环境一号C卫星系统总体设计及其在轨验证

张润宁 姜秀鹏

(航天东方红卫星有限公司 北京 100094)

1 引言

环境一号C(HJ-1-C)卫星是“环境与灾害监测预报小卫星星座”[1,2]中的1颗合成孔径雷达(SAR)小卫星，其具有全天时、全天候的工作能力，与星座中的光学卫星HJ-1-A/B互补，可以对环境生态、环境污染和多种灾害实现动态监测[3]，是我国民用航天体系建设的重要组成部分。

卫星采用CAST2000平台进行研制，整星重约830 kg，采用降交点地方时为6:00 AM太阳同步圆轨道，轨道高度约500 km，设计寿命3年。有效载荷为S波段SAR，其采用了6.0 m×2.8 m的可折叠式网状抛物面天线，SAR原始数据通过 X波段下行链路传输，码速率为2×160 Mbps。卫星在轨飞行状态如图1所示。

卫星的主要技术指标如表1所示。

图1 HJ-1-C卫星在轨图Fig.1 HJ-1-C satellite in orbit

作为我国自主研制的首颗民用合成孔径雷达卫星，HJ-1-C卫星突破了以国产化S波段集中式固态发射机及轻型网状抛物面天线为代表的多项关键技术，开创了我国合成孔径雷达卫星新的技术领域和方向。卫星在轨成功获得了具有独特性能优势的 S波段 SAR图像数据，填补了国内乃至国际上没有在轨S波段SAR数据的空白[4,5]，丰富了我国星载SAR数据库。

本文从卫星系统顶层设计角度，研究总结了卫星顶层指标体系、SAR载荷体制的选择以及SAR与卫星平台接口关系的建立过程和匹配关系，并对卫星在轨验证情况进行了总结。

表1 HJ-1-C卫星总体主要性能指标Tab.1 Main technical index of HJ-1-C

2 卫星任务顶层设计

2.1 有效载荷配置及轨道的选择

卫星总体任务设计时，必须开展用户需求的分析工作，从而将用户的应用需求转换为工程语言描述的系统功能要求和指标体系。在型号工程立项综合论证过程中，用户提出了在环境与灾害监测预报小卫星星座中，要有全天候、全天时的微波观测手段，并且要求有相对较高的分辨率和宽覆盖，在观测时相方面，要尽量与光学卫星配合实现均匀分布。为此，在系统总体顶层设计时，首先明确了HJ-1-C卫星配置成像型的合成孔径雷达有效载荷，同时由于 HJ-1-A/B两颗光学卫星必须采用近正午的轨道，因此HJ-1-C卫星采用了太阳同步的晨昏轨道。通过整个星座顶层任务的规划与设计，HJ-1-C卫星与HJ-1-A/B卫星配合，基本具备了全波段、全天候、全天时的观测能力，大大缩短了整个星座的重访和覆盖周期，并使得整个星座对地面的观测时机均匀化。

为了在观测时相方面与 HJ-1-A/B配合，HJ-1-C卫星的轨道选择了500 km高度的太阳同步晨昏轨道，同时由于该轨道光照条件和外热流相对稳定，简化了卫星总体设计，有利于卫星构型设计以及SAR大功率热耗散热面的选择。

2.2 应急和覆盖能力分析

SAR卫星应用于应急观测时，其对特定地区的重访能力是一个非常重要的参数，通过遥感器在卫星轨道上可视成像带的覆盖特性来评估系统的重访能力，为此，需将卫星的轨道特性、SAR天线侧摆能力及其可视幅宽综合优化设计，以给出卫星对特定地区重访周期的设计参数。按照 SAR天线转角范围为28.0°～44.5°以及扫描模式下100 km的成像带条件，并考虑地球曲率，在赤道纬度圈上，SAR可能的观测视场在星下点右侧约 206.8～620.0 km范围。对我国国土可视覆盖示意图如图2所示。在此种轨迹规律下，1天的国土覆盖率约为37.2%,2天的国土覆盖率约为78.2%,3天的国土覆盖率约为92.0%,4天的国土覆盖率为97.4%，基本能够满足4天内对国土及周边地区实现重访的要求。

如果要对国土进行一次全面普查，此时需考察卫星及SAR天线的瞬时幅宽的覆盖能力，按照SAR天线瞬时幅宽100 km以及每轨成像时间12 min的条件，可以仿真计算出 HJ-1-C卫星对国土的覆盖能力如图3所示。1天的国土覆盖率约为9.84%；15天国土覆盖率约为87.01%；在30天，国土覆盖率达到100%。

图2 卫星1天和4天之内的重访能力Fig.2 Revisit capacity in one day and 4 days

图3 1天和15天之内的国土覆盖Fig.3 Coverage in one day and 15 days

3 卫星SAR有效载荷体制选择

在确定选择合成孔径雷达为卫星的主要载荷后，需对其频段、分辨率、信噪比等主要技术指标以及实现体制进行分析论证，以实现应用与工程实现的最佳结合。

3.1 SAR波段的选择

选择 SAR卫星工作波段首先考虑的因素是用户的要求，其次是 SAR系统的重量、功耗、体积以及元器件的水平和组成SAR系统的可实现性。S波段处于SAR常用波段的中间段，其穿透性适中，是技术实现和应用需求综合优势比较明显的一个频段，具有综合性和兼容性的特点，其目标检测能力比较强，在陆地使用的管理以及环境与自然灾害的监测等方面可以发挥非常重要的作用。同时在同等约束条件下，SAR天线的尺寸、信号源和微波大功率产生、馈电链路实现难易程度、无线电波的传播以及地面处理的各种校正因子对S波段的要求比较适中，因此 HJ-1-C卫星在充分兼顾应用需求与工程实现两方面综合因素的前提下，确定了 SAR载荷选用S波段。

3.2 SAR体制的选择

一般来讲，SAR系统可以采用分布式相控阵体制或集中式抛物面体制，其体制的选择决定了卫星的构型、力学特性、控制模式以及供配电的体制，甚至影响到 SAR可以实现的成像模式以及分辨率和测绘带宽等重要参数和性能。在选择体制时要综合考虑各种因素，包括 SAR的工作模式、微波大功率的产生方式，以及卫星平台的安装空间等体积、重量、功耗约束。

集中式 SAR体制可以采用大功率合成以及可折叠网状抛物面天线相结合的方案，采用该体制以后，可以在很小的空间内安装SAR天线和发射机，大大减轻对卫星平台体积、重量和功耗的要求，适合小卫星平台，为卫星批量研制、组网运行奠定了良好的基础。同时通过天线馈源的合理设计，也可以实现灵活的工作模式，并能有效控制天线旁瓣性能、便于抑制图像模糊。为此，环境一号C卫星优先选择了集中式SAR载荷体制。

4 卫星平台与SAR载荷匹配性研究

当确定卫星载荷的体制和基本配置后，在卫星总体设计中需重点围绕有效载荷的需求开展卫星平台适应能力的分析以及载荷与平台之间的匹配性研究，并经过多次迭代以确定最终的卫星总体方案[6]。本节重点对卫星平台中与SAR有直接接口关系的数传、姿态、供配电以及热控适应能力进行分析研究。

4.1 SAR载荷与卫星数传的信息接口关系

SAR原始数据率按式(1)计算。

式中PRT为脉冲重复周期，Tw为采样窗口，B为雷达信号带宽，b为A/D转换的量化位数，Ks为过采样系数，一般取1.1～1.2。HJ-1-C卫星为了实现5 m分辨率，40 km的幅宽，B至少应大于60 MHz，当按b=8 bit采样时，SAR实时输出数据码速率大于800 Mbps，为此需考虑原始数据压缩技术，HJ-1-C卫星SAR分系统采用8:3 BAQ(块自适应量化)技术后，经仿真验证，图像质量仍然可以得到理想的结果。SAR压缩后的原始数据与成像辅助数据经格式编排后，分成两路分别送入数传分系统的两个AOS编码器，经过传输信道的再次格式编排后，进入两个X频段直接调制的数传通道，其中每个通道各负责一半成像带幅宽的SAR原始数据，实现了两个通道的相互隔离，提高了系统的总体可靠度和故障隔离能力。总的2×160 Mbps的下行码速率、SAR与数传接口协议中约定可自适应调节的选通门长度和时序确保了SAR波位参数变化时，信道的裕度和数据格式的兼容性及适应性满足星地链路的要求。

4.2 SAR成像与卫星平台控制指标的关系

卫星的姿态误差包括偏航、俯仰和滚动方面的误差，分别用εy,εp,εr表示。由于确定SAR图像目标位置只要解3个方程，第1个是距离方程，第2个是多普勒方程，第3个是地球模型方程[7]，这些方程的解不需要卫星的姿态信息，因此，卫星姿态误差对图像定位误差没有直接影响。但卫星姿态指向误差会引起多普勒中心频率的偏移，当同时存在偏航角和俯仰角误差时，多普勒回波频谱偏移量为[8]：

对于 HJ-1-C 卫星，v=7.6 km/s,λ=0.1 m,εp=εy=0.1°,θ=45°，多普勒频谱偏移为 452 Hz，方位向多普勒带宽约为 2v/L=2×7600/6=2533 Hz，因此，姿态误差引起的多普勒偏移约占信号带宽的18%，不会出现多普勒中心的模糊，因此，HJ-1-C卫星0.1°的姿态指向误差可以满足地面处理的要求。但是当考虑地球自转效应后，SAR天线的正侧视不再能保证波束中心对应零多普勒中心，将会导致地面处理的复杂化，为此，卫星总体按照星地一体综合优化的原则，在控制系统中采取了偏航牵引策略，以保证波束中心指向与零多普勒中心一致[9,10]，偏航角的具体计算公式如下[11－14]：

其中，i为轨道倾角，ωs为卫星轨道速度，ωe为地球自转速度，u为卫星轨道纬度幅角，α为卫星姿态偏航角。HJ-1-C卫星偏航牵引规律如图4所示。

此外，控制系统为了适应 SAR天线导致的整星力学频率低、转动惯量大以及质心多变等特点，卫星控制系统通过星上定时读取 SAR天线的转角数据，并针对不同的转角数据采用不同的控制参数，确保了 SAR天线在展开过程中以及处于不同转角时姿态均能够控得住、控得稳。

4.3 SAR载荷与卫星供配电系统的接口关系

卫星供配电系统采用高低压双独立母线拓扑结构，以适应 SAR载荷不同设备的需求，其中高压母线为34.0 V，为SAR固态发射机和部分控温回路供电；低压母线为28.5 V，为其它中央电子设备供电。两条母线完全独立，配备各自的太阳电池阵、蓄电池组和功率调节设备，最终在配电器共地。此设计满足了 SAR分系统对电源供电的稳定性和母线品质要求，且避免了固态发射机工作时对28.5 V母线产生的干扰。同时，整星供配电系统专为SAR有效载荷设计了预充电电路，消除了大功率有效载荷加电时所产生的浪涌电流，保证了电源分系统电源母线输出电压的稳定。

4.4 卫星热控系统对SAR大功率、高热流密度设备的温度控制

SAR固态发射机是载荷中的关键设备[15]，其工作温度要求为-10℃～+40℃，8个组件之间的温差最大不超过 8℃，每圈工作不超过15 min，每天最多连续工作8圈，其余时间不工作。固态发射机的热耗为820 W，热流密度最大值为34000 W/m2，是目前国内在轨运行的热流密度最大的设备，而且在轨道周期中的热耗波动范围非常大。为此，固态发射机直接安装在散热面最好的＋Y面的上侧壁热控冷板上，其由实心铝板和蜂窝板构成，并预埋了8根热管，同时，为了维持仪器温度，对＋Y上侧壁板进行了温度补偿。

图4 HJ-1-C卫星偏航牵引规律曲线Fig.4 Yaw steering laws of HJ-1-C

5 卫星在轨测试验证

HJ-1-C卫星于2012年11月19日成功发射后，顺利完成了 SAR天线的展开和平台的工程测试，并于2012年12月9日实现载荷开机成像，形成了信噪比高、模糊度小、图像清晰、层次分明、信息丰富的S波段合成孔径雷达图像数据，验证了基于集中式发射以及轻型网状抛物面天线的卫星总体方案和参数设计的合理性和优越性，也验证了星地一体化链路的匹配性和兼容性。

5.1 SAR成像性能在轨测试验证情况

SAR成像指标在轨测试验证情况如表2所示。

图5为在轨测试期间卫星对武汉地区的条带模式成像结果，图6所示为卫星对岳阳地区的扫描模式成像结果。

5.2 姿态控制能力在轨测试验证情况

在卫星经历的 SAR天线解锁、转动、展开和侧摆等各个环节中，卫星姿态稳定，证明了卫星姿态控制的良好性能。图7为SAR天线展开过程中的控制系统性能曲线。

表2 HJ-1-C卫星SAR成像指标在轨测试验证情况Tab.2 Verification of SAR performance of HJ-1-C satellite in-orbit

图8为卫星姿态采用偏航牵引后，偏航角变化规律的在轨实际测试结果，其变化规律与 SAR载荷成像要求的规律一致。

5.3 供电系统适应SAR载荷能力的在轨测试验证情况

图9，图10为SAR载荷在2.5 min典型成像模式工作期间，卫星供配电系统状态监测情况，从中可以看出，载荷工作期间，两条母线状态平稳，相互间隔离状态良好。

图5 卫星对武汉地区的条带模式成像结果(1,2,3分别为武汉天河机场、码头及轮船、长江大桥及火车)Fig.5 Image of Wuhan district acquired in strip mode by HJ-1-C satellite (Wuhan Tianhe airport,harbor,ships,bridage and train are showed as Figs.1,2 and 3 in the image)

图6 扫描模式获得的岳阳地区的图像Fig.6 Image of Yueyang district acquired in ScanSAR mode by HJ-1-C

5.4 对SAR大功率固态发射机热控保证措施的在轨验证情况

图11为SAR固态发射机在轨工作7 min期间，8个发射机模块温升及相互差异情况曲线。从中可以看出，温升速率不超过 1℃/min，8个模块间的温度差不超过2℃，满足了固态发射机的设计要求，保证了SAR射频信号性能的稳定。

图7 SAR天线在轨展开过程中姿态稳定情况Fig.7 Attitude variation during the SAR antenna’s deployment in orbit

图8 姿态偏航牵引后偏航角在轨实际变化曲线Fig.8 The variation of yaw attitude after introducing yaw steering in orbit

图9 载荷工作模式为3波束扫描时28.5 V实时遥测变化Fig.9 The voltage variation of 28.5 V power bus during 3-beam ScanSAR mode in orbit

图10 载荷工作模式为3波束扫描时34.0 V实时遥测变化Fig.10 The voltage variation of 34.0 V power bus during 3-beam ScanSAR mode in orbit

6 结束语

HJ-1-C卫星的成功发射和运行，完成了我国环境减灾“2+1”星座的建设任务，支撑了后续任务的规划。

卫星在轨成功获取了信噪比高、模糊度小、动态范围大、层次分明、信息丰富的S波段合成孔径雷达图像数据，证明了S波段SAR成像是有效的，也证明了采用集中式发射以及轻型网状抛物面天线的卫星总体方案的可行性、合理性以及系统参数和接口的匹配性。

图11 7 min固态发射机温度遥测历程曲线Fig.11 The variation of the solid state transmitter’s temperature during working in 7 minutes

卫星获得的具有独特性能优势的 S波段 SAR图像数据填补了国内没有在轨S波段SAR数据的空白，丰富了我国星载SAR图像数据库。

通过卫星及 SAR载荷产品国产化关键技术的攻关研制，验证了集中式 SAR体制及其小卫星平台的适应能力，为我国 SAR卫星系统朝着轻小型化方向的发展奠定了坚实的基础。

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