樓良盛，劉志銘，張 昊,3，錢方明，張笑微

1. 地理空間信息國家重點實驗室, 陜西 西安 710054； 2. 西安測繪研究所，陜西 西安 710054； 3. 信息工程大學地理空間信息學院, 河南 鄭州 450001

天繪二號衛(wèi)星是基于干涉合成孔徑雷達(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技術的微波測繪衛(wèi)星系統(tǒng)，可以快速提取地面三維信息，與傳統(tǒng)的光學遙感技術相比，具有全天候、全天時、數(shù)據(jù)處理自動化程度高等突出優(yōu)點，其主要產品是數(shù)字表面模型和雷達正射影像[1-2]，在無地面控制點條件下，精度與德國TanDEM-X系統(tǒng)[3-5]相當。天繪二號衛(wèi)星可為我國基礎測繪任務提供可靠的數(shù)據(jù)源，用于國家空間數(shù)據(jù)基礎設施建設、自然災害檢測、大流域和河道治理、水利和電力建設等諸多領域[6-12]；尤其用于中國多云雨地區(qū)無地面控制條件下的1∶5萬比例尺的定位與測圖，優(yōu)勢尤為突出。天繪二號衛(wèi)星于2019年4月30日成功發(fā)射，使我國擁有了全天候、全天時獲取全球地理影像的自主手段，擺脫了雷達遙感測繪數(shù)據(jù)長期依賴國外商業(yè)衛(wèi)星的被動局面，標志著中國航天測繪事業(yè)邁上了新的臺階。目前，天繪二號衛(wèi)星影像成果正在國防建設和國民經濟中發(fā)揮著重要作用。

本文根據(jù)天繪二號衛(wèi)星的技術體制，介紹其主要關鍵技術及解決途徑。

1 InSAR測量原理

InSAR的工作原理如圖1所示，在本質上仍然是三角測量，需要兩個天線(A1、A2)在垂直于雷達平臺運動的方向上分開放置以形成基線，基線兩端與地面被觀測點P構成三角形。InSAR在實施對三角形的求解時，是從地面被觀測點P與兩個天線的距離差入手的，而這一距離差是通過電磁波在被觀測點與各天線間傳播的路徑不同所導致的相位差得出的。由距離差的不同引起相位差的變化即為干涉。

根據(jù)干涉原理與三角形幾何關系，地面點高程h可以表示為[6]

h=H-r1cosθ

(1)

(2)

式中，Φ為相位差；B為基線長度，即雷達天線A2到天線A1在YOZ平面上的投影；δ為雷達天線A1、A2到地面點的距離差；β為基線的傾角；θ為雷達天線A1的側視角；r1為雷達天線A1到目標點的距離；H為雷達天線A1的高度；n=1表示SAR單發(fā)雙收，n=2表示SAR單發(fā)單收。

圖1 InSAR原理Fig.1 The schematic diagram of the InSAR

由式(1)可知，求地面點高程h，需要解決這5個要素：相位差Φ、基線的長度B、基線的傾角β、雷達天線A1到目標點的距離r1、雷達天線A1的高度H。

地面點平面坐標(X，Y)可由式(3)得到[13]

(3)

由式(3)可知，求地面點平面坐標(X，Y)，需要解決這6個要素：主雷達天線A1的平面坐標(Xs，Ys)、衛(wèi)星飛行速度矢量(VX，VY，VZ)、中心多普勒頻率fdc。

2 天繪二號衛(wèi)星技術體制

根據(jù)InSAR測量原理，InSAR測繪系統(tǒng)必須具有兩個分開放置的SAR形成干涉基線。天基系統(tǒng)實現(xiàn)方法有以SRTM[14-16]為代表的單衛(wèi)星平臺(或飛船、航天飛機)雙天線體制，以及以TanDEM-X系統(tǒng)為代表的衛(wèi)星編隊體制。

基于單衛(wèi)星平臺雙天線體制是在單個衛(wèi)星平臺上伸出一支能滿足InSAR干涉要求的基線架，在基線架兩端分別放兩個雷達天線，形成干涉測量系統(tǒng)。該體制的兩個天線同時對地面成像，可以徹底解決時間導致的相干性下降問題；同時基線架變形很小，可以提高基線測量精度。然而它必須首先解決空間長基線問題。由于長期以來沒有找到可行的實現(xiàn)空間長基線的技術方法，至今單平臺雙天線體制只在美國航天飛機上的SRTM實現(xiàn)過。SRTM系統(tǒng)搭載在2000年2月發(fā)射的美國“奮進”號航天飛機上，由于受基線長度限制，其產品精度不高。技術難度大、風險高、耗資巨大，是該體制的突出缺點。

基于衛(wèi)星編隊體制是由多顆衛(wèi)星組成編隊，衛(wèi)星相互遵循Hill方程[17]繞飛，衛(wèi)星之間的間隔為數(shù)百米至數(shù)千米，整體構型相對穩(wěn)定；衛(wèi)星上分別裝有雷達，同時對地面成像，形成干涉測量系統(tǒng)，無時間去相關效應。這種新概念為星載InSAR技術的實現(xiàn)提供了新的解決思路，通過編隊衛(wèi)星的構型設計可獲得最佳基線，滿足InSAR干涉的一系列條件。其代表為德國空間中心(DLR)的TanDEM-X系統(tǒng)。

根據(jù)我國現(xiàn)有技術水平，基于單衛(wèi)星平臺雙天線InSAR方案的基線架及伸展技術難以實現(xiàn)，基線長度很難達到最佳要求；且伸展出去的天線存在顫抖，難以對其進行精確測量，這將影響InSAR測圖精度。而基于衛(wèi)星編隊體制難度相對較小，且可以確保較高的產品精度，故天繪二號衛(wèi)星系統(tǒng)采用基于衛(wèi)星編隊的干涉基線體制。

由此，天繪二號衛(wèi)星系統(tǒng)由兩顆對等的衛(wèi)星組成，采用基于異軌道面繞飛衛(wèi)星編隊構型，編隊衛(wèi)星的軌道構型服從Hill方程，SAR載荷采用一發(fā)雙收技術模式，如圖2所示。在此技術體制下，分開放置的雷達所接收的信號具有較好的相干性，但發(fā)射與接收雷達之間必須要相互協(xié)調、相互配合，才能正常工作。為此，必須要求參與工作的所有雷達天線對準地面同一個目標[18]，所有雷達知道雷達信號發(fā)送時間[19]，所有雷達能夠在整個合成孔徑時間內精確掌握各回波的相位[20]，即為空間、時間、相位三同步。

圖2 天繪二號工作示意Fig.2 The working diagram of TH-2

3 天繪二號衛(wèi)星關鍵技術

在該體制下，為了解決求地面點所需的要素，并確保系統(tǒng)相位精度及產品精度，天繪二號衛(wèi)星系統(tǒng)除單SAR衛(wèi)星具有的關鍵技術外，還有衛(wèi)星編隊、SAR載荷協(xié)同工作、高精度內定標、基線確定、高精度基線測量、高精度基線定標、高保相成像以及利用雙頻解算干涉相位絕對模糊數(shù)等關鍵技術。單SAR衛(wèi)星具有的關鍵技術比較成熟，本文不再敘述。

3.1 衛(wèi)星編隊技術

衛(wèi)星編隊技術是確保形成干涉基線關鍵，包括編隊構型設計、編隊保持控制、編隊構型重構及防碰撞4部分內容。

3.1.1 編隊構型設計

對于近距離繞飛編隊衛(wèi)星系統(tǒng)，為了確保編隊構型穩(wěn)定，主、輔兩星回歸周期須相同，軌道傾角差Δa應為0，則輔星相對于主星的相對運動可以通過軌道坐標系(Hill坐標系，即X軸為地心指向主星質心方向，Y軸為衛(wèi)星飛行方向，Z軸為右手法則方向)下輔星與主星的相對位置來描述，即

(4)

式中，p=aδe；l=a(cotiΔiy+Δu)；s=aδi。

相對偏心率矢量Δe為

(5)

相對傾角矢量Δi為

(6)

上述各式中，軌道根數(shù)皆為平根；a、e、i、Ω、ω和M分別代表半長軸、偏心率、軌道傾角、升交點赤經、近地點幅角和平近點角；下標1表示主星，下標2表示輔星；δe和θFF分別是Δe矢量的大小和相位；δi和ψFF分別是Δi矢量的大小和相位；Δu為兩星相對平緯度幅角矢量。

由式(4)可知，通過輔星相對主星運動軌跡在XHOHYH平面內投影橢圓的短半軸p、輔星相對主星運動軌跡在ZH向上振幅s、相對偏心率矢量的相位角θFF、相對傾角矢量的相位角ψFF、主星相對編隊構型幾何中心在主星切向上偏移量l參數(shù)設計，即可進行編隊構型設計。

天繪二號編隊構型采用等半長軸、等傾角非共面設計原則(兩顆衛(wèi)星高度一致，相對傾角矢量的相位角ψFF固定為90°)，通過選擇主、輔星之間的赤經差(輔星相對主星運動軌跡在ZH向上振幅s不同)，使兩星之間在軌道平面外拉開(在赤道附近編隊構型參數(shù)z向分量最大)，這種構型設計具有很強的被動穩(wěn)定性，可以保證衛(wèi)星的防碰撞安全性。

3.1.2 編隊構型保持控制

編隊構型在空間攝動的影響下會逐漸發(fā)散偏離標稱值，從而影響衛(wèi)星系統(tǒng)工作，需要進行保持控制。編隊構型由兩顆衛(wèi)星的相對軌道根數(shù)決定，因此編隊構型控制最終變成對編隊衛(wèi)星的相對軌道根數(shù)調整控制。根據(jù)相對運動控制方程，對各相對軌道根數(shù)調整分成軌道面外參數(shù)調整和軌道面內參數(shù)調整。編隊構型平面外控制參數(shù)主要為相對傾角矢量的調整，控制方式采用單脈沖控制方式，根據(jù)需要的調整量，選擇相應的點火位置，進行平面外參數(shù)的控制。平面內控制采用三脈沖控制方式，實現(xiàn)對相對偏心率矢量、相對半長軸、相對緯度幅角等平面內參數(shù)的控制?？刂仆屏Σ捎们邢蛲屏?，由不同編隊推力器組合來實現(xiàn)。

編隊構型保持控制包括星地聯(lián)合控制和星上自主控制兩種模式。星地聯(lián)合控制模式中，地面控制中心基于測控站獲得兩星相對狀態(tài)信息與設定任務的編隊構型信息計算偏離值，由偏離值確定星上推力器的控制時機與控制量大小，通過上注指令，對輔星實施保持控制；星上自主控制模式中，由星上星間測量分系統(tǒng)獲取兩星相對狀態(tài)信息，衛(wèi)星根據(jù)相對狀態(tài)信息與設定任務的編隊構型信息獲取偏離值，確定星上推力器的控制時機與控制量大小，對輔星實施保持控制。其流程如圖3、圖4所示。

圖3 星地聯(lián)合控制流程Fig.3 Flowchart of satellite-ground joint control

圖4 星上自主控制流程Fig.4 Flowchart of on-board autonomous control

3.1.3 編隊構型重構

編隊構型重構主要完成各種編隊構型之間的相互轉換，采用星地大回路控制方式。在進行編隊構型重構時，首先采用單脈沖控制方式進行軌道面外軌道參數(shù)的控制，然后采用兩脈沖或三脈沖控制方式進行軌道面內的參數(shù)控制。

在進行編隊重構時，由于理想構型在編隊沿航向的距離相差較大，半長軸的偏差會引起衛(wèi)星編隊的構型沿航向長期的漂移，出于燃料節(jié)省的考慮，軌道面內的參數(shù)控制采用多軌沿航向漂移實現(xiàn)編隊重構。

3.1.4 防碰撞

防碰撞規(guī)避策略主要從構型設計、控制系統(tǒng)設計和防撞規(guī)避措施3個層次進行了設計。

為了最大限度地減小兩星發(fā)生碰撞的概率，衛(wèi)星編隊構型設計采用等半長軸、等傾角非共面的設計原則。目前所設計的編隊構型均滿足該原則，并且保證了兩星在XHOHYH面內相對距離大于150 m。

控制系統(tǒng)防撞設計主要從相對導航與編隊控制策略的工作狀態(tài)檢查與驗證、推力器限噴措施設計、編隊初始化安全接近設計、單機可靠性措施以及故障診斷進行專項設計，防止由于相對導航與控制算法驗證不足、推力器限噴措施不到位、單機和系統(tǒng)故障等導致的兩星碰撞風險。

防撞規(guī)避措施是指一旦出現(xiàn)兩星相距小于安全閾值的緊急情況，衛(wèi)星系統(tǒng)即采取撤離控制措施，避免碰撞的發(fā)生。為了盡快拉開兩星的相對距離，采用主星單脈沖切向噴氣的控制方式。

3.2 SAR載荷協(xié)同工作技術

在一發(fā)雙收SAR工作模式下，雙星需要協(xié)同工作才能獲取有效干涉數(shù)據(jù)，主要體現(xiàn)為時間、空間、相位三同步。

3.2.1 時間同步

時間同步的目的是使雙星SAR之間工作時間一致，以便在同一時間點上錄取地面回波，確保主輔星SAR錄取的回波在距離向的重合。時間同步是由高穩(wěn)定80 MHz基準頻率信號、高精度PPS秒脈沖信號對、PPS秒脈沖之間的高精度時差共同保障。時間同步可分為建立和保持兩部分。

時間同步建立指在某一時間點，兩同步時鐘的時間讀數(shù)相同。星間測量分系統(tǒng)提供的高穩(wěn)定基準頻率信號、高精度PPS秒脈沖信號、PPS秒脈沖間的高精度時差數(shù)據(jù)，經SAR載荷雷達射頻子系統(tǒng)，產生高穩(wěn)時鐘信號后送雷達控制子系統(tǒng)，作為定時基準時鐘，并產生系統(tǒng)所需高穩(wěn)定時間。高精度時差數(shù)據(jù)經衛(wèi)星綜合電子送雷達控制子系統(tǒng)，由時差數(shù)據(jù)控制監(jiān)控定時模塊對超前的PPS秒脈沖進行延時控制。通過PPS秒脈沖觸發(fā)雷達控制子系統(tǒng)的監(jiān)控定時模塊，產生高一致的雷達定時信號，實現(xiàn)雙星時間同步建立。一次時間同步建立如圖5所示。

圖5 時間同步建立Fig.5 Time synchronization establishment

時間同步建立后，在一次成像工作時間內，需進行時間同步保持。它表示完成時間同步建立后，兩同步時鐘時間走時的一致性。時間同步保持是通過星間測量分系統(tǒng)提供的高穩(wěn)定基準頻率信號的高精度和它們之間的高一致性，維持主輔星SAR定時信號之間的差別。高穩(wěn)定基準頻率信號由星上自帶銣鐘馴服晶振實現(xiàn)，銣鐘具有長穩(wěn)特性，而晶振具有短穩(wěn)特性，用銣鐘馴服晶振實現(xiàn)基準頻率信號的長期高穩(wěn)定性。

3.2.2 空間同步

空間同步的目的是保證主輔星SAR天線的波束在地面有足夠的重疊，以保障被動接收的輔星能夠獲取高信噪比的SAR回波信號。空間同步采用最大能量法和最大相干法兩種方案。

最大能量法的同步方案，即“輔瞄主”模式，通過對輔星導引規(guī)律的偏置，在不考慮波束指向誤差的情況下，可使輔星波束腳印與主星波束腳印重合，從而使輔星接收到的回波能量達到最大。該方案下，主輔星波束中心指向測繪帶中心同一點。對于輔星雷達而言，它的方位向天線方向圖是主星方位向發(fā)射天線方向圖和輔星方位向接收天線方向圖合成的有效天線方向圖。這使系統(tǒng)發(fā)射天線方向圖和接收天線方向圖峰值重合，這時系統(tǒng)信噪比去相干影響較小，但對多普勒去相干影響較大。

與最大能量法相比，最大相干法并不要求主輔星波束中心同時指向地面同一點，而要求主輔星分別按照各自的偏航、俯仰二維導引規(guī)律將波束照射在同一個測繪帶內，這樣主輔星回波多普勒中心頻率基本相同，保證了較高的多普勒去相干。一般情況下，同步后的波束在方位向不完全重疊，主輔星波束中心不指向同一點，輔星信噪比會有所下降，因此會影響信噪比去相干。

偏航、俯仰二維導引改正值工程上可簡單表示為

對于天繪二號衛(wèi)星編隊，經仿真分析，在空間同步誤差相同的條件下，信噪比去相干非常有限，而多普勒去相干影響較大。因此，天繪二號采用最大相干法作為空間同步主方案，將最大能量法作為備選方案。

空間同步的實施過程主要涉及衛(wèi)星兩大分系統(tǒng)：姿軌控分系統(tǒng)和SAR分系統(tǒng)。姿軌控分系統(tǒng)是空間同步的執(zhí)行系統(tǒng)，負責二維導引規(guī)律的實施，滿足衛(wèi)星姿態(tài)指向精度的要求；在此基礎上SAR分系統(tǒng)須保證各個波位的波束指向精度滿足相應的指標要求。

最大相干法空間同步實現(xiàn)方案如圖6所示。

圖6 最大相干法空間同步方案Fig.6 The space synchronization scheme based on maximum coherence method

3.2.3 相位同步

相位同步的目的是建立主輔星SAR間共同的相對相位參考，使主輔星SAR的回波信號具有相參性，確保獲得滿足干涉測高要求的相位差。天繪二號衛(wèi)星相位同步采用基于雙向信號交替?zhèn)鬏數(shù)姆桨?，可分為星上雙向信號交替?zhèn)鬏數(shù)耐叫盘柌蓸雍偷孛鏀?shù)據(jù)處理補償兩部分。星上部分主要完成主、輔星SAR載頻相位差信息的獲取；地面部分主要完成輔星SAR回波的相位補償。相位同步工作示意如圖7所示。

圖7 相位同步工作Fig.7 Phase synchronization

根據(jù)相位同步原理，補償?shù)南辔徊钪登蠼馊缦隆?/p>

設主星雷達的頻率源相位為

φ1=2πf1t+φ01+n1(t)

(7)

輔星雷達的頻率源相位為

φ2=2πf2t+φ02+n2(t)

(8)

輔星雷達接收到主星雷達的地面回波相位為

φ12=φ2-φ1=

φ02-φ01+n2(t)-n1(t)

(9)

式中，fi為主輔星SAR的標稱中心頻率；φ0i為主輔星載頻的初相；ni為主輔星相位噪聲；ri為主輔星到地面目標點距離，i=1為主星,i=2為輔星；t為一個相位同步交替?zhèn)鬏斶^程的起始時刻；c為光速。

根據(jù)InSAR測量原理，與高程相關的干涉相位應只與雷達回波歷程r1、r2有關，故相位同步目的是在輔星的相位φ12中去除掉φc值，即

φc=2π(f2-f1)t+φ02-φ01+n2(t)-n1(t)

(10)

消除相位φc的過程即為相位同步。

相位同步的星上部分由星間狀態(tài)測量分系統(tǒng)、SAR分系統(tǒng)共同承擔。星間狀態(tài)測量分系統(tǒng)為有效載荷提供高穩(wěn)定的頻率基準，保證獨立工作在兩星上的頻率基準高精度地相對一致，為有效載荷相位同步奠定了基礎。SAR分系統(tǒng)采用同步喇叭雙向傳輸相位同步信號的方案獲取主、輔星SAR載波間相位差信息，即主星將相位同步脈沖信號通過星間鏈路發(fā)送給輔星，經輔星解調后采集相位同步信號并隨雷達回波數(shù)據(jù)下傳至地面；同樣，主星也接收、解調輔星發(fā)來的同步脈沖信號，并下傳至地面。

相位同步的地面部分是在主輔星InSAR數(shù)據(jù)成像處理前，從回波數(shù)據(jù)中提取相位同步數(shù)據(jù)，恢復出主、輔星SAR載波間相位差值，補償輔星SAR回波的相位，實現(xiàn)相位同步。

在雷達工作期間，最先建立時間同步，然后依靠兩個高穩(wěn)頻率基準保持到成像結束；空間同步在時間同步之后進行，隨后周期性進行調整；相位同步在空間同步的后期開始，然后在雷達回波錄取期間周期性進行。雷達系統(tǒng)干涉成像回波的錄取在三同步的保持期間進行。

3.3 高精度SAR內定標技術

內定標是標定雷達成像信號在SAR載荷發(fā)射與接收通道中的幅相變化。這些幅相變化疊加在回波信號上，不僅導致地面目標的反射強度出現(xiàn)誤差，同時導致干涉相位出現(xiàn)誤差，直接影響測高精度。

內定標實現(xiàn)方法有延遲內定標和非延遲內定標兩種。在延遲內定標方法中，內置了光纖延遲線、放大器等有源部件，開機相位具有隨機性，而且相位穩(wěn)定性差、溫漂大、鏈路對消性差，難以實現(xiàn)高精度內定標要求；在非延遲內定標方法中，采用全無源的設計，可實現(xiàn)更好的幅度和相位穩(wěn)定性，定標精度高，但需要解決回波鏈路與定標鏈路隔離度和不同模式下SAR載荷鏈路功率電平匹配等問題。

天繪二號采用了非延遲內定標技術，相應的控制措施包括：主輔星SAR采用相同的軟硬件設計，通過地面測試和篩選，確保主輔星SAR硬件相位特性的高一致性；通過采用長加電、提前開機預熱、有源部件溫度補償?shù)确绞?，使得系統(tǒng)的相位特性變化在工作期間控制在可承受的范圍內；通過針對性的熱控系統(tǒng)設計，使得SAR載荷的工作環(huán)境溫度控制在±3°范圍內，保證了主輔星SAR載荷的相位穩(wěn)定性和一致性。

天繪二號的內定標由內定標網絡和內定標器組成的定標鏈路實現(xiàn)。內定標網絡針對天繪二號的特殊需求，設計了既可實現(xiàn)對SAR信號硬件通道進行定標，也可對相位同步通道進行定標。該方案充分考慮了不同定標方式的信號流和信號電平的需要，保證內定標性能。

內定標器用于標定雷達開機期間，以及多次開機之間通道幅度和相位的變化量，并據(jù)此進行補償，因此內定標器的設計就成為影響雷達通道幅度和相位標定性能的關鍵環(huán)節(jié)。內定標器是內定標信號鏈路中的核心單元，它完成各種內定標模式的回路轉換和電平轉換，與天線陣面定標網絡一起實現(xiàn)SAR系統(tǒng)內定標功能。

內定標模式有：噪聲定標、參考定標、全陣面發(fā)射定標、全陣面接收定標、單面板發(fā)射定標、單面板接收定標、模塊級發(fā)射定標、模塊級接收定標、相位同步發(fā)射定標、相位同步接收定標、單T/R通道發(fā)射定標、單T/R通道接收定標、首尾定標中插發(fā)射定標、首尾定標中插接收定標、成像中插發(fā)射定標、成像中插接收定標、成像中插參考定標、成像中插相位同步發(fā)射定標、成像中插相位同步接收定標、逐行發(fā)射定標(與插發(fā)射定標共用控制碼)及逐行接收定標(與單模塊接收定標共用控制碼)，共21種。通過這些定標模塊及其組合，可以形成更加復雜的、可支撐不同定標目的的內定標，實現(xiàn)對SAR分系統(tǒng)的全面內定標。

內定標組合從功能上可以分為數(shù)據(jù)定標和監(jiān)測定標兩類。數(shù)據(jù)定標是在每一次數(shù)據(jù)獲取中實施，分為首尾定標和成像中定標，服務于單次干涉成像數(shù)據(jù)；監(jiān)測定標視系統(tǒng)性能變化的情況，按監(jiān)視與修正的需要實施，服務于SAR分系統(tǒng)通道標定。

3.4 高精度基線測量技術

根據(jù)InSAR原理，求解地面點高程，需要已知基線長度和基線傾角。天繪二號基線測量采用GNSS(兼容GPS和BD2)雙頻載波相位差分測量體制，通過相對定軌，實現(xiàn)星間高精度基線測量。

由于GNSS獲取的觀測數(shù)據(jù)在GNSS天線相位中心位置，相對定軌采用衛(wèi)星質心位置，而InSAR處理使用的基線是SAR天線相位中心連線，故須將GNSS觀測數(shù)據(jù)從天線相位中心位置轉換到衛(wèi)星質心，再將相對定軌后的數(shù)據(jù)轉換到SAR天線相位中心位置，完成星間高精度狀態(tài)測量。由此，基線測量的主要包括GNSS和SAR天線相位中心的確定和高精度測定、坐標轉換、相對定軌3部分。其中，GNSS和SAR天線相位中心的確定和相對定軌是關鍵。

GNSS和SAR天線相位中心確定的前提是天線相位中心穩(wěn)定。為確保GNSS天線相位中心穩(wěn)定，采取了3項措施。一是寬頻帶設計，GNSS天線采用帶耦合環(huán)的十字交叉振子天線形式；二是3D扼流圈設計，提高了天線抗多徑性能，抑制了星體對天線的影響，又緩解了主極化能量滾降效果，確保了天線大仰角范圍內相位變化平緩；三是帶星體聯(lián)合仿真優(yōu)化設計，通過將天線聯(lián)合整星進行仿真，對天線結構參數(shù)進行優(yōu)化，確保天線相位中心穩(wěn)定性滿足要求。SAR天線相位中心的高穩(wěn)定性依靠SAR天線上每個T/R組件幅相特性的穩(wěn)定性以及高精準SAR天線溫度控制實現(xiàn)。

GNSS天線較小，相位中心可以直接在暗室進行標定。天繪二號GNSS天線需要在衛(wèi)星底板上進行天線相位中心的標定，由于衛(wèi)星底板尺寸大，要求測試系統(tǒng)靜區(qū)≥1.4 m，推算可知，遠場距離需要>16.5 m，西安海天公司的SATIMO-SG128多探頭球面近場測試系統(tǒng)可以滿足要求。由于天繪二號SAR天線大，且波束由多個T/R組件合成，相位中心無法直接在實驗室進行標定，只能通過分析確定。根據(jù)相控陣天線的特點與使用方式，相控陣天線的相位中心定義為：使相控陣天線遠場能量波束寬度內相位平坦的參考點，根據(jù)天繪二號高程測量精度要求指標分配，相位平坦度應優(yōu)于2°。根據(jù)定義相控陣天線的相位中心不反映全空間的相位關系，只描述波束寬度內各角度相位的相對值，由此可以認為相控陣天線的相位中心應為天線陣面幾何中心。

相對定軌技術采用GNSS的雙差觀測值定軌方法，需要解決高精度的相對動力學模型、衛(wèi)星頻繁機動控制、觀測數(shù)據(jù)異常誤差和系統(tǒng)誤差等問題。解決思路是在編隊衛(wèi)星相對定軌時固定參考星軌道，直接估計兩顆衛(wèi)星的相對軌道，在此基礎上，采用兩顆衛(wèi)星動力學數(shù)值積分之差作為相對狀態(tài)參考值，采用輔星狀態(tài)轉移矩陣作為相對狀態(tài)轉移矩陣的方法，解決沒有高精度相對動力學模型的難題。采用以TurboEdit算法為主，結合其他算法剔除粗差及探測周跳；采用附加參數(shù)法，通過模型補償控制系統(tǒng)誤差的影響，將抗差估計理論應用于編隊衛(wèi)星精密定軌，通過抗差估計控制異常誤差的影響。

3.5 基線確定技術

天繪二號衛(wèi)星采用衛(wèi)星編隊方式實現(xiàn)干涉所需基線，兩顆衛(wèi)星間相互關系遵循Hill方程，由此，主、輔星在飛行方向位置將錯開，這就使主、輔雷達對同一回波的多普勒產生變化，具體表現(xiàn)為整個多普勒頻帶的移動，多普勒帶寬如圖8所示，圖中X軸為衛(wèi)星飛行方向。由圖8可知，對于同一地面點P，主星成像時刻為t1，輔星成像時刻為t2，此時兩幅SAR影像相干性較差，需要進行預濾波[21-22]，去掉多普勒頻譜中不相干部分，以提高主、輔影像的相干性，此時的合成孔徑為圖8中的成像合成孔徑。因此，InSAR高程測量需要的基線是圖8中主、輔星成像合成孔徑的中心位置連線B，即主星成像t3時刻SAR天線相位中心和輔星成像t4時刻SAR天線相位中心的連線，而不是t3時刻兩顆衛(wèi)星之間的間距。需要通過主、輔影像配準，利用同名點確定輔星成像時刻t4。天繪二號衛(wèi)星雷達回波和GNSS觀測數(shù)據(jù)基于統(tǒng)一的時間基準，故分別找到絕對時間t3、t4時刻主輔星GNSS相對定軌數(shù)據(jù)，即可得到InSAR處理所需的基線值。

圖8 多普勒帶寬示意Fig.8 The schematic diagram of Doppler bandwidth

3.6 高精度基線定標技術

基線定標可以看作是InSAR定位的逆過程，即用地面控制信息交會出真實基線矢量，其目的是消除系統(tǒng)誤差。天繪二號衛(wèi)星基線定標利用近、遠波位數(shù)據(jù)入射角差異大的特點，構建了近、遠波位兩景數(shù)據(jù)聯(lián)合處理的二維基線定標方法[23-24]，可實現(xiàn)二維基線的高精度求解，基線定標精度為毫米級。其數(shù)據(jù)獲取策略如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)獲取策略Fig.9 The strategy of data acquisition

近、遠波位聯(lián)合定標模型首先將基線誤差分解為平行基線誤差δB‖和垂直基線誤差δB⊥，平行基線誤差求解公式為

(11)

式中，λ為雷達波長；δh為場景中的地面點高程誤差；Hamb為系統(tǒng)模糊高度。

然后根據(jù)短時間內相鄰兩景數(shù)據(jù)對應的基線誤差相等列出等式為

Bbias=δB‖1·B‖1+δB⊥1·B⊥1=

δB‖2·B‖2+δB⊥2·B⊥2

(12)

式中，Bbias為基線誤差；B‖、B⊥分別為平行基線和垂直基線在局部坐標系中的單位向量，1表示第1個場景，2表示第2個場景。根據(jù)式(12)可求解出兩景數(shù)據(jù)對應的垂直基線誤差，從而得到基線矢量誤差。

為了實現(xiàn)基線定標要求，在新疆和河南分別建設了兩個200 km×100 km的數(shù)字定標場。

天繪二號衛(wèi)星系統(tǒng)利用該技術進行定標后，對河北赤城山區(qū)布設的10個角反射器的定標前后定位精度進行了比較，其結果見表1。定標對定位精度的提高效果明顯。

表1 定標前后定位精度對比

3.7 高保相成像技術

因相位精度對InSAR測高精度影響較大，高保相成像目的是在成像過程中確保相位精度。SAR成像流程如圖10所示[25]。

圖10 SAR成像流程Fig.10 Flowchart of SAR imaging

為了減少成像過程中對相位精度的損耗，天繪二號采用雙基成像技術。雙基成像的幾何模型如圖11所示，主星向地面發(fā)射電磁波信號，一段時間后主輔星分別接收地面的回波信號，造成多普勒中心估計和距離徙動校正與單基成像不一樣。為了精確成像，主輔星均采用雙基成像模型處理，下面以輔星成像為例做進一步的解釋。輔星在進行零多普勒成像時，對于場景中的任意目標點Pt，其在t0時刻(即主星發(fā)射電磁波信號的時刻)主星的多普勒頻率f0與t1時刻(輔星接收地面回波信號的時刻)輔星的多普勒頻率f1之和為0；距離徙動校正的距離應為R0+R1。同樣，對于主星，也要保證目標點Pt在t2時刻(即主星發(fā)射電磁波信號的時刻)主星的多普勒頻率f2與t3時刻(主星接收地面回波信號的時刻)輔星的多普勒頻率f3之和為0；距離徙動校正的距離應為R2+R3。

已知某條距離線的電磁波發(fā)射時間為T0，則距離向第n個采樣單元的回波接收時間T1可以表示為

(13)

式中，PRT為脈沖重復時間；m表示回波延遲時間的PRT整周數(shù)；ΔT表示延遲時間的小數(shù)部分。m·PRT+ΔT對應距離向第1個采樣單元的回波延遲時間。

圖11 雙基成像幾何Fig.11 Bistatic imaging geometry

如果已知目標點的地理坐標以及主星的發(fā)射位置和速度，可以搜索出輔星的零多普勒接收位置，該位置作為理想接收位置，記為P1，按照式(13)計算出來的輔星位置為實際信號接收位置，記為P2。目標點到理想接收位置P1的斜距記為R1，目標點到實際接收位置P2的斜距記為R2，那么由斜距差引起的相位差可以表示為

(14)

式中，λ表示雷達波長。

補償相位差之后，同一距離線上的點均為零多普勒成像。對于實測數(shù)據(jù)，目標點的地理坐標可以借助觀測場景的先驗DEM進行SAR定位來獲取。

輔星雙基成像的處理流程如圖12所示。

3.8 雙頻解干涉相位絕對模糊技術

單個SAR回波信號中只記錄了[-π，π]間相位，2π的整數(shù)相位因無法記錄而丟失，導致InSAR干涉相位差中2nπ相位丟失。1景影像內相對某點(通常是左上角點)干涉相位差的2nπ相位可以通過相位解纏獲得，而該點丟失的2nπ相位即為絕對相位，n值為干涉相位絕對模糊數(shù)，干涉相位絕對模糊數(shù)一般采用控制數(shù)據(jù)求解。

圖12 輔星雙基成像的處理流程Fig.12 The processing flow of assistant satellite bistatic imaging

天繪二號系統(tǒng)在國際上首次提出通過系統(tǒng)設計首尾雙頻成像模式，解決干涉相位的絕對模糊數(shù)求解問題，這使衛(wèi)星系統(tǒng)一次開機成像分為首、尾雙頻成像和中間干涉DSM獲取成像3部分。首尾分別利用主頻9.6 GHz和輔頻9.44 GHz兩個頻點進行5 km×5 km左右的雙頻成像，形成兩個頻點的干涉成像對。雙頻中主頻點與完成干涉DSM獲取任務的頻點一致，都為9.6 GHz，工作參數(shù)也相同。且衛(wèi)星開機數(shù)據(jù)獲取時，雙頻成像與單頻的干涉DSM獲取成像無縫連接。

通過對首尾兩個主輔雙頻地面回波數(shù)據(jù)的雙頻干涉處理，即可獲取主頻干涉相位中的絕對相位2nπ，其主頻干涉相位差的模糊通過成像中與干涉DSM獲取的單頻成像的連接，傳遞給單頻干涉DSM獲取成像部分，從而解決干涉測高中的絕對模糊數(shù)求解問題。

采用雙頻確定絕對相位2nπ的基本思想是雙頻干涉SAR會形成兩個不同的模糊高度，但同名點的高程僅有一個，利用中國余數(shù)定理[26]即可求出絕對相位。

模糊高度計算公式為

(15)

對于同一地面點，假設波長λ1和λ2兩景解纏后的干涉相位對應的絕對模糊數(shù)分別為k1和k2，則k1和k2滿足以下關系

Hunwrap1+k1·Hamb1=Hunwrap2+k2·Hamb2=Hscene

(16)

式中，Hunwrap i為頻率i解纏后的干涉相位所對應的高程；Hamb i為頻率i所對應的模糊高度；Hscene為地面點高程。

根據(jù)式(16)，通過對k1和k2進行二維遍歷搜索，選擇(k1,k2)使Hunwrap1+k1·Hamb1和Hunwrap2+k2·Hamb2的差值在一定門限內，即可確定解纏后干涉相位的絕對模糊數(shù)。

原理上，首尾雙頻中只要有一個便可解算絕對模糊數(shù)，天繪二號采用首尾兩個雙頻的設計，可以相互備份或校驗。

圖13為利用雙頻數(shù)據(jù)獲取相位絕對模糊數(shù)生成的河北赤城精度檢測場DSM數(shù)據(jù)，10個角反射器定位精度滿足系統(tǒng)設計要求，說明天繪二號設計的首尾雙頻成像模式解干涉相位絕對模糊方法正確。

圖13 赤城精度檢測場DSM數(shù)據(jù)Fig.13 The DSM data of Chicheng calibration field

4 試驗驗證

4.1 仿真驗證

為了驗證關鍵技術可行性，在天繪二號衛(wèi)星系統(tǒng)論證、研制過程中，安排了衛(wèi)星編隊技術仿真試驗驗證、SAR載荷協(xié)同工作的三同步地面試驗驗證、衛(wèi)星系統(tǒng)樣機集成和全系統(tǒng)半實物仿真驗證，對衛(wèi)星編隊技術、SAR載荷協(xié)同工作、高精度基線測量、高精度基線定標及高保相成像等主要關鍵技術進行了驗證。

在衛(wèi)星編隊技術仿真試驗驗證中，建設了基于氣浮平臺的編隊飛行與控制試驗系統(tǒng)，驗證了不同工況下分布式衛(wèi)星系統(tǒng)控制算法的可行性和有效性、編隊構型控制指標的可行性、基于信息交互的安全控制功能等內容。其缺點是只能驗證一個平面內的情況，由此，在后期型號研制時，采用了上海交通大學研制的12自由度半實物仿真試驗系統(tǒng)(圖14)，對衛(wèi)星編隊構型設計、編隊保持控制、編隊構型重構、防碰撞進行全方位試驗，驗證了其解決途徑的可行性。

圖14 衛(wèi)星編隊12自由度半實物仿真試驗系統(tǒng)Fig.14 Semi-physical simulation test system for satellite formation with twelve-dimensional

在SAR載荷協(xié)同工作的三同步地面試驗驗證中，專門研制了兩套雷達系統(tǒng)，放在專用的軌道橇車上，如圖15所示。在陜西省華陰市，利用3 km的軌道，以火箭發(fā)射為動力，兩套雷達系統(tǒng)在鐵軌上高速運動的同時，兩天線相互間模擬衛(wèi)星繞飛編隊做相對運動，以衛(wèi)星雷達工作的一發(fā)雙收體制對華山進行成像，并處理生成DSM數(shù)據(jù)，處理結果如圖16所示(因陰影、疊影等影響，DSM不連續(xù))，驗證了解決方案的正確性和可行性。

圖15 空間、時間和相位同步試驗Fig.15 Space, time and phase synchronization test

圖16 成像區(qū)DSMFig.16 DSM of imaging area

在衛(wèi)星系統(tǒng)樣機集成和全系統(tǒng)半實物仿真驗證中，分別研制了兩套GPS接收和SAR數(shù)據(jù)生成半實物模擬器，先后仿真了近100套帶各種誤差源及不帶誤差源的GPS、姿態(tài)觀測等輔助數(shù)據(jù)、InSAR回波數(shù)據(jù)及遠近波位定標數(shù)據(jù)，對高精度基線測量、高精度基線定標及高保相成像技術進行了驗證，這也為天繪二號衛(wèi)星形成編隊后第1次開機獲取InSAR數(shù)據(jù)。

高精度基線測量的關鍵是確保GNSS天線相位中心的穩(wěn)定和高精度相對定軌。GNSS天線相位中心在暗室進行了標定和穩(wěn)定性測量，在1 227.6、1 268.52、1 561.098、1 575.42 Mhz 4個GPS工作頻點的穩(wěn)定度為1 mm左右，滿足設計要求；相對定軌采用西安測繪研究所和國防科技大學處理軟件進行獨立計算，兩者采用不同的動力學策略和處理方案，從而保證了各自相對定軌結果的獨立性，兩者通過對GPS仿真數(shù)據(jù)的相對定軌結果比較表明，其相對定軌精度可以達到1.3 mm左右，滿足設計要求。高精度基線定標利用仿真數(shù)據(jù)進行了試驗，定標結果標準差為1 mm左右，滿足設計要求，驗證了高精度基線定標技術解決途徑的正確性。高保相成像采用仿真數(shù)據(jù)分別進行了單基和雙基成像，并對24個控制點進行了相位誤差統(tǒng)計，結果為單基成像絕對相位誤差均值為1.22°，相對相位誤差為1.74°；雙基成像絕對相位誤差均值為0.60°，相對相位精度為0.24°， 相位精度有顯著提升，表明采用雙基成像可以很好地確保相位精度，驗證了高保相成像技術解決途徑的正確性。

4.2 在軌測試驗證

天繪二號衛(wèi)星在2019年5月20日—2020年1月12日進行了在軌測試試驗。其中，2019年5月20日—2019年6月30日，為單星測試階段，雙星采用跟飛編隊構型，對單星SAR性能指標進行測試；2019年7月1日—2019年7月8日，建立繞飛編隊構型；2019年7月9日—2020年1月12日，為雙星及地面系統(tǒng)測試階段，對衛(wèi)星編隊及InSAR性能指標進行測試。2019年7月9日編隊衛(wèi)星干涉模式首次開機，當天晚上數(shù)據(jù)傳回地面系統(tǒng)，用自研的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，一次就成功生產出DSM數(shù)據(jù)產品。在雙星繞飛編隊測高模式下，共完成了5大項46小項測試試驗項目，其中實裝測試指標73個，測試結果表明主要性能指標達到設計要求，其定位精度與德國TanDEM-X系統(tǒng)[5]相當，滿足1∶5萬比例尺測圖精度要求，優(yōu)于設計指標。圖17為2019年7月9日天繪二號首次開機獲取的成果與SRTM獲取的相同區(qū)域成果，圖17(a)為天繪二號獲取數(shù)據(jù)的干涉條紋圖，圖17(b)為天繪二號獲取DSM數(shù)據(jù)，圖17(c)為SRTM獲取的DSM數(shù)據(jù)；由圖17(b)和圖17(c)可知，天繪二號獲取的DSM數(shù)據(jù)描述的地形細節(jié)程度明顯優(yōu)于SRTM成果。圖18為天繪二號與機載LiDAR獲取的新疆定標場成果，圖18(a)為天繪二號獲取數(shù)據(jù)的相干系數(shù)圖，統(tǒng)計的相干系數(shù)為0.89，圖18(b)為天繪二號獲取DSM數(shù)據(jù)，圖18(c)為機載LIDAR獲取的DSM數(shù)據(jù)，其精度為0.5 m；由圖18(b)和圖18(c)可知，天繪二號獲取的DSM數(shù)據(jù)精度能滿足要求。

圖18 天繪二號與機載LiDAR成果Fig.18 The DSM products of TH-2 and airborne LiDAR

天繪二號衛(wèi)星在軌測試的順利完成并轉入運行，充分驗證了關鍵技術解決途徑的可行性和方法的正確性。

5 結束語

天繪二號衛(wèi)星是我國第1個微波測繪衛(wèi)星系統(tǒng)，也是我國第1個近距離繞飛編隊衛(wèi)星系統(tǒng)，從衛(wèi)星編隊到地面數(shù)據(jù)處理幾乎都是全新的技術，關鍵技術多，除成熟的單SAR衛(wèi)星關鍵技術外，還有衛(wèi)星編隊、SAR載荷協(xié)同工作、高精度內定標、基線確定、高精度基線測量、高精度基線定標、高保相成像及雙頻解算干涉相位絕對模糊數(shù)等關鍵技術，技術難度大。本文全面闡述了天繪二號衛(wèi)星關鍵技術的解決途徑，在研期間，利用仿真數(shù)據(jù)和半實物仿真試驗驗證了主要關鍵技術解決途徑的可行性。

天繪二號衛(wèi)星于2020年1月完成在軌測試并通過驗收。在軌測試結果表明，系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，主要性能指標優(yōu)于設計指標，其定位精度與德國TanDEM-X系統(tǒng)相當，可用于1∶5萬比例尺地理空間信息產品生產，由此進一步驗證了關鍵技術解決途徑的可行性和方法的正確性。