馬楠 徐冰 （ 中國空間技術(shù)研究院， 北京空間科技信息研究所）

2019年12月18日，意大利下一代雷達成像衛(wèi)星星座—“第二代地中海盆地觀測小衛(wèi)星星座”（CSG）的首發(fā)星（CSG－1），利用“聯(lián)盟-弗雷蓋特”（Soyuz-Fregat）運載火箭成功發(fā)射，將接替第一代“地中海盆地觀測小衛(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)情報服務(wù)。

1 任務(wù)背景

1996年，意大利政府啟動國家對地觀測計劃，并于1997年出臺了“1998－2002年國家航天計劃”，意大利航天局（ASI）的Cosmo-SkyMed星座項目列入其中，并作為該計劃的重點項目。2001年，意大利國防部加入Cosmo-SkyMed項目，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防部聯(lián)合投資發(fā)展的軍民兩用雷達成像四星星座，能夠?qū)崿F(xiàn)全天時、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，負責建造衛(wèi)星平臺和雷達載荷。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)計壽命5年，運行在高度619.6km、傾角97.86°的晨昏太陽同步軌道(SSO)。4顆衛(wèi)星部署在同一軌道面，標稱情況下各衛(wèi)星等間距分布，平均重訪時間可以達到半天。衛(wèi)星采用TAS公司的“多用途可重構(gòu)意大利衛(wèi)星平臺”（PRIMA），載有合成孔徑雷達－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)星項目由意大利國防部投資，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“多國天基成像系統(tǒng)”（MUSIS），CSG－2衛(wèi)星計劃于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)星購買所需的組件，合同價值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項目的階段B合同，希望2016年發(fā)射首顆衛(wèi)星，但因為預(yù)算撥款不足問題導(dǎo)致進度一再延遲，直到2015年意大利政府明確表態(tài)，該項目才得以繼續(xù)推進。

2013－2016年為詳細設(shè)計階段，2017年11月完成了任務(wù)關(guān)鍵設(shè)計評審。2016－2018年為系統(tǒng)研制階段，原計劃2018年發(fā)射首顆衛(wèi)星，經(jīng)過幾個月的試運行，于2019年正式投入服務(wù)。原計劃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

CSG星座的總體目標是接替上一代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

與Cosmo-SkyMed系統(tǒng)的四星星座設(shè)計不同，CSG系統(tǒng)由2顆編隊飛行的衛(wèi)星組成，在軌期間將與法國“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)計壽命7年，可實現(xiàn)24h自主運行，運行在高度619.6km、傾角97.86°的晨昏太陽同步圓軌道，軌道周期97.1min，升交點地方時為6：00，兩顆衛(wèi)星將運行于同一軌道面。CSG衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定控制方式，利用控制力矩陀螺實現(xiàn)左、右視敏捷成像，左、右視成像機動只需不到4min（含穩(wěn)定時間）。

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)下對于任意目標的響應(yīng)時間增加至36h（最長時間），而第一代系統(tǒng)僅需要12h。

兩代衛(wèi)星星座性能對比

衛(wèi)星平臺

CSG衛(wèi)星采用PRIMA改進型平臺，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)動器，提高衛(wèi)星的姿態(tài)敏捷能力。星上存儲容量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。

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

PRIMA平臺在結(jié)構(gòu)上由3個主要艙組成，3個艙在功能上獨立，可并行進行集成測試，最后再進行整星集成。這3個艙為服務(wù)艙（包括平臺組件）、推進艙（包括所有推進組件）和有效載荷艙（包括有效載荷及相關(guān)組件）。PRIMA平臺采用三軸穩(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。在平臺兩側(cè)安裝有太陽電池翼。平臺結(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)以被動熱控為主，主動熱控為輔，采用恒定傳導(dǎo)率熱管、電加熱器、熱電阻和恒溫器等。

PRIMA平臺與PRIMA改進型平臺性能對比

有效載荷

CSG衛(wèi)星載有X頻段合成孔徑雷達載荷，稱為CSG-SAR，由合成孔徑雷達電子分系統(tǒng)（SES）和合成孔徑雷達天線分系統(tǒng)（SAS）兩部分組成。合成孔徑雷達電子分系統(tǒng)包括數(shù)字電子設(shè)備和射頻設(shè)備。數(shù)字電子設(shè)備負責儀器控制、信號生成、回波信號采集等。射頻設(shè)備負責上轉(zhuǎn)換和放大、放大和下轉(zhuǎn)換、生成參考信號等。SAS基于TAS公司研制的COSMO-SkyMed衛(wèi)星的合成孔徑雷達和韓國多用途衛(wèi)星－5（KOMPSAT－5）的合成孔徑雷達的經(jīng)驗而開發(fā)，同時結(jié)合對帶寬、輻射功率、雙極化、降低成本等需求進行了技術(shù)改進。采用大型可展開平面主動相控陣雷達天線，天線展開后尺寸為7.5m2，由2560個收發(fā)模塊組成，通過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2×1.2Gbit/s，采用分塊自適應(yīng)量化（BAQ）算法進行數(shù)據(jù)壓縮，數(shù)據(jù)量化10bit。

CSG-SAR的目標是提高成像質(zhì)量的同時，保證觀測的靈活性。CSG-SAR具有不同分辨率、不同幅寬的成像能力，大體上可實現(xiàn)聚束、掃描、條帶三類成像模式，包括專用于情報和國防應(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。

具體來說，CSG-SAR有標準成像模式和非標準（試驗）成像模式。標準成像模式又可細分為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）。

除了標準成像模式外，CSG-SAR還增加了多種非標準（試驗）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“場景采集”聚束和相鄰的“場景采集”聚束模式等。

DI2S模式下可同時獲取多幅圖像，增加對給定區(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。

傾斜的“場景采集”模式可用于滿足針對特定區(qū)域的多種成像請求，這些請求由于存在時間沖突而無法通過其他方式予以滿足。CSG系統(tǒng)通過非常高的衛(wèi)星敏捷能力實現(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

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

CSG-SAR的特點在于SAR傳感器設(shè)計，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，由10個相同的“大瓦片”構(gòu)成，每個“大瓦片”都能夠以非常大的脈沖寬度管理信號，還能同時接收來自兩個獨立通道的水平極化和垂直極化信號，CSG-SAR的收發(fā)模塊數(shù)量是Cosmo-Skymed星上雷達的兩倍。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)，可提供遠超當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）、真實延遲線路（TDL）等都是確保在整個工作頻段內(nèi)波束對準的必備器件。專門設(shè)計拼接供電單元（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標準成像模式

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)與運行經(jīng)驗，國防用戶、民用管理機構(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CSG系統(tǒng)時進行了改進。

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，同時還引入了一些新的成像模式，增強了數(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)對聚束模式進行了改進，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“場景采集”新的試驗?zāi)Ｊ?，通過平臺快速精準機動實現(xiàn)雷達指向和精準成像。另外，采用了DI2S新的試驗?zāi)Ｊ?，可實現(xiàn)同時對兩個目標進行成像。通過以上改進，CSG系統(tǒng)可以克服無法在單次過頂時對同一個感興趣區(qū)域的兩個相鄰目標進行成像的問題。

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

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。