環境一號C衛星系統總體設計及其在軌驗證

張潤寧 姜秀鵬

(航天東方紅衛星有限公司 北京 100094)

1 引言

環境一號C(HJ-1-C)衛星是“環境與災害監測預報小衛星星座”[1,2]中的1顆合成孔徑雷達(SAR)小衛星，其具有全天時、全天候的工作能力，與星座中的光學衛星HJ-1-A/B互補，可以對環境生態、環境污染和多種災害實現動態監測[3]，是我國民用航天體系建設的重要組成部分。

衛星采用CAST2000平臺進行研制，整星重約830 kg，采用降交點地方時為6:00 AM太陽同步圓軌道，軌道高度約500 km，設計壽命3年。有效載荷為S波段SAR，其采用了6.0 m×2.8 m的可折疊式網狀拋物面天線，SAR原始數據通過 X波段下行鏈路傳輸，碼速率為2×160 Mbps。衛星在軌飛行狀態如圖1所示。

衛星的主要技術指標如表1所示。

圖1 HJ-1-C衛星在軌圖Fig.1 HJ-1-C satellite in orbit

作為我國自主研制的首顆民用合成孔徑雷達衛星，HJ-1-C衛星突破了以國產化S波段集中式固態發射機及輕型網狀拋物面天線為代表的多項關鍵技術，開創了我國合成孔徑雷達衛星新的技術領域和方向。衛星在軌成功獲得了具有獨特性能優勢的 S波段 SAR圖像數據，填補了國內乃至國際上沒有在軌S波段SAR數據的空白[4,5]，豐富了我國星載SAR數據庫。

本文從衛星系統頂層設計角度，研究總結了衛星頂層指標體系、SAR載荷體制的選擇以及SAR與衛星平臺接口關系的建立過程和匹配關系，并對衛星在軌驗證情況進行了總結。

表1 HJ-1-C衛星總體主要性能指標Tab.1 Main technical index of HJ-1-C

2 衛星任務頂層設計

2.1 有效載荷配置及軌道的選擇

衛星總體任務設計時，必須開展用戶需求的分析工作，從而將用戶的應用需求轉換為工程語言描述的系統功能要求和指標體系。在型號工程立項綜合論證過程中，用戶提出了在環境與災害監測預報小衛星星座中，要有全天候、全天時的微波觀測手段，并且要求有相對較高的分辨率和寬覆蓋，在觀測時相方面，要盡量與光學衛星配合實現均勻分布。為此，在系統總體頂層設計時，首先明確了HJ-1-C衛星配置成像型的合成孔徑雷達有效載荷，同時由于 HJ-1-A/B兩顆光學衛星必須采用近正午的軌道，因此HJ-1-C衛星采用了太陽同步的晨昏軌道。通過整個星座頂層任務的規劃與設計，HJ-1-C衛星與HJ-1-A/B衛星配合，基本具備了全波段、全天候、全天時的觀測能力，大大縮短了整個星座的重訪和覆蓋周期，并使得整個星座對地面的觀測時機均勻化。

為了在觀測時相方面與 HJ-1-A/B配合，HJ-1-C衛星的軌道選擇了500 km高度的太陽同步晨昏軌道，同時由于該軌道光照條件和外熱流相對穩定，簡化了衛星總體設計，有利于衛星構型設計以及SAR大功率熱耗散熱面的選擇。

2.2 應急和覆蓋能力分析

SAR衛星應用于應急觀測時，其對特定地區的重訪能力是一個非常重要的參數，通過遙感器在衛星軌道上可視成像帶的覆蓋特性來評估系統的重訪能力，為此，需將衛星的軌道特性、SAR天線側擺能力及其可視幅寬綜合優化設計，以給出衛星對特定地區重訪周期的設計參數。按照 SAR天線轉角范圍為28.0°～44.5°以及掃描模式下100 km的成像帶條件，并考慮地球曲率，在赤道緯度圈上，SAR可能的觀測視場在星下點右側約 206.8～620.0 km范圍。對我國國土可視覆蓋示意圖如圖2所示。在此種軌跡規律下，1天的國土覆蓋率約為37.2%,2天的國土覆蓋率約為78.2%,3天的國土覆蓋率約為92.0%,4天的國土覆蓋率為97.4%，基本能夠滿足4天內對國土及周邊地區實現重訪的要求。

如果要對國土進行一次全面普查，此時需考察衛星及SAR天線的瞬時幅寬的覆蓋能力，按照SAR天線瞬時幅寬100 km以及每軌成像時間12 min的條件，可以仿真計算出 HJ-1-C衛星對國土的覆蓋能力如圖3所示。1天的國土覆蓋率約為9.84%；15天國土覆蓋率約為87.01%；在30天，國土覆蓋率達到100%。

圖2 衛星1天和4天之內的重訪能力Fig.2 Revisit capacity in one day and 4 days

圖3 1天和15天之內的國土覆蓋Fig.3 Coverage in one day and 15 days

3 衛星SAR有效載荷體制選擇

在確定選擇合成孔徑雷達為衛星的主要載荷后，需對其頻段、分辨率、信噪比等主要技術指標以及實現體制進行分析論證，以實現應用與工程實現的最佳結合。

3.1 SAR波段的選擇

選擇 SAR衛星工作波段首先考慮的因素是用戶的要求，其次是 SAR系統的重量、功耗、體積以及元器件的水平和組成SAR系統的可實現性。S波段處于SAR常用波段的中間段，其穿透性適中，是技術實現和應用需求綜合優勢比較明顯的一個頻段，具有綜合性和兼容性的特點，其目標檢測能力比較強，在陸地使用的管理以及環境與自然災害的監測等方面可以發揮非常重要的作用。同時在同等約束條件下，SAR天線的尺寸、信號源和微波大功率產生、饋電鏈路實現難易程度、無線電波的傳播以及地面處理的各種校正因子對S波段的要求比較適中，因此 HJ-1-C衛星在充分兼顧應用需求與工程實現兩方面綜合因素的前提下，確定了 SAR載荷選用S波段。

3.2 SAR體制的選擇

一般來講，SAR系統可以采用分布式相控陣體制或集中式拋物面體制，其體制的選擇決定了衛星的構型、力學特性、控制模式以及供配電的體制，甚至影響到 SAR可以實現的成像模式以及分辨率和測繪帶寬等重要參數和性能。在選擇體制時要綜合考慮各種因素，包括 SAR的工作模式、微波大功率的產生方式，以及衛星平臺的安裝空間等體積、重量、功耗約束。

集中式 SAR體制可以采用大功率合成以及可折疊網狀拋物面天線相結合的方案，采用該體制以后，可以在很小的空間內安裝SAR天線和發射機，大大減輕對衛星平臺體積、重量和功耗的要求，適合小衛星平臺，為衛星批量研制、組網運行奠定了良好的基礎。同時通過天線饋源的合理設計，也可以實現靈活的工作模式，并能有效控制天線旁瓣性能、便于抑制圖像模糊。為此，環境一號C衛星優先選擇了集中式SAR載荷體制。

4 衛星平臺與SAR載荷匹配性研究

當確定衛星載荷的體制和基本配置后，在衛星總體設計中需重點圍繞有效載荷的需求開展衛星平臺適應能力的分析以及載荷與平臺之間的匹配性研究，并經過多次迭代以確定最終的衛星總體方案[6]。本節重點對衛星平臺中與SAR有直接接口關系的數傳、姿態、供配電以及熱控適應能力進行分析研究。

4.1 SAR載荷與衛星數傳的信息接口關系

SAR原始數據率按式(1)計算。

式中PRT為脈沖重復周期，Tw為采樣窗口，B為雷達信號帶寬，b為A/D轉換的量化位數，Ks為過采樣系數，一般取1.1～1.2。HJ-1-C衛星為了實現5 m分辨率，40 km的幅寬，B至少應大于60 MHz，當按b=8 bit采樣時，SAR實時輸出數據碼速率大于800 Mbps，為此需考慮原始數據壓縮技術，HJ-1-C衛星SAR分系統采用8:3 BAQ(塊自適應量化)技術后，經仿真驗證，圖像質量仍然可以得到理想的結果。SAR壓縮后的原始數據與成像輔助數據經格式編排后，分成兩路分別送入數傳分系統的兩個AOS編碼器，經過傳輸信道的再次格式編排后，進入兩個X頻段直接調制的數傳通道，其中每個通道各負責一半成像帶幅寬的SAR原始數據，實現了兩個通道的相互隔離，提高了系統的總體可靠度和故障隔離能力。總的2×160 Mbps的下行碼速率、SAR與數傳接口協議中約定可自適應調節的選通門長度和時序確保了SAR波位參數變化時，信道的裕度和數據格式的兼容性及適應性滿足星地鏈路的要求。

4.2 SAR成像與衛星平臺控制指標的關系

衛星的姿態誤差包括偏航、俯仰和滾動方面的誤差，分別用εy,εp,εr表示。由于確定SAR圖像目標位置只要解3個方程，第1個是距離方程，第2個是多普勒方程，第3個是地球模型方程[7]，這些方程的解不需要衛星的姿態信息，因此，衛星姿態誤差對圖像定位誤差沒有直接影響。但衛星姿態指向誤差會引起多普勒中心頻率的偏移，當同時存在偏航角和俯仰角誤差時，多普勒回波頻譜偏移量為[8]：

對于 HJ-1-C 衛星，v=7.6 km/s,λ=0.1 m,εp=εy=0.1°,θ=45°，多普勒頻譜偏移為 452 Hz，方位向多普勒帶寬約為 2v/L=2×7600/6=2533 Hz，因此，姿態誤差引起的多普勒偏移約占信號帶寬的18%，不會出現多普勒中心的模糊，因此，HJ-1-C衛星0.1°的姿態指向誤差可以滿足地面處理的要求。但是當考慮地球自轉效應后，SAR天線的正側視不再能保證波束中心對應零多普勒中心，將會導致地面處理的復雜化，為此，衛星總體按照星地一體綜合優化的原則，在控制系統中采取了偏航牽引策略，以保證波束中心指向與零多普勒中心一致[9,10]，偏航角的具體計算公式如下[11－14]：

其中，i為軌道傾角，ωs為衛星軌道速度，ωe為地球自轉速度，u為衛星軌道緯度幅角，α為衛星姿態偏航角。HJ-1-C衛星偏航牽引規律如圖4所示。

此外，控制系統為了適應 SAR天線導致的整星力學頻率低、轉動慣量大以及質心多變等特點，衛星控制系統通過星上定時讀取 SAR天線的轉角數據，并針對不同的轉角數據采用不同的控制參數，確保了 SAR天線在展開過程中以及處于不同轉角時姿態均能夠控得住、控得穩。

4.3 SAR載荷與衛星供配電系統的接口關系

衛星供配電系統采用高低壓雙獨立母線拓撲結構，以適應 SAR載荷不同設備的需求，其中高壓母線為34.0 V，為SAR固態發射機和部分控溫回路供電；低壓母線為28.5 V，為其它中央電子設備供電。兩條母線完全獨立，配備各自的太陽電池陣、蓄電池組和功率調節設備，最終在配電器共地。此設計滿足了 SAR分系統對電源供電的穩定性和母線品質要求，且避免了固態發射機工作時對28.5 V母線產生的干擾。同時，整星供配電系統專為SAR有效載荷設計了預充電電路，消除了大功率有效載荷加電時所產生的浪涌電流，保證了電源分系統電源母線輸出電壓的穩定。

4.4 衛星熱控系統對SAR大功率、高熱流密度設備的溫度控制

SAR固態發射機是載荷中的關鍵設備[15]，其工作溫度要求為-10℃～+40℃，8個組件之間的溫差最大不超過 8℃，每圈工作不超過15 min，每天最多連續工作8圈，其余時間不工作。固態發射機的熱耗為820 W，熱流密度最大值為34000 W/m2，是目前國內在軌運行的熱流密度最大的設備，而且在軌道周期中的熱耗波動范圍非常大。為此，固態發射機直接安裝在散熱面最好的＋Y面的上側壁熱控冷板上，其由實心鋁板和蜂窩板構成，并預埋了8根熱管，同時，為了維持儀器溫度，對＋Y上側壁板進行了溫度補償。

圖4 HJ-1-C衛星偏航牽引規律曲線Fig.4 Yaw steering laws of HJ-1-C

5 衛星在軌測試驗證

HJ-1-C衛星于2012年11月19日成功發射后，順利完成了 SAR天線的展開和平臺的工程測試，并于2012年12月9日實現載荷開機成像，形成了信噪比高、模糊度小、圖像清晰、層次分明、信息豐富的S波段合成孔徑雷達圖像數據，驗證了基于集中式發射以及輕型網狀拋物面天線的衛星總體方案和參數設計的合理性和優越性，也驗證了星地一體化鏈路的匹配性和兼容性。

5.1 SAR成像性能在軌測試驗證情況

SAR成像指標在軌測試驗證情況如表2所示。

圖5為在軌測試期間衛星對武漢地區的條帶模式成像結果，圖6所示為衛星對岳陽地區的掃描模式成像結果。

5.2 姿態控制能力在軌測試驗證情況

在衛星經歷的 SAR天線解鎖、轉動、展開和側擺等各個環節中，衛星姿態穩定，證明了衛星姿態控制的良好性能。圖7為SAR天線展開過程中的控制系統性能曲線。

表2 HJ-1-C衛星SAR成像指標在軌測試驗證情況Tab.2 Verification of SAR performance of HJ-1-C satellite in-orbit

圖8為衛星姿態采用偏航牽引后，偏航角變化規律的在軌實際測試結果，其變化規律與 SAR載荷成像要求的規律一致。

5.3 供電系統適應SAR載荷能力的在軌測試驗證情況

圖9，圖10為SAR載荷在2.5 min典型成像模式工作期間，衛星供配電系統狀態監測情況，從中可以看出，載荷工作期間，兩條母線狀態平穩，相互間隔離狀態良好。

圖5 衛星對武漢地區的條帶模式成像結果(1,2,3分別為武漢天河機場、碼頭及輪船、長江大橋及火車)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)

圖6 掃描模式獲得的岳陽地區的圖像Fig.6 Image of Yueyang district acquired in ScanSAR mode by HJ-1-C

5.4 對SAR大功率固態發射機熱控保證措施的在軌驗證情況

圖11為SAR固態發射機在軌工作7 min期間，8個發射機模塊溫升及相互差異情況曲線。從中可以看出，溫升速率不超過 1℃/min，8個模塊間的溫度差不超過2℃，滿足了固態發射機的設計要求，保證了SAR射頻信號性能的穩定。

圖7 SAR天線在軌展開過程中姿態穩定情況Fig.7 Attitude variation during the SAR antenna’s deployment in orbit

圖8 姿態偏航牽引后偏航角在軌實際變化曲線Fig.8 The variation of yaw attitude after introducing yaw steering in orbit

圖9 載荷工作模式為3波束掃描時28.5 V實時遙測變化Fig.9 The voltage variation of 28.5 V power bus during 3-beam ScanSAR mode in orbit

圖10 載荷工作模式為3波束掃描時34.0 V實時遙測變化Fig.10 The voltage variation of 34.0 V power bus during 3-beam ScanSAR mode in orbit

6 結束語

HJ-1-C衛星的成功發射和運行，完成了我國環境減災“2+1”星座的建設任務，支撐了后續任務的規劃。

衛星在軌成功獲取了信噪比高、模糊度小、動態范圍大、層次分明、信息豐富的S波段合成孔徑雷達圖像數據，證明了S波段SAR成像是有效的，也證明了采用集中式發射以及輕型網狀拋物面天線的衛星總體方案的可行性、合理性以及系統參數和接口的匹配性。

圖11 7 min固態發射機溫度遙測歷程曲線Fig.11 The variation of the solid state transmitter’s temperature during working in 7 minutes

衛星獲得的具有獨特性能優勢的 S波段 SAR圖像數據填補了國內沒有在軌S波段SAR數據的空白，豐富了我國星載SAR圖像數據庫。

通過衛星及 SAR載荷產品國產化關鍵技術的攻關研制，驗證了集中式 SAR體制及其小衛星平臺的適應能力，為我國 SAR衛星系統朝著輕小型化方向的發展奠定了堅實的基礎。

[1]王橋,吳傳慶,厲青.環境一號衛星及其在環境監測中的應用[J].遙感學報,2010,14(1): 104-121.Wang Qiao,Wu Chuan-qing,and Li Qing.Environment Satellite 1 and its application in environmental monitoring[J].Journal of Remoting Sensing,2010,14(1): 104-121.

[2]王毅.環境一號C 雷達衛星[J].衛星應用,2012,(5): 74.Wang Yi.HJ-1C radar satellite[J].Satellite Application,2012,(5): 74.

[3]張薇,楊思全,王磊,等.合成孔徑雷達數據減災應用潛力研究綜述[J].遙感技術與應用,2012,27(6): 904-912.Zhang Wei,Yang Si-quan,Wang Lei,et al..Review on disaster reduction application potentiality of synthetic aperture radar[J].Remote Sensing Technology and Application,2012,27(6): 904-912.

[4]鄧云凱,趙鳳軍,王宇.星載SAR 技術的發展趨勢及應用淺析[J].雷達學報,2012,1(1): 1-10.Deng Yun-kai,Zhao Feng-jun,and Wang Yu.Brief analysis on the development and application of spaceborne SAR[J].Journal of Radars,2012,1(1): 1-10.

[5]趙志偉,金麗花.國外SAR衛星總體技術發展現狀及啟示[J].航天器工程,2010,19(4): 86-91.Zhao Zhi-wei and Jin Li-hua.Inspiration from development of overseas SAR satellite system technologies[J].Spacecraft Engineering,2010,19(4): 86-91.

[6]吳煒琦,張育林.合成孔徑雷達衛星系統任務分析方法研究[J].電子與信息學報,2006,28(4): 619-623.Wu Wei-qi and Zhang Yu-lin.Mission analysis for synthetic aperture radar satellite system[J].Journal of Electronics &Information Technology,2006,28(4): 619-623.

[7]張錦繡,曹喜濱.衛星總體參數對SAR分辨特性影響分析及仿真研究[J].宇航學報,2004,25(2): 163-168.Zhang Jin-xiu and Cao Xi-bin.Simulation and analysis of satellite system parameter effect on SAR resolution performance[J].Journal of Astronautics,2004,25(2): 163-168.

[8]Elachi C.Spaceborne Radar Remote Sensing: Applications and Techniques[M].New York: The Institute of Electrical and Electronics Engineers,Incorporation,1988.

[9]Wang Zhen-song,Wang Zhi-qin,and Xu Jiang.The effects of attitude of the circular orbiting SAR on Doppler properties[J].International Journal of Remote Sensing,1994,15(11): 2313-2322.

[10]Zhang Zhi-yong,Cao Zhi-guo,and Zhang Tian-xu.Spaceborne SAR imaging by exactly compensation of the attitude errors[C].Part of The SPIE Conference on Algorithms for Synthetic Aperture Radar Imagery VI,Orlando,Florida,1999: 152-159.

[11]郭德明,徐華平,李景文.高分辨率星載斜視 SAR的姿態導引[J].宇航學報,2011,32(5): 1130-1135.Guo De-ming,Xu Hua-ping,and Li Jing-wen.Attitude steering for high resolution spaceborne squint SAR[J].Journal of Astronautics,2011,32(5): 1130-1135.

[12]王國華,孫進平,袁運能,等.星載合成孔徑雷達系統偏航控制的精確計算[J].電子與信息學報,2006,28(9): 1569-1572.Wang Guo-hua,Sun Jin-ping,Yuan Yun-neng,et al..Precise computation of yaw-steering in spaceborne synthetic aperture radar system[J].Journal of Electronics &Information Technology,2006,28(9): 1569-1572.

[13]孟云鶴,尹秋巖,戴金海.SAR衛星多普勒頻移偏航導引補償效果分析[J].中國空間科學技術,2004,24(1): 45-48.Meng Yun-he,Yin Qiu-yan,and Dai Jin-hai.Doppler frequency shift compensation analysis of SAR satellite yaw steering[J].Chinese Space Science and Technology,2004,24(1): 45-48.

[14]Fiedler H and Boerner E.Total zero Doppler steering-a new method for minimizing the Doppler centroid[J].IEEE Geoscience and Sensing Letters,2005,2(2): 141-145.

[15]Naftaly U and Levy-Nathansohn R.Overview of the TECSAR satellite hardware and mosaic mode[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2008,5(3):423-426.