意大利下一代雷達成像衛星發展概述

馬楠 徐冰 （ 中國空間技術研究院， 北京空間科技信息研究所）

2019年12月18日，意大利下一代雷達成像衛星星座—“第二代地中海盆地觀測小衛星星座”（CSG）的首發星（CSG－1），利用“聯盟-弗雷蓋特”（Soyuz-Fregat）運載火箭成功發射，將接替第一代“地中海盆地觀測小衛星星座”（Cosmo-SkyMed），為意大利軍民用戶提供連續、高質量的圖像數據情報服務。

1 任務背景

1996年，意大利政府啟動國家對地觀測計劃，并于1997年出臺了“1998－2002年國家航天計劃”，意大利航天局（ASI）的Cosmo-SkyMed星座項目列入其中，并作為該計劃的重點項目。2001年，意大利國防部加入Cosmo-SkyMed項目，使該系統具有明顯的軍事背景。

Cosmo-SkyMed星座

Cosmo-SkyMed是由意大利航天局和意大利國防部聯合投資發展的軍民兩用雷達成像四星星座，能夠實現全天時、全天候的高分辨率成像偵察，為意大利政府和軍方提供軍、民用的雷達圖像數據。

泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）作為Cosmo-SkyMed系統的主承包商，負責建造衛星平臺和雷達載荷。4顆Cosmo-SkyMed衛星已于2007－2010年間發射部署，目前均超期服役。Cosmo-SkyMed衛星發射質量1700kg，設計壽命5年，運行在高度619.6km、傾角97.86°的晨昏太陽同步軌道(SSO)。4顆衛星部署在同一軌道面，標稱情況下各衛星等間距分布，平均重訪時間可以達到半天。衛星采用TAS公司的“多用途可重構意大利衛星平臺”（PRIMA），載有合成孔徑雷達－2000（SAR－2000），工作在X頻段，具有聚束、條帶和掃描3種成像模式，最高分辨率優于1m。該星座的最高日采集能力為在條帶或掃描模式下連續工作10min，或是在聚束模式下采集20幅圖像。

Cosmo-SkyMed衛星外形圖

CSG星座

CSG衛星項目由意大利國防部投資，由意大利航天局給定任務需求，仍然作為軍民兩用系統接替現役Cosmo-SkyMed系統。由于沒有充足的資金研制四星星座，因此意大利政府同意先研發兩顆衛星，將加入歐洲“多國天基成像系統”（MUSIS），CSG－2衛星計劃于2020年底發射。

2015年9月，TAS公司與意大利政府簽訂合同，為其研制首顆CSG衛星，并為第二顆衛星購買所需的組件，合同價值1.82億歐元（約2億美元）。

2 任務研制歷程

早在2011年，意大利航天局就授予TAS公司CSG項目的階段B合同，希望2016年發射首顆衛星，但因為預算撥款不足問題導致進度一再延遲，直到2015年意大利政府明確表態，該項目才得以繼續推進。

2013－2016年為詳細設計階段，2017年11月完成了任務關鍵設計評審。2016－2018年為系統研制階段，原計劃2018年發射首顆衛星，經過幾個月的試運行，于2019年正式投入服務。原計劃2019年發射第二顆衛星，并于2020年正式投入服務。

3 任務基本情況

任務目標

CSG星座的總體目標是接替上一代Cosmo-SkyMed星座，提升成像服務質量，獲取更多、更高分辨率、更大幅寬的圖像數據，更好地服務于意大利政府和軍方用戶。

星座設計

與Cosmo-SkyMed系統的四星星座設計不同，CSG系統由2顆編隊飛行的衛星組成，在軌期間將與法國“昴宿星”光學成像偵察衛星協同工作。

CSG衛星發射質量約2230kg，設計壽命7年，可實現24h自主運行，運行在高度619.6km、傾角97.86°的晨昏太陽同步圓軌道，軌道周期97.1min，升交點地方時為6：00，兩顆衛星將運行于同一軌道面。CSG衛星采用三軸穩定控制方式，利用控制力矩陀螺實現左、右視敏捷成像，左、右視成像機動只需不到4min（含穩定時間）。

CSG雙星星座可在10天內完成一次全球覆蓋，相比之下，Cosmo-SkyMed星座則需要14天。但由于衛星數量的減少，CSG系統在緊急狀態下對于任意目標的響應時間增加至36h（最長時間），而第一代系統僅需要12h。

兩代衛星星座性能對比

衛星平臺

CSG衛星采用PRIMA改進型平臺，包括電源分系統、有效載荷數管與傳輸分系統、電子設備分系統等。電源分系統與第一代衛星相比增加了40%的功率，用于保證所需的成像性能。有效載荷數管與傳輸分系統由數據存儲與管理組件、X頻段加密單元、X頻段傳輸組件組成。電子設備分系統采用控制力矩陀螺作為驅動器，提高衛星的姿態敏捷能力。星上存儲容量1530Gbit（壽命末期）。數據傳輸采用X頻段，數據傳輸速率2×260Mbit/s。測控鏈路采用S頻段，上行數據率8kbit/s，下行數據率最高2048kbit/s。

意大利航天局推動了一項“小型飛行任務”計劃，旨在與意大利工業界合作，用于研制低成本公用平臺。PRIMA是在該計劃下由TAS公司研制的適用于對地觀測、科學、通信、導航多種用途的衛星平臺。該平臺最早用于Cosmo-Skymed星座，首顆衛星發射于2007年6月。該平臺已入選美國國家航空航天局（NASA）快速航天器研制辦公室（RSDO）第三批平臺目錄，與2006年歐洲航天局（ESA）《用于未來科學任務的公用平臺》報告給出的PRIMA平臺指標相比，入選NASA第三批平臺目錄的PRIMA改進型平臺指標更先進。

PRIMA平臺在結構上由3個主要艙組成，3個艙在功能上獨立，可并行進行集成測試，最后再進行整星集成。這3個艙為服務艙（包括平臺組件）、推進艙（包括所有推進組件）和有效載荷艙（包括有效載荷及相關組件）。PRIMA平臺采用三軸穩定方式，結構為四棱柱體，上部為服務艙，下部為有效載荷艙。在平臺兩側安裝有太陽電池翼。平臺結構采用碳纖維復合材料，面板采用鋁合金制成。為保證指向精度和穩定度，雷達天線、星跟蹤器、陀螺等部件直接安裝在碳纖維結構上。熱控系統以被動熱控為主，主動熱控為輔，采用恒定傳導率熱管、電加熱器、熱電阻和恒溫器等。

PRIMA平臺與PRIMA改進型平臺性能對比

有效載荷

CSG衛星載有X頻段合成孔徑雷達載荷，稱為CSG-SAR，由合成孔徑雷達電子分系統（SES）和合成孔徑雷達天線分系統（SAS）兩部分組成。合成孔徑雷達電子分系統包括數字電子設備和射頻設備。數字電子設備負責儀器控制、信號生成、回波信號采集等。射頻設備負責上轉換和放大、放大和下轉換、生成參考信號等。SAS基于TAS公司研制的COSMO-SkyMed衛星的合成孔徑雷達和韓國多用途衛星－5（KOMPSAT－5）的合成孔徑雷達的經驗而開發，同時結合對帶寬、輻射功率、雙極化、降低成本等需求進行了技術改進。采用大型可展開平面主動相控陣雷達天線，天線展開后尺寸為7.5m2，由2560個收發模塊組成，通過電子方式控制波束的形狀和方向。CSG-SAR采集數據率高達2×1.2Gbit/s，采用分塊自適應量化（BAQ）算法進行數據壓縮，數據量化10bit。

CSG-SAR的目標是提高成像質量的同時，保證觀測的靈活性。CSG-SAR具有不同分辨率、不同幅寬的成像能力，大體上可實現聚束、掃描、條帶三類成像模式，包括專用于情報和國防應用的甚高分辨率、窄幅寬的聚束模式，以及應用于民用領域的高分辨率、窄幅的聚束模式，中分辨率（3m×3m）、寬幅的條帶模式和低分辨率（大于4m）、寬幅的掃描SAR模式等。

具體來說，CSG-SAR有標準成像模式和非標準（試驗）成像模式。標準成像模式又可細分為10種，具體為5種聚束模式（聚束－1A、1B、2A、2B、2C）、 條 帶模式、交叉極化模式、條帶全極化模式和兩種掃描SAR模式（掃描SAR－1和2）。

除了標準成像模式外，CSG-SAR還增加了多種非標準（試驗）成像模式，包括離散階梯帶（DI2S）聚束－1（分辨率最優）、DI2S聚束－2（幅寬最優）、分散的“場景采集”聚束和相鄰的“場景采集”聚束模式等。

DI2S模式下可同時獲取多幅圖像，增加對給定區域內的圖像獲取數量。DI2S模式可獲取相同方位向位置、不同入射角，不同方位向位置、不同入射角，以及不同方位向位置、相同入射角的多種圖像對。

傾斜的“場景采集”模式可用于滿足針對特定區域的多種成像請求，這些請求由于存在時間沖突而無法通過其他方式予以滿足。CSG系統通過非常高的衛星敏捷能力實現了該功能，可以獲取相鄰的多幅圖像或分散的多幅圖像。

4 任務特點

采用載荷設計創新，為提升成像服務能力奠定硬件基礎

CSG-SAR的特點在于SAR傳感器設計，以及SAR天線和SAR電子器件的體系創新等方面。CSG-SAR天線采用模塊化設計，由10個相同的“大瓦片”構成，每個“大瓦片”都能夠以非常大的脈沖寬度管理信號，還能同時接收來自兩個獨立通道的水平極化和垂直極化信號，CSG-SAR的收發模塊數量是Cosmo-Skymed星上雷達的兩倍。該收發模塊以十分成熟的射頻單片微波集成電路（RF MMIC）微電子元件為基礎，可提供遠超當今水平的超高射頻輸出功率和效率。數字拼接控制單元（TCU）、波束形成網絡（BFN）、真實延遲線路（TDL）等都是確保在整個工作頻段內波束對準的必備器件。專門設計拼接供電單元（TPSU）用于提高40%的供給功率。SAR電子器件的創新體現在數字電子設備的發射部分和接收部分以及射頻設備等方面。

CSG-SAR標準成像模式

增加多種新成像模式，全方位滿足用戶多樣化成像需求

根據第一代Cosmo-Skymed系統的開發與運行經驗，國防用戶、民用管理機構、民用科研部門、商業用戶等不同領域的用戶具有不同的需求。因此考慮到這些需求的變化，在設計CSG系統時進行了改進。

1）增加了甚高分辨率模式。CSG系統不僅繼承了上一代系統的成像模式，并且提高了成像性能，同時還引入了一些新的成像模式，增強了數據獲取的多樣性，可提供更多種不同分辨率、不同幅寬的數據產品，比如更高分辨率、更大幅寬的圖像。據公開信息，CSG系統的最高分辨率已達到0.35m（聚束－2A模式），純軍用的聚束－1A和1B模式的成像分辨率應該更高。與第一代衛星相比，CSG系統對聚束模式進行了改進，結合用戶的多樣化需求提供了三種不同的成像方案。聚束－2A模式將提供最優的分辨率性能，聚束－2B模式將提供最優的幅寬性能，聚束－2C模式將增加圖像采集的數量。為了保持與上一代系統的連續性，CSG-SAR具 有2個掃描SAR模式，掃描SAR－1幅寬為100km，單或雙極化，掃描SAR－2幅寬為200km，單或雙極化。

2）具有更高密度的圖像采集能力。與Cosmo-Skymed相比，CSG系統能夠實現對同一感興趣區域更多次成像。CSG衛星采用控制力矩陀螺提高了衛星敏捷性，因此增加了“場景采集”新的試驗模式，通過平臺快速精準機動實現雷達指向和精準成像。另外，采用了DI2S新的試驗模式，可實現同時對兩個目標進行成像。通過以上改進，CSG系統可以克服無法在單次過頂時對同一個感興趣區域的兩個相鄰目標進行成像的問題。

3）具有同等分辨率更大幅寬的聚束成像能力。利用上述的“場景采集”模式，保證同等分辨率的同時，擴大成像幅寬。

4）具有多極化方式。與第一代衛星的單極化、雙極化模式相比，CSG系統具有單極化、雙極化、交叉極化、全極化等多種極化方式。