文/苗珊珊 攝/高劍 張婉瑩

8 月13 日，由航天科技集團(tuán)五院抓總研制的陸地探測四號01 星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長征三號乙運(yùn)載火箭成功發(fā)射。這是我國也是世界上第一顆高軌合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星，也是全球首顆地球同步軌道SAR 衛(wèi)星。

經(jīng)過4 次變軌后，陸地探測四號01 星在8 月下旬順利進(jìn)入工作軌道，合成孔徑雷達(dá)天線成功展開，衛(wèi)星完成了入軌初期飛控試驗(yàn)主要工作，工況正常，狀態(tài)良好。未來，這顆衛(wèi)星將在防災(zāi)減災(zāi)工作中發(fā)揮重要作用。

▲ 陸地探測四號01 星在軌工作示意圖

▲ 陸地探測四號01 星的大型傘狀天線示意圖

擔(dān)當(dāng)重任，填補(bǔ)國際空白

陸地探測四號01 星被譽(yù)為“減災(zāi)衛(wèi)士”，屬于《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015-2025 年）》中的遙感科研衛(wèi)星，可服務(wù)防災(zāi)減災(zāi)、地震監(jiān)測、國土資源勘察及海洋、水利、氣象、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、林業(yè)等7 個行業(yè)的應(yīng)用需求，是我國目前行業(yè)用戶最多的遙感衛(wèi)星。

這位“減災(zāi)衛(wèi)士”不僅成功摘得了世界上首顆地球同步軌道SAR 衛(wèi)星的“桂冠”，其配備的像傘一樣的環(huán)形天線還將發(fā)揮重要作用，通過向地面發(fā)射微波信號來感知地球信息。未來，陸地探測四號01 星將憑借快速機(jī)動、高精度微波成像的特點(diǎn)，“全身心”致力于防災(zāi)減災(zāi)工作，進(jìn)一步完善我國天基災(zāi)害監(jiān)測體系，豐富我國重點(diǎn)區(qū)域觀測手段，全面提升我國防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)綜合水平。

眾所周知，災(zāi)害信息獲取是世界各國防災(zāi)減災(zāi)的重要前提，而利用天基遙感手段進(jìn)行觀測是絕佳方案。我國自然災(zāi)害種類多、分布地域廣，防災(zāi)減災(zāi)工作十分重要。

在陸地探測四號01 星發(fā)射之前，高軌SAR 仍是國際空白。在綜合考慮災(zāi)害觀測需求與現(xiàn)有觀測體系的差距后，研制團(tuán)隊認(rèn)為，地球同步軌道SAR 衛(wèi)星既能憑借高軌道帶來的高重訪、超大幅寬、強(qiáng)機(jī)動優(yōu)勢，彌補(bǔ)低軌SAR 衛(wèi)星的不足，又能利用SAR衛(wèi)星全天時、全天候的特點(diǎn)，滿足災(zāi)害觀測“隨叫隨到”的要求，從而完美“回應(yīng)”國家需求。

值得注意的是，陸地探測四號01星的觀測載荷設(shè)備不是光學(xué)相機(jī)，而是合成孔徑雷達(dá)。這種雷達(dá)工作時，先對地球發(fā)射電磁波，再接收從地球反射回來的電磁波并進(jìn)行解析，從而獲取包含大量信息的雷達(dá)圖像?？傮w來看，這款雷達(dá)載荷具有高分辨率、寬覆蓋、多模式、輕量化等優(yōu)點(diǎn)。

▲ 高軌SAR 衛(wèi)星觀測范圍很大

▲ 衛(wèi)星畫“8”字示意圖

“正是因?yàn)椴捎昧撕铣煽讖嚼走_(dá)，衛(wèi)星不需要借助光線就可以成像，并且能夠穿透云層，觀測云層之下的世界，因此陸地探測四號01 星可以不受氣候、光照限制，全天候、全天時對地觀測，非常適用于防災(zāi)減災(zāi)等應(yīng)用場景。”陸地探測四號01 星總指揮、總設(shè)計師張慶君說。

此外，這顆衛(wèi)星還有一個特點(diǎn)，那就是運(yùn)行的傾斜地球同步軌道特別高，距離地球近4 萬千米。飛得越高，看得越遠(yuǎn)，在軌運(yùn)行的陸地探測四號01 星就像在天上重復(fù)畫著一個“8”字，可以對固定的一大片區(qū)域進(jìn)行相對持續(xù)的觀測，觀測重訪周期短，成像幅寬大。

與低軌衛(wèi)星、光學(xué)衛(wèi)星相比，陸地探測四號01 星將高軌觀測重訪周期短、成像幅寬大的優(yōu)勢與微波觀測不受氣候限制（全天候）、不受光照限制（全天時）的優(yōu)勢結(jié)合起來，可以提高識別災(zāi)害異常變化信息的精度和效率，提升自然災(zāi)害綜合防治能力。

未來，陸地探測四號01 星將推動我國相關(guān)工作從注重災(zāi)后救助向注重災(zāi)前預(yù)防轉(zhuǎn)變，提升我國對災(zāi)害的應(yīng)急響應(yīng)與救助支撐能力。

勇于創(chuàng)新，提升技術(shù)水平

陸地探測四號01 星運(yùn)行在平均高度3.6 萬千米的地球同步軌道上，“長相”別具一格：它背著像傘一樣的環(huán)形天線，通過這把“傘”向地面發(fā)射微波信號來感知地球信息。正是在陸地探測四號01 星工程研制過程中，科研人員首次創(chuàng)新性提出了大口徑環(huán)形反射面天線+相控陣饋源方案，最終實(shí)現(xiàn)工程化，帶動了相關(guān)基礎(chǔ)理論、系統(tǒng)設(shè)計和精密制造等方面的技術(shù)進(jìn)步。

▲ 長三乙火箭發(fā)射陸地探測四號01 星瞬間

為了確定這個方案，科研人員付出了長期的艱辛努力。2008 年，南方雪災(zāi)和汶川地震給人民生產(chǎn)生活造成了巨大影響，促使五院成立了陸地探測四號01 星研制團(tuán)隊，決心解決災(zāi)區(qū)影像難以快速獲取的問題，以衛(wèi)星遙感技術(shù)支持用戶應(yīng)急決策，減少人民生命財產(chǎn)損失。

張慶君介紹，自20 世紀(jì)七八十年代起，多國先后研制、發(fā)射了SAR衛(wèi)星，用于災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域，但國外SAR 衛(wèi)星都運(yùn)行于低軌，過境時間短，重訪周期長，觀測范圍小，難以滿足應(yīng)急、搶險和救災(zāi)的時效性需求。高軌SAR衛(wèi)星相當(dāng)于“固定”在地面上空的攝像頭，可以全天時、全天候、克服極端天氣條件來實(shí)施對地觀測，有效彌補(bǔ)低軌衛(wèi)星在觀測時間上的不足，在觀測范圍上也能對低軌衛(wèi)星進(jìn)行良好補(bǔ)充。

由于沒有成熟經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，研制團(tuán)隊堅持自主創(chuàng)新，開展論證攻關(guān)。面對“SAR 在高軌上能否成像”這個世界級難題，項(xiàng)目團(tuán)隊從成像機(jī)理開始“深挖”，梳理出影響成像的關(guān)鍵因素并逐一分析，“必須蹚出一條屬于我們的高軌SAR 路線”。

與光學(xué)衛(wèi)星“咔嚓”拍張照不同，SAR 衛(wèi)星是依靠數(shù)據(jù)反演進(jìn)行成像的。衛(wèi)星副總設(shè)計師劉立平介紹：“為了確保高軌SAR 能成像，研制團(tuán)隊率先對成像算法的精確性開展研究，對梳理出的影響成像的因素逐一分析討論，并進(jìn)行了大量的計算和仿真試驗(yàn)，為高軌SAR‘量身定做’一套可行算法?！?/p>

為此，研制團(tuán)隊進(jìn)行了大量技術(shù)調(diào)研，做了十幾輪方案論證，提出了基于拋物面天線的載荷方案。在此基礎(chǔ)上，項(xiàng)目總體團(tuán)隊創(chuàng)造性地提出了現(xiàn)在的星電聯(lián)合掃描方案。

▲ 高軌星載SAR 的合成孔徑時間長達(dá)百秒級

▲ 科研人員細(xì)致調(diào)整衛(wèi)星設(shè)備

▲ 火箭分段吊裝

傳統(tǒng)的低軌SAR 合成孔徑時間為秒級，一般采用飛機(jī)等高速平臺進(jìn)行校飛試驗(yàn)，但高軌SAR 的合成孔徑時間為百秒級，必須采用低速平臺才能完成驗(yàn)證。通過調(diào)研，研制團(tuán)隊找到了一段廢棄的鐵軌，設(shè)計了一款可調(diào)節(jié)速度的“小車”，用于裝載天線，在滑軌上慢速滑行，模擬高軌SAR 的百秒級長合成孔徑時間成像，最終獲取了真實(shí)的長合成孔徑時間的SAR圖像，驗(yàn)證了高軌SAR 成像機(jī)理的可行性。

“為了讓衛(wèi)星更好地服務(wù)于防災(zāi)減災(zāi)工作，我們充分利用高軌和微波兩個特點(diǎn)，緊扣災(zāi)害發(fā)生特點(diǎn)和觀測需求，為衛(wèi)星精心設(shè)計了普查、區(qū)域、凝視、應(yīng)急4 種應(yīng)用模式，為防災(zāi)減災(zāi)提供更精準(zhǔn)專業(yè)的服務(wù)?！睆垜c君介紹。

具體來說，在普查模式下，衛(wèi)星幅寬幾千千米，單次成像覆蓋面積近1/6 個中國，“一眼望去”，幾乎可以獲取整個長江流域的水文信息；在區(qū)域模式下，衛(wèi)星成像分辨率更高，相關(guān)部門可對關(guān)注地區(qū)進(jìn)行詳細(xì)觀測；在凝視模式下，衛(wèi)星可對受災(zāi)區(qū)域開展持續(xù)多次觀測；在應(yīng)急模式下，假如多地災(zāi)害同時發(fā)生，衛(wèi)星監(jiān)測需求也能夠得到滿足，“哪里需要看哪里”。

陸地探測四號01 星的環(huán)形大天線展開面積接近一個籃球場，主要由桁架、金屬網(wǎng)面、展開臂及抱環(huán)等組成。堅挺的桁架圍成一圈，堅定地守護(hù)著金屬網(wǎng)面。這型大口徑環(huán)形展開反射器是目前我國口徑最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、展開環(huán)節(jié)最多、研制周期最長的衛(wèi)星天線，每一次成功展開的背后，都彰顯著研制人員對產(chǎn)品技術(shù)的“吃透”和對過程細(xì)節(jié)的嚴(yán)控。

不過，衛(wèi)星搭載著國內(nèi)最大直徑的在軌天線，還有又細(xì)又長的天線展開臂，如何飛上天就成了項(xiàng)目團(tuán)隊需攻克的首要難題。為此，設(shè)計師巧妙地優(yōu)化了衛(wèi)星“房子”的布局，給大天線找到了合適的“家”，再給天線的“胳膊”安裝關(guān)節(jié)，讓天線展開臂“U”型環(huán)抱著衛(wèi)星“房子”，確保整星能夠順利地搭乘火箭上天。

在陸地探測四號01 星之前，已有6 副環(huán)形天線成功在軌飛行，所以衛(wèi)星研制團(tuán)隊積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和充足的技術(shù)儲備，但沒放松要求。針對衛(wèi)星環(huán)形天線更大的口徑指標(biāo)要求，在研制之初，團(tuán)隊就對風(fēng)險點(diǎn)進(jìn)行了反復(fù)深入分析與論證，通過提升傳動效率和展開策略優(yōu)化等諸多關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，極大地提升了天線在軌展開裕度和可靠性。

可以說，陸地探測四號01 星研制團(tuán)隊嚴(yán)慎細(xì)實(shí)地對待每一次技術(shù)突破，取得了一個又一個勝利，將為我國應(yīng)急管理災(zāi)害監(jiān)測提供極大支撐，助力災(zāi)害數(shù)據(jù)獲取能力實(shí)現(xiàn)躍升。