趙志偉 金麗花

(中國空間技術(shù)研究院研究發(fā)展部,北京 100094)

1 引言

1978年,全球第一顆合成孔徑雷達(SA R)衛(wèi)星——美國的“海洋衛(wèi)星”(SEASA T)發(fā)射升空,為空間微波遙感掀開了嶄新的一頁[1]。隨著加拿大雷達衛(wèi)星-1(Radarsat-1)等商用SAR 衛(wèi)星的成功,各行各業(yè)對星載SA R 圖像的需求越來越旺盛。世界上的主要航天大國都在大規(guī)模地研制自己的SAR衛(wèi)星。尤其在進入21 世紀后,SAR 衛(wèi)星的發(fā)射更頻繁。2007年至今,全球累計發(fā)射SAR 衛(wèi)星超過10 顆, 其中德國完成了“合成孔徑雷達-放大鏡”(SA R-Lupe)星座的布置(共5 顆),意大利也發(fā)射了“地中海周邊觀測”(COSMO-Skymed)星座的3 顆(共4 顆)[2]。

各國SA R 衛(wèi)星的有效載荷水平也在不斷提高,具體表現(xiàn)在分辨率更高、幅寬增加、開展動目標檢測(M T I)試驗、多極化甚至全極化成像、編隊干涉測高試驗等。SAR 衛(wèi)星的重訪能力也在不斷提高。由此推動SAR 衛(wèi)星總體技術(shù)不斷進步,大量新型技術(shù)引入到SAR 衛(wèi)星當中,如:大容量電力供應、高精度姿軌控系統(tǒng)、高速數(shù)傳及大容量星上存儲技術(shù)等。本文將對近年來的高水平SAR 衛(wèi)星在衛(wèi)星總體技術(shù)層面進行橫向?qū)Ρ?主要包括各衛(wèi)星軌道、能源、控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴哪芰?并對世界上的SAR衛(wèi)星總體技術(shù)的發(fā)展方向進行預測,以此作為我國發(fā)展SAR 衛(wèi)星總體技術(shù)的參考。

2 衛(wèi)星基本情況

本文涉及的SA R 衛(wèi)星包括德國的“陸地合成孔徑雷達”(TerraSAR)衛(wèi)星[3]、SA R-Lupe 星座[4]。意大利的COSMO-Skymed 星座[5]、加拿大Radarsat-2 衛(wèi)星[6-8]、以色列“技術(shù)驗證合成孔徑雷達”(TecSA R)衛(wèi)星[9]、印度的雷達成像衛(wèi)星-1(RISA T-1)衛(wèi)星[10]。這些衛(wèi)星都是在2007年以后發(fā)射的(其中RISAT-1 仍在研制中),代表了目前世界上SAR 衛(wèi)星的最高水平。各衛(wèi)星的基本情況(按發(fā)射時間順序)見表1。

由表1 可以看出,除了SA R-Lupe 星座,其他衛(wèi)星的載荷都具備多極化甚至全極化能力;6 顆衛(wèi)星的SA R 圖像分辨率都在2m 以下;TerraSAR、Radarsat-2 和COSMO-Skymed 衛(wèi)星都具備動目標檢測能力。載荷性能指標的提高對系統(tǒng)的構(gòu)形布局、供電能力、姿態(tài)控制能力和數(shù)傳能力都提出了很高的要求。SAR-Lupe 和TecSAR 衛(wèi)星為了降低重量采用輕型拋物面天線;其他則采用了相控陣天線。各衛(wèi)星的設(shè)計壽命都在5年以上,這也對系統(tǒng)的可靠性提出了高要求。

表1 6 顆SAR 衛(wèi)星基本情況Table 1 Basal characteristic of the six satellites

3 衛(wèi)星總體指標及技術(shù)對比

3.1 衛(wèi)星軌道及重訪特性

衛(wèi)星軌道或星座選擇直接影響到衛(wèi)星的總體方案和構(gòu)形設(shè)計。本文所關(guān)注的6 顆衛(wèi)星軌道特性如表2 所示。由該表可以看出,幾顆衛(wèi)星都選擇太陽同步晨昏軌道,且都通過姿態(tài)變化(實現(xiàn)雙側(cè)視成像)縮短重訪周期。另外,對于SA R 衛(wèi)星,可以通過軌道設(shè)計和精確軌道控制實現(xiàn)雙星順序飛行,有利于實現(xiàn)干涉SA R 成像。

對于微波遙感衛(wèi)星,不受成像的時間限制。晨昏軌道可以提供長期的太陽光照條件,這有利于滿足SA R 衛(wèi)星較大的功率需求。晨昏軌道下,衛(wèi)星太陽翼可以固定安裝,其撓性對星體影響較小,利于側(cè)擺機動控制和快速穩(wěn)定。根據(jù)經(jīng)驗,對晨昏軌道(以降交點地方時為18 ∶00 為例),衛(wèi)星保持長期右側(cè)視35°飛行狀態(tài),在冬至外熱流最大工況下,會出現(xiàn)不利于SAR 天線工作的溫度,解決的方案就是采用短期右側(cè)視(針對18 ∶00 軌道),平時保持左側(cè)視或者天線指向天底點狀態(tài)。以目前的資料來看,國外的SA R 衛(wèi)星也確實采用了這種解決方案。

3.2 衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)與構(gòu)形

航天器結(jié)構(gòu)的主要功能是承受作用在航天器上的各種靜態(tài)和動態(tài)載荷。作為SAR 衛(wèi)星,其主要載荷是SAR 系統(tǒng)。SA R 系統(tǒng)包括中央電子設(shè)備和SAR 天線兩個子系統(tǒng)。中央電子設(shè)備可以布置在星體內(nèi)部,SA R 天線只能布裝在星體表面或通過展開機構(gòu)伸展在星體外部。合理的SA R 天線的布局和可靠、有效的結(jié)構(gòu)機構(gòu)設(shè)計成為SA R 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與構(gòu)形的主要問題。

常用的SAR 天線包括平板相控陣天線、拋物面天線等,見表3。本文研究的6 顆衛(wèi)星中, TecSAR和SA R-Lupe 衛(wèi)星采用拋物面天線,其他都采用了平板相控陣天線。

表2 衛(wèi)星軌道及重訪特性對比Table 2 Contrast on satellites orbit and revisit period characteristic

表3 衛(wèi)星構(gòu)形對比Table 3 Contrast on satellites configuration

平板相控陣天線的優(yōu)點是不需要天線擺動,僅憑借幅度和相位的加權(quán)控制就可以實現(xiàn)波束指向控制,缺點是天線內(nèi)的發(fā)射/接收(T/R)組件重量重,天線整體面積大,容易對太陽電池陣形成遮擋,降低光電轉(zhuǎn)換效率,增加熱控的難度。為了解決這一矛盾,TerraSA R 衛(wèi)星突破了常規(guī)四方體的思路,采用了獨創(chuàng)的六面體結(jié)構(gòu),多出的兩個外表面使得SAR天線和太陽電池陣都可以直接安裝在星體外部,為外部設(shè)備的布局留下了很大空間。但是,這種方法不適合于天線長度超過了星體包絡(luò)限制的情況,如Radarsat-2 衛(wèi)星的天線長度達到了15m 左右。這時就需要考慮利用天線展開機構(gòu),在發(fā)射狀態(tài)將天線收攏,發(fā)射后通過程序控制展開SAR 天線。這種技術(shù)會增加系統(tǒng)的復雜度,對機構(gòu)的可靠性提出了較高要求。Radarsat-2 衛(wèi)星為了解決大天線的壓緊展開問題,還在星體表面加裝了加強梁,梁的兩端可用于安裝壓緊點。一方面提高了壓緊狀態(tài)的整體剛度,另一方面也避免了在天線表面開孔安裝壓緊點所帶來的天線性能損失。

拋物面天線具備質(zhì)輕、靈活等特點。由于采用集中發(fā)射,其對發(fā)射機,尤其是大功率合成技術(shù)的要求比較高。早期的拋物面天線形面精度差,掃描速度慢,隨著技術(shù)的發(fā)展,這些問題都得到了有效解決,所以拋物面天線在小衛(wèi)星上發(fā)揮著越來越重要的作用。拋物面SAR 天線也可以采用不同的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。TecSA R 衛(wèi)星采用一種以碳纖維為支架的可展開天線,以實現(xiàn)整星的輕量化目的。由于饋源技術(shù)水平和整星姿態(tài)控制水平較高,加上高精度裝配,該衛(wèi)星也可以實現(xiàn)高精度成像。SA R-Lupe 衛(wèi)星采用的是與平臺一體化的安裝體制,降低天線對平臺的擾動影響。

SAR 衛(wèi)星上的另一個重要載荷就是數(shù)傳天線。目前主要的高速數(shù)傳為X 頻段,隨著X 頻段高分辨率SA R 衛(wèi)星越來越多,不可避免會出現(xiàn)同頻干擾問題。TerraSA R 衛(wèi)星采用伸展機構(gòu)將數(shù)傳天線遠置(3.3m),降低同頻干擾;SAR-Lupe 衛(wèi)星則采用與SAR 與數(shù)傳分時工作的方式。

3.3 衛(wèi)星能源分系統(tǒng)

SAR 衛(wèi)星對能源分系統(tǒng)的要求是十分嚴格的,它需要在短時間內(nèi)實現(xiàn)大功率、大電流脈沖式供電。對于高分辨率、多極化SA R 衛(wèi)星,這種要求則更加苛刻。解決這種問題的辦法,除了采用晨昏軌道,利用持續(xù)的光照提供電力外,SAR 衛(wèi)星都采用了大容量蓄電池組來保證SA R 運行期間的電力供應。鎳氫電池是目前一種非常成熟的技術(shù),在大量衛(wèi)星能源分系統(tǒng)中都有采用,它的缺點是單體電壓低,質(zhì)量卻很重。而鋰離子蓄電池作為一種20 世紀90年代初期發(fā)展的先進蓄電池,具有高比能量、高電壓、良好的低溫性能、較低的自放電率和無記憶效應等一系列優(yōu)點。用鋰離子蓄電池取代目前衛(wèi)星等航天器普遍采用的鎘鎳或氫鎳蓄電池,可將貯能電源在電源系統(tǒng)所占重量的30%～40%降低至10%,從而大大降低發(fā)射成本,增加有效載荷,缺點是壽命較氫鎳電池短。TerraSA R 和Cosmo-Skymed 衛(wèi)星對電源的容量要求比較高,都采用了鋰離子蓄電池組技術(shù)。

表4 衛(wèi)星能源分系統(tǒng)對比Table 4 Contrast on satellites power system

3.4 衛(wèi)星控制分系統(tǒng)

高分辨率的SAR 衛(wèi)星對衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的要求也很嚴格。受地球自轉(zhuǎn)影響,星載SA R 的天線不能夠指向正側(cè)視方向,這會帶來較大的距離徙動,加大成像處理的難度。解決辦法之一就是采用星上偏航牽引,通過有規(guī)律地改變偏航牽引角來消除地球自轉(zhuǎn)的影響。早期的SA R 衛(wèi)星受技術(shù)限制或由于載荷分辨率較低,較少采用這一技術(shù),但新型高分辨SAR 衛(wèi)星則普遍利用這一技術(shù)。

早期的SAR 衛(wèi)星一般只具有單向側(cè)視成像的能力,為了擴大SA R 衛(wèi)星的成像范圍,新型SA R 衛(wèi)星都采用整星側(cè)擺或SAR 天線側(cè)擺實現(xiàn)左右雙側(cè)視。TecSAR 和SAR-Lupe 小衛(wèi)星甚至具有整星的二維擺動能力。其中TecSA R 衛(wèi)星首次實現(xiàn)的鑲嵌成像模式(mosaic mode)要求衛(wèi)星具備精確、快速的二維整星機動能力,這對衛(wèi)星的姿控提出了非常高的要求。RISAT-1 衛(wèi)星為了實現(xiàn)高分辨率聚束模式,除了采用相控陣天線進行方位向掃描外,還通過衛(wèi)星在俯仰方向進行擺動來控制波束,這對于裝載多項撓性部件的大型SA R 衛(wèi)星平臺來講,具有較高的難度。

表5 衛(wèi)星控制分系統(tǒng)對比Table 5 Contrast on satellites control system

3.5 衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)

表6 衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)對比Table 6 Contrast on satellites data transmission system

高分辨率或者多極化SA R 衛(wèi)星工作一次產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常大,即使經(jīng)過星上實時壓縮,其數(shù)據(jù)率仍然可能達到Gbit/s 量級。以目前常用的數(shù)傳技術(shù),很難將如此大量的數(shù)據(jù)實時傳輸至地面站。普遍采用的技術(shù)是高速數(shù)傳加星上大容量固態(tài)存儲器技術(shù)。數(shù)傳頻段基本采用X 頻段。TerraSAR 衛(wèi)星還攜帶了激光通信試驗設(shè)備,其數(shù)據(jù)率可以達到4.5Gbit/s。RISA T-1 衛(wèi)星則采用極化復用技術(shù)提高頻帶利用率。

4 衛(wèi)星總體技術(shù)發(fā)展趨勢分析

綜上所述,我們可以看出,近幾年SA R 衛(wèi)星總體技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)如下趨勢:

1)載荷水平不斷提高。經(jīng)過近30年的發(fā)展,星載SA R 技術(shù)由單一成像模式(條帶)向多種成像模式(條帶、聚束或滑動聚束、掃描、鑲嵌)轉(zhuǎn)化,極化方式由單極化向多極化甚至全極化發(fā)展,分辨率則由百米量級提高至亞米級,這無疑帶動了整星技術(shù)水平的提高。

2)衛(wèi)星壽命延長。目前的SA R 衛(wèi)星壽命至少都在5年以上,甚至預計壽命可以達到10年,這對平臺、分系統(tǒng)及器件的壽命和可靠性要求都很高。

3)軌道類型以晨昏軌道居多,并大多數(shù)考慮多星組網(wǎng)飛行或雙星編隊飛行,具備較高的時間分辨率(重訪周期短)、干涉成像能力或動目標檢測能力。

4)雙太陽翼構(gòu)形居多,部分SA R 衛(wèi)星采用體裝太陽電池陣方式。

5)為滿足大容量電源要求,采用太陽電池陣與蓄電池組聯(lián)合供電方式。蓄電池組的容量較大的衛(wèi)星采用鋰離子電池(但壽命也相對較短),容量較小的衛(wèi)星仍采用成熟的鎳氫電池技術(shù)(壽命則可達到10年);新型SAR 衛(wèi)星的供電能力都在3kW 左右。

6)為了消除地球自轉(zhuǎn)影響,衛(wèi)星都具備偏航牽引能力;為了縮短重訪周期,平臺普遍具備雙側(cè)視能力;部分衛(wèi)星甚至具備整星的二維姿態(tài)機動能力。

7)衛(wèi)星普遍采用高速數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng):采用X 頻段雙通道高速數(shù)傳系統(tǒng),星上固存容量在200G bit 以上,部分衛(wèi)星開始試驗或準備采用新型數(shù)傳技術(shù),激光通信或極化復用技術(shù)等。

5 啟示與建議

根據(jù)上述對比和分析,結(jié)合我國的衛(wèi)星平臺技術(shù)發(fā)展水平,提出如下建議供參考:

1)統(tǒng)籌規(guī)劃。新型SA R 衛(wèi)星的長期發(fā)展要考慮星座配置或者編隊飛行,以保證高時間分辨率,這也有利于動目標檢測和干涉成像的實現(xiàn)。

2)提高整星的使用壽命。目前國內(nèi)低軌衛(wèi)星的設(shè)計壽命相對國外較短,而航天器的壽命受到多方面的影響和制約,需要統(tǒng)籌全局,綜合考慮,提高在軌航天器的使用年限,使其按期甚至超期服役。

3)提高衛(wèi)星姿態(tài)機動和軌道機動能力。雙側(cè)視是提高SA R 衛(wèi)星重訪能力的有效手段,但受軌道條件限制(如晨昏軌道),需要進行頻繁且迅速穩(wěn)定的姿態(tài)機動,所以高可靠、高精度的執(zhí)行機構(gòu)是必不可少的;軌道機動則可以在短期內(nèi)經(jīng)費和時間不足的情況下,實現(xiàn)熱點區(qū)域的快速重訪:利用軌道機動能力較強的衛(wèi)星平臺,在緊急模式下將軌道機動到天回歸軌道,可實現(xiàn)對指定區(qū)域每天一次的觀察。

4)發(fā)展大容量電源技術(shù)。大容量電源普遍采用太陽電池與蓄電池組合供電的模式,這就要求一方面加大高效率太陽電池技術(shù)的開發(fā),如三結(jié)砷化鎵電池,另一方面要提高新型蓄電池,特別是長壽命鋰離子蓄電池的型號應用。

5)發(fā)展高精度姿態(tài)控制技術(shù)。一方面要通過提高控制精度保證SA R 圖像的高質(zhì)量,這在高分辨率SA R 衛(wèi)星里顯得尤為重要;另一方面也可以通過準確的姿態(tài)控制實現(xiàn)高分辨率或者新型SA R 工作模式(如聚束模式、鑲嵌模式、漸進掃描陸地觀測(Terrain observation with progressive scan SA R,TOPSA R)模式等。

6)發(fā)展一體化高速數(shù)傳系統(tǒng)。高速數(shù)傳系統(tǒng)包括使用新型技術(shù)提高頻帶利用率(如極化復用),采用新的頻段提高數(shù)據(jù)率,采用新型高容量小型化固態(tài)存儲器。

7)發(fā)展輕型或小型化SA R 衛(wèi)星技術(shù)。這包括小型SAR 衛(wèi)星通用平臺的研制,一體化SA R 衛(wèi)星電子設(shè)備研制,輕量化SA R 天線技術(shù)、大功率合成技術(shù)開發(fā)等。

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