意大利下一代雷达成像卫星发展概述

马楠 徐冰 （ 中国空间技术研究院， 北京空间科技信息研究所）

2019年12月18日，意大利下一代雷达成像卫星星座—“第二代地中海盆地观测小卫星星座”（CSG）的首发星（CSG－1），利用“联盟-弗雷盖特”（Soyuz-Fregat）运载火箭成功发射，将接替第一代“地中海盆地观测小卫星星座”（Cosmo-SkyMed），为意大利军民用户提供连续、高质量的图像数据情报服务。

1 任务背景

1996年，意大利政府启动国家对地观测计划，并于1997年出台了“1998－2002年国家航天计划”，意大利航天局（ASI）的Cosmo-SkyMed星座项目列入其中，并作为该计划的重点项目。2001年，意大利国防部加入Cosmo-SkyMed项目，使该系统具有明显的军事背景。

Cosmo-SkyMed星座

Cosmo-SkyMed是由意大利航天局和意大利国防部联合投资发展的军民两用雷达成像四星星座，能够实现全天时、全天候的高分辨率成像侦察，为意大利政府和军方提供军、民用的雷达图像数据。

泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（TAS）作为Cosmo-SkyMed系统的主承包商，负责建造卫星平台和雷达载荷。4颗Cosmo-SkyMed卫星已于2007－2010年间发射部署，目前均超期服役。Cosmo-SkyMed卫星发射质量1700kg，设计寿命5年，运行在高度619.6km、倾角97.86°的晨昏太阳同步轨道(SSO)。4颗卫星部署在同一轨道面，标称情况下各卫星等间距分布，平均重访时间可以达到半天。卫星采用TAS公司的“多用途可重构意大利卫星平台”（PRIMA），载有合成孔径雷达－2000（SAR－2000），工作在X频段，具有聚束、条带和扫描3种成像模式，最高分辨率优于1m。该星座的最高日采集能力为在条带或扫描模式下连续工作10min，或是在聚束模式下采集20幅图像。

Cosmo-SkyMed卫星外形图

CSG星座

CSG卫星项目由意大利国防部投资，由意大利航天局给定任务需求，仍然作为军民两用系统接替现役Cosmo-SkyMed系统。由于没有充足的资金研制四星星座，因此意大利政府同意先研发两颗卫星，将加入欧洲“多国天基成像系统”（MUSIS），CSG－2卫星计划于2020年底发射。

2015年9月，TAS公司与意大利政府签订合同，为其研制首颗CSG卫星，并为第二颗卫星购买所需的组件，合同价值1.82亿欧元（约2亿美元）。

2 任务研制历程

早在2011年，意大利航天局就授予TAS公司CSG项目的阶段B合同，希望2016年发射首颗卫星，但因为预算拨款不足问题导致进度一再延迟，直到2015年意大利政府明确表态，该项目才得以继续推进。

2013－2016年为详细设计阶段，2017年11月完成了任务关键设计评审。2016－2018年为系统研制阶段，原计划2018年发射首颗卫星，经过几个月的试运行，于2019年正式投入服务。原计划2019年发射第二颗卫星，并于2020年正式投入服务。

3 任务基本情况

任务目标

CSG星座的总体目标是接替上一代Cosmo-SkyMed星座，提升成像服务质量，获取更多、更高分辨率、更大幅宽的图像数据，更好地服务于意大利政府和军方用户。

星座设计

与Cosmo-SkyMed系统的四星星座设计不同，CSG系统由2颗编队飞行的卫星组成，在轨期间将与法国“昴宿星”光学成像侦察卫星协同工作。

CSG卫星发射质量约2230kg，设计寿命7年，可实现24h自主运行，运行在高度619.6km、倾角97.86°的晨昏太阳同步圆轨道，轨道周期97.1min，升交点地方时为6：00，两颗卫星将运行于同一轨道面。CSG卫星采用三轴稳定控制方式，利用控制力矩陀螺实现左、右视敏捷成像，左、右视成像机动只需不到4min（含稳定时间）。

CSG双星星座可在10天内完成一次全球覆盖，相比之下，Cosmo-SkyMed星座则需要14天。但由于卫星数量的减少，CSG系统在紧急状态下对于任意目标的响应时间增加至36h（最长时间），而第一代系统仅需要12h。

两代卫星星座性能对比

卫星平台

CSG卫星采用PRIMA改进型平台，包括电源分系统、有效载荷数管与传输分系统、电子设备分系统等。电源分系统与第一代卫星相比增加了40%的功率，用于保证所需的成像性能。有效载荷数管与传输分系统由数据存储与管理组件、X频段加密单元、X频段传输组件组成。电子设备分系统采用控制力矩陀螺作为驱动器，提高卫星的姿态敏捷能力。星上存储容量1530Gbit（寿命末期）。数据传输采用X频段，数据传输速率2×260Mbit/s。测控链路采用S频段，上行数据率8kbit/s，下行数据率最高2048kbit/s。

意大利航天局推动了一项“小型飞行任务”计划，旨在与意大利工业界合作，用于研制低成本公用平台。PRIMA是在该计划下由TAS公司研制的适用于对地观测、科学、通信、导航多种用途的卫星平台。该平台最早用于Cosmo-Skymed星座，首颗卫星发射于2007年6月。该平台已入选美国国家航空航天局（NASA）快速航天器研制办公室（RSDO）第三批平台目录，与2006年欧洲航天局（ESA）《用于未来科学任务的公用平台》报告给出的PRIMA平台指标相比，入选NASA第三批平台目录的PRIMA改进型平台指标更先进。

PRIMA平台在结构上由3个主要舱组成，3个舱在功能上独立，可并行进行集成测试，最后再进行整星集成。这3个舱为服务舱（包括平台组件）、推进舱（包括所有推进组件）和有效载荷舱（包括有效载荷及相关组件）。PRIMA平台采用三轴稳定方式，结构为四棱柱体，上部为服务舱，下部为有效载荷舱。在平台两侧安装有太阳电池翼。平台结构采用碳纤维复合材料，面板采用铝合金制成。为保证指向精度和稳定度，雷达天线、星跟踪器、陀螺等部件直接安装在碳纤维结构上。热控系统以被动热控为主，主动热控为辅，采用恒定传导率热管、电加热器、热电阻和恒温器等。

PRIMA平台与PRIMA改进型平台性能对比

有效载荷

CSG卫星载有X频段合成孔径雷达载荷，称为CSG-SAR，由合成孔径雷达电子分系统（SES）和合成孔径雷达天线分系统（SAS）两部分组成。合成孔径雷达电子分系统包括数字电子设备和射频设备。数字电子设备负责仪器控制、信号生成、回波信号采集等。射频设备负责上转换和放大、放大和下转换、生成参考信号等。SAS基于TAS公司研制的COSMO-SkyMed卫星的合成孔径雷达和韩国多用途卫星－5（KOMPSAT－5）的合成孔径雷达的经验而开发，同时结合对带宽、辐射功率、双极化、降低成本等需求进行了技术改进。采用大型可展开平面主动相控阵雷达天线，天线展开后尺寸为7.5m2，由2560个收发模块组成，通过电子方式控制波束的形状和方向。CSG-SAR采集数据率高达2×1.2Gbit/s，采用分块自适应量化（BAQ）算法进行数据压缩，数据量化10bit。

CSG-SAR的目标是提高成像质量的同时，保证观测的灵活性。CSG-SAR具有不同分辨率、不同幅宽的成像能力，大体上可实现聚束、扫描、条带三类成像模式，包括专用于情报和国防应用的甚高分辨率、窄幅宽的聚束模式，以及应用于民用领域的高分辨率、窄幅的聚束模式，中分辨率（3m×3m）、宽幅的条带模式和低分辨率（大于4m）、宽幅的扫描SAR模式等。

具体来说，CSG-SAR有标准成像模式和非标准（试验）成像模式。标准成像模式又可细分为10种，具体为5种聚束模式（聚束－1A、1B、2A、2B、2C）、 条 带模式、交叉极化模式、条带全极化模式和两种扫描SAR模式（扫描SAR－1和2）。

除了标准成像模式外，CSG-SAR还增加了多种非标准（试验）成像模式，包括离散阶梯带（DI2S）聚束－1（分辨率最优）、DI2S聚束－2（幅宽最优）、分散的“场景采集”聚束和相邻的“场景采集”聚束模式等。

DI2S模式下可同时获取多幅图像，增加对给定区域内的图像获取数量。DI2S模式可获取相同方位向位置、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、相同入射角的多种图像对。

倾斜的“场景采集”模式可用于满足针对特定区域的多种成像请求，这些请求由于存在时间冲突而无法通过其他方式予以满足。CSG系统通过非常高的卫星敏捷能力实现了该功能，可以获取相邻的多幅图像或分散的多幅图像。

4 任务特点

采用载荷设计创新，为提升成像服务能力奠定硬件基础

CSG-SAR的特点在于SAR传感器设计，以及SAR天线和SAR电子器件的体系创新等方面。CSG-SAR天线采用模块化设计，由10个相同的“大瓦片”构成，每个“大瓦片”都能够以非常大的脉冲宽度管理信号，还能同时接收来自两个独立通道的水平极化和垂直极化信号，CSG-SAR的收发模块数量是Cosmo-Skymed星上雷达的两倍。该收发模块以十分成熟的射频单片微波集成电路（RF MMIC）微电子元件为基础，可提供远超当今水平的超高射频输出功率和效率。数字拼接控制单元（TCU）、波束形成网络（BFN）、真实延迟线路（TDL）等都是确保在整个工作频段内波束对准的必备器件。专门设计拼接供电单元（TPSU）用于提高40%的供给功率。SAR电子器件的创新体现在数字电子设备的发射部分和接收部分以及射频设备等方面。

CSG-SAR标准成像模式

增加多种新成像模式，全方位满足用户多样化成像需求

根据第一代Cosmo-Skymed系统的开发与运行经验，国防用户、民用管理机构、民用科研部门、商业用户等不同领域的用户具有不同的需求。因此考虑到这些需求的变化，在设计CSG系统时进行了改进。

1）增加了甚高分辨率模式。CSG系统不仅继承了上一代系统的成像模式，并且提高了成像性能，同时还引入了一些新的成像模式，增强了数据获取的多样性，可提供更多种不同分辨率、不同幅宽的数据产品，比如更高分辨率、更大幅宽的图像。据公开信息，CSG系统的最高分辨率已达到0.35m（聚束－2A模式），纯军用的聚束－1A和1B模式的成像分辨率应该更高。与第一代卫星相比，CSG系统对聚束模式进行了改进，结合用户的多样化需求提供了三种不同的成像方案。聚束－2A模式将提供最优的分辨率性能，聚束－2B模式将提供最优的幅宽性能，聚束－2C模式将增加图像采集的数量。为了保持与上一代系统的连续性，CSG-SAR具 有2个扫描SAR模式，扫描SAR－1幅宽为100km，单或双极化，扫描SAR－2幅宽为200km，单或双极化。

2）具有更高密度的图像采集能力。与Cosmo-Skymed相比，CSG系统能够实现对同一感兴趣区域更多次成像。CSG卫星采用控制力矩陀螺提高了卫星敏捷性，因此增加了“场景采集”新的试验模式，通过平台快速精准机动实现雷达指向和精准成像。另外，采用了DI2S新的试验模式，可实现同时对两个目标进行成像。通过以上改进，CSG系统可以克服无法在单次过顶时对同一个感兴趣区域的两个相邻目标进行成像的问题。

3）具有同等分辨率更大幅宽的聚束成像能力。利用上述的“场景采集”模式，保证同等分辨率的同时，扩大成像幅宽。

4）具有多极化方式。与第一代卫星的单极化、双极化模式相比，CSG系统具有单极化、双极化、交叉极化、全极化等多种极化方式。