高分三号卫星总体设计验证

张庆君 刘杰 李延 齐亚琳 赵良波

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

高分三号卫星总体设计验证

张庆君 刘杰 李延 齐亚琳 赵良波

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

高分三号(GF-3)卫星是我国民用“高分辨率对地观测系统重大专项”中唯一一颗微波成像卫星,也是我国第1颗1 m分辨率C频段多极化合成孔径雷达(SAR)卫星,其定量化指标要求高,同时具有雷达天线质量、尺寸大,热控要求高,脉冲功率大,构型布局复杂等技术特点和难点。文章围绕GF-3卫星技术难点,系统阐述了卫星高定量化、高扩展性等总体设计特点及设计验证方法,并采用系统建模、模拟分析、地面试验和在轨测试等多种措施,确保卫星优良的图像质量和定量化应用能力,使其具备一定的在轨扩展能力。GF-3卫星设计和研制过程中采用的验证方法,可为后续SAR卫星的总体设计提供参考。

高分三号卫星;合成孔径雷达;总体设计;验证方法

1 引言

合成孔径雷达(SAR)是一种主动式微波成像遥感器,通过发射宽带信号,结合合成孔径技术,能在距离向和方位向上同时获得二维高分辨率图像。与传统光学遥感相比,SAR具备全天候、全天时的成像能力,以及一定的穿透性,获得的图像能够反映目标微波散射特性,是获取地物信息的一种重要技术手段。星载SAR已被广泛应用于军事和民生领域,是实现自然资源普查、自然灾害监测和空间军事侦察等的重要技术手段[1]。

经过多年的努力,我国在星载SAR技术领域已取得了重大的技术突破,缩短了与世界先进国家的差距,星载SAR已成为我国对地观测领域的重点发展方向之一。高分三号(GF-3)卫星工程是我国“十二五”期间“高分辨率对地观测系统重大专项”工程项目之一,是专项(民用)中唯一的相控阵雷达成像卫星,也是我国首颗C频段多极化高分辨率微波遥感卫星。GF-3卫星能够全天候实现全球海洋和陆地信息的监视监测,并能通过左右姿态机动提升快速响应能力,扩大对地观测范围,其获取的C频段多极化SAR图像,可用于我国海洋、减灾、水利、气象、农业、国土、环保、国安、公安、住建、交通、统计、林业、地震、测绘、国防等多个行业。

GF-3卫星具有高定量化、长寿命、高可靠性技术特点,在总体设计过程中开展了一系列专项设计验证,以提升卫星系统能力,其成果对于提高后续SAR卫星的总体设计和研制能力具有重要借鉴意义。

2 卫星技术特点及设计验证难点

GF-3卫星通过获取多模式、多极化、高定量化的SAR遥感数据,满足多领域、多用户的需求,因此在技术上相对其他同类卫星,具有鲜明的技术特点及难点,需要在卫星设计及研制过程中重点考虑。

(1)卫星定量化要求高。随着空间遥感技术的发展,各行业用户和应用部门对遥感数据的要求早已超越了区别目标、识别目标的基本能力,而是进一步要求遥感数据的定量化,并通过将定量化的遥感数据与物理模型或参量联系起来,定量反演或推算不同的物理参量。对于GF-3卫星,典型的定量化应用包括:①海洋用户根据海面的后向散射系数,定量反演海面风向、风速;②气象用户根据降雨区的回波强度,对大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨进行监测和识别;③减灾用户根据数据的极化信息,对洪涝灾害、地震灾害等进行定量化评估;④水利用户根据监测区地表回波数据,对土壤水分进行监测,对旱情进行定量化评估;此外,农业估产、溢油检测、海冰监测、生物量估测等方面的应用,均对GF-3卫星遥感数据的定量化提出高要求。因此,满足用户定量化应用的需求,是GF-3卫星总体设计及验证的首要工作。

(2)供电能力要求高,要适应SAR载荷高功率脉冲工作方式。整星要提供近万瓦级供电能力,在国内已发射的低轨遥感卫星中,供电能力要求最高;同时要满足卫星8年长寿命要求,因而对关键的电源系统可靠性和长寿命提出了更高的要求。

(3)整星构型布局难度大,结构设计要求高。SAR天线和太阳翼等大质量部件在轨展开于卫星外侧,要求卫星结构具备高刚度,以满足发射段及SAR天线在轨展开的型面精度要求;SAR天线展开状态下长约15 m,展开平面度要求优于5 mm,因此要开展整星结构、展开机构和SAR天线阵面机电热一体化设计;卫星纵轴对地飞行,SAR天线和太阳翼展开后占用空间大,推力器布局困难。

(4)SAR天线温度一致性要求高。成像期间,SAR天线热功率波动幅度达到6000 W,但仍要保证阵面各有源部组件的温度梯度优于10°,热设计及验证难度大。

(5)成像模式具有可扩展性。国外一些先进的SAR卫星,在轨均进行了特定的新模式验证,扩展了卫星的应用范围[2]。GF-3卫星在满足聚束成像、条带成像、扫描成像和波模式成像等12种成像模式要求的基础上,还要进一步开展可扩展性设计,通过优化成像参数,具备在轨进行多种试验模式验证的能力。

3 总体设计验证

3.1 定量化探测能力设计验证

GF-3卫星定量化探测的设计验证工作,贯穿了整个研制过程。在方案阶段,卫星总体开展了星地一体化指标的专项复核,结合方案阶段设计,通过构建星地一体化模型,分析非理想因素,并在不同误差分配下进行仿真,验证各成像模式下定量化指标的实现情况,并据此确定各项设计指标要求[3]。在方案阶段,由于缺乏实测验证手段,对系统的设计留有一定的余量,以补偿仿真模型误差的不确定性。在初样阶段,通过机载校飞试验,验证各成像模式设计的正确性和定量化指标的可实现性;同时根据初样的实测结果进行第2轮仿真分析,修正模型参数,为开展正样设计提供依据。在正样研制阶段,在开展常规电性能测试的基础上,围绕不同模式下SAR天线方向图测试结果,通过已建立的定量化模型,开展仿真迭代工作。对不满足指标要求的SAR天线方向图进行波位优化调整,以满足最终的指标要求。此外,通过设计我国首个星载SAR系统的地面逆合成孔径雷达(ISAR)成像试验,利用星载SAR天线及电子设备,对“国际空间站”(见图1)、天宫一号目标飞行器等空间目标成像,验证SAR天线的波束扫描能力、远距离成像能力及星地链路误差分析的正确性;同时根据正样研制结果,联合地面系统,开展星地一体化指标复核复算,为卫星在轨全面满足各项定量化指标奠定坚实的基础。在轨运行阶段,通过内定标数据获取、星地联合定标试验,以及定期对亚马逊雨林进行观测,对雷达参数进行持续的修正,以保证数据定量化水平始终满足定量化应用的指标要求。

通过贯穿卫星研制及在轨运行控制全过程的定量化设计与验证措施,保证GF-3卫星的定量化应用能力,如海面风场反演结果可以达到风向误差优于20°、风速误差优于2 m/s的结果,其反演图像如图2所示。

3.2 高压大功率卫星电源设计验证

根据SAR天线工作时“峰值功率大、功率幅值变化大、脉冲工作”的功率需求特点,GF-3卫星电源系统采取了多项技术改进,主要体现在3个方面:①采用载荷+平台双母线并网设计,电源供电能力大幅提升至万瓦级;②采用高压太阳电池阵,载荷太阳电池阵输出电压提高至72 V;③增加了智能化电源管理模块,以实现蓄电池组充放电管理、健康预报和自主保护等功能。在卫星研制过程中,电源系统通过大功率脉冲电源仿真分析、平台电源和载荷电源控制器原理样机研制,以及太阳电池电路静电放电试验,保证了GF-3卫星电源系统设计的正确性、可靠性。

1)大功率脉冲电源仿真分析

为验证电源双独立母线方案对解决干扰问题的有效性,以及S4R全调节母线拓扑和不调节母线拓扑的可行性、适用性,在电源系统方案阶段进行了仿真验证。根据电源系统实际设计参数对太阳电池阵、蓄电池组和电源控制器进行建模,对S4R全调节母线拓扑结构、不调节母线拓扑结构及2条母线同时工作的干扰问题进行仿真。分析结果表明:双母线供电体制设计合理,能够有效地解决脉冲大功率负载的干扰问题;S4R全调节母线拓扑结构和不调节母线拓扑结构方案可行,电源系统各项指标能够满足设计和使用要求。

2)原理样机研制

平台电源控制器采用全开关、全调节设计,对太阳电池阵输出功率、蓄电池组输出功率进行控制,通过统一主误差放大器(MEA)控制,实现分流调节模块、充电分流调节模块、放电调节模块协同工作,使电源控制器质量和体积优化。同时,为验证MEA和分流方式更改的合理性和可行性,在方案阶段开展原理样机研制。平台原理样机的测试结果表明,产品性能指标均符合技术要求,验证了MEA和分流方式更改的合理性和可行性。

载荷母线设计成不调节的方式,蓄电池组电压即为母线电压,这种母线反应速度快,蓄电池能量利用率高。载荷电源控制器采用限频S3R分流方式,将充电控制方式由适用于氢镍电池的恒流-定压方式,改为适用于锂离子电池的恒流-恒压充电方式。为验证锂离子电池恒流-恒压的充电控制技术,在方案阶段开展了原理样机研制。载荷原理样机的测试结果表明,产品性能指标均符合技术要求,验证了锂离子电池恒流-恒压充电技术,满足锂离子电池的充电控制要求。

3)太阳电池阵静电放电试验

GF-3卫星要在755 km高的太阳同步轨道运行,该轨道的空间环境复杂,等离子环境中带电粒子密度要比地球静止轨道高4～6个数量级,高压太阳电池阵会与等离子体相互作用而发生静电放电现象,因此有必要对现有太阳电池阵的设计和工艺进行验证,以明确静电放电发生的风险及其对电池阵的损伤,从而采取适当的防护措施来减少或避免由静电放电导致的太阳电池阵功率损失。在方案阶段进行GF-3卫星太阳电池电路静电放电试验。试验中观察到一次放电阈值和二次放电对太阳电池的损伤,验证了不同宽间隙防护可以提高太阳电池阵的二次放电阈值,经过对试验数据的分析可知,宽间隙防护是高压太阳电池阵可采用的有效防护手段。

3.3 大载荷比卫星构型设计验证

GF-3卫星总质量接近3000 kg,荷载比将近55%。在卫星构型设计时,以SAR天线构型布局为突破口,开展整星的构型布局设计。

(1)通过加强梁实现SAR天线承载。SAR天线的布局是卫星构型设计的核心,它在发射状态折叠压紧在卫星侧面,因此其传力路径设计将直接影响卫星的发射状态力学特性。为此,增加了6根碳纤维加强梁,两侧SAR天线各通过6个压紧点压紧在加强梁两端,从而满足了发射状态力学特性要求。

(2)一体化构型设计满足SAR天线平面度要求。SAR天线阵面长约15 m,在轨平面度要求优于5 mm。在构型设计中,SAR天线展开机构与卫星平台结构连接点均布置在载荷舱,避免了服务舱变形传递至SAR天线,且载荷舱主结构采用热膨胀系数较小的碳纤维蒙皮。此外,展开机构采用零膨胀材料设计,SAR天线热控可将阵面温差控制在7℃以内,使SAR天线的相对形变控制在要求范围内。在初样阶段,通过摄影测量与光纤光栅结合的方法,在热试验过程中对SAR天线的平面度进行测试,验证了天线的平面度可满足要求。

3.4 SAR天线热控设计验证

针对GF-3卫星SAR天线大尺寸、高热耗、多模式、温度梯度要求高等特点,采用模块化、等温化、智能随动控温等方法,完成SAR天线热控设计;采用组合模式分析方法完成天线在轨温度预示;利用吸波热沉完成天线热试验验证。

GF-3卫星SAR天线在轨展开后,同太阳翼之间遮挡和辐射耦合强烈;同时,在各类成像模式下,SAR天线的热耗差异巨大。针对SAR天线的热控特点和难点,采取相应的热控措施:①在SAR天线波导喷涂高发射率低吸收比的热控涂层,作为散热面,排散阵面有源设备工作的发热量;②采用预埋并外贴正交热管网络,对SAR天线收发组件(T/R)和二次电源的热量进行扩散;③采用高发射率黑漆和导热硅脂,增强设备的辐射和导热传热;④使用多层隔热组件隔离太阳翼辐射耦合和太阳辐照热流;⑤采用高精度智能随动控温方法,实时获取温度梯度并适度补偿,从而降低温度梯度。试验和在轨运行结果证明了热设计的正确性和有效性。

SAR天线工作模式复杂,针对不同方式、不同姿态的组合工作模式,进行热分析仿真,完成卫星姿态和工作模式的转化与拼接,获得在轨温度预示和温度约束条件。针对天线模块化特点,利用等效试验方法,采用单模块和单翼试验涵盖全阵面试验工况,缩短了试验时间,降低了试验成本,节省了人力物力。

针对天线微波辐射特性,采用吸波外热流模拟装置完成天线热平衡试验和热真空测试,兼顾外热流模拟和电性能测试的双重需求,降低了试验系统的复杂度和危害性。针对天线模块和组件众多、热控实施内容繁复的特点,采用固化工艺规程、分工协作的流水化作业方式,提升了实施效率,降低了生产成本。

GF-3卫星SAR天线的热设计思路、热分析方法、试验验证方式、实施过程控制方法等成功经验,可为同类型天线热控研制工作提供有益的借鉴。

3.5 可扩展性设计及试验模式验证

带皮亚诺(Peano)余项形式的泰勒(Taylor)公式给出了函数在 x0点的局部表达式，当 f(x)→0(x→x0)，且其阶数难以判断时，用泰勒公式展开是较好的方法。因此，例2运用泰勒公式计算极限是一种不错的计算方法。

在GF-3卫星设计过程中,针对用户成像任务规划多样、各模式下成像参数差异大的特点,预留了灵活的外部控制接口,可通过上注指令的方式,对系统参数、时序、工作方式等进行灵活的调整,这样既保证了SAR载荷常规工作模式的需求,也为在轨开展试验模式验证提供了可能。

GF-3卫星成像模式可扩展设计主要包括:①可灵活配置多种调频信号带宽、时宽组合,具有10多种调频信号组合方式;②多种信号采样速率,满足各种信号带宽下的采样需求;③多种数据压缩模式,在最小化图像信息损失的前提下,降低数据率;④国内首次采用双通道接收模式,可实现双孔径及多极化模式接收;⑤灵活的二维波束扫描方式,不但可实现距离向波束快速切换,同时方位向波束扫描方向可调,在实现聚束模式方位向后向扫描的基础上,还保证了渐进扫描合成孔径雷达(TOPSAR)试验模式方位向波束前向扫描的需求;⑥孔径灵活可配置,具有全孔径、半孔径及部分孔径等不同配置模式,为动目标检测试验模式的实施提供了可能[4]。

对卫星成像模式的可扩展性进行了专门的设计,有力地保证了GF-3卫星在轨成功实施多项新试验模式验证,如凝视聚束模式成像、TOPSAR模式成像、动目标检测和干涉测高等。

1)凝视聚束模式

凝视聚束模式作为SAR的一种重要高分辨率成像模式,通过雷达波束转动,使要成像的区域始终处于雷达波束的照射之下,从而延长了合成孔径时间,能得到超高的方位分辨率。GF-3卫星常规工作模式中不包含凝视聚束模式,因此在轨测试中,通过优化系统成像参数,完成了凝视聚束成像模式试验,实现了方位向分辨率由1.0 m到优于0.5 m的提升。图3给出了凝视聚束模式下,对宁和城际铁路桥和南京长江第三大桥的成像结果。凝视聚束模式图像中桥体结构清晰,细节可辨,证明了凝视聚束模式提升方位分辨率的能力。

2)TOPSAR模式

TOPSAR模式通过天线波束方位向反向扫描,实现短时间大场景覆盖,然后将波束切换到其他子测绘带进行成像。TOPSAR模式可以实现与扫描模式相同的测绘带宽度,且规避了扫描模式的方位向非均匀现象,可得到方位向辐射强度更均匀的图像,有利于后续SAR图像的定量化应用[5]。GF-3卫星常规工作模式中不包含TOPSAR模式,因此在轨测试中开展了TOPSAR模式成像验证试验,实现TOPSAR模式方位向4跳拼接成像,成像结果如图4(a)所示。该图像未经辐射校正,图中无明显拼接痕迹和亮暗起伏。作为对比,图4(b)给出了传统扫描模式图像,图中明显可见方位向亮暗起伏条纹。试验结果表明:TOPSAR模式从成像机理上解决了扫描模式的扇贝效应,具备更高的应用效能和潜力。本次试验验证了GF-3卫星具备实现TOPSAR模式所需的波束扫描能力,同时证明了其TOPSAR模式能获得比扫描模式辐射特性更均匀的图像产品。鉴于此,GF-3卫星的后续SAR卫星将全部扫描模式更改为TOPSAR模式,以提高图像辐射均匀性。

SAR动目标检测模式不仅能对观测区域进行二维高分辨率成像,还能准确检测场景中的运动目标,并对目标的运动参数进行高精度估计[6]。GF-3卫星常规工作模式中不包含动目标检测模式,但方位向具有2个独立接收通道,能形成同一场景的相邻2幅图像,这就具备实现动目标检测的基本条件。GF-3卫星在轨开展了动目标检测试验,采取“一发两收”的工作方式,获得了双通道数据,进行了动目标检测能力的验证。动目标试验的检测区域为山西及河北境内的大同-秦皇岛铁路线,检测结果如图5所示。通过提取目标的相位信息,估计出火车的位置和径向速度,结果与先验信息相符,证明GF-3卫星具备动目标检测和一定的运动参数估计能力。

4)干涉测高模式

干涉合成孔径雷达(InSAR)是一种通过SAR干涉相位信息获取地表三维模型和地面沉降信息的差分技术[7],可以大范围、高密度地提取地表形变信息,既能快速响应地震、火山等地质灾害,又能广泛应用于地壳运动、冰川、滑坡、城市/矿区地面沉降和人工建筑物的稳定性等长期监测。利用GF-3卫星冻结轨道的回归特性,在不同时刻、同一位置获取同一地区的2幅SAR影像,进行差分处理,去除地形起伏和其他因素的影响后,可得到地表形变信息。GF-3卫星的试验测量区域为河北省黄骅和上海,测量结果见图6,图中检测到厘米级的地表形变,检测精度达到亚厘米级。鉴于本次试验的成功,GF-3卫星的后续SAR卫星也将围绕提高干涉测高精度开展设计工作。

4 结束语

GF-3卫星的总体设计验证工作,以满足定量化应用为核心,围绕SAR载荷,尤其是SAR天线对卫星能源、构型、热控方面的需求,在不同阶段、针对不同的验证目标,开展了大量的仿真分析及试验验证工作。尤其在研制过程中,借助SAR天线及电子设备开展的地面ISAR“国际空间站”成像试验、采用吸波热沉进行的SAR天线与整星联合热试验,对我国SAR卫星的研制工作极具参考意义。

在总体设计过程中,考虑了成像模式的可扩展性,GF-3卫星在轨完成了多种试验模式的验证工作,扩展了卫星应用范围,验证了多项星载SAR新技术的可行性,也为后续SAR卫星研制奠定了技术基础。

GF-3卫星已经在轨运行一年多,仍然有很大的潜力有待开发和挖掘,其后续SAR卫星也已经立项开展研制,并将与GF-3卫星组网运行,为我国多极化SAR数据业务化应用提供支撑。

References)

[1]张庆君.卫星极化微波遥感技术[M].北京:中国宇航出版社,2015 Zhang Qingjun.Satellite polarimetric microwave remote sensing[M].Beijing:China Astronautics Press,2015(in Chinese)

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[3]杨汝良.高分辨率微波成像[M].北京:国防工业出版社,2013 Yang Ruliang.High resolution microwave imaging[M].Beijing:National Defense Industry Press,2013(in Chinese)

[4]杨汝良.极化微波成像[M].北京:国防工业出版社,2016 Yang Ruliang.Polarimetric microwave imaging[M].Beijing:National Defense Industry Press,2016(in Chinese)

[5]Zan F D,Guarnieri A M.TOPSAR:terrain observation by progressive scans[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2006,44(9):2352-2360

[6]Ghristoph H Gierull,Ishuwa Sikaneta,Delphine Cerutti-Maori.Two-step detector for Radarsat-2’s experimental GMTI mode[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2012,55(1):436-454

[7]Rosen P A,Hensley S,Joughin I R.Synthetic aperture radar interferometry[J].Proceedings of the IEEE,2000,88(3):333-382

System Design Verification of GF-3 Satellite

ZHANG Qingjun LIU Jie LI Yan QI Yalin ZHAO Liangbo
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

GF-3 satellite is the only microwave imaging satellite of the NHREOS(national high resolution earth observation system),as well as the first C-band multipolarity SAR(synthetic aperture radar)satellite with 1 m spatial revolution in China.The satellite has the requirement of high quantitative application index,as well as some technical characteristics and difficulties such as large mass and size of radar antenna,high requirement of thermal control,high power and complex structure at the same time.So in the paper,the system design characteristics and design verification methods are introduced such as high image quantification and high scalability.The high image quality and quantification application are achieved by using system modeling,simulation analysis,ground test and on-orbit test,which makes the satellite have on-orbit expansion ability.The verification methods adopted in design and development process of GF-3 satellite can be used to system design of other SAR satellites.

GF-3 satellite;SAR;system design;verification method

V474.2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.001

2017-09-21;

2017-09-27

国家重大科技专项工程

张庆君,男,博士,研究员,博士生导师,卫星总设计师兼总指挥,航天遥感领域总师,入选“新世纪百千万人才工程”和国家“万人计划”科技创新领军人才。先后获得国家科技进步特等奖、国家发明一等奖、国防科技进步一等奖等多项奖励。研究方向为航天器系统与总体技术、航天遥感应用。Email:ztzhangqj@163.com。

(编辑:夏光)