歐洲“哥白尼”計(jì)劃的首顆衛(wèi)星哨兵-1A入軌

龔燃（北京空間科技信息研究所）

2014年4月3日，哨兵-1A（Sen tine l-1）衛(wèi)星從法屬圭亞那發(fā)射場由聯(lián)盟-ST火箭發(fā)射升空。該衛(wèi)星是歐洲“哥白尼”計(jì)劃[Copernicus Programm e，原名“全球環(huán)境與安全監(jiān)測”（GMES）計(jì)劃]專用衛(wèi)星的首顆星，由歐洲航天局（ESA）設(shè)計(jì)和研制，歐洲委員會(huì)（EC）投資?！案绨啄帷庇?jì)劃共規(guī)劃了哨兵-1A和1B兩顆完全相同的衛(wèi)星，衛(wèi)星裝載C頻段合成孔徑雷達(dá)，以接替歐洲剛剛失效的“環(huán)境衛(wèi)星”（Envisat），保持高分辨率雷達(dá)成像觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

1 衛(wèi)星概況

哨兵-1A運(yùn)行在太陽同步軌道上，軌道周期99m in，重復(fù)周期12天。該衛(wèi)星采用意大利泰雷茲-阿萊尼亞空間公司的“意大利多用途可重構(gòu)衛(wèi)星平臺”（PRIMA），姿控系統(tǒng)采用三軸穩(wěn)定方式，軌道確定采用GPS，定軌精度每軸10m。電源分系統(tǒng)（EPS）采用2副太陽電池翼，每副太陽電池翼由5塊夾板組成，采用三結(jié)砷化鎵電池。

哨兵-1A的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量為900Gb it（壽命末期）。其測控鏈路采用S頻段，上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸率為4k b it/s，下行數(shù)據(jù)傳輸速率分別可采用16k b it/s、128k b it/s和512kb it/s；數(shù)據(jù)傳輸采用X頻段，速率為600M b it/s。此外，哨兵-1還裝載了一臺激光通信終端（LCT），為光學(xué)低軌-靜止軌道通信鏈路。激光通信終端基于“X頻段陸地合成孔徑雷達(dá)”（TerraSAR-X）衛(wèi)星的設(shè)計(jì)，功率2.2W，望遠(yuǎn)鏡孔徑135mm，通過“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（EDRS）下行傳輸記錄數(shù)據(jù)。

哨兵-1A基本參數(shù)

2 有效載荷

哨兵-1A攜帶的C頻段合成孔徑雷達(dá)由阿斯特留姆公司研制，它繼承了“歐洲遙感衛(wèi)星”（ERS）和“環(huán)境衛(wèi)星”上合成孔徑雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)，具有全天候成像能力，能提供高分辨率和中分辨率陸地、沿海和冰的測量數(shù)據(jù)。同時(shí)，這種全天候成像能力與雷達(dá)干涉測量能力相結(jié)合，能探測到毫米級或亞毫米級的地層運(yùn)動(dòng)。該載荷具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）有源相控陣天線在仰角向和方位向提供快速掃描；

2）雙通道收發(fā)模塊和水平/垂直（H/V）雙極化裂縫波導(dǎo)；

3）內(nèi)部校準(zhǔn)系統(tǒng)，其中發(fā)射信號被發(fā)送到接收機(jī)用于監(jiān)測幅度和相位，實(shí)現(xiàn)高輻射穩(wěn)定性；

4）鍍金屬碳纖維增強(qiáng)塑料輻射波導(dǎo)，確保具有良好的輻射穩(wěn)定性；

5）采用數(shù)字線性調(diào)頻脈沖發(fā)生器和可選的接收濾波器帶寬，可有效利用星上存儲(chǔ)容量；

6）模塊化自適應(yīng)量化，能有效利用星上存儲(chǔ)器并最小化下行傳輸時(shí)間，從而減少對圖像噪聲的影響。

“環(huán)境衛(wèi)星”在軌飛行示意圖

成像模式

哨兵-1A星上合成孔徑雷達(dá)有4種成像模式：

1）條帶模式（SM）：幅寬80km，空間分辨率5m×5m，6個(gè)重復(fù)的測量帶能覆蓋所要求的375km的范圍。

2）干涉測量寬幅模式（IWS）：幅寬250km，空間分辨率5m×20m，通過充分交疊多普勒頻譜（方位范圍）和波束頻譜（仰角范圍）來確保干涉測量。該模式為陸地觀測的標(biāo)準(zhǔn)模式，可滿足大部分當(dāng)前未知的服務(wù)需求，避免沖突和保持重訪能力，提供服務(wù)魯棒性和可靠性，簡化任務(wù)規(guī)劃，降低運(yùn)行成本，并建立長期存檔，滿足未來的數(shù)據(jù)需求。

3）超寬幅模式（EWS）：分辨率25m×100m（三視角），低分辨率（20m×40m）下的幅寬為400km。

4）波模式（W V）：由各個(gè)條帶工作組成，具有交替的仰角波束和固定的開關(guān)占空因子。分辨率5m×5m。沿軌每間隔100km采樣圖像大小為20km×20km。

除了波模式為單極化模式（HH或VV）外，其他工作模式均支持雙極化（HH-HV，VV-VH）運(yùn)行，對于H和V極化，需要使用一個(gè)發(fā)射通道（從H轉(zhuǎn)化為V）和2個(gè)并行的接收通道來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)天線的靈活性，這4種不同成像模式的特殊要求需要采用有源相控陣天線來實(shí)現(xiàn)。

哨兵-1A衛(wèi)星C頻段孔徑雷達(dá)參數(shù)性能

結(jié)構(gòu)與構(gòu)成

哨兵-1A的合成孔徑雷達(dá)有效載荷主要由2個(gè)分系統(tǒng)組成：天線分系統(tǒng)（SAS）和電子設(shè)備分系統(tǒng)（SES）。

哨兵-1A合成孔徑雷達(dá)成像模式

C頻段合成孔徑雷達(dá)成像模式

天線分系統(tǒng)展開與折疊構(gòu)型圖

天線分系統(tǒng)是一個(gè)可展開的平面相控陣天線，尺寸為12.3m×0.84m，含280個(gè)單元，其中仰角向20列，方位向14列。天線分系統(tǒng)的主要功能包括：發(fā)射與接收信號、對發(fā)射進(jìn)行功率放大、對接收信號采用低噪聲放大器（LNA）進(jìn)行保護(hù)、信號與功率分配、相位與幅度控制等。天線分系統(tǒng)由1個(gè)中央天線面板和2個(gè)天線邊翼組成。中央天線面板安裝在衛(wèi)星頂部，有2個(gè)瓦片（tile）組成，2個(gè)天線邊翼安裝在衛(wèi)星兩側(cè)，每個(gè)邊翼的3個(gè)天線面板由3個(gè)瓦片組成，即總共由14個(gè)瓦片組成。其中，每個(gè)合成孔徑雷達(dá)瓦片的組成部分包括：20個(gè)雙極化裂縫波導(dǎo)輻射器、10個(gè)雙極化電子設(shè)備前端（EFE）、1個(gè)內(nèi)冗余瓦片控制器裝置（TCU）、2個(gè)瓦片電源裝置（TPSU）、1個(gè)仰角向平面分配網(wǎng)絡(luò)（EPDN）、2個(gè)冷冗余瓦片放大器、電源線束和數(shù)字信號線束、熱硬件等。所有天線分系統(tǒng)安裝在輻射器后側(cè)或附在交叉加勁肋的內(nèi)側(cè)。

天線分系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供雷達(dá)控制、信號生成和接收數(shù)據(jù)處理，主要功能包括：雷達(dá)指揮與控制、定時(shí)控制、冗余控制；發(fā)射線性調(diào)頻脈沖信號生成；頻率產(chǎn)生、變頻、調(diào)制解調(diào)、濾波；數(shù)字化、數(shù)據(jù)壓縮、格式化等。電子設(shè)備分系統(tǒng)在信號發(fā)射和接收時(shí)采用通道化結(jié)構(gòu)，并以模塊化方法生成和接收寬帶信號，管理多極化模式。

電子設(shè)備分系統(tǒng)的核心部分為控制電子設(shè)備單元（ICE），由阿斯特留姆英國公司研制，用于提供雷達(dá)的核心性能、控制和監(jiān)控。

3 應(yīng)用

哨兵-1A任務(wù)將促進(jìn)新型應(yīng)用的發(fā)展，并滿足“哥白尼”計(jì)劃的進(jìn)一步需求。歐盟用戶咨詢工作小組定義該任務(wù)具有3個(gè)優(yōu)先服務(wù)領(lǐng)域：海上核心服務(wù)、陸地監(jiān)測以及緊急服務(wù)，主要覆蓋以下幾個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域：①監(jiān)測海冰區(qū)域和北極環(huán)境；②海洋環(huán)境監(jiān)視；③陸地表面運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測；④陸地表面制圖：森林、水和土壤、農(nóng)業(yè)；⑤危機(jī)事件中支持人道主義救援服務(wù)。

今年，歐洲還將發(fā)射功能不同的哨兵-2A、3A。