赵志伟 金丽花

(中国空间技术研究院研究发展部,北京 100094)

1 引言

1978年,全球第一颗合成孔径雷达(SA R)卫星——美国的“海洋卫星”(SEASA T)发射升空,为空间微波遥感掀开了崭新的一页[1]。随着加拿大雷达卫星-1(Radarsat-1)等商用SAR 卫星的成功,各行各业对星载SA R 图像的需求越来越旺盛。世界上的主要航天大国都在大规模地研制自己的SAR卫星。尤其在进入21 世纪后,SAR 卫星的发射更频繁。2007年至今,全球累计发射SAR 卫星超过10 颗, 其中德国完成了“合成孔径雷达-放大镜”(SA R-Lupe)星座的布置(共5 颗),意大利也发射了“地中海周边观测”(COSMO-Skymed)星座的3 颗(共4 颗)[2]。

各国SA R 卫星的有效载荷水平也在不断提高,具体表现在分辨率更高、幅宽增加、开展动目标检测(M T I)试验、多极化甚至全极化成像、编队干涉测高试验等。SAR 卫星的重访能力也在不断提高。由此推动SAR 卫星总体技术不断进步,大量新型技术引入到SAR 卫星当中,如:大容量电力供应、高精度姿轨控系统、高速数传及大容量星上存储技术等。本文将对近年来的高水平SAR 卫星在卫星总体技术层面进行横向对比,主要包括各卫星轨道、能源、控制、数据传输等方面的能力,并对世界上的SAR卫星总体技术的发展方向进行预测,以此作为我国发展SAR 卫星总体技术的参考。

2 卫星基本情况

本文涉及的SA R 卫星包括德国的“陆地合成孔径雷达”(TerraSAR)卫星[3]、SA R-Lupe 星座[4]。意大利的COSMO-Skymed 星座[5]、加拿大Radarsat-2 卫星[6-8]、以色列“技术验证合成孔径雷达”(TecSA R)卫星[9]、印度的雷达成像卫星-1(RISA T-1)卫星[10]。这些卫星都是在2007年以后发射的(其中RISAT-1 仍在研制中),代表了目前世界上SAR 卫星的最高水平。各卫星的基本情况(按发射时间顺序)见表1。

由表1 可以看出,除了SA R-Lupe 星座,其他卫星的载荷都具备多极化甚至全极化能力;6 颗卫星的SA R 图像分辨率都在2m 以下;TerraSAR、Radarsat-2 和COSMO-Skymed 卫星都具备动目标检测能力。载荷性能指标的提高对系统的构形布局、供电能力、姿态控制能力和数传能力都提出了很高的要求。SAR-Lupe 和TecSAR 卫星为了降低重量采用轻型抛物面天线;其他则采用了相控阵天线。各卫星的设计寿命都在5年以上,这也对系统的可靠性提出了高要求。

表1 6 颗SAR 卫星基本情况Table 1 Basal characteristic of the six satellites

3 卫星总体指标及技术对比

3.1 卫星轨道及重访特性

卫星轨道或星座选择直接影响到卫星的总体方案和构形设计。本文所关注的6 颗卫星轨道特性如表2 所示。由该表可以看出,几颗卫星都选择太阳同步晨昏轨道,且都通过姿态变化(实现双侧视成像)缩短重访周期。另外,对于SA R 卫星,可以通过轨道设计和精确轨道控制实现双星顺序飞行,有利于实现干涉SA R 成像。

对于微波遥感卫星,不受成像的时间限制。晨昏轨道可以提供长期的太阳光照条件,这有利于满足SA R 卫星较大的功率需求。晨昏轨道下,卫星太阳翼可以固定安装,其挠性对星体影响较小,利于侧摆机动控制和快速稳定。根据经验,对晨昏轨道(以降交点地方时为18 ∶00 为例),卫星保持长期右侧视35°飞行状态,在冬至外热流最大工况下,会出现不利于SAR 天线工作的温度,解决的方案就是采用短期右侧视(针对18 ∶00 轨道),平时保持左侧视或者天线指向天底点状态。以目前的资料来看,国外的SA R 卫星也确实采用了这种解决方案。

3.2 卫星的结构与构形

航天器结构的主要功能是承受作用在航天器上的各种静态和动态载荷。作为SAR 卫星,其主要载荷是SAR 系统。SA R 系统包括中央电子设备和SAR 天线两个子系统。中央电子设备可以布置在星体内部,SA R 天线只能布装在星体表面或通过展开机构伸展在星体外部。合理的SA R 天线的布局和可靠、有效的结构机构设计成为SA R 卫星结构与构形的主要问题。

常用的SAR 天线包括平板相控阵天线、抛物面天线等,见表3。本文研究的6 颗卫星中, TecSAR和SA R-Lupe 卫星采用抛物面天线,其他都采用了平板相控阵天线。

表2 卫星轨道及重访特性对比Table 2 Contrast on satellites orbit and revisit period characteristic

表3 卫星构形对比Table 3 Contrast on satellites configuration

平板相控阵天线的优点是不需要天线摆动,仅凭借幅度和相位的加权控制就可以实现波束指向控制,缺点是天线内的发射/接收(T/R)组件重量重,天线整体面积大,容易对太阳电池阵形成遮挡,降低光电转换效率,增加热控的难度。为了解决这一矛盾,TerraSA R 卫星突破了常规四方体的思路,采用了独创的六面体结构,多出的两个外表面使得SAR天线和太阳电池阵都可以直接安装在星体外部,为外部设备的布局留下了很大空间。但是,这种方法不适合于天线长度超过了星体包络限制的情况,如Radarsat-2 卫星的天线长度达到了15m 左右。这时就需要考虑利用天线展开机构,在发射状态将天线收拢,发射后通过程序控制展开SAR 天线。这种技术会增加系统的复杂度,对机构的可靠性提出了较高要求。Radarsat-2 卫星为了解决大天线的压紧展开问题,还在星体表面加装了加强梁,梁的两端可用于安装压紧点。一方面提高了压紧状态的整体刚度,另一方面也避免了在天线表面开孔安装压紧点所带来的天线性能损失。

抛物面天线具备质轻、灵活等特点。由于采用集中发射,其对发射机,尤其是大功率合成技术的要求比较高。早期的抛物面天线形面精度差,扫描速度慢,随着技术的发展,这些问题都得到了有效解决,所以抛物面天线在小卫星上发挥着越来越重要的作用。抛物面SAR 天线也可以采用不同的结构来实现。TecSA R 卫星采用一种以碳纤维为支架的可展开天线,以实现整星的轻量化目的。由于馈源技术水平和整星姿态控制水平较高,加上高精度装配,该卫星也可以实现高精度成像。SA R-Lupe 卫星采用的是与平台一体化的安装体制,降低天线对平台的扰动影响。

SAR 卫星上的另一个重要载荷就是数传天线。目前主要的高速数传为X 频段,随着X 频段高分辨率SA R 卫星越来越多,不可避免会出现同频干扰问题。TerraSA R 卫星采用伸展机构将数传天线远置(3.3m),降低同频干扰;SAR-Lupe 卫星则采用与SAR 与数传分时工作的方式。

3.3 卫星能源分系统

SAR 卫星对能源分系统的要求是十分严格的,它需要在短时间内实现大功率、大电流脉冲式供电。对于高分辨率、多极化SA R 卫星,这种要求则更加苛刻。解决这种问题的办法,除了采用晨昏轨道,利用持续的光照提供电力外,SAR 卫星都采用了大容量蓄电池组来保证SA R 运行期间的电力供应。镍氢电池是目前一种非常成熟的技术,在大量卫星能源分系统中都有采用,它的缺点是单体电压低,质量却很重。而锂离子蓄电池作为一种20 世纪90年代初期发展的先进蓄电池,具有高比能量、高电压、良好的低温性能、较低的自放电率和无记忆效应等一系列优点。用锂离子蓄电池取代目前卫星等航天器普遍采用的镉镍或氢镍蓄电池,可将贮能电源在电源系统所占重量的30%～40%降低至10%,从而大大降低发射成本,增加有效载荷,缺点是寿命较氢镍电池短。TerraSA R 和Cosmo-Skymed 卫星对电源的容量要求比较高,都采用了锂离子蓄电池组技术。

表4 卫星能源分系统对比Table 4 Contrast on satellites power system

3.4 卫星控制分系统

高分辨率的SAR 卫星对卫星姿轨控系统的要求也很严格。受地球自转影响,星载SA R 的天线不能够指向正侧视方向,这会带来较大的距离徙动,加大成像处理的难度。解决办法之一就是采用星上偏航牵引,通过有规律地改变偏航牵引角来消除地球自转的影响。早期的SA R 卫星受技术限制或由于载荷分辨率较低,较少采用这一技术,但新型高分辨SAR 卫星则普遍利用这一技术。

早期的SAR 卫星一般只具有单向侧视成像的能力,为了扩大SA R 卫星的成像范围,新型SA R 卫星都采用整星侧摆或SAR 天线侧摆实现左右双侧视。TecSAR 和SAR-Lupe 小卫星甚至具有整星的二维摆动能力。其中TecSA R 卫星首次实现的镶嵌成像模式(mosaic mode)要求卫星具备精确、快速的二维整星机动能力,这对卫星的姿控提出了非常高的要求。RISAT-1 卫星为了实现高分辨率聚束模式,除了采用相控阵天线进行方位向扫描外,还通过卫星在俯仰方向进行摆动来控制波束,这对于装载多项挠性部件的大型SA R 卫星平台来讲,具有较高的难度。

表5 卫星控制分系统对比Table 5 Contrast on satellites control system

3.5 卫星数传分系统

表6 卫星数传分系统对比Table 6 Contrast on satellites data transmission system

高分辨率或者多极化SA R 卫星工作一次产生的数据量非常大,即使经过星上实时压缩,其数据率仍然可能达到Gbit/s 量级。以目前常用的数传技术,很难将如此大量的数据实时传输至地面站。普遍采用的技术是高速数传加星上大容量固态存储器技术。数传频段基本采用X 频段。TerraSAR 卫星还携带了激光通信试验设备,其数据率可以达到4.5Gbit/s。RISA T-1 卫星则采用极化复用技术提高频带利用率。

4 卫星总体技术发展趋势分析

综上所述,我们可以看出,近几年SA R 卫星总体技术的发展呈现如下趋势:

1)载荷水平不断提高。经过近30年的发展,星载SA R 技术由单一成像模式(条带)向多种成像模式(条带、聚束或滑动聚束、扫描、镶嵌)转化,极化方式由单极化向多极化甚至全极化发展,分辨率则由百米量级提高至亚米级,这无疑带动了整星技术水平的提高。

2)卫星寿命延长。目前的SA R 卫星寿命至少都在5年以上,甚至预计寿命可以达到10年,这对平台、分系统及器件的寿命和可靠性要求都很高。

3)轨道类型以晨昏轨道居多,并大多数考虑多星组网飞行或双星编队飞行,具备较高的时间分辨率(重访周期短)、干涉成像能力或动目标检测能力。

4)双太阳翼构形居多,部分SA R 卫星采用体装太阳电池阵方式。

5)为满足大容量电源要求,采用太阳电池阵与蓄电池组联合供电方式。蓄电池组的容量较大的卫星采用锂离子电池(但寿命也相对较短),容量较小的卫星仍采用成熟的镍氢电池技术(寿命则可达到10年);新型SAR 卫星的供电能力都在3kW 左右。

6)为了消除地球自转影响,卫星都具备偏航牵引能力;为了缩短重访周期,平台普遍具备双侧视能力;部分卫星甚至具备整星的二维姿态机动能力。

7)卫星普遍采用高速数据传输与处理系统:采用X 频段双通道高速数传系统,星上固存容量在200G bit 以上,部分卫星开始试验或准备采用新型数传技术,激光通信或极化复用技术等。

5 启示与建议

根据上述对比和分析,结合我国的卫星平台技术发展水平,提出如下建议供参考:

1)统筹规划。新型SA R 卫星的长期发展要考虑星座配置或者编队飞行,以保证高时间分辨率,这也有利于动目标检测和干涉成像的实现。

2)提高整星的使用寿命。目前国内低轨卫星的设计寿命相对国外较短,而航天器的寿命受到多方面的影响和制约,需要统筹全局,综合考虑,提高在轨航天器的使用年限,使其按期甚至超期服役。

3)提高卫星姿态机动和轨道机动能力。双侧视是提高SA R 卫星重访能力的有效手段,但受轨道条件限制(如晨昏轨道),需要进行频繁且迅速稳定的姿态机动,所以高可靠、高精度的执行机构是必不可少的;轨道机动则可以在短期内经费和时间不足的情况下,实现热点区域的快速重访:利用轨道机动能力较强的卫星平台,在紧急模式下将轨道机动到天回归轨道,可实现对指定区域每天一次的观察。

4)发展大容量电源技术。大容量电源普遍采用太阳电池与蓄电池组合供电的模式,这就要求一方面加大高效率太阳电池技术的开发,如三结砷化镓电池,另一方面要提高新型蓄电池,特别是长寿命锂离子蓄电池的型号应用。

5)发展高精度姿态控制技术。一方面要通过提高控制精度保证SA R 图像的高质量,这在高分辨率SA R 卫星里显得尤为重要;另一方面也可以通过准确的姿态控制实现高分辨率或者新型SA R 工作模式(如聚束模式、镶嵌模式、渐进扫描陆地观测(Terrain observation with progressive scan SA R,TOPSA R)模式等。

6)发展一体化高速数传系统。高速数传系统包括使用新型技术提高频带利用率(如极化复用),采用新的频段提高数据率,采用新型高容量小型化固态存储器。

7)发展轻型或小型化SA R 卫星技术。这包括小型SAR 卫星通用平台的研制,一体化SA R 卫星电子设备研制,轻量化SA R 天线技术、大功率合成技术开发等。

)

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