國外SAR衛星總體技術發展現狀及啟示

趙志偉 金麗花

(中國空間技術研究院研究發展部,北京 100094)

1 引言

1978年,全球第一顆合成孔徑雷達(SA R)衛星——美國的“海洋衛星”(SEASA T)發射升空,為空間微波遙感掀開了嶄新的一頁[1]。隨著加拿大雷達衛星-1(Radarsat-1)等商用SAR 衛星的成功,各行各業對星載SA R 圖像的需求越來越旺盛。世界上的主要航天大國都在大規模地研制自己的SAR衛星。尤其在進入21 世紀后,SAR 衛星的發射更頻繁。2007年至今,全球累計發射SAR 衛星超過10 顆, 其中德國完成了“合成孔徑雷達-放大鏡”(SA R-Lupe)星座的布置(共5 顆),意大利也發射了“地中海周邊觀測”(COSMO-Skymed)星座的3 顆(共4 顆)[2]。

各國SA R 衛星的有效載荷水平也在不斷提高,具體表現在分辨率更高、幅寬增加、開展動目標檢測(M T I)試驗、多極化甚至全極化成像、編隊干涉測高試驗等。SAR 衛星的重訪能力也在不斷提高。由此推動SAR 衛星總體技術不斷進步,大量新型技術引入到SAR 衛星當中,如:大容量電力供應、高精度姿軌控系統、高速數傳及大容量星上存儲技術等。本文將對近年來的高水平SAR 衛星在衛星總體技術層面進行橫向對比,主要包括各衛星軌道、能源、控制、數據傳輸等方面的能力,并對世界上的SAR衛星總體技術的發展方向進行預測,以此作為我國發展SAR 衛星總體技術的參考。

2 衛星基本情況

本文涉及的SA R 衛星包括德國的“陸地合成孔徑雷達”(TerraSAR)衛星[3]、SA R-Lupe 星座[4]。意大利的COSMO-Skymed 星座[5]、加拿大Radarsat-2 衛星[6-8]、以色列“技術驗證合成孔徑雷達”(TecSA R)衛星[9]、印度的雷達成像衛星-1(RISA T-1)衛星[10]。這些衛星都是在2007年以后發射的(其中RISAT-1 仍在研制中),代表了目前世界上SAR 衛星的最高水平。各衛星的基本情況(按發射時間順序)見表1。

由表1 可以看出,除了SA R-Lupe 星座,其他衛星的載荷都具備多極化甚至全極化能力;6 顆衛星的SA R 圖像分辨率都在2m 以下;TerraSAR、Radarsat-2 和COSMO-Skymed 衛星都具備動目標檢測能力。載荷性能指標的提高對系統的構形布局、供電能力、姿態控制能力和數傳能力都提出了很高的要求。SAR-Lupe 和TecSAR 衛星為了降低重量采用輕型拋物面天線;其他則采用了相控陣天線。各衛星的設計壽命都在5年以上,這也對系統的可靠性提出了高要求。

表1 6 顆SAR 衛星基本情況Table 1 Basal characteristic of the six satellites

3 衛星總體指標及技術對比

3.1 衛星軌道及重訪特性

衛星軌道或星座選擇直接影響到衛星的總體方案和構形設計。本文所關注的6 顆衛星軌道特性如表2 所示。由該表可以看出,幾顆衛星都選擇太陽同步晨昏軌道,且都通過姿態變化(實現雙側視成像)縮短重訪周期。另外,對于SA R 衛星,可以通過軌道設計和精確軌道控制實現雙星順序飛行,有利于實現干涉SA R 成像。

對于微波遙感衛星,不受成像的時間限制。晨昏軌道可以提供長期的太陽光照條件,這有利于滿足SA R 衛星較大的功率需求。晨昏軌道下,衛星太陽翼可以固定安裝,其撓性對星體影響較小,利于側擺機動控制和快速穩定。根據經驗,對晨昏軌道(以降交點地方時為18 ∶00 為例),衛星保持長期右側視35°飛行狀態,在冬至外熱流最大工況下,會出現不利于SAR 天線工作的溫度,解決的方案就是采用短期右側視(針對18 ∶00 軌道),平時保持左側視或者天線指向天底點狀態。以目前的資料來看,國外的SA R 衛星也確實采用了這種解決方案。

3.2 衛星的結構與構形

航天器結構的主要功能是承受作用在航天器上的各種靜態和動態載荷。作為SAR 衛星,其主要載荷是SAR 系統。SA R 系統包括中央電子設備和SAR 天線兩個子系統。中央電子設備可以布置在星體內部,SA R 天線只能布裝在星體表面或通過展開機構伸展在星體外部。合理的SA R 天線的布局和可靠、有效的結構機構設計成為SA R 衛星結構與構形的主要問題。

常用的SAR 天線包括平板相控陣天線、拋物面天線等,見表3。本文研究的6 顆衛星中, TecSAR和SA R-Lupe 衛星采用拋物面天線,其他都采用了平板相控陣天線。

表2 衛星軌道及重訪特性對比Table 2 Contrast on satellites orbit and revisit period characteristic

表3 衛星構形對比Table 3 Contrast on satellites configuration

平板相控陣天線的優點是不需要天線擺動,僅憑借幅度和相位的加權控制就可以實現波束指向控制,缺點是天線內的發射/接收(T/R)組件重量重,天線整體面積大,容易對太陽電池陣形成遮擋,降低光電轉換效率,增加熱控的難度。為了解決這一矛盾,TerraSA R 衛星突破了常規四方體的思路,采用了獨創的六面體結構,多出的兩個外表面使得SAR天線和太陽電池陣都可以直接安裝在星體外部,為外部設備的布局留下了很大空間。但是,這種方法不適合于天線長度超過了星體包絡限制的情況,如Radarsat-2 衛星的天線長度達到了15m 左右。這時就需要考慮利用天線展開機構,在發射狀態將天線收攏,發射后通過程序控制展開SAR 天線。這種技術會增加系統的復雜度,對機構的可靠性提出了較高要求。Radarsat-2 衛星為了解決大天線的壓緊展開問題,還在星體表面加裝了加強梁,梁的兩端可用于安裝壓緊點。一方面提高了壓緊狀態的整體剛度,另一方面也避免了在天線表面開孔安裝壓緊點所帶來的天線性能損失。

拋物面天線具備質輕、靈活等特點。由于采用集中發射,其對發射機,尤其是大功率合成技術的要求比較高。早期的拋物面天線形面精度差,掃描速度慢,隨著技術的發展,這些問題都得到了有效解決,所以拋物面天線在小衛星上發揮著越來越重要的作用。拋物面SAR 天線也可以采用不同的結構來實現。TecSA R 衛星采用一種以碳纖維為支架的可展開天線,以實現整星的輕量化目的。由于饋源技術水平和整星姿態控制水平較高,加上高精度裝配,該衛星也可以實現高精度成像。SA R-Lupe 衛星采用的是與平臺一體化的安裝體制,降低天線對平臺的擾動影響。

SAR 衛星上的另一個重要載荷就是數傳天線。目前主要的高速數傳為X 頻段,隨著X 頻段高分辨率SA R 衛星越來越多,不可避免會出現同頻干擾問題。TerraSA R 衛星采用伸展機構將數傳天線遠置(3.3m),降低同頻干擾;SAR-Lupe 衛星則采用與SAR 與數傳分時工作的方式。

3.3 衛星能源分系統

SAR 衛星對能源分系統的要求是十分嚴格的,它需要在短時間內實現大功率、大電流脈沖式供電。對于高分辨率、多極化SA R 衛星,這種要求則更加苛刻。解決這種問題的辦法,除了采用晨昏軌道,利用持續的光照提供電力外,SAR 衛星都采用了大容量蓄電池組來保證SA R 運行期間的電力供應。鎳氫電池是目前一種非常成熟的技術,在大量衛星能源分系統中都有采用,它的缺點是單體電壓低,質量卻很重。而鋰離子蓄電池作為一種20 世紀90年代初期發展的先進蓄電池,具有高比能量、高電壓、良好的低溫性能、較低的自放電率和無記憶效應等一系列優點。用鋰離子蓄電池取代目前衛星等航天器普遍采用的鎘鎳或氫鎳蓄電池,可將貯能電源在電源系統所占重量的30%～40%降低至10%,從而大大降低發射成本,增加有效載荷,缺點是壽命較氫鎳電池短。TerraSA R 和Cosmo-Skymed 衛星對電源的容量要求比較高,都采用了鋰離子蓄電池組技術。

表4 衛星能源分系統對比Table 4 Contrast on satellites power system

3.4 衛星控制分系統

高分辨率的SAR 衛星對衛星姿軌控系統的要求也很嚴格。受地球自轉影響,星載SA R 的天線不能夠指向正側視方向,這會帶來較大的距離徙動,加大成像處理的難度。解決辦法之一就是采用星上偏航牽引,通過有規律地改變偏航牽引角來消除地球自轉的影響。早期的SA R 衛星受技術限制或由于載荷分辨率較低,較少采用這一技術,但新型高分辨SAR 衛星則普遍利用這一技術。

早期的SAR 衛星一般只具有單向側視成像的能力,為了擴大SA R 衛星的成像范圍,新型SA R 衛星都采用整星側擺或SAR 天線側擺實現左右雙側視。TecSAR 和SAR-Lupe 小衛星甚至具有整星的二維擺動能力。其中TecSA R 衛星首次實現的鑲嵌成像模式(mosaic mode)要求衛星具備精確、快速的二維整星機動能力,這對衛星的姿控提出了非常高的要求。RISAT-1 衛星為了實現高分辨率聚束模式,除了采用相控陣天線進行方位向掃描外,還通過衛星在俯仰方向進行擺動來控制波束,這對于裝載多項撓性部件的大型SA R 衛星平臺來講,具有較高的難度。

表5 衛星控制分系統對比Table 5 Contrast on satellites control system

3.5 衛星數傳分系統

表6 衛星數傳分系統對比Table 6 Contrast on satellites data transmission system

高分辨率或者多極化SA R 衛星工作一次產生的數據量非常大,即使經過星上實時壓縮,其數據率仍然可能達到Gbit/s 量級。以目前常用的數傳技術,很難將如此大量的數據實時傳輸至地面站。普遍采用的技術是高速數傳加星上大容量固態存儲器技術。數傳頻段基本采用X 頻段。TerraSAR 衛星還攜帶了激光通信試驗設備,其數據率可以達到4.5Gbit/s。RISA T-1 衛星則采用極化復用技術提高頻帶利用率。

4 衛星總體技術發展趨勢分析

綜上所述,我們可以看出,近幾年SA R 衛星總體技術的發展呈現如下趨勢:

1)載荷水平不斷提高。經過近30年的發展,星載SA R 技術由單一成像模式(條帶)向多種成像模式(條帶、聚束或滑動聚束、掃描、鑲嵌)轉化,極化方式由單極化向多極化甚至全極化發展,分辨率則由百米量級提高至亞米級,這無疑帶動了整星技術水平的提高。

2)衛星壽命延長。目前的SA R 衛星壽命至少都在5年以上,甚至預計壽命可以達到10年,這對平臺、分系統及器件的壽命和可靠性要求都很高。

3)軌道類型以晨昏軌道居多,并大多數考慮多星組網飛行或雙星編隊飛行,具備較高的時間分辨率(重訪周期短)、干涉成像能力或動目標檢測能力。

4)雙太陽翼構形居多,部分SA R 衛星采用體裝太陽電池陣方式。

5)為滿足大容量電源要求,采用太陽電池陣與蓄電池組聯合供電方式。蓄電池組的容量較大的衛星采用鋰離子電池(但壽命也相對較短),容量較小的衛星仍采用成熟的鎳氫電池技術(壽命則可達到10年);新型SAR 衛星的供電能力都在3kW 左右。

6)為了消除地球自轉影響,衛星都具備偏航牽引能力;為了縮短重訪周期,平臺普遍具備雙側視能力;部分衛星甚至具備整星的二維姿態機動能力。

7)衛星普遍采用高速數據傳輸與處理系統:采用X 頻段雙通道高速數傳系統,星上固存容量在200G bit 以上,部分衛星開始試驗或準備采用新型數傳技術,激光通信或極化復用技術等。

5 啟示與建議

根據上述對比和分析,結合我國的衛星平臺技術發展水平,提出如下建議供參考:

1)統籌規劃。新型SA R 衛星的長期發展要考慮星座配置或者編隊飛行,以保證高時間分辨率,這也有利于動目標檢測和干涉成像的實現。

2)提高整星的使用壽命。目前國內低軌衛星的設計壽命相對國外較短,而航天器的壽命受到多方面的影響和制約,需要統籌全局,綜合考慮,提高在軌航天器的使用年限,使其按期甚至超期服役。

3)提高衛星姿態機動和軌道機動能力。雙側視是提高SA R 衛星重訪能力的有效手段,但受軌道條件限制(如晨昏軌道),需要進行頻繁且迅速穩定的姿態機動,所以高可靠、高精度的執行機構是必不可少的;軌道機動則可以在短期內經費和時間不足的情況下,實現熱點區域的快速重訪:利用軌道機動能力較強的衛星平臺,在緊急模式下將軌道機動到天回歸軌道,可實現對指定區域每天一次的觀察。

4)發展大容量電源技術。大容量電源普遍采用太陽電池與蓄電池組合供電的模式,這就要求一方面加大高效率太陽電池技術的開發,如三結砷化鎵電池,另一方面要提高新型蓄電池,特別是長壽命鋰離子蓄電池的型號應用。

5)發展高精度姿態控制技術。一方面要通過提高控制精度保證SA R 圖像的高質量,這在高分辨率SA R 衛星里顯得尤為重要;另一方面也可以通過準確的姿態控制實現高分辨率或者新型SA R 工作模式(如聚束模式、鑲嵌模式、漸進掃描陸地觀測(Terrain observation with progressive scan SA R,TOPSA R)模式等。

6)發展一體化高速數傳系統。高速數傳系統包括使用新型技術提高頻帶利用率(如極化復用),采用新的頻段提高數據率,采用新型高容量小型化固態存儲器。

7)發展輕型或小型化SA R 衛星技術。這包括小型SAR 衛星通用平臺的研制,一體化SA R 衛星電子設備研制,輕量化SA R 天線技術、大功率合成技術開發等。

)

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