閻誠 黃耀輝 王麗麗

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

海浪和海面風(fēng)場是海洋與大氣相互作用最直接的2種要素，因此海浪譜和海面風(fēng)矢量的觀測資料對研究海洋和大氣之間的熱量、動量和物質(zhì)交換，以及這種交換對海洋、大氣各種物理特性的影響具有重要的意義。衛(wèi)星遙感技術(shù)是在全球海面獲取上述2種觀測資料最主要的手段。過去數(shù)十年，大范圍的海浪譜和海面風(fēng)場觀測主要分別依靠星載合成孔徑雷達(dá)(SAR)和微波散射計。然而，SAR系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大，無法24 h連續(xù)對地面進(jìn)行觀測；另外，除了歐洲遙感衛(wèi)星-1，2(ERS-1，2)，目前還沒有同時搭載SAR和散射計的地球觀測衛(wèi)星，這在很大程度上限制了風(fēng)浪數(shù)據(jù)的同步獲取。

中法海洋衛(wèi)星是世界上第1顆具備全天時海面風(fēng)浪聯(lián)合同步觀測能力的遙感衛(wèi)星，也是我國第1個在系統(tǒng)層面與世界先進(jìn)宇航機(jī)構(gòu)開展全方位、全流程合作的衛(wèi)星項目。其主要科學(xué)目標(biāo)是：通過獲取全球海表面波浪譜信息和風(fēng)場信息，開展海洋動力學(xué)研究，進(jìn)而在海洋天氣預(yù)報、海洋災(zāi)害監(jiān)測、海洋氣候變化研究等方面發(fā)揮作用。為此，衛(wèi)星搭載了2個新型的主動微波有效載荷，即法方研制的用于海面波浪譜探測的雷達(dá)波譜儀(SWIM)和中方研制的用于海面風(fēng)場探測的微波散射計(SCAT)。另外，衛(wèi)星上配備了中法兩國聯(lián)合研制的X頻段數(shù)傳分系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)存儲和傳輸。衛(wèi)星平臺則完全由中方負(fù)責(zé)研制。[1-3]

中法海洋衛(wèi)星平臺繼承了現(xiàn)有成熟設(shè)計，但用于風(fēng)浪探測的2臺主動微波科學(xué)載荷均為全新研制，而中法兩國開展聯(lián)合研制的深度合作工作模式也是第1次實施。衛(wèi)星的諸多全新特點，使衛(wèi)星在總體設(shè)計中面臨諸多以往不曾遇到的問題。由于2臺有效載荷均為大功率主動微波設(shè)備，整星的電磁兼容性能成為決定任務(wù)成敗的核心要素，星上供電安全也面臨嚴(yán)峻考驗。深入而全面的國際合作，也帶來了諸多以往衛(wèi)星總體設(shè)計中不需要考慮的額外任務(wù)，需要通過衛(wèi)星總體設(shè)計加以滿足，且沒有以往經(jīng)驗可以借鑒。

本文分析了中法海洋衛(wèi)星總體設(shè)計中遇到的主要難點，總結(jié)了為解決這些難點而采取的創(chuàng)新性設(shè)計措施，同時也介紹了整星針對性的測試、試驗的驗證結(jié)果。中法海洋衛(wèi)星所采用的設(shè)計措施對于后續(xù)同類型衛(wèi)星總體設(shè)計具有良好的借鑒意義。

1 衛(wèi)星簡介

中法海洋衛(wèi)星采用成熟的CAST2000小衛(wèi)星平臺，整星質(zhì)量652 kg，設(shè)計壽命3年，采用降交點地方時07:00 AM、高度521 km的太陽同步軌道。星上配備70 A·h大容量蓄電池和7.548 m2大面積太陽翼，采用基于“星敏感器+動量輪”的零動量三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制系統(tǒng)，通過成熟的USB測控體制輔以GPS定軌模式完成衛(wèi)星的跟蹤、測軌、遙測和遙控任務(wù)。星地數(shù)傳通道采用X頻段系統(tǒng)，碼速率為60 Mbit/s。

雷達(dá)波譜儀工作于Ku頻段，是一種真實孔徑雷達(dá)，采用對地圓盤掃描工作方式。6個射頻波束均采用線性調(diào)頻脈沖，通過波束切換來實現(xiàn)分時工作，獲取不同入射角條件下、360°方位向的海面小角度準(zhǔn)鏡面散射信息。由于小入射角觀測下海浪譜與真實孔徑雷達(dá)后向散射系數(shù)的調(diào)制譜具有線性關(guān)系，對不同方位向上獲取的雷達(dá)散射系數(shù)分別處理，可以得到海面波浪的二維方向譜。

微波散射計同樣工作在Ku頻段，是世界上第1個采用扇形波束掃描工作體制的散射計。與以往的Ku頻段散射計一樣，中法海洋衛(wèi)星的微波散射計也使用垂直極化和水平極化2種極化方式，2種波束通過不同的波導(dǎo)縫隙天線實現(xiàn)，并通過圓錐掃描方式獲取28°～51°地面入射角、360°方位向的海面布拉格散射信息。由于中等入射角觀測下雷達(dá)后向散射系數(shù)與海面風(fēng)速呈正相關(guān)的關(guān)系，且后向散射系數(shù)還受觀測方位角的調(diào)制，因此通過測量不同方位向下海面的后向散射系數(shù)可以反演獲取海面風(fēng)場信息。

衛(wèi)星在軌狀態(tài)構(gòu)型如圖1所示。

2 衛(wèi)星總體設(shè)計技術(shù)難點及解決措施

2.1 概述

結(jié)合中法海洋衛(wèi)星技術(shù)特點和使用需求，經(jīng)過指標(biāo)分解和任務(wù)分析，主要需要在衛(wèi)星總體設(shè)計過程中攻克風(fēng)浪聯(lián)合同步觀測工作模式設(shè)計、小衛(wèi)星上2臺大功率微波設(shè)備相互干擾、脈動式設(shè)備工作時供電母線安全、產(chǎn)品跨國運輸特殊的技術(shù)需求、特殊的星上數(shù)據(jù)存儲與回放需求等各項總體設(shè)計技術(shù)難點。通過采取有效載荷配置與參數(shù)優(yōu)化、加強(qiáng)電磁兼容性設(shè)計與驗證、“內(nèi)單外雙”準(zhǔn)雙母線供配電體制、跨國運輸產(chǎn)品集中布局、固態(tài)存儲器分區(qū)等創(chuàng)新性設(shè)計措施，上述問題得以一一解決，并在研制過程中對解決措施進(jìn)行了充分的試驗驗證。

2.2 風(fēng)浪聯(lián)合同步觀測工作模式設(shè)計及解決措施

2.2.1 問題描述

中法海洋衛(wèi)星的核心任務(wù)，就是要實現(xiàn)對海洋高精度、全天時的風(fēng)浪聯(lián)合同步觀測。衛(wèi)星總體設(shè)計需要從頂層進(jìn)行規(guī)劃，在滿足衛(wèi)星在質(zhì)量、尺寸、功耗、碼速率等方面的約束條件同時，保證風(fēng)浪聯(lián)合觀測的效果與精度。

2.2.2 解決措施與驗證結(jié)果

在方案論證階段，中法海洋衛(wèi)星確定了實現(xiàn)風(fēng)浪聯(lián)合同步觀測的工程方案，即利用全新研制的雷達(dá)波譜儀進(jìn)行波浪譜探測，利用新型旋轉(zhuǎn)扇形掃描體制的微波散射計進(jìn)行風(fēng)場探測。

雷達(dá)波譜儀要具備1個星下點0°垂直波束和多個小入射角圓錐掃描傾斜波束。利用文獻(xiàn)[4-7]中建立的雷達(dá)波譜儀系統(tǒng)仿真模型，通過不斷地調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行仿真迭代優(yōu)化，最終確定采用2°，4°，6°，8°，10°共5個傾斜波束、每個波束的3 dB帶寬為2°、掃描速率為5.7 r/min、信號帶寬為320 MHz等核心參數(shù)，可以滿足波浪譜探測的指標(biāo)要求。在雷達(dá)波譜儀的工程設(shè)計中，選擇1個垂直波束與5個傾斜波束共用反射面的設(shè)計方案，將6個天線饋源集中布置在同一個轉(zhuǎn)動圓盤上，通過轉(zhuǎn)動饋源和固定天線反射面實現(xiàn)對地圓錐掃描。理論仿真研究表明：雷達(dá)波譜儀能夠測量波長為70～500 m的海浪，方位角分辨率優(yōu)于20°，波長確定精度為10%～20%，波浪能量估計精度優(yōu)于20%。衛(wèi)星在軌測試結(jié)果表明：理論預(yù)測的指標(biāo)精度與最新版本的數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致。

在微波散射計設(shè)計上，經(jīng)過比較，選用旋轉(zhuǎn)扇形掃描體制，這也是世界上首次在軌應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)的筆形波束散射計，旋轉(zhuǎn)扇形掃描散射計具有如下優(yōu)點：①波束寬度較大(20°)，可以在同一時間獲取海面更多入射角的后向散射系數(shù)獨立觀測樣本；②可以同時獲得俯仰向和方位向后向散射系數(shù)的觀測樣本，便于獲取高相干測量數(shù)據(jù)，提高海面風(fēng)場反演精度；③由于扇形波束較寬，因此散射計天線可以采用較低的旋轉(zhuǎn)掃描速度獲取相同的數(shù)據(jù)樣本數(shù)。降低天線轉(zhuǎn)速可以減少轉(zhuǎn)動角動量及轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定所帶來的姿態(tài)擾動，進(jìn)而降低對衛(wèi)星平臺承載能力和姿態(tài)控制能力的影響，對于衛(wèi)星總體設(shè)計實現(xiàn)小型化、輕量化等工程目標(biāo)具有重要意義，并可大幅降低衛(wèi)星研制成本和火箭發(fā)射成本；④通過降低天線轉(zhuǎn)速，還可以在方位向數(shù)據(jù)采集方面獲得更多冗余，有利于提高反演產(chǎn)品的空間分辨率。利用文獻(xiàn)[8-11]中建立的中法海洋衛(wèi)星微波散射計的系統(tǒng)仿真模型，詳細(xì)分析不同設(shè)計參數(shù)配置下風(fēng)場的反演精度，并對系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。衛(wèi)星在軌測試結(jié)果表明：微波散射計的風(fēng)速精度優(yōu)于1.5 m/s，風(fēng)向精度優(yōu)于20°，與前期論證結(jié)果具有一致性。地面分辨單元則達(dá)到12.5 km×12.5 km，大大優(yōu)于初始指標(biāo)。

雷達(dá)波譜儀和微波散射計在軌均為24 h連續(xù)工作。在進(jìn)行波浪譜和風(fēng)場同步觀測的同時，2個有效載荷的觀測數(shù)據(jù)還可以通過后期處理進(jìn)行融合，實現(xiàn)更多的應(yīng)用，真正發(fā)揮聯(lián)合觀測的效能。典型產(chǎn)品如圖2所示，為與微波散射計同刈幅的海浪有效波高場，系通過融合雷達(dá)波譜儀與微波散射計的觀測信息計算得到。其中，彩色填色為海浪有效波高值，刈幅中央的灰色數(shù)據(jù)點為波譜儀觀測點。該產(chǎn)品能夠?qū)⒔咏窍曼c的窄刈幅(180 km)海浪觀測有效地拓寬，獲得與散射計同刈幅寬度(1000 km)的海浪有效波高場。這類風(fēng)浪觀測數(shù)據(jù)融合產(chǎn)品充分體現(xiàn)了風(fēng)浪聯(lián)合觀測模式的應(yīng)用優(yōu)勢，也證明了中法海洋衛(wèi)星總體設(shè)計中風(fēng)浪聯(lián)合觀測設(shè)計的成功。

圖2 寬刈幅海浪波高產(chǎn)品Fig.2 Wide swath sea wave height product

2.3 電磁兼容性問題及解決措施

2.3.1 問題描述

中法海洋衛(wèi)星在總體設(shè)計中需要面對的最突出問題，就是在軌運行的電磁兼容性問題。雷達(dá)波譜儀和微波散射計均工作在Ku頻段，其中心頻率間隔僅有319 MHz，頻率帶寬邊緣間隔僅有159 MHz，在軌均為24 h連續(xù)觀測，各自的射頻發(fā)射功率均高達(dá)120 W，接收設(shè)備靈敏度高，其同時工作的模式對衛(wèi)星的工程研制水平提出了很高要求。同時，衛(wèi)星采用了CAST2000小衛(wèi)星公用平臺，星體較小，僅有1.4 m×1.4 m×1.3 m，2副艙外有效載荷天線饋源的距離僅有1.5 m左右。在如此狹小有限的空間內(nèi)，2臺大功率微波設(shè)備同時工作，且頻率非常接近，電磁環(huán)境復(fù)雜，容易造成一臺設(shè)備的回波信號誤入另一臺設(shè)備的接收通道，從而產(chǎn)生誤碼，影響設(shè)備的正常工作。因此，避免2臺設(shè)備的相互電磁干擾，加強(qiáng)電磁兼容性，是衛(wèi)星總體設(shè)計和有效載荷射頻設(shè)計的重要內(nèi)容。

2.3.2 解決措施與驗證結(jié)果

為解決衛(wèi)星電磁兼容性難題，首先對星上各射頻設(shè)備的發(fā)射與接收特性進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

表1 星上射頻設(shè)備參數(shù)Table 1 On-board RF equipment parameters

通過頻率分析，計算各射頻設(shè)備的接收通道裕度，其中對干擾最敏感的是接收機(jī)設(shè)計通帶和接收機(jī)鏡像通帶。同時，計算各射頻設(shè)備發(fā)射機(jī)的發(fā)射譜、諧波發(fā)射、晶振分諧波發(fā)射，接收機(jī)本振泄漏；對多發(fā)射機(jī)的互調(diào)干擾、組合干擾等進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明：①整星頻率配置不存在發(fā)射機(jī)發(fā)射頻段落入接收機(jī)接收頻段的基波干擾現(xiàn)象。②測控應(yīng)答機(jī)六次諧波存在落入雷達(dá)波譜儀和微波散射計接收頻段的可能性，需要嚴(yán)格限制應(yīng)答機(jī)天線端口和殼體電纜發(fā)出的諧波。③測控應(yīng)答機(jī)二次諧波被雷達(dá)波譜儀的亂真響應(yīng)通帶所覆蓋。雖然由于波導(dǎo)的截止效應(yīng)，此干擾不會被雷達(dá)波譜儀天線送入雷達(dá)波譜儀，但有可能被雷達(dá)波譜儀的殼體和電纜耦合。④雷達(dá)波譜儀本振覆蓋了微波散射計的一個亂真響應(yīng)通帶。⑤雷達(dá)波譜儀Chirp信號有可能通過中頻鏈路泄漏或線纜耦合，對其他設(shè)備造成干擾。⑥數(shù)傳發(fā)射機(jī)雖然不會對雷達(dá)波譜儀天線、微波散射計天線造成干擾，但有可能通過艙板的孔洞和縫隙耦合到艙內(nèi)設(shè)備上。⑦數(shù)傳、雷達(dá)波譜儀、微波散射計的發(fā)射機(jī)互調(diào)，可能通過GPS天線對GPS接收機(jī)產(chǎn)生干擾。

為解決衛(wèi)星電磁兼容性難題，在總體設(shè)計初始階段，通過任務(wù)分析和指標(biāo)分解，制定了頂層的電磁兼容性設(shè)計規(guī)范。在研制過程中，利用輻射模型星測試驗證有效載荷天線的隔離度，同時根據(jù)有效載荷設(shè)備的射頻實測結(jié)果，進(jìn)行安全裕度分析，并通過整星電磁兼容性試驗加以驗證，試驗與分析結(jié)果不斷迭代，得到最終的電磁兼容性指標(biāo)。提升電磁兼容性的具體設(shè)計措施包括：①在進(jìn)行電磁兼容性指標(biāo)分配時，在雷達(dá)波譜儀性能、微波散射計性能、天線隔離度之間進(jìn)行權(quán)衡，最終確定的指標(biāo)為天線間隔離度為70 dB，雷達(dá)波譜儀發(fā)射機(jī)濾波器帶外抑制為46 dB，微波散射計最大允許干擾電平為-138 dB。在此基礎(chǔ)上，雷達(dá)波譜儀和微波散射計分別進(jìn)行針對性濾波器設(shè)計。②對測控應(yīng)答機(jī)、GPS接收機(jī)、數(shù)傳調(diào)制器等平臺通用設(shè)備，在生產(chǎn)過程中從發(fā)射和接收兩方面對射頻特性進(jìn)行加嚴(yán)考核。發(fā)射功率、接收帶寬和接收靈敏度實測值，均以滿足電性能指標(biāo)為原則，不留有太大余量。③在整星構(gòu)型布局設(shè)計中，對數(shù)傳分系統(tǒng)、雷達(dá)波譜儀、微波散射計分艙隔離，各自電纜盡量遠(yuǎn)離布設(shè)。④星內(nèi)設(shè)備、線纜布局應(yīng)有適當(dāng)空間，電纜距結(jié)構(gòu)高度應(yīng)小于1 cm，每隔一定距離固定。⑤數(shù)傳分系統(tǒng)、雷達(dá)波譜儀、微波散射計等具有大功率微波的設(shè)備，在艙內(nèi)布設(shè)時應(yīng)盡量遠(yuǎn)離穿艙過孔，設(shè)備上的接插件不能正對穿艙過孔。⑥艙室之間的穿艙過孔盡量小。⑦對地面(+Z)側(cè)板不應(yīng)有穿艙過孔。對地測控天線采用法蘭穿艙；數(shù)傳天線、雷達(dá)波譜儀天線、微波散射計天線穿艙波導(dǎo)與+Z板的縫隙應(yīng)盡量小，并涂抹導(dǎo)電膠。⑧星體外表面避免使用接近理想的絕緣材料；若必須要用，則應(yīng)提供電荷泄漏通路，預(yù)防靜電放電發(fā)生。

在初樣階段，利用輻射模型星進(jìn)行了試驗驗證；在正樣階段，進(jìn)行了2次整星級全狀態(tài)電磁兼容性試驗。歷次試驗均在微波暗室內(nèi)開展(見圖3)。在電磁兼容性試驗中，先進(jìn)行雷達(dá)波譜儀和微波散射計的自檢輻射發(fā)射(RE)測試，然后模擬在軌工況，進(jìn)行兼容性測試。測試結(jié)果如表2～4所示。

圖3 正樣電磁兼容性試驗Fig.3 Flight model EMC test

表2 雷達(dá)波譜儀自檢的輻射發(fā)射測試結(jié)果Table 2 SWIM self test RE results

表3 微波散射計自檢的輻射發(fā)射測試結(jié)果Table 3 SCAT self test RE results

表4 雷達(dá)波譜儀和微波散射計兼容性測試結(jié)果Table 4 Compatibility results of SWIM and SCAT

表2的結(jié)果表明：在雷達(dá)波譜儀天線前，電磁干擾(EMI)天線收到的雷達(dá)波譜儀發(fā)射功率為23.9 dBm和24.4 dBm，計算值為20.66 dBm。在雷達(dá)波譜儀天線端口處，要求在微波散射計頻段的雜波低于-74 dBm，由于雷達(dá)波譜儀和微波散射計頻段接近，在微波散射計頻段的信號發(fā)射狀態(tài)與在雷達(dá)波譜儀頻段接近，因此電磁干擾天線處測得的雜波應(yīng)低于-103.3 dBm，測試結(jié)果滿足要求。

表3的結(jié)果表明：在微波散射計垂直極化天線正對電磁干擾天線情況下，電磁干擾天線收到的微波散射計主份/備份功率均為23.9 dBm，計算值為24.9 dBm。在微波散射計天線端口處，要求在雷達(dá)波譜儀頻段的雜波低于-42 dBm，由于雷達(dá)波譜儀和微波散射計頻段接近，在雷達(dá)波譜儀頻段的信號發(fā)射狀態(tài)與在微波散射計頻段接近，則電磁干擾天線處的雜波應(yīng)低于-67.11 dBm，因此測試結(jié)果滿足要求。

從電磁兼容性試驗結(jié)果及在軌表現(xiàn)來看，衛(wèi)星完全實現(xiàn)了預(yù)期的電磁兼容性設(shè)計目標(biāo)，2臺大功率Ku頻段微波有效載荷在同時開機(jī)時都能正常工作，滿足使用需求。

2.4 供配電母線脈動干擾問題及解決措施

2.4.1 問題描述

雷達(dá)波譜儀和微波散射計所采用的行波管放大器均為脈沖式，在軌均為24 h長期工作，與一般設(shè)備較常使用的線性波行波管放大器不同，其在供電母線上會產(chǎn)生較大的脈動式母線反射紋波，與原來獨立設(shè)計可以穩(wěn)定運行的電源系統(tǒng)相連構(gòu)成多級連接的新系統(tǒng)后，衛(wèi)星母線電壓紋波增大，存在不能穩(wěn)定運行的風(fēng)險，具體表現(xiàn)為影響電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。這樣的不穩(wěn)定和不安全不僅會增加損耗，降低功率能源轉(zhuǎn)換效能，還會對接口元器件的響應(yīng)特性造成嚴(yán)重影響，如電路中繼電器的時間延時特性可能發(fā)生改變，導(dǎo)致誤動作等。因此，在衛(wèi)星總體設(shè)計中，需要采取針對性措施，抑制施加給供配電母線的脈動干擾，保證供配電母線正常運行。

2.4.2 解決措施與驗證結(jié)果

國內(nèi)其他衛(wèi)星在面臨相似問題時，采用雙供電母線配置方案，即設(shè)置2條完全獨立的供電母線，從太陽電池陣開始即進(jìn)行嚴(yán)格的物理隔離，一條供給平臺穩(wěn)定負(fù)載，一條供給有效載荷脈動負(fù)載[12]。這樣設(shè)計的優(yōu)點是可以有效且徹底地解決有效載荷脈動特性對平臺設(shè)備的干擾，但缺點是需要設(shè)置2套完整的供配電系統(tǒng)，設(shè)備數(shù)量較多，體積、質(zhì)量、功耗較大，成本較高，且太陽電池陣發(fā)電功率不能在2條母線間動態(tài)調(diào)配，會造成較大的能源浪費。綜合來看，在中法海洋衛(wèi)星這樣的小衛(wèi)星上采取雙母線配置，需要付出較大的代價。

為了同時滿足供電安全保障需求和體積質(zhì)量的約束條件，中法海洋衛(wèi)星首次設(shè)計了“內(nèi)單外雙”的準(zhǔn)雙母線配置。具體做法是：太陽電池陣充電電流進(jìn)入電源控制器后，將有效載荷大功率脈動工作部件的供電母線(母線2)與平臺其他電子設(shè)備的供電母線(母線1)分開，2條母線之間設(shè)置了由多只并聯(lián)電容和濾波電感組成的濾波組件模塊，負(fù)責(zé)平滑有效載荷母線、減小有效載荷負(fù)載脈動對平臺母線的影響，使衛(wèi)星各個分系統(tǒng)的設(shè)備都能夠在穩(wěn)定、可靠的供電條件下工作，防止有效載荷的脈動特性對衛(wèi)星母線品質(zhì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響平臺設(shè)備安全。準(zhǔn)雙母線供配電系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 準(zhǔn)雙母線供配電系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 Architecture of pseudo-quasi dual bus power system

為了優(yōu)化供配電系統(tǒng)在2條母線間的濾波性能，在衛(wèi)星研制初樣階段，采用外部輸入施加小幅值的正弦激勵電平量的方法，對電源的輸出阻抗進(jìn)行測量。分別注入不同電壓、不同電流、掃頻范圍0.04～100 kHz的交流信號，結(jié)果如表5所示。

表5 不同注入電壓/電流下輸出阻抗測量結(jié)果Table 5 Output resistance measurement results under different input voltage/current

經(jīng)核算，電源輸出阻抗明顯小于大功率脈沖負(fù)載輸入阻抗(如圖5所示)，并有一定的增益裕度，能保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步優(yōu)化電源輸出端濾波電容電感參數(shù)，使得改進(jìn)后的輸出阻抗增益裕度更大，整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

為了驗證整星供配電設(shè)計的正確性，在正樣階段所有產(chǎn)品齊套后，進(jìn)行整星電源品質(zhì)測試。測試過程中遍歷整星外電/內(nèi)電、雷達(dá)波譜儀工作時微波散射計加/斷電、微波散射計工作時雷達(dá)波譜儀加/斷電等多個工況。最終，母線紋波測試結(jié)果如表6所示，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

表6 整星母線紋波測試結(jié)果Table 6 Bus ripple test results of satellite

電源輸出阻抗測試結(jié)果為供配電系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)；電源品質(zhì)測試結(jié)果證明了“內(nèi)單外雙”的準(zhǔn)雙母線供配電架構(gòu)設(shè)計的正確性。衛(wèi)星在軌運行期間各設(shè)備工作穩(wěn)定，也表明整星供配電總體設(shè)計完全實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，完全抑制了大功率脈動設(shè)備對整星供電母線的干擾，保護(hù)了整星供配電系統(tǒng)的安全。

2.5 產(chǎn)品跨國運輸所帶來的衛(wèi)星總體構(gòu)型設(shè)計和力學(xué)設(shè)計問題及解決措施

2.5.1 問題描述

中法海洋衛(wèi)星作為國際合作衛(wèi)星，與國際出口衛(wèi)星有著本質(zhì)區(qū)別，其國際合作的深度和廣度在中國航天領(lǐng)域前所未有，不僅牽涉大量的涉外管理工作內(nèi)容，而且國際合作的性質(zhì)深刻地影響著衛(wèi)星總體設(shè)計，需要在總體設(shè)計過程中考慮國際合作所帶來的特殊需求。產(chǎn)品跨國運輸所帶來的問題就是其中最典型的例子。

衛(wèi)星上的雷達(dá)波譜儀和數(shù)傳通道子系統(tǒng)由法方研制。按照法方提出的技術(shù)要求和管理標(biāo)準(zhǔn)，上述產(chǎn)品需要在法國完成設(shè)備的安裝、連接、聯(lián)試和試驗等研制工作。研制完成后不得拆卸，必須整體運輸?shù)街袊僬w安裝到衛(wèi)星上。這樣，在衛(wèi)星總體構(gòu)型設(shè)計中就必須將法方所有設(shè)備集中安裝在一起，并最大限度地考慮到跨國運輸?shù)姆奖阈耘c可實施性，同時還不能影響整星其他性能指標(biāo)(如電磁兼容性、力學(xué)特性、熱控功能等)。這是在衛(wèi)星總體設(shè)計中從未遇到過的一大挑戰(zhàn)。

2.5.2 解決措施與驗證結(jié)果

為了滿足跨國運輸任務(wù)需求，同時明確中法兩國工作項目之間的接口界面，衛(wèi)星總體在整星構(gòu)型布局設(shè)計中采取了如下措施。

由于法方研制的雷達(dá)波譜儀天線體積巨大，本體尺寸高達(dá)2000 mm，甚至高于衛(wèi)星本體平臺艙+載荷艙的垂直高度，因此只能將其垂直置于星體最上方，即+Y載荷艙頂板上。相應(yīng)的，雷達(dá)波譜儀的全部其他設(shè)備也都需要裝在+Y載荷艙頂板上。其中：電子設(shè)備裝在艙板朝向星內(nèi)側(cè)，即+Y載荷艙頂板的-Y側(cè)；雷達(dá)波譜儀天線裝在艙板朝向星外側(cè)，即+Y載荷艙頂板的+Y側(cè)。

雷達(dá)波譜儀所有設(shè)備都裝在+Y載荷艙頂板上，還會導(dǎo)致整星質(zhì)心偏高，力學(xué)響應(yīng)特性變差。雷達(dá)波譜儀所有設(shè)備總質(zhì)量約為106 kg，是星上質(zhì)量最大的一個分系統(tǒng)。由于集中安裝的要求，一些本來可以裝在艙內(nèi)的雷達(dá)波譜儀設(shè)備被強(qiáng)制性要求裝在載荷艙頂板上，相當(dāng)于人為地將一部分質(zhì)量抬高，這樣不僅不利于整星的質(zhì)心控制，而且上述設(shè)備進(jìn)一步遠(yuǎn)離衛(wèi)星的星箭對接面，對于整星的力學(xué)響應(yīng)特性和上述設(shè)備的力學(xué)環(huán)境均產(chǎn)生了不利影響。

為了改善整星及雷達(dá)波譜儀的力學(xué)環(huán)境，在總體構(gòu)型設(shè)計和力學(xué)設(shè)計上采取了如下方案。

(1)將其他分系統(tǒng)質(zhì)量較大的設(shè)備(如蓄電池、阱瓶、中心控制單元、散射計天線等)都盡量布置在衛(wèi)星垂直方向較低的位置，以平衡雷達(dá)波譜儀設(shè)備置于星體最高處所帶來的整星質(zhì)心偏高現(xiàn)象。特別是將微波散射計天線布置在整星最低處，在質(zhì)心配平的同時，也使其與雷達(dá)波譜儀天線之間的距離盡可能遠(yuǎn)，同時兼顧電磁兼容性設(shè)計要求。

(2)明確整星主傳力路徑，要求雷達(dá)波譜儀的質(zhì)量由載荷艙向?qū)迎h(huán)傳遞時，主要通過連接隔板、平臺底板及對接環(huán)之間的6個主傳力接頭完成(見圖6)。

圖6 主承力點及長/短隔板Fig.6 Main hold points and long/short partition panels

(3)根據(jù)雷達(dá)波譜儀天線安裝腳的尺寸來決定艙內(nèi)傳力隔板的尺寸及位置，要求雷達(dá)波譜儀天線的安裝腳落在2塊長隔板上，以保證力學(xué)傳遞路徑的連續(xù)性。平臺艙長隔板與載荷艙長隔板上下對齊(見圖7)。

(4)在長隔板垂直方向分別設(shè)置2塊短隔板，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的受力能力(見圖6)。平臺艙短隔板與載荷艙短隔板上下對齊(見圖7)。

圖7 長/短隔板及底板、頂板Fig.7 Long/short partition panels and bottom/upper panels

(5)將對接環(huán)由基線狀態(tài)的660型增大到937型，增大對接環(huán)的受力面積，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

(6)在6個主承力點處隔板的內(nèi)外側(cè)分別設(shè)置加強(qiáng)角盒(見圖8)，提高局部連接剛度，同時改善隔板與對接環(huán)之間的應(yīng)力分布。

圖8 隔板與底板間的角盒加強(qiáng)措施Fig.8 Strengthen connection between partition panel and bottom panel

(7)雷達(dá)波譜儀天線設(shè)計6個安裝腳，每個安裝腳設(shè)計6個連接點，每6個連接點中有2個或3個點與隔板連接點共用，安裝天線時可將天線、頂板與隔板連接在一起，起到進(jìn)一步加強(qiáng)的作用。

(8)將937對接環(huán)與平臺底板連接的上法蘭厚度由基線產(chǎn)品的5 mm厚度增加為6 mm，下法蘭及腹板厚度保持5 mm不變。對接環(huán)上法蘭加強(qiáng)后，整星橫向基頻可增加至20 Hz。

在+Y載荷艙頂板上裝配調(diào)試完成后的整個雷達(dá)波譜儀如圖9所示，具備整體跨國運輸條件。

圖9 在+Y載荷艙頂板上裝配調(diào)試完成后的雷達(dá)波譜儀Fig.9 SWIM on +Y payload module panel after accommodation and test

法方數(shù)傳通道子系統(tǒng)設(shè)備體積和質(zhì)量較小，在構(gòu)型設(shè)計中全部集中放在+Z上側(cè)板，對整星構(gòu)型及力學(xué)響應(yīng)影響均較小，不需要特殊設(shè)計。其中：電子設(shè)備裝在內(nèi)側(cè)，即+Z上側(cè)板的-Z側(cè)，數(shù)傳天線在外側(cè)，即+Z上側(cè)板的+Z側(cè)。

+Y載荷艙頂板和+Z上側(cè)板在中國生產(chǎn)完成后，運往法國進(jìn)行法方設(shè)備的總裝測試，然后再將已安裝好法方設(shè)備的結(jié)構(gòu)板整體運回中國，參加整星總裝、測試和試驗工作。初樣鑒定級力學(xué)試驗結(jié)束后，根據(jù)試驗結(jié)果對構(gòu)型布局和力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部設(shè)計優(yōu)化。正樣驗收級力學(xué)試驗結(jié)果均表明：衛(wèi)星結(jié)構(gòu)經(jīng)受住了正弦振動和隨機(jī)環(huán)境的考核，衛(wèi)星動力學(xué)特性滿足設(shè)計要求，衛(wèi)星力學(xué)性能未發(fā)生明顯改變，X，Y，Z方向的一階共振頻率滿足運載火箭要求(橫向大于18 Hz，縱向大于35 Hz)，試驗前后衛(wèi)星的電性能測試結(jié)果均正常且一致性較好。根據(jù)力學(xué)試驗結(jié)果可知：考慮產(chǎn)品跨國運輸因素完成的衛(wèi)星總體構(gòu)型設(shè)計與力學(xué)設(shè)計完全滿足衛(wèi)星任務(wù)需求。

2.6 星上數(shù)據(jù)特殊的存儲與回放需求所帶來的固態(tài)存儲器設(shè)計與使用問題及解決措施

2.6.1 問題描述

以往衛(wèi)星上獲取的探測數(shù)據(jù)，都是存儲在星上固態(tài)存儲器中，衛(wèi)星經(jīng)過地面站時將固態(tài)存儲器中的數(shù)據(jù)回放，回放完成后便可擦除固態(tài)存儲器中的數(shù)據(jù)。中法海洋衛(wèi)星由于是國際合作衛(wèi)星，根據(jù)合作備忘錄的要求，在軌探測的科學(xué)數(shù)據(jù)由中法雙方用戶共享，由此給衛(wèi)星總體設(shè)計帶來了一個非常特殊的需求，即：星上數(shù)據(jù)需要在中法兩國地面站分別進(jìn)行完整回放。

如果采用傳統(tǒng)的固態(tài)存儲器設(shè)計，即每次衛(wèi)星飛經(jīng)地面站回放、回放完成后擦除，則必然出現(xiàn)中法兩國中有一國無法接收數(shù)據(jù)的問題。唯一的解決方案，就是把固態(tài)存儲器中的數(shù)據(jù)在中法兩國地面站各回放一遍。但是，中法兩國地面站由于地理分布的原因，在對固態(tài)存儲器的具體使用方式上存在根本性的差異。這種特殊的使用需求所帶來的問題，需要從衛(wèi)星總體設(shè)計頂層上加以解決。

2.6.2 解決措施與驗證結(jié)果

為了滿足上述要求，衛(wèi)星在總體設(shè)計中開創(chuàng)性地對星上固態(tài)存儲器進(jìn)行了分區(qū)設(shè)計，固態(tài)存儲器1區(qū)和固態(tài)存儲器2區(qū)分別供法方和中方使用，這是衛(wèi)星不同于其他衛(wèi)星的獨有特點。星上科學(xué)數(shù)據(jù)在地面站以外區(qū)域時，同時進(jìn)入固態(tài)存儲器1區(qū)和固態(tài)存儲器2區(qū)存儲記錄；當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過法方地面站時，回放固態(tài)存儲器1區(qū)數(shù)據(jù)，回放完成后擦除固態(tài)存儲器1區(qū)并重新開始記錄，在此期間固態(tài)存儲器2區(qū)一直維持在記錄狀態(tài)；當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過中方地面站時，則回放固態(tài)存儲器2區(qū)數(shù)據(jù)，回放完成后擦除固態(tài)存儲器2區(qū)并重新開始記錄，在此期間固態(tài)存儲器1區(qū)一直維持在記錄狀態(tài)。2個固態(tài)存儲器分區(qū)的工作互相獨立，互不影響，充分滿足了中法雙方對有效載荷數(shù)據(jù)分別進(jìn)行存儲與下傳的需求。

衛(wèi)星在固態(tài)存儲器上的這種特殊設(shè)計，還一并解決了中法兩國由于地面站地理分布所帶來的使用方式不同的問題。法方地面站位于北極圈內(nèi)的瑞典基律納(Kiruna)和加拿大伊努維克(Inuvik)，每圈都能接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，因此法方對數(shù)據(jù)回放的要求是當(dāng)圈獲取的數(shù)據(jù)需要當(dāng)圈回放，回放完成后立刻擦除固態(tài)存儲器1區(qū)。而中方地面站位于中國境內(nèi)，衛(wèi)星每隔5圈才能飛經(jīng)地面站2～3圈，因此在這2～3圈回放弧段內(nèi)需要將總共7～8圈獲取的數(shù)據(jù)一起回放完，導(dǎo)致1圈無法完成全部數(shù)據(jù)的回放，下圈需要進(jìn)行斷點續(xù)傳回放，因此擦除固態(tài)存儲器2區(qū)安排在這2～3圈的結(jié)束時刻。采用固態(tài)存儲器分區(qū)設(shè)計模式后，固態(tài)存儲器1區(qū)和固態(tài)存儲器2區(qū)的工作模式可以分別按照中法兩國地面站的不同需求各自運行，彼此平行，互不干擾。最后，2個分區(qū)中的固態(tài)存儲器數(shù)據(jù)形成相互備份的關(guān)系，如果中法兩國某一方的地面站數(shù)據(jù)接收出現(xiàn)問題時，可以迅速通過地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)從另一方那里獲取丟失的數(shù)據(jù)，保證科學(xué)數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性。

固態(tài)存儲器分區(qū)設(shè)計及在軌工作過程見圖10。

圖10 固態(tài)存儲器分區(qū)設(shè)計及在軌工作過程Fig.10 Solid state memory double areas design and on-orbit work process

從衛(wèi)星地面長時間拷機(jī)測試及在軌實際表現(xiàn)來看，上述固態(tài)存儲器分區(qū)設(shè)計與工作方案滿足了中法雙方各自的使用需求，符合合作備忘錄中規(guī)定的“星上數(shù)據(jù)在中法兩國地面站分別回放”的條款，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享的目標(biāo)。

3 結(jié)束語

中法海洋衛(wèi)星具有鮮明的技術(shù)特點和特殊的使用需求，對衛(wèi)星總體設(shè)計提出了較大的約束和較高的挑戰(zhàn)。在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)下，衛(wèi)星上采用了多項創(chuàng)新性設(shè)計措施，解決了總體設(shè)計中面對的多項新難題，并對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行了全面充分的試驗驗證。試驗結(jié)果表明：衛(wèi)星設(shè)計完全滿足各項功能需求和技術(shù)指標(biāo)。衛(wèi)星自發(fā)射以來，在軌表現(xiàn)優(yōu)異，獲取的全球海面風(fēng)場、海浪譜產(chǎn)品在臺風(fēng)、颶風(fēng)、海浪、南北極海冰監(jiān)測示范應(yīng)用中效果明顯，已投入業(yè)務(wù)應(yīng)用，進(jìn)一步證明了衛(wèi)星總體設(shè)計的正確性與有效性。