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陆地探测一号01组双星组网的效果图 。 国家航天局供图
2月27日7时44分 ， 我国在酒泉卫星发射中心采用长征四号丙遥三十运载火箭 ， 成功发射陆地探测一号01组B星 。 陆地探测一号01组卫星是《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015-2025年）》中首个立项的科研卫星工程 ， 由A、B星组成 。 A星已于1月26日在酒泉卫星发射中心成功实施发射 ， 目前正按计划开展在轨测试 ， 卫星相关功能性能正常 。 B星入轨后 ， 将单独开展在轨测试 ， 再与A星进行编队测试 。
陆地探测一号01组A、B双星技术状态基本相同 ， 均配置L波段合成孔径雷达（SAR）载荷 ， 在轨应用干涉测高和差分形变测量技术 ， 可实现重轨干涉形变测量、双星编队干涉测高及单星成像等功能 ， 完成地表形变测量、数字高程模型获取等主要观测任务 ， 具有全天候、全天时、多模式、多极化等特点 ， 支持和服务国土资源、地震、防灾减灾、基础地理信息获取、林业等应用需求 ， 可形成重大灾害快速反应能力 。
在太空“花滑”的双星 ， 有哪些观天测地的绝招？
双星绕飞模式的控制是难点
陆地探测一号01组卫星作为编队卫星 ， 最大难度在于双星绕飞模式的控制 。 “就像冬奥会中的双人花样滑冰项目一样 ， 两个运动员在冰面上同步高速滑行的过程中 ， 手牵手跳跃、旋转 ， 完成高难度舞蹈动作 。 ”中国航天科技集团八院控制所卫星副总设计师王文妍解释 ， “绕飞中的A、B双星也有一双无形的手牵在一起 ， 我们称之为‘基线’ 。 ”
要精确地看出一段时间内高山、植被的高度变化情况 ， 需要两颗卫星每经历一个回归周期后 ， 必须回到同一目标点 ， 并且保持同样的相对位置关系进行观测 。 这根无形的“基线”也是一把标尺 ， 规定了双星在每次到达预定观测地点的相对位置关系 。 “绕飞时 ， 两颗卫星距离相近 ， 同时观测 ， 就像人的两只眼睛 ， 一只眼睛只能看到平面 ， 两只眼睛就可以看出高度和深度 ， 可用于险峻高地、森林植被的测绘等 。 ”
据王文妍介绍 ， A、B双星还会根据所测绘地区纬度的不同进行编队构形的变化 ， 实现“主角”“配角”的切换 。 “比如说 ， 低纬度测绘的时候 ， 是B星以一定的距离和角度相对A星运转；到中纬度的时候 ， 会变成A星以另一种状态相对B星运转 ， 这样可以最大限度发挥两颗卫星的工作能力 ， 达到使用最优观测基线实现全国陆地观测的效果 。 ”
让卫星在太空展现完美“舞姿”
【测地|双星共舞，观天测地有绝招】由于陆地探测一号01组卫星的双星“体重”都超过了3吨 ， 无法用“一箭双星”的方式同时将两颗卫星发射升空 。 据介绍 ， B星发射后 ， 姿轨控分系统的首要任务是让B星努力“接近”A星 ， 使两星从入轨初期相距上万公里 ， 逐渐形成相距几公里级的编队飞行状态 。
为了减少B星发射后轨道调整的工作量和燃料消耗 ， 姿轨控分系统研制团队从提高两次发射的重复入轨精度入手 ， 对发射窗口进行了细致计算 ， 在发射中心“零窗口”发射技术支持之下 ， 将火箭点火时间精准“拿捏” ， 使B星最大限度地“重走”A星的入轨之路 。
“卫星在轨飞行控制策略的正确性和长期稳定运行能力的验证 ， 需要充分的地面仿真试验的支撑 。 ”测试工程师崔佳介绍 ， 陆地探测一号01组卫星姿轨控任务执行周期长 ， 地面半物理仿真试验采用了实时仿真运行方式 ， 如何在有效的研制周期内 ， 确保关键控制过程的测试全覆盖与正确性 ， 是最大的难点之一 。 “只有地面功夫做得足 ， 才能让卫星在太空展现最完美的舞姿 。 ”
研制团队创新性地提出了基于高精度数字卫星的双星半物理编队仿真系统、长周期快速编队仿真测试方法以及高精度外部时钟校时技术 ， 解决了多个实时仿真操作系统时间基准复杂、难统一的难题 ， 将系统内各仿真时钟精度控制在毫秒级 ， 确保了时差的一致性和稳定性 。
共舞的双星如何实现高精度地形测绘
“根据双星干涉测高要求 ， 双星在太空需时刻携手相伴飞行 ， 犹如双人花滑的舞者 ， 既要保证各自技术动作的精准稳定 ， 还要兼顾双人动作的协调配合 。 与数分钟的表演不同 ， 卫星在轨需要在任务周期内克服各类复杂干扰因素的影响 ， 实现稳定运行 。 ”卫星副总设计师魏春向采访人员解释 。
研制团队创新性地提出了基于编队卫星三维姿态导引与控制、非中断双基地成像等一系列新技术 ， 可有效保证双星的同步性能 。 基于实时编队构形的三维姿态导引与控制技术 ， 可有效提升陆地探测一号01组双星长基线编队飞行时的空间同步性能 。
“我们在国际上首次采用了非中断双基地成像模式 ， 从根本上解决了双基星载SAR成像和相位同步不能同时进行的难题 ， 可大幅提升相位同步精度 ， 并在国际上形成了自主知识产权 。 ”卫星副总设计师王宇介绍 。
共舞的双星如何实现高精度地形测绘？
“我们要建设5G基站及特高压输电线等 ， 这些设施往往都选址在坡地、丘陵、山间 。 坡度、坡向、山脊线、山谷线等信息可为这些站点的合理布设提供重要的数据支撑 。 ”陆地探测一号01组卫星总设计师陈筠力介绍 ， “因为我们国家山区丘陵多 ， 人工测绘耗时又危险 ， 而光学遥感受制于我国大部分地区多云多雨气候特征的影响 ， 无法做到实时获取 。 雷达卫星的特点 ， 使其可以穿透云层和地表植被 ， 实现全天候、全天时、高精度的观测 ， 在地形测绘中具有独特的优势 。 ”
“我们应用了波的干涉原理 ， 两颗卫星中一颗发射雷达信号 ， 当两颗卫星同时接收到地面回波后 ， 通过处理就可以反演得到地面与两颗卫星之间的距离差 ， 进而获取地面的高程信息 。 ”据悉 ， 陆地探测一号01组是全球首个L波段分布式编队多极化干涉SAR测高卫星系统 ， 地面观测分辨率达到米级 ， 地面高程测量精度满足1：50000比例尺标准 。 可为我国自然资源调查体系构建、全球地理信息资源建设与更新、高精度地形数据更新提供重要的技术支撑 。
（采访人员 崔兴毅）
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