面向智能应用的轻小型Ku波段SAR卫星

刘 洋，万志强，戴媛媛，张 闻，赵妍妍，李 华

（上海微小卫星工程中心 遥感卫星总体研究所，上海 201304）

0 引 言

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）作为一种主动式微波成像载荷，能够不受天气、气候以及光线的影响，可以全天时、全天候地成像。星载合成孔径雷达可兼具广域和高分辨成像能力，已发展成为一种重要的遥感成像手段[1-9]。

随着未来天基互联应用需求的不断提高，涵盖多手段遥感、多源信息融合与智能化服务的系统需求迫切。SAR卫星作为其中的重要一环，需要具备低成本、小型化、集成化、具有网络互联与信息服务能力，以适应未来星座组网的应用需求。

传统SAR卫星一般为1吨以上的大卫星，近年来随着技术的不断进步，微小卫星技术水平得到飞速提升，微小卫星的应用日益广泛[10-14]，小型化的SAR卫星应用越来越多。国外在轨成功运行的小型SAR卫星系统主要有：德国的SAR-Lupe卫星系统、以色列的TecSAR卫星、印度的RISAT-2卫星和日本的MicroSAR，但质量也基本均在300 kg以上。巨大的包络和质量既要有较高的成本，也对运载提出了较高的要求，难以适应未来批量化和大规模的星座部署。

针对国家战略对天基信息服务的新需求，和未来对地综合遥感的迫切需要，本文设计一种面向智能应用的轻小型Ku波段SAR卫星。该卫星以小于200 kg的质量，实现了Ku波段0.5 m SAR高分成像；同时该卫星具备星间通信和在轨智能处理能力，能够适应各类天基互联遥感应用。

1 卫星总体设计

轻小型SAR卫星选择了框架面板式箱体结构作为主结构方案。卫星本体外形为长方体，载荷布置于卫星平台的顶部，卫星发射状态和卫星飞行状态如图1所示。

图2为卫星产品树。轻小型SAR卫星由卫星平台和载荷组成。卫星质量为192.5 kg，发射包络为807.4 mm×896.1 mm×1 915.4 mm，展 开 包 络 为4 169.8 mm×2 050 mm×3 554.8 mm。载荷包括Ku波段SAR载荷、激光通信、智能载荷等；卫星平台包括结构分系统、热控分系统、电源及总体电路分系统、综合电子分系统（包括空间路由器）、姿轨控分系统和星务分系统等。

SAR载荷通过载荷舱与平台进行机械连接，采用“轻型抛物面天线+高功率行波管发射机”方案，雷达波束控制通过卫星机动侧摆实现，采用脉冲体制工作在Ku波段。

SAR载荷由中央电子设备和天线单元组成。中央电子设备由射频综合单元、数字综合单元和行波管发射机组成。其中，射频综合单元分别实现基准频率信号产生、调频信号正交调制、发射线性调频信号功率放大、回波信号接收放大、发射和回波接收信号的双工传输等功能。数字综合单元实现系统的定时与控制、遥测信号采集及传输、回波信号数据采集、数据打包及发送、线性调频信号产生等功能。行波管发射机实现发射信号的大功率放大。天线单元由射频组合前端及反射器组成。其中射频组合前端实现射频信号的功合、隔离、传输及开关等功能。

智能化信息处理与服务载荷是实现载荷信息在轨处理与资源服务的物理载体。该载荷实时接收缓存遥感载荷原始数据及位置姿态等信息，实现快速数据处理，接收来自用户的服务请求并提供相应的信息服务。智能载荷采用FPGA+多GPU+大容量存储的架构，能够根据应用任务处理要求通过高速串行总线接收原始数据，并将在轨加工后的产品数据返回给载荷管理器。

激光通信机采用光机电一体化集成设计，包括扫描机构（含电机及驱动电路）、光电编码器及采集电路、收发光路、轴承、激光器、QAPD探测模块、激光器驱动温控电路、电源管理模块以及主控制模块。

卫星平台采用框架面板式结构，结构模块简单紧凑、可靠性高，具有很好的综合力学性能以及良好的拆卸等操作性。基于可靠性和经济性的考虑，卫星选择双侧二级展开太阳翼，每翼由三块帆板组成。

卫星热控设计方案采用被动热控技术为主、主动热控技术为辅的设计方法，以卫星总体方案和构型布局为基础，通过模块化设计及合理的热控设计和分析，有效地组织卫星舱内、外热交换，使星上所有仪器设备满足其温度要求。

入轨阶段，卫星姿轨控分系统利用高可靠姿态测量部件和三轴磁力矩器，充分阻尼星体角速率，实现三轴稳定惯性定向；任务模式下利用星敏感器与陀螺组合实现高精度姿态测量，采用反作用轮组实现各种任务指向并维持三轴稳定控制；推进子系统采用了ADN无毒推进系统，使用1个1 N推力器推进方案。

卫星综合电子包括平台综合电子、载荷管理单元、相控阵数传、星间UHF和天线。其中平台综合电子包括星务计算机、PIU、GPS和二次电源模块，完成整星平台的状态采集、逻辑处理、定位定轨等功能。

载荷管理单元报告包括复接、大容量存储、光纤模块和载荷主控模块，提供整星任务执行及图像、工程数据存储和支持。星间UHF提供星间低速网络互联能力。天线部分包括两根收发一体的X频段测控天线、一根GPS天线、一根UHF天线、一根点播天线和一根相控阵数传天线。

电源与总体电路分系统由太阳电池方阵、锂离子蓄电池组、电源控制器以及总体电缆网组成。考虑到卫星锂离子蓄电池的充放电倍率和在轨工作寿命，采用一组30 A·h锂离子蓄电池组和不调节母线方案，太阳能电池和锂离子电池联合供电。

2 卫星平台设计

2.1 构型设计

卫星采用框架面板式结构，卫星主结构由底板、承力杆、+Y侧板、-Y侧板、+X侧板、-X侧板和顶板组成，如图3所示。

底板、承力杆、顶板组成的结构是卫星的主承力结构，4块侧板作为辅助承力结构与主承力结构刚性连接，主承力结构与辅助承力结构共同承载并传递整星的纵向、横向和扭转载荷。

卫星载荷舱采用框架面板式结构，卫星载荷舱主结构由载荷舱顶板、载荷舱承力杆、载荷舱+Y侧板、载荷舱-Y侧板、载荷舱+X侧板、载荷舱-X侧板和载荷舱承力结构组成，如图4所示。

2.2 数据流

卫星信息流主要包括星地测控信息流、星地数传信息流、星地点播信息流和星间通信信息流四部分，如图5所示。

卫星数据源包括载荷产生的原始观测数据，经过智能载荷处理后的结果数据，来自地面测控站、星间链路或用户终端上行链路的控制指令数据以及其他应用数据。

其中从星间链路接收的数据包含：控制指令信息，由载荷任务管理模块处理；处理后的载荷结果数据，从相控阵通道下发到地面站或移动用户；网络任务规划信息，由智能载荷接收并处理。

发往星间链路的数据包含：从测控通道或相控阵通道上注的控制指令信息，由载荷任务管理模块收集并发送（境外测控）；处理后的载荷结果数据或网络任务规划信息，由智能载荷产生并发送。

3 载荷设计

3.1 SAR载荷

微小型SAR是卫星的成像载荷，采用小型化集成化设计，在500 km轨道高度，实现8 km以上宽幅以及优于1 m的分辨率。

主要性能指标要求如表1所示。

表1 SAR载荷主要性能指标

SAR载荷主要由天线单元和高集成度中央电子设备组成，系统的组成框图如图6所示。中央电子设备由数字综合元、射频综合单元及行波管发射机组成，负责完成高精度本振频率、采样时钟、定时脉冲和线性调频信号的产生与大功率发射激励输出，并进行雷达回波信号增益控制与动态调整，经变频和数据采集后转换成量化数字信号，与雷达辅助数据形成格式化数据输送给数传系统。同时对所有中央电子设备及天线实现控制和监测，以保证多模式工作能正常运行。天线单元主要由射频组合前端以及反射面天线组成。其中，射频组合前端实现射频功率合成、射频开关等功能。

3.2 智能载荷

智能载荷主要完成以下功能：

1）支持载荷数据快速处理。其具备支持在轨快速处理观测载荷原始数据的能力，能够实时接收载荷原始数据包，并存储在内部存储中；同时调度数据处理任务将存储的载荷原始数据通过内部高速串行数据总线分发到数据处理节点上进行快速数据处理。

2）数据高速存储分发。其具备载荷原始数据高速缓存、应用数据快速分发的能力，同时支持载荷原始数据的高速缓存和各类数据从存储模块向其他内部模块或外部系统的快速分发功能。

3）资源实时监测管理。实时接收卫星平台广播的遥测数据等信息，实现对各类资源的监测管理。

4）能源动态优化管理。其能够根据处理任务需求及星上能源约束，自主调节系统内部供配电状态和工作状态，实现功耗动态可控、工作模式自主切换，以满足能源和实时应用的需求。

智能载荷控制板采用双FPGA（Virtex7+Zynq）+GPU+SATA盘阵的架构实现在轨高性能计算、存储及传输功能。其中FPGA（Zynq）用于智能化信息处理与服务载荷的控制和管理功能；FPGA（Virtex7）用于高速载荷数据的接收与缓存功能；GPU完成原始数据的实时计算任务；SATA盘阵用于存储大容量原始数据和产品数据。智能化信息处理与服务载荷内部使用PCIe和千兆以太网两套总线完成各计算单元之间的高速数据互联和控制互联。从功能上，控制板硬件主要包括3个主要模块：1个主控模块、1个原始数据收发管理模块和1个处理模块，如图7所示。3.3星间UHF与激光通信

卫星配备星间低速与高速通信通道。低速星间通信由UHF通信机结合2副宽波束UHF通信天线实现，在不需要调整卫星姿态的条件下尽可能提供低速星间微波通信通道，可用于：辅助高速激光星间链路的建立；为星间路由学习提供通道；星间任务指令分发等。

星间激光通信机以满足性能指标要求和载荷资源限制为最高前提，面向组网应用需求，设计满足全双工工作方式，采取集约型和紧凑型设计方案，按照一体化、模块化、标准化要求进行研制。同时，为尽量节约空间与质量资源，设计采用无信标捕获跟踪方案。通信和跟瞄由两个探测单元组成，分别为APD探测器和QAPD探测器。捕获跟踪采用旋转双光楔的方案，可以满足±30°的建链角度范围要求，并减少了两轴跟踪架等结构，降低了资源消耗。具体组成图和系统信息流图如图8所示。激光通信载荷的主要技术指标要求如表2所示。

表2 激光通信载荷主要技术指标

4 天基智能应用

卫星各类指向需求如表3所示。

表3 卫星任务与指向模式

卫星对地成像任务包括：SAR条带成像模式、SAR滑动聚束模式等。当卫星有观测任务时，卫星由对日定向提前进行姿态机动转为对应指向模式，随后成像1～2 min，成像完毕后进行姿态机动，转成对日定向。卫星各种成像模式下一轨可能的序列如图9～图12所示。

卫星数传工作模式可通过凝视指向，使天线中心实时指向地面站点；也可以调整姿态使数传天线面对地，通过相控阵±60°扫描，实现对地面站及移动地面站数传。天线中心凝视指向时间最长约9 min，需实时姿态机动跟踪；天线面对地指向依靠相控阵扫描，最长数传时长5 min，数传过程中姿态保持对地不变。

在轨试验验证时段内，星间UHF微波网络为常开状态，每颗星随时可能处于在网状态，并随时与周围卫星进行信息交互。卫星接收到观测任务时，卫星由对日定向提前进行姿态机动转为对应成像指向模式，随即成像1～2 min，成像完毕后进行姿态机动，转成对日定向。在成像的同时，复接存储将载荷数据转发至智能处理载荷，开始实施星上处理约8 min。星上数据处理完的结果存储后，通过数传通道传输至地面，或通过星间链路传输给其他卫星。

当用户发出观测请求生成观测指令，卫星星群收到观测指令后，进行自动解析与任务规划，并利用不同载荷小卫星观测的特点和优势，对观测区域进行数据获取和数据处理。针对观测区域的重点设施，进行目标识别和历史数据搜索，生成目标状态信息和变化信息，最后将处理后的数据信息通过星地网络传回用户客户端。

5 系统特点与优势

卫星具备以下特点：

1）国内首颗星载Ku波段微波成像：支持滑动聚束和条带等模式高分辨成像。

2）高载荷比，卫星平台质量为109.09 kg，载荷质量为83.41 kg，载荷比达到1.3∶1。

3）轻小型星载Ku波段微波遥感技术：轻小型桁架反射面微波天线技术，高达1.4∶100的收纳比。

4）具备星间互联功能：2 Kb/s@1 500 km速率的UHF宽波束微波实现星间任务状态同步、协同指令分发，路由学习和引导激光快速星间建链等，支持动态组网，可感知周边4～6颗星及自主路由学习；高集成、单一波长、全双工的星间激光通信系统，100 Mb/s@1 500 km速率实现载荷数据高速传输。

5）面向地面终端提供网络化智能信息服务：随遇终端接入，终端网络化直连卫星，星地交互式定制信息服务终端任务上注。

6）在轨任务规划与数据处理：针对任务目标进行在轨自主导引规划，在轨图像处理、切片、终端下传；完成SAR条带成像、几何定位和水体检测处理/舰船检测处理，长度大于100 m的舰船检测率大于等于90%。

卫星于2021年4月27日发射入轨，在轨运行良好，在应急处理、灾害救援方面发挥了巨大作用。卫星在轨成像示例如图13所示。

6 结 论

面向智能应用的轻小型Ku波段SAR卫星是一颗低成本、高集成、高载荷比、高功能密度比，具有智能、网络能力的微波遥感卫星。该卫星面向天基互联应用，采用通用平台设计，整星质量为192 kg，成像分辨率最高达0.5 m，卫星系统可在轨完成多维遥感信息综合获取和天基网络智能传输及规划处理。轻小型SAR卫星可与同类或其他类型卫星根据应用需要组成星座系统，实现在轨高频覆盖和综合遥感应用。该系统的建立可为应急事件处理、灾害救援和资源普查等不同遥感应用提供解决方案。