论文推荐| 张庆君：高分三号卫星总体设计与关键技术

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高分三号卫星总体设计与关键技术

张庆君     

中国空间技术研究院, 北京 100094

收稿日期：2017-02-06； 修回日期：2017-02-15

第一作者简介：张庆君 (1969-), 男, 研究员, 博士生导师, 主要研究方向为卫星总体设计、星载微波遥感技术。

摘要：高分三号（GF-3）卫星作为我国首颗自主研制的C频段多极化SAR卫星，突破了多项关键技术。卫星在明确SAR载荷的体制和基本配置的基础上，围绕SAR载荷的需求开展卫星平台适应能力的分析以及载荷与平台之间的匹配性研究，形成了一系列卫星特点和技术创新点，主要技术指标达到或超过国际同类卫星水平。

关键词：高分三号卫星    总体设计    合成孔径雷达    

System Design and Key Technologies of the GF-3 Satellite

ZHANG Qingjun     

Abstract: GF-3 satellite, the first C band and multi-polarization SAR satellite in China, achieves breakthroughs in a number of core and key technologies. The satellite technology abides by the principle of "Demand Pulls, Technology Pushes", forming a series of innovation point, and reaching or surpassing international level in main technical specification.

Key words: GF-3 satellite     system design     SAR    

高分三号 (GF-3) 卫星是“国家高分辨率对地观测系统重大专项”中唯一的民用微波遥感成像卫星，也是我国首颗C频段多极化高分辨率合成孔径雷达 (synthetic aperture radar，SAR) 卫星。GF-3卫星具有高分辨率、大成像幅宽、高辐射精度、多成像模式和长时工作的特点，能够全天候和全天时实现全球海洋和陆地信息的监视监测，并通过左右姿态机动扩大对地观测范围和提升快速响应能力，其获取的C频段多极化微波遥感信息可以用于海洋、减灾、水利及气象等多个领域，服务于我国海洋、减灾、水利及气象等多个行业及业务部门，是我国实施海洋开发、陆地环境资源监测和防灾减灾的重要技术支撑^[]。

作为我国自主研制的首颗C频段多极化SAR卫星，GF-3卫星拥有整星机电热一体化设计技术、多极化相控阵天线技术、高精度SAR内定标技术、大型相控阵SAR天线展开机构技术、大热耗SAR天线热控技术、脉冲大功率供电技术、大挠性星体条件下的卫星控制技术等9项关键技术。高分三号卫星具有以下特点：

(1) 卫星具备12种成像模式，是目前世界上成像模式最多的SAR卫星，也是我国首颗多极化SAR卫星。卫星图像幅宽和分辨率兼得，图像分辨率1~500 m，相应幅宽10~650 km，具有详查和普查功能。卫星定量化水平高，图像质量指标达到或超过国外同类SAR卫星水平，分辨率1~10 m，NEσ0优于-19 dB；分辨率25~500 m，NEσ0优于-21 dB；绝对辐射精度达到1.5 dB (1景)、2 dB (长期)。

(2) 通过SAR天线装配及热控设计，SAR天线平面度优于5 mm，全阵面温度一致性优于7℃。

(3) 卫星平台供电能力高，可适应载荷高功率脉冲工作的需求，最大峰值功率15 360 W，最大平均功耗8000 W。

(4) 卫星挠性特性突出，姿态控制精度和稳定性高，具备连续二维姿态导引机动能力。

(5) 卫星采用自主健康管理机制降低整星故障风险。

(6) 卫星采用并网控制技术能够在应急状况下将载荷高压母线变换成28V供平台使用，以提升卫星可靠性和安全性。

(7) 该卫星是首颗低轨8年设计寿命的遥感卫星。

本文从卫星系统顶层设计角度，研究总结了卫星系统总体设计和卫星技术创新点等方面的内容。

1 卫星系统总体设计1.1 卫星观测任务

我国各领域对星载SAR遥感数据的需求非常迫切，在资源调查和灾害救援等方面进口了大量的星载SAR图像数据，国内还没有在轨应用的民用SAR遥感卫星。因此，多个领域都提出了建造我国民用SAR卫星的需求，详细需求如所示。

为实现众多用户的各种观测需求，GF-3卫星设计了条带、聚束、扫描等12种工作模式 (如所示)，具备分辨率1~500 m，观测幅宽10~650 km的观测能力，同时具有双通道、多极化等功能，可极大地扩展卫星的观测能力和应用能力，实现全天时全天候海洋与陆地观测，提高海洋监视监测和灾害管理水平，并提高农业、国土、环保、国安、公安、电子政务与主体功能区、住建、交通、统计、林业、地震、测绘等行业的调查与监测能力，提升突发事件快速响应能力，填补我国民用自主高分辨多极化SAR遥感数据空白。

表 1 GF-3卫星主要用户观测需求Tab. 1 Users' requirement of GF-3 satellite

主要用户	观测目标及应用
海洋领域	海浪、海面风场、内波、锋面、浅海水下地形、海面溢油、海冰、绿潮、海岸带、海面目标 (海面船舶、岛礁人工设施、海上石油平台等) 等
减灾领域	洪涝淹没范围、滑坡泥石流体、积雪范围、冰凌或海冰、干旱范围、建筑物、临时安置房、地上交通线、农牧林用地、防洪设施
水利领域	流域水系特征、地表水分布、洪水范围、土壤墒情、土地利用、植被覆盖等方面。如地表水指标湖泊、水库 (大坝)、河流、湿地、冰川、积雪、重要水源地、灌区等；地下水遥感监测指标岩溶、潜水层、泉、地质地貌等
气象领域	高分辨率区域地表土壤水分监测，暴雨引发的滑坡和泥石流等地质灾害预测预警

表 2 GF-3卫星各工作模式主要指标Tab. 2 The main technical specifications of each imaging mode

成像模式	分辨率/m		成像幅宽/km	入射角 范围/(°)	视数 A×E	极化方式
标称	方位向	距离向		标称	范围
聚束	1	1.0~1.5	0.9~2.5		10×10	10×10	20~50	1×1	可选单极化
超精细条带	3	3	2.5~5	30	30	20~50	1×1	可选单极化
精细条带1	5	5	4~6	50	50	19~50	1×1	可选双极化
精细条带2	10	10	8~12	100	95~110	19~50	1×2	可选双极化
标准条带	25	25	15~30	130	95~150	17~50	3×2	可选双极化
窄幅扫描1	50	50~60	30~60	300	300	17~50	2×3	可选双极化
宽幅扫描2	100	100	50~110	500	500	17~50	2×4	可选双极化
全极化条带1	8	8	6~9	30	20~35	20~41	1×1	全极化
全极化条带2	25	25	15~30	40	35~50	20~38	3×2	全极化
波成像模式	10	10	8~12	5×5	5×5	20~41	1×2	全极化
全球观测成像模式	500	500	350~700	650	650	17~53	4×2	可选双极化
扩展入射角	低入射角	25	25	15~30	130	120~150	10~20	3×2	可选双极化
高入射角	25	25	20~30	80	70~90	50~60	3×2	可选双极化

1.2 卫星方案概述

GF-3卫星是一颗三轴稳定的对地观测卫星，卫星发射重量约2779 kg，在轨设计寿命8年。卫星运行在轨道高度约755 km的太阳同步回归晨昏轨道，采用侧视成像飞行状态 (、)。

图 1 卫星发射前压紧状态示意Fig. 1 Status of satellite before launching

图 2 卫星右侧视状态示意Fig. 2 Status of right sidelook in orbit

高分三号卫星以ZY1000B平台为基线，由有效载荷和服务系统两部分组成。有效载荷主要包括SAR载荷、数传、数传天线分系统；服务系统为有效载荷提供安装、供电、指向、温度维持和测控等支持服务，主要由电源、总体电路、控制、推进、测控、数管、结构、热控分系统组成^[]。

GF-3卫星SAR有效载荷系统具有多极化、多工作模式、高分辨率、大幅宽、大天线尺寸、高功耗、高辐射分辨率、长成像时间的特点，同时具有内外定标功能。系统共设计聚束、条带、扫描、双孔径等12种成像模式，最长连续工作时间为50 min，能够获取分辨率1~500 m，成像幅宽10~650 km的C频段多极化SAR图像，图像辐射分辨率优于2 dB，辐射精度最高可达1 dB。系统配置15 m×1.232 m四极化波导缝隙相控阵SAR天线。该天线由波导缝隙天线、四通道T/R组件、延时放大组件、波控单元、射频收发及定标馈电网络、二次电源、高低频电缆网、有源安装板、结构框架、展开机构和热控等部分组成，能够灵活地对二维波束进行赋形、扫描和展宽，具有高极化隔离度、孔径配置灵活、高用电效率、轻型化等特点。

卫星平台由电源、总体电路、测控、数管、控制、推进、结构、热控共8个分系统组成。卫星采用三轴稳定对地定向控制模式，指向精度优于0.03°，稳定度优于5×10^-4°/s，具备±31.5°侧摆能力。卫星采用双独立母线供电，配置三结砷化镓太阳电池阵、100 Ah镉镍蓄电池和225 Ah锂离子蓄电池，能够满足卫星短期功耗近万瓦的成像需求，同时，平台母线输出功率不足或母线输出异常时，能够通过并网控制器将载荷高压电源转换为低压电源，供平台设备使用。整星具备自主健康管理体制，可实现对关键事件连续监测，并对产品状态进行评估，提前采取多种有效手段，确保卫星在轨安全^[]。

1.3 卫星工作模式

根据飞行任务要求，卫星共设计6种工作模式。

(1) 成像对地实时传输模式：在地面卫星接收站可视范围内，卫星处于正常飞行姿态，SAR分系统对地成像，将接收到的SAR回波成像数据、相应辅助数据发送至地面数据接收站。

(2) 记录模式：卫星处于正常飞行姿态，SAR分系统对地成像，接收到的SAR回波成像数据、辅助数据送至固态存储器进行存储。

(3) 回放模式：在地面卫星接收站可视范围内，卫星处于正常飞行姿态，SAR分系统不成像，将存储在固态存储器中的SAR回波成像数据、辅助数据回放至地面数据接收站。

(4) 边记边放模式：在地面卫星接收站可视范围内，卫星处于正常飞行姿态，SAR分系统对地成像，图像数据送固态存储器进行记录，同时固态存储器将当前记录的数据或者历史记录数据发送至地面数据接收站。

(5) 平台服务系统数据传输模式：卫星在飞经地面数据接收站数据接收范围时，向地面数据接收站发送平台服务系统数据。

(6) PN码传输模式：卫星飞经地面数据接收站数据接收范围时，向地面发送PN码，不进行加扰、信道编码等处理。

2 卫星技术创新点2.1 多极化、多成像模式设计

GF-3卫星具有12种成像模式，涵盖了聚束模式、方位多波束模式、条带模式、扫描模式、四极化模式、波模式等，为实现多极化、多种成像模式，主要采用以下设计思路：

(1) 采用“极化时分+正负调频斜率”方案获得多极化数据，改善点目标模糊。

(2) 采用有源相控阵天线实现成像模式灵活控制和波位的灵活切换。采用波导缝隙天线, H极化波导和V极化波导分别设计，实现分别馈电，物理实现上完全独立，有效减小了两种天线之间的互耦，提高了天线的端口隔离度，进而提高了天线的极化隔离度。

(3) 该系统具有多种调频信号带宽和时宽组合。12种成像工作模式对应的调频信号组合多达18种，并在信号通路中采用不同的滤波器，以保证不同带宽信号带外抑制。

(4) 为实现多波束与多极化，SAR具有双接收通道。为保证双通道的幅相一致性，采用中频采样的数字接收机方案。

(5) 为保证多极化回波进行最优数据量化，对同极化和交叉极化的回波分别进行独立的接收增益控制；采取直接截取高4位、8:4BAQ和8:3BAQ多种数据压缩方式，满足各种模式的需要。

(6) 为实现双孔径和多极化模式，采用接收开关矩阵对天线的不同孔径接收的回波信号进行组合切换，形成两个接收通道^[]。

2.2 多极化相控阵体制SAR天线

GF-3卫星SAR天线具有多极化、多工作模式能力，采用平面二维扫描固态有源相控阵天线体制，实现聚束、条带、扫描等多种SAR成像模式，能够高精度定量化地对海洋、陆地信息进行探测，充分发挥了微波遥感卫星的系统效能。天线工作于C波段，具有多极化、多工作模式能力，采用可展开平面二维扫描固态有源相控阵天线体制。在发射模式下，其发射链路完成输入线性调频信号的功率放大，向指定空余辐射水平或垂直极化电磁能量；接收模式下，天线阵面接收水平极化或垂直极化回波信号，也可同时接收双极化回波信号，并经过低噪声放大链路后送至SAR中央电子设备^[]。为实现天线的性能检测、故障检测和隔离，天线具有独立定标网络，在中央电子设备的控制下，可完成首发链路的标定。同时，天线具有多极化、高极化隔离度、海量赋形波束的功能，具有15 360 W高峰值输出功率，采用了以TR组件、薄壁波导为代表的轻量化设计技术、天线面板、展开机构等复杂结构的高强度力学设计技术。天线展开机构能够满足天线阵面的折叠、展开、支撑等功能。阵面热控，实现SAR天线阵面的控温功能，满足各电性单机的使用环境要求，保证电气设备的使用寿命。

该天线在传统SAR卫星天线设计基础上进行优化，主要具备以下特点：

(1) 高极化隔离度。多极化是该SAR天线的重要功能，通过设计天线辐射单元自身的交叉极化、T/R组件之间接收链路的通道隔离以及电缆的电磁屏蔽，保证天线能够同时接收双极化 (H/V) 信号，具有较高的极化隔离度 (>35 dB)。

(2) 高能量利用效率、兼顾热控要求。在保障较高用电效率的同时，提高微波器件的辐射效率，并同步考虑天线阵面的热控，用于保障天线各单机工作在合理温度范围之内，进而保证天线全阵面空间波束指向的稳定性。

(3) 二维波束的高精度控制。天线在射频收发通道的幅度相位稳定性、波束切换响应速度及双极化波束控制可靠性等方面开展设计，能够针对12种不同孔径、工作脉宽、脉冲重复频率的工作模式需求，实现灵活的天线波束扫描和赋形。

(4) 轻量化。实现天线的轻型化主要通过两个途径：一是选取合理的天线整体方案，从系统层面降低硬件设备量和内部互连复杂度；二是提高设计及工艺水平，加大集成设计力度，通过天线局部硬件优化减轻天线重量。

(5) 高精度天线模型。通过获取SAR天线幅相特性相关的基础数据，建立SAR天线高精度模型，实现对SAR天线方向图特性的高精度仿真。

2.3 SAR系统内定标回路设计

为实现成像数据的高精度定量化应用需求，SAR系统设计中充分考虑了在轨内定标的需求，设计了多个定标回路，覆盖了整个收发链路，并具备极化定标的能力。

SAR系统内定标具备单极化和多极化定标的能力，可以完成HH/HV/VH/VV四极化定标。通过定标可以得到系统真实线性调频信号、系统增益标定、天线方向图及增益 (结合地面辐射阵面测试结果) 监测^[]。

阵面定标可分为全阵面定标和单个T/R组件定标。全阵面定标时天线阵面T/R组件全工作，分别对全阵面发射功率定标和全阵面接收增益及接收机增益定标，可选择H极化或者V极化；单个组件定标主要是监测每个T/R组件的射频特性。全阵面定标时使用中心波位 (波束法线方向)，逐个T/R定标需要波控配相。另外，在整个阵面T/R组件均处于高阻状态 (既不发射雷达信号，也不接收回波) 时，还可以实现对整个系统热噪声的记录。

星载SAR系统内定标回路设计有6条：非延迟定标回路、延迟参考定标回路、驱放定标回路、全阵面/单T/R发射定标回路、全阵面/单T/R接收定标回路、全阵面发射接收定标回路、噪声记录模式。通过6条定标回路和噪声记录模式，SAR分系统的内定标可以标定系统真实线性调频信号、系统增益标定、天线方向图及增益 (结合地面辐射阵面测试结果) 监测、通过单个T/R组件定标可以对单个T/R组件的移相器、衰减器和网络延迟线进行监测。可以进行全阵面定标、T/R逐行定标、T/R逐列定标、单模块定标、模块逐行定标、模块逐列定标及最精细的单T/R定标。可以进行相位或幅度矢量编码定标。

2.4 SAR天线展开机构设计

可展开支撑桁架作为平面天线板的支撑结构，直接关系到在轨展开锁定后天线阵的位置精度、型面精度和基频。

可展开支撑桁架主要由星体支撑架、内框架组件、外框架组件、桁架杆、支撑杆组件、90°铰链、180°铰链等构成。

星体支撑架是可展开支撑桁架与星体间的连接组件，与星体有4个连接点。内框架组件通过90°铰链铰接于星体支撑架。内、外框架组件间通过180°铰链铰接。6根桁架杆和支撑杆组件的一端集中铰接于同一转动轴，另一端分别铰接到内、外框架组件和星体支撑架上，展开锁定后形成稳定的桁架结构。内、外框架组件通过游离连接装置与天线结构板连接，适应桁架与天线板结构在天线面内的热变形，保证天线的型面精度。内桁架、外桁架均可简化为一个四连杆机构，展开锁定后成为一个三角形，以保证单块天线板的平面度及刚度，减少在温度变化下天线阵面的变形。内、外桁架可共用四连杆机构中的两杆，从而更好地保证展开同步性，锁定后的刚度更好。采用桁架连接器将内、外桁架连接，通过两个铰接头将内外桁架连接起来。构成桁架的基本单元可采用碳纤维 (M40) 复合材料制成的杆件，碳纤维杆件应进行零膨胀设计，以减小天线展开后的热变形。

2.5 SAR天线热控设计

SAR天线热控除采取预埋热管网络、开设散热面、包覆多层隔热材料组件等常规热控手段外，还采取了主动控温及热随动控温设计技术，为SAR天线在轨工作期间提供良好的热环境，使SAR天线单机温度保持在-10℃~+25℃，单模块内温度梯度小于2.5℃，全阵面温度梯度小于5.9℃。

主动控温的目的是在天线长期不工作的情况下，通过加热保证天线及其设备的温度不致过低，同时保持温度一致性的需要。全阵面共布置72路加热回路，总控温长期平均功率不超过1800 W，控温回路由载荷控温仪控制。每面板三路控温回路加热片粘贴区域分别为：天线安装板-Z面延时组件间空隙布置1路；天线安装板+Z面无设备安装侧布置两路。

热随动跟踪控温技术利用主动控温的加热功率，实现跟踪控温，保证SAR天线工作时各阵面的温度梯度满足要求。利用控温仪采集各安装板上全阵面温度参考点温度值，温度参考点在对应模块的T/R组件或延时组件上，通过对工作的安装板上参考温度的比对，找出温度最高的温度值，并将此温度值降低5℃，作为其他控温回路的控温目标值，形成闭环控制。

2.6 高精度姿态控制及二维导引

卫星在左侧视和右侧视飞行状态下均有姿态导引的需求。SAR的姿态导引的目的是消除地球自转、地球椭率和卫星轨道扁率引起的多普勒中心频率变化。根据目标侧视角、轨道根数，计算目标姿态导引角。偏航导引计算公式为

式中, i为轨道倾角；u为卫星纬度辐角；N为每天的卫星回归次数。此计算公式适用于球形地球模型，在椭球地球模型下，该角度与实际角度有微小偏差。一轨内的偏航控制曲线 (如所示)，服从余弦规律，最大值为3.892 8°。

图 3 卫星偏航导引控制曲线Fig. 3 Curve of yawing steering

在偏航导引基础上，加入俯仰导引，能够修正俯仰向姿态的不同，俯仰角计算公式为

式中, e为轨道偏心率；θ为真近心角。一轨内的俯仰控制曲线 (如所示)，服从余弦规律，最大值为0.065 9°。

图 4 卫星俯仰导引控制曲线Fig. 4 Curve of pitching steering

2.7 卫星双独立母线供电体制

卫星电源分系统采用双母线供电体制，一条供给平台使用，一条供给SAR载荷使用，两条母线相互独立，互不干涉，两条母线在整星接地点单点共地。平台母线系统采用S4R两域控制全调节母线，T/R母线采用不调节母线。

平台母线系统采用S4R两域控制全调节母线。光照期，MEA和BEA共同控制S4R电路稳定母线电压和完成对蓄电池组充电。S4R电路对太阳电池输出功率调节分配原则为，母线负载需求有第一优先权，其次是满足充电需求，母线负载和充电都不需要的功率对地分流调节。当母线负载由轻到重时，所有对地分流S4R电路依次退出分流，然后将进行充电的S4R电路依次退出充电，仍不能满足负载需要时，蓄电池组受MEA控制通过放电调节电路对母线提供电能，并稳定母线电压。阴影期，蓄电池组受MEA控制通过放电调节电路对母线提供电能，稳定母线电压。T/R母线采用不调节母线系统，母线电压始终被蓄电池组电压钳位，跟随蓄电池组电压变化而变化。在光照期当蓄电池组需要充电时，BEA控制S3R电路退出分流，太阳电池输出功率首先满足负载需要，剩余功率为蓄电池组充电，母线电压会随蓄电池组电压升高而升高，如果太阳电池的输出功率不能满足负载需要，蓄电池组参与放电，联合供电。当蓄电池组充满电后，太阳电池输出功率只满足负载需要，多余太阳电池功率由PCU控制对地分流。在阴影期蓄电池组直接对母线供电，母线电压会随蓄电池组电压降低而降低。

2.8 并网控制技术

卫星采用双母线供电体制，一条供给平台使用，一条供给SAR载荷使用，两条母线相互独立，互不干涉。为提高整星供电安全性，当平台母线蓄电池出现故障时，载荷母线可以通过直流/直流变换器将45~67.5 V变换成平台需要的28 V，给平台服务系统供电。并网控制用直流/直流变换器工作原理框图如所示。

图 5 卫星并网控制原理Fig. 5 Grid-connected control of satellite

并网控制用直流/直流变换器与平台一次母线和载荷一次母线均有接口，即载荷一次母线是它的输入，而输出则连接到平台一次母线。为保障设备自身的故障不影响到平台和载荷母线的供电安全，在输入、输出端均设置了开关，一旦发现问题可立即断开。除了物理隔离外，还在输入端设置了载荷母线保护电路，输出端通过两个串联的二极管与平台母线进行了隔离。

2.9 卫星自主健康管理

目前我国低轨遥感卫星在轨运行管理离不开地面测控站的支持，依靠大批专业人员对遥测数据进行分析判断，在发生故障情况下，主要依靠地面专家的决策。然而，由于遥感卫星轨道特点及测控站地域限制，地面站不可能实现对遥感卫星的全程实时跟踪，且遥感卫星大部分运行时段均不在可控范围之内，在不可控弧段发生的故障，将无法及时采取纠正措施。即使在可控时段，单靠地面采取补救措施，其有效性和实时性都是有限的，极有可能错过最佳的处理时机而导致遥感任务成功率下降甚至失败。这就对卫星提出了更高的自主故障诊断的要求，即要求卫星具有不依赖地面支持的星上自主故障诊断与恢复，在最佳时间处理故障，做到故障的不扩散。星上自主故障诊断隔离恢复，获取最佳处理时机，提高卫星的在轨生存能力，这是提高卫星生存能力的需要，也是保障卫星安全的重要辅助手段。

为此，GF-3卫星提出分级自主健康管理策略 (如所示)、团队式体系结构及可量化故障模型等系统级设计方法，实施整星健康指数实时发布、卫星智能随动控温、整星自主并网控制、双频GPS接收机单粒子翻转自主监测与恢复、SAR异常自主管理等18项创新措施。新技术已在GF-3卫星在轨完成工程验证，测试表明卫星对健康状况的敏感性和处置故障及时性得到了显著提升，分系统终端能实时主动掌握整星健康状态，依据不同级别健康状况及时启动安全管理策略，保障卫星在故障状态下自主实施故障的监测/隔离/恢复，将故障处理时间从目前的不少于一轨 (90 min以上) 缩减到10 s以内。

图 6 卫星自主健康管理流程Fig. 6 Flow chart of self-health management

2.10 精密定轨和时统设计

为了满足合成孔径雷达的成像精度，要求星上的实时轨道确定精度优于10 m (1σ)，事后精处理轨道精度优于20 cm (1σ)。为此，GF-3卫星采用双频GPS系统的方式实现精密定轨。星上双频GPS系统由双频GPS天线、双频GPS接收机和前置放大器组成。卫星进入在轨飞行段时，双频GPS接收机通过双频GPS天线接收GPS导航星座的L1、L2频段的导航信号，在捕获到4颗及以上GPS卫星信号后，即可完成实时、精确的定位。双频GPS接收机在定位后，将产生的L1、L2频段的伪距和载波相位等原始测量信息传输给地面应用系统。地面应用系统利用IGS精密星历进行地面事后精密轨道计算，实现卫星20 m的定轨精度。GF-3卫星对GPS天线进行优化设计，减小卫星舱体对天线接收性能的影响，提高天线相位中心的稳定性。在事后精密定轨中，采用高精度动力学模型结合原始观测数据，实现了4 cm的定轨精度。

GF-3卫星为确保卫星定位精度，需要有效载荷、姿轨控和测控等相关分系统工作在统一的时间基准下，提高卫星成像时刻和敏感器测量时刻标定精度。为完成上述任务，GF-3卫星采用高精度时间同步技术为相关设备提供高精度的时统服务。时间同步技术由硬件秒脉冲和软件整秒时刻授时联合实现，硬件秒脉冲的时标与整星时间同步 (有效载荷和控制系统) 的误差要求小于100 μs。

2.11 小结

GF-3卫星在明确SAR载荷的体制和基本配置的基础上，围绕SAR载荷的需求开展卫星平台适应能力的分析以及载荷与平台之间的匹配性研究，形成了一系列卫星特点和技术创新点，主要技术指标达到或超过国际同类卫星水平，比对情况如所示。

表 3 GF-3卫星与国际同类卫星SAR载荷指标比对Tab. 3 Characteristics comparison of SAR payload between GF-3 satellite and foreign satellites

项目	GF-3卫星	Sentinel-1卫星	RadarSat-2卫星
轨道类型	太阳同步轨道	太阳同步轨道	太阳同步轨道
轨道高度/km	755	693	798
波段	C	C	C
整星重量/kg	2779	2300	2300
峰值功率/kW	1.5	4700	1.27
入射角范围/(°)	10~60	20~45	10~60
天线面积	15 m×1.5 m	12.3 m×0.84 m	15 m×1.37 m
发射带宽/MHz	0~240	0~100	0~100
极化	单极化/双极化/全极化	单极化/双极化	单极化/双极化/全极化
天线类型	波导缝隙相控阵	波导缝隙相控阵	微带相控阵
俯仰向扫描角度/(°)	±20	±11	±20
成像模式	聚束、条带、扫描、波浪、超精细等12种模式	模式：条带、干涉宽幅、超宽幅、波浪模式	扫描、条带、超精细等10种
分辨率/m	1~500	5~20	1~100
成像幅宽/km	10~650	20~400	20~500
寿命/a	8	7.25	7.25

3 卫星在轨试验验证

2016年8月25日，国防科技工业局对外公布首批高分三号卫星影像图，包括黄海、北京、福建、武汉等城市和海域的卫星影像，充分展示了高分三号卫星高分辨率多极化的微波成像优势及在构建全天时、全天候、宽覆盖对地观测系统中的重要作用。截至10月，GF-3卫星已完成所有12中成像模式和7种定标模式的测试，成像共计500余次，开机时间超过1 000 min，共获取1.6万余景SAR图像。

2016年9—11月，GF-3卫星在内蒙古鄂托克旗开展外场定标工作，对各工作模式的分辨率、幅宽、旁瓣比、辐射精度、定位精度、指向精度等天地一体化指标进行了标定。经初步分析，各项指标均满足研制要求，部分指标达到国际同类卫星先进水平^[]，如所示。

表 4 GF-3卫星图像质量指标及在轨测试结果Tab. 4 Test result of image quality in orbit

项目	设计指标	在轨测试指标
极化通道不平衡度	幅度≤±0.5 dB，相位≤±10°	幅度0.04~0.27 dB，相位≤±6.9°
图像极化隔离度	≥35 dB	优于37 dB
NEσ0	分辨率1~10 m优于-19 dB  分辨率25~500 m优于-21 dB	分辨率1~10 m优于-20 dB  分辨率25~500 m优于-22 dB
相对辐射精度 (3σ)	1.0 dB	0.7~0.8 dB
绝对辐射精度 (3σ)	1.5 dB	1.3~1.4 dB
辐射分辨率 (1σ)	分辨率1~10 m：3.5 dB；分辨率25~500 m：2 dB	分辨率1~10 m：3 dB；分辨率25~500 m：1.5 dB
旁瓣比	峰值旁瓣比＜-20 dB；积分旁瓣比＜-13 dB	峰值旁瓣比＜-22 dB；积分旁瓣比＜-15 dB
定位精度	无控制点，平面定位精度优于230 m (3σ)	无控制点，平面定位精度优于50 m (3σ)

4 结束语

GF-3卫星在轨成功获取高分辨率多极化微波图像，极大改善了我国民用天基高分辨率SAR图像全部依靠进口的状态，为国内各行业用户提供高质量、高精度对地观测数据。GF-3卫星工程的研制将在引领我国民用高分辨率微波遥感卫星应用方面起到重要示范作用，其研制和应用具有重大意义。卫星正式交付后将服务于我国海洋、减灾、水利及气象等多个行业及业务部门，成为我国实施海洋开发、陆地环境资源监测和防灾减灾的重要技术支撑。

【引文格式】张庆君。 高分三号卫星总体设计与关键技术[J]. 测绘学报，2017，46(3)：269-277. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170049

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