樓良盛，劉志銘，張 昊,3，錢方明，張笑微

1. 地理空間信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710054； 2. 西安測(cè)繪研究所，陜西 西安 710054； 3. 信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院, 河南 鄭州 450001

天繪二號(hào)衛(wèi)星是基于干涉合成孔徑雷達(dá)(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技術(shù)的微波測(cè)繪衛(wèi)星系統(tǒng)，可以快速提取地面三維信息，與傳統(tǒng)的光學(xué)遙感技術(shù)相比，具有全天候、全天時(shí)、數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度高等突出優(yōu)點(diǎn)，其主要產(chǎn)品是數(shù)字表面模型和雷達(dá)正射影像[1-2]，在無(wú)地面控制點(diǎn)條件下，精度與德國(guó)TanDEM-X系統(tǒng)[3-5]相當(dāng)。天繪二號(hào)衛(wèi)星可為我國(guó)基礎(chǔ)測(cè)繪任務(wù)提供可靠的數(shù)據(jù)源，用于國(guó)家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、自然災(zāi)害檢測(cè)、大流域和河道治理、水利和電力建設(shè)等諸多領(lǐng)域[6-12]；尤其用于中國(guó)多云雨地區(qū)無(wú)地面控制條件下的1∶5萬(wàn)比例尺的定位與測(cè)圖，優(yōu)勢(shì)尤為突出。天繪二號(hào)衛(wèi)星于2019年4月30日成功發(fā)射，使我國(guó)擁有了全天候、全天時(shí)獲取全球地理影像的自主手段，擺脫了雷達(dá)遙感測(cè)繪數(shù)據(jù)長(zhǎng)期依賴國(guó)外商業(yè)衛(wèi)星的被動(dòng)局面，標(biāo)志著中國(guó)航天測(cè)繪事業(yè)邁上了新的臺(tái)階。目前，天繪二號(hào)衛(wèi)星影像成果正在國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要作用。

本文根據(jù)天繪二號(hào)衛(wèi)星的技術(shù)體制，介紹其主要關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑。

1 InSAR測(cè)量原理

InSAR的工作原理如圖1所示，在本質(zhì)上仍然是三角測(cè)量，需要兩個(gè)天線(A1、A2)在垂直于雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的方向上分開放置以形成基線，基線兩端與地面被觀測(cè)點(diǎn)P構(gòu)成三角形。InSAR在實(shí)施對(duì)三角形的求解時(shí)，是從地面被觀測(cè)點(diǎn)P與兩個(gè)天線的距離差入手的，而這一距離差是通過(guò)電磁波在被觀測(cè)點(diǎn)與各天線間傳播的路徑不同所導(dǎo)致的相位差得出的。由距離差的不同引起相位差的變化即為干涉。

根據(jù)干涉原理與三角形幾何關(guān)系，地面點(diǎn)高程h可以表示為[6]

h=H-r1cosθ

(1)

(2)

式中，Φ為相位差；B為基線長(zhǎng)度，即雷達(dá)天線A2到天線A1在YOZ平面上的投影；δ為雷達(dá)天線A1、A2到地面點(diǎn)的距離差；β為基線的傾角；θ為雷達(dá)天線A1的側(cè)視角；r1為雷達(dá)天線A1到目標(biāo)點(diǎn)的距離；H為雷達(dá)天線A1的高度；n=1表示SAR單發(fā)雙收，n=2表示SAR單發(fā)單收。

圖1 InSAR原理Fig.1 The schematic diagram of the InSAR

由式(1)可知，求地面點(diǎn)高程h，需要解決這5個(gè)要素：相位差Φ、基線的長(zhǎng)度B、基線的傾角β、雷達(dá)天線A1到目標(biāo)點(diǎn)的距離r1、雷達(dá)天線A1的高度H。

地面點(diǎn)平面坐標(biāo)(X，Y)可由式(3)得到[13]

(3)

由式(3)可知，求地面點(diǎn)平面坐標(biāo)(X，Y)，需要解決這6個(gè)要素：主雷達(dá)天線A1的平面坐標(biāo)(Xs，Ys)、衛(wèi)星飛行速度矢量(VX，VY，VZ)、中心多普勒頻率fdc。

2 天繪二號(hào)衛(wèi)星技術(shù)體制

根據(jù)InSAR測(cè)量原理，InSAR測(cè)繪系統(tǒng)必須具有兩個(gè)分開放置的SAR形成干涉基線。天基系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法有以SRTM[14-16]為代表的單衛(wèi)星平臺(tái)(或飛船、航天飛機(jī))雙天線體制，以及以TanDEM-X系統(tǒng)為代表的衛(wèi)星編隊(duì)體制。

基于單衛(wèi)星平臺(tái)雙天線體制是在單個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)上伸出一支能滿足InSAR干涉要求的基線架，在基線架兩端分別放兩個(gè)雷達(dá)天線，形成干涉測(cè)量系統(tǒng)。該體制的兩個(gè)天線同時(shí)對(duì)地面成像，可以徹底解決時(shí)間導(dǎo)致的相干性下降問(wèn)題；同時(shí)基線架變形很小，可以提高基線測(cè)量精度。然而它必須首先解決空間長(zhǎng)基線問(wèn)題。由于長(zhǎng)期以來(lái)沒有找到可行的實(shí)現(xiàn)空間長(zhǎng)基線的技術(shù)方法，至今單平臺(tái)雙天線體制只在美國(guó)航天飛機(jī)上的SRTM實(shí)現(xiàn)過(guò)。SRTM系統(tǒng)搭載在2000年2月發(fā)射的美國(guó)“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)上，由于受基線長(zhǎng)度限制，其產(chǎn)品精度不高。技術(shù)難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、耗資巨大，是該體制的突出缺點(diǎn)。

基于衛(wèi)星編隊(duì)體制是由多顆衛(wèi)星組成編隊(duì)，衛(wèi)星相互遵循Hill方程[17]繞飛，衛(wèi)星之間的間隔為數(shù)百米至數(shù)千米，整體構(gòu)型相對(duì)穩(wěn)定；衛(wèi)星上分別裝有雷達(dá)，同時(shí)對(duì)地面成像，形成干涉測(cè)量系統(tǒng)，無(wú)時(shí)間去相關(guān)效應(yīng)。這種新概念為星載InSAR技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了新的解決思路，通過(guò)編隊(duì)衛(wèi)星的構(gòu)型設(shè)計(jì)可獲得最佳基線，滿足InSAR干涉的一系列條件。其代表為德國(guó)空間中心(DLR)的TanDEM-X系統(tǒng)。

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有技術(shù)水平，基于單衛(wèi)星平臺(tái)雙天線InSAR方案的基線架及伸展技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)，基線長(zhǎng)度很難達(dá)到最佳要求；且伸展出去的天線存在顫抖，難以對(duì)其進(jìn)行精確測(cè)量，這將影響InSAR測(cè)圖精度。而基于衛(wèi)星編隊(duì)體制難度相對(duì)較小，且可以確保較高的產(chǎn)品精度，故天繪二號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)采用基于衛(wèi)星編隊(duì)的干涉基線體制。

由此，天繪二號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)由兩顆對(duì)等的衛(wèi)星組成，采用基于異軌道面繞飛衛(wèi)星編隊(duì)構(gòu)型，編隊(duì)衛(wèi)星的軌道構(gòu)型服從Hill方程，SAR載荷采用一發(fā)雙收技術(shù)模式，如圖2所示。在此技術(shù)體制下，分開放置的雷達(dá)所接收的信號(hào)具有較好的相干性，但發(fā)射與接收雷達(dá)之間必須要相互協(xié)調(diào)、相互配合，才能正常工作。為此，必須要求參與工作的所有雷達(dá)天線對(duì)準(zhǔn)地面同一個(gè)目標(biāo)[18]，所有雷達(dá)知道雷達(dá)信號(hào)發(fā)送時(shí)間[19]，所有雷達(dá)能夠在整個(gè)合成孔徑時(shí)間內(nèi)精確掌握各回波的相位[20]，即為空間、時(shí)間、相位三同步。

圖2 天繪二號(hào)工作示意Fig.2 The working diagram of TH-2

3 天繪二號(hào)衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)

在該體制下，為了解決求地面點(diǎn)所需的要素，并確保系統(tǒng)相位精度及產(chǎn)品精度，天繪二號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)除單SAR衛(wèi)星具有的關(guān)鍵技術(shù)外，還有衛(wèi)星編隊(duì)、SAR載荷協(xié)同工作、高精度內(nèi)定標(biāo)、基線確定、高精度基線測(cè)量、高精度基線定標(biāo)、高保相成像以及利用雙頻解算干涉相位絕對(duì)模糊數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。單SAR衛(wèi)星具有的關(guān)鍵技術(shù)比較成熟，本文不再敘述。

3.1 衛(wèi)星編隊(duì)技術(shù)

衛(wèi)星編隊(duì)技術(shù)是確保形成干涉基線關(guān)鍵，包括編隊(duì)構(gòu)型設(shè)計(jì)、編隊(duì)保持控制、編隊(duì)構(gòu)型重構(gòu)及防碰撞4部分內(nèi)容。

3.1.1 編隊(duì)構(gòu)型設(shè)計(jì)

對(duì)于近距離繞飛編隊(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)，為了確保編隊(duì)構(gòu)型穩(wěn)定，主、輔兩星回歸周期須相同，軌道傾角差Δa應(yīng)為0，則輔星相對(duì)于主星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)軌道坐標(biāo)系(Hill坐標(biāo)系，即X軸為地心指向主星質(zhì)心方向，Y軸為衛(wèi)星飛行方向，Z軸為右手法則方向)下輔星與主星的相對(duì)位置來(lái)描述，即

(4)

式中，p=aδe；l=a(cotiΔiy+Δu)；s=aδi。

相對(duì)偏心率矢量Δe為

(5)

相對(duì)傾角矢量Δi為

(6)

上述各式中，軌道根數(shù)皆為平根；a、e、i、Ω、ω和M分別代表半長(zhǎng)軸、偏心率、軌道傾角、升交點(diǎn)赤經(jīng)、近地點(diǎn)幅角和平近點(diǎn)角；下標(biāo)1表示主星，下標(biāo)2表示輔星；δe和θFF分別是Δe矢量的大小和相位；δi和ψFF分別是Δi矢量的大小和相位；Δu為兩星相對(duì)平緯度幅角矢量。

由式(4)可知，通過(guò)輔星相對(duì)主星運(yùn)動(dòng)軌跡在XHOHYH平面內(nèi)投影橢圓的短半軸p、輔星相對(duì)主星運(yùn)動(dòng)軌跡在ZH向上振幅s、相對(duì)偏心率矢量的相位角θFF、相對(duì)傾角矢量的相位角ψFF、主星相對(duì)編隊(duì)構(gòu)型幾何中心在主星切向上偏移量l參數(shù)設(shè)計(jì)，即可進(jìn)行編隊(duì)構(gòu)型設(shè)計(jì)。

天繪二號(hào)編隊(duì)構(gòu)型采用等半長(zhǎng)軸、等傾角非共面設(shè)計(jì)原則(兩顆衛(wèi)星高度一致，相對(duì)傾角矢量的相位角ψFF固定為90°)，通過(guò)選擇主、輔星之間的赤經(jīng)差(輔星相對(duì)主星運(yùn)動(dòng)軌跡在ZH向上振幅s不同)，使兩星之間在軌道平面外拉開(在赤道附近編隊(duì)構(gòu)型參數(shù)z向分量最大)，這種構(gòu)型設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的被動(dòng)穩(wěn)定性，可以保證衛(wèi)星的防碰撞安全性。

3.1.2 編隊(duì)構(gòu)型保持控制

編隊(duì)構(gòu)型在空間攝動(dòng)的影響下會(huì)逐漸發(fā)散偏離標(biāo)稱值，從而影響衛(wèi)星系統(tǒng)工作，需要進(jìn)行保持控制。編隊(duì)構(gòu)型由兩顆衛(wèi)星的相對(duì)軌道根數(shù)決定，因此編隊(duì)構(gòu)型控制最終變成對(duì)編隊(duì)衛(wèi)星的相對(duì)軌道根數(shù)調(diào)整控制。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)控制方程，對(duì)各相對(duì)軌道根數(shù)調(diào)整分成軌道面外參數(shù)調(diào)整和軌道面內(nèi)參數(shù)調(diào)整。編隊(duì)構(gòu)型平面外控制參數(shù)主要為相對(duì)傾角矢量的調(diào)整，控制方式采用單脈沖控制方式，根據(jù)需要的調(diào)整量，選擇相應(yīng)的點(diǎn)火位置，進(jìn)行平面外參數(shù)的控制。平面內(nèi)控制采用三脈沖控制方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)相對(duì)偏心率矢量、相對(duì)半長(zhǎng)軸、相對(duì)緯度幅角等平面內(nèi)參數(shù)的控制。控制推力采用切向推力，由不同編隊(duì)推力器組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

編隊(duì)構(gòu)型保持控制包括星地聯(lián)合控制和星上自主控制兩種模式。星地聯(lián)合控制模式中，地面控制中心基于測(cè)控站獲得兩星相對(duì)狀態(tài)信息與設(shè)定任務(wù)的編隊(duì)構(gòu)型信息計(jì)算偏離值，由偏離值確定星上推力器的控制時(shí)機(jī)與控制量大小，通過(guò)上注指令，對(duì)輔星實(shí)施保持控制；星上自主控制模式中，由星上星間測(cè)量分系統(tǒng)獲取兩星相對(duì)狀態(tài)信息，衛(wèi)星根據(jù)相對(duì)狀態(tài)信息與設(shè)定任務(wù)的編隊(duì)構(gòu)型信息獲取偏離值，確定星上推力器的控制時(shí)機(jī)與控制量大小，對(duì)輔星實(shí)施保持控制。其流程如圖3、圖4所示。

圖3 星地聯(lián)合控制流程Fig.3 Flowchart of satellite-ground joint control

圖4 星上自主控制流程Fig.4 Flowchart of on-board autonomous control

3.1.3 編隊(duì)構(gòu)型重構(gòu)

編隊(duì)構(gòu)型重構(gòu)主要完成各種編隊(duì)構(gòu)型之間的相互轉(zhuǎn)換，采用星地大回路控制方式。在進(jìn)行編隊(duì)構(gòu)型重構(gòu)時(shí)，首先采用單脈沖控制方式進(jìn)行軌道面外軌道參數(shù)的控制，然后采用兩脈沖或三脈沖控制方式進(jìn)行軌道面內(nèi)的參數(shù)控制。

在進(jìn)行編隊(duì)重構(gòu)時(shí)，由于理想構(gòu)型在編隊(duì)沿航向的距離相差較大，半長(zhǎng)軸的偏差會(huì)引起衛(wèi)星編隊(duì)的構(gòu)型沿航向長(zhǎng)期的漂移，出于燃料節(jié)省的考慮，軌道面內(nèi)的參數(shù)控制采用多軌沿航向漂移實(shí)現(xiàn)編隊(duì)重構(gòu)。

3.1.4 防碰撞

防碰撞規(guī)避策略主要從構(gòu)型設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和防撞規(guī)避措施3個(gè)層次進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

為了最大限度地減小兩星發(fā)生碰撞的概率，衛(wèi)星編隊(duì)構(gòu)型設(shè)計(jì)采用等半長(zhǎng)軸、等傾角非共面的設(shè)計(jì)原則。目前所設(shè)計(jì)的編隊(duì)構(gòu)型均滿足該原則，并且保證了兩星在XHOHYH面內(nèi)相對(duì)距離大于150 m。

控制系統(tǒng)防撞設(shè)計(jì)主要從相對(duì)導(dǎo)航與編隊(duì)控制策略的工作狀態(tài)檢查與驗(yàn)證、推力器限噴措施設(shè)計(jì)、編隊(duì)初始化安全接近設(shè)計(jì)、單機(jī)可靠性措施以及故障診斷進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，防止由于相對(duì)導(dǎo)航與控制算法驗(yàn)證不足、推力器限噴措施不到位、單機(jī)和系統(tǒng)故障等導(dǎo)致的兩星碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

防撞規(guī)避措施是指一旦出現(xiàn)兩星相距小于安全閾值的緊急情況，衛(wèi)星系統(tǒng)即采取撤離控制措施，避免碰撞的發(fā)生。為了盡快拉開兩星的相對(duì)距離，采用主星單脈沖切向噴氣的控制方式。

3.2 SAR載荷協(xié)同工作技術(shù)

在一發(fā)雙收SAR工作模式下，雙星需要協(xié)同工作才能獲取有效干涉數(shù)據(jù)，主要體現(xiàn)為時(shí)間、空間、相位三同步。

3.2.1 時(shí)間同步

時(shí)間同步的目的是使雙星SAR之間工作時(shí)間一致，以便在同一時(shí)間點(diǎn)上錄取地面回波，確保主輔星SAR錄取的回波在距離向的重合。時(shí)間同步是由高穩(wěn)定80 MHz基準(zhǔn)頻率信號(hào)、高精度PPS秒脈沖信號(hào)對(duì)、PPS秒脈沖之間的高精度時(shí)差共同保障。時(shí)間同步可分為建立和保持兩部分。

時(shí)間同步建立指在某一時(shí)間點(diǎn)，兩同步時(shí)鐘的時(shí)間讀數(shù)相同。星間測(cè)量分系統(tǒng)提供的高穩(wěn)定基準(zhǔn)頻率信號(hào)、高精度PPS秒脈沖信號(hào)、PPS秒脈沖間的高精度時(shí)差數(shù)據(jù)，經(jīng)SAR載荷雷達(dá)射頻子系統(tǒng)，產(chǎn)生高穩(wěn)時(shí)鐘信號(hào)后送雷達(dá)控制子系統(tǒng)，作為定時(shí)基準(zhǔn)時(shí)鐘，并產(chǎn)生系統(tǒng)所需高穩(wěn)定時(shí)間。高精度時(shí)差數(shù)據(jù)經(jīng)衛(wèi)星綜合電子送雷達(dá)控制子系統(tǒng)，由時(shí)差數(shù)據(jù)控制監(jiān)控定時(shí)模塊對(duì)超前的PPS秒脈沖進(jìn)行延時(shí)控制。通過(guò)PPS秒脈沖觸發(fā)雷達(dá)控制子系統(tǒng)的監(jiān)控定時(shí)模塊，產(chǎn)生高一致的雷達(dá)定時(shí)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雙星時(shí)間同步建立。一次時(shí)間同步建立如圖5所示。

圖5 時(shí)間同步建立Fig.5 Time synchronization establishment

時(shí)間同步建立后，在一次成像工作時(shí)間內(nèi)，需進(jìn)行時(shí)間同步保持。它表示完成時(shí)間同步建立后，兩同步時(shí)鐘時(shí)間走時(shí)的一致性。時(shí)間同步保持是通過(guò)星間測(cè)量分系統(tǒng)提供的高穩(wěn)定基準(zhǔn)頻率信號(hào)的高精度和它們之間的高一致性，維持主輔星SAR定時(shí)信號(hào)之間的差別。高穩(wěn)定基準(zhǔn)頻率信號(hào)由星上自帶銣鐘馴服晶振實(shí)現(xiàn)，銣鐘具有長(zhǎng)穩(wěn)特性，而晶振具有短穩(wěn)特性，用銣鐘馴服晶振實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)頻率信號(hào)的長(zhǎng)期高穩(wěn)定性。

3.2.2 空間同步

空間同步的目的是保證主輔星SAR天線的波束在地面有足夠的重疊，以保障被動(dòng)接收的輔星能夠獲取高信噪比的SAR回波信號(hào)。空間同步采用最大能量法和最大相干法兩種方案。

最大能量法的同步方案，即“輔瞄主”模式，通過(guò)對(duì)輔星導(dǎo)引規(guī)律的偏置，在不考慮波束指向誤差的情況下，可使輔星波束腳印與主星波束腳印重合，從而使輔星接收到的回波能量達(dá)到最大。該方案下，主輔星波束中心指向測(cè)繪帶中心同一點(diǎn)。對(duì)于輔星雷達(dá)而言，它的方位向天線方向圖是主星方位向發(fā)射天線方向圖和輔星方位向接收天線方向圖合成的有效天線方向圖。這使系統(tǒng)發(fā)射天線方向圖和接收天線方向圖峰值重合，這時(shí)系統(tǒng)信噪比去相干影響較小，但對(duì)多普勒去相干影響較大。

與最大能量法相比，最大相干法并不要求主輔星波束中心同時(shí)指向地面同一點(diǎn)，而要求主輔星分別按照各自的偏航、俯仰二維導(dǎo)引規(guī)律將波束照射在同一個(gè)測(cè)繪帶內(nèi)，這樣主輔星回波多普勒中心頻率基本相同，保證了較高的多普勒去相干。一般情況下，同步后的波束在方位向不完全重疊，主輔星波束中心不指向同一點(diǎn)，輔星信噪比會(huì)有所下降，因此會(huì)影響信噪比去相干。

偏航、俯仰二維導(dǎo)引改正值工程上可簡(jiǎn)單表示為

對(duì)于天繪二號(hào)衛(wèi)星編隊(duì)，經(jīng)仿真分析，在空間同步誤差相同的條件下，信噪比去相干非常有限，而多普勒去相干影響較大。因此，天繪二號(hào)采用最大相干法作為空間同步主方案，將最大能量法作為備選方案。

空間同步的實(shí)施過(guò)程主要涉及衛(wèi)星兩大分系統(tǒng)：姿軌控分系統(tǒng)和SAR分系統(tǒng)。姿軌控分系統(tǒng)是空間同步的執(zhí)行系統(tǒng)，負(fù)責(zé)二維導(dǎo)引規(guī)律的實(shí)施，滿足衛(wèi)星姿態(tài)指向精度的要求；在此基礎(chǔ)上SAR分系統(tǒng)須保證各個(gè)波位的波束指向精度滿足相應(yīng)的指標(biāo)要求。

最大相干法空間同步實(shí)現(xiàn)方案如圖6所示。

圖6 最大相干法空間同步方案Fig.6 The space synchronization scheme based on maximum coherence method

3.2.3 相位同步

相位同步的目的是建立主輔星SAR間共同的相對(duì)相位參考，使主輔星SAR的回波信號(hào)具有相參性，確保獲得滿足干涉測(cè)高要求的相位差。天繪二號(hào)衛(wèi)星相位同步采用基于雙向信號(hào)交替?zhèn)鬏數(shù)姆桨?，可分為星上雙向信號(hào)交替?zhèn)鬏數(shù)耐叫盘?hào)采樣和地面數(shù)據(jù)處理補(bǔ)償兩部分。星上部分主要完成主、輔星SAR載頻相位差信息的獲取；地面部分主要完成輔星SAR回波的相位補(bǔ)償。相位同步工作示意如圖7所示。

圖7 相位同步工作Fig.7 Phase synchronization

根據(jù)相位同步原理，補(bǔ)償?shù)南辔徊钪登蠼馊缦隆?/p>

設(shè)主星雷達(dá)的頻率源相位為

φ1=2πf1t+φ01+n1(t)

(7)

輔星雷達(dá)的頻率源相位為

φ2=2πf2t+φ02+n2(t)

(8)

輔星雷達(dá)接收到主星雷達(dá)的地面回波相位為

φ12=φ2-φ1=

φ02-φ01+n2(t)-n1(t)

(9)

式中，fi為主輔星SAR的標(biāo)稱中心頻率；φ0i為主輔星載頻的初相；ni為主輔星相位噪聲；ri為主輔星到地面目標(biāo)點(diǎn)距離，i=1為主星,i=2為輔星；t為一個(gè)相位同步交替?zhèn)鬏斶^(guò)程的起始時(shí)刻；c為光速。

根據(jù)InSAR測(cè)量原理，與高程相關(guān)的干涉相位應(yīng)只與雷達(dá)回波歷程r1、r2有關(guān)，故相位同步目的是在輔星的相位φ12中去除掉φc值，即

φc=2π(f2-f1)t+φ02-φ01+n2(t)-n1(t)

(10)

消除相位φc的過(guò)程即為相位同步。

相位同步的星上部分由星間狀態(tài)測(cè)量分系統(tǒng)、SAR分系統(tǒng)共同承擔(dān)。星間狀態(tài)測(cè)量分系統(tǒng)為有效載荷提供高穩(wěn)定的頻率基準(zhǔn)，保證獨(dú)立工作在兩星上的頻率基準(zhǔn)高精度地相對(duì)一致，為有效載荷相位同步奠定了基礎(chǔ)。SAR分系統(tǒng)采用同步喇叭雙向傳輸相位同步信號(hào)的方案獲取主、輔星SAR載波間相位差信息，即主星將相位同步脈沖信號(hào)通過(guò)星間鏈路發(fā)送給輔星，經(jīng)輔星解調(diào)后采集相位同步信號(hào)并隨雷達(dá)回波數(shù)據(jù)下傳至地面；同樣，主星也接收、解調(diào)輔星發(fā)來(lái)的同步脈沖信號(hào)，并下傳至地面。

相位同步的地面部分是在主輔星InSAR數(shù)據(jù)成像處理前，從回波數(shù)據(jù)中提取相位同步數(shù)據(jù)，恢復(fù)出主、輔星SAR載波間相位差值，補(bǔ)償輔星SAR回波的相位，實(shí)現(xiàn)相位同步。

在雷達(dá)工作期間，最先建立時(shí)間同步，然后依靠?jī)蓚€(gè)高穩(wěn)頻率基準(zhǔn)保持到成像結(jié)束；空間同步在時(shí)間同步之后進(jìn)行，隨后周期性進(jìn)行調(diào)整；相位同步在空間同步的后期開始，然后在雷達(dá)回波錄取期間周期性進(jìn)行。雷達(dá)系統(tǒng)干涉成像回波的錄取在三同步的保持期間進(jìn)行。

3.3 高精度SAR內(nèi)定標(biāo)技術(shù)

內(nèi)定標(biāo)是標(biāo)定雷達(dá)成像信號(hào)在SAR載荷發(fā)射與接收通道中的幅相變化。這些幅相變化疊加在回波信號(hào)上，不僅導(dǎo)致地面目標(biāo)的反射強(qiáng)度出現(xiàn)誤差，同時(shí)導(dǎo)致干涉相位出現(xiàn)誤差，直接影響測(cè)高精度。

內(nèi)定標(biāo)實(shí)現(xiàn)方法有延遲內(nèi)定標(biāo)和非延遲內(nèi)定標(biāo)兩種。在延遲內(nèi)定標(biāo)方法中，內(nèi)置了光纖延遲線、放大器等有源部件，開機(jī)相位具有隨機(jī)性，而且相位穩(wěn)定性差、溫漂大、鏈路對(duì)消性差，難以實(shí)現(xiàn)高精度內(nèi)定標(biāo)要求；在非延遲內(nèi)定標(biāo)方法中，采用全無(wú)源的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)更好的幅度和相位穩(wěn)定性，定標(biāo)精度高，但需要解決回波鏈路與定標(biāo)鏈路隔離度和不同模式下SAR載荷鏈路功率電平匹配等問(wèn)題。

天繪二號(hào)采用了非延遲內(nèi)定標(biāo)技術(shù)，相應(yīng)的控制措施包括：主輔星SAR采用相同的軟硬件設(shè)計(jì)，通過(guò)地面測(cè)試和篩選，確保主輔星SAR硬件相位特性的高一致性；通過(guò)采用長(zhǎng)加電、提前開機(jī)預(yù)熱、有源部件溫度補(bǔ)償?shù)确绞剑沟孟到y(tǒng)的相位特性變化在工作期間控制在可承受的范圍內(nèi)；通過(guò)針對(duì)性的熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使得SAR載荷的工作環(huán)境溫度控制在±3°范圍內(nèi)，保證了主輔星SAR載荷的相位穩(wěn)定性和一致性。

天繪二號(hào)的內(nèi)定標(biāo)由內(nèi)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)定標(biāo)器組成的定標(biāo)鏈路實(shí)現(xiàn)。內(nèi)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)針對(duì)天繪二號(hào)的特殊需求，設(shè)計(jì)了既可實(shí)現(xiàn)對(duì)SAR信號(hào)硬件通道進(jìn)行定標(biāo)，也可對(duì)相位同步通道進(jìn)行定標(biāo)。該方案充分考慮了不同定標(biāo)方式的信號(hào)流和信號(hào)電平的需要，保證內(nèi)定標(biāo)性能。

內(nèi)定標(biāo)器用于標(biāo)定雷達(dá)開機(jī)期間，以及多次開機(jī)之間通道幅度和相位的變化量，并據(jù)此進(jìn)行補(bǔ)償，因此內(nèi)定標(biāo)器的設(shè)計(jì)就成為影響雷達(dá)通道幅度和相位標(biāo)定性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。內(nèi)定標(biāo)器是內(nèi)定標(biāo)信號(hào)鏈路中的核心單元，它完成各種內(nèi)定標(biāo)模式的回路轉(zhuǎn)換和電平轉(zhuǎn)換，與天線陣面定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)一起實(shí)現(xiàn)SAR系統(tǒng)內(nèi)定標(biāo)功能。

內(nèi)定標(biāo)模式有：噪聲定標(biāo)、參考定標(biāo)、全陣面發(fā)射定標(biāo)、全陣面接收定標(biāo)、單面板發(fā)射定標(biāo)、單面板接收定標(biāo)、模塊級(jí)發(fā)射定標(biāo)、模塊級(jí)接收定標(biāo)、相位同步發(fā)射定標(biāo)、相位同步接收定標(biāo)、單T/R通道發(fā)射定標(biāo)、單T/R通道接收定標(biāo)、首尾定標(biāo)中插發(fā)射定標(biāo)、首尾定標(biāo)中插接收定標(biāo)、成像中插發(fā)射定標(biāo)、成像中插接收定標(biāo)、成像中插參考定標(biāo)、成像中插相位同步發(fā)射定標(biāo)、成像中插相位同步接收定標(biāo)、逐行發(fā)射定標(biāo)(與插發(fā)射定標(biāo)共用控制碼)及逐行接收定標(biāo)(與單模塊接收定標(biāo)共用控制碼)，共21種。通過(guò)這些定標(biāo)模塊及其組合，可以形成更加復(fù)雜的、可支撐不同定標(biāo)目的的內(nèi)定標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SAR分系統(tǒng)的全面內(nèi)定標(biāo)。

內(nèi)定標(biāo)組合從功能上可以分為數(shù)據(jù)定標(biāo)和監(jiān)測(cè)定標(biāo)兩類。數(shù)據(jù)定標(biāo)是在每一次數(shù)據(jù)獲取中實(shí)施，分為首尾定標(biāo)和成像中定標(biāo)，服務(wù)于單次干涉成像數(shù)據(jù)；監(jiān)測(cè)定標(biāo)視系統(tǒng)性能變化的情況，按監(jiān)視與修正的需要實(shí)施，服務(wù)于SAR分系統(tǒng)通道標(biāo)定。

3.4 高精度基線測(cè)量技術(shù)

根據(jù)InSAR原理，求解地面點(diǎn)高程，需要已知基線長(zhǎng)度和基線傾角。天繪二號(hào)基線測(cè)量采用GNSS(兼容GPS和BD2)雙頻載波相位差分測(cè)量體制，通過(guò)相對(duì)定軌，實(shí)現(xiàn)星間高精度基線測(cè)量。

由于GNSS獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)在GNSS天線相位中心位置，相對(duì)定軌采用衛(wèi)星質(zhì)心位置，而InSAR處理使用的基線是SAR天線相位中心連線，故須將GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)從天線相位中心位置轉(zhuǎn)換到衛(wèi)星質(zhì)心，再將相對(duì)定軌后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到SAR天線相位中心位置，完成星間高精度狀態(tài)測(cè)量。由此，基線測(cè)量的主要包括GNSS和SAR天線相位中心的確定和高精度測(cè)定、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、相對(duì)定軌3部分。其中，GNSS和SAR天線相位中心的確定和相對(duì)定軌是關(guān)鍵。

GNSS和SAR天線相位中心確定的前提是天線相位中心穩(wěn)定。為確保GNSS天線相位中心穩(wěn)定，采取了3項(xiàng)措施。一是寬頻帶設(shè)計(jì)，GNSS天線采用帶耦合環(huán)的十字交叉振子天線形式；二是3D扼流圈設(shè)計(jì)，提高了天線抗多徑性能，抑制了星體對(duì)天線的影響，又緩解了主極化能量滾降效果，確保了天線大仰角范圍內(nèi)相位變化平緩；三是帶星體聯(lián)合仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)將天線聯(lián)合整星進(jìn)行仿真，對(duì)天線結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確保天線相位中心穩(wěn)定性滿足要求。SAR天線相位中心的高穩(wěn)定性依靠SAR天線上每個(gè)T/R組件幅相特性的穩(wěn)定性以及高精準(zhǔn)SAR天線溫度控制實(shí)現(xiàn)。

GNSS天線較小，相位中心可以直接在暗室進(jìn)行標(biāo)定。天繪二號(hào)GNSS天線需要在衛(wèi)星底板上進(jìn)行天線相位中心的標(biāo)定，由于衛(wèi)星底板尺寸大，要求測(cè)試系統(tǒng)靜區(qū)≥1.4 m，推算可知，遠(yuǎn)場(chǎng)距離需要>16.5 m，西安海天公司的SATIMO-SG128多探頭球面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)可以滿足要求。由于天繪二號(hào)SAR天線大，且波束由多個(gè)T/R組件合成，相位中心無(wú)法直接在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)定，只能通過(guò)分析確定。根據(jù)相控陣天線的特點(diǎn)與使用方式，相控陣天線的相位中心定義為：使相控陣天線遠(yuǎn)場(chǎng)能量波束寬度內(nèi)相位平坦的參考點(diǎn)，根據(jù)天繪二號(hào)高程測(cè)量精度要求指標(biāo)分配，相位平坦度應(yīng)優(yōu)于2°。根據(jù)定義相控陣天線的相位中心不反映全空間的相位關(guān)系，只描述波束寬度內(nèi)各角度相位的相對(duì)值，由此可以認(rèn)為相控陣天線的相位中心應(yīng)為天線陣面幾何中心。

相對(duì)定軌技術(shù)采用GNSS的雙差觀測(cè)值定軌方法，需要解決高精度的相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型、衛(wèi)星頻繁機(jī)動(dòng)控制、觀測(cè)數(shù)據(jù)異常誤差和系統(tǒng)誤差等問(wèn)題。解決思路是在編隊(duì)衛(wèi)星相對(duì)定軌時(shí)固定參考星軌道，直接估計(jì)兩顆衛(wèi)星的相對(duì)軌道，在此基礎(chǔ)上，采用兩顆衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)數(shù)值積分之差作為相對(duì)狀態(tài)參考值，采用輔星狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣作為相對(duì)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的方法，解決沒有高精度相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型的難題。采用以TurboEdit算法為主，結(jié)合其他算法剔除粗差及探測(cè)周跳；采用附加參數(shù)法，通過(guò)模型補(bǔ)償控制系統(tǒng)誤差的影響，將抗差估計(jì)理論應(yīng)用于編隊(duì)衛(wèi)星精密定軌，通過(guò)抗差估計(jì)控制異常誤差的影響。

3.5 基線確定技術(shù)

天繪二號(hào)衛(wèi)星采用衛(wèi)星編隊(duì)方式實(shí)現(xiàn)干涉所需基線，兩顆衛(wèi)星間相互關(guān)系遵循Hill方程，由此，主、輔星在飛行方向位置將錯(cuò)開，這就使主、輔雷達(dá)對(duì)同一回波的多普勒產(chǎn)生變化，具體表現(xiàn)為整個(gè)多普勒頻帶的移動(dòng)，多普勒帶寬如圖8所示，圖中X軸為衛(wèi)星飛行方向。由圖8可知，對(duì)于同一地面點(diǎn)P，主星成像時(shí)刻為t1，輔星成像時(shí)刻為t2，此時(shí)兩幅SAR影像相干性較差，需要進(jìn)行預(yù)濾波[21-22]，去掉多普勒頻譜中不相干部分，以提高主、輔影像的相干性，此時(shí)的合成孔徑為圖8中的成像合成孔徑。因此，InSAR高程測(cè)量需要的基線是圖8中主、輔星成像合成孔徑的中心位置連線B，即主星成像t3時(shí)刻SAR天線相位中心和輔星成像t4時(shí)刻SAR天線相位中心的連線，而不是t3時(shí)刻兩顆衛(wèi)星之間的間距。需要通過(guò)主、輔影像配準(zhǔn)，利用同名點(diǎn)確定輔星成像時(shí)刻t4。天繪二號(hào)衛(wèi)星雷達(dá)回波和GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)基于統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，故分別找到絕對(duì)時(shí)間t3、t4時(shí)刻主輔星GNSS相對(duì)定軌數(shù)據(jù)，即可得到InSAR處理所需的基線值。

圖8 多普勒帶寬示意Fig.8 The schematic diagram of Doppler bandwidth

3.6 高精度基線定標(biāo)技術(shù)

基線定標(biāo)可以看作是InSAR定位的逆過(guò)程，即用地面控制信息交會(huì)出真實(shí)基線矢量，其目的是消除系統(tǒng)誤差。天繪二號(hào)衛(wèi)星基線定標(biāo)利用近、遠(yuǎn)波位數(shù)據(jù)入射角差異大的特點(diǎn)，構(gòu)建了近、遠(yuǎn)波位兩景數(shù)據(jù)聯(lián)合處理的二維基線定標(biāo)方法[23-24]，可實(shí)現(xiàn)二維基線的高精度求解，基線定標(biāo)精度為毫米級(jí)。其數(shù)據(jù)獲取策略如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)獲取策略Fig.9 The strategy of data acquisition

近、遠(yuǎn)波位聯(lián)合定標(biāo)模型首先將基線誤差分解為平行基線誤差δB‖和垂直基線誤差δB⊥，平行基線誤差求解公式為

(11)

式中，λ為雷達(dá)波長(zhǎng)；δh為場(chǎng)景中的地面點(diǎn)高程誤差；Hamb為系統(tǒng)模糊高度。

然后根據(jù)短時(shí)間內(nèi)相鄰兩景數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的基線誤差相等列出等式為

Bbias=δB‖1·B‖1+δB⊥1·B⊥1=

δB‖2·B‖2+δB⊥2·B⊥2

(12)

式中，Bbias為基線誤差；B‖、B⊥分別為平行基線和垂直基線在局部坐標(biāo)系中的單位向量，1表示第1個(gè)場(chǎng)景，2表示第2個(gè)場(chǎng)景。根據(jù)式(12)可求解出兩景數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的垂直基線誤差，從而得到基線矢量誤差。

為了實(shí)現(xiàn)基線定標(biāo)要求，在新疆和河南分別建設(shè)了兩個(gè)200 km×100 km的數(shù)字定標(biāo)場(chǎng)。

天繪二號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)利用該技術(shù)進(jìn)行定標(biāo)后，對(duì)河北赤城山區(qū)布設(shè)的10個(gè)角反射器的定標(biāo)前后定位精度進(jìn)行了比較，其結(jié)果見表1。定標(biāo)對(duì)定位精度的提高效果明顯。

表1 定標(biāo)前后定位精度對(duì)比

3.7 高保相成像技術(shù)

因相位精度對(duì)InSAR測(cè)高精度影響較大，高保相成像目的是在成像過(guò)程中確保相位精度。SAR成像流程如圖10所示[25]。

圖10 SAR成像流程Fig.10 Flowchart of SAR imaging

為了減少成像過(guò)程中對(duì)相位精度的損耗，天繪二號(hào)采用雙基成像技術(shù)。雙基成像的幾何模型如圖11所示，主星向地面發(fā)射電磁波信號(hào)，一段時(shí)間后主輔星分別接收地面的回波信號(hào)，造成多普勒中心估計(jì)和距離徙動(dòng)校正與單基成像不一樣。為了精確成像，主輔星均采用雙基成像模型處理，下面以輔星成像為例做進(jìn)一步的解釋。輔星在進(jìn)行零多普勒成像時(shí)，對(duì)于場(chǎng)景中的任意目標(biāo)點(diǎn)Pt，其在t0時(shí)刻(即主星發(fā)射電磁波信號(hào)的時(shí)刻)主星的多普勒頻率f0與t1時(shí)刻(輔星接收地面回波信號(hào)的時(shí)刻)輔星的多普勒頻率f1之和為0；距離徙動(dòng)校正的距離應(yīng)為R0+R1。同樣，對(duì)于主星，也要保證目標(biāo)點(diǎn)Pt在t2時(shí)刻(即主星發(fā)射電磁波信號(hào)的時(shí)刻)主星的多普勒頻率f2與t3時(shí)刻(主星接收地面回波信號(hào)的時(shí)刻)輔星的多普勒頻率f3之和為0；距離徙動(dòng)校正的距離應(yīng)為R2+R3。

已知某條距離線的電磁波發(fā)射時(shí)間為T0，則距離向第n個(gè)采樣單元的回波接收時(shí)間T1可以表示為

(13)

式中，PRT為脈沖重復(fù)時(shí)間；m表示回波延遲時(shí)間的PRT整周數(shù)；ΔT表示延遲時(shí)間的小數(shù)部分。m·PRT+ΔT對(duì)應(yīng)距離向第1個(gè)采樣單元的回波延遲時(shí)間。

圖11 雙基成像幾何Fig.11 Bistatic imaging geometry

如果已知目標(biāo)點(diǎn)的地理坐標(biāo)以及主星的發(fā)射位置和速度，可以搜索出輔星的零多普勒接收位置，該位置作為理想接收位置，記為P1，按照式(13)計(jì)算出來(lái)的輔星位置為實(shí)際信號(hào)接收位置，記為P2。目標(biāo)點(diǎn)到理想接收位置P1的斜距記為R1，目標(biāo)點(diǎn)到實(shí)際接收位置P2的斜距記為R2，那么由斜距差引起的相位差可以表示為

(14)

式中，λ表示雷達(dá)波長(zhǎng)。

補(bǔ)償相位差之后，同一距離線上的點(diǎn)均為零多普勒成像。對(duì)于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，目標(biāo)點(diǎn)的地理坐標(biāo)可以借助觀測(cè)場(chǎng)景的先驗(yàn)DEM進(jìn)行SAR定位來(lái)獲取。

輔星雙基成像的處理流程如圖12所示。

3.8 雙頻解干涉相位絕對(duì)模糊技術(shù)

單個(gè)SAR回波信號(hào)中只記錄了[-π，π]間相位，2π的整數(shù)相位因無(wú)法記錄而丟失，導(dǎo)致InSAR干涉相位差中2nπ相位丟失。1景影像內(nèi)相對(duì)某點(diǎn)(通常是左上角點(diǎn))干涉相位差的2nπ相位可以通過(guò)相位解纏獲得，而該點(diǎn)丟失的2nπ相位即為絕對(duì)相位，n值為干涉相位絕對(duì)模糊數(shù)，干涉相位絕對(duì)模糊數(shù)一般采用控制數(shù)據(jù)求解。

圖12 輔星雙基成像的處理流程Fig.12 The processing flow of assistant satellite bistatic imaging

天繪二號(hào)系統(tǒng)在國(guó)際上首次提出通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)首尾雙頻成像模式，解決干涉相位的絕對(duì)模糊數(shù)求解問(wèn)題，這使衛(wèi)星系統(tǒng)一次開機(jī)成像分為首、尾雙頻成像和中間干涉DSM獲取成像3部分。首尾分別利用主頻9.6 GHz和輔頻9.44 GHz兩個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行5 km×5 km左右的雙頻成像，形成兩個(gè)頻點(diǎn)的干涉成像對(duì)。雙頻中主頻點(diǎn)與完成干涉DSM獲取任務(wù)的頻點(diǎn)一致，都為9.6 GHz，工作參數(shù)也相同。且衛(wèi)星開機(jī)數(shù)據(jù)獲取時(shí)，雙頻成像與單頻的干涉DSM獲取成像無(wú)縫連接。

通過(guò)對(duì)首尾兩個(gè)主輔雙頻地面回波數(shù)據(jù)的雙頻干涉處理，即可獲取主頻干涉相位中的絕對(duì)相位2nπ，其主頻干涉相位差的模糊通過(guò)成像中與干涉DSM獲取的單頻成像的連接，傳遞給單頻干涉DSM獲取成像部分，從而解決干涉測(cè)高中的絕對(duì)模糊數(shù)求解問(wèn)題。

采用雙頻確定絕對(duì)相位2nπ的基本思想是雙頻干涉SAR會(huì)形成兩個(gè)不同的模糊高度，但同名點(diǎn)的高程僅有一個(gè)，利用中國(guó)余數(shù)定理[26]即可求出絕對(duì)相位。

模糊高度計(jì)算公式為

(15)

對(duì)于同一地面點(diǎn)，假設(shè)波長(zhǎng)λ1和λ2兩景解纏后的干涉相位對(duì)應(yīng)的絕對(duì)模糊數(shù)分別為k1和k2，則k1和k2滿足以下關(guān)系

Hunwrap1+k1·Hamb1=Hunwrap2+k2·Hamb2=Hscene

(16)

式中，Hunwrap i為頻率i解纏后的干涉相位所對(duì)應(yīng)的高程；Hamb i為頻率i所對(duì)應(yīng)的模糊高度；Hscene為地面點(diǎn)高程。

根據(jù)式(16)，通過(guò)對(duì)k1和k2進(jìn)行二維遍歷搜索，選擇(k1,k2)使Hunwrap1+k1·Hamb1和Hunwrap2+k2·Hamb2的差值在一定門限內(nèi)，即可確定解纏后干涉相位的絕對(duì)模糊數(shù)。

原理上，首尾雙頻中只要有一個(gè)便可解算絕對(duì)模糊數(shù)，天繪二號(hào)采用首尾兩個(gè)雙頻的設(shè)計(jì)，可以相互備份或校驗(yàn)。

圖13為利用雙頻數(shù)據(jù)獲取相位絕對(duì)模糊數(shù)生成的河北赤城精度檢測(cè)場(chǎng)DSM數(shù)據(jù)，10個(gè)角反射器定位精度滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明天繪二號(hào)設(shè)計(jì)的首尾雙頻成像模式解干涉相位絕對(duì)模糊方法正確。

圖13 赤城精度檢測(cè)場(chǎng)DSM數(shù)據(jù)Fig.13 The DSM data of Chicheng calibration field

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)可行性，在天繪二號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)論證、研制過(guò)程中，安排了衛(wèi)星編隊(duì)技術(shù)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證、SAR載荷協(xié)同工作的三同步地面試驗(yàn)驗(yàn)證、衛(wèi)星系統(tǒng)樣機(jī)集成和全系統(tǒng)半實(shí)物仿真驗(yàn)證，對(duì)衛(wèi)星編隊(duì)技術(shù)、SAR載荷協(xié)同工作、高精度基線測(cè)量、高精度基線定標(biāo)及高保相成像等主要關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

在衛(wèi)星編隊(duì)技術(shù)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證中，建設(shè)了基于氣浮平臺(tái)的編隊(duì)飛行與控制試驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了不同工況下分布式衛(wèi)星系統(tǒng)控制算法的可行性和有效性、編隊(duì)構(gòu)型控制指標(biāo)的可行性、基于信息交互的安全控制功能等內(nèi)容。其缺點(diǎn)是只能驗(yàn)證一個(gè)平面內(nèi)的情況，由此，在后期型號(hào)研制時(shí)，采用了上海交通大學(xué)研制的12自由度半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)(圖14)，對(duì)衛(wèi)星編隊(duì)構(gòu)型設(shè)計(jì)、編隊(duì)保持控制、編隊(duì)構(gòu)型重構(gòu)、防碰撞進(jìn)行全方位試驗(yàn)，驗(yàn)證了其解決途徑的可行性。

圖14 衛(wèi)星編隊(duì)12自由度半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.14 Semi-physical simulation test system for satellite formation with twelve-dimensional

在SAR載荷協(xié)同工作的三同步地面試驗(yàn)驗(yàn)證中，專門研制了兩套雷達(dá)系統(tǒng)，放在專用的軌道橇車上，如圖15所示。在陜西省華陰市，利用3 km的軌道，以火箭發(fā)射為動(dòng)力，兩套雷達(dá)系統(tǒng)在鐵軌上高速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，兩天線相互間模擬衛(wèi)星繞飛編隊(duì)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以衛(wèi)星雷達(dá)工作的一發(fā)雙收體制對(duì)華山進(jìn)行成像，并處理生成DSM數(shù)據(jù)，處理結(jié)果如圖16所示(因陰影、疊影等影響，DSM不連續(xù))，驗(yàn)證了解決方案的正確性和可行性。

圖15 空間、時(shí)間和相位同步試驗(yàn)Fig.15 Space, time and phase synchronization test

圖16 成像區(qū)DSMFig.16 DSM of imaging area

在衛(wèi)星系統(tǒng)樣機(jī)集成和全系統(tǒng)半實(shí)物仿真驗(yàn)證中，分別研制了兩套GPS接收和SAR數(shù)據(jù)生成半實(shí)物模擬器，先后仿真了近100套帶各種誤差源及不帶誤差源的GPS、姿態(tài)觀測(cè)等輔助數(shù)據(jù)、InSAR回波數(shù)據(jù)及遠(yuǎn)近波位定標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)高精度基線測(cè)量、高精度基線定標(biāo)及高保相成像技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，這也為天繪二號(hào)衛(wèi)星形成編隊(duì)后第1次開機(jī)獲取InSAR數(shù)據(jù)。

高精度基線測(cè)量的關(guān)鍵是確保GNSS天線相位中心的穩(wěn)定和高精度相對(duì)定軌。GNSS天線相位中心在暗室進(jìn)行了標(biāo)定和穩(wěn)定性測(cè)量，在1 227.6、1 268.52、1 561.098、1 575.42 Mhz 4個(gè)GPS工作頻點(diǎn)的穩(wěn)定度為1 mm左右，滿足設(shè)計(jì)要求；相對(duì)定軌采用西安測(cè)繪研究所和國(guó)防科技大學(xué)處理軟件進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算，兩者采用不同的動(dòng)力學(xué)策略和處理方案，從而保證了各自相對(duì)定軌結(jié)果的獨(dú)立性，兩者通過(guò)對(duì)GPS仿真數(shù)據(jù)的相對(duì)定軌結(jié)果比較表明，其相對(duì)定軌精度可以達(dá)到1.3 mm左右，滿足設(shè)計(jì)要求。高精度基線定標(biāo)利用仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)，定標(biāo)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差為1 mm左右，滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了高精度基線定標(biāo)技術(shù)解決途徑的正確性。高保相成像采用仿真數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了單基和雙基成像，并對(duì)24個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行了相位誤差統(tǒng)計(jì)，結(jié)果為單基成像絕對(duì)相位誤差均值為1.22°，相對(duì)相位誤差為1.74°；雙基成像絕對(duì)相位誤差均值為0.60°，相對(duì)相位精度為0.24°， 相位精度有顯著提升，表明采用雙基成像可以很好地確保相位精度，驗(yàn)證了高保相成像技術(shù)解決途徑的正確性。

4.2 在軌測(cè)試驗(yàn)證

天繪二號(hào)衛(wèi)星在2019年5月20日—2020年1月12日進(jìn)行了在軌測(cè)試試驗(yàn)。其中，2019年5月20日—2019年6月30日，為單星測(cè)試階段，雙星采用跟飛編隊(duì)構(gòu)型，對(duì)單星SAR性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試；2019年7月1日—2019年7月8日，建立繞飛編隊(duì)構(gòu)型；2019年7月9日—2020年1月12日，為雙星及地面系統(tǒng)測(cè)試階段，對(duì)衛(wèi)星編隊(duì)及InSAR性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。2019年7月9日編隊(duì)衛(wèi)星干涉模式首次開機(jī)，當(dāng)天晚上數(shù)據(jù)傳回地面系統(tǒng)，用自研的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，一次就成功生產(chǎn)出DSM數(shù)據(jù)產(chǎn)品。在雙星繞飛編隊(duì)測(cè)高模式下，共完成了5大項(xiàng)46小項(xiàng)測(cè)試試驗(yàn)項(xiàng)目，其中實(shí)裝測(cè)試指標(biāo)73個(gè)，測(cè)試結(jié)果表明主要性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其定位精度與德國(guó)TanDEM-X系統(tǒng)[5]相當(dāng)，滿足1∶5萬(wàn)比例尺測(cè)圖精度要求，優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。圖17為2019年7月9日天繪二號(hào)首次開機(jī)獲取的成果與SRTM獲取的相同區(qū)域成果，圖17(a)為天繪二號(hào)獲取數(shù)據(jù)的干涉條紋圖，圖17(b)為天繪二號(hào)獲取DSM數(shù)據(jù)，圖17(c)為SRTM獲取的DSM數(shù)據(jù)；由圖17(b)和圖17(c)可知，天繪二號(hào)獲取的DSM數(shù)據(jù)描述的地形細(xì)節(jié)程度明顯優(yōu)于SRTM成果。圖18為天繪二號(hào)與機(jī)載LiDAR獲取的新疆定標(biāo)場(chǎng)成果，圖18(a)為天繪二號(hào)獲取數(shù)據(jù)的相干系數(shù)圖，統(tǒng)計(jì)的相干系數(shù)為0.89，圖18(b)為天繪二號(hào)獲取DSM數(shù)據(jù)，圖18(c)為機(jī)載LIDAR獲取的DSM數(shù)據(jù)，其精度為0.5 m；由圖18(b)和圖18(c)可知，天繪二號(hào)獲取的DSM數(shù)據(jù)精度能滿足要求。

圖18 天繪二號(hào)與機(jī)載LiDAR成果Fig.18 The DSM products of TH-2 and airborne LiDAR

天繪二號(hào)衛(wèi)星在軌測(cè)試的順利完成并轉(zhuǎn)入運(yùn)行，充分驗(yàn)證了關(guān)鍵技術(shù)解決途徑的可行性和方法的正確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

天繪二號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)第1個(gè)微波測(cè)繪衛(wèi)星系統(tǒng)，也是我國(guó)第1個(gè)近距離繞飛編隊(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)，從衛(wèi)星編隊(duì)到地面數(shù)據(jù)處理幾乎都是全新的技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)多，除成熟的單SAR衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)外，還有衛(wèi)星編隊(duì)、SAR載荷協(xié)同工作、高精度內(nèi)定標(biāo)、基線確定、高精度基線測(cè)量、高精度基線定標(biāo)、高保相成像及雙頻解算干涉相位絕對(duì)模糊數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，技術(shù)難度大。本文全面闡述了天繪二號(hào)衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)的解決途徑，在研期間，利用仿真數(shù)據(jù)和半實(shí)物仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了主要關(guān)鍵技術(shù)解決途徑的可行性。

天繪二號(hào)衛(wèi)星于2020年1月完成在軌測(cè)試并通過(guò)驗(yàn)收。在軌測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，主要性能指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，其定位精度與德國(guó)TanDEM-X系統(tǒng)相當(dāng)，可用于1∶5萬(wàn)比例尺地理空間信息產(chǎn)品生產(chǎn)，由此進(jìn)一步驗(yàn)證了關(guān)鍵技術(shù)解決途徑的可行性和方法的正確性。