雙星共舞，觀天測(cè)地有絕招

崔興毅

2月27日7時(shí)44分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心采用長征四號(hào)丙遙三十運(yùn)載火箭，成功發(fā)射陸地探測(cè)一號(hào)01組B星。陸地探測(cè)一號(hào)01組衛(wèi)星是《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015-2025年）》中首個(gè)立項(xiàng)的科研衛(wèi)星工程，由A、B星組成。A星已于1月26日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功實(shí)施發(fā)射，目前正按計(jì)劃開展在軌測(cè)試，衛(wèi)星相關(guān)功能性能正常。B星入軌后，將單獨(dú)開展在軌測(cè)試，再與A星進(jìn)行編隊(duì)測(cè)試。

陸地探測(cè)一號(hào)01組A、B雙星技術(shù)狀態(tài)基本相同，均配置L波段合成孔徑雷達(dá)（SAR）載荷，在軌應(yīng)用干涉測(cè)高和差分形變測(cè)量技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)重軌干涉形變測(cè)量、雙星編隊(duì)干涉測(cè)高及單星成像等功能，完成地表形變測(cè)量、數(shù)字高程模型獲取等主要觀測(cè)任務(wù)，具有全天候、全天時(shí)、多模式、多極化等特點(diǎn)，支持和服務(wù)國土資源、地震、防災(zāi)減災(zāi)、基礎(chǔ)地理信息獲取、林業(yè)等應(yīng)用需求，可形成重大災(zāi)害快速反應(yīng)能力。

在太空“花滑”的雙星，有哪些觀天測(cè)地的絕招？

陸地探測(cè)一號(hào)01組衛(wèi)星作為編隊(duì)衛(wèi)星，最大難度在于雙星繞飛模式的控制?！熬拖穸瑠W會(huì)中的雙人花樣滑冰項(xiàng)目一樣，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)員在冰面上同步高速滑行的過程中，手牽手跳躍、旋轉(zhuǎn)，完成高難度舞蹈動(dòng)作。”中國航天科技集團(tuán)八院控制所衛(wèi)星副總設(shè)計(jì)師王文妍解釋，“繞飛中的A、B雙星也有一雙無形的手牽在一起，我們稱之為‘基線’?！?/p>

要精確地看出一段時(shí)間內(nèi)高山、植被的高度變化情況，需要兩顆衛(wèi)星每經(jīng)歷一個(gè)回歸周期后，必須回到同一目標(biāo)點(diǎn)，并且保持同樣的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行觀測(cè)。這根無形的“基線”也是一把標(biāo)尺，規(guī)定了雙星在每次到達(dá)預(yù)定觀測(cè)地點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系。“繞飛時(shí)，兩顆衛(wèi)星距離相近，同時(shí)觀測(cè)，就像人的兩只眼睛，一只眼睛只能看到平面，兩只眼睛就可以看出高度和深度，可用于險(xiǎn)峻高地、森林植被的測(cè)繪等?！?/p>

據(jù)王文妍介紹，A、B雙星還會(huì)根據(jù)所測(cè)繪地區(qū)緯度的不同進(jìn)行編隊(duì)構(gòu)形的變化，實(shí)現(xiàn)“主角”“配角”的切換?！氨热缯f，低緯度測(cè)繪的時(shí)候，是B星以一定的距離和角度相對(duì)A星運(yùn)轉(zhuǎn);到中緯度的時(shí)候，會(huì)變成A星以另一種狀態(tài)相對(duì)B星運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣可以最大限度發(fā)揮兩顆衛(wèi)星的工作能力，達(dá)到使用最優(yōu)觀測(cè)基線實(shí)現(xiàn)全國陸地觀測(cè)的效果?！?/p>

由于陸地探測(cè)一號(hào)01組衛(wèi)星的雙星“體重”都超過了3噸，無法用“一箭雙星”的方式同時(shí)將兩顆衛(wèi)星發(fā)射升空。據(jù)介紹，B星發(fā)射后，姿軌控分系統(tǒng)的首要任務(wù)是讓B星努力“接近”A星，使兩星從入軌初期相距上萬公里，逐漸形成相距幾公里級(jí)的編隊(duì)飛行狀態(tài)。

為了減少B星發(fā)射后軌道調(diào)整的工作量和燃料消耗，姿軌控分系統(tǒng)研制團(tuán)隊(duì)從提高兩次發(fā)射的重復(fù)入軌精度入手，對(duì)發(fā)射窗口進(jìn)行了細(xì)致計(jì)算，在發(fā)射中心“零窗口”發(fā)射技術(shù)支持之下，將火箭點(diǎn)火時(shí)間精準(zhǔn)“拿捏”，使B星最大限度地“重走”A星的入軌之路。

“衛(wèi)星在軌飛行控制策略的正確性和長期穩(wěn)定運(yùn)行能力的驗(yàn)證，需要充分的地面仿真試驗(yàn)的支撐?！睖y(cè)試工程師崔佳介紹，陸地探測(cè)一號(hào)01組衛(wèi)星姿軌控任務(wù)執(zhí)行周期長，地面半物理仿真試驗(yàn)采用了實(shí)時(shí)仿真運(yùn)行方式，如何在有效的研制周期內(nèi)，確保關(guān)鍵控制過程的測(cè)試全覆蓋與正確性，是最大的難點(diǎn)之一?！爸挥械孛婀Ψ蜃龅米?，才能讓衛(wèi)星在太空展現(xiàn)最完美的舞姿?！?/p>

研制團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了基于高精度數(shù)字衛(wèi)星的雙星半物理編隊(duì)仿真系統(tǒng)、長周期快速編隊(duì)仿真測(cè)試方法以及高精度外部時(shí)鐘校時(shí)技術(shù)，解決了多個(gè)實(shí)時(shí)仿真操作系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)復(fù)雜、難統(tǒng)一的難題，將系統(tǒng)內(nèi)各仿真時(shí)鐘精度控制在毫秒級(jí)，確保了時(shí)差的一致性和穩(wěn)定性。

“根據(jù)雙星干涉測(cè)高要求，雙星在太空需時(shí)刻攜手相伴飛行，猶如雙人花滑的舞者，既要保證各自技術(shù)動(dòng)作的精準(zhǔn)穩(wěn)定，還要兼顧雙人動(dòng)作的協(xié)調(diào)配合。與數(shù)分鐘的表演不同，衛(wèi)星在軌需要在任務(wù)周期內(nèi)克服各類復(fù)雜干擾因素的影響，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。”衛(wèi)星副總設(shè)計(jì)師魏春向記者解釋。

研制團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了基于編隊(duì)衛(wèi)星三維姿態(tài)導(dǎo)引與控制、非中斷雙基地成像等一系列新技術(shù)，可有效保證雙星的同步性能?；趯?shí)時(shí)編隊(duì)構(gòu)形的三維姿態(tài)導(dǎo)引與控制技術(shù)，可有效提升陸地探測(cè)一號(hào)01組雙星長基線編隊(duì)飛行時(shí)的空間同步性能。

“我們?cè)趪H上首次采用了非中斷雙基地成像模式，從根本上解決了雙基星載SAR成像和相位同步不能同時(shí)進(jìn)行的難題，可大幅提升相位同步精度，并在國際上形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。”衛(wèi)星副總設(shè)計(jì)師王宇介紹。

“我們要建設(shè)5G基站及特高壓輸電線等，這些設(shè)施往往都選址在坡地、丘陵、山間。坡度、坡向、山脊線、山谷線等信息可為這些站點(diǎn)的合理布設(shè)提供重要的數(shù)據(jù)支撐?！标懙靥綔y(cè)一號(hào)01組衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師陳筠力介紹，“因?yàn)槲覀儑疑絽^(qū)丘陵多，人工測(cè)繪耗時(shí)又危險(xiǎn)，而光學(xué)遙感受制于我國大部分地區(qū)多云多雨氣候特征的影響，無法做到實(shí)時(shí)獲取。雷達(dá)衛(wèi)星的特點(diǎn)，使其可以穿透云層和地表植被，實(shí)現(xiàn)全天候、全天時(shí)、高精度的觀測(cè)，在地形測(cè)繪中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)?！?/p>

“我們應(yīng)用了波的干涉原理，兩顆衛(wèi)星中一顆發(fā)射雷達(dá)信號(hào)，當(dāng)兩顆衛(wèi)星同時(shí)接收到地面回波后，通過處理就可以反演得到地面與兩顆衛(wèi)星之間的距離差，進(jìn)而獲取地面的高程信息?！睋?jù)悉，陸地探測(cè)一號(hào)01組是全球首個(gè)L波段分布式編隊(duì)多極化干涉SAR測(cè)高衛(wèi)星系統(tǒng)，地面觀測(cè)分辨率達(dá)到米級(jí)，地面高程測(cè)量精度滿足1：50000比例尺標(biāo)準(zhǔn)?？蔀槲覈匀毁Y源調(diào)查體系構(gòu)建、全球地理信息資源建設(shè)與更新、高精度地形數(shù)據(jù)更新提供重要的技術(shù)支撐。