Принципы построения КРСА TerraSAR-X были определены еще в 1994 г. по результатам успешной работы комплекса SIR-C/X-SAR. В этом комплексе наглядно проявились преимущества КРСА с АФАР (SIR-C) по сравнению с обычным РСА (X-SAR), в котором были использованы пассивная антенна и мощный передатчик.
В 1995 г. космическое агентство ФРГ (DLR) инициировало разработку технологий для РСА Х диапазона следующего поколения, который должен был заменить X-SAR. Исследования и разработки по перспективному РСА проводились компанией Dornier Satelittensysteme GmbH (DSS), принадлежавшей концерну Daimler Chrysler Aerospace AG (DASA) - впоследствии вошла в EADS Astrium.
В качестве базового элемента перспективного РСА Х диапазона с АФАР была выбрана автономная панель с размерами 400мм´700мм. Горизонтальный размер (400 мм) выбирался для использования сигналов с шириной спектра до 150 МГц. В составе АФАР такая панель могла обеспечить азимутальное сканирование ±0,75° и реализовать режим высокодетальной съемки Spotlight. В вертикальной плоскости панель могла обеспечить сканирование на ± 23°, что соответствовало углам сканирования АФАР комплекса SIR-C. Панель АФАР проектировалась для работы на поляризациях ГГ и ВВ с возможностью использования перекрестных поляризаций (ГВ, ВГ). На базе данной панели АФАР были разработаны несколько проектов перспективных КРСА Х-диапазона с различными габаритами АФАР и, следовательно, с различными энергетическими возможностями РСА, режимами съемки и параметрами радиолокационных изображений (SmartSAR, NGSI, LightSAR).
В 1996 г. DLR заключило с компанией DSS контракт на создание демонстрационного образца панели АФАР (DESA) в конструктиве, пригодном для проведения испытаний. Задачами проекта DESA являлась разработка ключевых элементов АФАР, испытательного оборудования и программного обеспечения, экспериментальное подтверждение электрических характеристик АФАР.
Соисполнителями разработки DESA были Daimler Chrysler Aerospace AG (отделение DASA-Ulm) в части приемопередающего модуля (ППМ) и шведская компания Saab-Ericsson Aerospace (электронные блоки панели). Работы по проекту DESA в основном были завершены к 2000 г., а их стоимость составила 20 млн. евро.
В результате реализации проекта DESA был создан экспериментальный образец панели АФАР (рисунок) и средства его наземных экспериментальных исследований, включая безэховую камеру со стендом для измерения диаграмм направленности в ближней зоне при различных тепловых воздействиях.
На данном этапе работ были экспериментально подтверждены следующие характеристики экспериментального образца панели АФАР Х-диапазона:
Одновременно с созданием демонстратора АФАР Х-диапазона DLR начало реализовывать проект PROSMART по созданию информационных технологий с использованием аэрокосмических РСА. Исполнителями данного проекта стали DSS и DLR-HR (институт радиотехники). Проект предусматривал проведение теоретических и экспериментальных исследований с авиационными РСА DOSAR (DSS) и E-SAR (DLR) по следующим направлениям - лесное и сельское хозяйство, природные ресурсы, планирование инфраструктуры и обновление топографических карт.
На базе созданного задела в проектах DESA и PROSMART в 1998-1999 г.г. было проведено начальное проектирование КА TerraSAR-X (фаза А), а в 1999-2000 г.г. – окончательное проектирование космического аппарата и системы ДЗЗ в целом. В этот же период была определена кооперация по реализации проекта TerraSAR-X в следующем составе и функциями:
КА TerraSAR-X был запущен в июне 2007 г., т.е. фактически через 13 лет с начала работ по АФАР Х-диапазона. Финансовые вложения на разработку и запуск КА составили около 130 млн. евро (DLR - 100 млн., Astrium – 30 млн.), а на наземную инфраструктуру – дополнительно 55 млн. евро.
Космический аппарат
Внешний вид и конструктивная схема КА показаны на рисунке. Космический аппарат TerraSAR-X имеет следующие технические характеристики:
Закладка программ на КА осуществляется два раза в день с установкой приоритетности задач.
На КА используются дополнительные рупорные антенны (6 шт.), которые должны обеспечивать излучение и прием сигнала от дополнительного КА TanDem.
Бортовой радиолокационный комплекс
БРЛК КА TerraSAR-X состоит из АФАР с системой запитки панелей, блока управления АФАР (ACE) и комплекса центральной электроники (CE), включающего:
В БРЛК также входят:
БРЛК имеет следующие характеристики:
Пример конструктивного исполнения блоков центральной электроники БРЛК показан на рисунке.
БРЛК может работать в трех режимах радиолокационной съемки:
Характеристики режимов приведены в таблице. Примеры РЛИ, полученных с КА TerraSAR-X, показаны на рисунке.
Таблица – Характеристики режимов съемки TerraSAR-X
| Режим | Strip (полосовой) |
Spotlight (телескопический) |
ScanSAR (обзорный) |
|
Разрешение, м (дальность, азимут) |
3x3 | 1x1…3,5*) | 16x16 |
|
Размер РЛИ, км (дальность, азимут) |
30x50 | 10x5…10 | 100x150 |
| Углы визирования, град. | 20…45 | 20…55 | 20…45 |
| Шумовой эквивалент sigma° (NESZ), дБ | -22 | -19…-26*) | -21 |
|
Поляризации |
ВВ/ ГГ ВВ/ГГ |
ВВ/ГГ ВГ/ГВ |
ВГ/ГВ |
*) - зависит от модификации режима.
Модификации режимов съемки задаются цифровым синтезатором зондирующего сигнала и уставками АФАР. Цифровой синтезатор ЛЧМ позволяет изменять ширину спектра и, следовательно, разрешение по дальности в зависимости от угла визирования в вертикальной плоскости. Использование в БРЛК АФАР дает возможность реализовать в каждом режиме множество различных параметров. В полосовом режиме можно использовать до 27 положений полосы обзора. В обзорном режиме возможен выбор 9 различных полос обзора, состоящих из 4 полос захвата. В телескопическом режиме можно использовать до 122 значений углов наблюдения при 100 различных положения лучей по азимуту.
Кроме основных режимов съемки, можно использовать дополнительные (экспериментальные): высокого разрешения с шириной спектра зондирующего сигнала 300 МГц, четырехканальный
поляризационный режим, режим продольной интерферометрии (ATI) и режим наблюдения справа/слева от плоскости орбиты, который реализуется за счет поворота КА по вращению (рысканию). Режимы продольной интерферометрии и четырехканальной поляризационной съемки основаны на возможности раздельной запитки двух половин АФАР, что обеспечивает два приемных канала с расстоянием между фазовыми центрами 2,4 метра (рисунки).
БРЛК и наземный комплекс обработки охвачены системой калибровки радиолокационных данных, основные функции которой состоят в следующем:
Для внешней калибровки всего комплекса используется калибровочный участок в районе реки Амазонка.
По результатам ЛКИ определены погрешности калибровки радиолокационных данных, получаемых с КА TerraSAR-X:
Определены также общие (системные) потери – 3,1 дБ (атмосфера, излучатели), формирование РЛИ – 1,5 дБ.
АФАР
АФАР КА TerraSAR-X имеет габариты 4784´754´150 мм и содержит 384 субрешетки, каждая из которых состоит из двух волноводно-щелевых излучателей (ВЩИ) вертикальной (В) и горизонтальной (Г) поляризаций. Пара ВЩИ запитывается от одного приемо-передающего модуля (ППМ) и образует одну субрешетку (рисунок). Таким образом, общее количество ППМ в АФАР составляет 384 шт. с суммарной мощностью излучения около 2260 Вт. ВЩИ изготовлены из металлизированных углепластиковых волноводов с высокой тепловой стабильностью.
Ширина ДНА АФАР при равномерном распределении поля по раскрыву составляет 0,33° по азимуту и 2,3° по углу места. АФАР электрически разделена по азимуту на две части, что позволяет реализовать режим продольной интерферометрии (селекции движущихся целей) и производить съемку с четырьмя поляризациями одновременно. Общее число лучей, формируемых АФАР, составляет более 12000. Время переключения лучей не превышает 30 мс. Для калибровки антенных лучей используется специальная математическая модель, в которой учитывается реальное состояние каждого ППМ. При проведении калибровки на орбите используется схема внутренней калибровки, которая также обеспечивает контроль исправности АФАР и ППМ. Несмотря на высокую надежность ППМ, выход 10% их общего количества не приводит к ухудшению качества РЛИ.
Субрешетки ВЩИ конструктивно и функционально объединены в 12 азимутальных панелей размером 400´700 мм. Азимутальная панель АФАР является полностью законченным элементом, определяющим основные технические характеристики АФАР. В составе АФАР продольный размер панели (400 мм) обеспечивает угол сканирования в азимутальной плоскости ± 0,75°. Ширина субрешеток по большому размеру (700 мм) определяет угол сканирования в вертикальной плоскости ± 19,2°.
Каждая панель содержит:
Общая масса панели составляет 12, 6 кг. Потребление по переменному напряжению 115В/30 кГц не превышает 190 Вт при скважности излучения 13%.
Приемо-передающий модуль
Разработка ППМ для АФАР КА TerraSAR-X проводилась исходя из требований по обеспечению различных поляризаций, максимального КПД, высокой температурной стабильности и точности установки параметров, минимальной массы, технологичности при серийном изготовлении и низкой стоимости.
Исходя из этих требований был выбран вариант построения ППМ, структурно-функциональная схема которого приведена на рисунке. Конструкция ППМ со снятой верхней крышкой показана на рисунке.
Основу ППМ АФАР составляют специальные разработанные унифицированные усилительные модули УУМ (standardized modular transmit receive – SMTR), вид которых показан в верхней части рисунка. Габаритные размеры УУМ SMTR составляют 64,5´13,3´4,5 мм при массе 15 г. Стоимость УУМ оценивается в 1000 евро за штуку. С начала их серийного изготовления в 2001 г. произведено более 44000 шт. для наземных, авиционных и морских РЛС.
ППМ АФАР имеет следующие характеристики:
