第 5 章 有效载荷

1、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u 一般可分为：科学探测和实验类、信息获取类、信息传一般可分为：科学探测和实验类、信息获取类、信息传输类、信息基准类。输类、信息基准类。u 按所涉及的专业技术领域分类：可分为光学遥感器和微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。波遥感器。u 按应用分类：通信卫星有效载荷、气象卫星有效载荷、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有效载荷、侦查卫星有效载荷、科学卫星有效载荷和

2、技术试验卫星有效载荷等。术试验卫星有效载荷等。空间飞行器总体设计 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。系统等。 （1 1）可以专门装载于科学卫星上，如：）可以专门装载于科学卫星上，如：“实践实践”卫星上的宇宙射线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。等。 （2 2）可以搭载于某些应用卫星上，如：）可以搭载于某些应用卫星上，如：“风云二号风云二号”卫星上的质子卫星上的质子和电子探测器、和电子探测器、X X射线探测

3、器等。射线探测器等。 用于对地观测的各种遥感器，如：用于对地观测的各种遥感器，如：“风云一号风云一号”上的上的1010波段扫描辐波段扫描辐射计，射计，“风云二号风云二号”上的多通道自旋扫描辐射计，上的多通道自旋扫描辐射计，“资源一号资源一号”上上的多光谱的多光谱CCDCCD相机和红外多光谱扫描仪，返回式遥感卫星上的胶片相相机和红外多光谱扫描仪，返回式遥感卫星上的胶片相机。机。空间飞行器总体设计 用于中继通信或单向信息传输的仪器、设备和系统，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、遥感数据传输设备。 用于提供空间基准和时间基准信息的各种仪器、设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。卫星上的激光角反射器等。空间飞行器总体设计 用户需求往往是针对应用卫星或针对整个卫星应用系统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

5、体指标。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：例：通信卫星的用户要求： 传多少话路、多少路电视传多少话路、多少路电视 涉及：有效载荷、地面应用系统。涉及：有效载荷、地面应用系统。 光学遥感卫星的用户要求：光学遥感卫星的用户要求： 地面分辨率、观测带宽度、地面分辨率、观测带宽度、重复观测周期。重复观测周期。 涉及：有效载荷、轨道、指向控制能力。涉及：有效载荷、轨道、指向控制能力。空间飞行器总体设计 有效载荷设计一般都有几种方案可供选择，在满足总体指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，从多方面进行标的前提下，必须认

6、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。比较，尽量使选择的方案优化。 有效载荷总体技术指标确定后，要将指标合理分配至设备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。统性能综合分析，指标分配结果要使系统最优。空间飞行器总体设计 像卫星上的其它仪器一样，它必须能适应卫星发射、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：在轨运行的工作环境，主要有：u 能适应力学环境要求；能适应力学环境要求；u 能适应失重

7、状态要求；能适应失重状态要求；u 能适应真空状态要求；能适应真空状态要求；u 能适应温度变化要求；能适应温度变化要求；u 能适应空间辐射环境要求。能适应空间辐射环境要求。空间飞行器总体设计 一般来说，有效载荷质量减小一般来说，有效载荷质量减小1kg1kg，运载火箭的起飞质量可，运载火箭的起飞质量可减小减小1 12t2t，显然减小质量对提高性能价格比是十分重要的。，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。了更高的要求。 有效载荷要满足与卫星平台的接口关系，包括设备尺寸和有效载荷要

8、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。械接口、热接口、电接口等。空间飞行器总体设计 有效载荷的功能和性能技术指标是由应用的需求决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。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

9、计 通信卫星上直接执通信卫星上直接执行通信任务的空间仪器行通信任务的空间仪器设备，称为通信卫星的设备，称为通信卫星的有效载荷。有效载荷。 通信卫星一般可分为通信卫星一般可分为地球静止轨道通信卫星地球静止轨道通信卫星和非静止的中低轨道通和非静止的中低轨道通信卫星，又可按固定业信卫星，又可按固定业务、移动业务、直播、务、移动业务、直播、跟踪与数据中继和军用跟踪与数据中继和军用通信等分类。通信等分类。空间飞行器总体设计 空间飞行器总体设计u 转发器：实质是一台宽频带的收发信机。转发器：实质是一台宽频带的收发信机。u 天线：用于卫星通信信号收发。有时可完成测控信号天线：用于卫星通信信号收发。有时可完成

10、测控信号的收发。通信天线可分为：全球波束、半球波束、区的收发。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。域波束、点波束、多波束以及赋形可变波束天线等。 天线接收上行信号，送到转发器对信号进行加工，再天线接收上行信号，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。以有多个，以期提供所需的通信容量。空间飞行器总体设计u 与射频电平有关的性能参数：等效全向辐射功

11、率、接收系统增益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。噪声温度比、饱和功率通量密度。u 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。与频段及带宽有关的参数：通信频段、带宽和频率再用特性等。u 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、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。对上行信号变化的补偿和各种稳定性等。 要在规定的频段、带宽、服务区覆盖要求等条件下，对确

12、定的要在规定的频段、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。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 地球资源卫星是用于地球资源探测和环境监测的遥感卫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、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（高空间分辨率类和合成孔径雷达（SARSAR）类。）类。 空间飞行器总体设计空间飞行器总体设

13、计空间飞行器总体设计u 工作谱段：指遥感器获取的图像来自的谱段。光学成像遥工作谱段：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。感器工作频谱范围包括紫外、可见光和红外。u 分辨率：获取图像细节能力。分辨率：获取图像细节能力。u 调制传递函数调制传递函数(MTF)(MTF)：以不同频率的正弦信号作为系统输：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变化的函数u 信噪比信噪比(S/N)(S/N)：有用信号与噪声之比：有用信号与噪声之比 在规定的各项技术指标要求下，对

14、各组成部分的指标进行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。科学合理的分配。空间飞行器总体设计 多光谱遥感器是地球资源卫星应用最多最广的遥感器。多光谱遥感器是地球资源卫星应用最多最广的遥感器。 将光信号转换为电荷，以电荷耦合方式作为模拟移位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。输出的器件。空间飞行器总体设计 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1:51:5万的地图，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。方面有独

15、特优点。 例成像公司的例成像公司的IKONOSIKONOS卫星的轨道高度为卫星的轨道高度为680km680km，其相机有，其相机有5 5个个工作谱段，全色谱段在星下点的地面分辨率为工作谱段，全色谱段在星下点的地面分辨率为0.82m0.82m，4 4个多光谱个多光谱在星下点的地面分辨率为在星下点的地面分辨率为3.28m3.28m，观测带宽度均为，观测带宽度均为11km11km。要求探测光谱连续，探测波段一般为几十或几百个，空间分要求探测光谱连续，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。辨率大约为几十米至千米量级。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空间飞行

16、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 SARSAR是一种有源微波遥感是一种有源微波遥感成像设备。成像设备。 SARSAR发出的微波发出的微波脉冲经地物后反向散射，再脉冲经地物后反向散射，再经经SARSAR接收，通过对接收信号接收，通过对接收信号的处理探测到地物后向散射的处理探测到地物后向散射系数的二维分布，从而获得系数的二维分布，从而获得地物的地物的SARSAR图像。图像。SARSAR图像依图像依赖于赖于SARSAR工作频段、极化、入工作频段、极化、入射角度等。射角度等。 空间飞行器总体设计 卫星遥感器获取的遥感数据往往要经过数据传输卫星遥感器获取的遥感数据往往要经

17、过数据传输设备传送至地面，再经过处理、分析、进行应用。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。带记录器、处理设备等。空间飞行器总体设计 气象卫星分极地轨道和静止轨道两种。有效载荷指星上用气象卫星分极地轨道和静止轨道两种。有

18、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。感器、实时信息处理器、大容量数据记录器及发射机等。空间飞行器总体设计空间飞行器总体设计 气象卫星上普遍装载的遥感器。主要作用是获取云及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。分界、云顶温度。 主要作用是大气温度及水汽的垂直分布探测、地表冰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。雪探测

19、和降水和地表特征探测。空间飞行器总体设计 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），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（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。器和微波遥感器。 中国中国HYHY1 1卫星的海洋卫星的海洋水色扫描仪具有水色扫描仪具有1010个探测个探测波段，星下点地面分辨率波段，星下点地面分辨率均为均为1100m1100m，覆盖约，覆盖约1

20、100km1100km。空间飞行器总体设计 HYHY1 1卫星装载的卫星装载的另一台有效载荷是另一台有效载荷是4 4波段波段CCDCCD成像仪。成像仪。其星下点地面分辨其星下点地面分辨率为率为250m250m，覆盖约，覆盖约510km510km。空间飞行器总体设计 主要用于测量平均海平面高度，从而测定大地水准面，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。同时可测量有效波高、海面风速、洋流和海冰等。 主要用于测量海面风场，包括标量风速和风向。主要用于测量海面风场，包括标量风速和风向。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、

21、连续的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。航定位系统、全球同步卫星无线电测定系统。 第一代卫星导航系统，主要有美国的第一代卫星导航系统，主要有美国的“子午仪子午仪”卫星和卫星和苏联的苏联的“圣卡达圣卡达”卫星。主要是利用地面用户终端机测定导卫星。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；位置至用

22、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。用户的位置，实现导航定位。空间飞行器总体设计空间飞行器总体设计 目前应用的有美国的目前应用的有美国的GPSGPS系统系统（6 6个轨道面个轨道面2424颗星）和俄罗斯颗星）和俄罗斯的的GLONASSGLONASS系统（系统（3 3个轨道面个轨道面2424颗颗星）。正在建设的有欧洲的星）。正在建设的有欧洲的GALILEOGALILEO系统。系统。 工作原理是用户同时接收四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

23、颗卫星的编码信号，测量这四颗星各自到用户的伪距，并由解读星各自到用户的伪距，并由解读卫星广播的导航电文得到卫星的卫星广播的导航电文得到卫星的位置，从而进行定位。位置，从而进行定位。 空间飞行器总体设计空间飞行器总体设计 目前应用的是我国的目前应用的是我国的“北斗北斗”导航卫星系统，其工作原理导航卫星系统，其工作原理是地面中心通过两颗卫星上的是地面中心通过两颗卫星上的C/SC/S转发器向用户发送谁要定转发器向用户发送谁要定位的询问信号，需要定位的用户接收到任一颗卫星的询问位的询问信号，需要定位的用户接收到任一颗卫星的询问信号后，即可响应询问，发出定位申请；地面中心站收到信号后，即可响应询问，发出

24、定位申请；地面中心站收到来自两颗卫星来自两颗卫星L/CL/C转发器转发的应答信号，即可测定出地面转发器转发的应答信号，即可测定出地面中心站分别经两颗卫星到用户的距离和。由于卫星位置可中心站分别经两颗卫星到用户的距离和。由于卫星位置可通过测轨获得，便可导出用户至每颗卫星的距离；利用存通过测轨获得，便可导出用户至每颗卫星的距离；利用存储在地面中心站数据库中的地形数字高程，算出用户所在储在地面中心站数据库中的地形数字高程，算出用户所在的位置，通过其中一颗卫星通知用户，完成定位。的位置，通过其中一颗卫星通知用户，完成定位。空间飞行器总体设计空间飞行器总体设计 根据侦察任务的不同，一般分为根据侦察任务的

25、不同，一般分为“普查普查”型与型与“详查详查”型，型，胶片回收型和数据传输型。胶片回收型和数据传输型。主要由摄影物镜、快门、光栏机构、输片机构主要由摄影物镜、快门、光栏机构、输片机构和胶片展平装置、暗盒及感光胶片组成。和胶片展平装置、暗盒及感光胶片组成。 “ “普查普查”相机的相机的地面分辨率约为几米量级，地面分辨率约为几米量级，“详查详查”相机的分辨率优于相机的分辨率优于1 1米。米。可见光和红外谱段的全色和多光谱可见光和红外谱段的全色和多光谱CCDCCD相机。相机。美国第六代美国第六代KH-11KH-11相机的地面分辨率为相机的地面分辨率为0.1m0.1m。工作在微波波段。典型的成像侦察工

26、作在微波波段。典型的成像侦察SARSAR卫星是美国的卫星是美国的“长曲棍球长曲棍球”卫星。卫星。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 主要用于侦察对方预警探测系统、国土防空系统和中远主要用于侦察对方预警探测系统、国土防空系统和中远程打击武器系统中所使用的各种雷达的特征参数和位置，程打击武器系统中所使用的各种雷达的特征参数和位置，侦听对方卫星通信、散射通信、超短波通信的信号参数侦听对方卫星通信、散射通信、超短波通信的信号参数和信息情报。有效载荷包括：和信息情报。有效载荷包括：u 天线天线u 接收机接收机u 信号处理设备信号处理设备空间飞行器总体设计 任务：利用星上的红外探测仪

27、，探测导弹飞行时发动机尾焰的红任务：利用星上的红外探测仪，探测导弹飞行时发动机尾焰的红外辐射，配合电视摄像机及时准确地判断敌方导弹的发射，并将外辐射，配合电视摄像机及时准确地判断敌方导弹的发射，并将有关信息迅速传递给地面指挥中心，赢得尽可能长的预警时间，有关信息迅速传递给地面指挥中心，赢得尽可能长的预警时间，以组织有效的反击。以组织有效的反击。 有效载荷：红外相机、紫外跟踪探测仪有效载荷：红外相机、紫外跟踪探测仪 有雷达，无线电接收机（电子情报型），红外探测器等侦察设备，有雷达，无线电接收机（电子情报型），红外探测器等侦察设备，监视海上舰船和潜艇的活动。卫星上装载的监视海上舰船和潜艇的活动。卫星上装载的SARSAR工作在工作在X X频段，分频段，分辨率为辨率为202030m30m，在良好的海况下能够探测到中型和某些小型舰只，在良好的海况下能够探测到中型和某些小型