高分三號衛星總體設計驗證

張慶君 劉杰 李延 齊亞琳 趙良波

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

高分三號衛星總體設計驗證

張慶君 劉杰 李延 齊亞琳 趙良波

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

高分三號(GF-3)衛星是我國民用“高分辨率對地觀測系統重大專項”中唯一一顆微波成像衛星,也是我國第1顆1 m分辨率C頻段多極化合成孔徑雷達(SAR)衛星,其定量化指標要求高,同時具有雷達天線質量、尺寸大,熱控要求高,脈沖功率大,構型布局復雜等技術特點和難點。文章圍繞GF-3衛星技術難點,系統闡述了衛星高定量化、高擴展性等總體設計特點及設計驗證方法,并采用系統建模、模擬分析、地面試驗和在軌測試等多種措施,確保衛星優良的圖像質量和定量化應用能力,使其具備一定的在軌擴展能力。GF-3衛星設計和研制過程中采用的驗證方法,可為后續SAR衛星的總體設計提供參考。

高分三號衛星;合成孔徑雷達;總體設計;驗證方法

1 引言

合成孔徑雷達(SAR)是一種主動式微波成像遙感器,通過發射寬帶信號,結合合成孔徑技術,能在距離向和方位向上同時獲得二維高分辨率圖像。與傳統光學遙感相比,SAR具備全天候、全天時的成像能力,以及一定的穿透性,獲得的圖像能夠反映目標微波散射特性,是獲取地物信息的一種重要技術手段。星載SAR已被廣泛應用于軍事和民生領域,是實現自然資源普查、自然災害監測和空間軍事偵察等的重要技術手段[1]。

經過多年的努力,我國在星載SAR技術領域已取得了重大的技術突破,縮短了與世界先進國家的差距,星載SAR已成為我國對地觀測領域的重點發展方向之一。高分三號(GF-3)衛星工程是我國“十二五”期間“高分辨率對地觀測系統重大專項”工程項目之一,是專項(民用)中唯一的相控陣雷達成像衛星,也是我國首顆C頻段多極化高分辨率微波遙感衛星。GF-3衛星能夠全天候實現全球海洋和陸地信息的監視監測,并能通過左右姿態機動提升快速響應能力,擴大對地觀測范圍,其獲取的C頻段多極化SAR圖像,可用于我國海洋、減災、水利、氣象、農業、國土、環保、國安、公安、住建、交通、統計、林業、地震、測繪、國防等多個行業。

GF-3衛星具有高定量化、長壽命、高可靠性技術特點,在總體設計過程中開展了一系列專項設計驗證,以提升衛星系統能力,其成果對于提高后續SAR衛星的總體設計和研制能力具有重要借鑒意義。

2 衛星技術特點及設計驗證難點

GF-3衛星通過獲取多模式、多極化、高定量化的SAR遙感數據,滿足多領域、多用戶的需求,因此在技術上相對其他同類衛星,具有鮮明的技術特點及難點,需要在衛星設計及研制過程中重點考慮。

(1)衛星定量化要求高。隨著空間遙感技術的發展,各行業用戶和應用部門對遙感數據的要求早已超越了區別目標、識別目標的基本能力,而是進一步要求遙感數據的定量化,并通過將定量化的遙感數據與物理模型或參量聯系起來,定量反演或推算不同的物理參量。對于GF-3衛星,典型的定量化應用包括:①海洋用戶根據海面的后向散射系數,定量反演海面風向、風速;②氣象用戶根據降雨區的回波強度,對大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨進行監測和識別;③減災用戶根據數據的極化信息,對洪澇災害、地震災害等進行定量化評估;④水利用戶根據監測區地表回波數據,對土壤水分進行監測,對旱情進行定量化評估;此外,農業估產、溢油檢測、海冰監測、生物量估測等方面的應用,均對GF-3衛星遙感數據的定量化提出高要求。因此,滿足用戶定量化應用的需求,是GF-3衛星總體設計及驗證的首要工作。

(2)供電能力要求高,要適應SAR載荷高功率脈沖工作方式。整星要提供近萬瓦級供電能力,在國內已發射的低軌遙感衛星中,供電能力要求最高;同時要滿足衛星8年長壽命要求,因而對關鍵的電源系統可靠性和長壽命提出了更高的要求。

(3)整星構型布局難度大,結構設計要求高。SAR天線和太陽翼等大質量部件在軌展開于衛星外側,要求衛星結構具備高剛度,以滿足發射段及SAR天線在軌展開的型面精度要求;SAR天線展開狀態下長約15 m,展開平面度要求優于5 mm,因此要開展整星結構、展開機構和SAR天線陣面機電熱一體化設計;衛星縱軸對地飛行,SAR天線和太陽翼展開后占用空間大,推力器布局困難。

(4)SAR天線溫度一致性要求高。成像期間,SAR天線熱功率波動幅度達到6000 W,但仍要保證陣面各有源部組件的溫度梯度優于10°,熱設計及驗證難度大。

(5)成像模式具有可擴展性。國外一些先進的SAR衛星,在軌均進行了特定的新模式驗證,擴展了衛星的應用范圍[2]。GF-3衛星在滿足聚束成像、條帶成像、掃描成像和波模式成像等12種成像模式要求的基礎上,還要進一步開展可擴展性設計,通過優化成像參數,具備在軌進行多種試驗模式驗證的能力。

3 總體設計驗證

3.1 定量化探測能力設計驗證

GF-3衛星定量化探測的設計驗證工作,貫穿了整個研制過程。在方案階段,衛星總體開展了星地一體化指標的專項復核,結合方案階段設計,通過構建星地一體化模型,分析非理想因素,并在不同誤差分配下進行仿真,驗證各成像模式下定量化指標的實現情況,并據此確定各項設計指標要求[3]。在方案階段,由于缺乏實測驗證手段,對系統的設計留有一定的余量,以補償仿真模型誤差的不確定性。在初樣階段,通過機載校飛試驗,驗證各成像模式設計的正確性和定量化指標的可實現性;同時根據初樣的實測結果進行第2輪仿真分析,修正模型參數,為開展正樣設計提供依據。在正樣研制階段,在開展常規電性能測試的基礎上,圍繞不同模式下SAR天線方向圖測試結果,通過已建立的定量化模型,開展仿真迭代工作。對不滿足指標要求的SAR天線方向圖進行波位優化調整,以滿足最終的指標要求。此外,通過設計我國首個星載SAR系統的地面逆合成孔徑雷達(ISAR)成像試驗,利用星載SAR天線及電子設備,對“國際空間站”(見圖1)、天宮一號目標飛行器等空間目標成像,驗證SAR天線的波束掃描能力、遠距離成像能力及星地鏈路誤差分析的正確性;同時根據正樣研制結果,聯合地面系統,開展星地一體化指標復核復算,為衛星在軌全面滿足各項定量化指標奠定堅實的基礎。在軌運行階段,通過內定標數據獲取、星地聯合定標試驗,以及定期對亞馬遜雨林進行觀測,對雷達參數進行持續的修正,以保證數據定量化水平始終滿足定量化應用的指標要求。

通過貫穿衛星研制及在軌運行控制全過程的定量化設計與驗證措施,保證GF-3衛星的定量化應用能力,如海面風場反演結果可以達到風向誤差優于20°、風速誤差優于2 m/s的結果,其反演圖像如圖2所示。

3.2 高壓大功率衛星電源設計驗證

根據SAR天線工作時“峰值功率大、功率幅值變化大、脈沖工作”的功率需求特點,GF-3衛星電源系統采取了多項技術改進,主要體現在3個方面:①采用載荷+平臺雙母線并網設計,電源供電能力大幅提升至萬瓦級;②采用高壓太陽電池陣,載荷太陽電池陣輸出電壓提高至72 V;③增加了智能化電源管理模塊,以實現蓄電池組充放電管理、健康預報和自主保護等功能。在衛星研制過程中,電源系統通過大功率脈沖電源仿真分析、平臺電源和載荷電源控制器原理樣機研制,以及太陽電池電路靜電放電試驗,保證了GF-3衛星電源系統設計的正確性、可靠性。

1)大功率脈沖電源仿真分析

為驗證電源雙獨立母線方案對解決干擾問題的有效性,以及S4R全調節母線拓撲和不調節母線拓撲的可行性、適用性,在電源系統方案階段進行了仿真驗證。根據電源系統實際設計參數對太陽電池陣、蓄電池組和電源控制器進行建模,對S4R全調節母線拓撲結構、不調節母線拓撲結構及2條母線同時工作的干擾問題進行仿真。分析結果表明:雙母線供電體制設計合理,能夠有效地解決脈沖大功率負載的干擾問題;S4R全調節母線拓撲結構和不調節母線拓撲結構方案可行,電源系統各項指標能夠滿足設計和使用要求。

2)原理樣機研制

平臺電源控制器采用全開關、全調節設計,對太陽電池陣輸出功率、蓄電池組輸出功率進行控制,通過統一主誤差放大器(MEA)控制,實現分流調節模塊、充電分流調節模塊、放電調節模塊協同工作,使電源控制器質量和體積優化。同時,為驗證MEA和分流方式更改的合理性和可行性,在方案階段開展原理樣機研制。平臺原理樣機的測試結果表明,產品性能指標均符合技術要求,驗證了MEA和分流方式更改的合理性和可行性。

載荷母線設計成不調節的方式,蓄電池組電壓即為母線電壓,這種母線反應速度快,蓄電池能量利用率高。載荷電源控制器采用限頻S3R分流方式,將充電控制方式由適用于氫鎳電池的恒流-定壓方式,改為適用于鋰離子電池的恒流-恒壓充電方式。為驗證鋰離子電池恒流-恒壓的充電控制技術,在方案階段開展了原理樣機研制。載荷原理樣機的測試結果表明,產品性能指標均符合技術要求,驗證了鋰離子電池恒流-恒壓充電技術,滿足鋰離子電池的充電控制要求。

3)太陽電池陣靜電放電試驗

GF-3衛星要在755 km高的太陽同步軌道運行,該軌道的空間環境復雜,等離子環境中帶電粒子密度要比地球靜止軌道高4～6個數量級,高壓太陽電池陣會與等離子體相互作用而發生靜電放電現象,因此有必要對現有太陽電池陣的設計和工藝進行驗證,以明確靜電放電發生的風險及其對電池陣的損傷,從而采取適當的防護措施來減少或避免由靜電放電導致的太陽電池陣功率損失。在方案階段進行GF-3衛星太陽電池電路靜電放電試驗。試驗中觀察到一次放電閾值和二次放電對太陽電池的損傷,驗證了不同寬間隙防護可以提高太陽電池陣的二次放電閾值,經過對試驗數據的分析可知,寬間隙防護是高壓太陽電池陣可采用的有效防護手段。

3.3 大載荷比衛星構型設計驗證

GF-3衛星總質量接近3000 kg,荷載比將近55%。在衛星構型設計時,以SAR天線構型布局為突破口,開展整星的構型布局設計。

(1)通過加強梁實現SAR天線承載。SAR天線的布局是衛星構型設計的核心,它在發射狀態折疊壓緊在衛星側面,因此其傳力路徑設計將直接影響衛星的發射狀態力學特性。為此,增加了6根碳纖維加強梁,兩側SAR天線各通過6個壓緊點壓緊在加強梁兩端,從而滿足了發射狀態力學特性要求。

(2)一體化構型設計滿足SAR天線平面度要求。SAR天線陣面長約15 m,在軌平面度要求優于5 mm。在構型設計中,SAR天線展開機構與衛星平臺結構連接點均布置在載荷艙,避免了服務艙變形傳遞至SAR天線,且載荷艙主結構采用熱膨脹系數較小的碳纖維蒙皮。此外,展開機構采用零膨脹材料設計,SAR天線熱控可將陣面溫差控制在7℃以內,使SAR天線的相對形變控制在要求范圍內。在初樣階段,通過攝影測量與光纖光柵結合的方法,在熱試驗過程中對SAR天線的平面度進行測試,驗證了天線的平面度可滿足要求。

3.4 SAR天線熱控設計驗證

針對GF-3衛星SAR天線大尺寸、高熱耗、多模式、溫度梯度要求高等特點,采用模塊化、等溫化、智能隨動控溫等方法,完成SAR天線熱控設計;采用組合模式分析方法完成天線在軌溫度預示;利用吸波熱沉完成天線熱試驗驗證。

GF-3衛星SAR天線在軌展開后,同太陽翼之間遮擋和輻射耦合強烈;同時,在各類成像模式下,SAR天線的熱耗差異巨大。針對SAR天線的熱控特點和難點,采取相應的熱控措施:①在SAR天線波導噴涂高發射率低吸收比的熱控涂層,作為散熱面,排散陣面有源設備工作的發熱量;②采用預埋并外貼正交熱管網絡,對SAR天線收發組件(T/R)和二次電源的熱量進行擴散;③采用高發射率黑漆和導熱硅脂,增強設備的輻射和導熱傳熱;④使用多層隔熱組件隔離太陽翼輻射耦合和太陽輻照熱流;⑤采用高精度智能隨動控溫方法,實時獲取溫度梯度并適度補償,從而降低溫度梯度。試驗和在軌運行結果證明了熱設計的正確性和有效性。

SAR天線工作模式復雜,針對不同方式、不同姿態的組合工作模式,進行熱分析仿真,完成衛星姿態和工作模式的轉化與拼接,獲得在軌溫度預示和溫度約束條件。針對天線模塊化特點,利用等效試驗方法,采用單模塊和單翼試驗涵蓋全陣面試驗工況,縮短了試驗時間,降低了試驗成本,節省了人力物力。

針對天線微波輻射特性,采用吸波外熱流模擬裝置完成天線熱平衡試驗和熱真空測試,兼顧外熱流模擬和電性能測試的雙重需求,降低了試驗系統的復雜度和危害性。針對天線模塊和組件眾多、熱控實施內容繁復的特點,采用固化工藝規程、分工協作的流水化作業方式,提升了實施效率,降低了生產成本。

GF-3衛星SAR天線的熱設計思路、熱分析方法、試驗驗證方式、實施過程控制方法等成功經驗,可為同類型天線熱控研制工作提供有益的借鑒。

3.5 可擴展性設計及試驗模式驗證

帶皮亞諾(Peano)余項形式的泰勒(Taylor)公式給出了函數在 x0點的局部表達式，當 f(x)→0(x→x0)，且其階數難以判斷時，用泰勒公式展開是較好的方法。因此，例2運用泰勒公式計算極限是一種不錯的計算方法。

在GF-3衛星設計過程中,針對用戶成像任務規劃多樣、各模式下成像參數差異大的特點,預留了靈活的外部控制接口,可通過上注指令的方式,對系統參數、時序、工作方式等進行靈活的調整,這樣既保證了SAR載荷常規工作模式的需求,也為在軌開展試驗模式驗證提供了可能。

GF-3衛星成像模式可擴展設計主要包括:①可靈活配置多種調頻信號帶寬、時寬組合,具有10多種調頻信號組合方式;②多種信號采樣速率,滿足各種信號帶寬下的采樣需求;③多種數據壓縮模式,在最小化圖像信息損失的前提下,降低數據率;④國內首次采用雙通道接收模式,可實現雙孔徑及多極化模式接收;⑤靈活的二維波束掃描方式,不但可實現距離向波束快速切換,同時方位向波束掃描方向可調,在實現聚束模式方位向后向掃描的基礎上,還保證了漸進掃描合成孔徑雷達(TOPSAR)試驗模式方位向波束前向掃描的需求;⑥孔徑靈活可配置,具有全孔徑、半孔徑及部分孔徑等不同配置模式,為動目標檢測試驗模式的實施提供了可能[4]。

對衛星成像模式的可擴展性進行了專門的設計,有力地保證了GF-3衛星在軌成功實施多項新試驗模式驗證,如凝視聚束模式成像、TOPSAR模式成像、動目標檢測和干涉測高等。

1)凝視聚束模式

凝視聚束模式作為SAR的一種重要高分辨率成像模式,通過雷達波束轉動,使要成像的區域始終處于雷達波束的照射之下,從而延長了合成孔徑時間,能得到超高的方位分辨率。GF-3衛星常規工作模式中不包含凝視聚束模式,因此在軌測試中,通過優化系統成像參數,完成了凝視聚束成像模式試驗,實現了方位向分辨率由1.0 m到優于0.5 m的提升。圖3給出了凝視聚束模式下,對寧和城際鐵路橋和南京長江第三大橋的成像結果。凝視聚束模式圖像中橋體結構清晰,細節可辨,證明了凝視聚束模式提升方位分辨率的能力。

2)TOPSAR模式

TOPSAR模式通過天線波束方位向反向掃描,實現短時間大場景覆蓋,然后將波束切換到其他子測繪帶進行成像。TOPSAR模式可以實現與掃描模式相同的測繪帶寬度,且規避了掃描模式的方位向非均勻現象,可得到方位向輻射強度更均勻的圖像,有利于后續SAR圖像的定量化應用[5]。GF-3衛星常規工作模式中不包含TOPSAR模式,因此在軌測試中開展了TOPSAR模式成像驗證試驗,實現TOPSAR模式方位向4跳拼接成像,成像結果如圖4(a)所示。該圖像未經輻射校正,圖中無明顯拼接痕跡和亮暗起伏。作為對比,圖4(b)給出了傳統掃描模式圖像,圖中明顯可見方位向亮暗起伏條紋。試驗結果表明:TOPSAR模式從成像機理上解決了掃描模式的扇貝效應,具備更高的應用效能和潛力。本次試驗驗證了GF-3衛星具備實現TOPSAR模式所需的波束掃描能力,同時證明了其TOPSAR模式能獲得比掃描模式輻射特性更均勻的圖像產品。鑒于此,GF-3衛星的后續SAR衛星將全部掃描模式更改為TOPSAR模式,以提高圖像輻射均勻性。

SAR動目標檢測模式不僅能對觀測區域進行二維高分辨率成像,還能準確檢測場景中的運動目標,并對目標的運動參數進行高精度估計[6]。GF-3衛星常規工作模式中不包含動目標檢測模式,但方位向具有2個獨立接收通道,能形成同一場景的相鄰2幅圖像,這就具備實現動目標檢測的基本條件。GF-3衛星在軌開展了動目標檢測試驗,采取“一發兩收”的工作方式,獲得了雙通道數據,進行了動目標檢測能力的驗證。動目標試驗的檢測區域為山西及河北境內的大同-秦皇島鐵路線,檢測結果如圖5所示。通過提取目標的相位信息,估計出火車的位置和徑向速度,結果與先驗信息相符,證明GF-3衛星具備動目標檢測和一定的運動參數估計能力。

4)干涉測高模式

干涉合成孔徑雷達(InSAR)是一種通過SAR干涉相位信息獲取地表三維模型和地面沉降信息的差分技術[7],可以大范圍、高密度地提取地表形變信息,既能快速響應地震、火山等地質災害,又能廣泛應用于地殼運動、冰川、滑坡、城市/礦區地面沉降和人工建筑物的穩定性等長期監測。利用GF-3衛星凍結軌道的回歸特性,在不同時刻、同一位置獲取同一地區的2幅SAR影像,進行差分處理,去除地形起伏和其他因素的影響后,可得到地表形變信息。GF-3衛星的試驗測量區域為河北省黃驊和上海,測量結果見圖6,圖中檢測到厘米級的地表形變,檢測精度達到亞厘米級。鑒于本次試驗的成功,GF-3衛星的后續SAR衛星也將圍繞提高干涉測高精度開展設計工作。

4 結束語

GF-3衛星的總體設計驗證工作,以滿足定量化應用為核心,圍繞SAR載荷,尤其是SAR天線對衛星能源、構型、熱控方面的需求,在不同階段、針對不同的驗證目標,開展了大量的仿真分析及試驗驗證工作。尤其在研制過程中,借助SAR天線及電子設備開展的地面ISAR“國際空間站”成像試驗、采用吸波熱沉進行的SAR天線與整星聯合熱試驗,對我國SAR衛星的研制工作極具參考意義。

在總體設計過程中,考慮了成像模式的可擴展性,GF-3衛星在軌完成了多種試驗模式的驗證工作,擴展了衛星應用范圍,驗證了多項星載SAR新技術的可行性,也為后續SAR衛星研制奠定了技術基礎。

GF-3衛星已經在軌運行一年多,仍然有很大的潛力有待開發和挖掘,其后續SAR衛星也已經立項開展研制,并將與GF-3衛星組網運行,為我國多極化SAR數據業務化應用提供支撐。

References)

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[3]楊汝良.高分辨率微波成像[M].北京:國防工業出版社,2013 Yang Ruliang.High resolution microwave imaging[M].Beijing:National Defense Industry Press,2013(in Chinese)

[4]楊汝良.極化微波成像[M].北京:國防工業出版社,2016 Yang Ruliang.Polarimetric microwave imaging[M].Beijing:National Defense Industry Press,2016(in Chinese)

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[6]Ghristoph H Gierull,Ishuwa Sikaneta,Delphine Cerutti-Maori.Two-step detector for Radarsat-2’s experimental GMTI mode[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2012,55(1):436-454

[7]Rosen P A,Hensley S,Joughin I R.Synthetic aperture radar interferometry[J].Proceedings of the IEEE,2000,88(3):333-382

System Design Verification of GF-3 Satellite

ZHANG Qingjun LIU Jie LI Yan QI Yalin ZHAO Liangbo
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

GF-3 satellite is the only microwave imaging satellite of the NHREOS(national high resolution earth observation system),as well as the first C-band multipolarity SAR(synthetic aperture radar)satellite with 1 m spatial revolution in China.The satellite has the requirement of high quantitative application index,as well as some technical characteristics and difficulties such as large mass and size of radar antenna,high requirement of thermal control,high power and complex structure at the same time.So in the paper,the system design characteristics and design verification methods are introduced such as high image quantification and high scalability.The high image quality and quantification application are achieved by using system modeling,simulation analysis,ground test and on-orbit test,which makes the satellite have on-orbit expansion ability.The verification methods adopted in design and development process of GF-3 satellite can be used to system design of other SAR satellites.

GF-3 satellite;SAR;system design;verification method

V474.2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.001

2017-09-21;

2017-09-27

國家重大科技專項工程

張慶君,男,博士,研究員,博士生導師,衛星總設計師兼總指揮,航天遙感領域總師,入選“新世紀百千萬人才工程”和國家“萬人計劃”科技創新領軍人才。先后獲得國家科技進步特等獎、國家發明一等獎、國防科技進步一等獎等多項獎勵。研究方向為航天器系統與總體技術、航天遙感應用。Email:ztzhangqj@163.com。

(編輯:夏光)