全球首顆！高軌“減災衛士”身懷絕技

文/苗珊珊 攝/高劍 張婉瑩

8 月13 日，由航天科技集團五院抓總研制的陸地探測四號01 星在西昌衛星發射中心由長征三號乙運載火箭成功發射。這是我國也是世界上第一顆高軌合成孔徑雷達（SAR）衛星，也是全球首顆地球同步軌道SAR 衛星。

經過4 次變軌后，陸地探測四號01 星在8 月下旬順利進入工作軌道，合成孔徑雷達天線成功展開，衛星完成了入軌初期飛控試驗主要工作，工況正常，狀態良好。未來，這顆衛星將在防災減災工作中發揮重要作用。

▲ 陸地探測四號01 星在軌工作示意圖

▲ 陸地探測四號01 星的大型傘狀天線示意圖

擔當重任，填補國際空白

陸地探測四號01 星被譽為“減災衛士”，屬于《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃（2015-2025 年）》中的遙感科研衛星，可服務防災減災、地震監測、國土資源勘察及海洋、水利、氣象、農業、環保、林業等7 個行業的應用需求，是我國目前行業用戶最多的遙感衛星。

這位“減災衛士”不僅成功摘得了世界上首顆地球同步軌道SAR 衛星的“桂冠”，其配備的像傘一樣的環形天線還將發揮重要作用，通過向地面發射微波信號來感知地球信息。未來，陸地探測四號01 星將憑借快速機動、高精度微波成像的特點，“全身心”致力于防災減災工作，進一步完善我國天基災害監測體系，豐富我國重點區域觀測手段，全面提升我國防災減災救災綜合水平。

眾所周知，災害信息獲取是世界各國防災減災的重要前提，而利用天基遙感手段進行觀測是絕佳方案。我國自然災害種類多、分布地域廣，防災減災工作十分重要。

在陸地探測四號01 星發射之前，高軌SAR 仍是國際空白。在綜合考慮災害觀測需求與現有觀測體系的差距后，研制團隊認為，地球同步軌道SAR 衛星既能憑借高軌道帶來的高重訪、超大幅寬、強機動優勢，彌補低軌SAR 衛星的不足，又能利用SAR衛星全天時、全天候的特點，滿足災害觀測“隨叫隨到”的要求，從而完美“回應”國家需求。

值得注意的是，陸地探測四號01星的觀測載荷設備不是光學相機，而是合成孔徑雷達。這種雷達工作時，先對地球發射電磁波，再接收從地球反射回來的電磁波并進行解析，從而獲取包含大量信息的雷達圖像。總體來看，這款雷達載荷具有高分辨率、寬覆蓋、多模式、輕量化等優點。

▲ 高軌SAR 衛星觀測范圍很大

▲ 衛星畫“8”字示意圖

“正是因為采用了合成孔徑雷達，衛星不需要借助光線就可以成像，并且能夠穿透云層，觀測云層之下的世界，因此陸地探測四號01 星可以不受氣候、光照限制，全天候、全天時對地觀測，非常適用于防災減災等應用場景。”陸地探測四號01 星總指揮、總設計師張慶君說。

此外，這顆衛星還有一個特點，那就是運行的傾斜地球同步軌道特別高，距離地球近4 萬千米。飛得越高，看得越遠，在軌運行的陸地探測四號01 星就像在天上重復畫著一個“8”字，可以對固定的一大片區域進行相對持續的觀測，觀測重訪周期短，成像幅寬大。

與低軌衛星、光學衛星相比，陸地探測四號01 星將高軌觀測重訪周期短、成像幅寬大的優勢與微波觀測不受氣候限制（全天候）、不受光照限制（全天時）的優勢結合起來，可以提高識別災害異常變化信息的精度和效率，提升自然災害綜合防治能力。

未來，陸地探測四號01 星將推動我國相關工作從注重災后救助向注重災前預防轉變，提升我國對災害的應急響應與救助支撐能力。

勇于創新，提升技術水平

陸地探測四號01 星運行在平均高度3.6 萬千米的地球同步軌道上，“長相”別具一格：它背著像傘一樣的環形天線，通過這把“傘”向地面發射微波信號來感知地球信息。正是在陸地探測四號01 星工程研制過程中，科研人員首次創新性提出了大口徑環形反射面天線+相控陣饋源方案，最終實現工程化，帶動了相關基礎理論、系統設計和精密制造等方面的技術進步。

▲ 長三乙火箭發射陸地探測四號01 星瞬間

為了確定這個方案，科研人員付出了長期的艱辛努力。2008 年，南方雪災和汶川地震給人民生產生活造成了巨大影響，促使五院成立了陸地探測四號01 星研制團隊，決心解決災區影像難以快速獲取的問題，以衛星遙感技術支持用戶應急決策，減少人民生命財產損失。

張慶君介紹，自20 世紀七八十年代起，多國先后研制、發射了SAR衛星，用于災害監測等領域，但國外SAR 衛星都運行于低軌，過境時間短，重訪周期長，觀測范圍小，難以滿足應急、搶險和救災的時效性需求。高軌SAR衛星相當于“固定”在地面上空的攝像頭，可以全天時、全天候、克服極端天氣條件來實施對地觀測，有效彌補低軌衛星在觀測時間上的不足，在觀測范圍上也能對低軌衛星進行良好補充。

由于沒有成熟經驗可供借鑒，研制團隊堅持自主創新，開展論證攻關。面對“SAR 在高軌上能否成像”這個世界級難題，項目團隊從成像機理開始“深挖”，梳理出影響成像的關鍵因素并逐一分析，“必須蹚出一條屬于我們的高軌SAR 路線”。

與光學衛星“咔嚓”拍張照不同，SAR 衛星是依靠數據反演進行成像的。衛星副總設計師劉立平介紹：“為了確保高軌SAR 能成像，研制團隊率先對成像算法的精確性開展研究，對梳理出的影響成像的因素逐一分析討論，并進行了大量的計算和仿真試驗，為高軌SAR‘量身定做’一套可行算法。”

為此，研制團隊進行了大量技術調研，做了十幾輪方案論證，提出了基于拋物面天線的載荷方案。在此基礎上，項目總體團隊創造性地提出了現在的星電聯合掃描方案。

▲ 高軌星載SAR 的合成孔徑時間長達百秒級

▲ 科研人員細致調整衛星設備

▲ 火箭分段吊裝

傳統的低軌SAR 合成孔徑時間為秒級，一般采用飛機等高速平臺進行校飛試驗，但高軌SAR 的合成孔徑時間為百秒級，必須采用低速平臺才能完成驗證。通過調研，研制團隊找到了一段廢棄的鐵軌，設計了一款可調節速度的“小車”，用于裝載天線，在滑軌上慢速滑行，模擬高軌SAR 的百秒級長合成孔徑時間成像，最終獲取了真實的長合成孔徑時間的SAR圖像，驗證了高軌SAR 成像機理的可行性。

“為了讓衛星更好地服務于防災減災工作，我們充分利用高軌和微波兩個特點，緊扣災害發生特點和觀測需求，為衛星精心設計了普查、區域、凝視、應急4 種應用模式，為防災減災提供更精準專業的服務。”張慶君介紹。

具體來說，在普查模式下，衛星幅寬幾千千米，單次成像覆蓋面積近1/6 個中國，“一眼望去”，幾乎可以獲取整個長江流域的水文信息；在區域模式下，衛星成像分辨率更高，相關部門可對關注地區進行詳細觀測；在凝視模式下，衛星可對受災區域開展持續多次觀測；在應急模式下，假如多地災害同時發生，衛星監測需求也能夠得到滿足，“哪里需要看哪里”。

陸地探測四號01 星的環形大天線展開面積接近一個籃球場，主要由桁架、金屬網面、展開臂及抱環等組成。堅挺的桁架圍成一圈，堅定地守護著金屬網面。這型大口徑環形展開反射器是目前我國口徑最大、結構最復雜、展開環節最多、研制周期最長的衛星天線，每一次成功展開的背后，都彰顯著研制人員對產品技術的“吃透”和對過程細節的嚴控。

不過，衛星搭載著國內最大直徑的在軌天線，還有又細又長的天線展開臂，如何飛上天就成了項目團隊需攻克的首要難題。為此，設計師巧妙地優化了衛星“房子”的布局，給大天線找到了合適的“家”，再給天線的“胳膊”安裝關節，讓天線展開臂“U”型環抱著衛星“房子”，確保整星能夠順利地搭乘火箭上天。

在陸地探測四號01 星之前，已有6 副環形天線成功在軌飛行，所以衛星研制團隊積累了豐富的工程經驗和充足的技術儲備，但沒放松要求。針對衛星環形天線更大的口徑指標要求，在研制之初，團隊就對風險點進行了反復深入分析與論證，通過提升傳動效率和展開策略優化等諸多關鍵技術的應用，極大地提升了天線在軌展開裕度和可靠性。

可以說，陸地探測四號01 星研制團隊嚴慎細實地對待每一次技術突破，取得了一個又一個勝利，將為我國應急管理災害監測提供極大支撐，助力災害數據獲取能力實現躍升。