劉杰 張慶君 李延 齊亞琳 唐治華

(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

復(fù)雜約束條件下的高分三號衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計

劉杰 張慶君 李延 齊亞琳 唐治華

(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

高分三號(GF-3)衛(wèi)星是中國首顆民用平面相控陣SAR衛(wèi)星,配置一套大型平面相控陣?yán)走_(dá)天線,由于載荷尺寸大、質(zhì)量大、功耗大、熱耗大和電磁復(fù)雜特點,在衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計過程中采用了面向復(fù)雜約束條件下的系統(tǒng)綜合設(shè)計方法。文章在梳理GF-3衛(wèi)星載荷約束的基礎(chǔ)上,提出了SAR衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計思路,詳細(xì)介紹了圍繞SAR載荷開展的面向機(jī)、電、熱、磁等方面系統(tǒng)設(shè)計方案的選擇與優(yōu)化過程,并重點在SAR天線體制、結(jié)構(gòu)形式、熱控方案、機(jī)構(gòu)要求,以及供配電狀態(tài)和太陽翼方案等方面,給出了系統(tǒng)綜合設(shè)計結(jié)果。

高分三號衛(wèi)星;合成孔徑雷達(dá)載荷;機(jī)、電、熱、磁約束;系統(tǒng)設(shè)計

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星具備全天候、全天時的成像能力,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,被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域。高分三號(GF-3)衛(wèi)星是中國首顆民用高分辨全極化平面相控陣SAR衛(wèi)星[1],能實現(xiàn)全天候全球海洋和陸地信息的監(jiān)視監(jiān)測。

GF-3衛(wèi)星配置一副大型平面相控陣體制SAR載荷,由于SAR載荷在衛(wèi)星的質(zhì)量、尺寸、功耗、熱耗等方面占比較高,與衛(wèi)星的機(jī)、電、熱、磁等設(shè)計耦合嚴(yán)重,對衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)包絡(luò)、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)設(shè)計、供配電設(shè)計、熱設(shè)計、電磁兼容性(EMC)設(shè)計等有著直接的影響。因此,在衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計中,系統(tǒng)總體設(shè)計是以SAR載荷,特別是以SAR天線的特點和要求為切入點開展的綜合設(shè)計工作。

本文以GF-3衛(wèi)星為研究對象,系統(tǒng)梳理了平面相控陣SAR載荷特點及其對衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計的約束條件,介紹了在機(jī)、電、熱、磁等復(fù)雜約束條件下的系統(tǒng)綜合設(shè)計思路、流程和方法。

2 平面相控陣SAR載荷特點及設(shè)計約束分析

2．1 SAR載荷機(jī)械特性分析

根據(jù)星載SAR的成像原理,SAR天線尺寸受到距離方位模糊、方位向分辨率和波束覆蓋范圍等多方面因素的限制[2]。在約750km軌道高度條件約束下,GF-3衛(wèi)星SAR天線機(jī)械尺寸約為15．0 m×1．5 m,考慮到天線陣面展開機(jī)構(gòu)和熱控部分設(shè)備,SAR天線質(zhì)量將在1500 kg左右。

受到運載火箭整流罩包絡(luò)約束,大陣面天線在發(fā)射過程中采用折疊、收攏、壓緊安裝在衛(wèi)星表面,入軌后展開拼接使用,并在軌保持高精度型面。因此,要求衛(wèi)星系統(tǒng)提供較大且有一定剛度、平面度的天線安裝平面;同時提供在軌展開機(jī)構(gòu),展開后構(gòu)成一定剛度的天線柔性附件,不僅要滿足與控制系統(tǒng)解耦的要求,還要滿足天線成像質(zhì)量下平面保持精度(優(yōu)于5 mm)要求。通過系統(tǒng)分析,SAR天線展開后剛度要大于1．5 Hz。此外,根據(jù)初步估計,衛(wèi)星荷載比超過50%,剛度較小;但在衛(wèi)星承載能力、運載火箭承載能力、星箭耦合振動要求等約束下,衛(wèi)星剛度要滿足星箭聯(lián)合系統(tǒng)要求,而SAR天線剛度是最大影響因素,因此應(yīng)確保SAR天線收攏壓緊狀態(tài)下一階基頻不小于25 Hz。

2．2 SAR載荷功率特性分析

為滿足約750 km高度軌道高質(zhì)量成像要求,SAR載荷要具備高輻射功率。GF-3衛(wèi)星SAR載荷峰值功率近15 000 W,各工作模式下的平均功率約為8000 W,同時對其他設(shè)備的EMC干擾較大,電磁環(huán)境非常復(fù)雜。

SAR天線采用脈沖工作模式,最大占空比在17%左右,這種脈沖工作模式將對衛(wèi)星電源品質(zhì)要求較高,電源設(shè)計時應(yīng)具備較好的動態(tài)特性,并充分考慮脈沖負(fù)載對穩(wěn)定負(fù)載干擾,以及脈沖負(fù)載對電源響應(yīng)速度和輸出阻抗的要求。此外,GF-3衛(wèi)星單次連續(xù)成像時間最長達(dá)到50 min,功率累積消耗大,要求電源具備長時間連續(xù)工作能力。

2．3 SAR天線熱特性分析

由于工作時間長,功耗大,SAR天線陣面熱耗將近6000 W,且不同工作模式下熱耗跨度大。相控陣?yán)走_(dá)對相位控制精度要求高,射頻器件相位精度與溫度息息相關(guān)。首先,微波器件適應(yīng)的溫度范圍較窄,對溫控要求高,如發(fā)射/接收(T/R)組件、延時放大組件等艙外部件的工作溫度要求控制在－20～＋45℃。其次,SAR天線通過相位切換形成不同成像波束,而T/R組件等射頻器件相位受到溫度影響較大,為保證這些溫度敏感器件的高精度輸出,對相關(guān)器件、電纜等工作溫度的一致性要求也很高。為保證天線性能,要求單模塊內(nèi)T/R組件和延時放大組件等射頻器件溫度梯度不超過7℃,全陣面溫度梯度不超過10℃。

2．4 SAR天線指向特性分析

在對地觀測過程中,SAR載荷會伴隨著衛(wèi)星本體非規(guī)則運動和SAR天線自身變形引起天線指向不穩(wěn)定,從而引起成對回波信號干擾,影響圖像的旁瓣比、分辨率和模糊度等參數(shù),直接或間接影響觀測帶寬度、圖像定位精度等[3]。GF-3衛(wèi)星SAR載荷指向精度的要求較高,通過大量仿真試驗表明約在0．01°量級。

影響SAR天線波束指向誤差的因素很多,包括衛(wèi)星平臺姿態(tài)控制指向精度誤差、指向穩(wěn)定度誤差和SAR天線的展開誤差、SAR天線形變誤差、SAR天線陣元誤差等。以其中涉及的熱變形為例,GF-3衛(wèi)星工作在C頻段,對天線陣面熱變形的要求必須在毫米量級,這就需要天線結(jié)構(gòu)、天線展開機(jī)構(gòu)、天線熱控和衛(wèi)星總裝等各個環(huán)節(jié)共同保證。

3 復(fù)雜約束條件下的GF-3衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計

3．1 衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計思路

SAR衛(wèi)星是一個復(fù)雜衛(wèi)星系統(tǒng),SAR載荷是核心設(shè)備,對系統(tǒng)設(shè)計約束條件較多,衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計必須從整體角度開展面向機(jī)、電、熱、磁約束條件下的系統(tǒng)綜合設(shè)計,不斷迭代優(yōu)化,才能滿足衛(wèi)星系統(tǒng)指標(biāo)要求。GF-3衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計思路如圖1所示。

(1)充分論證用戶指標(biāo)要求,分析SAR載荷,尤其是SAR天線對衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計提出的各項要求。

(2)在載荷性能指標(biāo)要求和其他大系統(tǒng)約束條件下,開展設(shè)計工作。

(3)面向SAR衛(wèi)星特點及約束,設(shè)計流程經(jīng)過“先分散設(shè)計－再集中優(yōu)化－再分散設(shè)計和集中優(yōu)化”的多輪方案比較和優(yōu)化,最終確定一個易于實現(xiàn)、各方面綜合效果最優(yōu)的結(jié)果。例如:SAR天線結(jié)構(gòu)形式,涉及天線結(jié)構(gòu)設(shè)計、衛(wèi)星基頻計算、熱控方案設(shè)計與仿真等多個方面,對天線結(jié)構(gòu)設(shè)計可能的多種方案,可分別開展衛(wèi)星狀態(tài)下系統(tǒng)設(shè)計,對不滿足約束邊界的指標(biāo),可優(yōu)先根據(jù)機(jī)、熱設(shè)計建議對天線結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行微調(diào),并相應(yīng)調(diào)整熱控等措施,再進(jìn)行仿真計算;通過多輪設(shè)計迭代,從而最終確定符合載荷要求和衛(wèi)星約束的天線結(jié)構(gòu)形式。

圖1 GF-3衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計思路Fig.1 System design idea of GF-3 satellite

3．2 基于機(jī)械約束的設(shè)計

1)SAR天線結(jié)構(gòu)形式分析設(shè)計

大型平面相控陣?yán)走_(dá)天線一般有無支撐結(jié)構(gòu)和有支撐結(jié)構(gòu)形式2種形式,且各有特點。無支撐結(jié)構(gòu)形式天線可顯著降低天線總體質(zhì)量,但其結(jié)構(gòu)基頻主要由天線熱控板厚度來確保。通過分析,無支撐結(jié)構(gòu)體制下,天線總體質(zhì)量可優(yōu)于1000 kg,但其結(jié)構(gòu)基頻不能滿足要求,且天線陣面溫度較高,如T/R組件的最高溫度將達(dá)到76℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于系統(tǒng)要求的最高45℃要求。因此,無支撐結(jié)構(gòu)形式滿足衛(wèi)星系統(tǒng)總體要求的難度很大。有支撐結(jié)構(gòu)形式天線,雖然天線總體質(zhì)量有一定的增加,但其結(jié)構(gòu)基頻顯著提升,而且天線熱控布局約束少,陣面最高溫度可降到40℃以內(nèi),對在軌圖像質(zhì)量提升有較大設(shè)計余量。

此外,SAR天線收攏、壓緊狀態(tài)下的分陣形式,不僅影響天線本身設(shè)計,同時也與展開機(jī)構(gòu)、衛(wèi)星本體設(shè)計及運載要求密切相關(guān),考慮以上多種約束,可有四面板和五面板2種天線分陣劃分方案,具體如圖2所示。

圖2 SAR天線陣面劃分方案Fig.2 Dividing scheme of SAR antenna array

四面板方案為對稱設(shè)計,天線電訊設(shè)計簡單,但由于在衛(wèi)星本體上存在“懸臂梁”狀態(tài),會導(dǎo)致天線結(jié)構(gòu)基頻要求較高,如采用有支撐結(jié)構(gòu)天線狀態(tài),再采用衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)“加強(qiáng)梁”狀態(tài),則可有效提升天線結(jié)構(gòu)基頻,滿足基頻25 Hz的要求。五面板方案為非對稱設(shè)計,雖然有效避免了SAR天線高出衛(wèi)星本體導(dǎo)致的“懸臂梁”狀態(tài)而降低了對天線結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求,并減小了天線的質(zhì)量,但天線電訊設(shè)計較為復(fù)雜,不僅體現(xiàn)在板間供電、控制及射頻電纜數(shù)量上,更體現(xiàn)在SAR天線雙通道設(shè)計要求下功率分配及定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度上,考慮復(fù)雜SAR天線在軌需求,為提高載荷在軌壽命和可靠性,優(yōu)先選擇電訊設(shè)計較為簡單的方案。

通過系統(tǒng)分析,綜合考慮天線陣面基頻要求、電訊設(shè)計復(fù)雜程度和天線熱控精度,在對衛(wèi)星本體主承力結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計前提下,選擇天線對稱劃分設(shè)計及天線有支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。

2)SAR天線展開機(jī)構(gòu)與衛(wèi)星本體接口分析設(shè)計

SAR天線在展開狀態(tài)下,是通過展開機(jī)構(gòu)與衛(wèi)星本體連接(如圖3所示)。展開機(jī)構(gòu)與衛(wèi)星本體連接接口采用3角支撐架的3處連接點,主要從以下3個方面考慮:①剛度。衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)連接點剛度將影響展開狀態(tài)天線基頻,特別是頂支撐點剛度。頂支撐點設(shè)計為衛(wèi)星本體主承力結(jié)構(gòu)點,其剛度較高并在最大程度上保證天線在軌剛度。②強(qiáng)度。天線展開鎖定過程中和衛(wèi)星在軌調(diào)整姿態(tài)過程中會對連接點產(chǎn)生較大的拉拔力,因此連接點強(qiáng)度要求較高,設(shè)計過程中衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)分別在3個支撐點設(shè)計埋件,保證足夠連接強(qiáng)度。③精度。3個連接點的精度直接關(guān)系到SAR天線陣面的平面度和指向精度,因此對支撐點接口位置進(jìn)行一體化精加工,確保安裝接口平面精度和位置精度。

圖3 SAR天線與衛(wèi)星本體連接狀態(tài)Fig.3 Connection status of SAR antenna and satellite structure

此外,SAR天線在軌工作期間,因外熱流變化會導(dǎo)致冷熱變形。如果接口之間完全固定,則會由于變形不協(xié)調(diào)而發(fā)生翹曲,采用設(shè)計游離連接裝置,允許可展開支撐桁架與天線基板間發(fā)生相對滑動,從而避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)翹曲。同時,展開機(jī)構(gòu)與天線之間所有的連接組件均具有轉(zhuǎn)動自由度,其平動自由度和方向可根據(jù)需要進(jìn)行不同的設(shè)計。

3)太陽翼及設(shè)備布局分析設(shè)計

在完成SAR天線等主載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步開展太陽翼及設(shè)備狀態(tài)設(shè)計。一般,SAR衛(wèi)星功率需求較大,太陽翼面積相對較大,其結(jié)構(gòu)設(shè)計和收攏安裝狀態(tài)是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在軌道約束下,通過功率平衡設(shè)計,GF-3衛(wèi)星太陽翼需求面積為不小于28 m2,因此配置為雙側(cè)太陽翼。由于衛(wèi)星±X側(cè)已經(jīng)壓緊安裝SAR天線,因此太陽翼只能收攏安裝在衛(wèi)星±Y側(cè),并沿X方向展開使用。GF-3衛(wèi)星太陽翼設(shè)計采用平面二維展開方式,展開狀態(tài)如圖4所示。

圖4 太陽翼展開Fig.4 Deployment of solar wing

在衛(wèi)星大部件完成結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上,可開展星內(nèi)設(shè)備布局設(shè)計分析,其中的關(guān)注點是光學(xué)部件要滿足視場設(shè)計,轉(zhuǎn)動部件滿足轉(zhuǎn)動范圍設(shè)計,推力器部件滿足羽流設(shè)計等。

3．3 基于電約束的設(shè)計

1)SAR天線的電性能設(shè)計

從減小衛(wèi)星質(zhì)量、減輕供配電及熱控壓力、提高極化隔離度等角度出發(fā),對SAR天線陣面輻射陣面形式、T/R組件狀態(tài)等開展設(shè)計。

在天線輻射陣面方面,有微帶天線和波導(dǎo)縫隙天線2種形式[4]。通過系統(tǒng)設(shè)計和分析,2種輻射陣面形式均可滿足衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計要求,2個方案細(xì)節(jié)對比如表1所示。綜合來看,波導(dǎo)縫隙天線在極化隔離和輻射效率方面有顯著提升,同時其制造工藝較為成熟,產(chǎn)品指標(biāo)一致性會有較好保證。全陣波導(dǎo)裂縫天線質(zhì)量會增加約80 kg,但仍在衛(wèi)星可接受范圍內(nèi),因此選用波導(dǎo)縫隙輻射陣面形式,這樣在系統(tǒng)電訊性能、部組件可生產(chǎn)性及一致性,以及后續(xù)在軌圖像質(zhì)量各方面更具優(yōu)勢。

表1 微帶天線與波導(dǎo)縫隙天線對比Table 1 Comparison of microstrip antenna and slotted waveguide antenna

在極化通道設(shè)計方面,存在2種系統(tǒng)設(shè)計方案(見圖5):①極化隔離方案,即水平(H)極化和垂直(V)極化采用完全獨立的2套射頻發(fā)射接收鏈路,同時2個通道配置獨立的供電和控制網(wǎng)絡(luò);②極化共用方案,即H極化和V極化共用發(fā)射支路,僅接收支路相互獨立,同時為適應(yīng)H極化和V極化發(fā)射,采用多極化T/R組件,2種極化共用1套供電和控制網(wǎng)絡(luò)。通過比對(見表2)可知,主要是作為核心部件的T/R組件存在差異,進(jìn)而導(dǎo)致配套單機(jī)數(shù)量和系統(tǒng)供電控制復(fù)雜度不同。極化隔離T/R組件在極化隔離上明顯優(yōu)于多極化方案,能消除鏈路中隔離度短板。綜合來看,選用H極化和V極化隔離方案,綜合性能最優(yōu)。

圖5 SAR載荷極化通道隔離方案Fig.5 Polarization isolation schemes of SAR payload

表2 極化通道隔離方案對比Table 2 Comparison of polarization isolation schemes

2)供配電分析設(shè)計

SAR衛(wèi)星平臺負(fù)載較為穩(wěn)定,且為長期負(fù)載功耗,而SAR載荷為脈沖工作模式,長時間連續(xù)工作,且不同成像模式下功率需求跨度較大,因此衛(wèi)星供電是圍繞SAR載荷開展設(shè)計。

在供電電壓方面,考慮到設(shè)備型譜化需求,盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)電壓。目前,國內(nèi)外衛(wèi)星電源母線電壓一般分為28 V、42 V(50 V)和100 V(120 V)3種,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范要求,一般負(fù)載功率2 k W以下衛(wèi)星選擇28 V低壓母線,負(fù)載功率4 k W以內(nèi)衛(wèi)星選擇42 V中壓母線,4 k W以上大功率負(fù)載的衛(wèi)星選擇100 V高壓母線[5]。GF-3衛(wèi)星平臺部分設(shè)備總功耗約1000 W,且平臺設(shè)備多選用遙感公用平臺28 V供電接口的繼承設(shè)備,因此平臺設(shè)備電壓選擇28 V電壓較為合適。載荷部分功耗約8000 W,全部是新研產(chǎn)品,為提高供電效能,可采用高電壓,但低軌衛(wèi)星高壓太陽電池陣靜電放電風(fēng)險,電壓有一定限制。試驗數(shù)據(jù)表明,太陽電池串間靜電放電閥值為75 V左右,因此載荷部分供電電壓以不超過70 V為宜。

在供電體制方面,從衛(wèi)星電源需求和軌道特點分析來看,GF-3衛(wèi)星用電設(shè)備分為平臺相對穩(wěn)定的長期負(fù)載和峰值功率較大的短期脈沖負(fù)載。根據(jù)這個特點,可供選擇的供電體制有單母線供電體制和雙母線供電體制2種。單母線供電體制為一次電源單母線輸出,穩(wěn)定負(fù)載和脈沖負(fù)載共用一條供電母線。其優(yōu)點是電源系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量較少,體積、質(zhì)量較小,能夠充分合理利用能源,成本相對較低;缺點是脈沖負(fù)載給供電母線帶來的頻域和時域噪聲干擾較大,對母線上其他設(shè)備抗干擾能力和電源系統(tǒng)濾波技術(shù)要求較高。雙母線供電體制為一次電源雙獨立母線輸出,兩條母線在衛(wèi)星接地點單點共地,一條供給平臺穩(wěn)定負(fù)載,一條供給載荷脈沖負(fù)載。其優(yōu)點是能夠有效避免脈沖負(fù)載對穩(wěn)定負(fù)載帶來的干擾;缺點是電源系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量較多,體積、質(zhì)量相對較大。根據(jù)GF-3衛(wèi)星電壓選擇方案,如采用單母線供電,母線電壓為優(yōu)先滿足載荷需求而選擇高壓,則需要配置高濾波性能的二次電源模塊為平臺設(shè)備低電壓供電,但國內(nèi)該類設(shè)備技術(shù)儲備不足,還沒有適用于航天器應(yīng)用的高可靠產(chǎn)品,且在衛(wèi)星載荷脈沖工作模式下,電磁環(huán)境較為復(fù)雜,大量星上設(shè)備要考慮脈沖負(fù)載對穩(wěn)定負(fù)載的干擾。因此,GF-3衛(wèi)星選擇雙母線供電體制,一條母線給平臺設(shè)備穩(wěn)定供電,一條母線給SAR載荷供電,兩條母線相互獨立,互不影響。

在母線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面,可以選擇全調(diào)節(jié)母線、半調(diào)節(jié)母線和不調(diào)節(jié)母線[6]。通過對各種母線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點和適用范圍的分析可知:全調(diào)節(jié)母線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較適合低軌應(yīng)用,能夠較好地滿足和適用GF-3衛(wèi)星平臺設(shè)備對電源的需求;不調(diào)節(jié)母線輸出阻抗小,響應(yīng)速度快,可以最大限度地滿足短期峰值負(fù)載和脈沖負(fù)載的供電需要,非常適合SAR載荷脈沖工作的電源使用要求。

3．4 基于熱約束的設(shè)計

1)散熱面選擇及熱控分析設(shè)計

SAR載荷熱耗大、脈沖工作下熱波動明顯,因此衛(wèi)星熱設(shè)計的重點是SAR載荷熱設(shè)計。

熱設(shè)計的前提是散熱面正確選擇,尤其針對高熱耗SAR天線。一般情況下,采用平面SAR天線,其散熱面在不增加展開熱輻射器的前提下,可選擇對地面散熱或背地面散熱。GF-3衛(wèi)星SAR天線,其對地面上只有很小的太陽反照和一定的地球紅外輻射熱流,外熱流穩(wěn)定,同時輻射面為鋁制波導(dǎo),散熱能力強(qiáng),非常適合開設(shè)散熱面。SAR天線背地面在受到太陽照射的同時,還受到衛(wèi)星艙體反射及太陽翼遮擋影響,熱耦合強(qiáng)烈,導(dǎo)致熱環(huán)境復(fù)雜,因此該面的散熱效果受到較大影響,不適合開設(shè)散熱面。

正確選擇散熱面后,SAR天線熱設(shè)計的關(guān)鍵是采用熱管等熱控部件確保設(shè)備保持在正常工作溫度范圍內(nèi)。一般情況下,平面SAR天線有兩種熱控方案,一種是預(yù)埋熱管＋結(jié)構(gòu)板與波導(dǎo)散熱方案,另外一種是預(yù)埋相變材料熱管＋結(jié)構(gòu)板與波導(dǎo)散熱方案。針對GF-3衛(wèi)星SAR天線,對兩種方案進(jìn)行了設(shè)計及分析,結(jié)果為:兩種設(shè)計方案中,T/R組件和陣面二次電源設(shè)備最低溫度都在5℃左右,基本沒有差別。采用普通熱管時,高溫工況下T/R組件最高溫度達(dá)到35．6℃,陣面二次電源設(shè)備最高溫度為32．4℃;而采用相變材料熱管時,對比普通熱管方案分別降低了3．1℃和1．6℃。在其他工況下,天線結(jié)構(gòu)板及其上設(shè)備溫度都低于22℃,相變材料的熱控效果并沒有體現(xiàn)出優(yōu)勢。分析結(jié)果表明,相變材料應(yīng)用效果有限,這是由相變材料在SAR天線應(yīng)用場景下的特點決定的。

針對大型平面SAR天線溫度一致性要求,可采用主動控溫的熱隨動控制方式,實現(xiàn)跟蹤控溫,保證SAR天線工作時各陣面溫度梯度滿足要求。其主要思路是:利用控溫儀采集各安裝板上全陣面溫度參考點(在對應(yīng)模塊的T/R組件或延時組件上)的溫度值,通過對工作狀態(tài)安裝板上設(shè)備參考溫度的比對,找出溫度最高值,并將此溫度值適當(dāng)降低,作為其他控溫回路的控溫目標(biāo)值,形成閉環(huán)控制。

2)熱變形的隔離設(shè)計

衛(wèi)星本體熱變形將導(dǎo)致SAR天線指向精度誤差變大,因此應(yīng)盡可能隔離衛(wèi)星本體熱變形對SAR天線的影響?？刹扇〉木唧w措施包括:①衛(wèi)星本體主承力結(jié)構(gòu)和部分外壁板采用碳纖維鋪層蜂窩板結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)熱變形可在鋁蒙皮結(jié)構(gòu)條件下降到最低;②SAR天線通過展開桁架安裝在衛(wèi)星本體上,安裝位置選擇衛(wèi)星本體主承力結(jié)構(gòu)且接口剛度較高,以大幅降低衛(wèi)星本體熱變形影響;③影響SAR成像質(zhì)量的衛(wèi)星姿態(tài)指向精度,主要由星敏感器決定,因此星敏感器盡可能安裝在距離SAR天線較近的載荷艙,且安裝在與SAR天線固連的主承力結(jié)構(gòu)上或與SAR載荷進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計,確保衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)熱變形導(dǎo)致的指向變化極性一致,以降低熱變形對姿態(tài)精度的影響。

3．5 電磁兼容設(shè)計

SAR衛(wèi)星系統(tǒng)射頻設(shè)備多,發(fā)射功率大,射頻接收靈敏度高,因此在完成圍繞SAR載荷開展的機(jī)、電、熱設(shè)計基礎(chǔ)上,要進(jìn)一步考慮衛(wèi)星系統(tǒng)電磁兼容性,確保各射頻設(shè)備具有安全的隔離度,能正常工作。

(1)按照電磁兼容性要求,明確射頻發(fā)射源和接收器,將所有可能的干擾源作為干擾向量,與所有可能的受擾設(shè)備建立對應(yīng)的干擾關(guān)聯(lián)分析[7]。對于GF-3衛(wèi)星,其射頻系統(tǒng)包括SAR載荷、數(shù)傳設(shè)備、測控設(shè)備和GPS設(shè)備,其關(guān)聯(lián)矩陣如表3所示。根據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣,可以對射頻設(shè)備的研制和試驗下達(dá)具體要求,從研制的源頭對衛(wèi)星電磁兼容進(jìn)行考慮。

表3 射頻關(guān)聯(lián)矩陣Table 3 Incidence matrix of radio frequency

(2)針對SAR載荷大功率輻射特點,要加強(qiáng)對SAR載荷和數(shù)傳設(shè)備發(fā)射機(jī)雜波抑制度控制,以確保SAR載荷工作時產(chǎn)生的雜波干擾電平對衛(wèi)星平臺天線不產(chǎn)生影響。發(fā)射機(jī)雜波抑制度可以通過電磁兼容試驗確認(rèn),根據(jù)GF-3衛(wèi)星各射頻設(shè)備電磁兼容分析,要求SAR載荷在USB接收頻段的帶外雜波抑制度優(yōu)于110 dB,在GPS接收頻段的帶外雜波抑制度優(yōu)于100 d B。同時,為確保射頻收發(fā)設(shè)備的兼容性,各天線要有安全的隔離度。通過分析,GF-3衛(wèi)星各天線隔離度要求如表4所示,該要求可通過輻射模型星測試進(jìn)行確認(rèn),GF-3衛(wèi)星天線隔離度測試如圖6所示。

表4 天線隔離度要求Table 4 Isolation requirements of antenna

圖6 GF-3衛(wèi)星天線隔離度測試Fig.6 Antenna isolation test of GF-3 satellite

(3)系統(tǒng)設(shè)計中考慮電源傳導(dǎo)干擾。在SAR衛(wèi)星系統(tǒng)中,要對衛(wèi)星設(shè)備供電分類控制,以減小衛(wèi)星在軌工作時母線電壓干擾波動。GF-3衛(wèi)星采用雙供電母線物理隔離布線,并遵循以下原則:①不同母線電源控制器與電源配電器獨立布置;②減少平臺傳導(dǎo)敏感設(shè)備與SAR天線大功率母線干擾的耦合途徑,降低耦合度來避免干擾;③重視電纜網(wǎng)走線分類隔離的同時,關(guān)注不同電壓接地隔離,且不同供電元器件安裝要進(jìn)行空間隔離;④從高電壓電路到低電壓電路的信號增加隔離抑制措施。

(4)在電磁兼容設(shè)計中關(guān)注電信號系統(tǒng)接地設(shè)計,以構(gòu)筑一個良好的電信號系統(tǒng),降低無用信號干擾[8]。GF-3衛(wèi)星采用對高頻設(shè)備多點接地和對低頻設(shè)備單點接地的混合式接地方案,衛(wèi)星設(shè)置一個主接地參考點,將兩條母線連接起來;每個低頻分系統(tǒng)設(shè)置一個本地接地點,這些接地點低阻連接到衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上,且位于分系統(tǒng)配電器內(nèi)。此外,為防止不良接地,各接地參考點對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)或安裝板的搭接位置選取在易吸收和易泄放電荷的金屬結(jié)構(gòu)處。

4 結(jié)束語

以GF-3衛(wèi)星為代表的平面相控陣天線體制SAR衛(wèi)星系統(tǒng),由于大承載、高功耗、大熱耗、多頻段等特點,需要在衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計過程中采用復(fù)雜機(jī)、電、熱、磁約束下的設(shè)計,才能獲得優(yōu)化的衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計方案,全面滿足衛(wèi)星系統(tǒng)需求。GF-3衛(wèi)星自2016年8月發(fā)射入軌以來,一直穩(wěn)定運行,載荷狀態(tài)良好,實現(xiàn)了定量化、多極化應(yīng)用[10]及地面運動目標(biāo)檢測(GMTI)[11]等新技術(shù),獲得的SAR圖像數(shù)據(jù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在海洋、水利、氣象、減災(zāi)等國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域,發(fā)揮了重要作用,進(jìn)一步證明了GF-3衛(wèi)星復(fù)雜機(jī)、電、熱、磁約束條件下綜合設(shè)計的正確性[9]。本文介紹的衛(wèi)星系統(tǒng)分析及設(shè)計方法,是以SAR載荷需求為核心,綜合考慮了衛(wèi)星電源、構(gòu)型、熱控等方面的約束,以及衛(wèi)星系統(tǒng)的工程可行性,可對中國后續(xù)SAR衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

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Syetem Design Under Complex Restrictions of GF-3 Satellite

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

GF-3 satellite is the first planar phased array SAR satellite in civil field in China,which deploys a large scale,high weight,high power,large thermal consumption SAR antenna,so an integrated system design method is adopted under these complex restrictions．The SAR payload restrictions of GF-3 satellite are teased,a system integrated design thought is brought up,and the process of system design and optimization is introduced around the SAR payload under the structural-electromagnetic-thermal restrictions in detail．Finally,the optimization design scheme is given in antenna mechanism,structure shape,thermal control,expanding mechanism requirement of SAR antenna,the power supply and the solar wing．

GF-3 satellite;SAR payload;structural-electromagnetic-thermal restriction;system design

V474．2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.002

2017-10-10;

2017-11-28

國家重大科技專項工程

劉杰,男,博士,研究員,研究方向為航天器系統(tǒng)與總體技術(shù)。Email:liujie＠cast．cn。

(編輯:夏光)