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中国人自己的全球导航系统:记中科院成功研制发射首颗“北斗”星

《中国科学院院刊》2015年第3期

作者:沈苑(女,上海微小卫星工程中心项目部副部长。)


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北京时间2015年3月30日21时52分,我国在西昌卫星发射中心成功发射了首颗新一代“北斗”导航卫星,上海微小卫星工程中心作为卫星总体单位,在任务要求高、技术难度大、研制进度紧的情况下,突破了多项核心关键技术,成功完成了卫星研制和发射任务。目前,卫星在轨测试工作进展顺利,卫星功能、性能均满足指标要求,状态良好。该卫星作为中科院导航卫星专用平台首发星,试验和验证了适应直接入轨发射方式的框架面板式轻量化卫星构型设计、基于星敏感器的姿态确定技术、高功能密度综合电子体系架构设计等导航卫星专用平台关键技术,为全球组网星组批生产奠定了基础;该星首次采用上面级直接入轨发射方式;首次验证相控阵星间链路与自主导航体制;首次大量使用国产化器部件以实现自主可控;自主提出了功能链设计理念,卫星分为有效载荷、结构热、电子学和姿轨控等功能链,极大地提高了卫星的可靠性和功能密度;也是中科院承担的首颗高轨道、长寿命、高可靠业务星。中科院导航卫星研制团队采用扁平化的管理模式以提高决策效率,按照更优化合理的流程开展工作以缩短研制周期,提出了创新的技术状态转移矩阵管理办法以确保研制过程受控,通过一系列管理创新举措,有效克服了年轻团队经验不足、设备条件相对薄弱等问题,充分发挥了执行力、体现了战斗力,为我国“北斗”导航事业做出了重要贡献。

一.概述

  北京时间2015年3月30日21时52分,我国首颗新一代“北斗”导航卫星在西昌卫星发射中心成功发射;在“长征”三号丙运载火箭和“远征”一号上面级的接力护送下,该星于3月31日凌晨3时许进入倾斜地球同步轨道,卫星太阳帆板顺利展开并建立巡航西漂姿态;通过轨控定点,卫星准确进入工作轨道,星载原子钟、时频、大功率行波管放大器、星间链路设备等导航有效载荷顺利开机并稳定运行,地面成功接收到卫星下发的导航信号,标志着该星研制、发射取得了里程碑式的成功。此次发射的我国首颗新一代“北斗”导航卫星由中科院与上海市合作共建的上海微小卫星工程中心研制。该中心成立10多年来,依托中科院强大的创新实力,发扬上海市务实的改革精神,已先后完成了“创新”系列卫星、“神州”七号飞船伴星、“北斗”导航卫星等多项国家重要航天任务,成功率100%,已成为我国航天领域一支重要的生力军。

二.任务意义

  “北斗”卫星导航系统是我国自主建设、独立运行,与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统,可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、测速、授时服务,并兼具短报文通信能力。该导航系统于2000年底开始向中国及周边地区提供有源定位服务,2012年底正式向亚太大部分地区提供无源定位、精确授时服务,可应用在交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、大地测量、智能驾考、救灾减灾、手机导航、车载导航等诸多领域。

  “北斗”卫星导航系统是国家重大空间基础设施,关乎国计民生和国家安全,重要程度不言而喻,参与系统建设责任重大、使命光荣。中科院上海微小卫星工程中心秉承“知其然,知其所以然”的科学求真精神,带领研制团队在这颗卫星研制工作中实现了多项首创:

  (1)首次研制成功中科院导航卫星专用平台;

  (2)首次研制成功我国地球同步轨道长寿命、高可靠业务运行小卫星;

  (3)首次采用上面级直接入轨发射方式;

  (4)首次验证相控阵星间链路与自主导航体制;

  (5)首次大量使用国产化器部件以实现自主可控。

  这颗卫星采用一体化设计方法,提出了功能链设计理念,卫星分为有效载荷、结构热、电子学和姿轨控等功能链,极大地提高了卫星的功能密度和可靠性。该星验证了基于星敏感器的姿态确定技术、高功能密度综合电子体系架构设计等多项导航卫星专用平台关键技术,为全球组网星组批生产奠定了基础。

  此次发射的卫星是“北斗”系统全球组网的首发星,卫星入轨后,将开展新型导航信号体制、星间链路等试验验证工作。该颗卫星的成功发射,标志着“北斗”卫星导航系统由区域运行向全球拓展的启动实施。

三 研制历程

  2009年,上海微小卫星工程中心在中科院知识创新工程的支持下,先期开展导航卫星方案论证工作;2011年10月26日,任务正式立项实施,上海微小卫星工程中心作为中科院导航卫星总体单位,牵头负责卫星研制工作,与来自中国电子科技集团、航天科技集团、航天科工集团、中科院、相关高校的近30个单位组建了联合团队,大力协同、集智创新,全面开展各项工作。

  该星研制技术难度之大、自主可控工作要求之高、研制进度之紧都超乎预期。卫星总体研制团队中“85后”的年轻同志占比达60.9%,绝大部分同志都是走出校园就走上重大航天型号的设计岗位。中科院研制团队秉承开放包容的心态,将创新理念融入到研制管理工作的方方面面,持续学习,不断拼搏,研究、攻关、工程化同时进行,历时1251个日日夜夜,终于完成了从卫星方案、初样、正样研制到发射等各阶段工作。

四.主要技术突破

4.1 功能链设计理念

  上海微小卫星工程中心突破了传统的分系统概念,提出了功能链的设计理念,在系统层面用功能的直接合并来简化环节,显著提高了功能密度,降低了体积、重量和成本。

  根据功能内在耦合程度,卫星分为四个功能链,分别是结构热功能链、电子学功能链、姿轨控功能链、有效载荷功能链。

4.2 框架面板式结构

  研制之初,中科院就明确了统一入轨方式、统一卫星平台、统一思想、统一研制队伍的“四统一”研制思路,其中第一个统一就是采用上面级直接入轨发射方式,“远征”一号上面级直接入轨方式属首飞,相比常规运载火箭与卫星系统的接口关系,该新状态给卫星总体设计带来了很多新的挑战。

  为了克服新状态带来的问题,负责卫星总体结构、热控、电子学的设计师们付出了辛苦的劳动,导航卫星采用了新型框架面板式构型,属国内首创。

  2015年3月31日3时34分,卫星与上面级顺利分离,进入预定轨道;由此证明了上面级直接入轨发射方式的可行性和卫星平台的适应性。后续组网卫星将广泛使用这种发射方式,并以一箭多星方式提高发射效率,降低发射成本,加快星座组网建设步伐。

4.3 基于星敏感器的姿态确定技术

  科研人员通过关键技术攻关,在导航卫星上首次提出并采用了单独星敏感器定姿技术,摆脱了长寿命、高可靠卫星对陀螺和红外地球敏感器的依赖,同时避免了在地影区太阳敏感器无法定姿的弊端,可以实现准确可靠的姿态确定。

  相比于传统的“太阳敏感器+红外地球敏感器+陀螺”定姿方法,基于星敏感器的定姿方法还有一个优点,就是在全天球范围内,通过星敏感器输出的惯性姿态,可以直接得到太阳方位和地球方位,无需复杂的捕获太阳和捕获地球的操作,简化了卫星的工作模式,大大提高了系统的可靠性。通过在卫星上星敏感器的布局设计,可以保证在轨正常运行过程中太阳始终不影响星敏感器的姿态确定。该技术的突破大大简化了姿轨控分系统配置,单独星敏感器定姿可以完成卫星对日和对地以及惯性定向等,适应未来一箭多星、上面级直接入轨的卫星轻量化和可靠性的设计要求。

  对于未来组网星,通过星敏感器和地球敏感器的组合可实现卫星自主轨道确定,无需地面测控注入卫星轨道数据,极大地降低了对地面测控的依赖,满足了未来导航卫星自主运行的要求。

4.4 高功能密度综合电子体系架构

  在卫星的星务管理和控制方面,采取了集中式控制、分布式管理的综合电子体系架构,通过总线将中央单元和各类远置终端相连接,把有关硬件、软件、接口、通信等从系统、部件、电路各个方面进行了不同层次的综合设计,该体系结构扩大了星务计算机功能,避免了重复备份。

  卫星的分布式管理方面,主要利用1553B总线、RS422总线统一连接卫星各部分单机,同时为成熟设备保留必要的遥测遥控信号。

  综合电子系统的设计按照系统配置最优原则,对平台和有效载荷各分离的电子设备进行集成和综合,充分有效地利用各子系统和设备的信息,提高硬件和软件等各种资源的复用程度。

4.5 相控阵星间链路

  星间链路是新一代“北斗”导航卫星的一个亮点,星间链路可实现卫星之间的精密测距、信息通信和时间同步,可将多颗卫星互联在一起,提高测定轨道及授时精度,并实现卫星自主导航,在一定程度上摆脱对地面站的依赖。

  我国之前的导航卫星没有星间链路,遥测遥控和导航星历的上行均依赖于地面站支持。新一代“北斗”导航卫星都将具备星间链路,即使在失去地面站支持的极端条件下,导航卫星还能生存相当长一段时间。而在常规状态下,星间链路也有助于提高卫星定轨精度。中科院承研的该颗卫星采用了基于相控阵天线的星间链路体制,跻身国际领先行列。

  2015年4月23日16时左右,该卫星星间链路设备开机,运行状态良好,在轨温度控制理想,18时左右完成了星地捕获和稳定锁定,实现星地建链,在“北斗”导航卫星上首次验证了相控阵方式的星间链路体制。

五.管理创新的措施

5.1 管理扁平化,决策高效化

  此次发射的卫星是上海微小卫星工程中心首次承担的长寿命、高可靠的业务星。为集中优势资源做好导航,进一步加强导航卫星总体力量,工程中心突破常规,于2011年9月15日成立了导航技术研究室,专业开展卫星研制技术工作;项目管理办公室作为两条指挥线的决策机构,建立了计划、质量、经费和物资保障等几条管理线,开展项目的总体管理工作。

  本着“做简约有效的管理”的原则,上海微小卫星工程中心导航项目实行扁平化管理,重大事项由中心主任办公会直接决策以提高效率。项目办建立了“两总”联席会制度,任务立项实施以来,共召开“两总”联席会33次,对型号研制中的重大事项进行决策。同时,项目办建立并很好地保持了周调度会、综合调度会、专题调度会、班前/班后会、专题协调会、质量工作会等各项制度并在研制工作中切实贯彻落实。2011年至今,共组织召开综合调度会21次,周调度会201次以及各类技术协调会,项目办和技术总体两驾马车相互配合,不断推动工作稳步推进。

5.2 流程合理化,效率出效益

  上海微小卫星工程中心秉承中科院不拘一格勇于创新的传统,型号“两总”们在研究技术创新的同时还琢磨着管理创新。新一代“北斗”导航卫星在研制流程上有两点比较突出:

  (1)大胆地决定在整星大型试验前完成单机软件落焊,提前固化软件状态,通过整星力学试验、真空热试验、EMC试验等一系列大型试验,在充分考核整星软件工作的正确性、匹配性的同时,更好地确保了整星总装集成的有效性。

  (2)充分优化卫星在发射场工作流程,卫星带太阳翼和蓄电池组整体运输,极大地减少了卫星在发射场的拆装次数,缩减了发射场工作时间。该卫星2015年2月26日空运进场,3月30日晚发射,仅用33天就完成了在发射场全部工作,创造了西昌卫星发射中心的新纪录。

5.3 创新管控方法,确保状态全程受控

  质量和技术状态管控既是航天型号管理的生命线,也是航天型号管理的难点。上海微小卫星工程中心独创性地提出了技术状态转移矩阵管理新方法,通过制定技术状态转移矩阵表,在卫星出厂技术状态的基础上,梳理卫星进场技术状态相对发射星技术状态待开展的工作项目明细及最终状态固化节点,结合卫星发射场技术流程,针对每一阶段测试及总装操作项目,详细记录每一项卫星操作相对于卫星发射状态的技术状态转移情况。通过并不复杂的一张张表格,既降低了技术状态管理的繁琐程度,又确保在每一项操作中卫星状态转移过程可控,清晰可见、有据可查。

5.4 坚定推进自主可控,提高核心器部件国产化率

  国产器部件的可靠性不仅是设计出来、生产出来的,同时还是使用出来的。从立项之初,上海微小卫星工程中心就坚定不移地走自主可控的道路,通过多次召开宣贯会使自主可控的理念深入到第一线设计师心目中。

  在本次发射的新一代“北斗”导航卫星上,核心器部件国产化率得到进一步提高,包括中科院武汉物数所研制的高精度星载铷原子钟、计算所研制的“龙芯1E”抗辐照中央处理器(LS1E)和“龙芯1F”抗辐照处理器(LS1F)、电子所研制的空间大功率行波管放大器等。

  2015年4月21日,星载铷原子钟、时频、大功率行波管等载荷单机开机,地面成功接收到卫星下发的导航信号,标志着我国在自主可控的道路上又迈出了坚实的一步。

5.5 年轻团队勇攀“北斗”高峰

  伴随着首颗新一代“北斗”导航卫星的发射升空,一支年轻的队伍也逐渐从幕后走到台前,他们中很多同志都是从高校校园直接进入上海微小卫星工程中心的测试间和厂房。“年轻人能有机会参与如此重大航天型号,还有什么理由不倍加珍惜呢?”——这是团队共同的想法。作风就是战斗力,在型号“两总”的带领下,这支队伍充分发挥了敢打肯拼、连续作战的作风,完成了星上近百台设备设计生产,60多个软件配置项研制,开展了数十次整星级大型试验和系统间对接试验,整星加电时间累计达2000多个小时,这支队伍被誉为“北斗战神”。

  当火箭呼啸着升空、当卫星与上面级顺利分离、当卫星太阳帆板展开锁定、当卫星准确定点捕获、当地面接收到卫星下发的导航信号,年轻的科研人员们热泪盈眶、群情激昂,1200多个日日夜夜、“5+2”、白加黑的生活成为大家献身国防、报效祖国的珍藏,也必将化作扬帆启航的新动力。

六.“北斗”团队誓师前进

  “北斗”事业光荣而神圣,此次发射的新一代“北斗”导航卫星拉开了“北斗”系统全球组网建设的序幕,根据国家导航领域2020年战略规划,后续任务依然十分艰巨,上海微小卫星工程中心将时刻铭记中科院提出的“立足自主创新、突破核心关键、提供解决方案、打破封锁垄断”的要义,持续发扬“自主创新,团结协作,攻坚克难,追求卓越”的“北斗”精神和“勤于学习,勇于创新,敢于挑战,善于合作,甘于奉献”的工作作风,根据国家航天的需要,在“北斗”系统全球组网建设的道路上迈出更快的步伐,做出更多贡献。

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