張慶君 劉杰 李延 齊亞琳 趙良波

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

高分三號(hào)衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)驗(yàn)證

張慶君 劉杰 李延 齊亞琳 趙良波

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星是我國(guó)民用“高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)”中唯一一顆微波成像衛(wèi)星,也是我國(guó)第1顆1 m分辨率C頻段多極化合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星,其定量化指標(biāo)要求高,同時(shí)具有雷達(dá)天線質(zhì)量、尺寸大,熱控要求高,脈沖功率大,構(gòu)型布局復(fù)雜等技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn)。文章圍繞GF-3衛(wèi)星技術(shù)難點(diǎn),系統(tǒng)闡述了衛(wèi)星高定量化、高擴(kuò)展性等總體設(shè)計(jì)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法,并采用系統(tǒng)建模、模擬分析、地面試驗(yàn)和在軌測(cè)試等多種措施,確保衛(wèi)星優(yōu)良的圖像質(zhì)量和定量化應(yīng)用能力,使其具備一定的在軌擴(kuò)展能力。GF-3衛(wèi)星設(shè)計(jì)和研制過(guò)程中采用的驗(yàn)證方法,可為后續(xù)SAR衛(wèi)星的總體設(shè)計(jì)提供參考。

高分三號(hào)衛(wèi)星;合成孔徑雷達(dá);總體設(shè)計(jì);驗(yàn)證方法

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種主動(dòng)式微波成像遙感器,通過(guò)發(fā)射寬帶信號(hào),結(jié)合合成孔徑技術(shù),能在距離向和方位向上同時(shí)獲得二維高分辨率圖像。與傳統(tǒng)光學(xué)遙感相比,SAR具備全天候、全天時(shí)的成像能力,以及一定的穿透性,獲得的圖像能夠反映目標(biāo)微波散射特性,是獲取地物信息的一種重要技術(shù)手段。星載SAR已被廣泛應(yīng)用于軍事和民生領(lǐng)域,是實(shí)現(xiàn)自然資源普查、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)和空間軍事偵察等的重要技術(shù)手段[1]。

經(jīng)過(guò)多年的努力,我國(guó)在星載SAR技術(shù)領(lǐng)域已取得了重大的技術(shù)突破,縮短了與世界先進(jìn)國(guó)家的差距,星載SAR已成為我國(guó)對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星工程是我國(guó)“十二五”期間“高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)”工程項(xiàng)目之一,是專項(xiàng)(民用)中唯一的相控陣?yán)走_(dá)成像衛(wèi)星,也是我國(guó)首顆C頻段多極化高分辨率微波遙感衛(wèi)星。GF-3衛(wèi)星能夠全天候?qū)崿F(xiàn)全球海洋和陸地信息的監(jiān)視監(jiān)測(cè),并能通過(guò)左右姿態(tài)機(jī)動(dòng)提升快速響應(yīng)能力,擴(kuò)大對(duì)地觀測(cè)范圍,其獲取的C頻段多極化SAR圖像,可用于我國(guó)海洋、減災(zāi)、水利、氣象、農(nóng)業(yè)、國(guó)土、環(huán)保、國(guó)安、公安、住建、交通、統(tǒng)計(jì)、林業(yè)、地震、測(cè)繪、國(guó)防等多個(gè)行業(yè)。

GF-3衛(wèi)星具有高定量化、長(zhǎng)壽命、高可靠性技術(shù)特點(diǎn),在總體設(shè)計(jì)過(guò)程中開(kāi)展了一系列專項(xiàng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證,以提升衛(wèi)星系統(tǒng)能力,其成果對(duì)于提高后續(xù)SAR衛(wèi)星的總體設(shè)計(jì)和研制能力具有重要借鑒意義。

2 衛(wèi)星技術(shù)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)驗(yàn)證難點(diǎn)

GF-3衛(wèi)星通過(guò)獲取多模式、多極化、高定量化的SAR遙感數(shù)據(jù),滿足多領(lǐng)域、多用戶的需求,因此在技術(shù)上相對(duì)其他同類衛(wèi)星,具有鮮明的技術(shù)特點(diǎn)及難點(diǎn),需要在衛(wèi)星設(shè)計(jì)及研制過(guò)程中重點(diǎn)考慮。

(1)衛(wèi)星定量化要求高。隨著空間遙感技術(shù)的發(fā)展,各行業(yè)用戶和應(yīng)用部門對(duì)遙感數(shù)據(jù)的要求早已超越了區(qū)別目標(biāo)、識(shí)別目標(biāo)的基本能力,而是進(jìn)一步要求遙感數(shù)據(jù)的定量化,并通過(guò)將定量化的遙感數(shù)據(jù)與物理模型或參量聯(lián)系起來(lái),定量反演或推算不同的物理參量。對(duì)于GF-3衛(wèi)星,典型的定量化應(yīng)用包括:①海洋用戶根據(jù)海面的后向散射系數(shù),定量反演海面風(fēng)向、風(fēng)速;②氣象用戶根據(jù)降雨區(qū)的回波強(qiáng)度,對(duì)大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨進(jìn)行監(jiān)測(cè)和識(shí)別;③減災(zāi)用戶根據(jù)數(shù)據(jù)的極化信息,對(duì)洪澇災(zāi)害、地震災(zāi)害等進(jìn)行定量化評(píng)估;④水利用戶根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)地表回波數(shù)據(jù),對(duì)土壤水分進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)旱情進(jìn)行定量化評(píng)估;此外,農(nóng)業(yè)估產(chǎn)、溢油檢測(cè)、海冰監(jiān)測(cè)、生物量估測(cè)等方面的應(yīng)用,均對(duì)GF-3衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的定量化提出高要求。因此,滿足用戶定量化應(yīng)用的需求,是GF-3衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)及驗(yàn)證的首要工作。

(2)供電能力要求高,要適應(yīng)SAR載荷高功率脈沖工作方式。整星要提供近萬(wàn)瓦級(jí)供電能力,在國(guó)內(nèi)已發(fā)射的低軌遙感衛(wèi)星中,供電能力要求最高;同時(shí)要滿足衛(wèi)星8年長(zhǎng)壽命要求,因而對(duì)關(guān)鍵的電源系統(tǒng)可靠性和長(zhǎng)壽命提出了更高的要求。

(3)整星構(gòu)型布局難度大,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高。SAR天線和太陽(yáng)翼等大質(zhì)量部件在軌展開(kāi)于衛(wèi)星外側(cè),要求衛(wèi)星結(jié)構(gòu)具備高剛度,以滿足發(fā)射段及SAR天線在軌展開(kāi)的型面精度要求;SAR天線展開(kāi)狀態(tài)下長(zhǎng)約15 m,展開(kāi)平面度要求優(yōu)于5 mm,因此要開(kāi)展整星結(jié)構(gòu)、展開(kāi)機(jī)構(gòu)和SAR天線陣面機(jī)電熱一體化設(shè)計(jì);衛(wèi)星縱軸對(duì)地飛行,SAR天線和太陽(yáng)翼展開(kāi)后占用空間大,推力器布局困難。

(4)SAR天線溫度一致性要求高。成像期間,SAR天線熱功率波動(dòng)幅度達(dá)到6000 W,但仍要保證陣面各有源部組件的溫度梯度優(yōu)于10°,熱設(shè)計(jì)及驗(yàn)證難度大。

(5)成像模式具有可擴(kuò)展性。國(guó)外一些先進(jìn)的SAR衛(wèi)星,在軌均進(jìn)行了特定的新模式驗(yàn)證,擴(kuò)展了衛(wèi)星的應(yīng)用范圍[2]。GF-3衛(wèi)星在滿足聚束成像、條帶成像、掃描成像和波模式成像等12種成像模式要求的基礎(chǔ)上,還要進(jìn)一步開(kāi)展可擴(kuò)展性設(shè)計(jì),通過(guò)優(yōu)化成像參數(shù),具備在軌進(jìn)行多種試驗(yàn)?zāi)Ｊ津?yàn)證的能力。

3 總體設(shè)計(jì)驗(yàn)證

3.1 定量化探測(cè)能力設(shè)計(jì)驗(yàn)證

GF-3衛(wèi)星定量化探測(cè)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作,貫穿了整個(gè)研制過(guò)程。在方案階段,衛(wèi)星總體開(kāi)展了星地一體化指標(biāo)的專項(xiàng)復(fù)核,結(jié)合方案階段設(shè)計(jì),通過(guò)構(gòu)建星地一體化模型,分析非理想因素,并在不同誤差分配下進(jìn)行仿真,驗(yàn)證各成像模式下定量化指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)情況,并據(jù)此確定各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求[3]。在方案階段,由于缺乏實(shí)測(cè)驗(yàn)證手段,對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)留有一定的余量,以補(bǔ)償仿真模型誤差的不確定性。在初樣階段,通過(guò)機(jī)載校飛試驗(yàn),驗(yàn)證各成像模式設(shè)計(jì)的正確性和定量化指標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)性;同時(shí)根據(jù)初樣的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行第2輪仿真分析,修正模型參數(shù),為開(kāi)展正樣設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在正樣研制階段,在開(kāi)展常規(guī)電性能測(cè)試的基礎(chǔ)上,圍繞不同模式下SAR天線方向圖測(cè)試結(jié)果,通過(guò)已建立的定量化模型,開(kāi)展仿真迭代工作。對(duì)不滿足指標(biāo)要求的SAR天線方向圖進(jìn)行波位優(yōu)化調(diào)整,以滿足最終的指標(biāo)要求。此外,通過(guò)設(shè)計(jì)我國(guó)首個(gè)星載SAR系統(tǒng)的地面逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)成像試驗(yàn),利用星載SAR天線及電子設(shè)備,對(duì)“國(guó)際空間站”(見(jiàn)圖1)、天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器等空間目標(biāo)成像,驗(yàn)證SAR天線的波束掃描能力、遠(yuǎn)距離成像能力及星地鏈路誤差分析的正確性;同時(shí)根據(jù)正樣研制結(jié)果,聯(lián)合地面系統(tǒng),開(kāi)展星地一體化指標(biāo)復(fù)核復(fù)算,為衛(wèi)星在軌全面滿足各項(xiàng)定量化指標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在軌運(yùn)行階段,通過(guò)內(nèi)定標(biāo)數(shù)據(jù)獲取、星地聯(lián)合定標(biāo)試驗(yàn),以及定期對(duì)亞馬遜雨林進(jìn)行觀測(cè),對(duì)雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行持續(xù)的修正,以保證數(shù)據(jù)定量化水平始終滿足定量化應(yīng)用的指標(biāo)要求。

通過(guò)貫穿衛(wèi)星研制及在軌運(yùn)行控制全過(guò)程的定量化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證措施,保證GF-3衛(wèi)星的定量化應(yīng)用能力,如海面風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果可以達(dá)到風(fēng)向誤差優(yōu)于20°、風(fēng)速誤差優(yōu)于2 m/s的結(jié)果,其反演圖像如圖2所示。

3.2 高壓大功率衛(wèi)星電源設(shè)計(jì)驗(yàn)證

根據(jù)SAR天線工作時(shí)“峰值功率大、功率幅值變化大、脈沖工作”的功率需求特點(diǎn),GF-3衛(wèi)星電源系統(tǒng)采取了多項(xiàng)技術(shù)改進(jìn),主要體現(xiàn)在3個(gè)方面:①采用載荷+平臺(tái)雙母線并網(wǎng)設(shè)計(jì),電源供電能力大幅提升至萬(wàn)瓦級(jí);②采用高壓太陽(yáng)電池陣,載荷太陽(yáng)電池陣輸出電壓提高至72 V;③增加了智能化電源管理模塊,以實(shí)現(xiàn)蓄電池組充放電管理、健康預(yù)報(bào)和自主保護(hù)等功能。在衛(wèi)星研制過(guò)程中,電源系統(tǒng)通過(guò)大功率脈沖電源仿真分析、平臺(tái)電源和載荷電源控制器原理樣機(jī)研制,以及太陽(yáng)電池電路靜電放電試驗(yàn),保證了GF-3衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性、可靠性。

1)大功率脈沖電源仿真分析

為驗(yàn)證電源雙獨(dú)立母線方案對(duì)解決干擾問(wèn)題的有效性,以及S4R全調(diào)節(jié)母線拓?fù)浜筒徽{(diào)節(jié)母線拓?fù)涞目尚行?、適用性,在電源系統(tǒng)方案階段進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。根據(jù)電源系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)太陽(yáng)電池陣、蓄電池組和電源控制器進(jìn)行建模,對(duì)S4R全調(diào)節(jié)母線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、不調(diào)節(jié)母線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及2條母線同時(shí)工作的干擾問(wèn)題進(jìn)行仿真。分析結(jié)果表明:雙母線供電體制設(shè)計(jì)合理,能夠有效地解決脈沖大功率負(fù)載的干擾問(wèn)題;S4R全調(diào)節(jié)母線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和不調(diào)節(jié)母線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案可行,電源系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)能夠滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

2)原理樣機(jī)研制

平臺(tái)電源控制器采用全開(kāi)關(guān)、全調(diào)節(jié)設(shè)計(jì),對(duì)太陽(yáng)電池陣輸出功率、蓄電池組輸出功率進(jìn)行控制,通過(guò)統(tǒng)一主誤差放大器(MEA)控制,實(shí)現(xiàn)分流調(diào)節(jié)模塊、充電分流調(diào)節(jié)模塊、放電調(diào)節(jié)模塊協(xié)同工作,使電源控制器質(zhì)量和體積優(yōu)化。同時(shí),為驗(yàn)證MEA和分流方式更改的合理性和可行性,在方案階段開(kāi)展原理樣機(jī)研制。平臺(tái)原理樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果表明,產(chǎn)品性能指標(biāo)均符合技術(shù)要求,驗(yàn)證了MEA和分流方式更改的合理性和可行性。

載荷母線設(shè)計(jì)成不調(diào)節(jié)的方式,蓄電池組電壓即為母線電壓,這種母線反應(yīng)速度快,蓄電池能量利用率高。載荷電源控制器采用限頻S3R分流方式,將充電控制方式由適用于氫鎳電池的恒流-定壓方式,改為適用于鋰離子電池的恒流-恒壓充電方式。為驗(yàn)證鋰離子電池恒流-恒壓的充電控制技術(shù),在方案階段開(kāi)展了原理樣機(jī)研制。載荷原理樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果表明,產(chǎn)品性能指標(biāo)均符合技術(shù)要求,驗(yàn)證了鋰離子電池恒流-恒壓充電技術(shù),滿足鋰離子電池的充電控制要求。

3)太陽(yáng)電池陣靜電放電試驗(yàn)

GF-3衛(wèi)星要在755 km高的太陽(yáng)同步軌道運(yùn)行,該軌道的空間環(huán)境復(fù)雜,等離子環(huán)境中帶電粒子密度要比地球靜止軌道高4～6個(gè)數(shù)量級(jí),高壓太陽(yáng)電池陣會(huì)與等離子體相互作用而發(fā)生靜電放電現(xiàn)象,因此有必要對(duì)現(xiàn)有太陽(yáng)電池陣的設(shè)計(jì)和工藝進(jìn)行驗(yàn)證,以明確靜電放電發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)及其對(duì)電池陣的損傷,從而采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施來(lái)減少或避免由靜電放電導(dǎo)致的太陽(yáng)電池陣功率損失。在方案階段進(jìn)行GF-3衛(wèi)星太陽(yáng)電池電路靜電放電試驗(yàn)。試驗(yàn)中觀察到一次放電閾值和二次放電對(duì)太陽(yáng)電池的損傷,驗(yàn)證了不同寬間隙防護(hù)可以提高太陽(yáng)電池陣的二次放電閾值,經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知,寬間隙防護(hù)是高壓太陽(yáng)電池陣可采用的有效防護(hù)手段。

3.3 大載荷比衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)驗(yàn)證

GF-3衛(wèi)星總質(zhì)量接近3000 kg,荷載比將近55%。在衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí),以SAR天線構(gòu)型布局為突破口,開(kāi)展整星的構(gòu)型布局設(shè)計(jì)。

(1)通過(guò)加強(qiáng)梁實(shí)現(xiàn)SAR天線承載。SAR天線的布局是衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)的核心,它在發(fā)射狀態(tài)折疊壓緊在衛(wèi)星側(cè)面,因此其傳力路徑設(shè)計(jì)將直接影響衛(wèi)星的發(fā)射狀態(tài)力學(xué)特性。為此,增加了6根碳纖維加強(qiáng)梁,兩側(cè)SAR天線各通過(guò)6個(gè)壓緊點(diǎn)壓緊在加強(qiáng)梁兩端,從而滿足了發(fā)射狀態(tài)力學(xué)特性要求。

(2)一體化構(gòu)型設(shè)計(jì)滿足SAR天線平面度要求。SAR天線陣面長(zhǎng)約15 m,在軌平面度要求優(yōu)于5 mm。在構(gòu)型設(shè)計(jì)中,SAR天線展開(kāi)機(jī)構(gòu)與衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)均布置在載荷艙,避免了服務(wù)艙變形傳遞至SAR天線,且載荷艙主結(jié)構(gòu)采用熱膨脹系數(shù)較小的碳纖維蒙皮。此外,展開(kāi)機(jī)構(gòu)采用零膨脹材料設(shè)計(jì),SAR天線熱控可將陣面溫差控制在7℃以內(nèi),使SAR天線的相對(duì)形變控制在要求范圍內(nèi)。在初樣階段,通過(guò)攝影測(cè)量與光纖光柵結(jié)合的方法,在熱試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)SAR天線的平面度進(jìn)行測(cè)試,驗(yàn)證了天線的平面度可滿足要求。

3.4 SAR天線熱控設(shè)計(jì)驗(yàn)證

針對(duì)GF-3衛(wèi)星SAR天線大尺寸、高熱耗、多模式、溫度梯度要求高等特點(diǎn),采用模塊化、等溫化、智能隨動(dòng)控溫等方法,完成SAR天線熱控設(shè)計(jì);采用組合模式分析方法完成天線在軌溫度預(yù)示;利用吸波熱沉完成天線熱試驗(yàn)驗(yàn)證。

GF-3衛(wèi)星SAR天線在軌展開(kāi)后,同太陽(yáng)翼之間遮擋和輻射耦合強(qiáng)烈;同時(shí),在各類成像模式下,SAR天線的熱耗差異巨大。針對(duì)SAR天線的熱控特點(diǎn)和難點(diǎn),采取相應(yīng)的熱控措施:①在SAR天線波導(dǎo)噴涂高發(fā)射率低吸收比的熱控涂層,作為散熱面,排散陣面有源設(shè)備工作的發(fā)熱量;②采用預(yù)埋并外貼正交熱管網(wǎng)絡(luò),對(duì)SAR天線收發(fā)組件(T/R)和二次電源的熱量進(jìn)行擴(kuò)散;③采用高發(fā)射率黑漆和導(dǎo)熱硅脂,增強(qiáng)設(shè)備的輻射和導(dǎo)熱傳熱;④使用多層隔熱組件隔離太陽(yáng)翼輻射耦合和太陽(yáng)輻照熱流;⑤采用高精度智能隨動(dòng)控溫方法,實(shí)時(shí)獲取溫度梯度并適度補(bǔ)償,從而降低溫度梯度。試驗(yàn)和在軌運(yùn)行結(jié)果證明了熱設(shè)計(jì)的正確性和有效性。

SAR天線工作模式復(fù)雜,針對(duì)不同方式、不同姿態(tài)的組合工作模式,進(jìn)行熱分析仿真,完成衛(wèi)星姿態(tài)和工作模式的轉(zhuǎn)化與拼接,獲得在軌溫度預(yù)示和溫度約束條件。針對(duì)天線模塊化特點(diǎn),利用等效試驗(yàn)方法,采用單模塊和單翼試驗(yàn)涵蓋全陣面試驗(yàn)工況,縮短了試驗(yàn)時(shí)間,降低了試驗(yàn)成本,節(jié)省了人力物力。

針對(duì)天線微波輻射特性,采用吸波外熱流模擬裝置完成天線熱平衡試驗(yàn)和熱真空測(cè)試,兼顧外熱流模擬和電性能測(cè)試的雙重需求,降低了試驗(yàn)系統(tǒng)的復(fù)雜度和危害性。針對(duì)天線模塊和組件眾多、熱控實(shí)施內(nèi)容繁復(fù)的特點(diǎn),采用固化工藝規(guī)程、分工協(xié)作的流水化作業(yè)方式,提升了實(shí)施效率,降低了生產(chǎn)成本。

GF-3衛(wèi)星SAR天線的熱設(shè)計(jì)思路、熱分析方法、試驗(yàn)驗(yàn)證方式、實(shí)施過(guò)程控制方法等成功經(jīng)驗(yàn),可為同類型天線熱控研制工作提供有益的借鑒。

3.5 可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)及試驗(yàn)?zāi)Ｊ津?yàn)證

帶皮亞諾(Peano)余項(xiàng)形式的泰勒(Taylor)公式給出了函數(shù)在 x0點(diǎn)的局部表達(dá)式，當(dāng) f(x)→0(x→x0)，且其階數(shù)難以判斷時(shí)，用泰勒公式展開(kāi)是較好的方法。因此，例2運(yùn)用泰勒公式計(jì)算極限是一種不錯(cuò)的計(jì)算方法。

在GF-3衛(wèi)星設(shè)計(jì)過(guò)程中,針對(duì)用戶成像任務(wù)規(guī)劃多樣、各模式下成像參數(shù)差異大的特點(diǎn),預(yù)留了靈活的外部控制接口,可通過(guò)上注指令的方式,對(duì)系統(tǒng)參數(shù)、時(shí)序、工作方式等進(jìn)行靈活的調(diào)整,這樣既保證了SAR載荷常規(guī)工作模式的需求,也為在軌開(kāi)展試驗(yàn)?zāi)Ｊ津?yàn)證提供了可能。

GF-3衛(wèi)星成像模式可擴(kuò)展設(shè)計(jì)主要包括:①可靈活配置多種調(diào)頻信號(hào)帶寬、時(shí)寬組合,具有10多種調(diào)頻信號(hào)組合方式;②多種信號(hào)采樣速率,滿足各種信號(hào)帶寬下的采樣需求;③多種數(shù)據(jù)壓縮模式,在最小化圖像信息損失的前提下,降低數(shù)據(jù)率;④國(guó)內(nèi)首次采用雙通道接收模式,可實(shí)現(xiàn)雙孔徑及多極化模式接收;⑤靈活的二維波束掃描方式,不但可實(shí)現(xiàn)距離向波束快速切換,同時(shí)方位向波束掃描方向可調(diào),在實(shí)現(xiàn)聚束模式方位向后向掃描的基礎(chǔ)上,還保證了漸進(jìn)掃描合成孔徑雷達(dá)(TOPSAR)試驗(yàn)?zāi)Ｊ椒轿幌虿ㄊ跋驋呙璧男枨?⑥孔徑靈活可配置,具有全孔徑、半孔徑及部分孔徑等不同配置模式,為動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)試驗(yàn)?zāi)Ｊ降膶?shí)施提供了可能[4]。

對(duì)衛(wèi)星成像模式的可擴(kuò)展性進(jìn)行了專門的設(shè)計(jì),有力地保證了GF-3衛(wèi)星在軌成功實(shí)施多項(xiàng)新試驗(yàn)?zāi)Ｊ津?yàn)證,如凝視聚束模式成像、TOPSAR模式成像、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和干涉測(cè)高等。

1)凝視聚束模式

凝視聚束模式作為SAR的一種重要高分辨率成像模式,通過(guò)雷達(dá)波束轉(zhuǎn)動(dòng),使要成像的區(qū)域始終處于雷達(dá)波束的照射之下,從而延長(zhǎng)了合成孔徑時(shí)間,能得到超高的方位分辨率。GF-3衛(wèi)星常規(guī)工作模式中不包含凝視聚束模式,因此在軌測(cè)試中,通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)成像參數(shù),完成了凝視聚束成像模式試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了方位向分辨率由1.0 m到優(yōu)于0.5 m的提升。圖3給出了凝視聚束模式下,對(duì)寧和城際鐵路橋和南京長(zhǎng)江第三大橋的成像結(jié)果。凝視聚束模式圖像中橋體結(jié)構(gòu)清晰,細(xì)節(jié)可辨,證明了凝視聚束模式提升方位分辨率的能力。

2)TOPSAR模式

TOPSAR模式通過(guò)天線波束方位向反向掃描,實(shí)現(xiàn)短時(shí)間大場(chǎng)景覆蓋,然后將波束切換到其他子測(cè)繪帶進(jìn)行成像。TOPSAR模式可以實(shí)現(xiàn)與掃描模式相同的測(cè)繪帶寬度,且規(guī)避了掃描模式的方位向非均勻現(xiàn)象,可得到方位向輻射強(qiáng)度更均勻的圖像,有利于后續(xù)SAR圖像的定量化應(yīng)用[5]。GF-3衛(wèi)星常規(guī)工作模式中不包含TOPSAR模式,因此在軌測(cè)試中開(kāi)展了TOPSAR模式成像驗(yàn)證試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)TOPSAR模式方位向4跳拼接成像,成像結(jié)果如圖4(a)所示。該圖像未經(jīng)輻射校正,圖中無(wú)明顯拼接痕跡和亮暗起伏。作為對(duì)比,圖4(b)給出了傳統(tǒng)掃描模式圖像,圖中明顯可見(jiàn)方位向亮暗起伏條紋。試驗(yàn)結(jié)果表明:TOPSAR模式從成像機(jī)理上解決了掃描模式的扇貝效應(yīng),具備更高的應(yīng)用效能和潛力。本次試驗(yàn)驗(yàn)證了GF-3衛(wèi)星具備實(shí)現(xiàn)TOPSAR模式所需的波束掃描能力,同時(shí)證明了其TOPSAR模式能獲得比掃描模式輻射特性更均勻的圖像產(chǎn)品。鑒于此,GF-3衛(wèi)星的后續(xù)SAR衛(wèi)星將全部掃描模式更改為TOPSAR模式,以提高圖像輻射均勻性。

SAR動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)模式不僅能對(duì)觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行二維高分辨率成像,還能準(zhǔn)確檢測(cè)場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo),并對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行高精度估計(jì)[6]。GF-3衛(wèi)星常規(guī)工作模式中不包含動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)模式,但方位向具有2個(gè)獨(dú)立接收通道,能形成同一場(chǎng)景的相鄰2幅圖像,這就具備實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的基本條件。GF-3衛(wèi)星在軌開(kāi)展了動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)試驗(yàn),采取“一發(fā)兩收”的工作方式,獲得了雙通道數(shù)據(jù),進(jìn)行了動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)能力的驗(yàn)證。動(dòng)目標(biāo)試驗(yàn)的檢測(cè)區(qū)域?yàn)樯轿骷昂颖本硟?nèi)的大同-秦皇島鐵路線,檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。通過(guò)提取目標(biāo)的相位信息,估計(jì)出火車的位置和徑向速度,結(jié)果與先驗(yàn)信息相符,證明GF-3衛(wèi)星具備動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和一定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)能力。

4)干涉測(cè)高模式

干涉合成孔徑雷達(dá)(InSAR)是一種通過(guò)SAR干涉相位信息獲取地表三維模型和地面沉降信息的差分技術(shù)[7],可以大范圍、高密度地提取地表形變信息,既能快速響應(yīng)地震、火山等地質(zhì)災(zāi)害,又能廣泛應(yīng)用于地殼運(yùn)動(dòng)、冰川、滑坡、城市/礦區(qū)地面沉降和人工建筑物的穩(wěn)定性等長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。利用GF-3衛(wèi)星凍結(jié)軌道的回歸特性,在不同時(shí)刻、同一位置獲取同一地區(qū)的2幅SAR影像,進(jìn)行差分處理,去除地形起伏和其他因素的影響后,可得到地表形變信息。GF-3衛(wèi)星的試驗(yàn)測(cè)量區(qū)域?yàn)楹颖笔↑S驊和上海,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖6,圖中檢測(cè)到厘米級(jí)的地表形變,檢測(cè)精度達(dá)到亞厘米級(jí)。鑒于本次試驗(yàn)的成功,GF-3衛(wèi)星的后續(xù)SAR衛(wèi)星也將圍繞提高干涉測(cè)高精度開(kāi)展設(shè)計(jì)工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

GF-3衛(wèi)星的總體設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作,以滿足定量化應(yīng)用為核心,圍繞SAR載荷,尤其是SAR天線對(duì)衛(wèi)星能源、構(gòu)型、熱控方面的需求,在不同階段、針對(duì)不同的驗(yàn)證目標(biāo),開(kāi)展了大量的仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證工作。尤其在研制過(guò)程中,借助SAR天線及電子設(shè)備開(kāi)展的地面ISAR“國(guó)際空間站”成像試驗(yàn)、采用吸波熱沉進(jìn)行的SAR天線與整星聯(lián)合熱試驗(yàn),對(duì)我國(guó)SAR衛(wèi)星的研制工作極具參考意義。

在總體設(shè)計(jì)過(guò)程中,考慮了成像模式的可擴(kuò)展性,GF-3衛(wèi)星在軌完成了多種試驗(yàn)?zāi)Ｊ降尿?yàn)證工作,擴(kuò)展了衛(wèi)星應(yīng)用范圍,驗(yàn)證了多項(xiàng)星載SAR新技術(shù)的可行性,也為后續(xù)SAR衛(wèi)星研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

GF-3衛(wèi)星已經(jīng)在軌運(yùn)行一年多,仍然有很大的潛力有待開(kāi)發(fā)和挖掘,其后續(xù)SAR衛(wèi)星也已經(jīng)立項(xiàng)開(kāi)展研制,并將與GF-3衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行,為我國(guó)多極化SAR數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)化應(yīng)用提供支撐。

References)

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System Design Verification of GF-3 Satellite

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

GF-3 satellite is the only microwave imaging satellite of the NHREOS(national high resolution earth observation system),as well as the first C-band multipolarity SAR(synthetic aperture radar)satellite with 1 m spatial revolution in China.The satellite has the requirement of high quantitative application index,as well as some technical characteristics and difficulties such as large mass and size of radar antenna,high requirement of thermal control,high power and complex structure at the same time.So in the paper,the system design characteristics and design verification methods are introduced such as high image quantification and high scalability.The high image quality and quantification application are achieved by using system modeling,simulation analysis,ground test and on-orbit test,which makes the satellite have on-orbit expansion ability.The verification methods adopted in design and development process of GF-3 satellite can be used to system design of other SAR satellites.

GF-3 satellite;SAR;system design;verification method

V474.2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.001

2017-09-21;

2017-09-27

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程

張慶君,男,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師兼總指揮,航天遙感領(lǐng)域總師,入選“新世紀(jì)百千萬(wàn)人才工程”和國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。先后獲得國(guó)家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)、國(guó)家發(fā)明一等獎(jiǎng)、國(guó)防科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。研究方向?yàn)楹教炱飨到y(tǒng)與總體技術(shù)、航天遙感應(yīng)用。Email:ztzhangqj@163.com。

(編輯:夏光)