捕风一号卫星总体设计与技术特点

白照广，王崇羽，范东栋，孙纪文

航天东方红卫星有限公司，北京 100094

1 引言

海面风场是大气、海洋各种运动的主要动力来源，它与海洋中几乎所有的海水运动直接相关，是形成海面波浪的直接动力，海面风场调节海/气之间的热量、水汽和物质交换，维持着区域与全球的气候，更是气象预报的必要参数[1]。传统的海面风探测手段，如海洋浮标、船舶、海洋站等，观测点少，观测区域受限，难以实现大范围和恶劣天气条件下的实时有效观测。为此，基于微波散射计[2]、激光测风雷达[3]、导航卫星反射信号测量(global navigation satellite system-reflection，GNSS-R)[4]的星载海面风场探测技术得到了广泛关注。

风场相对于其他重要大气要素(温度、湿度和水汽含量)而言，存在精度提高、效率提升的迫切需求，应用小卫星平台，对海面风场进行加密观测，可弥补已有大卫星观测效率、观测手段的不足。气象和海洋等部门需要特殊轨道、新型观测手段、快速部署的低成本和高性价比的小型卫星星座来提升中低纬度加密观测以获得多源探测数据，实现高效率和高精度探测的目标[5]。

航天东方红卫星有限公司开展导航卫星反射信号测量GNSS-R技术、新型大气成分探测技术等攻关工作，完成了新型小卫星及其星座系统论证和设计。GNSS-R技术是通过接收目标反射的导航信号来反演相应目标要素信息，该技术具有被动接收、多信号源、全天候、资源(质量/体积/功耗)占用小、成本低、可靠性高等技术优势，在风场、海面高度、有效波高、海水盐度、冰川、积雪厚度、土壤湿度等气象[6]、海洋和陆地领域多要素监测方面展现出良好的应用前景[7]，已成为国内外遥感和导航技术领域研究的热点之一[8]。目前，国外已通过岸基、机载和星载等多种手段完成了GNSS-R技术的验证，并开始进入业务化运行阶段，国内已完成岸基、机载相关试验积累，急需星载验证，图1为GNSS-R工作原理。

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

航天东方红卫星有限公司配合航天科技集团有限公司的海上发射任务，提出了星载GNSS-R技术卫星方案，任务需求明确、技术得到突破、前期航空试验已有验证结果、低倾角发射等特点充分满足首次海上发射的各项要求，采取了双星组合探测的方案，型号名称为“捕风一号A/B卫星”，简称“捕风一号卫星”，型号代号为“BF-1A/B”。BF-1卫星成为中国首次海上发射卫星。

BF-1卫星首次实现中国星载GNSS-R工程化实践，完成演示验证和相关试验，挖掘其科学和应用价值，重点研究其在风场测量方面的应用潜力。项目由2颗技术状态完全一致的卫星在轨组成星座运行，轨道高度约579 km、轨道倾角为45°，采用CZ-11 海射Y1运载火箭进行发射。

2 卫星设计方案

2.1 任务需求分析

中国气象局《空天技术领域“十三五”战略规划建议报告》(2016)，瞄准国家重大突发性天气灾害(台风等)的应急监测与预警需求，建设、发展和完成中国台风高空探测观测系统，获取台风内部第一手气象要素资料，进而提升中国对台风的监测预报预警能力。利用导航卫星反射信号可对海面风场进行测量，进而反演台风风速，即GNSS-R技术，该技术在台风风速测量方面可作为现有手段的有益补充，可进一步提高海面风场的预报精度。另外GNSS-R技术抗干扰能力强，能够穿透台风眼壁的暴雨，收集风暴内核的数据，填补对台风眼区域的气旋运动过程认识的空白。

GNSS-R微波遥感技术属于外源助动遥感，兼有主动遥感信噪比高、定位准确、针对性强和被动遥感设备简洁、方便，性价比高、系统维护成本低廉、稳定安全、隐蔽性好的优点。基本原理是利用GNSS星座作为多源L 波段微波外部发射源，通过星载GNSS接收机，获取目标物对GNSS电磁波的反射信号，分析其反射信号与 GNSS直接信号在强度、频率、相位、极化方向等参数之间的变化，来反演目标物的状态。BF-1卫星通过微纳卫星平台搭载GNSS-R微波遥感器，应用星载GNSS-R载荷获取的数据，研制生产台风监测专题产品，在气象领域开展业务化应用，与气象应用主体业务高效衔接，以解决用户的需求。

2.2 卫星方案概述

BF-1卫星采用CAST100卫星平台。卫星结构为立方体构型，采用分舱式设计方案，整星共设置两个舱段，即有效载荷舱和平台舱；机构部分采用4个固定式太阳翼和2个展开式太阳翼，展开式太阳翼每翼由太阳翼基板和机构部分组成，发射时折叠收拢压紧，入轨展开后锁定；堆栈组合体结构负责全星电子线路板的集成，并提供承力。

卫星热控采用被动为主、主动热控为辅的方案，以保证星上设备在各种环境条件和工作模式下正常工作。

卫星姿态控制采用三轴稳定、对地定向、偏置动量控制设计方案。采用“星敏感器+陀螺”联合定姿方式，并配置磁力矩器实现动量轮卸载，实现高精度高稳定度姿态控制。

卫星采用体装式太阳电池阵+展开式太阳电池阵，采用不调节母线和以集中供电为主的配电体制，为平台和载荷提供一次母线+28 V，+5 V和±12 V三种电压。

星务管理组件是整星信息系统的核心，采用分布式CAN+I2C总线网络。通过CAN+I2C总线，将星务主机与分布于星上的各组件有机地连接起来，实现星上信息交换和共享，实时地完成星上运行管理、控制和任务调度。

星地测控采用X频段扩频测控体制，遥控码速率2 000 bit/s，遥测码速率4 096 bit/s；采用GNSS/BD2双模接收机提供实时定位信息，定位精度最高10 m(3个方向)。

②堤防(含穿堤建筑物)。南堤以南肩线为界，北堤堤外有调度河的至调度河北子堰外堤脚线征地红线，无调度河的至北堤堤脚线外征地红线。

对地数传采用X频段，QPSK调制方式，固存容量64G，码速率24 Mbit/s，通过相控阵天线右旋圆极化进行对地数据传输。

卫星有效载荷为L波段被动雷达，通过接收导航星直达和反射信号进行海面风场数据反演测量，可以实现海面风场测量的范围为2～61.2 m/s。图2为BF-1卫星在轨示意，表1为BF-1卫星主要技术指标。

图2 BF-1卫星在轨示意Fig.2 On-orbit diagram of BF-1 satellite

表1 BF-1卫星主要技术指标

2.3 观测能力

考虑L波段被动雷达对GNSS反射信号接收的信噪比和质量，轨道高度不宜太高，BF-1卫星轨道高度为579 km。中国周边大部分海域纬度低于北纬41°，只要轨道倾角大于41°即可满足对中国周边海域的覆盖；海上发射运载火箭受发射地点选择、航迹、落区等因素制约，选择轨道倾角为45°，既能够满足对中国周边海域的观测需求，同时也能兼顾一带一路沿线国家观测需求。

L波段被动雷达的波束指向分析还要考虑台风观测的任务需求。台风核心区域的直径约为300 km，其影响甚至可达2 200 km。BF-1星座在轨运行示意如图3所示。

图3 BF-1星座在轨运行Fig.3 On-orbit train diagram of BF-1 satellite constellation

既要保证台风核心区域的观测，又要尽可能扩大台风的观测范围。BF-1卫星的观测条带的设计方法为：对于任一轨道高度，设计观测条带间的距离为300 km，卫星需要能够有效对台风核心区与台风影响范围进行观测，在垂轨向波束宽度取44°的情况下，综合镜面反射点数的分布特点，最终确定GNSS-R反射信号接收天线的波束指向角为26°，接收机天线在卫星两侧对称安装，波束覆盖范围和观测能力如图4所示。

图4 反射信号接收机天线对地覆盖示意Fig.4 Illustration of coverage of reflected signal receiving antenna

2.4 飞行程序与任务模式

根据用户测量要素全、风场测量范围大、测量精度高的使用需求及海上发射的任务特点，卫星设计了相应的工作模式及任务模式，包括轨道控制模式、任务模式、安全模式等。设计的轨控工作模式包括：升轨模式、降轨模式、倾角调整模式。卫星的飞行程序如图5所示。安全模式包括姿态异常安全模式、能源安全模式、载荷安全模式、星务主机安全模式等，用于星上不同故障状态时，卫星可自主控制到安全运行状态下； 任务模式分别为时延-多普勒映射(delay-Doppler maps，DDM)记录模式、DDM+原始数据记录模式、原始数据记录模式、边记边放模式、顺序回放模式、按地址回放模式，可满足任务需求。

图5 BF-1飞行程序Fig.5 Flight procedure of BF-1 aatellite

3 卫星任务特点

3.1 填补海面高精度风场监测空白

传统气象卫星以云顶测量等手段监测风速，难以高精度表征海表风速，浮标测风数量少、离散，散射计测风范围有限，GNSS-R通过接收导航星反射信号可对风速进行精确测量[9]。BF-1卫星定位为星载GNSS-R技术演示验证和科学试验，可以完成风场内核监测，弥补气旋中心热动力学探测的空白，高时空分辨率使得GNSS-R技术可以完成气旋全寿命周期的监测。GNSS-R技术还可以进行海面浪高、海水盐度和海冰厚度等要素的探测，探测要素丰富。在具备2～70 m/s范围大风场测量的同时，风速测量精度可以达2 m/s，优于传统手段。使其获得的海面风场(风速)数据将试用于中国气象局台风预报业务应用体系。除此之外，还将在海浪、冰川、积雪、土壤湿度等方面进行数据反演试验工作，研究其应用的可行性。

3.2 首次采用海上发射方案

BF-1卫星发射任务是中国首次采用海上发射方案，海上发射无传统发射场和测控系统保障，如图6所示，需对卫星与发射场系统以及测控系统的接口及流程进行重新设计。

图6 BF-1卫星发射场与测控系统特点Fig.6 Characteristics of launch site and measurement and control system of BF-1 satellite

运载火箭主动段测控由安放在发射保障船上的移动测控站完成，收到测控信号后一路传输至发射指挥船，一路通过中国卫星通信集团公司信号传至北京。卫星主动段不加电，星箭分离后卫星测控由航天驭星有限公司海外移动测控站负责，收到信号后传输至北京数据中心，再经运控大厅传输至位于发射海域的移动终端(基于互联网VPN设备)，确保入轨测控任务的顺利完成。

海上发射相对于陆地发射主要面临了新流程、新环境和新状态。星箭一体化铁路运输进场及海上运输等对卫星发射流程带来了重大影响。海上发射卫星面临的新环境，相对以往更加恶劣：海边测试厂区面临雨水引发的高湿、高盐分水汽侵扰，在星箭组合体吊装上船期间由于无法提供空调保障，就需要需严格控制操作时间；在发射船上，射前近小时空调停用、运载起竖，海面的高湿、高盐分水汽同样会对卫星有腐蚀影响；入轨点可具备的测控条件均与以往不同。为适应于海上发射的新环境、新流程，必然导致卫星出厂状态、运输状态与监测、射前测试、发射历程与飞行预案等呈现许多新状态。型号队伍通过对“三新”细致分析，梳理每个环节可能存在的问题，制定卫星出厂前加注、运输力学跑车试验、全流程温湿度监测、发射前保障船工作等应对措施，并进行了有效控制，确保了海上首次发射卫星的成功，并形成相应文件，为卫星海上发射积累了丰富的经验。BF-1卫星出厂及发射流程如图7所示。

图7 BF-1卫星出厂及发射流程Fig.7 Delivery and launch process of BF-1 satellite

3.3 星地一体化数据反演

相比科学目标和应用目标，卫星研制、发射的工程目标实现较易，但面向科学研究和业务应用的关键是数据反演。传统的做法是卫星发射后，地面应用系统相继开展数据反演相关的一些模型和算法研究，这对于对台风监测等应用领域的紧迫需求是不相适应的，因此卫星研制过程中同步开展地面数据反演工作研究，组织完成建模和算法设计，确保“卫星上天、数据落地、测试试用”一气呵成，最大程度发挥卫星应用效能，即卫星与数据处理反演算法同步开展，通过探讨用户产品服务模式，积累改进提高的经验与水平。

3.4 创新性的数据中心

创新性地建立了卫星数据中心，拓展公司业务能力，为解决后续自研项目“在轨测控难”“载荷数据落地难”的问题，为后续“先行先试”项目论证提供支持，依托BF-1卫星建立的卫星数据中心，形成公司自研型号完整的在轨能力；同时也为促进公司从卫星集成商到卫星系统服务提供商的转变，提升公司在卫星工程大系统设计方面的能力，带动合作专业厂所向卫星应用领域发展。

4 在轨测试与性能比较

4.1 在轨测试与运行情况

卫星入轨后，进行了1周的工程测试，卫星平台和有效载荷均工作正常，设备处于主份工作状态。

入轨后20天，两星建立45°相位间隔星座，两星实现全轨道圈载荷工作，数据记录、接收正确。

在后续在轨测试流程中，先后完成载荷性能测试评估、风场反演精度评价、产品真实性检验与验证，测试结果表明，载荷性能稳定，反演精度满足设计要求。

捕风卫星地面数据处理系统顺利完成了L0、L1和L2级数据处理与生成。卫星地面数据处理系统完成了各级数据处理，原始数据接收成功率达99.9%以上，有效数据产品处理成功率优于90%，利用大洋浮标和再分析场完成了1级数据风场等反演可用性评估，评估表明数据可用于风速反演应用，符合2 m/s或10%的风速反演对资料处理精度的设计要求，具备海面风场业务试运行能力。

作为中国首个GNSS-R海面风速探测卫星，在轨获得了良好的DDM探测信号，并经数据处理，获得了1级数据产品，得到了可用于风速反演的特征观测量。捕风一号试验卫星1级数据产品包含15个数据变量，包括观测时间参数(week，second，time_utc)，观测时刻捕风卫星位置速度参数(remote_ecef)，导航卫星类型、PRN和位置速度(gnss_type，gnss_prn，gnss_ecef)，镜面点位置速度和反射信号角度(reflect_ecef，elevation_angle)，以及观测特征量降采样DDM、功率校准DDM、信噪比和NBRCS(ddm_0，ddm，ddm_snr和NBRCS)。图8为处理后中国首幅功率校准GPS-R卫星DDM图，图9为基于北斗导航卫星的世界首幅典型功率校准BDS-R卫星DDM图，有望实现北斗卫星的拓展应用。

图8 中国首幅GPS-R卫星DDM图Fig.8 The first GPS-R satellite DDM picture of China

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

BF-1A/B卫星在轨已经稳定运行24个月，整星所有系统均工作正常、稳定，整星无常驻故障或影响用户使用的问题存在，在轨表现良好。卫星各项功能指标正常，各项性能指标均在正常范围之内，卫星运行稳定，状态良好。

4.2 主要性能比较

BF-1卫星与国际同类卫星CYGNSS ATBD结果比对[10]如图10所示。反演得到的结果与参考风速之差随镜面点入射角的变化趋势，其中越暗红，表明这类结果出现的频次越高[11]。两者反演风速与参考风速偏差随入射角的变化特性非常一致，风速偏差高密度区域均集中在同标尺范围内，两者反演风速与参考风速偏差、参考风速的变化特性一致，捕风数据结果在5～10 m/s区域显示出更好的数据聚集性，捕风卫星部分覆盖西风带，有比CYGNSS更多的相对高风速数据结果[12-13]。

图10 BF-1与CYGNSS ATBD结果比对Fig.10 ATBD comparison of BF-1 satellite and CYGNSS

在风速较低的情况下，反演偏差对称性较好，偏差比较集中；随着风速的提高，风速偏差分布也逐渐增大，这与特征观测量随风速提高的灵敏度降低以及观测数据信噪比降低等因素密切相关，也是后续提升反演性能需要重点处理的关注所在。

对BF-1卫星观测数据进行了风速反演分析，同GNSS-R同类型观测模式CYGNSS的相关结果作为比对，对风速反演的性能做评估[14]。图11给出了反演获得BF-1 A、B双星及CYGNSS星座8颗卫星的观测结果。其中BF-1卫星数据为采用NBRCS数据获得的2级风速，CYGNSS为融合NBRCS和LES观测量反演数据的3级风速产品。比对数据可以很明显看到两者数据具有很好的一致性，如日本东侧太平洋区域、马达加斯加岛附近有明显的低风速区域，而孟加拉湾和西风带具有明显的高风速区域。比对数据可以很明显看到两者数据具有很好的一致性，但由于捕风一号卫星仅有A、B双星，观测数据量明显少于CYGNSS星座，可用于反演的反演特征量较少，数据产品中离散出现的高风速数据点较CYGNSS偏多，后续通过提取更多的数据特征量和反演算法的进一步改进有望得到改善。

图11 BF-1和CYGNSS同日观测反演数据比对Fig.11 Comparison of the retrievals of BF-1and CYGNSS L3 data in the same day

5 结论

BF-1卫星的研制，是中国星载GNSS-R关键技术的突破，全链路验证了国内探测技术、数据处理能力和所得的数据产品特性；基于北斗导航卫星的探测信号有望实现北斗卫星的拓展应用；基于微小卫星平台风场组网探测为未来GNSS-R空间体系完善提供丰富的工程经验。

BF-1 A/B卫星目前采用单极化测量方式，只能通过前向散射探测海面风速，无法探测风向，影响业务化应用。因此，需要在后续星座中增加交叉极化探测手段，通过后向散射探测海面风向，满足气象预报模型数据需求，增强卫星探测能力，补齐风向测量要素。基于捕风一号卫星基础，积极开展后续星座设计工作，拓展组网规模，提升观测效率，实现全球小时级的区域重访，为气象等行业提供准实时数据信息。增强北斗信号探测能力，实现全自主知识产权支持的GNSS-R技术体系，发挥北斗信号宽带宽优势，提升数据精度。增加掩星探测模式，实现大气探测与电离层监测功能。联合各类科研、应用机构，增强数据共享，拓展卫星应用。