軌道面。CSG衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定控制方式，利用控制力矩陀螺實(shí)現(xiàn)左、右視敏捷成像，左、右視成像機(jī)動(dòng)只需不到4min（含穩(wěn)定時(shí)間）。

CSG雙星星座可在10天內(nèi)完成一次全球覆蓋，相比之下，Cosmo-SkyMed星座則需要14天。但由于衛(wèi)星數(shù)量的減少，CSG系統(tǒng)在緊急狀態(tài)下對(duì)于任意目標(biāo)的響應(yīng)時(shí)間增加至36h（最長(zhǎng)時(shí)間），而第一代系統(tǒng)僅需要12h。

兩代衛(wèi)星星座性能對(duì)比

衛(wèi)星平臺(tái)

CSG衛(wèi)星采用PRIMA改進(jìn)型平臺(tái)，包括電源分系統(tǒng)、有效載荷數(shù)管與傳輸分系統(tǒng)、電子設(shè)備分系統(tǒng)等。電源分系統(tǒng)與第一代衛(wèi)星相比增加了40%的功率，用于保證所需的成像性能。有效載荷數(shù)管與傳輸分系統(tǒng)由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理組件、X頻段加密單元、X頻段傳輸組件組成。電子設(shè)備分系統(tǒng)采用控制力矩陀螺作為驅(qū)動(dòng)器，提高衛(wèi)星的姿態(tài)敏捷能力。星上存儲(chǔ)容量1530Gbit（壽命末期）。數(shù)據(jù)傳輸采用X頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率2×260Mbit/s。測(cè)控鏈路采用S頻段，上行數(shù)據(jù)率8kbit/s，下行數(shù)據(jù)率最高2048kbit/s。

意大利航天局推動(dòng)了一項(xiàng)“小型飛行任務(wù)”計(jì)劃，旨在與意大利工業(yè)界合作，用于研制低成本公用平臺(tái)。PRIMA是在該計(jì)劃下由TAS公司研制的適用于對(duì)地觀測(cè)、科學(xué)、通信、導(dǎo)航多種用途的衛(wèi)星平臺(tái)。該平臺(tái)最早用于Cosmo-Skymed星座，首顆衛(wèi)星發(fā)射于2007年6月。該平臺(tái)已入選美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）快速航天器研制辦公室（RSDO）第三批平臺(tái)目錄，與2006年歐洲航天局（ESA）《用于未來(lái)科學(xué)任務(wù)的公用平臺(tái)》報(bào)告給出的PRIMA平臺(tái)指標(biāo)相比，入選NASA第三批平臺(tái)目錄的PRIMA改進(jìn)型平臺(tái)指標(biāo)更先進(jìn)。

PRIMA平臺(tái)在結(jié)構(gòu)上由3個(gè)主要艙組成，3個(gè)艙在功能上獨(dú)立，可并行進(jìn)行集成測(cè)試，最后再進(jìn)行整星集成。這3個(gè)艙為服務(wù)艙（包括平臺(tái)組件）、推進(jìn)艙（包括所有推進(jìn)組件）和有效載荷艙（包括有效載荷及相關(guān)組件）。PRIMA平臺(tái)采用三軸穩(wěn)定方式，結(jié)構(gòu)為四棱柱體，上部為服務(wù)艙，下部為有效載荷艙。在平臺(tái)兩側(cè)安裝有太陽(yáng)電池翼。平臺(tái)結(jié)構(gòu)采用碳纖維復(fù)合材料，面板采用鋁合金制成。為保證指向精度和穩(wěn)定度，雷達(dá)天線、星跟蹤器、陀螺等部件直接安裝在碳纖維結(jié)構(gòu)上。熱控系統(tǒng)以被動(dòng)熱控為主，主動(dòng)熱控為輔，采用恒定傳導(dǎo)率熱管、電加熱器、熱電阻和恒溫器等。

PRIMA平臺(tái)與PRIMA改進(jìn)型平臺(tái)性能對(duì)比

有效載荷

CSG衛(wèi)星載有X頻段合成孔徑雷達(dá)載荷，稱為CSG-SAR，由合成孔徑雷達(dá)電子分系統(tǒng)（SES）和合成孔徑雷達(dá)天線分系統(tǒng)（SAS）兩部分組成。合成孔徑雷達(dá)電子分系統(tǒng)包括數(shù)字電子設(shè)備和射頻設(shè)備。數(shù)字電子設(shè)備負(fù)責(zé)儀器控制、信號(hào)生成、回波信號(hào)采集等。射頻設(shè)備負(fù)責(zé)上轉(zhuǎn)換和放大、放大和下轉(zhuǎn)換、生成參考信號(hào)等。SAS基于TAS公司研制的COSMO-SkyMed衛(wèi)星的合成孔徑雷達(dá)和韓國(guó)多用途衛(wèi)星－5（KOMPSAT－5）的合成孔徑雷達(dá)的經(jīng)驗(yàn)而開發(fā)，同時(shí)結(jié)合對(duì)帶寬、輻射功率、雙極化、降低成本等需求進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。采用大型可展開平面主動(dòng)相控陣?yán)走_(dá)天線，天線展開后尺寸為7.5m2，由2560個(gè)收發(fā)模塊組成，通過(guò)電子方式控制波束的形狀和方向。CSG-SAR采集數(shù)據(jù)率高達(dá)2×1.2Gbit/s，采用分塊自適應(yīng)量化（BAQ）算法進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，數(shù)據(jù)量化10bit。

CSG-SAR的目標(biāo)是提高成像質(zhì)量的同時(shí)，保證觀測(cè)的靈活性。CSG-SAR具有不同分辨率、不同幅寬的成像能力，大體上可實(shí)現(xiàn)聚束、掃描、條帶三類成像模式，包括專用于情報(bào)和國(guó)防應(yīng)用的甚高分辨率、窄幅寬的聚束模式，以及應(yīng)用于民用領(lǐng)域的高分辨率、窄幅的聚束模式，中分辨率（3m×3m）、寬幅的條帶模式和低分辨率（大于4m）、寬幅的掃描SAR模式等。

具體來(lái)說(shuō)，CSG-SAR有標(biāo)準(zhǔn)成像模式和非標(biāo)準(zhǔn)（試驗(yàn)）成像模式。標(biāo)準(zhǔn)成像模式又可細(xì)分為10種，具體為5種聚束模式（聚束－1A、1B、2A、2B、2C）、 條 帶模式、交叉極化模式、條帶全極化模式和兩種掃描SAR模式（掃描SAR－1和2）。

除了標(biāo)準(zhǔn)成像模式外，CSG-SAR還增加了多種非標(biāo)準(zhǔn)（試驗(yàn)）成像模式，包括離散階梯帶（DI2S）聚束－1（分辨率最優(yōu)）、DI2S聚束－2（幅寬最優(yōu)）、分散的“場(chǎng)景采集”聚束和相鄰的“場(chǎng)景采集”聚束模式等。

DI2S模式下可同時(shí)獲取多幅圖像，增加對(duì)給定區(qū)域內(nèi)的圖像獲取數(shù)量。DI2S模式可獲取相同方位向位置、不同入射角，不同方位向位置、不同入射角，以及不同方位向位置、相同入射角的多種圖像對(duì)。

傾斜的“場(chǎng)景采集”模式可用于滿足針對(duì)特定區(qū)域的多種成像請(qǐng)求，這些請(qǐng)求由于存在時(shí)間沖突而無(wú)法通過(guò)其他方式予以滿足。CSG系統(tǒng)通過(guò)非常高的衛(wèi)星敏捷能力實(shí)現(xiàn)了該功能，可以獲取相鄰的多幅圖像或分散的多幅圖像。

4 任務(wù)特點(diǎn)

采用載荷設(shè)計(jì)創(chuàng)新，為提升成像服務(wù)能力奠定硬件基礎(chǔ)

CSG-SAR的特點(diǎn)在于SAR傳感器設(shè)計(jì)，以及SAR天線和SAR電子器件的體系創(chuàng)新等方面。CSG-SAR天線采用模塊化設(shè)計(jì)，由10個(gè)相同的“大瓦片”構(gòu)成，每個(gè)“大瓦片”都能夠以非常大的脈沖寬度管理信號(hào)，還能同時(shí)接收來(lái)自兩個(gè)獨(dú)立通道的水平極化和垂直極化信號(hào)，CSG-SAR的收發(fā)模塊數(shù)量是Cosmo-Skymed星上雷達(dá)的兩倍。該收發(fā)模塊以十分成熟的射頻單片微波集成電路（RF MMIC）微電子元件為基礎(chǔ)，可提供遠(yuǎn)超當(dāng)今水平的超高射頻輸出功率和效率。數(shù)字拼接控制單元（TCU）、波束形成網(wǎng)絡(luò)（BFN）、真實(shí)延遲線路（TDL）等都是確保在整個(gè)工作頻段內(nèi)波束對(duì)準(zhǔn)的必備器件。專門設(shè)計(jì)拼接供電單元（TPSU）用于提高40%的供給功率。SAR電子器件的創(chuàng)新體現(xiàn)在數(shù)字電子設(shè)備的發(fā)射部分和接收部分以及射頻設(shè)備等方面。

CSG-SAR標(biāo)準(zhǔn)成像模式

增加多種新成像模式，全方位滿足用戶多樣化成像需求

根據(jù)第一代Cosmo-Skymed系統(tǒng)的開發(fā)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，國(guó)防用戶、民用管理機(jī)構(gòu)、民用科研部門、商業(yè)用戶等不同領(lǐng)域的用戶具有不同的需求。因此考慮到這些需求的變化，在設(shè)計(jì)CSG系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行了改進(jìn)。

1）增加了甚高分辨率模式。CSG系統(tǒng)不僅繼承了上一代系統(tǒng)的成像模式，并且提高了成像性能，同時(shí)還引入了一些新的成像模式，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)獲取的多樣性，可提供更多種不同分辨率、不同幅寬的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，比如更高分辨率、更大幅寬的圖像。據(jù)公開信息，CSG系統(tǒng)的最高分辨率已達(dá)到0.35m（聚束－2A模式），純軍用的聚束－1A和1B模式的成像分辨率應(yīng)該更高。與第一代衛(wèi)星相比，CSG系統(tǒng)對(duì)聚束模式進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)合用戶的多樣化需求提供了三種不同的成像方案。聚束－2A模式將提供最優(yōu)的分辨率性能，聚束－2B模式將提供最優(yōu)的幅寬性能，聚束－2C模式將增加圖像采集的數(shù)量。為了保持與上一代系統(tǒng)的連續(xù)性，CSG-SAR具 有2個(gè)掃描SAR模式，掃描SAR－1幅寬為100km，單或雙極化，掃描SAR－2幅寬為200km，單或雙極化。

2）具有更高密度的圖像采集能力。與Cosmo-Skymed相比，CSG系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)同一感興趣區(qū)域更多次成像。CSG衛(wèi)星采用控制力矩陀螺提高了衛(wèi)星敏捷性，因此增加了“場(chǎng)景采集”新的試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑ㄟ^(guò)平臺(tái)快速精準(zhǔn)機(jī)動(dòng)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)指向和精準(zhǔn)成像。另外，采用了DI2S新的試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，可?shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行成像。通過(guò)以上改進(jìn)，CSG系統(tǒng)可以克服無(wú)法在單次過(guò)頂時(shí)對(duì)同一個(gè)感興趣區(qū)域的兩個(gè)相鄰目標(biāo)進(jìn)行成像的問(wèn)題。

3）具有同等分辨率更大幅寬的聚束成像能力。利用上述的“場(chǎng)景采集”模式，保證同等分辨率的同時(shí)，擴(kuò)大成像幅寬。

4）具有多極化方式。與第一代衛(wèi)星的單極化、雙極化模式相比，CSG系統(tǒng)具有單極化、雙極化、交叉極化、全極化等多種極化方式。