捕風一號衛(wèi)星總體設計與技術特點

白照廣，王崇羽，范東棟，孫紀文

航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094

1 引言

海面風場是大氣、海洋各種運動的主要動力來源，它與海洋中幾乎所有的海水運動直接相關，是形成海面波浪的直接動力，海面風場調(diào)節(jié)海/氣之間的熱量、水汽和物質(zhì)交換，維持著區(qū)域與全球的氣候，更是氣象預報的必要參數(shù)[1]。傳統(tǒng)的海面風探測手段，如海洋浮標、船舶、海洋站等，觀測點少，觀測區(qū)域受限，難以實現(xiàn)大范圍和惡劣天氣條件下的實時有效觀測。為此，基于微波散射計[2]、激光測風雷達[3]、導航衛(wèi)星反射信號測量(global navigation satellite system-reflection，GNSS-R)[4]的星載海面風場探測技術得到了廣泛關注。

風場相對于其他重要大氣要素(溫度、濕度和水汽含量)而言，存在精度提高、效率提升的迫切需求，應用小衛(wèi)星平臺，對海面風場進行加密觀測，可彌補已有大衛(wèi)星觀測效率、觀測手段的不足。氣象和海洋等部門需要特殊軌道、新型觀測手段、快速部署的低成本和高性價比的小型衛(wèi)星星座來提升中低緯度加密觀測以獲得多源探測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高效率和高精度探測的目標[5]。

航天東方紅衛(wèi)星有限公司開展導航衛(wèi)星反射信號測量GNSS-R技術、新型大氣成分探測技術等攻關工作，完成了新型小衛(wèi)星及其星座系統(tǒng)論證和設計。GNSS-R技術是通過接收目標反射的導航信號來反演相應目標要素信息，該技術具有被動接收、多信號源、全天候、資源(質(zhì)量/體積/功耗)占用小、成本低、可靠性高等技術優(yōu)勢，在風場、海面高度、有效波高、海水鹽度、冰川、積雪厚度、土壤濕度等氣象[6]、海洋和陸地領域多要素監(jiān)測方面展現(xiàn)出良好的應用前景[7]，已成為國內(nèi)外遙感和導航技術領域研究的熱點之一[8]。目前，國外已通過岸基、機載和星載等多種手段完成了GNSS-R技術的驗證，并開始進入業(yè)務化運行階段，國內(nèi)已完成岸基、機載相關試驗積累，急需星載驗證，圖1為GNSS-R工作原理。

圖1 GNSS-R工作原理Fig.1 Working principle of GNSS reflection

航天東方紅衛(wèi)星有限公司配合航天科技集團有限公司的海上發(fā)射任務，提出了星載GNSS-R技術衛(wèi)星方案，任務需求明確、技術得到突破、前期航空試驗已有驗證結果、低傾角發(fā)射等特點充分滿足首次海上發(fā)射的各項要求，采取了雙星組合探測的方案，型號名稱為“捕風一號A/B衛(wèi)星”，簡稱“捕風一號衛(wèi)星”，型號代號為“BF-1A/B”。BF-1衛(wèi)星成為中國首次海上發(fā)射衛(wèi)星。

BF-1衛(wèi)星首次實現(xiàn)中國星載GNSS-R工程化實踐，完成演示驗證和相關試驗，挖掘其科學和應用價值，重點研究其在風場測量方面的應用潛力。項目由2顆技術狀態(tài)完全一致的衛(wèi)星在軌組成星座運行，軌道高度約579 km、軌道傾角為45°，采用CZ-11 海射Y1運載火箭進行發(fā)射。

2 衛(wèi)星設計方案

2.1 任務需求分析

中國氣象局《空天技術領域“十三五”戰(zhàn)略規(guī)劃建議報告》(2016)，瞄準國家重大突發(fā)性天氣災害(臺風等)的應急監(jiān)測與預警需求，建設、發(fā)展和完成中國臺風高空探測觀測系統(tǒng)，獲取臺風內(nèi)部第一手氣象要素資料，進而提升中國對臺風的監(jiān)測預報預警能力。利用導航衛(wèi)星反射信號可對海面風場進行測量，進而反演臺風風速，即GNSS-R技術，該技術在臺風風速測量方面可作為現(xiàn)有手段的有益補充，可進一步提高海面風場的預報精度。另外GNSS-R技術抗干擾能力強，能夠穿透臺風眼壁的暴雨，收集風暴內(nèi)核的數(shù)據(jù)，填補對臺風眼區(qū)域的氣旋運動過程認識的空白。

GNSS-R微波遙感技術屬于外源助動遙感，兼有主動遙感信噪比高、定位準確、針對性強和被動遙感設備簡潔、方便，性價比高、系統(tǒng)維護成本低廉、穩(wěn)定安全、隱蔽性好的優(yōu)點。基本原理是利用GNSS星座作為多源L 波段微波外部發(fā)射源，通過星載GNSS接收機，獲取目標物對GNSS電磁波的反射信號，分析其反射信號與 GNSS直接信號在強度、頻率、相位、極化方向等參數(shù)之間的變化，來反演目標物的狀態(tài)。BF-1衛(wèi)星通過微納衛(wèi)星平臺搭載GNSS-R微波遙感器，應用星載GNSS-R載荷獲取的數(shù)據(jù)，研制生產(chǎn)臺風監(jiān)測專題產(chǎn)品，在氣象領域開展業(yè)務化應用，與氣象應用主體業(yè)務高效銜接，以解決用戶的需求。

2.2 衛(wèi)星方案概述

BF-1衛(wèi)星采用CAST100衛(wèi)星平臺。衛(wèi)星結構為立方體構型，采用分艙式設計方案，整星共設置兩個艙段，即有效載荷艙和平臺艙；機構部分采用4個固定式太陽翼和2個展開式太陽翼，展開式太陽翼每翼由太陽翼基板和機構部分組成，發(fā)射時折疊收攏壓緊，入軌展開后鎖定；堆棧組合體結構負責全星電子線路板的集成，并提供承力。

衛(wèi)星熱控采用被動為主、主動熱控為輔的方案，以保證星上設備在各種環(huán)境條件和工作模式下正常工作。

衛(wèi)星姿態(tài)控制采用三軸穩(wěn)定、對地定向、偏置動量控制設計方案。采用“星敏感器+陀螺”聯(lián)合定姿方式，并配置磁力矩器實現(xiàn)動量輪卸載，實現(xiàn)高精度高穩(wěn)定度姿態(tài)控制。

衛(wèi)星采用體裝式太陽電池陣+展開式太陽電池陣，采用不調(diào)節(jié)母線和以集中供電為主的配電體制，為平臺和載荷提供一次母線+28 V，+5 V和±12 V三種電壓。

星務管理組件是整星信息系統(tǒng)的核心，采用分布式CAN+I2C總線網(wǎng)絡。通過CAN+I2C總線，將星務主機與分布于星上的各組件有機地連接起來，實現(xiàn)星上信息交換和共享，實時地完成星上運行管理、控制和任務調(diào)度。

星地測控采用X頻段擴頻測控體制，遙控碼速率2 000 bit/s，遙測碼速率4 096 bit/s；采用GNSS/BD2雙模接收機提供實時定位信息，定位精度最高10 m(3個方向)。

②堤防(含穿堤建筑物)。南堤以南肩線為界，北堤堤外有調(diào)度河的至調(diào)度河北子堰外堤腳線征地紅線，無調(diào)度河的至北堤堤腳線外征地紅線。

對地數(shù)傳采用X頻段，QPSK調(diào)制方式，固存容量64G，碼速率24 Mbit/s，通過相控陣天線右旋圓極化進行對地數(shù)據(jù)傳輸。

衛(wèi)星有效載荷為L波段被動雷達，通過接收導航星直達和反射信號進行海面風場數(shù)據(jù)反演測量，可以實現(xiàn)海面風場測量的范圍為2～61.2 m/s。圖2為BF-1衛(wèi)星在軌示意，表1為BF-1衛(wèi)星主要技術指標。

圖2 BF-1衛(wèi)星在軌示意Fig.2 On-orbit diagram of BF-1 satellite

表1 BF-1衛(wèi)星主要技術指標

2.3 觀測能力

考慮L波段被動雷達對GNSS反射信號接收的信噪比和質(zhì)量，軌道高度不宜太高，BF-1衛(wèi)星軌道高度為579 km。中國周邊大部分海域緯度低于北緯41°，只要軌道傾角大于41°即可滿足對中國周邊海域的覆蓋；海上發(fā)射運載火箭受發(fā)射地點選擇、航跡、落區(qū)等因素制約，選擇軌道傾角為45°，既能夠滿足對中國周邊海域的觀測需求，同時也能兼顧一帶一路沿線國家觀測需求。

L波段被動雷達的波束指向分析還要考慮臺風觀測的任務需求。臺風核心區(qū)域的直徑約為300 km，其影響甚至可達2 200 km。BF-1星座在軌運行示意如圖3所示。

圖3 BF-1星座在軌運行Fig.3 On-orbit train diagram of BF-1 satellite constellation

既要保證臺風核心區(qū)域的觀測，又要盡可能擴大臺風的觀測范圍。BF-1衛(wèi)星的觀測條帶的設計方法為：對于任一軌道高度，設計觀測條帶間的距離為300 km，衛(wèi)星需要能夠有效對臺風核心區(qū)與臺風影響范圍進行觀測，在垂軌向波束寬度取44°的情況下，綜合鏡面反射點數(shù)的分布特點，最終確定GNSS-R反射信號接收天線的波束指向角為26°，接收機天線在衛(wèi)星兩側(cè)對稱安裝，波束覆蓋范圍和觀測能力如圖4所示。

圖4 反射信號接收機天線對地覆蓋示意Fig.4 Illustration of coverage of reflected signal receiving antenna

2.4 飛行程序與任務模式

根據(jù)用戶測量要素全、風場測量范圍大、測量精度高的使用需求及海上發(fā)射的任務特點，衛(wèi)星設計了相應的工作模式及任務模式，包括軌道控制模式、任務模式、安全模式等。設計的軌控工作模式包括：升軌模式、降軌模式、傾角調(diào)整模式。衛(wèi)星的飛行程序如圖5所示。安全模式包括姿態(tài)異常安全模式、能源安全模式、載荷安全模式、星務主機安全模式等，用于星上不同故障狀態(tài)時，衛(wèi)星可自主控制到安全運行狀態(tài)下； 任務模式分別為時延-多普勒映射(delay-Doppler maps，DDM)記錄模式、DDM+原始數(shù)據(jù)記錄模式、原始數(shù)據(jù)記錄模式、邊記邊放模式、順序回放模式、按地址回放模式，可滿足任務需求。

圖5 BF-1飛行程序Fig.5 Flight procedure of BF-1 aatellite

3 衛(wèi)星任務特點

3.1 填補海面高精度風場監(jiān)測空白

傳統(tǒng)氣象衛(wèi)星以云頂測量等手段監(jiān)測風速，難以高精度表征海表風速，浮標測風數(shù)量少、離散，散射計測風范圍有限，GNSS-R通過接收導航星反射信號可對風速進行精確測量[9]。BF-1衛(wèi)星定位為星載GNSS-R技術演示驗證和科學試驗，可以完成風場內(nèi)核監(jiān)測，彌補氣旋中心熱動力學探測的空白，高時空分辨率使得GNSS-R技術可以完成氣旋全壽命周期的監(jiān)測。GNSS-R技術還可以進行海面浪高、海水鹽度和海冰厚度等要素的探測，探測要素豐富。在具備2～70 m/s范圍大風場測量的同時，風速測量精度可以達2 m/s，優(yōu)于傳統(tǒng)手段。使其獲得的海面風場(風速)數(shù)據(jù)將試用于中國氣象局臺風預報業(yè)務應用體系。除此之外，還將在海浪、冰川、積雪、土壤濕度等方面進行數(shù)據(jù)反演試驗工作，研究其應用的可行性。

3.2 首次采用海上發(fā)射方案

BF-1衛(wèi)星發(fā)射任務是中國首次采用海上發(fā)射方案，海上發(fā)射無傳統(tǒng)發(fā)射場和測控系統(tǒng)保障，如圖6所示，需對衛(wèi)星與發(fā)射場系統(tǒng)以及測控系統(tǒng)的接口及流程進行重新設計。

圖6 BF-1衛(wèi)星發(fā)射場與測控系統(tǒng)特點Fig.6 Characteristics of launch site and measurement and control system of BF-1 satellite

運載火箭主動段測控由安放在發(fā)射保障船上的移動測控站完成，收到測控信號后一路傳輸至發(fā)射指揮船，一路通過中國衛(wèi)星通信集團公司信號傳至北京。衛(wèi)星主動段不加電，星箭分離后衛(wèi)星測控由航天馭星有限公司海外移動測控站負責，收到信號后傳輸至北京數(shù)據(jù)中心，再經(jīng)運控大廳傳輸至位于發(fā)射海域的移動終端(基于互聯(lián)網(wǎng)VPN設備)，確保入軌測控任務的順利完成。

海上發(fā)射相對于陸地發(fā)射主要面臨了新流程、新環(huán)境和新狀態(tài)。星箭一體化鐵路運輸進場及海上運輸?shù)葘πl(wèi)星發(fā)射流程帶來了重大影響。海上發(fā)射衛(wèi)星面臨的新環(huán)境，相對以往更加惡劣：海邊測試廠區(qū)面臨雨水引發(fā)的高濕、高鹽分水汽侵擾，在星箭組合體吊裝上船期間由于無法提供空調(diào)保障，就需要需嚴格控制操作時間；在發(fā)射船上，射前近小時空調(diào)停用、運載起豎，海面的高濕、高鹽分水汽同樣會對衛(wèi)星有腐蝕影響；入軌點可具備的測控條件均與以往不同。為適應于海上發(fā)射的新環(huán)境、新流程，必然導致衛(wèi)星出廠狀態(tài)、運輸狀態(tài)與監(jiān)測、射前測試、發(fā)射歷程與飛行預案等呈現(xiàn)許多新狀態(tài)。型號隊伍通過對“三新”細致分析，梳理每個環(huán)節(jié)可能存在的問題，制定衛(wèi)星出廠前加注、運輸力學跑車試驗、全流程溫濕度監(jiān)測、發(fā)射前保障船工作等應對措施，并進行了有效控制，確保了海上首次發(fā)射衛(wèi)星的成功，并形成相應文件，為衛(wèi)星海上發(fā)射積累了豐富的經(jīng)驗。BF-1衛(wèi)星出廠及發(fā)射流程如圖7所示。

圖7 BF-1衛(wèi)星出廠及發(fā)射流程Fig.7 Delivery and launch process of BF-1 satellite

3.3 星地一體化數(shù)據(jù)反演

相比科學目標和應用目標，衛(wèi)星研制、發(fā)射的工程目標實現(xiàn)較易，但面向科學研究和業(yè)務應用的關鍵是數(shù)據(jù)反演。傳統(tǒng)的做法是衛(wèi)星發(fā)射后，地面應用系統(tǒng)相繼開展數(shù)據(jù)反演相關的一些模型和算法研究，這對于對臺風監(jiān)測等應用領域的緊迫需求是不相適應的，因此衛(wèi)星研制過程中同步開展地面數(shù)據(jù)反演工作研究，組織完成建模和算法設計，確保“衛(wèi)星上天、數(shù)據(jù)落地、測試試用”一氣呵成，最大程度發(fā)揮衛(wèi)星應用效能，即衛(wèi)星與數(shù)據(jù)處理反演算法同步開展，通過探討用戶產(chǎn)品服務模式，積累改進提高的經(jīng)驗與水平。

3.4 創(chuàng)新性的數(shù)據(jù)中心

創(chuàng)新性地建立了衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心，拓展公司業(yè)務能力，為解決后續(xù)自研項目“在軌測控難”“載荷數(shù)據(jù)落地難”的問題，為后續(xù)“先行先試”項目論證提供支持，依托BF-1衛(wèi)星建立的衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心，形成公司自研型號完整的在軌能力；同時也為促進公司從衛(wèi)星集成商到衛(wèi)星系統(tǒng)服務提供商的轉(zhuǎn)變，提升公司在衛(wèi)星工程大系統(tǒng)設計方面的能力，帶動合作專業(yè)廠所向衛(wèi)星應用領域發(fā)展。

4 在軌測試與性能比較

4.1 在軌測試與運行情況

衛(wèi)星入軌后，進行了1周的工程測試，衛(wèi)星平臺和有效載荷均工作正常，設備處于主份工作狀態(tài)。

入軌后20天，兩星建立45°相位間隔星座，兩星實現(xiàn)全軌道圈載荷工作，數(shù)據(jù)記錄、接收正確。

在后續(xù)在軌測試流程中，先后完成載荷性能測試評估、風場反演精度評價、產(chǎn)品真實性檢驗與驗證，測試結果表明，載荷性能穩(wěn)定，反演精度滿足設計要求。

捕風衛(wèi)星地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)順利完成了L0、L1和L2級數(shù)據(jù)處理與生成。衛(wèi)星地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成了各級數(shù)據(jù)處理，原始數(shù)據(jù)接收成功率達99.9%以上，有效數(shù)據(jù)產(chǎn)品處理成功率優(yōu)于90%，利用大洋浮標和再分析場完成了1級數(shù)據(jù)風場等反演可用性評估，評估表明數(shù)據(jù)可用于風速反演應用，符合2 m/s或10%的風速反演對資料處理精度的設計要求，具備海面風場業(yè)務試運行能力。

作為中國首個GNSS-R海面風速探測衛(wèi)星，在軌獲得了良好的DDM探測信號，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理，獲得了1級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，得到了可用于風速反演的特征觀測量。捕風一號試驗衛(wèi)星1級數(shù)據(jù)產(chǎn)品包含15個數(shù)據(jù)變量，包括觀測時間參數(shù)(week，second，time_utc)，觀測時刻捕風衛(wèi)星位置速度參數(shù)(remote_ecef)，導航衛(wèi)星類型、PRN和位置速度(gnss_type，gnss_prn，gnss_ecef)，鏡面點位置速度和反射信號角度(reflect_ecef，elevation_angle)，以及觀測特征量降采樣DDM、功率校準DDM、信噪比和NBRCS(ddm_0，ddm，ddm_snr和NBRCS)。圖8為處理后中國首幅功率校準GPS-R衛(wèi)星DDM圖，圖9為基于北斗導航衛(wèi)星的世界首幅典型功率校準BDS-R衛(wèi)星DDM圖，有望實現(xiàn)北斗衛(wèi)星的拓展應用。

圖8 中國首幅GPS-R衛(wèi)星DDM圖Fig.8 The first GPS-R satellite DDM picture of China

圖9 世界首幅BDS-R衛(wèi)星DDM圖Fig.9 The first BDS-R satellite DDM picture of the world

BF-1A/B衛(wèi)星在軌已經(jīng)穩(wěn)定運行24個月，整星所有系統(tǒng)均工作正常、穩(wěn)定，整星無常駐故障或影響用戶使用的問題存在，在軌表現(xiàn)良好。衛(wèi)星各項功能指標正常，各項性能指標均在正常范圍之內(nèi)，衛(wèi)星運行穩(wěn)定，狀態(tài)良好。

4.2 主要性能比較

BF-1衛(wèi)星與國際同類衛(wèi)星CYGNSS ATBD結果比對[10]如圖10所示。反演得到的結果與參考風速之差隨鏡面點入射角的變化趨勢，其中越暗紅，表明這類結果出現(xiàn)的頻次越高[11]。兩者反演風速與參考風速偏差隨入射角的變化特性非常一致，風速偏差高密度區(qū)域均集中在同標尺范圍內(nèi)，兩者反演風速與參考風速偏差、參考風速的變化特性一致，捕風數(shù)據(jù)結果在5～10 m/s區(qū)域顯示出更好的數(shù)據(jù)聚集性，捕風衛(wèi)星部分覆蓋西風帶，有比CYGNSS更多的相對高風速數(shù)據(jù)結果[12-13]。

圖10 BF-1與CYGNSS ATBD結果比對Fig.10 ATBD comparison of BF-1 satellite and CYGNSS

在風速較低的情況下，反演偏差對稱性較好，偏差比較集中；隨著風速的提高，風速偏差分布也逐漸增大，這與特征觀測量隨風速提高的靈敏度降低以及觀測數(shù)據(jù)信噪比降低等因素密切相關，也是后續(xù)提升反演性能需要重點處理的關注所在。

對BF-1衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進行了風速反演分析，同GNSS-R同類型觀測模式CYGNSS的相關結果作為比對，對風速反演的性能做評估[14]。圖11給出了反演獲得BF-1 A、B雙星及CYGNSS星座8顆衛(wèi)星的觀測結果。其中BF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)為采用NBRCS數(shù)據(jù)獲得的2級風速，CYGNSS為融合NBRCS和LES觀測量反演數(shù)據(jù)的3級風速產(chǎn)品。比對數(shù)據(jù)可以很明顯看到兩者數(shù)據(jù)具有很好的一致性，如日本東側(cè)太平洋區(qū)域、馬達加斯加島附近有明顯的低風速區(qū)域，而孟加拉灣和西風帶具有明顯的高風速區(qū)域。比對數(shù)據(jù)可以很明顯看到兩者數(shù)據(jù)具有很好的一致性，但由于捕風一號衛(wèi)星僅有A、B雙星，觀測數(shù)據(jù)量明顯少于CYGNSS星座，可用于反演的反演特征量較少，數(shù)據(jù)產(chǎn)品中離散出現(xiàn)的高風速數(shù)據(jù)點較CYGNSS偏多，后續(xù)通過提取更多的數(shù)據(jù)特征量和反演算法的進一步改進有望得到改善。

圖11 BF-1和CYGNSS同日觀測反演數(shù)據(jù)比對Fig.11 Comparison of the retrievals of BF-1and CYGNSS L3 data in the same day

5 結論

BF-1衛(wèi)星的研制，是中國星載GNSS-R關鍵技術的突破，全鏈路驗證了國內(nèi)探測技術、數(shù)據(jù)處理能力和所得的數(shù)據(jù)產(chǎn)品特性；基于北斗導航衛(wèi)星的探測信號有望實現(xiàn)北斗衛(wèi)星的拓展應用；基于微小衛(wèi)星平臺風場組網(wǎng)探測為未來GNSS-R空間體系完善提供豐富的工程經(jīng)驗。

BF-1 A/B衛(wèi)星目前采用單極化測量方式，只能通過前向散射探測海面風速，無法探測風向，影響業(yè)務化應用。因此，需要在后續(xù)星座中增加交叉極化探測手段，通過后向散射探測海面風向，滿足氣象預報模型數(shù)據(jù)需求，增強衛(wèi)星探測能力，補齊風向測量要素。基于捕風一號衛(wèi)星基礎，積極開展后續(xù)星座設計工作，拓展組網(wǎng)規(guī)模，提升觀測效率，實現(xiàn)全球小時級的區(qū)域重訪，為氣象等行業(yè)提供準實時數(shù)據(jù)信息。增強北斗信號探測能力，實現(xiàn)全自主知識產(chǎn)權支持的GNSS-R技術體系，發(fā)揮北斗信號寬帶寬優(yōu)勢，提升數(shù)據(jù)精度。增加掩星探測模式，實現(xiàn)大氣探測與電離層監(jiān)測功能。聯(lián)合各類科研、應用機構，增強數(shù)據(jù)共享，拓展衛(wèi)星應用。