复杂约束条件下的高分三号卫星系统设计

刘杰 张庆君 李延 齐亚琳 唐治华

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

复杂约束条件下的高分三号卫星系统设计

刘杰 张庆君 李延 齐亚琳 唐治华

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

高分三号(GF-3)卫星是中国首颗民用平面相控阵SAR卫星,配置一套大型平面相控阵雷达天线,由于载荷尺寸大、质量大、功耗大、热耗大和电磁复杂特点,在卫星系统设计过程中采用了面向复杂约束条件下的系统综合设计方法。文章在梳理GF-3卫星载荷约束的基础上,提出了SAR卫星系统设计思路,详细介绍了围绕SAR载荷开展的面向机、电、热、磁等方面系统设计方案的选择与优化过程,并重点在SAR天线体制、结构形式、热控方案、机构要求,以及供配电状态和太阳翼方案等方面,给出了系统综合设计结果。

高分三号卫星;合成孔径雷达载荷;机、电、热、磁约束;系统设计

1 引言

合成孔径雷达(SAR)卫星具备全天候、全天时的成像能力,以及一定的穿透性,获得的图像能够反映目标微波散射特性,被广泛应用于国民经济各领域。高分三号(GF-3)卫星是中国首颗民用高分辨全极化平面相控阵SAR卫星[1],能实现全天候全球海洋和陆地信息的监视监测。

GF-3卫星配置一副大型平面相控阵体制SAR载荷,由于SAR载荷在卫星的质量、尺寸、功耗、热耗等方面占比较高,与卫星的机、电、热、磁等设计耦合严重,对卫星发射状态包络、质量、结构设计、供配电设计、热设计、电磁兼容性(EMC)设计等有着直接的影响。因此,在卫星系统设计中,系统总体设计是以SAR载荷,特别是以SAR天线的特点和要求为切入点开展的综合设计工作。

本文以GF-3卫星为研究对象,系统梳理了平面相控阵SAR载荷特点及其对卫星系统设计的约束条件,介绍了在机、电、热、磁等复杂约束条件下的系统综合设计思路、流程和方法。

2 平面相控阵SAR载荷特点及设计约束分析

2．1 SAR载荷机械特性分析

根据星载SAR的成像原理,SAR天线尺寸受到距离方位模糊、方位向分辨率和波束覆盖范围等多方面因素的限制[2]。在约750km轨道高度条件约束下,GF-3卫星SAR天线机械尺寸约为15．0 m×1．5 m,考虑到天线阵面展开机构和热控部分设备,SAR天线质量将在1500 kg左右。

受到运载火箭整流罩包络约束,大阵面天线在发射过程中采用折叠、收拢、压紧安装在卫星表面,入轨后展开拼接使用,并在轨保持高精度型面。因此,要求卫星系统提供较大且有一定刚度、平面度的天线安装平面;同时提供在轨展开机构,展开后构成一定刚度的天线柔性附件,不仅要满足与控制系统解耦的要求,还要满足天线成像质量下平面保持精度(优于5 mm)要求。通过系统分析,SAR天线展开后刚度要大于1．5 Hz。此外,根据初步估计,卫星荷载比超过50%,刚度较小;但在卫星承载能力、运载火箭承载能力、星箭耦合振动要求等约束下,卫星刚度要满足星箭联合系统要求,而SAR天线刚度是最大影响因素,因此应确保SAR天线收拢压紧状态下一阶基频不小于25 Hz。

2．2 SAR载荷功率特性分析

为满足约750 km高度轨道高质量成像要求,SAR载荷要具备高辐射功率。GF-3卫星SAR载荷峰值功率近15 000 W,各工作模式下的平均功率约为8000 W,同时对其他设备的EMC干扰较大,电磁环境非常复杂。

SAR天线采用脉冲工作模式,最大占空比在17%左右,这种脉冲工作模式将对卫星电源品质要求较高,电源设计时应具备较好的动态特性,并充分考虑脉冲负载对稳定负载干扰,以及脉冲负载对电源响应速度和输出阻抗的要求。此外,GF-3卫星单次连续成像时间最长达到50 min,功率累积消耗大,要求电源具备长时间连续工作能力。

2．3 SAR天线热特性分析

由于工作时间长,功耗大,SAR天线阵面热耗将近6000 W,且不同工作模式下热耗跨度大。相控阵雷达对相位控制精度要求高,射频器件相位精度与温度息息相关。首先,微波器件适应的温度范围较窄,对温控要求高,如发射/接收(T/R)组件、延时放大组件等舱外部件的工作温度要求控制在－20～＋45℃。其次,SAR天线通过相位切换形成不同成像波束,而T/R组件等射频器件相位受到温度影响较大,为保证这些温度敏感器件的高精度输出,对相关器件、电缆等工作温度的一致性要求也很高。为保证天线性能,要求单模块内T/R组件和延时放大组件等射频器件温度梯度不超过7℃,全阵面温度梯度不超过10℃。

2．4 SAR天线指向特性分析

在对地观测过程中,SAR载荷会伴随着卫星本体非规则运动和SAR天线自身变形引起天线指向不稳定,从而引起成对回波信号干扰,影响图像的旁瓣比、分辨率和模糊度等参数,直接或间接影响观测带宽度、图像定位精度等[3]。GF-3卫星SAR载荷指向精度的要求较高,通过大量仿真试验表明约在0．01°量级。

影响SAR天线波束指向误差的因素很多,包括卫星平台姿态控制指向精度误差、指向稳定度误差和SAR天线的展开误差、SAR天线形变误差、SAR天线阵元误差等。以其中涉及的热变形为例,GF-3卫星工作在C频段,对天线阵面热变形的要求必须在毫米量级,这就需要天线结构、天线展开机构、天线热控和卫星总装等各个环节共同保证。

3 复杂约束条件下的GF-3卫星系统设计

3．1 卫星系统设计思路

SAR卫星是一个复杂卫星系统,SAR载荷是核心设备,对系统设计约束条件较多,卫星系统设计必须从整体角度开展面向机、电、热、磁约束条件下的系统综合设计,不断迭代优化,才能满足卫星系统指标要求。GF-3卫星系统设计思路如图1所示。

(1)充分论证用户指标要求,分析SAR载荷,尤其是SAR天线对卫星系统设计提出的各项要求。

(2)在载荷性能指标要求和其他大系统约束条件下,开展设计工作。

(3)面向SAR卫星特点及约束,设计流程经过“先分散设计－再集中优化－再分散设计和集中优化”的多轮方案比较和优化,最终确定一个易于实现、各方面综合效果最优的结果。例如:SAR天线结构形式,涉及天线结构设计、卫星基频计算、热控方案设计与仿真等多个方面,对天线结构设计可能的多种方案,可分别开展卫星状态下系统设计,对不满足约束边界的指标,可优先根据机、热设计建议对天线结构设计进行微调,并相应调整热控等措施,再进行仿真计算;通过多轮设计迭代,从而最终确定符合载荷要求和卫星约束的天线结构形式。

图1 GF-3卫星系统设计思路Fig.1 System design idea of GF-3 satellite

3．2 基于机械约束的设计

1)SAR天线结构形式分析设计

大型平面相控阵雷达天线一般有无支撑结构和有支撑结构形式2种形式,且各有特点。无支撑结构形式天线可显著降低天线总体质量,但其结构基频主要由天线热控板厚度来确保。通过分析,无支撑结构体制下,天线总体质量可优于1000 kg,但其结构基频不能满足要求,且天线阵面温度较高,如T/R组件的最高温度将达到76℃,远远高于系统要求的最高45℃要求。因此,无支撑结构形式满足卫星系统总体要求的难度很大。有支撑结构形式天线,虽然天线总体质量有一定的增加,但其结构基频显著提升,而且天线热控布局约束少,阵面最高温度可降到40℃以内,对在轨图像质量提升有较大设计余量。

此外,SAR天线收拢、压紧状态下的分阵形式,不仅影响天线本身设计,同时也与展开机构、卫星本体设计及运载要求密切相关,考虑以上多种约束,可有四面板和五面板2种天线分阵划分方案,具体如图2所示。

图2 SAR天线阵面划分方案Fig.2 Dividing scheme of SAR antenna array

四面板方案为对称设计,天线电讯设计简单,但由于在卫星本体上存在“悬臂梁”状态,会导致天线结构基频要求较高,如采用有支撑结构天线状态,再采用卫星本体结构“加强梁”状态,则可有效提升天线结构基频,满足基频25 Hz的要求。五面板方案为非对称设计,虽然有效避免了SAR天线高出卫星本体导致的“悬臂梁”状态而降低了对天线结构强度要求,并减小了天线的质量,但天线电讯设计较为复杂,不仅体现在板间供电、控制及射频电缆数量上,更体现在SAR天线双通道设计要求下功率分配及定标网络的复杂程度上,考虑复杂SAR天线在轨需求,为提高载荷在轨寿命和可靠性,优先选择电讯设计较为简单的方案。

通过系统分析,综合考虑天线阵面基频要求、电讯设计复杂程度和天线热控精度,在对卫星本体主承力结构优化设计前提下,选择天线对称划分设计及天线有支撑结构的设计方案。

2)SAR天线展开机构与卫星本体接口分析设计

SAR天线在展开状态下,是通过展开机构与卫星本体连接(如图3所示)。展开机构与卫星本体连接接口采用3角支撑架的3处连接点,主要从以下3个方面考虑:①刚度。卫星本体结构连接点刚度将影响展开状态天线基频,特别是顶支撑点刚度。顶支撑点设计为卫星本体主承力结构点,其刚度较高并在最大程度上保证天线在轨刚度。②强度。天线展开锁定过程中和卫星在轨调整姿态过程中会对连接点产生较大的拉拔力,因此连接点强度要求较高,设计过程中卫星本体结构分别在3个支撑点设计埋件,保证足够连接强度。③精度。3个连接点的精度直接关系到SAR天线阵面的平面度和指向精度,因此对支撑点接口位置进行一体化精加工,确保安装接口平面精度和位置精度。

图3 SAR天线与卫星本体连接状态Fig.3 Connection status of SAR antenna and satellite structure

此外,SAR天线在轨工作期间,因外热流变化会导致冷热变形。如果接口之间完全固定,则会由于变形不协调而发生翘曲,采用设计游离连接装置,允许可展开支撑桁架与天线基板间发生相对滑动,从而避免出现结构翘曲。同时,展开机构与天线之间所有的连接组件均具有转动自由度,其平动自由度和方向可根据需要进行不同的设计。

3)太阳翼及设备布局分析设计

在完成SAR天线等主载荷结构设计的基础上,进一步开展太阳翼及设备状态设计。一般,SAR卫星功率需求较大,太阳翼面积相对较大,其结构设计和收拢安装状态是其中的关键环节。

在轨道约束下,通过功率平衡设计,GF-3卫星太阳翼需求面积为不小于28 m2,因此配置为双侧太阳翼。由于卫星±X侧已经压紧安装SAR天线,因此太阳翼只能收拢安装在卫星±Y侧,并沿X方向展开使用。GF-3卫星太阳翼设计采用平面二维展开方式,展开状态如图4所示。

图4 太阳翼展开Fig.4 Deployment of solar wing

在卫星大部件完成结构设计的基础上,可开展星内设备布局设计分析,其中的关注点是光学部件要满足视场设计,转动部件满足转动范围设计,推力器部件满足羽流设计等。

3．3 基于电约束的设计

1)SAR天线的电性能设计

从减小卫星质量、减轻供配电及热控压力、提高极化隔离度等角度出发,对SAR天线阵面辐射阵面形式、T/R组件状态等开展设计。

在天线辐射阵面方面,有微带天线和波导缝隙天线2种形式[4]。通过系统设计和分析,2种辐射阵面形式均可满足卫星系统设计要求,2个方案细节对比如表1所示。综合来看,波导缝隙天线在极化隔离和辐射效率方面有显著提升,同时其制造工艺较为成熟,产品指标一致性会有较好保证。全阵波导裂缝天线质量会增加约80 kg,但仍在卫星可接受范围内,因此选用波导缝隙辐射阵面形式,这样在系统电讯性能、部组件可生产性及一致性,以及后续在轨图像质量各方面更具优势。

表1 微带天线与波导缝隙天线对比Table 1 Comparison of microstrip antenna and slotted waveguide antenna

在极化通道设计方面,存在2种系统设计方案(见图5):①极化隔离方案,即水平(H)极化和垂直(V)极化采用完全独立的2套射频发射接收链路,同时2个通道配置独立的供电和控制网络;②极化共用方案,即H极化和V极化共用发射支路,仅接收支路相互独立,同时为适应H极化和V极化发射,采用多极化T/R组件,2种极化共用1套供电和控制网络。通过比对(见表2)可知,主要是作为核心部件的T/R组件存在差异,进而导致配套单机数量和系统供电控制复杂度不同。极化隔离T/R组件在极化隔离上明显优于多极化方案,能消除链路中隔离度短板。综合来看,选用H极化和V极化隔离方案,综合性能最优。

图5 SAR载荷极化通道隔离方案Fig.5 Polarization isolation schemes of SAR payload

表2 极化通道隔离方案对比Table 2 Comparison of polarization isolation schemes

2)供配电分析设计

SAR卫星平台负载较为稳定,且为长期负载功耗,而SAR载荷为脉冲工作模式,长时间连续工作,且不同成像模式下功率需求跨度较大,因此卫星供电是围绕SAR载荷开展设计。

在供电电压方面,考虑到设备型谱化需求,尽可能选用标准电压。目前,国内外卫星电源母线电压一般分为28 V、42 V(50 V)和100 V(120 V)3种,根据相关标准和设计规范要求,一般负载功率2 k W以下卫星选择28 V低压母线,负载功率4 k W以内卫星选择42 V中压母线,4 k W以上大功率负载的卫星选择100 V高压母线[5]。GF-3卫星平台部分设备总功耗约1000 W,且平台设备多选用遥感公用平台28 V供电接口的继承设备,因此平台设备电压选择28 V电压较为合适。载荷部分功耗约8000 W,全部是新研产品,为提高供电效能,可采用高电压,但低轨卫星高压太阳电池阵静电放电风险,电压有一定限制。试验数据表明,太阳电池串间静电放电阀值为75 V左右,因此载荷部分供电电压以不超过70 V为宜。

在供电体制方面,从卫星电源需求和轨道特点分析来看,GF-3卫星用电设备分为平台相对稳定的长期负载和峰值功率较大的短期脉冲负载。根据这个特点,可供选择的供电体制有单母线供电体制和双母线供电体制2种。单母线供电体制为一次电源单母线输出,稳定负载和脉冲负载共用一条供电母线。其优点是电源系统设备数量较少,体积、质量较小,能够充分合理利用能源,成本相对较低;缺点是脉冲负载给供电母线带来的频域和时域噪声干扰较大,对母线上其他设备抗干扰能力和电源系统滤波技术要求较高。双母线供电体制为一次电源双独立母线输出,两条母线在卫星接地点单点共地,一条供给平台稳定负载,一条供给载荷脉冲负载。其优点是能够有效避免脉冲负载对稳定负载带来的干扰;缺点是电源系统设备数量较多,体积、质量相对较大。根据GF-3卫星电压选择方案,如采用单母线供电,母线电压为优先满足载荷需求而选择高压,则需要配置高滤波性能的二次电源模块为平台设备低电压供电,但国内该类设备技术储备不足,还没有适用于航天器应用的高可靠产品,且在卫星载荷脉冲工作模式下,电磁环境较为复杂,大量星上设备要考虑脉冲负载对稳定负载的干扰。因此,GF-3卫星选择双母线供电体制,一条母线给平台设备稳定供电,一条母线给SAR载荷供电,两条母线相互独立,互不影响。

在母线拓扑结构方面,可以选择全调节母线、半调节母线和不调节母线[6]。通过对各种母线拓扑结构的特点和适用范围的分析可知:全调节母线拓扑结构比较适合低轨应用,能够较好地满足和适用GF-3卫星平台设备对电源的需求;不调节母线输出阻抗小,响应速度快,可以最大限度地满足短期峰值负载和脉冲负载的供电需要,非常适合SAR载荷脉冲工作的电源使用要求。

3．4 基于热约束的设计

1)散热面选择及热控分析设计

SAR载荷热耗大、脉冲工作下热波动明显,因此卫星热设计的重点是SAR载荷热设计。

热设计的前提是散热面正确选择,尤其针对高热耗SAR天线。一般情况下,采用平面SAR天线,其散热面在不增加展开热辐射器的前提下,可选择对地面散热或背地面散热。GF-3卫星SAR天线,其对地面上只有很小的太阳反照和一定的地球红外辐射热流,外热流稳定,同时辐射面为铝制波导,散热能力强,非常适合开设散热面。SAR天线背地面在受到太阳照射的同时,还受到卫星舱体反射及太阳翼遮挡影响,热耦合强烈,导致热环境复杂,因此该面的散热效果受到较大影响,不适合开设散热面。

正确选择散热面后,SAR天线热设计的关键是采用热管等热控部件确保设备保持在正常工作温度范围内。一般情况下,平面SAR天线有两种热控方案,一种是预埋热管＋结构板与波导散热方案,另外一种是预埋相变材料热管＋结构板与波导散热方案。针对GF-3卫星SAR天线,对两种方案进行了设计及分析,结果为:两种设计方案中,T/R组件和阵面二次电源设备最低温度都在5℃左右,基本没有差别。采用普通热管时,高温工况下T/R组件最高温度达到35．6℃,阵面二次电源设备最高温度为32．4℃;而采用相变材料热管时,对比普通热管方案分别降低了3．1℃和1．6℃。在其他工况下,天线结构板及其上设备温度都低于22℃,相变材料的热控效果并没有体现出优势。分析结果表明,相变材料应用效果有限,这是由相变材料在SAR天线应用场景下的特点决定的。

针对大型平面SAR天线温度一致性要求,可采用主动控温的热随动控制方式,实现跟踪控温,保证SAR天线工作时各阵面温度梯度满足要求。其主要思路是:利用控温仪采集各安装板上全阵面温度参考点(在对应模块的T/R组件或延时组件上)的温度值,通过对工作状态安装板上设备参考温度的比对,找出温度最高值,并将此温度值适当降低,作为其他控温回路的控温目标值,形成闭环控制。

2)热变形的隔离设计

卫星本体热变形将导致SAR天线指向精度误差变大,因此应尽可能隔离卫星本体热变形对SAR天线的影响。可采取的具体措施包括:①卫星本体主承力结构和部分外壁板采用碳纤维铺层蜂窝板结构,结构热变形可在铝蒙皮结构条件下降到最低;②SAR天线通过展开桁架安装在卫星本体上,安装位置选择卫星本体主承力结构且接口刚度较高,以大幅降低卫星本体热变形影响;③影响SAR成像质量的卫星姿态指向精度,主要由星敏感器决定,因此星敏感器尽可能安装在距离SAR天线较近的载荷舱,且安装在与SAR天线固连的主承力结构上或与SAR载荷进行结构设计,确保卫星本体结构热变形导致的指向变化极性一致,以降低热变形对姿态精度的影响。

3．5 电磁兼容设计

SAR卫星系统射频设备多,发射功率大,射频接收灵敏度高,因此在完成围绕SAR载荷开展的机、电、热设计基础上,要进一步考虑卫星系统电磁兼容性,确保各射频设备具有安全的隔离度,能正常工作。

(1)按照电磁兼容性要求,明确射频发射源和接收器,将所有可能的干扰源作为干扰向量,与所有可能的受扰设备建立对应的干扰关联分析[7]。对于GF-3卫星,其射频系统包括SAR载荷、数传设备、测控设备和GPS设备,其关联矩阵如表3所示。根据关联矩阵,可以对射频设备的研制和试验下达具体要求,从研制的源头对卫星电磁兼容进行考虑。

表3 射频关联矩阵Table 3 Incidence matrix of radio frequency

(2)针对SAR载荷大功率辐射特点,要加强对SAR载荷和数传设备发射机杂波抑制度控制,以确保SAR载荷工作时产生的杂波干扰电平对卫星平台天线不产生影响。发射机杂波抑制度可以通过电磁兼容试验确认,根据GF-3卫星各射频设备电磁兼容分析,要求SAR载荷在USB接收频段的带外杂波抑制度优于110 dB,在GPS接收频段的带外杂波抑制度优于100 d B。同时,为确保射频收发设备的兼容性,各天线要有安全的隔离度。通过分析,GF-3卫星各天线隔离度要求如表4所示,该要求可通过辐射模型星测试进行确认,GF-3卫星天线隔离度测试如图6所示。

表4 天线隔离度要求Table 4 Isolation requirements of antenna

图6 GF-3卫星天线隔离度测试Fig.6 Antenna isolation test of GF-3 satellite

(3)系统设计中考虑电源传导干扰。在SAR卫星系统中,要对卫星设备供电分类控制,以减小卫星在轨工作时母线电压干扰波动。GF-3卫星采用双供电母线物理隔离布线,并遵循以下原则:①不同母线电源控制器与电源配电器独立布置;②减少平台传导敏感设备与SAR天线大功率母线干扰的耦合途径,降低耦合度来避免干扰;③重视电缆网走线分类隔离的同时,关注不同电压接地隔离,且不同供电元器件安装要进行空间隔离;④从高电压电路到低电压电路的信号增加隔离抑制措施。

(4)在电磁兼容设计中关注电信号系统接地设计,以构筑一个良好的电信号系统,降低无用信号干扰[8]。GF-3卫星采用对高频设备多点接地和对低频设备单点接地的混合式接地方案,卫星设置一个主接地参考点,将两条母线连接起来;每个低频分系统设置一个本地接地点,这些接地点低阻连接到卫星结构上,且位于分系统配电器内。此外,为防止不良接地,各接地参考点对卫星结构或安装板的搭接位置选取在易吸收和易泄放电荷的金属结构处。

4 结束语

以GF-3卫星为代表的平面相控阵天线体制SAR卫星系统,由于大承载、高功耗、大热耗、多频段等特点,需要在卫星系统设计过程中采用复杂机、电、热、磁约束下的设计,才能获得优化的卫星系统设计方案,全面满足卫星系统需求。GF-3卫星自2016年8月发射入轨以来,一直稳定运行,载荷状态良好,实现了定量化、多极化应用[10]及地面运动目标检测(GMTI)[11]等新技术,获得的SAR图像数据已经广泛应用在海洋、水利、气象、减灾等国民经济领域,发挥了重要作用,进一步证明了GF-3卫星复杂机、电、热、磁约束条件下综合设计的正确性[9]。本文介绍的卫星系统分析及设计方法,是以SAR载荷需求为核心,综合考虑了卫星电源、构型、热控等方面的约束,以及卫星系统的工程可行性,可对中国后续SAR卫星系统设计提供参考。

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Syetem Design Under Complex Restrictions of GF-3 Satellite

LIU Jie ZHANG Qingjun LI Yan QI Yalin TANG Zhihua
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

GF-3 satellite is the first planar phased array SAR satellite in civil field in China,which deploys a large scale,high weight,high power,large thermal consumption SAR antenna,so an integrated system design method is adopted under these complex restrictions．The SAR payload restrictions of GF-3 satellite are teased,a system integrated design thought is brought up,and the process of system design and optimization is introduced around the SAR payload under the structural-electromagnetic-thermal restrictions in detail．Finally,the optimization design scheme is given in antenna mechanism,structure shape,thermal control,expanding mechanism requirement of SAR antenna,the power supply and the solar wing．

GF-3 satellite;SAR payload;structural-electromagnetic-thermal restriction;system design

V474．2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.002

2017-10-10;

2017-11-28

国家重大科技专项工程

刘杰,男,博士,研究员,研究方向为航天器系统与总体技术。Email:liujie＠cast．cn。

(编辑:夏光)