第 5 章 有效载荷

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,第五章 卫星的有效载荷,5.1,概述,5.2,通信卫星的有效载荷,5.3,地球资源卫星有效载荷,5.4,气象卫星的有效载荷,5.5,海洋卫星的有效载荷,5.6,导航卫星的有效载荷,5.7,侦察卫星的有效载荷,5.8,科学卫星的有效载荷,空间飞行器总体设计,5.1,概述,卫星有效载荷的分类,一般可分为：科学探测和实验类、信息获取类、信息传输类、信息基准类。,按所涉及的专业技术领域分类：可分为光学遥感器和微波遥感器。,按应用分类：通信卫星有效载荷、气象卫星有效载荷、地球资源卫星有效载荷、海洋卫星有效载荷、导航卫星有效载荷、侦查卫星有效载荷、科学卫星有效载荷和技术试验卫星有效载荷等。,空间飞行器总体设计,5.1,概述,卫星有效载荷的分类,1,）科学探测和实验类,用于探测空间环境、观测天体和空间科学实验的各种仪器、设备和系统等。,（,1,）可以专门装载于科学卫星上，如：“实践”卫星上的宇宙射线计、单粒子监测仪；如天文卫星上的各类可见光和红外天文望远镜等。,（,2,）可以搭载于某些应用卫星上，如：“风云二号”卫星上的质子和电子探测器、,X,射线探测器等。,2,）信息获取类,用于对地观测的各种遥感器，如：“风云一号”上的,10,波段扫描辐射计，“风云二号”上的多通道自旋扫描辐射计，“资源一号”上的多光谱,CCD,相机和红外多光谱扫描仪，返回式遥感卫星上的胶片相机。,空间飞行器总体设计,5.1,概述,卫星有效载荷的分类,3,）信息传输类,用于中继通信或单向信息传输的仪器、设备和系统，如：各种通信卫星上的转发器和天线，遥感卫星上的遥感数据传输设备。,4,）信息基准类,用于提供空间基准和时间基准信息的各种仪器、设备和系统。如：导航卫星的高稳定频标，重力场测量卫星上的激光角反射器等。,空间飞行器总体设计,5.1,概述,2.,卫星有效载荷设计的一般原则,1,）理解用户需求，确定总体技术指标,用户需求往往是针对应用卫星或针对整个卫星应用系统提出的，而不是直接对有效载荷提出的，有效载荷设计者就需要与卫星应用系统和卫星总体设计者一道，根据用户需求，进行综合分析，确定有效载荷的总体指标。,例：通信卫星的用户要求：传多少话路、多少路电视,涉及：有效载荷、地面应用系统。,光学遥感卫星的用户要求：地面分辨率、观测带宽度、重复观测周期。,涉及：有效载荷、轨道、指向控制能力。,空间飞行器总体设计,5.1,概述,2.,卫星有效载荷设计的一般原则,2,）研究各种限制条件，选择有效载荷方案,有效载荷设计一般都有几种方案可供选择，在满足总体指标的前提下，必须认真研究各种约束条件，从多方面进行比较，尽量使选择的方案优化。,3,）合理分配技术指标,有效载荷总体技术指标确定后，要将指标合理分配至设备级、部件级。分配时要将有效载荷作为系统看待，进行系统性能综合分析，指标分配结果要使系统最优。,4,）通过仿真和试验来验证优化设计,空间飞行器总体设计,5.1,概述,3.,卫星有效载荷设计的一般技术要求,1,）对环境适应性的要求,像卫星上的其它仪器一样，它必须能适应卫星发射、在轨运行的工作环境，主要有：,能适应力学环境要求；,能适应失重状态要求；,能适应真空状态要求；,能适应温度变化要求；,能适应空间辐射环境要求。,空间飞行器总体设计,5.1,概述,3.,卫星有效载荷设计的一般技术要求,2,）质量、体积、功耗及可靠性要求,一般来说，有效载荷质量减小,1kg,，运载火箭的起飞质量可减小,1,2t,，显然减小质量对提高性能价格比是十分重要的。,由于卫星设备的不可在轨维修性，对高可靠和长寿命提出了更高的要求。,3,）必须满足与卫星平台之间的特定关系,有效载荷要满足与卫星平台的接口关系，包括设备尺寸和安装尺寸、质心、转动惯量、功耗、供电电压，以及其它机械接口、热接口、电接口等。,空间飞行器总体设计,5.1,概述,3.,卫星有效载荷设计的一般技术要求,4,）必须满足与应用系统之间的特定关系,有效载荷的功能和性能技术指标是由应用的需求决定的。有效载荷的设计必须符合卫星应用系统顶层设计的要求必须与地面应用系统设计综合考虑；星、地设备间应合理分配指标，尽量达到系统设计整体优化。,空间飞行器总体设计,5.2,通信卫星的有效载荷,通信卫星上直接执行通信任务的空间仪器设备，称为通信卫星的有效载荷。,通信卫星一般可分为地球静止轨道通信卫星和非静止的中低轨道通信卫星，又可按固定业务、移动业务、直播、跟踪与数据中继和军用通信等分类。,空间飞行器总体设计,苏联,“,静止,”,T,号广播卫星,“,闪电,”,号通信卫星,跟踪和数据中继卫星,空间飞行器总体设计,5.2,通信卫星的有效载荷,1.,基本组成和工作原理,1,）基本组成,转发器：实质是一台宽频带的收发信机。,天线：用于卫星通信信号收发。有时可完成测控信号的收发。通信天线可分为：全球波束、半球波束、区域波束、点波束、多波束以及赋形可变波束天线等。,2,）工作原理,天线接收上行信号，送到转发器对信号进行加工，再由天线将加工后的信号作为下行信号发出，完成通信信号的中继转发。在实际系统中，转发器和天线都可以有多个，以期提供所需的通信容量。,空间飞行器总体设计,5.2,通信卫星的有效载荷,2.,性能参数和主要设计考虑,1,）性能参数,与射频电平有关的性能参数：等效全向辐射功率、接收系统增益噪声温度比、饱和功率通量密度。,与频段及带宽有关的参数：通信频段、带宽和频率再用特性等。,与通信品质有关的参数：通道的幅频特性、相频特性、幅度非线性、相位非线性、变换频率及其准确度、杂波输出和相位噪声、对上行信号变化的补偿和各种稳定性等。,2,）主要设计考虑,要在规定的频段、带宽、服务区覆盖要求等条件下，对确定的与通信容量和通信品质有关的指标进行科学合理的分配。,空间飞行器总体设计,5.3,地球资源卫星的有效载荷,地球资源卫星是用于地球资源探测和环境监测的遥感卫星。地球资源卫星的有效载荷主要是各类遥感器以及遥感传输设备。遥感器大致可分为：多光谱类、成像光谱仪类、高空间分辨率类和合成孔径雷达（,SAR,）类。,中巴资源卫星,泰国普吉岛（中巴资源卫星）,空间飞行器总体设计,地球资源卫星,陆地卫星,-7(landsta),法国斯波特,-1,卫星,(SPOT-1),法国斯波特,-4,卫星,(SPOT-4),空间飞行器总体设计,5.3,地球资源卫星的有效载荷,1.,光学成像遥感器,1,）性能参数,工作谱段：指遥感器获取的图像来自的谱段。光学成像遥感器工作频谱范围包括紫外、可见光和红外。,分辨率：获取图像细节能力。,调制传递函数,(MTF),：以不同频率的正弦信号作为系统输入，系统输出信号的调制度与输入信号调制度之比随频率变化的函数,信噪比,(S/N),：有用信号与噪声之比,2,）主要设计考虑,在规定的各项技术指标要求下，对各组成部分的指标进行科学合理的分配。,空间飞行器总体设计,5.3,地球资源卫星的有效载荷,2.,多光谱类遥感器,多光谱遥感器是地球资源卫星应用最多最广的遥感器。,1,）多光谱,CCD,相机,将光信号转换为电荷，以电荷耦合方式作为模拟移位输出的器件。,2,）多光谱扫描仪,空间飞行器总体设计,5.3,地球资源卫星的有效载荷,3.,高空间分辨率类遥感器,地球资源卫星高空间分辨率类遥感器可以测制比例尺寸大于,1:5,万的地图，在资源勘测、环境观测和城市规划及目标识别等方面有独特优点。,例成像公司的,IKONOS,卫星的轨道高度为,680km,，其相机有,5,个工作谱段，全色谱段在星下点的地面分辨率为,0.82m,，,4,个多光谱在星下点的地面分辨率为,3.28m,，观测带宽度均为,11km,。,4.,成像光谱仪类遥感器,要求探测光谱连续，探测波段一般为几十或几百个，空间分辨率大约为几十米至千米量级。,空间飞行器总体设计,5.3,地球资源卫星的有效载荷,日本卫星拍摄的震前北川河流情况,空间飞行器总体设计,5.3,地球资源卫星的有效载荷,日本卫星拍摄的震后北川河流变化情况,空间飞行器总体设计,5.3,地球资源卫星的有效载荷,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,5.3,地球资源卫星,的有效载荷,5.,合成孔径雷达,SAR,是一种有源微波遥感成像设备。,SAR,发出的微波脉冲经地物后反向散射，再经,SAR,接收，通过对接收信号的处理探测到地物后向散射系数的二维分布，从而获得地物的,SAR,图像。,SAR,图像依赖于,SAR,工作频段、极化、入射角度等。,日本地球资源卫星,欧洲资源卫星,空间飞行器总体设计,5.3,地球资源卫星的有效载荷,6.,数据传输设备,卫星遥感器获取的遥感数据往往要经过数据传输设备传送至地面，再经过处理、分析、进行应用。数据传输系统包括空间段部分和地面段部分：空间段部分就是卫星的数据传输分系统，主要包括编码器、标准信号器、调制器、发射机和发射天线；地面段部分主要包括接收天线、接收机、解调器、磁带记录器、处理设备等。,空间飞行器总体设计,5.4,气象卫星有效载荷,气象卫星分极地轨道和静止轨道两种。有效载荷指星上用于气象信息获取、处理、存储及发送的设备。主要包括：遥感器、实时信息处理器、大容量数据记录器及发射机等。,全球气象卫星布局图,空间飞行器总体设计,5.4,气象卫星有效载荷,空间飞行器总体设计,5.4,气象卫星有效载荷,1.,扫描辐射成像仪,气象卫星上普遍装载的遥感器。主要作用是获取云及地表的二维景物图像，地表温度、洋面、泥沙、水陆分界、云顶温度。,2.,大气探测仪,主要作用是大气温度及水汽的垂直分布探测、地表冰雪探测和降水和地表特征探测。,空间飞行器总体设计,5.5,海洋卫星有效载荷,主要用于探测海洋水色要素（如叶绿素浓度、悬浮物和污染物），探测海表面拓扑（海平面高度的空间分布），探测海洋动力环境（海面风场、海浪、海冰等）。有效载荷包括不同种类的光学遥感器和微波遥感器。,1.,光学遥感器,1,）海洋水色扫描仪,中国,HY,1,卫星的海洋,水色扫描仪具有,10,个探测,波段，星下点地面分辨率,均为,1100m,，覆盖约,1100km,。,HY,1A,卫星第一轨水色仪图像,空间飞行器总体设计,5.5,海洋卫星有效载荷,1.,光学遥感器,2,）,CCD,成像仪,HY,1,卫星装载的,另一台有效载荷是,4,波段,CCD,成像仪。,其星下点地面分辨,率为,250m,，覆盖约,510km,。,HY,1A,卫星第一轨,CCD,图像,空间飞行器总体设计,2.,微波遥感器,1,）雷达高度计,主要用于测量平均海平面高度，从而测定大地水准面，同时可测量有效波高、海面风速、洋流和海冰等。,2,）微波散射计,主要用于测量海面风场，包括标量风速和风向。,5.5,海洋卫星有效载荷,空间飞行器总体设计,卫星导航的基本作用是向各类用户实时提供准确、连续的位置、速度和时间信息。分类：低轨测速导航系统、全球导航定位系统、全球同步卫星无线电测定系统。,1,低轨测速导航系统卫星有效载荷,第一代卫星导航系统，主要有美国的“子午仪”卫星和苏联的“圣卡达”卫星。主要是利用地面用户终端机测定导航卫星发射载波的多普勒频移，确定卫星在不同时刻的两个位置至用户位置的距离差，得出旋转双曲面的基本导航方程；根据卫星在每时刻的轨道位置并利用多组基本导航方程解出用户的位置，实现导航定位。,5.6,导航卫星有效载荷,空间飞行器总体设计,导航卫星,苏联,/,俄国全球导航卫星,(GLONASS),改进实用型“子午仪”号卫星,“,新星”,导航星,号,导航星,号,空间飞行器总体设计,2,全球导航定位系统有效载荷,目前应用的有美国的,GPS,系统（,6,个轨道面,24,颗星）和俄罗斯的,GLONASS,系统（,3,个轨道面,24,颗星）。正在建设的有欧洲的,GALILEO,系统。,工作原理是用户同时接收四颗卫星的编码信号，测量这四颗星各自到用