综述 | 楼良盛,刘志铭,张昊,钱方明, 黄艳:天绘二号卫星工程设计与实现

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本文内容来源于《测绘学报》2020年第10期，审图号GS（2020）5551号。

天绘二号卫星工程设计与实现

楼良盛^1,2,刘志铭^3,1,2,张昊^3,1,2,钱方明^3,1,2, 黄艳^1,2                           

1.地理空间信息国家重点实验室, 陕西 西安 710054;
2.西安测绘研究所, 陕西 西安 710054;
3.信息工程大学地理空间信息学院, 河南 郑州 450001

摘要：天绘二号卫星系统是我国首个基于干涉合成孔径雷达技术的微波测绘卫星系统，也是我国第1个近距离编队卫星系统，是国际上继德国TanDEM-X系统后的第2个微波干涉测绘卫星系统，并在国际上首次提出了通过设计双频成像解决干涉相位绝对模糊问题的方法，彻底摆脱了对地面控制数据的依赖。该系统工作于X频段，设计分辨率为3 m，处于500 km的太阳同步轨道，由两颗对等的卫星组成，采用异轨道面卫星编队、一发双收雷达收发模式的技术体制，可以快速测制全球数字表面模型和雷达正射影像。本文通过对干涉基线体制、卫星编队构型及雷达收发模式的选择，提出了天绘二号卫星技术体制；并从系统任务、主要性能及组成3个方面进行了工程设计；从总体论证、关键技术攻关及验证、型号研制3个阶段阐述了工程实现情况；最后介绍了卫星系统在轨测试验证情况。测试结果表明，所有指标达到了工程设计要求，产品精度与TanDEM-X系统相当，满足1：5万比例尺测图精度要求，从而验证了天绘二号卫星工程设计思路正确，工程实现的方法合理可行。

关键词：卫星工程    干涉合成孔径雷达    卫星编队    一发双收    天绘二号    在轨测试    

引文格式：楼良盛, 刘志铭, 张昊, 等. 天绘二号卫星工程设计与实现. 测绘学报，2020，49(10)：1252-1264. DOI: 10.11947/j.AGCS.2020.20200175.

阅读全文：http://xb.sinomaps.com/article/2020/1001-1595/20201002.htm

全文概述

我国目前在轨运行的微波卫星都是单SAR卫星，具有全天候、全天时数据获取能力。单SAR卫星多航过不同视角获取的立体影像虽然可以用于测图，但受影像纹理不够丰富影响，立体影像不易获取，产品精度较低，严重制约了测绘产品生产。光学测绘卫星由于受光照条件影响，难以实现全球覆盖，我国天绘一号、资源三号卫星已运行多年，目前还有大量空白区。微波干涉测绘卫星利用干涉原理可以生产数字表面模型(DSM)和雷达正射影像测绘产品^[1-2]，与单SAR卫星相比具有测图能力，与光学测绘卫星相比具有全天候、全天时数据获取以及数据处理速度快等优点，不仅可以快速生产全球具有统一精度、一致性较好的DSM和雷达正射影像测绘产品，而且可以与天绘一号、资源三号等光学卫星联合使用，优势互补，用于国家空间数据基础设施建设、形变检测、自然灾害检测、大流域和河道治理、水利和电力建设等领域^[3-12]。尤其对于常年多云雨地区，利用微波测绘卫星影像数据，实施无地面控制条件下测绘产品生产，优势尤为突出。

天绘二号卫星系统是我国首个基于干涉合成孔径雷达(interferometric synthetic aperture radar，InSAR)技术的测绘卫星系统，也是我国第1个近距离编队卫星系统，在国际上是继德国TanDEM-X^[13-17]系统后的第2个微波干涉测绘卫星系统。TanDEM-X系统在2007年6月发射第1颗TerraSAR-X卫星的基础上，于2010年6月发射第2颗功能相同的TanDEM-X卫星。两星编队运行进行干涉测量，采用一发双收模式获取雷达干涉数据，快速制作全球陆地的DEM，经多次获取的数据进行联合处理，并用ICESat卫星获取的高程数据进行校正后，绝对高程精度在2~10 m之间(优于2 m占67%、优于5 m占21%、优于8 m占5.6%、优于10 m占1%)，相对高程精度在1.6~1.9 m之间，平面绝对精度优于10 m。

天绘二号卫星系统与TanDEM-X系统相比，都工作于X频段，分辨率和带宽一样都分别为3 m、30 km。天绘二号卫星系统在轨测试结果表明，两者测图精度基本相当，可满足1:5万比例尺测图精度要求。天绘二号卫星系统在国际上首次提出了通过设计双频对同一区域同时成像的方法，解决干涉相位的绝对模糊问题，从而彻底摆脱了对地面控制数据的依赖，并用在轨数据验证了该技术途径的可行性。

天绘二号卫星于2019年4月30日成功发射，使我国拥有了实时获取全球InSAR影像的自主手段，摆脱了雷达遥感测绘数据长期依赖国外商业卫星的被动局面，标志着中国航天测绘事业迈上了新的台阶。

1  天绘二号卫星技术体制

1.1  干涉基线体制选择

根据相干性要求及InSAR测量原理，有两种实现InSAR测绘卫星干涉基线的体制可供选择：一是基于单卫星平台(或飞船、航天飞机)的双天线体制；二是基于卫星编队体制。

基于单卫星平台双天线体制是在单个卫星平台上伸出一支能满足InSAR干涉要求的基线架，在基线架两端分别放两个雷达天线，形成干涉测量系统。该体制的两个天线同时对地面成像，可以彻底解决时间导致的相干性下降问题，同时基线架变形很小，可以提高基线测量精度，然而它必须首先解决如何实现InSAR测量原理要求的空间长基线问题。由于长期以来没有找到可行的实现空间长基线的技术方法，至今单平台双天线体制只在美国航天飞机上的SRTM^[18-20]实现过。SRTM系统搭载在2000年2月发射的美国“奋进”号航天飞机上，由于受基线长度限制，其产品精度不高。技术难度大、风险高、耗资巨大，是该体制的突出缺点。

基于卫星编队体制是由多颗卫星组成编队，卫星相互遵循Hill方程^[21]绕飞，卫星之间的间隔为几百米至几千米，整体构型相对稳定；卫星上分别装有雷达，同时对地面成像，形成干涉测量系统，无时间去相关效应。这种新概念为星载InSAR技术的实现提供了新的解决思路，通过编队卫星的构型设计可获得最佳基线，满足InSAR干涉的一系列条件。其代表为德国空间中心(DLR)的TanDEM-X系统。

根据我国现有技术水平，基于单卫星平台双天线InSAR方案的基线架及伸展技术难以实现，基线长度很难达到最佳要求，且伸展出去的天线存在颤抖，难以对其进行精确测量，这将影响InSAR测图精度。而基于卫星编队体制难度相对较小，且可以确保较高的产品精度，故天绘二号卫星系统采用基于卫星编队的干涉基线体制。

1.2  卫星编队构型选择

常用的卫星编队构型模式包括绕飞模式和跟飞模式。绕飞模式卫星间距小，可以选用一发双收雷达工作模式，获取数据的相干性好，但是编队构型及维持技术要求高。跟飞模式卫星间距大，只能选择自发自收雷达工作模式，会使获取数据的相干性下降，甚至完全不相干。为了确保获取高相干性的数据，选择绕飞模式为天绘二号卫星系统的构型模式。

卫星编队构型绕飞模式有同轨道面和异轨道面两种编队方案。同轨道面卫星是指它们的轨道具有相同的长半轴、偏心率、轨道倾角和升交点赤经。因此，不仅它们的轨道在空间上是共面的，而且卫星具有相同的周期。相对的，轨道不共面或者不是同周期的卫星编队称作异轨道面编队。异轨道面编队卫星之间靠轨道偏心率矢量差、倾角差和升交点赤经差来实现相互分离。

采用同轨道面卫星编队方式时，所有卫星运行于同一个轨道平面上，卫星之间靠轨道偏心率矢量差来实现相互分离。由于受大气扰动和编队卫星间面值比偏差两方面因素影响，共面绕飞编队沿航迹向具有漂移不稳定性，再加之编队星间距离在XOZ平面内存在过零情况，故具有碰撞隐患。

采用异轨道面卫星编队方式时，各卫星运行于略有不同的绝对轨道平面上，编队运动在Hill相对坐标系中3个方向皆有分量。考虑编队稳定性，通常采用等倾角设计原则，故绕飞编队的异面性主要通过编队星间的升交点赤经偏差实现。通过倾角矢量与偏心率矢量平行原则，可以使异轨道面绕飞编队星间距离在XOZ平面内始终大于安全距离，克服了摄动影响下编队构型沿航迹向不稳定漂移造成的碰撞风险，具有被动安全性。

考虑系统相干性和安全性，天绘二号卫星系统选择采用异轨道面绕飞编队构型。

1.3  雷达收发模式选择

在卫星编队情况下，雷达天线数量多，可以构成多种不同的收发组合，有自发自收、一发多收、多发多收等模式。从理论上讲，各种收发模式都可以实现InSAR测高，但采用不同的收发模式，载荷的硬件形式和工程实现能力都会有很大差别。

多发多收模式指参与编队卫星上的多个雷达发送信号，接收时所有雷达接收多个信号。该模式的关键问题是必须使每个天线明确自己收到的回波信号是由哪个天线发射的，同时必须把不同发射源的回波分离开来，难度非常大，一般不予考虑。

自发自收模式指参与编队卫星上的雷达各自发送、接收各自的信号。其主要优点是各雷达接收的是自己发射信号的回波，雷达信号处理中不存在星间相位同步的问题。但由于自发自收时两个雷达各自的天线波束指向是相互独立的，稍有偏差就会使两个雷达的回波来自不同地面，也会使两个雷达的方位波束指向超过方位相干要求，使两个回波不相干，因此，对雷达天线波束的指向要求非常苛刻，这对卫星平台的姿态测量和控制提出了较高要求，在工程上实现难度较大。

一发多收模式指参与编队卫星上的某个雷达发送信号，所有雷达接收同一信号。该模式有明显的优点：首先，只有一部雷达发射信号，信号来源自然明确，不存在回波识别的技术问题；其次，向地面发射的雷达波束只有一个，这样参与编队的各雷达同时接收信号，可以消除时间干损对相干性的影响，只要两颗卫星在空间的位置形成合适的基线，两个雷达接收到的回波一定相干。

由于一发多收模式获取的信号相干性好，且对有效载荷的要求较低，故天绘二号卫星系统采用一发多收的雷达收发模式。

综上所述，天绘二号卫星系统由两颗对等的卫星组成，使用基于异轨道面绕飞的卫星编队构型，采用一发双收的雷达收发模式，如图 1所示。在此技术体制下，分开放置的雷达所接收信号具有较好的相干性，但发射与接收雷达之间必须要相互协调、相互配合，才能正常工作。为此，必须要求参与工作的所有雷达天线对准地面同一个目标^[22]、所有雷达知道雷达信号发送时间^[23]、所有雷达能够在整个合成孔径时间内精确掌握各回波的相位^[24]，这要求即为空间、时间、相位三同步。

图 1 天绘二号工作示意 Fig. 1     Schematic diagram of TH-2      

图选项

2  工程设计

根据天绘二号卫星的技术体制，对系统任务、性能及组成进行了工程设计。

2.1  系统任务

天绘二号卫星工程主要任务是快速获取InSAR回波数据，通过地面处理，实现目标的快速精确三维定位，生产1:5万比例尺DSM和雷达正射影像，向用户提供基础地理信息产品服务。

2.2  系统性能

卫星以条带模式成像，可以无缝获取全球南北纬80°之间区域的影像，可生产0~3级卫星影像产品及1:5万比例尺DSM和雷达正射影像等测绘产品。主要性能设计指标见表 1。

表 1 系统主要性能指标Tab. 1 The main performance indexes of the system

性能指标	参数
卫星数量	2颗
卫星轨道	太阳同步轨道
回归周期	19天
SAR工作频段	X
信号带宽	135 MHz±0.5 MHz
极化方式	HH
SAR成像模式	条带
入射角范围	35°~46°
影像分辨率	3 m×3 m(地距，方位向×距离向)
成像带宽	30 km
轨道定位精度	优于1 m
卫星速度测量精度	优于5 mm/s
相对定轨精度	优于8 mm
斜距精度	优于1.5 m
系统灵敏度	成像带内均值	优于-24分贝
成像带最差值	优于-20分贝
双星同步精度	时间同步	优于85 ns
空间同步	波束重叠误差≤7%
相位同步	优于10°
DSM格网间距	5 m、10 m、15 m、30 m
数据压缩比	8:4
卫星寿命	5年

表选项

2.3  系统组成

天绘二号卫星工程由卫星、地面运控/应用、运载火箭、发射场和测控6大系统组成，其中卫星系统和地面运控/应用系统是完成工程任务的关键。

卫星系统由两颗卫星组成编队，编队构型采用绕飞模式，双星间具有通信链路。卫星系统方案包括编队构形设计、卫星平台、有效载荷3部分。编队构形设计采用等半长轴、等倾角非共面设计原则，通过选择主、辅星之间的赤经差，使两星之间在轨道平面外拉开(在赤道附近编队构形参数Z向分量最大)。受顺轨迹基线长度约束(本系统要求小于550 m)，要实现全球数据获取，需设计适合高、低不同纬度的卫星编队构型；同时，为保证高程测量精度，不同的地形及地物特性也将设计不同基线长度的卫星编队构型。卫星平台由姿轨控、推进、电源、太阳电池阵、测控、综合电子、总体电路、结构和热控9个分系统组成。有效载荷由SAR、数传、数传中继用户终端和星间测量4部分组成。SAR分系统由天线和中央电子设备两个子系统组成，其主要功能为接收卫星的工作指令，双星三同步协同工作，按设定的波位发射X频段线性调频脉冲并接收场景回波信号，数据打包后送数传分系统。星间测量分系统采用GNSS(兼容GPS和BD2)双频载波相位差分测量体制，实现星间高精度状态测量，并为卫星编队、载荷协同工作和数据处理等提供高精度的时间基准；由2台GNSS接收机、2副GNSS天线、1台铷钟和1台星载激光角反射器组成。数传采用单频点双极化、双星频分方案，完成双星同时对地X波段数据传输，每颗星具备2×450 Mbps数据传输和3Tbit的数据存储能力。数传中继用户终端采用Ka频段中继传输通道，兼容一代和二代中继卫星系统，采用LDPC编码方式，实现高速下传。卫星InSAR成像工作流程如图 2所示。

图 2 卫星InSAR成像工作流程 Fig. 2     Satellite's flow chart of InSAR imaging      

图选项

地面运控/应用系统由任务规划、数据接收、数据预处理、精密参数解算、业务管控、数据管理与服务、定标与精度评定、测绘专业处理等8个系统组成。运控系统主要任务是受理观测请求，进行编队卫星的任务分析、观测计划制定和卫星跟踪接收计划制定；对卫星有效载荷状态进行监控和管理；接收卫星下传数据并进行汇总、解密、解格式与数据传输。应用系统主要任务是对编队卫星进行在轨参数标定和精度评估，进行卫星影像产品制作、管理与分发，测制1:5万比例尺数字表面模型、雷达正射影像等基础测绘产品，并提供数据信息共享服务。地面运控/应用系统是卫星数据应用服务的主体系统，其数据流程如图 3所示。

图 3 地面数据流 Fig. 3     Schematic diagram of ground data flow      

图选项

3  工程实现

天绘二号工程实现经历了总体论证、关键技术攻关及验证、型号研制3个阶段。

3.1  总体论证

天绘二号卫星于2001年在国家“863”计划支持下，开始总体方案论证工作。在当时还没有关于德国TanDEM-X系统资料报道的情况下，提出了基于编队卫星方式、一发双收雷达工作模式的InSAR测绘卫星系统总体技术方案，并对系统组成、各分系统方案及可行性进行了论证；系统完整地建立了基于卫星编队的InSAR测绘卫星指标体系，理清了关键技术，并对基线长度和基线倾角及其精度要求、雷达侧视角、精确定轨及测图精度等关键指标进行了仿真分析；提出了在一发双收的干涉合成孔径雷达工作模式下，双星协同工作所需的空间、时间和相位三同步技术方案及要求。

3.2  关键技术攻关及验证

根据前期总体论证结果，“十一五”期间进行了关键技术攻关及验证工作。先后开展了卫星绕飞编队构型设计与控制、双星三同步、高精度SAR载荷内定标、基线确定、高精度星间基线测量、在轨基线定标、高保相成像、绝对相位确定及InSAR数据处理等关键技术攻关。本文对主要的卫星编队构型设计，双星协同工作所需的空间、时间和相位三同步，高精度基线测量，绝对相位确定等关键技术进行描述。

3.2.1  卫星编队构型设计

天绘二号卫星是我国第1个近距离绕飞编队卫星系统，编队构型设计是个新技术。为了确保编队构形稳定，主、辅两星回归周期需相同，轨道倾角差Δa应为0，则辅星相对于主星的相对运动可以通过轨道坐标系(Hill坐标系，即X轴为地心指向主星质心方向，Y轴为卫星飞行方向，Z轴为右手法则方向)下辅星与主星的相对位置来描述，即

 (1)

式中，p=aδe；l=a(cotiΔi_y+Δu)；s=aδi。

相对偏心率矢量Δe为

 (2)

相对倾角矢量δi为

 (3)

式中，轨道根数皆为平根；a、e、i、Ω、ω和M分别代表半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角和平近点角；下标“1”表示主星，下标“2”表示辅星；δe和θ_FF分别是Δe矢量的大小和相位；δi和ψ_FF分别是Δi矢量的大小和相位；Δu为两星相对平纬度幅角矢量。

从式(1)可知，通过辅星相对主星运动轨迹在X_HO_HY_H平面内投影椭圆的短半轴p、辅星相对主星运动轨迹在Z_H向上振幅s、相对偏心率矢量的相位角θ_FF、相对倾角矢量的相位角ψ_FF、主星相对编队构形几何中心在主星切向上偏移量l的参数设计，即可进行编队构形设计。

3.2.2  双星空间、时间和相位三同步技术

时间同步是在两星上的星间测量分系统提供的高稳定80 MHz基准频率信号、高精度PPS秒脉冲信号对、PPS秒脉冲之间的高精度时差数据的保障下实现。时间同步可分为建立和保持两部分。时间同步建立通过PPS秒脉冲触发雷达控制子系统的监控定时模块，产生高一致性的雷达定时信号实现；时间同步保持通过星间测量分系统提供的高稳定基准频率信号的高精度和它们之间的高度一致性特性，维持主辅星SAR的定时信号之间的差别实现。

空间同步采用最大能量法和最大相干法两种方案，最大相干法为主方案，最大能量法为备用方案。最大能量法的同步方案，即“辅瞄主”模式，通过对辅星导引规律的偏置，在不考虑波束指向误差的情况下，可使辅星波束脚印与主星波束脚印重合，从而使辅星接收到的回波能量达到最大；与最大能量法相比，最大相干法并不要求主辅星波束中心同时指向地面同一点，而要求主辅星分别按照各自的偏航、俯仰二维导引规律将波束照射在同一个测绘带内，这样主辅星回波多普勒中心频率基本相同，保证了较高的多普勒去相干。

相位同步采用基于双向信号交替传输的相位同步技术方案，可分为星上双向信号交替传输的同步信号采样和地面数据处理补偿两部分。星上部分主要完成对含有主辅星SAR载频相位差信息的获取；地面部分主要完成主辅星SAR载频相位差值的提取和对辅星SAR回波相位的补偿。

3.2.3  高精度基线测量技术

高精度基线测量采用GNSS(兼容GPS和BD2)双频载波相位差分测量体制，通过相对定轨，实现星间高精度基线测量。基线测量的主要过程包括GNSS和SAR天线相位中心的确定和高精度测定、坐标转换、相对定轨3部分，其中相对定轨是关键。

相对定轨可以消除或削弱许多共同误差，从而得到高精度的基线信息，其基本原理如下^[25]。

B星相对A星的卫星运动方程可表示为

 (4)

式中，X_AB为B星相对A星的状态(包括相对位置、速度及动力学参数)；X_AB0为t₀时刻B星相对A星的状态。

将式(4)在参考状态X_AB^*(t)处展开，并令δX_AB(t)= X_AB(t)－ X_AB^*(t)，略去二次以上高阶项，则有

 (5)

式中, Φ_AB(t, t₀)为相对状态转移矩阵；X_AB^*(t)= X_B^*(t)－ X_A^*(t)、X_A^*(t)、X_B^*(t)分别为两颗卫星绝对轨道参考状态，在固定参考星轨道条件下，可以推导出相对状态转移矩阵就是辅星的状态转移矩阵，因此式(5)可以写为

 (6)

式中，Φ_B(t, t₀)为B星状态转移矩阵，若t时刻两颗编队卫星同时共视了m颗GPS卫星，则可形成m-1个双差观测方程

 (7)

式中，Y为双差残差；H为观测矩阵；δX为估计参数。δX不仅包括位置参数，还包括速度及动力学参数。

将t时刻观测方程映射到t₀时刻

 (8)

式中，δX₀为初始位置、速度及动力学参数；Φ为编队卫星状态转移矩阵。

3.2.4  绝对相位确定

为了彻底摆脱微波测绘卫星系统解算干涉相位绝对模糊对地面控制数据的依赖，提出了通过设计双频对同一区域同时成像的方法，解决了不依赖地面控制数据解算干涉相位绝对模糊问题，即在进行干涉DSM获取成像的首、尾分别利用主频9.6 GHz和辅频9.44 GHz两个频点进行5 km×5 km左右的双频成像，形成两个频点的干涉像对。两个频点的差值根据SAR载荷80 MHz基准频率的倍频能力和频率差所对应的折叠模糊数确定。其中主频点9.6 GHz与完成干涉DSM获取成像任务的频点一样，工作参数也相同，且卫星开机数据获取时，与单频的干涉DSM获取成像无缝连接。通过对首尾两个主辅双频地面回波数据的双频干涉处理，根据余数定理，即可获取其中主频干涉相位差中绝对模糊2nπ问题。其绝对模糊求解原理^[26]及模糊高度H_amb计算公式为

 (9)

式中，θ为侧视角；λ为波长；r为目标点到SAR天线距离；B_⊥为垂直有效基线长度。

由于双频数据获取的为同一地面点，其求解的高程应一致。假设波长λ₁和λ₂对应的解缠后干涉相位图的绝对相位模糊数分别为k₁和k₂，则k₁和k₂满足以下关系

 (10)

式中, H_unwrapi为频率i解缠相位差所对应的高程；H_ambi为频率i模糊高度；H_scene为地面点高程。

根据式(10)，通过对k₁和k₂进行二维遍历搜索，选择(k₁, k₂)使H_unwrap1+k₁·H_amb1和H_unwrap2+ k₂·H_amb2相等，即可确定解缠后干涉相位图的绝对相位模糊数。

3.2.5  地面仿真验证

为了验证技术方案合理性、实现技术指标和关键技术可行性，安排了卫星编队飞行与控制仿真试验验证、SAR载荷三同步地面试验验证及卫星系统样机集成和全系统半实物仿真验证。

在卫星编队飞行与控制仿真试验验证中，建设了基于气浮平台的编队飞行与控制试验系统，验证了不同工况下分布式卫星系统控制算法的可行性和有效性、实现编队构形控制指标的可行性、基于信息交互的安全距离测量信息的安全控制功能等内容。其缺点是只能验证一个平面内的情况，由此，在后期型号研制时，采用了上海交通大学研制的12自由度半实物仿真试验系统，对卫星编队飞行与控制进行全方位验证。

在SAR载荷三同步地面试验验证中，专门研制了两套雷达系统，放在专用设计的轨道橇车上，如图 4所示。在陕西省华阴市，利用3 km的铁轨，以火箭发射为动力，两套雷达系统在铁轨上高速运动的同时，两天线相互间模拟卫星绕飞编队做相对运动，以卫星雷达工作的一发双收体制对华山进行成像，处理结果验证了解决方案的正确性和可行性，其结论有力推进了项目后期立项工作。

图 4 空间、时间和相位同步试验 Fig. 4     Schematic diagram of space time phase synchronization test      

图选项

在卫星系统样机集成和全系统半实物仿真验证中，分别研制了两套GPS接收和SAR数据生成半实物模拟器，仿真了大量带各种误差源及不带误差源的GPS、姿态观测等辅助数据和InSAR回波数据。对测图精度进行了全面系统分析验证，并利用自研的InSAR数据处理系统处理了所有仿真数据，其结果有效验证了各种误差源的影响特性、系统定位精度、InSAR数据处理能力，为后期立项研制打下了坚实基础。

3.3  型号研制

“十二五”期间项目正式立项研制，重点开展卫星系统和地面运控/应用系统研制建设。为了确保系统后期高质量数据获取和产品精度，在卫星研制过程中，测试项目比以前的单SAR卫星多了30余项、测试时间多了4个多月，并对卫星内定标、时间基准、相位精度、GNSS和SAR天线相位中心稳定性、两颗卫星的一致性等影响测图精度的问题进一步进行了误差控制研究；在地面应用系统数据处理模块研制过程中，为了确保InSAR成像相位精度，提出了收、发分置的成像算法。

天绘二号卫星系统使用时在不同的纬度、不同的地形(山地、平地)、不同地物(如沙漠、植被区相干性较低)获取数据需要不同的卫星编队构型，对高山地数据获取需要采用卫星升、降轨左右不同侧视方式。其使用方法与现有的光学测绘卫星、单SAR卫星相比差异很大，非常复杂，由此，提出了采用长期规划策略进行摄影计划制定方法，有效提高了卫星使用效率。

同时，在天绘二号卫星研制前，我国还没有一个用于生产的微波干涉数据处理系统，与现有光学测绘数据处理相比，其处理技术、作业流程完全不同。在天绘二号卫星型号研制过程中，初步建立了我国首个微波干涉测绘产品生产作业流程、技术规范及产品质量控制体系，但还存在很多不足，在后期的生产过程中，还需不断改进完善。

4  在轨测试验证

天绘二号卫星于2019年4月30日成功发射，5月9日首次开机，单星运行正常，获取首幅SAR图像，如图 5所示。入轨初期双星运行于跟飞模式，星间距离约30 km，期间对单星SAR性能指标进行测试，并于6月17日四川宜宾地震当天，卫星前后间距5 km，获取了该地区卫星跟飞模式影像，处理出了DSM数据，如图 6所示。7月9日系统形成绕飞编队构型，有效基线为500 m左右，当天开机并获取InSAR数据，晚上数据传回地面系统，利用自研软件，一次成功处理得到首幅DSM测绘产品，如图 7所示。

图 5 首幅SAR影像 Fig. 5     First SAR image      

图选项

图 6 跟飞模式DSM数据 Fig. 6     DSM data acquried in pursuit monostatic mode      

图选项

图 7 首景编队模式DSM数据 Fig. 7     The first DSM data acquired in bistatic mode      

图选项

为了测试SAR性能及定位精度等指标，分别在内蒙古和河北赤城建立了定标场。内蒙古定标场2019年5月12日开始建设，5月20日首次投入使用，8月6日完成全部测试任务，为配合完成各波位测试，场内布设了非永固4台有源定标器和10台角反射器。河北赤城定标场2019年9月18日开始建设，9月20日投入首次观测，于10月17日完成全部观测任务；场内分设了非永固10台角反射器，如图 8所示，并辅以6个地面影像控点，用于山地地面定位精度检测。

图 8 赤城定标场角反射器布置情况 Fig. 8     Corner reflectors's placement in Chicheng calibration field      

图选项

本文只对关键的系统灵敏度、分辨率、成像带宽、斜距精度、卫星定轨精度、卫星速度测量精度、相对定轨精度、相位同步精度、定位精度的测试情况予以介绍。

4.1  系统灵敏度测试

系统灵敏度测试通过对亚马孙热带雨林获取常规回波数据，处理得到后向散射系数；同时在关闭SAR发射机状态下，SAR载荷工作在只接收模式获取数据，处理得到噪声数据，计算得到系统灵敏度。对每颗星分别选取高、中、低3个波位进行了测试，结果见表 2，优于设计指标，提高了干涉影像相干性和影像质量。

表 2 系统灵敏度测试结果Tab. 2 Results of system sensitivity test

卫星	波位	产品标识 (分布图像)	产品标识 (噪声图像)	均值	最差值
A	1	0620_259_001	0620_259_002	-25.4	-20.7
B	1	0620_257_006	0620_257_004	-25.7	-21.1
A	4	0630_315_002	0630_315_003	-24.5	-20.3
B	4	0630_312_005	0630_312_006	-24.6	-20.1
A	8	0612_211_001	0612_211_002	-24.6	-21.3
B	8	0612_213_001	0612_213_002	-25.4	-21.3

表选项

4.2  分辨率测试

分辨率测试利用内蒙古定标场布设的10个无源角反射器，在1A级影像产品上求取角反射器单点目标冲激响应函数的3分贝宽度，计算方位向分辨率与距离向分辨率，每次测试选取10个有效样本中最差值作为分辨率指标。对每颗星的8个波位分别进行测试，测试结果见表 3，双星方位向最差为2.7 m、距离向最差为2.2 m，都优于3 m设计指标，提高了影像判读能力。

表 3 地面分辨率测试结果Tab. 3 Results of ground resolution test

卫星	波位	产品数据	方位向/m	距离向(地距)/m
A	1	20190526_0080	2.665 4	2.180 3
B	1	20190526_0082	2.669v4	2.157 8
A	2	20190522_0067	2.261 5	2.090 9
B	2	20190522_0069	2.258 4	2.074 7
A	3	20190610_0194	2.379 9	1.996 3
A	4	20190629_0314	2.526 0	1.929 7
B	4	20190629_0312	2.522 3	1.918 5
A	5	20190627_0291	2.677 3	1.866 5
B	5	20190627_0294	2.677 3	1.841 1
A	6	20190608_0194	2.378 2	1.817 5
B	6	20190608_0173	2.384 9	1.800 5
A	7	20190520_0056	2.509 1	1.769 2
B	7	20190520_0058	2.509 2	1.758 0
A	8	20190528_0089	2.691 1	1.733 5
B	8	20190528_0091	2.690 7	1.720 1

表选项

4.3  成像带宽测试

成像带宽测试选用内蒙古定标场，由于该区域比较平坦，则可在区域2级及以上影像产品上，计算一条距离线上的近距端和远距端的平面距离求得成像带宽，每次测试沿方位向抽样计算多个(不少于10个)点取均值作为成像带宽的测试值。对每颗星的8个波位分别进行测试，测试结果见表 4，双星成像带宽都优于30 km设计指标。

表 4 成像带宽测试结果Tab. 4 Results of imaging bandwidth test

卫星	波位	产品数据	成像带宽/m
A	1	20190518_0051	3 0325.397 1
B	1	20190518_0052	3 0321.672 3
A	2	20190522_0067	3 0394.756 3
B	2	20190522_0105	3 0410.813
A	3	20190521_0060	3 0272.134 6
B	3	20190521_0061	3 0269.032 6
A	4	20190601_0114	3 0315.616 8
B	4	20190601_0118	3 0313.438 9
A	5	20190528_0088	3 0319.708 8
B	5	20190528_0091	3 0325.333 5
A	6	20190525_0080	3 0227.231 1
B	6	20190525_0082	3 0229.681 4
A	7	20190606_0152	3 0301.983 5
B	7	20190606_0154	3 0304.166 3
A	8	20190526_0080	3 0294.251 6
B	8	20190526_0083	3 0292.420 9

表选项

4.4  斜距精度测试

斜距精度测试利用了新疆干涉定标场布设的40个角反射器作为控制点，要求一景影像内不少于4个控制点(方位向、距离向各2个)。利用定轨数据和控制点地面坐标计算结果作为斜距真值，与SAR载荷记录的斜距结果进行比较，其值作为斜距精度测试结果。期间对每颗星高、中、低3个波位进行了测试，测试结果A星斜距精度为0.56 m、B星斜距精度为0.79 m。同时，利用搜集的少量澳大利亚角反射器控制点对A星进行了南半球斜距精度测试，测试结果为1.2 m，优于1.5 m设计指标。

澳大利亚地区斜距测试结果比新疆干涉定标场差，其主要原因是澳大利亚布设的角反射器比较小，生成的影像比较模糊，导致像点量测精度误差较大，影响了最终的斜距测试精度。

4.5  卫星定轨精度测试

卫星定轨采用双频GPS接收机获取观测数据，通过自研处理软件进行定轨。自2019年9月3日至2019年9月14日，上海天文台的上海和长春两站利用星上角反射器，共获取了13段激光测距数据，与定轨结果进行了比较测试。定轨矢量精度测试结果见表 5、表 6，A星和B星中误差分别为2.71 cm和2.57 cm，优于1 m设计指标。

表 5 A星定轨精度测试结果Tab. 5 Results of satellite-alpha's orbit determination test

弧段号	测站号	数据点个数	均值/cm	中误差/cm
1	7821	356	-2.15	2.27
2	7821	2891	3.99	4.03
3	7237	11 052	4.15	4.25
4	7237	40 490	-2.91	2.98
5	7821	32 699	-0.55	1.07
6	7821	22 355	0.14	1.27
7	7821	12 994	-3.18	3.21

表选项

表 6 B星定轨精度测试结果Tab. 6 Results of satellite-bravo's orbit determination test

弧段号	测站号	数据点个数	均值/cm	中误差/cm
1	7237	13 245	-5.09	5.21
2	7237	7467	2.23	2.52
3	7821	639	-0.06	0.72
4	7821	1549	-2.50	2.63
5	7821	24 455	-0.89	1.03
6	7821	3352	-3.95	3.98

表选项

4.6  卫星速度测量精度测试

卫星速度测量精度测试采用国际上通用方法，即对不同定轨软件测量结果进行比较的方法。本次测试分别采用了我所和国防科技大学研制的软件。卫星速度精度测试采用了5天数据结果进行比较，结果见表 7、表 8，A星和B星中误差分别为0.173 mm/s和0.189 mm/s，优于5 mm/s设计指标。

表 7 A星定轨速度精度测试结果Tab. 7 Speed accuracy results in satellite-alpha's orbit determination test

时间	数据标识	中误差/(mm/s)
2019-07-20	01A_GNSSA_20190720_21	0.076
2019-07-21	01A_GNSSA_20190721_22	0.159
2019-07-25	01A_GNSSA_20190725_26	0.071
2019-08-10	01A_GNSSA_20190810_11	0.371
2019-08-11	01A_GNSSA_20190811_12	0.072

表选项

表 8 B星定轨速度精度测试结果Tab. 8 Speed accuracy results in satellite-bravo's orbit determination test

时间	数据标识	中误差/(mm/s)
2019-07-20	01A_GNSSA_20190720_21	0.068
2019-07-21	01A_GNSSA_20190721_22	0.076
2019-07-25	01A_GNSSA_20190725_26	0.068
2019-08-10	01A_GNSSA_20190810_11	0.361
2019-08-11	01A_GNSSA_20190811_12	0.067

表选项

4.7  相对定轨精度测试

相对定轨精度测试与卫星速度精度测试方法一样，采用不同定轨软件定轨结果进行比较的方法。对7月14日到8月2日共20天观测数据处理结果进行了比较，其部分结果见表 9，矢量中误差为1.48 mm，优于8 mm设计指标。

表 9 相对定轨精度测试结果Tab. 9 Results of relative orbit determination test

时间	中误差/mm
径向	沿轨	法向	矢量
2019-07-14	1.16	0.99	0.41	1.58
2019-07-17	0.78	1.16	0.42	1.47
2019-07-20	0.76	0.83	0.41	1.20
2019-07-23	0.68	0.96	0.50	1.28
2019-07-26	0.89	1.65	0.49	1.94
2019-07-29	0.63	1.34	0.37	1.53
2019-08-02	1.33	0.96	0.39	1.69

表选项

4.8  相位同步精度测试

相位同步精度基本反映了卫星SAR工作相位精度。系统在轨运行时，相位同步值无法从获取数据中分离，故天绘二号相位同度精度测试采用了卫星研制过程中初样和正样的地面测试结果，其结果见表 10、表 11，初样与正样的地面测试结果基本一致，比较稳定。在系统工作时相位同步周期选用256PRF，初样测试结果为6.11°，正样测试结果为6.28°，优于10°设计指标。

表 10 相位同步初样测试结果Tab. 10 Results of phase synchronization initial sample test

同步周期(PRF)	测试次数	性能/(°)
最大值	最小值	平均值
512	61	6.03	9.39	7.94
256	32	5.02	8.31	6.11
128	4	3.61	4.54	4.07

表选项

表 11 相位同步正样测试结果Tab. 11 Results of phase synchronization formal sample test

同步周期(PRF)	测试次数	性能/(°)
最大值	最小值	平均值
512	61	6.03	9.39	8.12
256	112	3.93	8.91	6.28
128	4	3.61	4.54	4.07

表选项

4.9  定位精度测试

定位精度测试是在当前卫星编队构型下进行，有效基线为550 m左右，覆盖范围为南北纬60°之间。平地定位精度测试是利用在新疆建设的干涉定标场40个角反射器作为精度检测点，共对1、2、7、8波位进行了7次测试；同时，利用网上公开的在澳大利亚布设的部分放射器为精度检测点，进行了测试；山地定位精度测试是利用河北赤城定标场布设的10个角反射器作为精度检测点，共对3、8波位进行了4次测试。所有测试结果与德国TanDEM-X系统相当，优于设计指标，满足1:5万测图精度要求。

由于影响系统定位精度的因素^[27]斜距、卫星定轨、卫星速度测量、相对定轨、相位同步精度都优于设计指标，尤其是相对定轨精度对系统定位精度影响较大，而其测试结果比设计指标提升幅度较大，从而确保了系统定位精度测试结果比设计指标提升幅度较大。

天绘二号卫星在轨测试内容包括了单星SAR载荷成像能力、双星InSAR模式成像能力、数据传输能力、编队构型能力、长期观测规划能力、应急观测能力、影像产品生产能力、测绘生产能力、数据管理能力、数据服务能力等10项核心能力，涵盖卫星平台、有效载荷、运控系统、应用系统及星地一体化指标的73项相关技术指标。测试结果表明天绘二号卫星已具备单星SAR和双星InSAR观测成像能力，卫星可以稳定可靠地执行各种指令动作，卫星采集的雷达回波信号质量稳定可靠，地面运控/应用系统已具备执行任务能力，测试的各项指标均符合或优于设计要求，该结果验证了天绘二号卫星工程设计思路正确，工程实现的方法合理可行。

5  结束语

天绘二号卫星的成功发射，使我国微波遥感首次实现了由单星观测向双星干涉测绘的阶跃发展，填补了我国在分布式编队雷达卫星领域的空白，使我国成为国际上第2个拥有微波干涉测绘卫星的国家，并在国际上首次提出了通过系统设计双频成像解决干涉相位的绝对模糊问题的方法，彻底摆脱了对控制数据的依赖，是中国航天测绘能力建设的重大突破。它的全天时、全天候获取数据能力，数据处理速度快等特点，不仅可以弥补光学测绘卫星对常年多云雨地区数据无法获取问题，同时其快速获取的DSM数据可以直接用于光学测绘卫星地形图和正射影像生产，这将大大加快我国全球地理空间信息建设速度。

天绘二号卫星系统采用双星异轨道面绕飞编队、一发双收干涉技术体制，运行于500 km高度的太阳同步轨道。在该技术体制下，根据不同的地形及地物特性，可以方便优化设计出不同基线长度的卫星编队构型，使系统工作于获取最好数据状态。在轨测试的顺利完成并转入运行，说明天绘二号卫星系统选择的技术体制和工程设计思路正确，工程实现的技术途径合理可行。

天绘二号卫星系统在轨测试结果表明，系统运行状态良好，主要性能指标优于设计指标，可用于1:5万比例尺地理空间信息产品生产。它将为基础地理信息快速获取、精确定位等提供有力的测绘保障；同时也将为“数字中国”地理信息系统建设提供及时、相关、准确、现势、长期稳定的地理空间信息服务；将为国民经济建设、社会信息化发展做出应有的贡献。

作者简介

第一作者简介：楼良盛(1966-), 男, 研究员, 研究方向为SAR/InSAR数据处理。E-mail:[e-mail]

重磅！！ | 姚宜斌, 杨元喜, 孙和平, 李建成：大地测量学科发展现状与趋势

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