GeoSTAR（Geostationary Synthetic Thinned Aperture Radiometer）由美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）研制，利用地球静止轨道的高远优势，实现对地球“圆盘”的持续观测，对天气和气象观测、预报意义显著，尤其是可以有效增强对飓风等瞬变大气现象的预报能力。
与传统星载辐射计不同，STAR采用二维接收机阵列组成大综合孔径，在不需要扫描、天线转动的情况下，利用干涉原理成像。
GeoSTAR的主要应用方向包括：
1）天气预报。有效提高预报准确性，提供风暴预报能力，每15 min完成一次对地球“盘面”的观测，数据更新速率高。
2）飓风判断。GeoSTAR可以准实时地（小于15 min更新率）获取飓风和大尺度大气对流的散射、位置、强度、纵向结构信息，可以同时对固态、液态、气态三种形态的水（包括雨雪）进行观测，有助于完成飓风预测和强度判断。
3）降雨测量。GeoSTAR可以观测瞬时降雨量、强对流降水以及一天总雨量，且有助于洪水预警，与NASA的GPM（Global Precipitation Mission）和TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）互为补充。
4）气候研究。GeoSTAR将提供持续、稳定的微波对地观测手段，有助于研究大时间尺度上的水气循环和气候变化。
JPL已经成功研制50～56 GHz原理样机（图7-20），183 GHz原理样机也已完成。整星结构布局如图7-21所示。与原理样机研制同步开展的还有观测系统模拟实验（Observational System Simulation Experiment，OSSE），旨在实现精确的天气预报。
图7-20 50 GHz原理样机
图7-21 压紧状态整星结构
考虑到研究的连续性和反演算法的通用性，GeoSTAR采用与极轨辐射计AMSU同样的频段，主要系统参数如表7-2所示。
表7-2 GeoSTAR系统参数
1.系统组成
为了缩短研制进程，尽快验证综合孔径辐射计体制的有效性，NASA对300天线单元的GeoSTAR进行了简化，研制了24个天线单元的原理样机，原理样机系统框图如图7-22所示。
按照数据流的流向，主要模块的功能为：
（1）调整信号极化方向
接收机阵列与天线阵列的排布方向是一致的，呈Y形。为了保证进入接收机的信号极化方向一致，尽量减少信号损失，需要通过扭波导（twist waveguide）对Y形两个上臂的信号极化方向进行旋转±60°。
（2）噪声定标
在成像前，通过标准噪声源产生等效噪声温度约为5 K的噪声信号，并注入系统，又通过复相关器的响应，对系统幅度和相位的稳定性进行标定。
（3）单片式微波集成电路接收模块
首先通过3级单片式微波集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）低噪放对信号进行放大，而后通过正交解调器将信号分为I、Q两路（带宽100 MHz），经带通滤波后进行数据采集并输出。数据采集位数为8位，但是考虑到乘法器仅利用符号信息，所以1位数据采集也可以满足要求。
图7-22 GeoSTAR原理样机系统框图
（4）复相关运算模块
对于一个包含300个天线单元的综合孔径辐射计系统，复相关运算中的乘法运算量将达到2×1013次/秒量级，为了完成如此高的运算速率，开发了1位数字乘加电路（1-bit digital multiply-and-add circuits）。数字信号进入复相关运算模块进行复相关运算，原理样机采用现场可编程门阵列（FPGA）完成这些运算，星上系统需采用低功耗的ASICs（Application Specific Integrated Circuits）。已研制了基于90 nm CMOS ASIC工艺的ASIC，带宽为500 MHz，有19×19路输入，预计所有芯片的总功耗小于20 W。
2.天线阵列
GeoSTAR采用Y形天线阵列；为了覆盖整个地球圆盘，无混叠视场角要求达到17.5°，最小天线间距为3.5倍波长（20 mm在50 GHz，6 mm在183 GHz）；系统几何分辨率为50 km，最大基线长度在50 GHz时为4.7 m、在183 GHz时为1.1 m；每个天线臂的天线单元数量约为100个，总计约300个天线单元，可以组成约30 000个不同的基线，对应60 000个空间频率域（u，v）采样点。50 GHz原理样机的天线布局和空间频率域采样点如图7-23、图7-24所示。
图7-23 天线阵列布局示意
图7-24 空间频率域采样点位置示意
理论上，只要能形成不同长度的基线，天线阵列就可以采用各种构型，如Y形、U形、T形、O形、随机形等。但是根据NASA的研究结论，Y形阵列能够以最少的天线数量覆盖最多的空间频率域采样点，而且便于在星体上安装，因此GeoSTAR采用Y形天线阵列。
显然，对于不同频段，天线口径、天线间距、天线布局的要求各不相同。按照NASA的规划，GeoSTAR需要在一颗卫星上实现对50 GHz和183 GHz两个频段的观测。因此，需要进行双频段复合天线阵列设计。
双频段复合天线阵列在原有Y形阵列的基础上进行改进：(www.xing528.com)
1）50 GHz天线阵列外移8个单元，留出空间给183 GHz阵列。
2）外移将导致空间频率域（u，v）采样点的缺失，因此在50 GHz的阵列上需要补充8个天线单元来填补（u，v）采样点的缺失，最终形成F形天线阵列。
3）183 GHz阵列内嵌在中央，保持错位排列的Y形。
4）整个天线阵列由576个183 GHz天线单元组成206 760个不同基线，由312个50 GHz天线单元组成50 196个不同基线。
双频段GeoSTAR天线阵列布局如图7-25所示。
3.基于MMIC的集成接收模块
根据前文的介绍，为了满足几何分辨率和辐射分辨率要求，GeoSTAR需要由888个天线和接收单元组阵观测，最小基线长度仅有3.5λc，并且每一个天线单元都对应着一个接收模块。因此，在有限的空间内要想容纳888个接收单元，就必须采用轻量化、小型化、高度集成的接收模块来尽量减少其占用的空间。
图7-25 双频段GeoSTAR天线阵列布局
GeoSTAR研发团队在2010年成功研制了磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）MMIC低噪放、混频器，并最终集成为接收模块。
4.天线及测试
JPL在2010年公开的183 GHz频段，满足GeoSTAR无混叠视场角17°、最小基线6 mm的喇叭天线如图7-26所示，接收机测试系统如图7-27所示。
2011年，又公开了其在183 GHz原理样机上采用的新喇叭天线，其实物图和方向图如图7-28、图7-29所示。
5.近场测试
图7-26 183 GHz喇叭天线（2010年）
图7-27 183 GHz接收机测试系统（2010年）
图7-28 183 GHz喇叭天线（2011年）
图7-29 183 GHz喇叭天线方向图（2011年）
GeoSTAR原理样机的远场距离在200 m左右，为了逼真模拟GeoSTAR对地球成像的情况，目标需要填满17.5°视场范围，直径将达到60 m。显然，在地面很难完成这样的实验，因此，拟采用近场测试。测试距离为10 m，目标直径约为4 m。
原理样机每个天线臂的长度为0.18 m，在近场条件下，目标边缘点到辐射计中心和边缘的距离并不相等，存在1°的视角偏差，几何关系如图7-30所示，近场测试如图7-31所示。在这种情况下，传统使用于远场条件的反演方法将引入较大误差，所以必须对可见度函数进行修正，修正方法可参见相关文献。如图7-32所示，在修正前，直接将远场条件反演算法应用于近场测试时无法成像，经修正后，成像效果良好。
图7-30 近场测试几何关系示意
图7-31 近场测试场景
图7-32 近场测试反演方法效果比较
（a）可见度函数校正前；（b）可见度函数校正后
近场测试实际场景，用天空背景模拟宇宙冷背景，用一块直径为4 m的圆板模拟地球，距离原理样机16 m。在目标板上粘贴了两块长度分别为1.2 m和0.6 m的温控板，温控板的温度可以按需要进行调节。需要注意的是，背景辐射同样会进入接收机，在信号处理过程中需要进行“去混淆”处理，相关算法在NASA的文献中有所叙述。对目标板的成像结果如图7-33所示。
当温控板的温度连续变化时，反演的温度变化曲线如图7-34所示。其中，1组、2组曲线分别对应两块温控板的温度，3组曲线对应背景板的温度，实线为反演温度曲线，虚线为实际温度曲线。从图中可以看出，通过GeoSTAR反演的温度误差在1 K左右。
图7-33 近场测试成像结果
图7-34 反演温度与实际温度对比曲线
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