微納InSAR衛(wèi)星總體技術(shù)研究

郭 鑫，施思寒，付偉達(dá)，姚雨迎，曾 凡

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

0 引言

星載合成孔徑雷達(dá)干涉(Synthetic Aperture Radar Interferometry, InSAR)是以衛(wèi)星為遙感平臺，利用兩個或多個SAR天線以微小視角差異對同一目標(biāo)進(jìn)行觀測，得到兩幅或多幅SAR復(fù)圖像，利用相位信息作干涉處理，用于數(shù)字高程模型建立、地殼形變測量、洋流監(jiān)測和運動目標(biāo)監(jiān)測，是未來星載SAR發(fā)展和應(yīng)用的重要方向。

2010年，德國航空航天中心發(fā)射TanDEM-X衛(wèi)星，與2007年發(fā)射的TerraSAR-X衛(wèi)星構(gòu)成全球首個雙星編隊SAR系統(tǒng)，在3.5年時間內(nèi)獲得了高精度全球DEM。未來，德國航空航天中心還將發(fā)射TanDEM-L雙基L波段干涉SAR衛(wèi)星、HRWS多基SAR衛(wèi)星，實現(xiàn)更高精度的高程測量和立體測量。上述在軌或即將發(fā)射的星載InSAR衛(wèi)星均為單星質(zhì)量超過1 000 kg的傳統(tǒng)大衛(wèi)星，成本高、研制周期長、難部署，制約了星載InSAR的應(yīng)用效能。

微納衛(wèi)星是指質(zhì)量在百千克量級的高集成度衛(wèi)星，其質(zhì)量和體積小、功能密度高、開發(fā)周期短、能以更低成本完成更多復(fù)雜空間任務(wù)，在科研、國防、民用商業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。近5年，國內(nèi)外已先后發(fā)射了ICEYE、Capella、Micro-X-SAR、海絲一號、齊魯一號等幾十千克至數(shù)百千克的微納SAR衛(wèi)星。伴隨著微納衛(wèi)星技術(shù)的迅猛發(fā)展，微納InSAR衛(wèi)星應(yīng)運而生。但是微納衛(wèi)星質(zhì)量、體積和資源限制，對微納InSAR衛(wèi)星總體設(shè)計提出了巨大的挑戰(zhàn)。

本文開展了微納InSAR衛(wèi)星系統(tǒng)總體技術(shù)研究，第1章給出了InSAR測量約束下使得可測量覆蓋范圍最大的雙星編隊構(gòu)型設(shè)計方法，在此基礎(chǔ)上建立了低燃料消耗編隊構(gòu)型設(shè)計準(zhǔn)則。第2章提出了“孿生式”高功能密度比的InSAR系統(tǒng)，闡述了載荷平臺一體化和高集成化設(shè)計、衛(wèi)星高集成模塊化設(shè)計等技術(shù)。第3章根據(jù)前述總體設(shè)計方法，給出了InSAR衛(wèi)星編隊構(gòu)型的軌道設(shè)計結(jié)果，并在此軌道下給出了InSAR衛(wèi)星系統(tǒng)總體指標(biāo)。第4章總結(jié)了本文設(shè)計結(jié)果和創(chuàng)新點。

1 低燃料消耗的編隊構(gòu)型設(shè)計

InSAR衛(wèi)星編隊構(gòu)型設(shè)計就是尋求滿足干涉約束條件的衛(wèi)星相對運動關(guān)系，將其轉(zhuǎn)換為絕對軌道參數(shù)并維持穩(wěn)定。建立相對運動關(guān)系是為了獲取有效穩(wěn)定的干涉基線，保證干涉測量的精度和效能；絕對軌道維持是消除軌道攝動所帶來的影響，保證衛(wèi)星性能指標(biāo)穩(wěn)定。因此編隊衛(wèi)星需要配備推進(jìn)裝置并攜帶足夠燃料，實現(xiàn)InSAR衛(wèi)星的編隊構(gòu)型。受微納衛(wèi)星質(zhì)量約束，無法攜帶大量燃料，限制了干涉測量效能。

為此，本文提出了低燃料消耗的InSAR衛(wèi)星編隊構(gòu)型設(shè)計方法，主要考慮以下兩個方面：1)基于干涉測量約束條件，選取有效的干涉基線，進(jìn)行編隊構(gòu)型設(shè)計，使得一個軌道周期內(nèi)可用測量的全球覆蓋范圍最大，在保證測繪效能的前提下降低軌道控制次數(shù)；2)根據(jù)編隊衛(wèi)星相對運動關(guān)系和軌道控制方法，建立低燃料消耗軌道參數(shù)設(shè)計準(zhǔn)則，獲得絕對軌道參數(shù)。

1.1 干涉測量約束

編隊衛(wèi)星在運行過程中不斷運動，兩者之間形成一定的干涉基線，可在編隊飛行坐標(biāo)系進(jìn)行描述。編隊飛行坐標(biāo)系的定義為：原點為參考衛(wèi)星的中心，軸為地心至參考衛(wèi)星的矢量方向，軸為參考衛(wèi)星的飛行方向，軸與軸和軸形成右手坐標(biāo)系。選擇主星為參考衛(wèi)星，繞飛星為輔星。根據(jù)測量需求，干涉基線可沿航跡和切航跡兩個方向分解為水平基線和垂直基線。如圖1所示，在編隊飛行坐標(biāo)系中，為主星的質(zhì)心，為輔星，2_和2_分別為輔星在平面和平面的投影，為雷達(dá)下視角，為主星在雷達(dá)視線方向的投影，為2_在軸上投影，則2_為垂直基線，為水平基線，為有效垂直基線，為基線傾角。

圖1 干涉基線示意圖Fig.1 Schematic diagram of interference baseline

設(shè)輔星在編隊飛行坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(,,)，則垂直基線為，水平基線為，有效垂直基線為可表示為

(1)

根據(jù)干涉測量原理，水平基線可用來測量運動目標(biāo)的速度，其長度需要滿足速度測量精度的要求，如式(2)第一項。有效垂直基線取決于極限基線長度，當(dāng)有效垂直基線長度超過極限基線時，兩幅SAR衛(wèi)星天線收到的信號不再相關(guān)，無法進(jìn)行干涉，如式(2)的第二項。基于上述原則，綜合考慮衛(wèi)星安全性等要求，InSAR衛(wèi)星編隊構(gòu)型的約束條件可表示為

(2)

式中，為方位向多視數(shù)，為測速精度，為圖像相關(guān)系數(shù)，為雷達(dá)波長，為目標(biāo)斜距，為衛(wèi)星速度，為信號發(fā)射帶寬，為入射角，為光速，為地形坡度，為極限基線長度，為衛(wèi)星安全距離。

1.2 可測量范圍最大的編隊構(gòu)型設(shè)計

根據(jù)軌道動力學(xué)的相關(guān)推導(dǎo)，在編隊飛行坐標(biāo)系中，輔星相對主星的相對運動方程為

(3)

式中，=，=sin，=-，=-，為主星半長軸，為主星軌道傾角，為主星偏心率，為輔星偏心率，為主星升交點赤經(jīng)，為輔星升交點赤經(jīng)。

如式(3)所示，由參數(shù)(,,)即可確定編隊構(gòu)型。根據(jù)干涉約束條件，干涉測量覆蓋范圍最大的編隊構(gòu)型設(shè)計流程如下：

第一步，由式(2)第一項，根據(jù)方位向測速精度，計算得到水平基線的范圍。同時，由式(3)的第二式可以看出，水平方向構(gòu)型的最大包絡(luò)為2，結(jié)合水平基線范圍，可計算得到參數(shù)。

第二步，考慮安全因素，選擇合適的取值。令衛(wèi)星初始位置為升交點赤經(jīng)，表征平面內(nèi)的初始相位角。當(dāng)主星位于原點、輔星繞主星飛行時，其軌跡為長半軸為2、短半軸為的橢圓。為了減小主輔星星箭分離時碰撞的可能性，取值范圍為0°或者180°附近。

第三步，由式(2)第二項計算得到極限基線長度，取極限基線的0.2～0.5倍作為最優(yōu)有效垂直基線，設(shè)定參數(shù)和的初始值和取值范圍，計算每個軌道周期可測量的全球緯度幅角范圍，不斷迭代得到使得干涉測量覆蓋范圍最大的最優(yōu)值。

1.3 低燃料消耗的雙星軌道參數(shù)設(shè)計

為了獲取更多太陽光照和更低能源消耗，SAR衛(wèi)星多運行在近地太陽同步軌道。而近地衛(wèi)星受到地球形狀和大氣阻力等攝動的影響，衛(wèi)星軌道位置將發(fā)生變化，無法形成穩(wěn)定的編隊構(gòu)型。由軌道攝動原理可知：1)地球形狀攝動帶來的升交點位置變化和近地點漂移取決于偏心率、半長軸和傾角，因此當(dāng)編隊衛(wèi)星采用偏心率近似為0、等半長軸、等傾角的軌道構(gòu)型時，各衛(wèi)星的升交點和近地點位置漂移速度相同，可避免編隊任務(wù)中對升交點和近地點的控制，減少燃料消耗；2)大氣阻力攝動帶來的半長軸衰減取決于面質(zhì)比和大氣密度，因此當(dāng)編隊衛(wèi)星采用“孿生式”設(shè)計即相同衛(wèi)星質(zhì)量和迎風(fēng)面積以及相同軌道高度時，各衛(wèi)星的半長軸衰減速率一致，避免編隊任務(wù)中對半長軸衰減的控制，減少燃料消耗。

綜上所述，并結(jié)合式(3)，可以得到低燃料消耗的雙星軌道參數(shù)設(shè)計準(zhǔn)則如下

(4)

式中，為軌道半長軸，為偏心率，為軌道傾角，為近地點幅角，為升交點赤經(jīng)，為平近點角，=1表示主星，=2表示輔星。

2 孿生式高功能密度比InSAR衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計

高功能密度比微納衛(wèi)星典型特點是衛(wèi)星質(zhì)量小、體積小，同時載質(zhì)比更高、功能更強大、應(yīng)用更靈活。從系統(tǒng)設(shè)計角度上，微納衛(wèi)星將打破傳統(tǒng)大衛(wèi)星分系統(tǒng)、分艙的界限，降低接口復(fù)雜度，采用標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、模塊化的設(shè)計新思路，實現(xiàn)微納衛(wèi)星的高功能密度比。本節(jié)結(jié)合編隊衛(wèi)星低燃料消耗的等面質(zhì)比需求，提出了“孿生式”高功能密度比的InSAR系統(tǒng)，通過載荷平臺一體化和高集成化設(shè)計、衛(wèi)星高集成模塊化設(shè)計，實現(xiàn)高載質(zhì)比、高功能密度的微納InSAR衛(wèi)星。

2.1 載荷平臺一體化和高集成化設(shè)計

載荷平臺一體化設(shè)計是將衛(wèi)星作為一個整體，從大系統(tǒng)層面進(jìn)行統(tǒng)一的機電熱設(shè)計和資源規(guī)劃權(quán)衡。星載SAR包括SAR天線、中央電子設(shè)備和展開機構(gòu)。本節(jié)通過SAR天線與微納衛(wèi)星承載能力的權(quán)衡匹配、中央電子設(shè)備高集成化和展開機構(gòu)與平臺結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計等方面，實現(xiàn)高載質(zhì)比和SAR載荷性能最優(yōu)。

2.1.1 SAR天線與微納衛(wèi)星承載能力的權(quán)衡匹配

對星載SAR來說，天線質(zhì)量一般占到SAR載荷質(zhì)量的70%以上，天線收攏尺寸決定著整個SAR載荷的最大包絡(luò)，天線功耗決定每個軌道周期SAR載荷的工作時間和圖像性能，因此SAR天線設(shè)計是SAR衛(wèi)星總體設(shè)計中至關(guān)重要的方面。本節(jié)提出SAR天線與微納衛(wèi)星質(zhì)量、包絡(luò)和功耗約束的權(quán)衡設(shè)計方法，可為SAR載荷波位設(shè)計和衛(wèi)星總體設(shè)計提供先決條件。

在質(zhì)量約束方面，微納衛(wèi)星的質(zhì)量不超過200 kg。當(dāng)衛(wèi)星載質(zhì)比達(dá)到最高1∶1時，SAR載荷的質(zhì)量需不超過100 kg，考慮到艙內(nèi)中央電子設(shè)備和展開機構(gòu)的質(zhì)量，通常SAR天線的質(zhì)量需要小于70 kg。

在包絡(luò)約束方面，微納衛(wèi)星本體的尺寸小于1 m，發(fā)射狀態(tài)下的SAR天線以分陣形式收攏壓緊在衛(wèi)星側(cè)板上，若衛(wèi)星本體尺寸為××，則SAR方位向天線尺寸需小于+(-1)2×，距離向尺寸需小于。在功耗約束方面，考慮最惡劣情況，SAR載荷工作在陰影期，供電完全由載荷蓄電池提供。此時，需要面積足夠大的太陽翼，以保證每個軌道周期內(nèi)載荷蓄電池能夠充滿電量；同時考慮到蓄電池的壽命，每個軌道周期內(nèi)蓄電池的放電深度需要小于20%。結(jié)合星載SAR的成像原理和波位設(shè)計原理，SAR天線與微納衛(wèi)星承載能力權(quán)衡匹配的設(shè)計約束表達(dá)式如下

(5)

式中，min_為滿足系統(tǒng)靈敏度的最小天線面積，min_為滿足模糊度的最小天線面積，為天線面積，為衛(wèi)星軸向尺寸，為衛(wèi)星軸向尺寸，為衛(wèi)星軸向尺寸，為天線折疊次數(shù)，為SAR天線平均發(fā)射功率，為天線組件效率，為SAR天線工作電壓，為每個軌道周期內(nèi)SAR工作時間，為放電深度，為載荷蓄電池的容量。

2.1.2 中央電子設(shè)備的集成化設(shè)計

SAR中央電子設(shè)備的高集成模塊化設(shè)計是按照供電、模擬信號、數(shù)字信號3個界面進(jìn)行功能模塊的劃分，將傳統(tǒng)大衛(wèi)星的艙內(nèi)設(shè)備進(jìn)行集成，其系統(tǒng)組成框圖和信息流如圖2所示。將艙外天線42 V配電和艙內(nèi)設(shè)備30V配電集成為一臺雷達(dá)配電器，實現(xiàn)SAR天線和艙內(nèi)設(shè)備的開機、關(guān)機及主備切換；將基準(zhǔn)頻率源、調(diào)頻信號源、雷達(dá)接收機、內(nèi)定標(biāo)器、微波組合、驅(qū)動放大器等模擬信號設(shè)備集成為射頻綜合單元，完成基帶中頻信號的變頻放大、射頻信號收發(fā)以及提供定時采集時鐘信號；將波束控制器、監(jiān)控定時器和數(shù)據(jù)形成器集成為數(shù)字綜合單元，完成天線波束掃描和控制、雷達(dá)工作模式參數(shù)設(shè)置、回波信號采集壓縮。經(jīng)過高集成度設(shè)計，中央電子設(shè)備質(zhì)量由傳統(tǒng)大衛(wèi)星百千克量級減少至15 kg，實現(xiàn)了高功能密度比。

圖2 SAR載荷系統(tǒng)組成框圖和信息流Fig.2 System composition and information flow of synthetic aperture radar

2.1.3 展開機構(gòu)與平臺結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計

體驗式教育實踐模式，就是以師范生職業(yè)技能和職業(yè)品格培養(yǎng)為核心，以技能訓(xùn)練、教育見習(xí)、教育實踐、頂崗實習(xí)等實訓(xùn)為生長點，形成校內(nèi)和校外實訓(xùn)相結(jié)合，合作培養(yǎng)未來教師的有效機制，促進(jìn)師范生一體化的培養(yǎng)。這種模式的構(gòu)建，以學(xué)生體驗為中心，校內(nèi)實訓(xùn)和校外實習(xí)相配合，是知能一體化的開放式教育實踐模式。

展開機構(gòu)和平臺結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計體現(xiàn)在機構(gòu)和星體結(jié)構(gòu)板承力設(shè)計方面。受運載火箭整流罩包絡(luò)約束，SAR天線在發(fā)射過程中折疊、收攏、壓緊安裝在衛(wèi)星表面，入軌后展開拼接使用。由于微納衛(wèi)星載質(zhì)比較高，剛度較小，要求SAR天線收攏壓緊狀態(tài)下一階基頻不小于50 Hz。受微納衛(wèi)星質(zhì)量和天線解鎖可靠性的限制，可提供的壓緊點數(shù)量有限，使得天線安裝在衛(wèi)星本體上存在大“懸臂梁”狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致SAR天線力學(xué)環(huán)境較差、結(jié)構(gòu)基頻要求較高。為此，充分利用衛(wèi)星“筋骨”結(jié)構(gòu)，將壓緊點設(shè)置在衛(wèi)星內(nèi)結(jié)構(gòu)板處，再采用衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)“加強梁”設(shè)計，如圖3所示，通過框架和部分結(jié)構(gòu)板實現(xiàn)支撐和傳力，降低了對天線結(jié)構(gòu)剛度的要求，減小了SAR天線質(zhì)量。

圖3 天線壓緊點加強梁設(shè)計示意圖Fig.3 Design diagram of reinforcing beam at antenna pressing point

2.2 衛(wèi)星高集成模塊化設(shè)計

衛(wèi)星采用高集成模塊化設(shè)計思路，將相同類型的功能板卡集成起來，減少結(jié)構(gòu)件所占的質(zhì)量和包絡(luò)，使得衛(wèi)星集成度更高、功能更強大。本節(jié)提出一種高集成星上綜合管理模塊設(shè)計方法，集成了傳統(tǒng)衛(wèi)星絕大部分分系統(tǒng)的下位機，使處理器和FPGA資源利用更加充分，實現(xiàn)與星上能源模塊、測控天線、姿軌控器件和SAR載荷的信息流交互，從而使得衛(wèi)星的功能更加綜合、硬件高度集成和信息完全共享。

在硬件層面，以星載計算機為任務(wù)核心，利用共用機箱+標(biāo)準(zhǔn)板卡的模塊式結(jié)構(gòu)，將智能數(shù)據(jù)處理、遙測遙控、導(dǎo)航接收、姿態(tài)控制、平臺熱控管理、SAR熱控管理、數(shù)據(jù)傳輸、星間通信等模塊按照標(biāo)準(zhǔn)板卡，集成為整體的硬件設(shè)備，各功能模塊信號通過底板互聯(lián)，與外部信號通過公共接插件連接，其架構(gòu)示意圖如圖4所示，硬件實物圖如圖5所示。采用標(biāo)準(zhǔn)化高速數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)星上綜合管理模塊與SAR載荷數(shù)據(jù)的高速傳輸，通過各功能模塊CPU軟件在軌更改和動態(tài)加載機制實現(xiàn)衛(wèi)星功能在軌動態(tài)重構(gòu)，通過FPGA軟件在軌上注實現(xiàn)無線電軟件動態(tài)重構(gòu)。該種設(shè)計打破傳統(tǒng)衛(wèi)星分系統(tǒng)的概念，將衛(wèi)星80%的分系統(tǒng)下位機集成為一個機箱，減少了冗余的電子設(shè)備、結(jié)構(gòu)框架和星上電纜網(wǎng)，體積、質(zhì)量和功耗等開銷更小，集成度更高，并可根據(jù)實際需求擴充或裁減功能板卡數(shù)量，具備高度靈活性。

圖4 星上綜合管理模塊硬件架構(gòu)圖Fig.4 Hardware architecture diagram of onboard integrated management module

圖5 星上綜合管理模塊硬件實物圖Fig.5 Hardware of onboard integrated management module

在軟件層面，采用分層的體系結(jié)構(gòu)，對衛(wèi)星系統(tǒng)自上而下地逐級分解，形成多層次的軟件組件，包括應(yīng)用層、傳輸層和物理層。各層之間采用標(biāo)準(zhǔn)接口，便于層間信息交換、軟件重構(gòu)和系統(tǒng)功能的增強和補充，其體系架構(gòu)如圖6所示。操作系統(tǒng)為底層支撐，通過驅(qū)動程序及操作系統(tǒng)接口將底層硬件統(tǒng)一起來；傳輸層為整個軟件架構(gòu)核心，通過標(biāo)準(zhǔn)接口的基礎(chǔ)軟件組件，為應(yīng)用層提供基礎(chǔ)功能，包括星地、星間、星內(nèi)通信的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議；應(yīng)用層由各種功能軟件組成，并可動態(tài)擴展APP實現(xiàn)衛(wèi)星功能擴展。在此種軟件架構(gòu)下，用戶僅需要進(jìn)行軟件功能選取和參數(shù)配置，并適用標(biāo)準(zhǔn)接口開發(fā)滿足特殊應(yīng)用的軟件APP，達(dá)到快速開發(fā)和靈活配置的目的。

圖6 星上綜合管理模塊軟件架構(gòu)圖Fig.6 Software architecture diagram of onboard integrated management module

在任務(wù)設(shè)計層面，星上綜合管理模塊具備信息通信與共享能力，支持星內(nèi)、星地、星間一體化網(wǎng)絡(luò)通信。結(jié)合InSAR的任務(wù)設(shè)計，利用微納衛(wèi)星快速靈活軌道機動和信息共享的特點，采用“孿生式”InSAR衛(wèi)星系統(tǒng)，設(shè)計質(zhì)量、包絡(luò)和功能相同的主輔星，可以根據(jù)預(yù)判的最優(yōu)基線進(jìn)行主輔星之間靈活切換，實現(xiàn)最優(yōu)的測繪效能。主輔星協(xié)同工作時，主星通過星間激光通信將位置、速度、姿態(tài)和工作模式等信息傳遞給輔星，輔星接收到信息后通過推進(jìn)組件進(jìn)行位置和姿態(tài)機動，完成雙星編隊飛行和對地測量。

3 設(shè)計實例

為了驗證文中論述的微納InSAR衛(wèi)星總體設(shè)計方法的有效性，下文給出了低燃料消耗的雙星編隊構(gòu)型和孿生式高功能密度比InSAR衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計實例。根據(jù)參考文獻(xiàn)[2,10,13]已公開的相關(guān)設(shè)計參數(shù)給出了衛(wèi)星總體設(shè)計指標(biāo)，具有一定的理論及實際意義。

3.1 低燃料消耗的雙星編隊構(gòu)型設(shè)計實例

選擇軌道高度500 km的太陽同步軌道和X頻段SAR天線。當(dāng)測速精度優(yōu)于0.2 m/s、相關(guān)系數(shù)為0.9時，由式(2)第一項計算得到水平極限基線小于600 m。由式(3)第二項可得，設(shè)計參數(shù)為300 m。當(dāng)信號發(fā)射帶寬為90 MHz時，由式(2)第二項計算得到入射角20°～50°時極限基線長度為2.5～6.5 km，則最優(yōu)有效垂直基線為500～1 250 m。選取初始值為1 000 m、初值為360°，由式(1)第三項仿真得到不同組合取值下一個軌道周期內(nèi)有效垂直基線如圖7所示，分析可干涉測量緯度幅角范圍如表1所示。可以看出，當(dāng)為1 600 m、初值為330°時，可實現(xiàn)一個軌道周期南緯71°～北緯71°范圍內(nèi)的干涉測高，達(dá)到73.9%全球覆蓋的高測繪效能。

圖7 不同取值的有效垂直基線Fig.7 Valid vertical baseline with different values

表1 不同取值的覆蓋范圍

給定主星軌道參數(shù)，由式(4)計算輔星的軌道參數(shù)如表2所示。

表2 主輔星軌道參數(shù)

3.2 孿生式高功能密度比InSAR衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計實例

首先,計算滿足SAR圖像性能的最小天線面積。根據(jù)表3的軌道參數(shù)和式(5)仿真可知，在系統(tǒng)靈敏度和模糊度約束下，入射角在15°～45°時，最小天線面積為0.5～2.5 m，因此天線面積需不小于2.5 m。

其次,根據(jù)微納衛(wèi)星質(zhì)量和包絡(luò)約束，仿真分析得到SAR天線的尺寸和質(zhì)量。當(dāng)設(shè)計衛(wèi)星本體尺寸為800 mm×800 mm×1 000 mm、天線采用5折收攏方案時，由式(5)第一項可以得到天線面積需要小于3.84 m。結(jié)合天線電掃描能力、極化方式、天線組陣個數(shù)、天線安裝架材質(zhì)等因素，估算不同天線面積的質(zhì)量如表3所示。考慮10%的設(shè)計余量，設(shè)計天線面積為2.8 m，方位向天線尺寸為4.0 m，距離向天線尺寸為0.7 m。此時，距離向具備±15°電掃描能力，可以實現(xiàn)入射角15°～45°的對地觀測；方位向具備±1°電掃描能力，可以實現(xiàn)滑動聚束模式1 m分辨率、5 km幅寬和TOPS模式12 m分辨率、100 km幅寬的對地成像。

表3 X頻段SAR天線質(zhì)量

再次,根據(jù)微納衛(wèi)星能源約束，計算得到SAR圖像的功耗。衛(wèi)星配備7 Ah的高倍率載荷蓄電池、42 V載荷母線電壓，當(dāng)SAR天線TR組件效率為40%、蓄電池放電深度20%時，由式(5)第二項可得，一個軌道周期內(nèi)可以滿足SAR天線在1 400 W平均功率下工作1 min。此時， 1m分辨率模式下系統(tǒng)靈敏度優(yōu)于-21 dB、3 m模式下系統(tǒng)靈敏度優(yōu)于-23 dB。

最后,結(jié)合微納衛(wèi)星典型配置，星上綜合管理模塊具備100～450 Mbps的星地數(shù)據(jù)傳輸、16 384 bps的下行遙測、4 000 bps的上行遙控、50 Mbps星間激光通信、10 m實時定位、1 m實時定軌、載荷平臺工作溫度管理等功能；供配電采用雙獨立半調(diào)節(jié)母線，配置1.7 m的三結(jié)砷化鎵太陽電池陣、30.8 Ah平臺蓄電池和7 Ah高倍率載荷蓄電池，滿足衛(wèi)星短期3 500 W、每軌工作1 min 的成像需求；姿態(tài)控制采用三軸穩(wěn)定對地定向的模式，具備指向精度0.03°、確定精度0.01°和穩(wěn)定度0.001 5°/s的能力。結(jié)合編隊構(gòu)型和SAR載荷設(shè)計實例，微納InSAR衛(wèi)星系統(tǒng)總體指標(biāo)如表4所示。

表4 微納InSAR衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

4 結(jié)論

本文開展了微納InSAR衛(wèi)星系統(tǒng)總體技術(shù)研究，給出了使得干涉測量覆蓋范圍最大的雙星編隊構(gòu)型設(shè)計流程，建立了低燃料消耗的雙星軌道設(shè)計準(zhǔn)則；給出了SAR天線質(zhì)量、包絡(luò)和大功率特性與微納衛(wèi)星承載能力權(quán)衡匹配的設(shè)計方法；采用高集成模塊化設(shè)計思路，建立了“孿生式”高功能密度比InSAR衛(wèi)星的框架體系設(shè)計框架。針對上述設(shè)計方法，給出了設(shè)計實例，驗證了設(shè)計方法的有效性，為微納InSAR衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計和工程實現(xiàn)提供了參考。