面向智能應用的輕小型Ku波段SAR衛(wèi)星

劉 洋，萬志強，戴媛媛，張 聞，趙妍妍，李 華

（上海微小衛(wèi)星工程中心 遙感衛(wèi)星總體研究所，上海 201304）

0 引 言

合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）作為一種主動式微波成像載荷，能夠不受天氣、氣候以及光線的影響，可以全天時、全天候地成像。星載合成孔徑雷達可兼具廣域和高分辨成像能力，已發(fā)展成為一種重要的遙感成像手段[1-9]。

隨著未來天基互聯(lián)應用需求的不斷提高，涵蓋多手段遙感、多源信息融合與智能化服務的系統(tǒng)需求迫切。SAR衛(wèi)星作為其中的重要一環(huán)，需要具備低成本、小型化、集成化、具有網(wǎng)絡互聯(lián)與信息服務能力，以適應未來星座組網(wǎng)的應用需求。

傳統(tǒng)SAR衛(wèi)星一般為1噸以上的大衛(wèi)星，近年來隨著技術的不斷進步，微小衛(wèi)星技術水平得到飛速提升，微小衛(wèi)星的應用日益廣泛[10-14]，小型化的SAR衛(wèi)星應用越來越多。國外在軌成功運行的小型SAR衛(wèi)星系統(tǒng)主要有：德國的SAR-Lupe衛(wèi)星系統(tǒng)、以色列的TecSAR衛(wèi)星、印度的RISAT-2衛(wèi)星和日本的MicroSAR，但質量也基本均在300 kg以上。巨大的包絡和質量既要有較高的成本，也對運載提出了較高的要求，難以適應未來批量化和大規(guī)模的星座部署。

針對國家戰(zhàn)略對天基信息服務的新需求，和未來對地綜合遙感的迫切需要，本文設計一種面向智能應用的輕小型Ku波段SAR衛(wèi)星。該衛(wèi)星以小于200 kg的質量，實現(xiàn)了Ku波段0.5 m SAR高分成像；同時該衛(wèi)星具備星間通信和在軌智能處理能力，能夠適應各類天基互聯(lián)遙感應用。

1 衛(wèi)星總體設計

輕小型SAR衛(wèi)星選擇了框架面板式箱體結構作為主結構方案。衛(wèi)星本體外形為長方體，載荷布置于衛(wèi)星平臺的頂部，衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)和衛(wèi)星飛行狀態(tài)如圖1所示。

圖2為衛(wèi)星產(chǎn)品樹。輕小型SAR衛(wèi)星由衛(wèi)星平臺和載荷組成。衛(wèi)星質量為192.5 kg，發(fā)射包絡為807.4 mm×896.1 mm×1 915.4 mm，展 開 包 絡 為4 169.8 mm×2 050 mm×3 554.8 mm。載荷包括Ku波段SAR載荷、激光通信、智能載荷等；衛(wèi)星平臺包括結構分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、電源及總體電路分系統(tǒng)、綜合電子分系統(tǒng)（包括空間路由器）、姿軌控分系統(tǒng)和星務分系統(tǒng)等。

SAR載荷通過載荷艙與平臺進行機械連接，采用“輕型拋物面天線+高功率行波管發(fā)射機”方案，雷達波束控制通過衛(wèi)星機動側擺實現(xiàn)，采用脈沖體制工作在Ku波段。

SAR載荷由中央電子設備和天線單元組成。中央電子設備由射頻綜合單元、數(shù)字綜合單元和行波管發(fā)射機組成。其中，射頻綜合單元分別實現(xiàn)基準頻率信號產(chǎn)生、調頻信號正交調制、發(fā)射線性調頻信號功率放大、回波信號接收放大、發(fā)射和回波接收信號的雙工傳輸?shù)裙δ?。?shù)字綜合單元實現(xiàn)系統(tǒng)的定時與控制、遙測信號采集及傳輸、回波信號數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)打包及發(fā)送、線性調頻信號產(chǎn)生等功能。行波管發(fā)射機實現(xiàn)發(fā)射信號的大功率放大。天線單元由射頻組合前端及反射器組成。其中射頻組合前端實現(xiàn)射頻信號的功合、隔離、傳輸及開關等功能。

智能化信息處理與服務載荷是實現(xiàn)載荷信息在軌處理與資源服務的物理載體。該載荷實時接收緩存遙感載荷原始數(shù)據(jù)及位置姿態(tài)等信息，實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)處理，接收來自用戶的服務請求并提供相應的信息服務。智能載荷采用FPGA+多GPU+大容量存儲的架構，能夠根據(jù)應用任務處理要求通過高速串行總線接收原始數(shù)據(jù)，并將在軌加工后的產(chǎn)品數(shù)據(jù)返回給載荷管理器。

激光通信機采用光機電一體化集成設計，包括掃描機構（含電機及驅動電路）、光電編碼器及采集電路、收發(fā)光路、軸承、激光器、QAPD探測模塊、激光器驅動溫控電路、電源管理模塊以及主控制模塊。

衛(wèi)星平臺采用框架面板式結構，結構模塊簡單緊湊、可靠性高，具有很好的綜合力學性能以及良好的拆卸等操作性。基于可靠性和經(jīng)濟性的考慮，衛(wèi)星選擇雙側二級展開太陽翼，每翼由三塊帆板組成。

衛(wèi)星熱控設計方案采用被動熱控技術為主、主動熱控技術為輔的設計方法，以衛(wèi)星總體方案和構型布局為基礎，通過模塊化設計及合理的熱控設計和分析，有效地組織衛(wèi)星艙內、外熱交換，使星上所有儀器設備滿足其溫度要求。

入軌階段，衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)利用高可靠姿態(tài)測量部件和三軸磁力矩器，充分阻尼星體角速率，實現(xiàn)三軸穩(wěn)定慣性定向；任務模式下利用星敏感器與陀螺組合實現(xiàn)高精度姿態(tài)測量，采用反作用輪組實現(xiàn)各種任務指向并維持三軸穩(wěn)定控制；推進子系統(tǒng)采用了ADN無毒推進系統(tǒng)，使用1個1 N推力器推進方案。

衛(wèi)星綜合電子包括平臺綜合電子、載荷管理單元、相控陣數(shù)傳、星間UHF和天線。其中平臺綜合電子包括星務計算機、PIU、GPS和二次電源模塊，完成整星平臺的狀態(tài)采集、邏輯處理、定位定軌等功能。

載荷管理單元報告包括復接、大容量存儲、光纖模塊和載荷主控模塊，提供整星任務執(zhí)行及圖像、工程數(shù)據(jù)存儲和支持。星間UHF提供星間低速網(wǎng)絡互聯(lián)能力。天線部分包括兩根收發(fā)一體的X頻段測控天線、一根GPS天線、一根UHF天線、一根點播天線和一根相控陣數(shù)傳天線。

電源與總體電路分系統(tǒng)由太陽電池方陣、鋰離子蓄電池組、電源控制器以及總體電纜網(wǎng)組成。考慮到衛(wèi)星鋰離子蓄電池的充放電倍率和在軌工作壽命，采用一組30 A·h鋰離子蓄電池組和不調節(jié)母線方案，太陽能電池和鋰離子電池聯(lián)合供電。

2 衛(wèi)星平臺設計

2.1 構型設計

衛(wèi)星采用框架面板式結構，衛(wèi)星主結構由底板、承力桿、+Y側板、-Y側板、+X側板、-X側板和頂板組成，如圖3所示。

底板、承力桿、頂板組成的結構是衛(wèi)星的主承力結構，4塊側板作為輔助承力結構與主承力結構剛性連接，主承力結構與輔助承力結構共同承載并傳遞整星的縱向、橫向和扭轉載荷。

衛(wèi)星載荷艙采用框架面板式結構，衛(wèi)星載荷艙主結構由載荷艙頂板、載荷艙承力桿、載荷艙+Y側板、載荷艙-Y側板、載荷艙+X側板、載荷艙-X側板和載荷艙承力結構組成，如圖4所示。

2.2 數(shù)據(jù)流

衛(wèi)星信息流主要包括星地測控信息流、星地數(shù)傳信息流、星地點播信息流和星間通信信息流四部分，如圖5所示。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)源包括載荷產(chǎn)生的原始觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)過智能載荷處理后的結果數(shù)據(jù)，來自地面測控站、星間鏈路或用戶終端上行鏈路的控制指令數(shù)據(jù)以及其他應用數(shù)據(jù)。

其中從星間鏈路接收的數(shù)據(jù)包含：控制指令信息，由載荷任務管理模塊處理；處理后的載荷結果數(shù)據(jù)，從相控陣通道下發(fā)到地面站或移動用戶；網(wǎng)絡任務規(guī)劃信息，由智能載荷接收并處理。

發(fā)往星間鏈路的數(shù)據(jù)包含：從測控通道或相控陣通道上注的控制指令信息，由載荷任務管理模塊收集并發(fā)送（境外測控）；處理后的載荷結果數(shù)據(jù)或網(wǎng)絡任務規(guī)劃信息，由智能載荷產(chǎn)生并發(fā)送。

3 載荷設計

3.1 SAR載荷

微小型SAR是衛(wèi)星的成像載荷，采用小型化集成化設計，在500 km軌道高度，實現(xiàn)8 km以上寬幅以及優(yōu)于1 m的分辨率。

主要性能指標要求如表1所示。

表1 SAR載荷主要性能指標

SAR載荷主要由天線單元和高集成度中央電子設備組成，系統(tǒng)的組成框圖如圖6所示。中央電子設備由數(shù)字綜合元、射頻綜合單元及行波管發(fā)射機組成，負責完成高精度本振頻率、采樣時鐘、定時脈沖和線性調頻信號的產(chǎn)生與大功率發(fā)射激勵輸出，并進行雷達回波信號增益控制與動態(tài)調整，經(jīng)變頻和數(shù)據(jù)采集后轉換成量化數(shù)字信號，與雷達輔助數(shù)據(jù)形成格式化數(shù)據(jù)輸送給數(shù)傳系統(tǒng)。同時對所有中央電子設備及天線實現(xiàn)控制和監(jiān)測，以保證多模式工作能正常運行。天線單元主要由射頻組合前端以及反射面天線組成。其中，射頻組合前端實現(xiàn)射頻功率合成、射頻開關等功能。

3.2 智能載荷

智能載荷主要完成以下功能：

1）支持載荷數(shù)據(jù)快速處理。其具備支持在軌快速處理觀測載荷原始數(shù)據(jù)的能力，能夠實時接收載荷原始數(shù)據(jù)包，并存儲在內部存儲中；同時調度數(shù)據(jù)處理任務將存儲的載荷原始數(shù)據(jù)通過內部高速串行數(shù)據(jù)總線分發(fā)到數(shù)據(jù)處理節(jié)點上進行快速數(shù)據(jù)處理。

2）數(shù)據(jù)高速存儲分發(fā)。其具備載荷原始數(shù)據(jù)高速緩存、應用數(shù)據(jù)快速分發(fā)的能力，同時支持載荷原始數(shù)據(jù)的高速緩存和各類數(shù)據(jù)從存儲模塊向其他內部模塊或外部系統(tǒng)的快速分發(fā)功能。

3）資源實時監(jiān)測管理。實時接收衛(wèi)星平臺廣播的遙測數(shù)據(jù)等信息，實現(xiàn)對各類資源的監(jiān)測管理。

4）能源動態(tài)優(yōu)化管理。其能夠根據(jù)處理任務需求及星上能源約束，自主調節(jié)系統(tǒng)內部供配電狀態(tài)和工作狀態(tài)，實現(xiàn)功耗動態(tài)可控、工作模式自主切換，以滿足能源和實時應用的需求。

智能載荷控制板采用雙FPGA（Virtex7+Zynq）+GPU+SATA盤陣的架構實現(xiàn)在軌高性能計算、存儲及傳輸功能。其中FPGA（Zynq）用于智能化信息處理與服務載荷的控制和管理功能；FPGA（Virtex7）用于高速載荷數(shù)據(jù)的接收與緩存功能；GPU完成原始數(shù)據(jù)的實時計算任務；SATA盤陣用于存儲大容量原始數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)。智能化信息處理與服務載荷內部使用PCIe和千兆以太網(wǎng)兩套總線完成各計算單元之間的高速數(shù)據(jù)互聯(lián)和控制互聯(lián)。從功能上，控制板硬件主要包括3個主要模塊：1個主控模塊、1個原始數(shù)據(jù)收發(fā)管理模塊和1個處理模塊，如圖7所示。3.3星間UHF與激光通信

衛(wèi)星配備星間低速與高速通信通道。低速星間通信由UHF通信機結合2副寬波束UHF通信天線實現(xiàn)，在不需要調整衛(wèi)星姿態(tài)的條件下盡可能提供低速星間微波通信通道，可用于：輔助高速激光星間鏈路的建立；為星間路由學習提供通道；星間任務指令分發(fā)等。

星間激光通信機以滿足性能指標要求和載荷資源限制為最高前提，面向組網(wǎng)應用需求，設計滿足全雙工工作方式，采取集約型和緊湊型設計方案，按照一體化、模塊化、標準化要求進行研制。同時，為盡量節(jié)約空間與質量資源，設計采用無信標捕獲跟蹤方案。通信和跟瞄由兩個探測單元組成，分別為APD探測器和QAPD探測器。捕獲跟蹤采用旋轉雙光楔的方案，可以滿足±30°的建鏈角度范圍要求，并減少了兩軸跟蹤架等結構，降低了資源消耗。具體組成圖和系統(tǒng)信息流圖如圖8所示。激光通信載荷的主要技術指標要求如表2所示。

表2 激光通信載荷主要技術指標

4 天基智能應用

衛(wèi)星各類指向需求如表3所示。

表3 衛(wèi)星任務與指向模式

衛(wèi)星對地成像任務包括：SAR條帶成像模式、SAR滑動聚束模式等。當衛(wèi)星有觀測任務時，衛(wèi)星由對日定向提前進行姿態(tài)機動轉為對應指向模式，隨后成像1～2 min，成像完畢后進行姿態(tài)機動，轉成對日定向。衛(wèi)星各種成像模式下一軌可能的序列如圖9～圖12所示。

衛(wèi)星數(shù)傳工作模式可通過凝視指向，使天線中心實時指向地面站點；也可以調整姿態(tài)使數(shù)傳天線面對地，通過相控陣±60°掃描，實現(xiàn)對地面站及移動地面站數(shù)傳。天線中心凝視指向時間最長約9 min，需實時姿態(tài)機動跟蹤；天線面對地指向依靠相控陣掃描，最長數(shù)傳時長5 min，數(shù)傳過程中姿態(tài)保持對地不變。

在軌試驗驗證時段內，星間UHF微波網(wǎng)絡為常開狀態(tài)，每顆星隨時可能處于在網(wǎng)狀態(tài)，并隨時與周圍衛(wèi)星進行信息交互。衛(wèi)星接收到觀測任務時，衛(wèi)星由對日定向提前進行姿態(tài)機動轉為對應成像指向模式，隨即成像1～2 min，成像完畢后進行姿態(tài)機動，轉成對日定向。在成像的同時，復接存儲將載荷數(shù)據(jù)轉發(fā)至智能處理載荷，開始實施星上處理約8 min。星上數(shù)據(jù)處理完的結果存儲后，通過數(shù)傳通道傳輸至地面，或通過星間鏈路傳輸給其他衛(wèi)星。

當用戶發(fā)出觀測請求生成觀測指令，衛(wèi)星星群收到觀測指令后，進行自動解析與任務規(guī)劃，并利用不同載荷小衛(wèi)星觀測的特點和優(yōu)勢，對觀測區(qū)域進行數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理。針對觀測區(qū)域的重點設施，進行目標識別和歷史數(shù)據(jù)搜索，生成目標狀態(tài)信息和變化信息，最后將處理后的數(shù)據(jù)信息通過星地網(wǎng)絡傳回用戶客戶端。

5 系統(tǒng)特點與優(yōu)勢

衛(wèi)星具備以下特點：

1）國內首顆星載Ku波段微波成像：支持滑動聚束和條帶等模式高分辨成像。

2）高載荷比，衛(wèi)星平臺質量為109.09 kg，載荷質量為83.41 kg，載荷比達到1.3∶1。

3）輕小型星載Ku波段微波遙感技術：輕小型桁架反射面微波天線技術，高達1.4∶100的收納比。

4）具備星間互聯(lián)功能：2 Kb/s@1 500 km速率的UHF寬波束微波實現(xiàn)星間任務狀態(tài)同步、協(xié)同指令分發(fā)，路由學習和引導激光快速星間建鏈等，支持動態(tài)組網(wǎng)，可感知周邊4～6顆星及自主路由學習；高集成、單一波長、全雙工的星間激光通信系統(tǒng)，100 Mb/s@1 500 km速率實現(xiàn)載荷數(shù)據(jù)高速傳輸。

5）面向地面終端提供網(wǎng)絡化智能信息服務：隨遇終端接入，終端網(wǎng)絡化直連衛(wèi)星，星地交互式定制信息服務終端任務上注。

6）在軌任務規(guī)劃與數(shù)據(jù)處理：針對任務目標進行在軌自主導引規(guī)劃，在軌圖像處理、切片、終端下傳；完成SAR條帶成像、幾何定位和水體檢測處理/艦船檢測處理，長度大于100 m的艦船檢測率大于等于90%。

衛(wèi)星于2021年4月27日發(fā)射入軌，在軌運行良好，在應急處理、災害救援方面發(fā)揮了巨大作用。衛(wèi)星在軌成像示例如圖13所示。

6 結 論

面向智能應用的輕小型Ku波段SAR衛(wèi)星是一顆低成本、高集成、高載荷比、高功能密度比，具有智能、網(wǎng)絡能力的微波遙感衛(wèi)星。該衛(wèi)星面向天基互聯(lián)應用，采用通用平臺設計，整星質量為192 kg，成像分辨率最高達0.5 m，衛(wèi)星系統(tǒng)可在軌完成多維遙感信息綜合獲取和天基網(wǎng)絡智能傳輸及規(guī)劃處理。輕小型SAR衛(wèi)星可與同類或其他類型衛(wèi)星根據(jù)應用需要組成星座系統(tǒng)，實現(xiàn)在軌高頻覆蓋和綜合遙感應用。該系統(tǒng)的建立可為應急事件處理、災害救援和資源普查等不同遙感應用提供解決方案。