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GPS曾经是“导航系统”代名词,北斗三号卫星平台多项核心指标已胜出
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来源:上观新闻 作者:黄海华 2021-09-10 06:16
摘要:6项关键技术为国际首创

北斗三号全球卫星导航系统正式开通一年来,单点定位精度达到1.61米,全球超20亿用户提供了全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。

中国科学院微小卫星创新研究院研制的北斗三号专用导航卫星平台,突破关键技术53项,其中6项为国际首创,荣获2020年度上海科技奖技术发明奖一等奖。

【星箭分离的冲击力高达6000g,要求卫星平台具有高耐冲性】

美国的GPS早在1993年就已开通,曾经是“导航系统”的代名词。北斗三号要想超越GPS,前提是有一个好的卫星平台。“这个平台相当于一辆车,在研制之初就面临高冲击、高精准、高可靠三大挑战。”北斗导航卫星副总设计师刘迎春告诉解放日报·上观新闻记者。

为了快速组网,北斗三号采取“一箭双星”的发射方式,星箭分离的冲击力高达6000g,这就要求卫星平台这辆“车”具有高耐冲性。

高精度分离冲击理论分析是一道世界难题,以往算出来的精度都很低,试验匹配度也差,只能不断地试错。

研制团队通过与其他大学合作,提出了融合式的直接积分冲击分析法,数据偏差小于15%,平均精度是传统分析方法的1.7倍。

“我们还发明了吸冲隔冲的双层递进抗冲击结构,相当于在星箭分离接口安装了‘防撞角’,在结构架的连接处用了‘减速坡’,降低了80%的冲击 ,舱内实测最大冲击力从6000g减少到460g。”刘迎春说,这些措施解决了卫星与运载上面级分离冲击的难题。

【从区域走向全球的关键,需要卫星平台控制的“高精准”】

能否给北斗三号卫星拉一个“微信群”,可以互相“聊天”?两颗卫星距离最远6.9万公里,要想彼此“添加好友”,不仅位置信息要准确,姿态控制也要准确。

星间链路是北斗三号从区域走向全球的关键,这就需要卫星平台控制的“高精准”,即轨控精度要高、轨控次数要少、轨控影响要小。

当地球运行到太阳和北斗卫星之间,会短时遮挡太阳光,在黑暗和光明切换的瞬间容易引起导航服务中断,导航的精度也会发生相应变化。

研制人员首次提出了高精度姿轨联合控制技术,使得过去由于轨道调控引起的导航服务中断,从一两年一次,变为7年一次,而且星座中的卫星是轮流进行调控,用户根本感觉不到导航精度的极细微变化。

“过去,我们的卫星需要通过观察地球、太阳和星星,来确定姿态,现在只需要看星星就可以实现了。”刘迎春介绍。由于在国际首创了基于单星敏定姿的全动偏导航卫星姿态控制技术,实现了姿态控制精度优于0.03°,原来需要“三只眼”,现在只需“一只眼”。

此外,还首次提出了基于面阵校正的多源融合自主天文导航技术,实现了不依赖地面的卫星长期自主轨道确定。

【小型化的同时如何确保“高可靠”】

北斗三号卫星组网的稳定运行,需要卫星平台的“高可靠”。

相比北斗二号卫星平台重量2160千克,北斗三号卫星平台重量“瘦身”不少,仅为1060千克。小型化的同时如何确保“高可靠”呢?

除了器部件100%自主可控,研制人员采用了“功能链”理念的卫星总体设计技术,构建了全新的导航卫星平台技术体系,破解了这一难题。

“以前的卫星平台像是一棵树,有多个树杈。它是按具体任务来分类,一个卫星平台有90多个单机,就被分成了多个层次。”刘迎春介绍,北斗三号卫星平台改变了“树杈”的分类法,而是按功能链来分类,看其可以实现什么功能。打个比方,管道工和修路工,在之前的分类中,得要单独分类,而按照功能链则可以划分为同一类:维修工。

“链是最简单的一维结构,也有助于后续的集成和整合。”刘迎春说,北斗三号卫星平台由结构热功能链、控制功能链、电子学功能链组成。

卫星平台相当于一辆车。过去,“车”的重量往往大于装载的“货物”,即平台重于载荷。研制人员在国际上首创发明了耐冲框架面板卫星型谱,使得载荷与平台的质量承载比为1.2,这辆“车”终于可以装载更多的“货物”,携带更多的科学载荷,达到国际先进水平。

由于以“功能链”组成的专用导航卫星平台,采取模块化设计,这就像“堆积木”,可以同时作业,再拼装在一起,因此卫星总装厂集成测试时间仅需45天,大大缩短了生产工期。

北斗三号卫星平台像一个超大“微波炉”,如果内部温度过高,电子学设备容易烧坏。如今,可用散热面占卫星表面积比>85%,确保了卫星力热环境。

卫星上天后出现故障怎么办?刘迎春告诉解放日报·上观新闻记者,卫星平台的电子学功能链,实现了软件重构和在轨赋能,已通过软件重构修复了四分之三的卫星在轨故障,而在轨赋能进一步提升了导航服务效能。

电子学功能链通过简化系统结构,提升了系统固有可靠性,专用导航卫星平台10年寿命末期可靠性预计由0.743提升至0.893。“这就像以前分别带着录音笔、照相机和手机,现在这些功能都集成在了手机上,出门更加轻便了!”

研制人员突破传统的分系统架构,构建了基于功能链的专用导航卫星平台技术体系,实现了跨越发展的目标。经国际组织评估,北斗三号卫星平台的多项核心指标,不论是抗冲击能力,还是载荷平台比,以及姿态控制精度、轨控中断次数、平台自主定轨等,均优于GPS,在同类卫星中整体处于国际领先水平。

栏目主编:黄海华 文字编辑:黄海华 题图来源:视觉中国 图片编辑:邵竞
文中制图:叶田媛
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