捕風一號衛星總體設計與技術特點

白照廣，王崇羽，范東棟，孫紀文

航天東方紅衛星有限公司，北京 100094

1 引言

海面風場是大氣、海洋各種運動的主要動力來源，它與海洋中幾乎所有的海水運動直接相關，是形成海面波浪的直接動力，海面風場調節海/氣之間的熱量、水汽和物質交換，維持著區域與全球的氣候，更是氣象預報的必要參數[1]。傳統的海面風探測手段，如海洋浮標、船舶、海洋站等，觀測點少，觀測區域受限，難以實現大范圍和惡劣天氣條件下的實時有效觀測。為此，基于微波散射計[2]、激光測風雷達[3]、導航衛星反射信號測量(global navigation satellite system-reflection，GNSS-R)[4]的星載海面風場探測技術得到了廣泛關注。

風場相對于其他重要大氣要素(溫度、濕度和水汽含量)而言，存在精度提高、效率提升的迫切需求，應用小衛星平臺，對海面風場進行加密觀測，可彌補已有大衛星觀測效率、觀測手段的不足。氣象和海洋等部門需要特殊軌道、新型觀測手段、快速部署的低成本和高性價比的小型衛星星座來提升中低緯度加密觀測以獲得多源探測數據，實現高效率和高精度探測的目標[5]。

航天東方紅衛星有限公司開展導航衛星反射信號測量GNSS-R技術、新型大氣成分探測技術等攻關工作，完成了新型小衛星及其星座系統論證和設計。GNSS-R技術是通過接收目標反射的導航信號來反演相應目標要素信息，該技術具有被動接收、多信號源、全天候、資源(質量/體積/功耗)占用小、成本低、可靠性高等技術優勢，在風場、海面高度、有效波高、海水鹽度、冰川、積雪厚度、土壤濕度等氣象[6]、海洋和陸地領域多要素監測方面展現出良好的應用前景[7]，已成為國內外遙感和導航技術領域研究的熱點之一[8]。目前，國外已通過岸基、機載和星載等多種手段完成了GNSS-R技術的驗證，并開始進入業務化運行階段，國內已完成岸基、機載相關試驗積累，急需星載驗證，圖1為GNSS-R工作原理。

圖1 GNSS-R工作原理Fig.1 Working principle of GNSS reflection

航天東方紅衛星有限公司配合航天科技集團有限公司的海上發射任務，提出了星載GNSS-R技術衛星方案，任務需求明確、技術得到突破、前期航空試驗已有驗證結果、低傾角發射等特點充分滿足首次海上發射的各項要求，采取了雙星組合探測的方案，型號名稱為“捕風一號A/B衛星”，簡稱“捕風一號衛星”，型號代號為“BF-1A/B”。BF-1衛星成為中國首次海上發射衛星。

BF-1衛星首次實現中國星載GNSS-R工程化實踐，完成演示驗證和相關試驗，挖掘其科學和應用價值，重點研究其在風場測量方面的應用潛力。項目由2顆技術狀態完全一致的衛星在軌組成星座運行，軌道高度約579 km、軌道傾角為45°，采用CZ-11 海射Y1運載火箭進行發射。

2 衛星設計方案

2.1 任務需求分析

中國氣象局《空天技術領域“十三五”戰略規劃建議報告》(2016)，瞄準國家重大突發性天氣災害(臺風等)的應急監測與預警需求，建設、發展和完成中國臺風高空探測觀測系統，獲取臺風內部第一手氣象要素資料，進而提升中國對臺風的監測預報預警能力。利用導航衛星反射信號可對海面風場進行測量，進而反演臺風風速，即GNSS-R技術，該技術在臺風風速測量方面可作為現有手段的有益補充，可進一步提高海面風場的預報精度。另外GNSS-R技術抗干擾能力強，能夠穿透臺風眼壁的暴雨，收集風暴內核的數據，填補對臺風眼區域的氣旋運動過程認識的空白。

GNSS-R微波遙感技術屬于外源助動遙感，兼有主動遙感信噪比高、定位準確、針對性強和被動遙感設備簡潔、方便，性價比高、系統維護成本低廉、穩定安全、隱蔽性好的優點。基本原理是利用GNSS星座作為多源L 波段微波外部發射源，通過星載GNSS接收機，獲取目標物對GNSS電磁波的反射信號，分析其反射信號與 GNSS直接信號在強度、頻率、相位、極化方向等參數之間的變化，來反演目標物的狀態。BF-1衛星通過微納衛星平臺搭載GNSS-R微波遙感器，應用星載GNSS-R載荷獲取的數據，研制生產臺風監測專題產品，在氣象領域開展業務化應用，與氣象應用主體業務高效銜接，以解決用戶的需求。

2.2 衛星方案概述

BF-1衛星采用CAST100衛星平臺。衛星結構為立方體構型，采用分艙式設計方案，整星共設置兩個艙段，即有效載荷艙和平臺艙；機構部分采用4個固定式太陽翼和2個展開式太陽翼，展開式太陽翼每翼由太陽翼基板和機構部分組成，發射時折疊收攏壓緊，入軌展開后鎖定；堆棧組合體結構負責全星電子線路板的集成，并提供承力。

衛星熱控采用被動為主、主動熱控為輔的方案，以保證星上設備在各種環境條件和工作模式下正常工作。

衛星姿態控制采用三軸穩定、對地定向、偏置動量控制設計方案。采用“星敏感器+陀螺”聯合定姿方式，并配置磁力矩器實現動量輪卸載，實現高精度高穩定度姿態控制。

衛星采用體裝式太陽電池陣+展開式太陽電池陣，采用不調節母線和以集中供電為主的配電體制，為平臺和載荷提供一次母線+28 V，+5 V和±12 V三種電壓。

星務管理組件是整星信息系統的核心，采用分布式CAN+I2C總線網絡。通過CAN+I2C總線，將星務主機與分布于星上的各組件有機地連接起來，實現星上信息交換和共享，實時地完成星上運行管理、控制和任務調度。

星地測控采用X頻段擴頻測控體制，遙控碼速率2 000 bit/s，遙測碼速率4 096 bit/s；采用GNSS/BD2雙模接收機提供實時定位信息，定位精度最高10 m(3個方向)。

②堤防(含穿堤建筑物)。南堤以南肩線為界，北堤堤外有調度河的至調度河北子堰外堤腳線征地紅線，無調度河的至北堤堤腳線外征地紅線。

對地數傳采用X頻段，QPSK調制方式，固存容量64G，碼速率24 Mbit/s，通過相控陣天線右旋圓極化進行對地數據傳輸。

衛星有效載荷為L波段被動雷達，通過接收導航星直達和反射信號進行海面風場數據反演測量，可以實現海面風場測量的范圍為2～61.2 m/s。圖2為BF-1衛星在軌示意，表1為BF-1衛星主要技術指標。

圖2 BF-1衛星在軌示意Fig.2 On-orbit diagram of BF-1 satellite

表1 BF-1衛星主要技術指標

2.3 觀測能力

考慮L波段被動雷達對GNSS反射信號接收的信噪比和質量，軌道高度不宜太高，BF-1衛星軌道高度為579 km。中國周邊大部分海域緯度低于北緯41°，只要軌道傾角大于41°即可滿足對中國周邊海域的覆蓋；海上發射運載火箭受發射地點選擇、航跡、落區等因素制約，選擇軌道傾角為45°，既能夠滿足對中國周邊海域的觀測需求，同時也能兼顧一帶一路沿線國家觀測需求。

L波段被動雷達的波束指向分析還要考慮臺風觀測的任務需求。臺風核心區域的直徑約為300 km，其影響甚至可達2 200 km。BF-1星座在軌運行示意如圖3所示。

圖3 BF-1星座在軌運行Fig.3 On-orbit train diagram of BF-1 satellite constellation

既要保證臺風核心區域的觀測，又要盡可能擴大臺風的觀測范圍。BF-1衛星的觀測條帶的設計方法為：對于任一軌道高度，設計觀測條帶間的距離為300 km，衛星需要能夠有效對臺風核心區與臺風影響范圍進行觀測，在垂軌向波束寬度取44°的情況下，綜合鏡面反射點數的分布特點，最終確定GNSS-R反射信號接收天線的波束指向角為26°，接收機天線在衛星兩側對稱安裝，波束覆蓋范圍和觀測能力如圖4所示。

圖4 反射信號接收機天線對地覆蓋示意Fig.4 Illustration of coverage of reflected signal receiving antenna

2.4 飛行程序與任務模式

根據用戶測量要素全、風場測量范圍大、測量精度高的使用需求及海上發射的任務特點，衛星設計了相應的工作模式及任務模式，包括軌道控制模式、任務模式、安全模式等。設計的軌控工作模式包括：升軌模式、降軌模式、傾角調整模式。衛星的飛行程序如圖5所示。安全模式包括姿態異常安全模式、能源安全模式、載荷安全模式、星務主機安全模式等，用于星上不同故障狀態時，衛星可自主控制到安全運行狀態下； 任務模式分別為時延-多普勒映射(delay-Doppler maps，DDM)記錄模式、DDM+原始數據記錄模式、原始數據記錄模式、邊記邊放模式、順序回放模式、按地址回放模式，可滿足任務需求。

圖5 BF-1飛行程序Fig.5 Flight procedure of BF-1 aatellite

3 衛星任務特點

3.1 填補海面高精度風場監測空白

傳統氣象衛星以云頂測量等手段監測風速，難以高精度表征海表風速，浮標測風數量少、離散，散射計測風范圍有限，GNSS-R通過接收導航星反射信號可對風速進行精確測量[9]。BF-1衛星定位為星載GNSS-R技術演示驗證和科學試驗，可以完成風場內核監測，彌補氣旋中心熱動力學探測的空白，高時空分辨率使得GNSS-R技術可以完成氣旋全壽命周期的監測。GNSS-R技術還可以進行海面浪高、海水鹽度和海冰厚度等要素的探測，探測要素豐富。在具備2～70 m/s范圍大風場測量的同時，風速測量精度可以達2 m/s，優于傳統手段。使其獲得的海面風場(風速)數據將試用于中國氣象局臺風預報業務應用體系。除此之外，還將在海浪、冰川、積雪、土壤濕度等方面進行數據反演試驗工作，研究其應用的可行性。

3.2 首次采用海上發射方案

BF-1衛星發射任務是中國首次采用海上發射方案，海上發射無傳統發射場和測控系統保障，如圖6所示，需對衛星與發射場系統以及測控系統的接口及流程進行重新設計。

圖6 BF-1衛星發射場與測控系統特點Fig.6 Characteristics of launch site and measurement and control system of BF-1 satellite

運載火箭主動段測控由安放在發射保障船上的移動測控站完成，收到測控信號后一路傳輸至發射指揮船，一路通過中國衛星通信集團公司信號傳至北京。衛星主動段不加電，星箭分離后衛星測控由航天馭星有限公司海外移動測控站負責，收到信號后傳輸至北京數據中心，再經運控大廳傳輸至位于發射海域的移動終端(基于互聯網VPN設備)，確保入軌測控任務的順利完成。

海上發射相對于陸地發射主要面臨了新流程、新環境和新狀態。星箭一體化鐵路運輸進場及海上運輸等對衛星發射流程帶來了重大影響。海上發射衛星面臨的新環境，相對以往更加惡劣：海邊測試廠區面臨雨水引發的高濕、高鹽分水汽侵擾，在星箭組合體吊裝上船期間由于無法提供空調保障，就需要需嚴格控制操作時間；在發射船上，射前近小時空調停用、運載起豎，海面的高濕、高鹽分水汽同樣會對衛星有腐蝕影響；入軌點可具備的測控條件均與以往不同。為適應于海上發射的新環境、新流程，必然導致衛星出廠狀態、運輸狀態與監測、射前測試、發射歷程與飛行預案等呈現許多新狀態。型號隊伍通過對“三新”細致分析，梳理每個環節可能存在的問題，制定衛星出廠前加注、運輸力學跑車試驗、全流程溫濕度監測、發射前保障船工作等應對措施，并進行了有效控制，確保了海上首次發射衛星的成功，并形成相應文件，為衛星海上發射積累了豐富的經驗。BF-1衛星出廠及發射流程如圖7所示。

圖7 BF-1衛星出廠及發射流程Fig.7 Delivery and launch process of BF-1 satellite

3.3 星地一體化數據反演

相比科學目標和應用目標，衛星研制、發射的工程目標實現較易，但面向科學研究和業務應用的關鍵是數據反演。傳統的做法是衛星發射后，地面應用系統相繼開展數據反演相關的一些模型和算法研究，這對于對臺風監測等應用領域的緊迫需求是不相適應的，因此衛星研制過程中同步開展地面數據反演工作研究，組織完成建模和算法設計，確保“衛星上天、數據落地、測試試用”一氣呵成，最大程度發揮衛星應用效能，即衛星與數據處理反演算法同步開展，通過探討用戶產品服務模式，積累改進提高的經驗與水平。

3.4 創新性的數據中心

創新性地建立了衛星數據中心，拓展公司業務能力，為解決后續自研項目“在軌測控難”“載荷數據落地難”的問題，為后續“先行先試”項目論證提供支持，依托BF-1衛星建立的衛星數據中心，形成公司自研型號完整的在軌能力；同時也為促進公司從衛星集成商到衛星系統服務提供商的轉變，提升公司在衛星工程大系統設計方面的能力，帶動合作專業廠所向衛星應用領域發展。

4 在軌測試與性能比較

4.1 在軌測試與運行情況

衛星入軌后，進行了1周的工程測試，衛星平臺和有效載荷均工作正常，設備處于主份工作狀態。

入軌后20天，兩星建立45°相位間隔星座，兩星實現全軌道圈載荷工作，數據記錄、接收正確。

在后續在軌測試流程中，先后完成載荷性能測試評估、風場反演精度評價、產品真實性檢驗與驗證，測試結果表明，載荷性能穩定，反演精度滿足設計要求。

捕風衛星地面數據處理系統順利完成了L0、L1和L2級數據處理與生成。衛星地面數據處理系統完成了各級數據處理，原始數據接收成功率達99.9%以上，有效數據產品處理成功率優于90%，利用大洋浮標和再分析場完成了1級數據風場等反演可用性評估，評估表明數據可用于風速反演應用，符合2 m/s或10%的風速反演對資料處理精度的設計要求，具備海面風場業務試運行能力。

作為中國首個GNSS-R海面風速探測衛星，在軌獲得了良好的DDM探測信號，并經數據處理，獲得了1級數據產品，得到了可用于風速反演的特征觀測量。捕風一號試驗衛星1級數據產品包含15個數據變量，包括觀測時間參數(week，second，time_utc)，觀測時刻捕風衛星位置速度參數(remote_ecef)，導航衛星類型、PRN和位置速度(gnss_type，gnss_prn，gnss_ecef)，鏡面點位置速度和反射信號角度(reflect_ecef，elevation_angle)，以及觀測特征量降采樣DDM、功率校準DDM、信噪比和NBRCS(ddm_0，ddm，ddm_snr和NBRCS)。圖8為處理后中國首幅功率校準GPS-R衛星DDM圖，圖9為基于北斗導航衛星的世界首幅典型功率校準BDS-R衛星DDM圖，有望實現北斗衛星的拓展應用。

圖8 中國首幅GPS-R衛星DDM圖Fig.8 The first GPS-R satellite DDM picture of China

圖9 世界首幅BDS-R衛星DDM圖Fig.9 The first BDS-R satellite DDM picture of the world

BF-1A/B衛星在軌已經穩定運行24個月，整星所有系統均工作正常、穩定，整星無常駐故障或影響用戶使用的問題存在，在軌表現良好。衛星各項功能指標正常，各項性能指標均在正常范圍之內，衛星運行穩定，狀態良好。

4.2 主要性能比較

BF-1衛星與國際同類衛星CYGNSS ATBD結果比對[10]如圖10所示。反演得到的結果與參考風速之差隨鏡面點入射角的變化趨勢，其中越暗紅，表明這類結果出現的頻次越高[11]。兩者反演風速與參考風速偏差隨入射角的變化特性非常一致，風速偏差高密度區域均集中在同標尺范圍內，兩者反演風速與參考風速偏差、參考風速的變化特性一致，捕風數據結果在5～10 m/s區域顯示出更好的數據聚集性，捕風衛星部分覆蓋西風帶，有比CYGNSS更多的相對高風速數據結果[12-13]。

圖10 BF-1與CYGNSS ATBD結果比對Fig.10 ATBD comparison of BF-1 satellite and CYGNSS

在風速較低的情況下，反演偏差對稱性較好，偏差比較集中；隨著風速的提高，風速偏差分布也逐漸增大，這與特征觀測量隨風速提高的靈敏度降低以及觀測數據信噪比降低等因素密切相關，也是后續提升反演性能需要重點處理的關注所在。

對BF-1衛星觀測數據進行了風速反演分析，同GNSS-R同類型觀測模式CYGNSS的相關結果作為比對，對風速反演的性能做評估[14]。圖11給出了反演獲得BF-1 A、B雙星及CYGNSS星座8顆衛星的觀測結果。其中BF-1衛星數據為采用NBRCS數據獲得的2級風速，CYGNSS為融合NBRCS和LES觀測量反演數據的3級風速產品。比對數據可以很明顯看到兩者數據具有很好的一致性，如日本東側太平洋區域、馬達加斯加島附近有明顯的低風速區域，而孟加拉灣和西風帶具有明顯的高風速區域。比對數據可以很明顯看到兩者數據具有很好的一致性，但由于捕風一號衛星僅有A、B雙星，觀測數據量明顯少于CYGNSS星座，可用于反演的反演特征量較少，數據產品中離散出現的高風速數據點較CYGNSS偏多，后續通過提取更多的數據特征量和反演算法的進一步改進有望得到改善。

圖11 BF-1和CYGNSS同日觀測反演數據比對Fig.11 Comparison of the retrievals of BF-1and CYGNSS L3 data in the same day

5 結論

BF-1衛星的研制，是中國星載GNSS-R關鍵技術的突破，全鏈路驗證了國內探測技術、數據處理能力和所得的數據產品特性；基于北斗導航衛星的探測信號有望實現北斗衛星的拓展應用；基于微小衛星平臺風場組網探測為未來GNSS-R空間體系完善提供豐富的工程經驗。

BF-1 A/B衛星目前采用單極化測量方式，只能通過前向散射探測海面風速，無法探測風向，影響業務化應用。因此，需要在后續星座中增加交叉極化探測手段，通過后向散射探測海面風向，滿足氣象預報模型數據需求，增強衛星探測能力，補齊風向測量要素。基于捕風一號衛星基礎，積極開展后續星座設計工作，拓展組網規模，提升觀測效率，實現全球小時級的區域重訪，為氣象等行業提供準實時數據信息。增強北斗信號探測能力，實現全自主知識產權支持的GNSS-R技術體系，發揮北斗信號寬帶寬優勢，提升數據精度。增加掩星探測模式，實現大氣探測與電離層監測功能。聯合各類科研、應用機構，增強數據共享，拓展衛星應用。