[科普中国]-意大利卫星

地理背景

一般都认为，卫星通信难以在西欧的电话电信业务中充分发挥作用。因为西欧现有的地面通信设施已非常密集，而且大都性能优异，所以很难说服人们为了增加通信容量再花很多的钱去购买那些利用卫星进行通信的设备。此外凭经验得知，如果通信距离在1000公里以内，使用通信卫星是不经济的。

尽管如此，西欧各国都要建立和使用自己的国内业务卫星系统，而不致力建立一个统一的欧洲大陆系统，其中一个不可否认的原因就是各国都想让自己的空间工业有事可做，并以此提高这些厂商的知名度。1

发展概况意大利位于欧洲南部，主要由亚平宁半岛和两个位于地中海中的大岛—西西里岛和萨丁岛组成。长期以来，意大利视地中海为天然内湖，以“地中海主人”自居，并力图获得地中海控制权和主导权。冷战结束后，随着新形势的出现，意大利在全球范围内所担负的军事及维和任务有所增多，战略重心也逐步由地中海区域拓展至全球视野，并积极响应英国、法国和德国等周边国家的“欧洲一体化”倡议，参与建立欧洲军事防务系统。其中，军事航天领域也成为意大利政府关注并重点发展的领域之一。出于资金和技术的考虑，意大利一方面积极参与以法国为主的太阳神－1（Helios－1）光学成像侦察卫星项目，另一方面则自行研制“宇宙-地中海”军民两用雷达成像卫星，旨在获取自主的全天候图像情报。为了尽快缩小与美俄等国的差距，意大利、法国和德国等欧洲国家还先后就卫星的联合研发、使用及系统的兼容性等达成多项协议。2001年1月，意大利和法国签署了“光学与雷达联合地球观测”（ORFEO）星座协议。根据该协议，意大利和法国将各自建造1个位于同一轨道平面的星座，即由4星组网的“宇宙-地中海”雷达成像卫星星座和2星组网的“昴宿星”（Pleiades，2010年底前后开始发射）光学成像卫星星座。此外，为强化合作，意大利还与法国和德国签署了“国家天基侦察网图像共享协议”。根据该协议，德国和意大利可获取以法国为主的太阳神－2光学成像侦察卫星图像；而作为交换，法国则可获取分辨率优于1m的德国“合成孔径雷达-放大镜”（SAR-Lupe，5星组网）和意大利“宇宙-地中海”雷达卫星图像。2

目前，意大利已拥有包括“西克拉尔”（Sicral）军用通信卫星、“宇宙-地中海”军民两用雷达成像卫星等涵盖通信、成像等领域的多种卫星系统，并积极参与欧洲“伽利略”（Galileo）导航卫星系统的建设。而根据意大利航天局公布的新航天计划，意大利将重点推动的项目：在“宇宙-地中海”卫星项目基础上提高意大利雷达地球观测技能，以及完成科学任务和下一代卫星通信的能力；为“织女星”（Vega）轻型运载火箭研发新型液体上面级（“织女星”火箭计划2011年初发射）；改进固体推进发动机等。此外，意大利国防部已同意出资为第2代“宇宙-地中海”项目作出贡献。可以预见，随着第4颗“宇宙-地中海”卫星及后续卫星的发射、新型运载火箭的改进，以及欧洲各国卫星合作项目的持续深入，意大利的天基能力也必将得到进一步加强。2

首颗意大利侦察卫星登天经多次推迟，意大利首颗军民两用遥感卫星“地中海天宇” ( Cosmos- Skymed) 1终于在6月8日用美国波音公司的德尔它2火箭发射升空。该卫星由泰勒斯·阿列尼亚空间意大利公司为意大利航天局和国防部研制，是由4颗军民两用卫星组成的星座中的第一颗卫星。

近年来，越来越多的国家和地区开始打造自己的军用卫星系统，以增强对本国及周边地区的防御能力，减少对美、俄两国的依赖，其中欧洲一些国家正努力建立和发展自己独立的军用卫星系统，特别是侦察卫星。欧洲在发展了两代光学成像侦察卫星之后，2006年12月又由德国发射了首颗雷达成像侦察卫星“合成孔径雷达( SAR) - 放大镜”，现在意大利又把自己的首颗军民两用雷达成像卫星送上太空，所以引起了世界军事航天界的广泛关注。3

意大利第4颗“宇宙-地中海”卫星升空2010年11月6日，意大利国防部用美国德尔他-2运载火箭从美国范登堡空军基地发射了自行研制的第4颗“宇宙-地中海”，即“宇宙-地中海”-4（Cosmo-SkyMed-4，又译地中海盆地观测小卫星星座-4）军民两用雷达成像卫星，这也是意大利国防部拟组建的第一代成像侦察卫星星座的最后1颗。此前，意大利已先后用德尔他-2火箭于2007年6月、2007年12月和2008年10月发射了3颗“宇宙-地中海”卫星，它们均部署于距地约620km的太阳同步圆轨道。按照计划，“宇宙-地中海”-4卫星也部署在相同的轨道面上。“宇宙-地中海”星座用于全球观测，特别是观测地中海国家。它主要用于监视领土，分析自然灾害影响，监视评估海岸线侵蚀、海/河污染、农业林业资源和城市建筑，绘制以米为计量单位的地图，保证领土安全和战略防御。2

系统组成“宇宙-地中海”军民两用雷达成像卫星系统由意大利国防部（MOD）和意大利航天局（ASI）联合资助，意大利阿莱尼亚航天公司（现已合并为泰雷兹-阿莱尼亚公司）具体负责。该系统也是意大利首个低轨道军民两用天基雷达侦察系统，由空间星座和地面系统两大部分构成。该星座能够在任何气象条件下全时观测地球，可服务于民间、公共机构、军事和商业等，提供环境风险管理、防务与国家安全、科学与商业用途的情报产品。按照相关协议，意大利军方拥有“宇宙-地中海”卫星1/5的观测时间，并享有优先使用权。2

空间星座

“宇宙-地中海”星座由4颗卫星组成，当这4颗卫星全部运行在620km高的轨道时，整个星座能以12h的重访周期拍摄地球上任何地方的图像，并可根据特定用户的需求对重点领域进行平均约数小时的重访。根据意大利航天局公布的数据显示，在3颗“宇宙-地中海”卫星在轨的情况下，最短重访周期可达18min。第4颗“宇宙-地中海”入轨后，最短重访时间还有望进一步缩短。2

根据设计，每颗“宇宙-地中海”卫星均配备有1部多模式X频段合成孔径雷达装置（X-SAR），能以300Mbit/s的速率下传军民两用的图像数据。星载记录仪存储容量为256GB。星上还配备具有电子扫描能力的固定天线，并可用多种有效的测量模式来获取图像和进行系统内定标。其他附属载荷还包括：①综合控制子系统（ICS），它负责收集和发送信息（指令，遥感勘测，平台参数和时间选择）；②遥测追踪和指令系统（TT&C），它用于提供卫星和地面站之间的双通道S频段通信；③电源管理子系统（EPS），它由太阳能电池翼、电池翼驱动器、电源控制装置、蓄电池、电流传感器和合成孔径雷达天线能源提供装置组成，其中蓄电池额定容量336Ah，最大放电电流735A，最大放电电压26V，电池总质量约136kg，电池设计寿命大于5年；④动力子系统（PRP），它包括6个推进器，并形成2个可独立操作的分系统，每个分系统包含3个推进器及其燃料和制动设备等。2

地面系统

“宇宙-地中海”卫星系统的地面系统主要包括1个位于意大利富奇诺（Fucino）的航天指挥中心，2个分别位于阿根廷科尔多瓦（Cordoba）和瑞典基律纳（Kiruna）的卫星数据跟踪接收站，以及3个用户地面站。在3个用户地面站中，有2个位于意大利，其中1个为军用，位于罗马南部的普拉提卡（Pratica）空军基地；另1个为民用，位于意大利南部的马泰拉（Matera）；第3个用户地面站则位于法国，隶属于法国国防部管辖。此外，附属设施还包括用于数据处理和存档的情报中心、提供GPS星历表和提高“精确轨道确定”精度所必需的校正数据的基准网络等。2

图像类别

该卫星系统生成的图片按照数据产品序列分为标准（Level）0、1A、1B、1C、1D共5类。其中，标准0产品包括回波相位资料和所有的辅助资料。前者在解密和解压缩之后获得，并进行内定标和误差补偿处理；后者包括传输单位、精确的卫星相关坐标、速度向量、几何学传感器模型、载荷状态和标定资料等，用于产生其他基础或中间产品。标准1A产品由经过内部辐射定标的合成孔径雷达聚焦数据组成，采用零多普勒斜距方位向几何投影，为相关的辅助数据保留了自然的几何空间。标准1B产品又称为幅度地面多视图（MDG），它由经过内部辐射定标、去散斑噪声、幅度探测的合成孔径雷达聚焦数据组成，采用零多普勒地距方位向投影，并定义到相关椭球体或数字高程模型（DEM）上。标准1C产品又称为地理编码椭球体纠正（GEC）产品，它由输入数据定义到一个相应的从预先设定系列中选取的椭球体上，并采用从预先设定的某一地图相关系统获取的规则栅格。标准1D产品又称为地理编码地形纠正（GTC）产品，它由输入数据定义到相应的高程表面，采用从预先设定的某一地图系统中获取的规则栅格。2

卫星成像模式根据用户需求，“宇宙-地中海”卫星系统利用多极化高分辨率的星载合成孔径雷达-2000提供5种工作模式及产品，包括2种扫描合成孔径雷达模式、2种条带模式和1种聚束模式。其对地最高分辨率约为0.7m，最低分辨率为100m，幅宽最窄为10km，最宽为200km。2

扫描模式

扫描模式拥有较大的幅宽， 包括广阔区域（WideRegion）和庞大区域（HugeRegion）两种模式。广阔区域模式包括3 个临近的子条带，距离向和方位向都达到1 0 0 k m ， 成像时间大约15.0s，在该模式下的脉冲重复频率（PRF）值为2905.9～3632.4Hz，地面分辨率优于30m；庞大区域模式包括6个临近的子条带，距离向和方位向达到200km，相应的成像时间大约30.0s，在该模式下的脉冲重复频率值为2905.9～3632.4Hz，地面分辨率优于100m。2

聚束模式

采用该模式时可控制雷达天线在整个成像时段内照射所要求的区域，其持续时间要比标准的条带边观测时间长，这样就能增加天线合成孔径长度并因此提高方位分辨率（地面分辨率优于1m）。在这种配置下，图像获取采用帧模式，由于方位向天线指向受技术上的约束，因此它在方位向受到限制。其幅宽一般为10km，最大能够达到11km，脉冲重复频率值为3148.1～4116.7Hz。2

条带模式

条带模式是“宇宙-地中海”卫星系统最常用的成像模式，它通过沿飞行方向固定天线指向来实现，又包括常规和偏振（Polarimetric）两种模式。在常规模式下，标准产品幅宽大约40km（相应的成像持续时间为6.5s），脉冲重复频率值为2905.9～3874.5Hz，地面分辨率优于5m。偏振模式采用在2种可能的极化方式中交替变化信号的极化方式，由于在这种方式下仅有一部分合成天线长度在方位向有用，因此方位向分辨率会降低（约为20m），该模式下标准产品（正方形区域）幅宽为30km，对应的成像持续时间为5.0s，脉冲重复频率值为2905.9～3632.4Hz。2

性能特点作为意大利的首个雷达成像卫星系统，“宇宙-地中海”有着比较鲜明的技术特点，但同时也暴露出部分弱点。

第一，4颗“宇宙-地中海”卫星型号及性能基本相同，重视组网功能，主要通过多星组网和运用不同的观测模式等手段来提升侦察能力，而法国“太阳神”系列光学成像侦察卫星则采用提升单颗后续卫星性能的方式来加强成像观测能力。“宇宙-地中海”还可根据任务需求调整组网或扫描模式。其中，星载合成孔径雷达在条带和扫描工作模式下工作时，如果组网卫星数量及成像模式不同，则卫星系统在12h及24h内的探测概率也有较大不同。例如，单颗卫星采用条带成像模式对地面目标成像时，12h内对地面目标的探测概率约为42%；如采用扫描成像模式则增至61%。4颗卫星同时采用条带成像模式对地面目标成像时，12h内对地面目标的探测概率约为80%；如采用扫描成像模式时，则探测概率达100%等。作为“光学与雷达联合地球观测”系统的组成，“宇宙-地中海”卫星与计划2011年4月发射的法国“昴宿星”光学成像卫星还可通过联网方式，使意大利军队获得法国“昴宿星”卫星系统的图像，进一步拓展情报来源。2

第二，系统成像模式多，性能较强，使用方式灵活。作为分辨率优于1m的雷达成像卫星，“宇宙-地中海”系统具备全天候和全天时对地观测能力、高重访周期、高分辨率等优势，可广泛应用于农业、林业、城市规划、灾害管理、地质勘测、海事管理和环境保护等领域。依托多种观测模式和高重访周期等特点，“宇宙-地中海”卫星系统每天至少能以高分辨率模式为军事用户拍摄75幅X频段图像，并以低分辨率模式拍摄300多幅X频段图像。在我国汶川大地震期间，“宇宙-地中海”就曾紧急生成并下传了相关地理图像数据，为我国开展震后救援工作提供了宝贵资料。此外，作为军民两用卫星系统，“宇宙-地中海”卫星所生成的图像产品获取和交换程序相对简单，不必像法国和德国那样，在分别拥有军用光学成像侦察卫星和雷达成像侦察卫星之后，限于军事卫星的使用规定，需要通过协商来平等交换数据。2

第三，意大利大型卫星的发射仍依赖外援，自主能力较弱。早在1966年，意大利就已建成并启用了位于非洲东部肯尼亚东海岸恩格瓦纳海湾的圣马科（San Marco）火箭发射场。该发射场是距赤道最近的一个航天发射场，同时也是世界上唯一的一个海上发射场。虽然圣马科发射场有独特的地理位置优势，可以用最经济和最快速的方式把航天器送入赤道轨道，但限于海上发射平台的稳定性和承载力，以及配置的运载火箭的推力限制，因此其发射任务以数百千克的小型航天器为主，对于发射质量达1700kg的“宇宙-地中海”大型卫星而言显然难以承受。因此，“宇宙-地中海”系列卫星均在美国范登堡空军基地利用德尔他-2火箭发射升空，这表明意大利对大中型卫星的独立发射能力仍有待加强。2

意大利部署新一代军用通信卫星2015年4月27日，欧洲阿里安航天公司的阿里安－5（Ariane－5）运载火箭采用“一箭双星”的发射方式，成功将索尔－7（Thor－7）和锡克拉－2（SICRAL－2）卫星送入地球同步转移轨道。其中，锡克拉－2卫星是意大利新一代军用通信卫星，用于接替2001年发射的锡克拉－1A卫星，成为未来意大利军用卫星通信的主力。4

锡克拉－2卫星性能指标2010年5月7日， 泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（TAS）、空间通信公司（Telespazio）和意大利国防部、法国装备采购局签署了锡克拉－2卫星和地面段的研制合同，合同总价值2.95亿欧元，其中泰雷兹-阿莱尼亚航天公司1.93亿欧元、空间通信公司1.02亿欧元。经过4年多的研制，锡克拉－2卫星于2015年发射。卫星采用泰雷兹-阿莱尼亚航天公司的空间客车－4000B2平台，发射质量4400kg，有效载荷功率7.7kW，设计寿命15年。

在有效载荷方面，锡克拉－2卫星仅携带特高频和超高频有效载荷，未搭载极高频有效载荷，载荷的总质量为700kg，总功率5kW。其中，特高频有效载荷为15台转发器，带宽为25kHz，通过东西两侧的平面天线来提供覆盖；超高频有效载荷为10台转发器，带宽为40MHz，通过6副小口径反射面天线提供覆盖。从整体来看，意大利拥有14台特高频转发器、法国拥有1台特高频转发器；意大利和法国各拥有5台超高频转发器。此外，锡克拉－2卫星还配备标准S频段测控和极高频/Ka频段抗干扰测控链路。4

意大利在发展锡克拉－2之初，主要目的是维持在轨军用卫星通信能力，在超高频有效载荷方面提出了三个要求：一是覆盖灵活性，要求有6个灵活机动的波束；二是频率灵活性，要求上下行链路的带宽和频率计划可以调整；三是功率灵活性，要求6个独立波束的等效全向辐射功率（EIRP）可以调整。在此需求下，锡克拉－2卫星超高频频段载荷主要通过多波束可切换天线（MBSA）、数字信道化处理器和多端口放大器（MPA）这三项技术分别实现。其多波束可选择天线共包括3组，均由反射面和馈源阵构成，共产生19个点波束，形成全球覆盖，其中有6个波束可同时处于接收状态。此外，超高频接收天线还具备自适应调整能力，从而针对干扰源地理位置而进行动态调零。其综合前端设备为8保6配置，具备低噪放大和抗干扰防护能力，数字信道化换处理器则是专用星上处理器，通过对数字载波进行解复用和复用，实现射频信道频率灵活性管理。其多端口放大器组件是在不损失互调性能并优化功率消耗的前提下实现功率灵活性的核心部件。其解复用和复用链路组件，与数字信道化处理器一起，支持点波束级别频率灵活性的实现。

总的来看，锡克拉－2卫星超高频有效载荷是欧洲迈向“灵活有效载荷”的重要一步，实现了在空间、频率和功率等三个方面的灵活性，支持意大利军方在多个战场上的直接通信。而且，其星上数字信道化处理技术的应用，使得波束内和波束间支持栅格网络，可实现单跳通信、支持组播能力，能保证锡克拉－2卫星即使是在严酷的通信对抗条件下也可以灵活支持地面部队的通信需求。4

未来发展计划意大利未来军用卫星通信能力的发展，一方面取决于自身需求，另一方面也考虑了北约卫星通信需求的发展。2004年，意大利、法国、英国与北约签署了合作备忘录，利用三个国家的军用通信卫星来支持北约的卫星通信需求，即“北约21世纪卫星通信计划”（NP2KSP）在2005—2019年间为北约军事行动提供卫星通信支持。意大利在其中提供100%的特高频段卫星通信容量和10%的具备抗干扰能力的超高频卫星通信容量。4

目前，意大利瞄准国内需求和北约2020年以后的卫星通信需求，提出了“意大利古格里埃尔默马可尼卫星”（SIGMA）和锡克拉－3卫星计划。其中“意大利古格里埃尔默马可尼卫星”采用特高频和Ka频段，主要面向政府和民用机构；锡克拉－3卫星采用特高频和超高频有效载荷，主要面向军事用户。“意大利古格里埃尔默马可尼卫星”主要利用Ka频段提供宽带卫星通信服务，计划2016年启动，将采用各种先进的技术，支持双向宽带通信，同时支持IP协议，并且能够与地面下一代网络交互。意大利航天局为主要的采办机构，而考虑到意大利发展军民两用卫星系统的传统，国防部也将给予部分资金支持，承担部分成本。

锡克拉－3卫星则是意大利国防部主导的卫星计划，主要用于替代锡克拉－1B卫星，满足国内军方和北约盟友的军事卫星通信需求。该计划将于2018年启动，目前计划采用特高频和超高频有效载荷的方案，尚未考虑极高频有效载荷能力的发展。4