天绘二号卫星运维与应用解析_包中文.pdf

第 卷 第 期 年 月测绘与空间地理信息 ，收稿日期：作者简介：包中文（），男，蒙古族，辽宁喀左人，正高级工程师，学士，主要从事航天摄影测量与遥感数据获取、处理、产品生产和应用研究工作。天绘二号卫星运维与应用解析包中文，马 莉，马洪海（中国资源卫星应用中心，北京）摘要：介绍了天绘二号分布式干涉雷达 测绘卫星的技术原理、卫星编队模式、卫星双星基线特点、波位分布与应用方式等，并对天绘二号的双星伴飞、工作特点、数据传输、产品用途等进行了阐述。加强了解掌握天绘二号 测绘卫星的运行规律，利用好侧视角度、波位干涉等特性合理安排摄影区域，做好任务分析设计与规划。并在载荷使用、星间链路、地面传输等设备、资源相对确定的情况下，做到获取效率高、干涉效果好、区域覆盖广，使天绘二号 卫星在寿命期内发挥更大的作用。关键词：分布式干涉雷达；波位分布；干涉基线；雷达侧视角中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；引 言天绘二号卫星属于分布式干涉合成孔径雷达测绘卫星（以下简称 卫星），于 年 月 日在太原卫星发射中心发射升空。轨道倾角，飞行高度为，降交点地方时 ：，获取地面数据幅宽，地面分辨率 。天绘二号可对全球南纬 北纬 之间地面区域获取 数据，主要用于测制地球表面高精度的数字高程模型（以下简称）、数字地表模型（以下简称）、雷达正射影像（以下简称）产品。利用微波穿透特性实现全天候观测，与光学测绘卫星形成优势互补且可实施无地面控制条件下测绘产品的生产。天绘二号卫星技术原理 测绘技术基本原理分布式 通过两副 天线对同一地区进行观测，在获取的同一地区的两幅复影像中提取相位差，形成干涉条纹图，然后利用解缠后的相位提取地面高程信息。分布式 测高空间几何关系如图 所示。图中 和为两颗 卫星，在 坐标系下某一目标点坐标为 （，），（）和（）分别表示雷达的位置和速度矢量，下标 ，表示主星雷达和辅星雷达，则 定位方程如式（）所示：（）（）（）（）（）（）|（）式中，为雷达波长；和 为主星雷达斜距和多普勒中心频率；和 分别为主辅星干涉时刻；为主辅 图像干涉相位；（）为主辅雷达瞬时基线矢量；（）（）（）。图 定位原理示意图 分布式 卫星的工作模式根据任务要求、成像模式、编队类型等的不同，分布式 卫星的工作模式可以分为以下 种。绕飞编队 测高模式如图 所示，在绕飞编队 测高模式下，颗 卫星按照设计的绕飞编队构形，在满足基线要求的时间内各星载 按时间、空间、相位三同步的方式，单航过、一发双收地获取地面同一地区的条带 相干回波数据，数据下传后由地面进行 测高处理。该模式为天绘二号的主要工作模式。图 绕飞编队 测高模式示意图 跟飞编队 测高模式如图 所示，在跟飞编队 测高模式下，编队卫星形成跟飞编队构形，各星载 按类似于空间同步（波束指向相同、地面覆盖相同）的方式，多航过、依次自发自收地获取地面同一地区的条带 相干回波数据，数据下传后由地面进行 测高处理。该模式为绕飞模式的备份工作模式。当绕飞编队出现异常或三同步无法满足要求时，可采用跟飞编队 测高模式。图 跟飞编队 测高模式示意图 绕飞编队 试验模式在绕飞编队 试验模式下，编队卫星形成绕飞编队构形，在满足基线要求的时间内卫星 有效载荷按时间、空间、相位三同步的方式，单航过、一发双收地获取地面同一地区的条带 相干回波数据，数据下传后由地面进行 处理。（示意图同图）双星成像模式 颗 卫星按照自发自收方式依次对距离向相邻的地面进行条带成像，拼接生成近 成像带宽的 影像。天绘二号数据获取及传输 有效基线和沿航迹基线在 成像几何下，干涉基线定义如图 所示。干涉基线 定义为 坐标系下，同一地面目标点的主雷达成像时刻 与辅雷达成像时刻 时，颗卫星 天线相位中心间的连线矢量。干涉基线在主星零多普勒面法线方向（坐标系下主星速度方向）的投影为沿航基线。干涉基线在主星零多普勒面内的投影为切航向干涉基线。切航向干涉基线在垂直于主星视线方向的投影为有效基线。图 干涉基线示意图 按构形与基线的关系，编队构形设计无法提供同时满足有效基线和沿航迹基线要求的全纬度测绘构形，。单个构形仅能在一定纬度带范围内提供满足测绘要求的有效基线和沿航迹基线。测绘与空间地理信息 年 星上雷达侧视角度及波位图，星上雷达工作时发测及接受的侧视角范围大概是中心波束沿前进方向向右倾斜约。由近及远方向共有 个波位分布变化，每波位成像带宽 ，且相邻波位之间有一定地面宽度的重叠。星上雷达侧视的地面指向性变化分析卫星观测的可视性变化，有助于详细地了解卫星运行规律和特点、掌握区域覆盖效率，为更好地做好任务规划提供基础依据和科学判断。天绘二号卫星属于逆行轨道且设计上双星只能向卫星飞行方向的右侧侧摆进行侧视观测，并随着升降轨的交替变化其在地面方向的指向性也体现出交替变化状态，总体是降轨向西、升轨向东进行摄影。在一种固定基线情况下大体是降轨摄影时卫星向西倾斜，并随着双星由北向南降轨变化，其摄影指向性按顺时针旋转连续变化，随着运行到南半球高纬地区其指向性也逐步由西转向北进行摄影；过南半球顶点后卫星由降轨转升轨其摄影方向由北转向东倾斜，并随着由南向北升轨变化，其摄影指向性进行逆时针旋转连续变化，运行到北半球高纬地区其指向性也逐步由东转向北进行摄影；过北半球顶点后卫星由升轨转降轨其摄影侧摆方向由北转向西。如图 所示。图 两星绕飞及发测指向性变化示意图 数据存储与传输 记录模式 开机工作，数传分系统的数传终端机内数据存储单元同时工作，接收记录的 数据并以文件方式进行存储。并在卫星空闲时将数据转存至数传终端机的大固存内。对地回放模式卫星在飞经地面数据接收站接收范围内且 不开机工作时，数传终端机根据地面指令要求读取存储的 数据和 平台工程遥测数据 星敏感器数据，进行加密、编码、加扰后再进行调制输出给对地天线实施地面站接收。对中继回放模式卫星在飞经中继卫星接收范围内且 不开机工作时，数传终端机根据指令要求读取存储的 数据，进行加密、编码、加扰后传输至数传中继分系统进行调制，输出给中继卫星后再转到地面接收站。卫星每次工作仅允许采用上述 种工作流程中的一种，在对大固存进行读、写操作时，同一时间仅允许对一个文件进行操作。天绘二号轨道特性及运行特点 可获取数据的地球区域范围短基线有利于对山地区域地形的获取，而对平原地区的定位精度相对较低；中基线构形其特性介于短基线与长基线之间；长基线构形难以获取山地区域的地形数据，而对平原地区的定位精度相对较高。短、中、长 种基线均能分别满足对纬度覆盖范围的要求。有效基线沿垂直卫星飞行方向，主要用于地形测绘。有效基线沿卫星飞行方向，主要用于运动目标检测。根据轨道倾角可以计算出天绘二号星下点轨迹经过区域覆盖范围为南北纬 之间，而默认飞行状态为右侧视 姿态角，南、北纬轨道顶点处右侧视造成南、北纬可测量范围呈非对称状态。实际获取数据范围大体在南纬 北纬 之间。双星共轨互绕伴飞天绘二号卫星属双星伴飞运行，双星轨道 根数即轨道半长轴、轨道偏心率、轨道倾角、近地点幅角、升交点赤经、平近点角 等接近于相等，在一定精度范围内可以理解为是共轨运行。可以认为双星轨道 根数趋于相等，仅个别根数有微小差别：如升交点赤经、近地点幅角 和平近点角，若按双星 编队模式运行时 颗星间距在 之间，因此升交点赤经 的经差在 之差的量级；颗星的近地点幅角 和平近点角 应在 之差的量级。在轨道正上方按轨道面相交来看双星轨迹在地球两极顶点处各产生左右交叉换位 次，因而造成每绕地球 圈双星共轨互绕 次的效果，如图 所示。一发双收获取数据原理，由于 发射天线和接收天线分置在不同的卫星平台上，要实现单星 成像以及 干涉测量，收发天线波束必须能同时覆盖同一地面照射区域、响应时间一致、波束收发相位可知，这就要求天绘二号双星在工作期间保持空间、时间、相位上的三同步，实现双星雷达波束覆盖的空间区域同步、双星系统各自时间基准同步、双星微波收发上的相位同步。常规工作下为保持两星的充放电能量平衡和电子元器件处于均等状态的要求，在一个摄影计划内发射微波采用主、辅星各发射半时段，双星全时段接收的一发双收模式。主、辅星定义可互换、双星主、辅星的定义并不是一成不变的，一般以固定规则定义、星二者中一个是主星，另一个就是辅星。为了 颗星绕飞的位置关系按规律精确保持相对稳定性，每日运行 余个圈次中需占用 个圈次做轨道保持日常的维护。一般在日常轨道维护时把主星作为基准参考而只对辅星进行矫正维护，由于轨道维护一般需要消耗星上燃料，为保持双星消耗燃料的均等性使 颗星整体寿命接近一致，一般会采取阶段性互换主辅星关系的做法以达到 颗星推进剂余量、电子元器件寿命等方面的第 期包中文等：天绘二号卫星运维与应用解析平衡。天绘二号卫星主要用途天绘二号分布式干涉合成孔径雷达测绘卫星属国内首发、全球第二，具有全天候、全地形、高精度、高分辨的特点，与光学多源遥感卫星在摄影规划、作用机制、获取能力、分辨率尺度等方面形成互补作用，可以较好地弥补光学遥感卫星对赤道附近区域由于固定降交点时间和气候原因获取数据难的缺陷问题。用于测制地形地貌用于测制全球除南北极之外区域的地形地貌，可生产最高精度为 格网间距的、及雷达正射影像（）产品。与可见光遥感影像结合使用，在遥感观测和应用领域可以达到优势互补的效果。判别设备设施材质利用金属材质对雷达高回波特性，可以对非金属外壳覆盖的本属于金属材质的装备器材结合光学、红外影像进行判别。用于地表特性研究结合检测、定标、辐射校正等手段方法，研究地表、地物的不同回波特性，服务于其他领域的应用并为后续同类卫星型号设计提供参考和积累经验。结束语根据天绘二号 组卫星运行和应用，建议对后续同类卫星设计提出如下改进参考：）增大数传通道传输带宽通过天绘系列卫星的任务规划及运行来看，卫星在天上获取数据的能力都要大于天地和中继卫星数传资源的服务能力。在当前很多系列卫星中，天地数传资源是卫星发挥效能的瓶颈之一，由于传输和站网资源给定不足使卫星在天上空耗虚转的比例增大。在同等数据量的情况下，传输带宽与传输时间成反比，即数传速率越高占用设备所持续的时间越短，可有效地减少天地通道传输资源在时间占用上的挤兑现象，把紧张有限的站网资源应用到极致。在我国天地站网资源分布大体不变的情况下，增大星地链路的数传带宽是一个主要解决办法和途径。）增加卫星双向侧视获取数据的能力天绘二号卫星获取地面数据仅限定于飞行方向的右倾侧视。分析其局限性为：一是不能较好地解决高山区的波束盲区问题，目前这一问题中低纬区域通过升降轨交替开机获取解决，但在高纬地区这种方式具有一定约束力和局限性。二是获取数据的灵活性不足，使全球数据覆盖和同一地点的重访周期变长。三是在地球两极的其中一个极点附近被压缩了获取数据区的纬度范围。因此，只要工程技术上有突破，可以考虑采用双向侧视获取数据的能力。）具备探测获取与对地数传并行的能力因为天绘二号卫星属于有源探测卫星，这就造成探测获取数据时需要发射大功率电磁波信号，这对整星电功率平衡提出了较高要求，为使能量更好地集中于发测系统避免造成星体过度放电，系统设计要求探测开机和数传接收不能共同进行。另外，对地数传天线与整星是一个固定系统，其随整星的侧视摆动而摆动，微波侧视探测时数传天线不能按要求指向目的接收设备。以上 个方面的情况造成了有限的数传资源不能发挥更大作用，因此，后面同类型设计中在工程进步的情况下应加以考虑解决。）提升地面应用系统在整体经费上的占比当前国内各大卫星体系中，很多都是重天上、轻地面，重卫星、轻应用，重功能实现、轻作用提升。这种局面容易形成虽然很多情况下获取的各类数据呈指数级增长迅速，但真正的应用和作用发挥却寥寥无几，更多的数据都是下传后几乎永久堆积在存储单元且长期处于不断累加状态，这就使工程体系的建设初衷大打折扣，应用效能大幅下降。这些都与地面系统的建设投入有很大关系，由于资金投入不足或占比分布不够充分合理等因素，对应用方面的效能提升和作用地位的发挥不够明显，今后，应逐渐提升地面应用系统在整体经费上的占比。参考文献：楼良盛，刘志铭，张昊，等天绘二号卫星工程设计与