第 5 章 有效载荷

空间飞行器总体设计
§5.1 概述
1. 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。
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§5.1 概述
1. 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，
“闪电”Ⅰ号通信卫星
苏联“静止”T号广播卫星
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§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
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。
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§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。
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)
地球资源卫星
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§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
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§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。
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§5.1 概述
1. 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。
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。
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§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
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§5.4 气象卫星有效载荷
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§5.4 气象卫星有效载荷
HY－1A卫星第一轨CCD图像
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§5.5 海洋卫星有效载荷
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。
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§5.6 导航卫星有效载荷
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。
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§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
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§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。
空间飞行跟器总踪体和设数计据中继卫星
欧洲资源卫星 日本地球资源卫星
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§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。
4）通过仿真和试验来验证优化设计
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§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。
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。
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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Ⅰ号
导航卫星
导航星Ⅱ号
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§5.6 导航卫星有效载荷
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 各自到用户的伪距，并由解读卫 星广播的导航电文得到卫星的位 置，从而进行定位。
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。 2）多光谱扫描仪
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§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。
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§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。
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§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
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。
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§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
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。
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§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。
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。