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論文推薦| 張慶君:高分三號衛星總體設計與關鍵技術

《測繪學報》

構建與學術的橋樑 拉近與權威的距離

高分三號衛星總體設計與關鍵技術

張慶君

空間技術研究院, 北京 100094

收稿日期:2017-02-06; 修回日期:2017-02-15

第一作者簡介:張慶君 (1969-), 男, 研究員, 博士生導師, 主要研究方向為衛星總體設計、星載微波遙感技術。

摘要:高分三號(GF-3)衛星作為首顆自主研製的C頻段多極化SAR衛星,突破了多項關鍵技術。衛星在明確SAR載荷的體制和基本配置的基礎上,圍繞SAR載荷的需求開展衛星平台適應能力的分析以及載荷與平台之間的匹配性研究,形成了一系列衛星特點和技術創新點,主要技術指標達到或超過國際同類衛星水平。

關鍵詞:高分三號衛星 總體設計 合成孔徑雷達

System Design and Key Technologies of the GF-3 Satellite

ZHANG Qingjun

Abstract: GF-3 satellite, the first C band and multi-polarization SAR satellite in China, achieves breakthroughs in a number of core and key technologies. The satellite technology abides by the principle of "Demand Pulls, Technology Pushes", forming a series of innovation point, and reaching or surpassing international level in main technical specification.

Key words: GF-3 satellite system design SAR

高分三號 (GF-3) 衛星是「國家高解析度對地觀測系統重大專項」中唯一的民用微波遙感成像衛星,也是首顆C頻段多極化高解析度合成孔徑雷達 (synthetic aperture radar,SAR) 衛星。GF-3衛星具有高解析度、大成像幅寬、高輻射精度、多成像模式和長時工作的特點,能夠全天候和全天時實現全球海洋和陸地信息的監視監測,並通過左右姿態機動擴大對地觀測範圍和提升快速響應能力,其獲取的C頻段多極化微波遙感信息可以用于海洋、減災、水利及氣象等多個領域,服務于海洋、減災、水利及氣象等多個行業及業務部門,是實施海洋開發、陸地環境資源監測和防災減災的重要技術支撐

作為自主研製的首顆C頻段多極化SAR衛星,GF-3衛星擁有整星機電熱一體化設計技術、多極化相控陣天線技術、高精度SAR內定標技術、大型相控陣SAR天線展開機構技術、大熱耗SAR天線熱控技術、脈衝大功率供電技術、大撓性星體條件下的衛星控制技術等9項關鍵技術。高分三號衛星具有以下特點:

(1) 衛星具備12種成像模式,是目前世界上成像模式最多的SAR衛星,也是首顆多極化SAR衛星。衛星圖像幅寬和解析度兼得,圖像解析度1~500 m,相應幅寬10~650 km,具有詳查和普查功能。衛星定量化水平高,圖像質量指標達到或超過國外同類SAR衛星水平,解析度1~10 m,NEσ0優於-19 dB;解析度25~500 m,NEσ0優於-21 dB;絕對輻射精度達到1.5 dB (1景)、2 dB (長期)。

(2) 通過SAR天線裝配及熱控設計,SAR天線平面度優於5 mm,全陣面溫度一致性優於7℃。

(3) 衛星平台供電能力高,可適應載荷高功率脈衝工作的需求,最大峰值功率15 360 W,最大平均功耗8000 W。

(4) 衛星撓性特性突出,姿態控制精度和穩定性高,具備連續二維姿態導引機動能力。

(5) 衛星採用自主健康管理機制降低整星故障風險。

(6) 衛星採用併網控制技術能夠在應急狀況下將載荷高壓母線變換成28V供平台使用,以提升衛星可靠性和安全性。

(7) 該衛星是首顆低軌8年設計壽命的遙感衛星。

本文從衛星系統頂層設計角度,研究總結了衛星系統總體設計和衛星技術創新點等方面的內容。

1 衛星系統總體設計1.1 衛星觀測任務

各領域對星載SAR遙感數據的需求非常迫切,在資源調查和災害救援等方面進口了大量的星載SAR圖像數據,國內還沒有在軌應用的民用SAR遙感衛星。因此,多個領域都提出了建造民用SAR衛星的需求,詳細需求如表 1所示。

為實現眾多用戶的各種觀測需求,GF-3衛星設計了條帶、聚束、掃描等12種工作模式 (如表 2所示),具備解析度1~500 m,觀測幅寬10~650 km的觀測能力,同時具有雙通道、多極化等功能,可極大地擴展衛星的觀測能力和應用能力,實現全天時全天候海洋與陸地觀測,提高海洋監視監測和災害管理水平,並提高農業、國土、環保、國安、公安、電子政務與主體功能區、住建、交通、統計、林業、地震、測繪等行業的調查與監測能力,提升突發事件快速響應能力,填補民用自主高分辨多極化SAR遙感數據空白。

表 1 GF-3衛星主要用戶觀測需求Tab. 1 Users' requirement of GF-3 satellite

主要用戶觀測目標及應用
海洋領域海浪、海面風場、內波、鋒面、淺海水下地形、海面溢油、海冰、綠潮、海岸帶、海面目標 (海面船舶、島礁人工設施、海上石油平台等) 等
減災領域洪澇淹沒範圍、滑坡泥石流體、積雪範圍、冰凌或海冰、乾旱範圍、建築物、臨時安置房、地上交通線、農牧林用地、防洪設施
水利領域流域水系特徵、地表水分佈、洪水範圍、土壤墒情、土地利用、植被覆蓋等方面。如地表水指標湖泊、水庫 (大壩)、河流、濕地、冰川、積雪、重要水源地、灌區等;地下水遙感監測指標岩溶、潛水層、泉、地質地貌等
氣象領域高解析度區域地表土壤水分監測,豪雨引發的滑坡和泥石流等地質災害預測預警

表 2 GF-3衛星各工作模式主要指標Tab. 2 The main technical specifications of each imaging mode

成像模式解析度/m

成像幅寬/km入射角

範圍/(°)
視數

A×E
極化方式
標稱方位向距離向

標稱範圍
聚束11.0~1.50.9~2.5

10×1010×1020~501×1可選單極化
超精細條帶332.5~5303020~501×1可選單極化
精細條帶1554~6505019~501×1可選雙極化
精細條帶210108~1210095~11019~501×2可選雙極化
標準條帶252515~3013095~15017~503×2可選雙極化
窄幅掃描15050~6030~6030030017~502×3可選雙極化
寬幅掃描210010050~11050050017~502×4可選雙極化
全極化條帶1886~93020~3520~411×1全極化
全極化條帶2252515~304035~5020~383×2全極化
波成像模式10108~125×55×520~411×2全極化
全球觀測成像模式500500350~70065065017~534×2可選雙極化
擴展入射角低入射角252515~30130120~15010~203×2可選雙極化
高入射角252520~308070~9050~603×2可選雙極化

表選項

1.2 衛星方案概述

GF-3衛星是一顆三軸穩定的對地觀測衛星,衛星發射重量約2779 kg,在軌設計壽命8年。衛星運行在軌道高度約755 km的太陽同步回歸晨昏軌道,採用側視成像飛行狀態 (圖 1圖 2)。

圖 1 衛星發射前壓緊狀態示意Fig. 1 Status of satellite before launching圖 2 衛星右側視狀態示意Fig. 2 Status of right sidelook in orbit

高分三號衛星以ZY1000B平台為基線,由有效載荷和服務系統兩部分組成。有效載荷主要包括SAR載荷、數傳、數傳天線分系統;服務系統為有效載荷提供安裝、供電、指向、溫度維持和測控等支持服務,主要由電源、總體電路、控制、推進、測控、數管、結構、熱控分系統組成

GF-3衛星SAR有效載荷系統具有多極化、多工作模式、高解析度、大幅寬、大天線尺寸、高功耗、高輻射解析度、長成像時間的特點,同時具有內外定標功能。系統共設計聚束、條帶、掃描、雙孔徑等12種成像模式,最長連續工作時間為50 min,能夠獲取解析度1~500 m,成像幅寬10~650 km的C頻段多極化SAR圖像,圖像輻射解析度優於2 dB,輻射精度最高可達1 dB。系統配置15 m×1.232 m四極化波導縫隙相控陣SAR天線。該天線由波導縫隙天線、四通道T/R組件、延時放大組件、波控單元、射頻收發及定標饋電網路、二次電源、高低頻電纜網、有源安裝板、結構框架、展開機構和熱控等部分組成,能夠靈活地對二維波束進行賦形、掃描和展寬,具有高極化隔離度、孔徑配置靈活、高用電效率、輕型化等特點。

衛星平台由電源、總體電路、測控、數管、控制、推進、結構、熱控共8個分系統組成。衛星採用三軸穩定對地定向控制模式,指向精度優於0.03°,穩定度優於5×10-4°/s,具備±31.5°側擺能力。衛星採用雙獨立母線供電,配置三結砷化鎵太陽電池陣、100 Ah鎘鎳蓄電池和225 Ah鋰離子蓄電池,能夠滿足衛星短期功耗近萬瓦的成像需求,同時,平台母線輸出功率不足或母線輸出異常時,能夠通過併網控制器將載荷高壓電源轉換為低壓電源,供平台設備使用。整星具備自主健康管理體制,可實現對關鍵事件連續監測,並對產品狀態進行評估,提前採取多種有效手段,確保衛星在軌安全

1.3 衛星工作模式

根據飛行任務要求,衛星共設計6種工作模式。

(1) 成像對地實時傳輸模式:在地面衛星接收站可視範圍內,衛星處於正常飛行姿態,SAR分系統對地成像,將接收到的SAR回波成像數據、相應輔助數據發送至地面數據接收站。

(2) 記錄模式:衛星處於正常飛行姿態,SAR分系統對地成像,接收到的SAR回波成像數據、輔助數據送至固態存儲器進行存儲。

(3) 回放模式:在地面衛星接收站可視範圍內,衛星處於正常飛行姿態,SAR分系統不成像,將存儲在固態存儲器中的SAR回波成像數據、輔助數據回放至地面數據接收站。

(4) 邊記邊放模式:在地面衛星接收站可視範圍內,衛星處於正常飛行姿態,SAR分系統對地成像,圖像數據送固態存儲器進行記錄,同時固態存儲器將當前記錄的數據或者歷史記錄數據發送至地面數據接收站。

(5) 平台服務系統數據傳輸模式:衛星在飛經地面數據接收站數據接收範圍時,向地面數據接收站發送平台服務系統數據。

(6) PN碼傳輸模式:衛星飛經地面數據接收站數據接收範圍時,向地面發送PN碼,不進行加擾、通道編碼等處理。

2 衛星技術創新點2.1 多極化、多成像模式設計

GF-3衛星具有12種成像模式,涵蓋了聚束模式、方位多波束模式、條帶模式、掃描模式、四極化模式、波模式等,為實現多極化、多種成像模式,主要採用以下設計思路:

(1) 採用「極化時分+正負調頻斜率」方案獲得多極化數據,改善點目標模糊。

(2) 採用有源相控陣天線實現成像模式靈活控制和波位的靈活切換。採用波導縫隙天線, H極化波導和V極化波導分別設計,實現分別饋電,物理實現上完全獨立,有效減小了兩種天線之間的互耦,提高了天線的埠隔離度,進而提高了天線的極化隔離度。

(3) 該系統具有多種調頻信號帶寬和時寬組合。12種成像工作模式對應的調頻信號組合多達18種,並在信號通路中採用不同的濾波器,以保證不同帶寬信號帶外抑制。

(4) 為實現多波束與多極化,SAR具有雙接收通道。為保證雙通道的幅相一致性,採用中頻採樣的數字接收機方案。

(5) 為保證多極化回波進行最優數據量化,對同極化和交叉極化的回波分別進行獨立的接收增益控制;採取直接截取高4位、8:4BAQ和8:3BAQ多種數據壓縮方式,滿足各種模式的需要。

2.2 多極化相控陣體制SAR天線

GF-3衛星SAR天線具有多極化、多工作模式能力,採用平面二維掃描固態有源相控陣天線體制,實現聚束、條帶、掃描等多種SAR成像模式,能夠高精度定量化地對海洋、陸地信息進行探測,充分發揮了微波遙感衛星的系統效能。天線工作於C波段,具有多極化、多工作模式能力,採用可展開平面二維掃描固態有源相控陣天線體制。在發射模式下,其發射鏈路完成輸入線性調頻信號的功率放大,向指定空餘輻射水平或垂直極化電磁能量;接收模式下,天線陣面接收水平極化或垂直極化回波信號,也可同時接收雙極化回波信號,並經過低雜訊放大鏈路後送至SAR中央電子設備[

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]。為實現天線的性能檢測、故障檢測和隔離,天線具有獨立定標網路,在中央電子設備的控制下,可完成首發鏈路的標定。同時,天線具有多極化、高極化隔離度、海量賦形波束的功能,具有15 360 W高峰值輸出功率,採用了以TR組件、薄壁波導為代表的輕量化設計技術、天線面板、展開機構等複雜結構的高強度力學設計技術。天線展開機構能夠滿足天線陣面的摺疊、展開、支撐等功能。陣面熱控,實現SAR天線陣面的控溫功能,滿足各電性單機的使用環境要求,保證電氣設備的使用壽命。

該天線在傳統SAR衛星天線設計基礎上進行優化,主要具備以下特點:

(1) 高極化隔離度。多極化是該SAR天線的重要功能,通過設計天線輻射單元自身的交叉極化、T/R組件之間接收鏈路的通道隔離以及電纜的電磁屏蔽,保證天線能夠同時接收雙極化 (H/V) 信號,具有較高的極化隔離度 (>35 dB)。

(2) 高能量利用效率、兼顧熱控要求。在保障較高用電效率的同時,提高微波器件的輻射效率,並同步考慮天線陣面的熱控,用於保障天線各單機工作在合理溫度範圍之內,進而保證天線全陣面空間波束指向的穩定性。

(3) 二維波束的高精度控制。天線在射頻收發通道的幅度相位穩定性、波束切換響應速度及雙極化波束控制可靠性等方面開展設計,能夠針對12種不同孔徑、工作脈寬、脈衝重複頻率的工作模式需求,實現靈活的天線波束掃描和賦形。

(4) 輕量化。實現天線的輕型化主要通過兩個途徑:一是選取合理的天線整體方案,從系統層面降低硬體設備量和內部互連複雜度;二是提高設計及工藝水平,加大集成設計力度,通過天線局部硬體優化減輕天線重量。

(5) 高精度天線模型。通過獲取SAR天線幅相特性相關的基礎數據,建立SAR天線高精度模型,實現對SAR天線方向圖特性的高精度模擬。

2.3 SAR系統內定標迴路設計

為實現成像數據的高精度定量化應用需求,SAR系統設計中充分考慮了在軌內定標的需求,設計了多個定標迴路,覆蓋了整個收發鏈路,並具備極化定標的能力。

SAR系統內定標具備單極化和多極化定標的能力,可以完成HH/HV/VH/VV四極化定標。通過定標可以得到系統真實線性調頻信號、系統增益標定、天線方向圖及增益 (結合地面輻射陣面測試結果) 監測

陣面定標可分為全陣面定標和單個T/R組件定標。全陣面定標時天線陣面T/R組件全工作,分別對全陣面發射功率定標和全陣面接收增益及接收機增益定標,可選擇H極化或者V極化;單個組件定標主要是監測每個T/R組件的射頻特性。全陣面定標時使用中心波位 (波束法線方向),逐個T/R定標需要波控配相。另外,在整個陣面T/R組件均處於高阻狀態 (既不發射雷達信號,也不接收回波) 時,還可以實現對整個系統熱雜訊的記錄。

星載SAR系統內定標迴路設計有6條:非延遲定標迴路、延遲參考定標迴路、驅放定標迴路、全陣面/單T/R發射定標迴路、全陣面/單T/R接收定標迴路、全陣面發射接收定標迴路、雜訊記錄模式。通過6條定標迴路和雜訊記錄模式,SAR分系統的內定標可以標定系統真實線性調頻信號、系統增益標定、天線方向圖及增益 (結合地面輻射陣面測試結果) 監測、通過單個T/R組件定標可以對單個T/R組件的移相器、衰減器和網路延遲線進行監測。可以進行全陣面定標、T/R逐行定標、T/R逐列定標、單模塊定標、模塊逐行定標、模塊逐列定標及最精細的單T/R定標。可以進行相位或幅度矢量編碼定標。

2.4 SAR天線展開機構設計

可展開支撐桁架作為平面天線板的支撐結構,直接關係到在軌展開鎖定後天線陣的位置精度、型面精度和基頻。

可展開支撐桁架主要由星體支撐架、內框架組件、外框架組件、桁架桿、支撐桿組件、90°鉸鏈、180°鉸鏈等構成。

星體支撐架是可展開支撐桁架與星體間的連接組件,與星體有4個連接點。內框架組件通過90°鉸鏈鉸接於星體支撐架。內、外框架組件間通過180°鉸鏈鉸接。6根桁架桿和支撐桿組件的一端集中鉸接於同一轉動軸,另一端分別鉸接到內、外框架組件和星體支撐架上,展開鎖定后形成穩定的桁架結構。內、外框架組件通過遊離連接裝置與天線結構板連接,適應桁架與天線板結構在天線面內的熱變形,保證天線的型面精度。內桁架、外桁架均可簡化為一個四連桿機構,展開鎖定后成為一個三角形,以保證單塊天線板的平面度及剛度,減少在溫度變化下天線陣面的變形。內、外桁架可共用四連桿機構中的兩桿,從而更好地保證展開同步性,鎖定后的剛度更好。採用桁架連接器將內、外桁架連接,通過兩個鉸接頭將內外桁架連接起來。構成桁架的基本單元可採用碳纖維 (M40) 複合材料製成的桿件,碳纖維桿件應進行零膨脹設計,以減小天線展開后的熱變形。

2.5 SAR天線熱控設計

SAR天線熱控除採取預埋熱管網路、開設散熱面、包覆多層隔熱材料組件等常規熱控手段外,還採取了主動控溫及熱隨動控溫設計技術,為SAR天線在軌工作期間提供良好的熱環境,使SAR天線單機溫度保持在-10℃~+25℃,單模塊內溫度梯度小於2.5℃,全陣面溫度梯度小於5.9℃。

主動控溫的目的是在天線長期不工作的情況下,通過加熱保證天線及其設備的溫度不致過低,同時保持溫度一致性的需要。全陣面共布置72路加熱迴路,總控溫長期平均功率不超過1800 W,控溫迴路由載荷控溫儀控制。每面板三路控溫迴路加熱片粘貼區域分別為:天線安裝板-Z面延時組件間空隙布置1路;天線安裝板+Z面無設備安裝側布置兩路。

熱隨動跟蹤控溫技術利用主動控溫的加熱功率,實現跟蹤控溫,保證SAR天線工作時各陣面的溫度梯度滿足要求。利用控溫儀採集各安裝板上全陣面溫度參考點溫度值,溫度參考點在對應模塊的T/R組件或延時組件上,通過對工作的安裝板上參考溫度的比對,找出溫度最高的溫度值,並將此溫度值降低5℃,作為其他控溫迴路的控溫目標值,形成閉環控制。

2.6 高精度姿態控制及二維導引

衛星在左側視和右側視飛行狀態下均有姿態導引的需求。SAR的姿態導引的目的是消除地球自轉、地球橢率和衛星軌道扁率引起的多普勒中心頻率變化。根據目標側視角、軌道根數,計算目標姿態導引角。偏航導引計算公式為

式中, i為軌道傾角;u為衛星緯度輻角;N為每天的衛星回歸次數。此計算公式適用於球形地球模型,在橢球地球模型下,該角度與實際角度有微小偏差。一軌內的偏航控制曲線 (如圖 3所示),服從餘弦規律,最大值為3.892 8°。

圖 3 衛星偏航導引控制曲線Fig. 3 Curve of yawing steering

在偏航導引基礎上,加入俯仰導引,能夠修正俯仰向姿態的不同,俯仰角計算公式為

式中, e為軌道偏心率;θ為真近心角。一軌內的俯仰控制曲線 (如圖 4所示),服從餘弦規律,最大值為0.065 9°。

圖 4 衛星俯仰導引控制曲線Fig. 4 Curve of pitching steering2.7 衛星雙獨立母線供電體制

衛星電源分系統採用雙母線供電體制,一條供給平台使用,一條供給SAR載荷使用,兩條母線相互獨立,互不干涉,兩條母線在整星接地點單點共地。平台母線系統採用S4R兩域控制全調節母線,T/R母線採用不調節母線。

平台母線系統採用S4R兩域控制全調節母線。光照期,MEA和BEA共同控制S4R電路穩定母線電壓和完成對蓄電池組充電。S4R電路對太陽電池輸出功率調節分配原則為,母線負載需求有第一優先權,其次是滿足充電需求,母線負載和充電都不需要的功率對地分流調節。當母線負載由輕到重時,所有對地分流S4R電路依次退出分流,然後將進行充電的S4R電路依次退出充電,仍不能滿足負載需要時,蓄電池組受MEA控制通過放電調節電路對母線提供電能,並穩定母線電壓。陰影期,蓄電池組受MEA控制通過放電調節電路對母線提供電能,穩定母線電壓。T/R母線採用不調節母線系統,母線電壓始終被蓄電池組電壓鉗位,跟隨蓄電池組電壓變化而變化。在光照期當蓄電池組需要充電時,BEA控制S3R電路退出分流,太陽電池輸出功率首先滿足負載需要,剩餘功率為蓄電池組充電,母線電壓會隨蓄電池組電壓升高而升高,如果太陽電池的輸出功率不能滿足負載需要,蓄電池組參與放電,聯合供電。當蓄電池組充滿電后,太陽電池輸出功率只滿足負載需要,多餘太陽電池功率由PCU控制對地分流。在陰影期蓄電池組直接對母線供電,母線電壓會隨蓄電池組電壓降低而降低。

2.8 併網控制技術

衛星採用雙母線供電體制,一條供給平台使用,一條供給SAR載荷使用,兩條母線相互獨立,互不干涉。為提高整星供電安全性,當平台母線蓄電池出現故障時,載荷母線可以通過直流/直流變換器將45~67.5 V變換成平台需要的28 V,給平台服務系統供電。併網控制用直流/直流變換器工作原理框圖如圖 5所示。

圖 5 衛星併網控制原理Fig. 5 Grid-connected control of satellite

併網控制用直流/直流變換器與平台一次母線和載荷一次母線均有介面,即載荷一次母線是它的輸入,而輸出則連接到平台一次母線。為保障設備自身的故障不影響到平台和載荷母線的供電安全,在輸入、輸出端均設置了開關,一旦發現問題可立即斷開。除了物理隔離外,還在輸入端設置了載荷母線保護電路,輸出端通過兩個串聯的二極體與平台母線進行了隔離。

2.9 衛星自主健康管理

目前低軌遙感衛星在軌運行管理離不開地面測控站的支持,依靠大批專業人員對遙測數據進行分析判斷,在發生故障情況下,主要依靠地面專家的決策。然而,由於遙感衛星軌道特點及測控站地域限制,地面站不可能實現對遙感衛星的全程實時跟蹤,且遙感衛星大部分運行時段均不在可控範圍之內,在不可控弧段發生的故障,將無法及時採取糾正措施。即使在可控時段,單靠地面採取補救措施,其有效性和實時性都是有限的,極有可能錯過最佳的處理時機而導致遙感任務成功率下降甚至失敗。這就對衛星提出了更高的自主故障診斷的要求,即要求衛星具有不依賴地面支持的星上自主故障診斷與恢復,在最佳時間處理故障,做到故障的不擴散。星上自主故障診斷隔離恢復,獲取最佳處理時機,提高衛星的在軌生存能力,這是提高衛星生存能力的需要,也是保障衛星安全的重要輔助手段。

為此,GF-3衛星提出分級自主健康管理策略 (如圖 6所示)、團隊式體系結構及可量化故障模型等系統級設計方法,實施整星健康指數實時發布、衛星智能隨動控溫、整星自主併網控制、雙頻GPS接收機單粒子翻轉自主監測與恢復、SAR異常自主管理等18項創新措施。新技術已在GF-3衛星在軌完成工程驗證,測試表明衛星對健康狀況的敏感性和處置故障及時性得到了顯著提升,分系統終端能實時主動掌握整星健康狀態,依據不同級別健康狀況及時啟動安全管理策略,保障衛星在故障狀態下自主實施故障的監測/隔離/恢復,將故障處理時間從目前的不少於一軌 (90 min以上) 縮減到10 s以內。

圖 6 衛星自主健康管理流程Fig. 6 Flow chart of self-health management2.10 精密定軌和時統設計

為了滿足合成孔徑雷達的成像精度,要求星上的實時軌道確定精度優於10 m (1σ),事後精處理軌道精度優於20 cm (1σ)。為此,GF-3衛星採用雙頻GPS系統的方式實現精密定軌。星上雙頻GPS系統由雙頻GPS天線、雙頻GPS接收機和前置放大器組成。衛星進入在軌飛行段時,雙頻GPS接收機通過雙頻GPS天線接收GPS導航星座的L1、L2頻段的導航信號,在捕獲到4顆及以上GPS衛星信號后,即可完成實時、精確的定位。雙頻GPS接收機在定位后,將產生的L1、L2頻段的偽距和載波相位等原始測量信息傳輸給地面應用系統。地面應用系統利用IGS精密星曆進行地面事後精密軌道計算,實現衛星20 m的定軌精度。GF-3衛星對GPS天線進行優化設計,減小衛星艙體對天線接收性能的影響,提高天線相位中心的穩定性。在事後精密定軌中,採用高精度動力學模型結合原始觀測數據,實現了4 cm的定軌精度。

GF-3衛星為確保衛星定位精度,需要有效載荷、姿軌控和測控等相關分系統工作在統一的時間基準下,提高衛星成像時刻和敏感器測量時刻標定精度。為完成上述任務,GF-3衛星採用高精度時間同步技術為相關設備提供高精度的時統服務。時間同步技術由硬體秒脈衝和軟體整秒時刻授時聯合實現,硬體秒脈衝的時標與整星時間同步 (有效載荷和控制系統) 的誤差要求小於100 μs。

2.11 小結

GF-3衛星在明確SAR載荷的體制和基本配置的基礎上,圍繞SAR載荷的需求開展衛星平台適應能力的分析以及載荷與平台之間的匹配性研究,形成了一系列衛星特點和技術創新點,主要技術指標達到或超過國際同類衛星水平,比對情況如表 3所示。

表 3 GF-3衛星與國際同類衛星SAR載荷指標比對Tab. 3 Characteristics comparison of SAR payload between GF-3 satellite and foreign satellites

項目GF-3衛星Sentinel-1衛星RadarSat-2衛星
軌道類型太陽同步軌道太陽同步軌道太陽同步軌道
軌道高度/km755693798
波段CCC
整星重量/kg277923002300
峰值功率/kW1.547001.27
入射角範圍/(°)10~6020~4510~60
天線面積15 m×1.5 m12.3 m×0.84 m15 m×1.37 m
發射帶寬/MHz0~2400~1000~100
極化單極化/雙極化/全極化單極化/雙極化單極化/雙極化/全極化
天線類型波導縫隙相控陣波導縫隙相控陣微帶相控陣
俯仰向掃描角度/(°)±20±11±20
成像模式聚束、條帶、掃描、波浪、超精細等12種模式模式:條帶、干涉寬幅、超寬幅、波浪模式掃描、條帶、超精細等10種
解析度/m1~5005~201~100
成像幅寬/km10~65020~40020~500
壽命/a87.257.25

表選項

3 衛星在軌試驗驗證

2016年8月25日,國防科技工業局對外公布首批高分三號衛星影像圖,包括黃海、北京、福建、武漢等城市和海域的衛星影像,充分展示了高分三號衛星高解析度多極化的微波成像優勢及在構建全天時、全天候、寬覆蓋對地觀測系統中的重要作用。截至10月,GF-3衛星已完成所有12中成像模式和7種定標模式的測試,成像共計500餘次,開機時間超過1 000 min,共獲取1.6萬餘景SAR圖像。

2016年9—11月,GF-3衛星在內蒙古鄂托克旗開展外場定標工作,對各工作模式的解析度、幅寬、旁瓣比、輻射精度、定位精度、指向精度等天地一體化指標進行了標定。經初步分析,各項指標均滿足研製要求,部分指標達到國際同類衛星先進水平

表 4 GF-3衛星圖像質量指標及在軌測試結果Tab. 4 Test result of image quality in orbit

極化通道不平衡度幅度≤±0.5 dB,相位≤±10°幅度0.04~0.27 dB,相位≤±6.9°
圖像極化隔離度≥35 dB優於37 dB
NEσ0解析度1~10 m優於-19 dB

解析度25~500 m優於-21 dB
解析度1~10 m優於-20 dB

解析度25~500 m優於-22 dB
相對輻射精度 (3σ)1.0 dB0.7~0.8 dB
絕對輻射精度 (3σ)1.5 dB1.3~1.4 dB
輻射解析度 (1σ)解析度1~10 m:3.5 dB;解析度25~500 m:2 dB解析度1~10 m:3 dB;解析度25~500 m:1.5 dB
旁瓣比峰值旁瓣比<-20 dB;積分旁瓣比<-13 dB峰值旁瓣比<-22 dB;積分旁瓣比<-15 dB
定位精度無控制點,平面定位精度優於230 m (3σ)無控制點,平面定位精度優於50 m (3σ)

表選項

4 結束語

GF-3衛星在軌成功獲取高解析度多極化微波圖像,極大改善了民用天基高解析度SAR圖像全部依靠進口的狀態,為國內各行業用戶提供高質量、高精度對地觀測數據。GF-3衛星工程的研製將在引領民用高解析度微波遙感衛星應用方面起到重要示範作用,其研製和應用具有重大意義。衛星正式交付后將服務于海洋、減災、水利及氣象等多個行業及業務部門,成為實施海洋開發、陸地環境資源監測和防災減災的重要技術支撐。

【引文格式】張慶君。 高分三號衛星總體設計與關鍵技術[J]. 測繪學報,2017,46(3):269-277. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170049

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