复杂约束条件下的高分三号卫星系统设计

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。     

基于敏度分析的可展开桁架刚度优化设计

可展开桁架是高分三号(GF-3)卫星SAR天线的关键部件,其在轨展开状态的刚度指标将直接影响到卫星的成像品质,同时,为尽可能减小对整星的影响,要求展开状态的比刚度越大越好。文章针对桁架展开刚度优化问题,提出了基于敏度分析的方法,通过对GF-3卫星SAR天线中的铰链刚度的敏度分析,得到了展开刚度优化的最优途径。在此基础上,利用该方法对多模块桁架展开状态刚度进行了优化,实现了桁架的高比刚度。     

高分七号卫星控制分系统设计及在轨验证

针对高分七号(GF-7)卫星控制分系统高精度姿态确定、姿态控制和快速机动的需求,文章采用星敏感器相对基准标定,将甚高精度星敏感器与前后视相机进行一体化安装的布局方式,并采用了数传天线轨迹平滑和干扰力矩补偿算法控制天线,采用高刚度高稳定度太阳翼驱动机构(SADA)控制太阳翼,从而实现了卫星的高精度姿态确定和高稳定度姿态控制。经在轨验证,结果表明:姿态稳定度小于0.000 06(°)/s,优于姿态控制分系统的指标要求,可为遥感卫星姿态控制分系统设计提供参考。     

高分三号卫星太阳电池阵设计与验证

通过分析高分三号(GF-3)卫星合成孔径雷达(SAR)载荷多模式的成像任务规划、大型展开式桁架构型设计、高低压双母线电源设计等特点,识别出LEO轨道静电放电对高压太阳电池阵设计的影响,卫星左侧视成像和右侧视成像下大型SAR天线遮挡及卫星8年长寿命期间电缆频繁扭转对传输性能的影响,提出了一种适用于复杂遮挡情况下高低压双母线电源系统的太阳电池阵设计思路,完成了太阳电池阵设计、遮挡仿真分析、静电放电试验、电缆扭转试验和在轨数据分析,验证了太阳电池阵设计的正确性,可以为中国后续大功率SAR卫星太阳电池阵设计提供参考。     

高分三号卫星C频段多极化有源相控阵天线系统设计

高分三号(GF-3)卫星SAR载荷天线是中国首副成功在轨应用的C频段多极化天线,其采用有源相控阵体制,多极化共孔径设计,波束控制灵活,能够实现12种常规工作模式及多种扩展模式。GF-3卫星C频段多极化有源相控阵天线(简称SAR天线)质量占到卫星总质量的46%,工作时最大功耗占卫星能源功耗的60%以上,而其发射功率、带宽特性、方向图等都对成像性能有着至关重要的影响。文章针对GF-3卫星SAR天线C频段、多极化、大带宽、高功耗、高精度、大尺寸、轻量化等特点,介绍了天线系统设计的内容及主要性能结果,可为中国后续SAR卫星有源相控阵天线的研制提供参考。     

高分三号卫星自主任务规划设计与在轨验证

对高分三号(GF-3)卫星的工作模式以及地面操作指令形式进行介绍,在此基础上设计了自主任务规划,提出单次记录、单天线单站边记边放、单天线双站边记边放等9种自主任务规划编排指令模板。自主任务规划设计在GF-3卫星常规执行任务中的应用结果表明:设计合理、操作便捷,能有效地提高GF-3卫星的好用易用性,可为后续SAR卫星设计提供参考。     

合成孔径雷达卫星构型设计

合成孔径雷(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)卫星的构型与其它卫星相比具有一定的特殊性,主要体现在大面积的相控平面SAR天线在工作时需侧视(长度方向沿飞行方向)和SAR天线与太阳电池阵之间的相容性.通过分析SAR卫星构型的特点,根据卫星构型设计的原则,结合SAR卫星的构型实例,给出SAR卫星构型设计的基本思路和方法.     

单太阳翼放气干扰力矩分析

针对静止轨道单太阳翼卫星在转移轨道段,太阳翼展开对日定向稳定控制过程中,太阳翼结构的初期放气干扰力矩对姿态影响的问题,利用卫星姿态动力学模型、姿态变化和推力器等参数,估计太阳翼放气产生的干扰力矩。通过理论仿真,验证了估计方法的正确性。以风云四号(FY-4)卫星为例,在轨实时估计结果表明:FY-4卫星太阳翼放气持续时间近11个小时,初期最大干扰力矩达37mN·m,比光压力矩约大2个量级,其对姿态影响不可忽视。文章的研究结果可为地面控制系统设计和在轨控制参数修改提供数据参考。     

高分多模卫星飞行程序设计及验证

高分多模卫星(GFDM-1)兼具高分与敏捷特性,具备多种敏捷成像模式,同时具备自主任务管理功能。其飞行程序设计具有在轨工作模式多样、工作状态复杂且耦合性强等特点,首次采用天地一体的自主任务管理方式进行飞控实施。因此,在飞行程序设计中重点开展了事件时序设计和优化,合理设计并行时序并综合采用多种执行方式对事件流程进行优化,实现快速状态建立;针对卫星设计和敏捷特点分析,识别太阳翼展开及捕获跟踪、多模式高频度的载荷任务规划、中继数传模式等关键事件,对其开展地面仿真进行设计优化。高分多模卫星在轨应用和验证结果表明:卫星在轨运行良好,各飞行事件有序开展,飞行程序设计合理有效。     

高分三号卫星总体设计验证

高分三号(GF-3)卫星是我国民用"高分辨率对地观测系统重大专项"中唯一一颗微波成像卫星,也是我国第1颗1m分辨率C频段多极化合成孔径雷达(SAR)卫星,其定量化指标要求高,同时具有雷达天线质量、尺寸大,热控要求高,脉冲功率大,构型布局复杂等技术特点和难点。文章围绕GF-3卫星技术难点,系统阐述了卫星高定量化、高扩展性等总体设计特点及设计验证方法,并采用系统建模、模拟分析、地面试验和在轨测试等多种措施,确保卫星优良的图像质量和定量化应用能力,使其具备一定的在轨扩展能力。GF-3卫星设计和研制过程中采用的验证方法,可为后续SAR卫星的总体设计提供参考。