一種基于時間調制的彈性化SAR衛星系統

曹岸杰，王 輝，劉慶波，成 飛

(1. 上海衛星工程研究所，上海 201109； 2. 上海無線電設備研究所，上海 201109)

0 引言

近年來，星載高分辨率遙感技術得到了迅速發展。高分辨率遙感衛星的遙感數據在對大型自然災害的災害響應、災情實時監測、災后重建等方面發揮了重要作用[1]。目前，基于光學圖像的地震災害災后評估技術已發展得較為成熟，許多研究人員在該領域開展了大量的研究工作。但自然災害往往伴隨著惡劣天氣，如2008年5月12日汶川地震后，由于重災地區位于西藏高原東部邊緣，降水量與降水頻率極高；2014年威馬遜臺風登陸?？跁r，天空云層覆蓋密集。多變的天氣、光照強度有時會影響衛星光學有效載荷的觀測效果，降低觀測精度、觀測頻率，無法及時、準確地獲取受災地區情況。

SAR衛星可提供全天時、全天候、高分辨率的圖像遙感數據，在第一時間獲得災區受災情況的分布情況，并能提供實時、準確的監測信息，對應急救援、災害評估的意義重大。然而，SAR衛星載荷功耗巨大、幅寬有限一定程度上限制了衛星廣域成像或多目標詳細觀測的能力。同時，SAR衛星龐大的微波組件規模與基線尺寸也限制了衛星在軌數量。

隨著雙基/多基SAR衛星系統的提出[2]，SAR衛星突破了外形包絡、發射質量帶來的制約，具有更靈活的觀測基線設計和更多樣化的工作模式。隨著毫米波射頻器件日益成熟與星載調頻連續波SAR載荷技術飛速發展，SAR衛星具備了小型化、多模式的發展潛質。德國宇航中心(DLR)在TerraSAR-X衛星成功發射后，開展了Tandem-X衛星的研制與發射工作；荷蘭開展了基于X波段FMCW SAR衛星PanelSAR的研制工作；法國提出了Cartwheel衛星星座。然而，現有的雙基/多基SAR衛星均采用相同設計，因此規模與成本也相應增加。雙基/多基SAR衛星采用獨立的本振調制與解調，需通過星間同步鏈路保障SAR載荷的性能，增加了衛星復雜度，同時降低了系統的可擴展性。

為了解決上述問題，本文提出了一種彈性化小衛星星座系統。基于調頻連續波技術、時間調制陣列技術、自主任務規劃技術，提供了一種小型化、模塊化、低成本的多基觀測系統方案，為后續多基衛星觀測系統的發展提供了彈性化的解決思路。

1 系統概述

彈性化衛星系統的結構如圖1、2所示，該系統由發射星和接收星2類衛星組成。發射星配置了Ka FMCW SAR發射載荷，接收星配置了Ka FMCW SAR接收載荷。該系統既可雙星組網觀測，也可依據觀測幅寬、應用需求進行彈性化組網觀測。衛星均配置了全球掩星探測儀(GNSS)，用于高精度校時，提供全球掩星觀測數據；衛星還配置了基于時間調制天線的電磁信號遙感載荷，用于廣域搜救、引導SAR自主成像等。其中，發射星配置了用于SAR成像背景輻射校正的多通道微波輻射計(MWS)。

圖1 發射星結構Fig.1 Structure of proposed transmitter satellite

圖2 接收星結構Fig.2 Structure of proposed receiver satellite

該系統的一大優勢是能以較低的接收星研制成本實現高精度雙基/多基觀測。Ka FMCW SAR的引入不僅使衛星具備了準光學的觀測能力，而且大幅降低了在軌實時處理的復雜度。由于該系統可以在不同的星座構型下彈性化運行，具有單發射單接收(SISO)、單發射多接收(SIMO)、多發射多接收(MIMO)等不同模式，可以滿足可變幅寬成像、洋流測速甚至層析觀測的要求，因此需要通過自主任務規劃系統以滿足實時和準確的監測要求。隨著臨近災區或接收到求救信號的定位，星載任務規劃算法通常在一定時間(約5 s)內積累目標信息，形成特征集，然后衛星選擇相應的模式進行最優觀測，基于統一觀測基準調度衛星完成姿態機動并完成高分辨率成像。由于災區建筑物和地理特征會因為災情受到破壞，影響回波信號強度和背景的亮溫信息。衛星通過周期性調用檢測算法，對圖像與遙感數據中紋理的差異進行識別，從而規劃10 s后的觀測工作。

圖3 基于地標的任務機動Fig.3 Attitude maneuver based on unified benchmark

圖4 自主任務規劃Fig.4 Autonomous task planning

系統另一個優勢是基于星簇特點，簡化了星間同步方案。現有方案的主要方法有：基于星間同步鏈路傳遞連續高穩頻率源信號的相位同步、基于雙向脈沖交換的相位同步、高穩頻率源結合地面控制點的方法、基于直達波傳遞的相位同步、交替雙站模式相位同步等。但上述方法需通過復雜的星間/星地通信鏈路來實現。通過將接收星簡化為“空間路由器”結構，直接將接收系統收到的雷達回波信號轉發至發射星，避免了星間相位同步帶來的額外資源開銷。接收星僅作為空間路由器，實時轉發回波信號。通過簡化星載數據存儲、數傳等分系統結構，由于Ka FMCW體制在低峰值發射功率方面具有優勢，簡化后接收星的質量僅為同指標下傳統衛星方案的1/3，能在保障系統性能的同時，大幅減輕發射質量，降低研制成本，使系統更靈活。

圖5 可擴展星座結構Fig.5 Expandable satellite constellation architecture

2 同步鏈路簡化

為了進一步簡化衛星結構，系統借鑒了類似“空間路由器”的概念，省去了目前收發分置式星載SAR系統中采用的星間雙向相位同步鏈路。為了不影響系統性能，雷達信號在接收-轉發路徑中的相位變化量必須保證恒定可控。為了保證發射星接收到來自多個接收星的回波且互不干擾，接收星需通過多載波頻率調制回波數據。然而，無雙向同步鏈路的傳統混頻器調制手段將引入額外的相位誤差。通過引入時間調制陣列系統[3]，在射頻端對回波進行調制，由于時間調制的本質是陣列信號的時間維度解耦[4]，因此可以避免額外的相位誤差[5]。在此基礎上，時間調制陣列還提供了一種空分復用的小型化解決方案。接收星和發射星載荷的原理框圖如圖6、圖7所示。

圖6 發射星載荷原理框圖Fig.6 Schematic diagram of transmitters

圖7 接收星載荷原理框圖Fig.7 Schematic diagram of receivers

時間調制陣列系統通過控制轉發天線陣列中射頻的開關狀態[6]，改變每個天線單元的工作狀態，并通過天線陣列系統對信號進行調制。該方式下的天線只具有通、斷2種狀態，不會引入相位誤差，系統將諧波的功率聚焦到發射星接收天線方向，并按照預先頻分復用的約定，完成載波頻率偏移[7]。發射星同樣采用時間調制陣列完成多回波頻分空分轉發信號的接收，利用多個諧波指向完成不同空間指向與頻率偏移[8]。衛星系統觀測模式如圖8所示。

圖8 觀測模式示意圖Fig.8 Schematic diagram of observation mode

射頻開關的通、斷會產生各次諧波，通常情況下這些諧波被視為能量損失，而在高速射頻開關對每個天線單元工作狀態周期性的改變下，各次諧波能量在空間上耦合，天線單元的幅相改變等效于低旁瓣的離散泰勒分布[9-13]。

為了驗證自適應時間調制天線陣系統的性能，假設了應用場景，開展了仿真工作。τi,on，τi,off表示第i個開關的導通和關閉時間，用于改變各次諧波的波束指向，其表達式為

(1)

式中：fc為載波頻率；Ti為控制序列的時間周期，決定了遷移頻率fp。

當信號從與法線夾角θ°處射入時，第i個天線陣收到的信號表示為

si(t)=e-j(n-1)Kdsin θejωct

(2)

描述波束方向圖可表示為

(3)

以一個16元天線陣列的轉發系統為例，由圖10中的控制序列進行調制，天線波束的方向結果如圖11所示。天線陣列同時產生正1次諧波指向10°方向，產生負3次諧波指向-30°方向，2個波束的頻率差為4/Tp，同時滿足了空分復用與頻分復用的需求。

圖10 控制時序Fig.10 Control sequence

圖11 波束方向圖Fig.11 Beam pointing pattern

在發射星端，針對多顆接收星的轉發需求，采用16單元兩維時間調制陣列天線，形成空間波束指向間隔20°的5個獨立波束。在保障主星和各接收星同時具有獨立鏈路的情況下，完成回波的載頻回遷，用于數據處理。

圖12 發射天線波束方向圖Fig.12 Pointing pattern of transmitter

3 發展展望

基于時間調制陣列的結構特性，可將接收星進一步簡化為圖13中的“透視路由”，即將接收天線使用的時間調制陣列替代相控陣列天線，對地面天線通過高速時序調制，形成高增益、低旁瓣的對地掃描波束，在收到回波的同時，完成載頻遷移，由對天面天線輻射在空間耦合形成波束。初步設計結果表明，同增益下的透視天線系統的質量是原有“相控陣+時間調制陣列”系統的1/5。采取上述的“透視路由”使衛星系統具備了彈性化高分辨率寬幅SAR成像能力，也使全球數字高程模型(DEM)的探測精度有望進一步提升。未來，系統低成本會帶來多樣化的基線設計，使星座系統可適應洋流監測、冰蓋厚度測量、植被特性監測等一系列探測應用需求。

圖13 透視天線Fig.13 Perspective antenna

4 結束語

針對星載雙基/多基SAR衛星觀測小型化、多模式的需求，本文采用Ka FMCW SAR技術和時間調制陣列技術，基于彈性化衛星星座系統結構，提出了一種基于時間調制的彈性化SAR衛星系統。與傳統的大型雙基/多基SAR衛星相比，該系統有效簡化了衛星系統設計，省去了接收星數傳、存儲等星上分系統，避免了星間同步鏈路產生。同時可根據不同觀測任務的需要，提供了一種頻分、空分的“空間路由”架構，增強了系統的可擴展性、靈活性。后續還將針對時間調制陣列，開展基于“透視路由”的天線小型化設計。