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北斗三期M1-S M2-S (第18、19颗北斗导航卫星):11月加入国际卫星激光测距服务组织(ILRS)

      2015年11月,我国北斗二代导航卫星Compass-ms1、Compass-ms2正式加入国际卫星激光测距服务组织(ILRS)的国际联测卫星系列中。长春站正式将该卫星设为常规观测的卫星,提高了观测权重。11月15日,我站成功获取Compass-ms2卫星的有效数据,数据处理后的时间偏差为-655.3ms、距离偏差为214.4m。 

        Compass-ms1、Compass-ms2卫星的预报来源于北斗导航卫星发布的广播星历,以及地面跟踪设备的不足,导致预报精度较差, 由于Compass-ms1、Compass-ms2卫星的时间偏差和距离偏差都很大,导致观测难度增大,我站采用了有效的观测方法,并在第一时间成功获取了该卫星的有效观测数据,充分体现了我站具有极强的观测能力。

      在长春站日常观测的国际联测卫星中,北斗导航系列卫星占有最高的观测权重,我站也在北斗导航卫星的观测中,获取了大量的观测数据,观测数据数量基本位于国际前三位,这些数据将我为我国的北斗导航卫星提高定轨精度起到重要作用,为我国地域观测目标的卫星精密定轨做出了突出贡献。 


我国新一代北斗导航卫星性能指标大幅提高

科学网

         11月20日,第18、19颗北斗导航卫星顺利通过在轨测试和总结评审,第20颗北斗导航卫星也同时完成了在轨“体检”。在此次测试中,航天科技集团五院(以下简称五院)研制的三颗北斗导航卫星全面验证了关键技术,导航信号性能指标较前一代北斗卫星大幅提高,达到国际先进水平。

攻克众多首创技术,在轨捷报频传

        面对建设全球导航系统更精、更稳、更准的高难度指标要求,成功孕育了十六颗北斗导航卫星的五院研制团队坚持创新开路,将一个个世界公认的技术难题踩在脚下。

        在导航信号体制方面,北斗导航开启了一个新时代。新一代北斗导航卫星的播发信号数量比以往提高了2倍多,居所有导航卫星播发量首位。“这是具有自主知识产权的全新信号格式。在同样的时间内,导航卫星可发送更多的信号,更好更快地满足用户需求。”北斗导航卫星总设计师谢军说,研制团队成功解决了大功率、小型化等难题,使信号利用效率更高,信号品质达到国际先进水平。

        验证新型导航卫星平台,是这三颗卫星的重要使命之一。为打造一个适合全球导航卫星组网需要的全新导航卫星平台,研制团队创新采用了桁架式结构设计,极大地提高了有效安装面积,缩减了卫星尺寸和自身重量,提高了平台的功能,可完美应对全球组网一箭多星批量发射、快速组网的挑战。新平台的功率质量比优于俄罗斯格洛纳斯和欧洲伽利略导航卫星平台,在国际同类卫星中居先进水平。

         新一代北斗导航卫星拥有的超一流“智商”,得益于首次采用的综合电子体系构架。这个“大管家”巧理千条线,不仅贴心服务于所有的分系统,还井井有条的处理各类信息,实现自主管理,使卫星的信息集成度大幅提升。

         为提升新一代北斗导航卫星抵抗太空“风雨”的能力,团队通过大量的优化设计、仿真、试验,极大地提升了卫星的空间环境适应性。成功入轨以来,三颗“排头兵”始终保持稳定工作,全天时不间断地播发导航信号,展现出强健的体魄。

         此外,新一代北斗导航卫星还首次在国内卫星中采用扩跳频测控技术,极大地提高了卫星的安全性,具有极强的推广价值。首次在国内卫星中实现了多卫星数据的汇集和高速传输,使大数据驶入“高速通道”。

掌握星间链路技术,突破全球组网难关

         与国外全球导航卫星不同,全球北斗导航卫星面临的一大难题,就是不能全球布站,在此情况下如何建设全球导航系统成为了一道待解难题。为此,研制团队大胆提出了采用卫星间互联互通的星间链路技术。

         然而,在微如尘埃的两颗卫星间修建“桥梁”可谓难于上青天。为攻破这一难题,研制团队展开了艰难的方案论证和研制攻关。他们开创性地提出了混合型新体制星间链路方案,形成了一系列具有自主知识产权的星间链路网络协议和相关设计,攻克了空间相控阵天线技术难关,使一座精巧的“金桥”飞跨,联通了北斗导航卫星。为了让星与星之间的测距更为精准,团队在提高信号稳定性、提升原子钟的精度等众多方面展开了集智攻关,进行了系统优化。

       8月9日,第18、19颗北斗导航卫星首次实现星间建链,标志着我国成功验证了星间链路的核心技术,解决了星间高精度测量的难题,为建立全球卫星导航系统迈进了一大步。

        三个多月以来,这座飞跨万里太空的“金桥”持久而稳固,从未“掉链子”,用户测距精度较前一代北斗卫星系统提高了两倍,达到了国际在轨的导航卫星水平。这意味着,在导航卫星最关键的定位功能上,我国已走在国际前列。

国产化率98%,关键器部件均为“中国造”

        作为我国空间技术的主力军,五院研制团队成员深知:“中国人的脊梁不能由外国人扛着”。新一代北斗导航卫星98%的部件都实现了国产化,关键器部件均为“中国造”。

       “建设独立自主的北斗导航系统,必须做到核心在手。”总设计师陈忠贵如是说。为此,总设计师们承担了质量不稳定、进度推迟等风险,顶着巨大的压力推动国产化工作。团队也为此付出了艰辛的努力,花了超过一般卫星3倍多的时间,对国产部件反复进行验证、测试、迭代。

         以大功率微波开关研制为例,在产品功率耐受试验时,曾一度受阻,厂家陷入了困局。总设计师谢军第一时间来到生产现场,与厂家一道分析、试验,重新做了好几轮设计。“我们不断地在质量、进度等各种风险之间权衡、决策,但即便是在最艰难的时候,也从未动摇过国产化的决心”。总设计师王平说。

       通过艰辛努力,长期依靠进口的行波管放大器组件、微波开关、动量轮组件、星敏感器等关键产品首次实现了主、备份全部国产化,国产化率位居我国长寿命卫星的榜首。此外,元器件国产化也成绩喜人,70余类将近万只新研国产化元器件在新一代北斗导航卫星上得到了应用。同时使用如此多的新研国产化元器件,在国内卫星研制史上也是第一次,尤其是高速信号处理器、大容量存储器等广泛使用的核心元器件首次实现了国产化。

       在五院研制团队看来,这不仅为后续北斗导航卫星的全面国产化铺平了道路,还牵引和带动了国内基础工业的进步,促进了相关基础学科的快速发展。与此同时,五院培养了一支技术高超、经验丰富的人才队伍,形成了一整套科学、完善的科研体系和试验、验证体系,为持续研制国际先进导航卫星提供了有力的保证。



北斗三期M1-S M2-S


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       北斗MEO星高都是2.2米,体重1014.2公斤,外形都基本一样,外人很难区分开。除了搭载的个别载荷有所不同,设计状态是基本一致的,是名副其实的孪生兄弟。均按照正式组网批产状态研制、同时投产。像这样的中圆轨道卫星,在全球组网中一共需要发射24颗。

六大突出特点。
       一是首次采用全新的全球卫星导航信号体制,可与GPS等国际主流导航系统实现系统兼容和互操作,实现了用于全球组网的北斗卫星信号体制与之前区域组网的的北斗卫星信号体制的平稳过渡;
      二是面对未来卫星导航信号的发展趋势,新增加了一路全新的S频段导航信号,使我国在掌握频段资源上占据了主动;
      三是首次为北斗卫星增加了星间链路功能,星与星之间可实现通信、测距,进而实现星间、星地联合精密定轨、全球一站式测控等功能,大大提升导航系统的自主可控能力;
      四是采用了全新的高精度星载原子频标,使导航定位精度进一步提高;
      五是采用了大量国产化元器件和部件,元器件种类国产化率达到86%以上,电源控制器、锂电子蓄电池组、行波管放大器等关键部件全部实现国产化;
      六是采用了五院研制的导航卫星专用平台,运用了综合电子等先进技术,在使卫星功能、性能提高的同时,大大减轻了卫星重量,更适应于上面级一箭双星发射。
肩负四大使命
        作为全球导航卫星系统组网的排头兵,为我国建成“独立自主、开放包容、技术先进、稳定可靠”的全球导航卫星系统开展全面验证。
使命一:验证系统方案
       首先要承担的,就是在轨验证全球卫星导航系统总体方案与技术体制。要知道,不论是系统总体和工程各大系统的总体方案,还是关系全球系统功能性能实现的重要技术体制等,在北斗导航大家庭里都是全新的挑战。
        就拿信号格式来说吧,这次采用的是具有自主知识产权的全新信号格式,导航信号数据在区域组网导航卫星的基础上扩展了一倍还多。这意味着同样的时间内,导航卫星可发送更多的信号,更好更快地满足用户需求。
        作为排头兵,要很好地验证其测距、抗干扰、抗多径等性能,还要验证首次在空间使用的星间链路技术,将于今年3月发射的北斗卫星实现星间互联互通,共同开展全球组网试验验证工作。星地一体控制与信息传输、系统安全……还有一系列的新技术体制等待着去一一验证。
使命二:畅通各大接口
       航天可是个系统工程,各大系统、各个环节的的完美匹配决定了整个任务能否顺利实施。要为后面的卫星理顺各种接口和关系,使研制流程更加顺畅,风险进一步降低。卫星与地面试验支持系统接口、卫星与测控系统接口、卫星间接口、卫星与运载火箭系统的接口、卫星与发射场系统的接口等等,这些接口关系都迫切需要在轨验证——哪一个接口都不能出现问题,否则全球组网就会“掉链子”。
使命三:练兵关键技术
      集中国造“豪华配置”于一身。以高精度星载原子钟、星间精密测距和通信、星座自主运行等为代表的卫星载荷关键技术,以轻量化、长寿命、高可靠为典型特征的卫星平台关键技术,以基于星地链路和星间链路的导航卫星联合精密定轨等为代表的地面运控关键技术……众多关键技术攻关成果和国产化关键器部件等待着“沙场练兵”。
使命四:探测未知环境
      作为先行者,还将率先探测全球导航卫星将面临的电磁与空间环境。开展电磁环境探测,监测导航卫星的干扰信号,为卫星提供抗干扰性能设计依据;开展空间环境探测,收集导航卫星轨道空间环境及其效应背景资料,进行轨道空间环境特性分析,为后续卫星研制、在轨保障和事件分析积累扎实的数据。(潘辰 刘淮宇 王娟)


       2015年7月25日发射的两颗北斗导航卫星与此前的北斗卫星相比发生了脱胎换骨的变化,部件国产化率提高到98%”。

  第18、19颗北斗导航卫星的设计寿命从以前的8年提高到12年。这两颗卫星使用的新技术、新产品占到卫星全部产品的近八成,这在中国以前研制的卫星上前所未有。

         五院总体部的北斗研制团队专门研制出星间链路系统方案和星间网络协议,在北斗双星“兄弟”身上安装了面向北斗全球系统的Ka频段相控阵天线及星间收发信机。

       五院西安分院和510所的国产新一代高精度铷钟。为整个卫星提供时间基准和频率基准,其稳定度直接决定了导航卫星的精准度,是新发射的北斗双星有效载荷的核心设备。相比前期导航卫星铷钟物理部分,高精度铷钟物理部分的真空万秒稳定度提高了10倍,导航精度更加精确,自主导航时间延长。

       卫星在轨稳定工作12年,控制分系统要实现至少60天完全自主运行的目标,这对卫星的“大脑”提出了极高的要求。五院502所研制的首个高轨卫星综合电子系统被称为“最强大脑”,它的成功在轨应用,推动着中国航天综合电子技术的跨越式发展,为卫星电子系统智能化、集成化、轻量化和高可靠寻求了最优的解决方案。卫星上应用了我国自主知识产权的四核片上系统SoC2012和国产化ASIC芯片,这两种产品从方案到控制算法,从硬件到SpaceOS2.0操作系统、再到应用软件,均为100%中国制造,其性能大幅超越上一代产品。中心管理单元(CMU)是“最强大脑”的核心产品,质量较过去减少了1/3多,功耗、体积大大减小;计算性能是之前导航卫星的3倍,通信能力和可靠性均达到国际先进水平,自主管理、自主诊断和生存能力得到全面提升。

      五院529厂首次采用了桁架式主承力结构,比传统的结构承载能力更强,重量更轻。

      五院508所配置了多台监视相机,属于CMOS相机家族的“第二代+”产品。重量600克,与嫦娥三号上的监视相机相比,减重1/7,体积和功耗也大幅降低;首次配备了存储功能,具备了一张16G的内存卡,可以存储256张照片,随时存取,数据实时传输;首次采用多斜率积分成像技术,在以往全局测光的基础上新增局部测光功能,可以对想要呈现的具体景物单独测光,保证图像更加清晰自然;该技术还提高了图像的动态范围,避免照片曝光过度或光线太暗导致的成像模糊,使相机足以应对太空中恶劣的成像条件,图像质量显著提高。随时让地面上的技术人员了解卫星状态。

      五院502所研制的新一代双组元10N发动机即10NG,重量只有600克,承担了卫星整个12年寿命期间的姿态控制与轨道调整任务,是我国目前唯一使用的长寿命双组元姿控发动机。相比于之前北斗一号导航卫星上做出重要贡献的10N发动机,10N改进型发动机增加了更多的“技能”:其节省的燃料可以为卫星延寿的时间将以年计;在轨工作寿命由8年提升到了15年以上;最长累积点火时间可达到90小时以上;动作的准确度和精度提升了整整一倍,保证了在任何时间任何地点,只要卫星需要,都能在第一时间毫无偏差的做到位。

      经过前期北斗导航卫星的探索与实践,五院总装与环境工程部形成了整星批试验的技术体系,具备了完整的批试验技术流程,研制出成套的批试验专用工装,在国内首次实现了大型航天器批量化热试验,缩短了试验周期。刚刚发射成功的北斗导航双星就实现了并行热试验,这是国内首次中型卫星双星在同一容器内并行进行热平衡、热真空试验。另外,在卫星的振动试验中,该部还采用了力限振动控制方法,此方法首次在正样星应用,标志着该技术的逐步成熟。

      仿真系统的应用为研制任务的顺利完成提供了技术支持和质量保证。总装工艺师们发明了基于航天器装配仿真技术的虚拟装配方法,实现了卫星群总装流程优化、大重及特殊设备安装、逆流程操作等难题解决方案的可行性验证与风险分析,关重设备安装及逆流程操作一次合格率100%,既省时省力,又能提前发现装配风险;

      电磁兼容仿真系统也为五院529厂研发的一种插板式二次电源产品做出了突出贡献。这种电源产品是将6个小模块电源集成在一起的板卡式组件产品,集成度高带来的是复杂的电磁影响关系,试验次数多是影响任务进度的难点,而在仿真系统的帮助下,原来要验证一个设计,往往需要做十几次试验,现在在电脑中进行仿真,不光速度快,还能直接生产各种数据,让设计师改进设计时有据可依。

       北斗导航卫星贮箱的研制,批量大、节点紧,五院510所将贮箱产品的生产过程划分为通用相似零组件生产阶段和产品组装阶段,将以前按技术流程组织生产的模式,转变为按零组件生产,实行表格化管理,生产进度细化到每一个工序。打破型号壁垒,避免了由于缺乏整体协调、各型号之间抢占生产资源的现象,使生产线上的每个环节的能力都发挥到最佳,提高了生产效率。


专题:新一代北斗导航卫星组网先行

http://zhuanti.spacechina.com/n994669/index.html


中国航天科技集团公司的新一代北斗导航卫星的研制工作正在紧锣密鼓地进行。

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图为技术人员检查太阳翼安装情况。

新一代北斗导航卫星研制队伍严把产品质量关,通过现场检测、数据比测等手段,深挖问题隐患,夯实成功基石。

       航天科技五院待命出征的三颗新一代北斗导航卫星将于今年下半年发射升空。另外中科院上海微小卫星工程中心还有一颗卫星也在下半年发射。统计下来,今年发射的5颗北斗导航试验卫星中,五院3颗,中科院2颗(包括3月30日发射成功的I1-S试验卫星)。 


航天科技集团研制北斗“先行者”助力北斗全球组网

——中国航天科技集团公司加紧研制新一代北斗导航卫星记

     走进整洁明亮的中国航天科技集团公司五院北斗导航卫星专用测试厂房,两个高约2.2米的“小家伙”和一个高约3.6米的“大家伙”首先映入记者眼帘,科研人员正围绕在它们周围进行紧张的测试工作。

      五院新一代北斗导航卫星总设计师王平告诉记者,它们三个就是研制中的新一代北斗导航卫星,承担着为北斗全球组网进行先期新技术验证的任务,是为北斗全球组网探路的先行者。目前,三颗卫星中的两颗卫星已完成出厂前的100小时连续无故障测试,另一颗卫星也已进入研制的最后冲刺阶段,研制工作正按计划向前推进。


新技术上马


“先行者”无惧高难度


集团公司为什么要研制这三颗北斗导航卫星?它们对建成北斗全球卫星导航系统有何意义?这还要从北斗卫星导航系统的“三步走”战略说起。


我国自主建设、独立运行的北斗卫星导航系统,按照“三步走”的战略实施,目前第一步和第二步已经实现:2000年年底,北斗卫星导航试验系统建成,面向中国及周边地区提供服务;2004年启动北斗卫星导航系统的建设,2012年年底已形成区域覆盖能力,正式向亚太大部分地区提供运行服务。


我国目前正在实施第三步,即建成北斗全球卫星导航系统,形成全球覆盖能力。按照计划,第三步计划于2020年前后建成,为此要完成约30颗北斗导航卫星的发射和组网任务。


由五院总体部抓总研制的这三颗新一代北斗导航卫星,承担着发射并建成在轨验证系统,完成系统方案和体制、关键技术、系统间接口和运行管理的在轨试验与验证,确定未来北斗全球卫星导航系统的技术状态等重要使命,直接关系到后续组网建设的进程。


新一代北斗导航卫星与此前发射的北斗卫星“前辈们”相比,发生了脱胎换骨的变化,这也是三颗卫星的研制经历了较长时间的原因。王平介绍,这批卫星具有技术指标要求高,新技术、新产品多,器部件国产化水平高三个最为突出的特点,这同样是研制人员必须攻克的技术难点。


“我初步统计了一下,新一代北斗导航卫星的新技术、新产品占到了卫星全部产品的近八成,这在中国航天以前研制的卫星上前所未有。”王平说,卫星的新技术占比直接反映了研制工作的难度,一般我国的新研卫星新技术占比达到45%左右,就已经算具有极大挑战性了。


除此之外,这批卫星实现了多项关键元器件和所有关键部组件100%国产化,这意味着中国卫星技术自主实力将进一步增强。这些卫星发射升空通过在轨测试后,这些国产元器件不仅可以用于北斗后续卫星批量化研制、加快全球组网,还能向其他型号进行推广运用。


全系统一盘棋


期待如约“天上见”


作为我国航天事业的主导力量,北斗导航系统建设的第一步和第二步发射的卫星均由集团公司抓总研制。在第三步北斗全球组网的进程中,集团公司同样将肩负重任。


早在北斗全球卫星导航工程得到国家立项之前,集团公司在2009年就为北斗全球卫星导航系统成立了专门的项目办。一方面从原来的北斗导航卫星研制团队抽调出精干力量,另一方面从其他团队吸收一批专业技术人才,组建了专门进行新一代北斗导航卫星研制的队伍。


经过多年的攻关,团队克服了技术难度大、进度紧、三颗卫星并行研制协调难度高、器部件进行国产化技术挑战大等多项困难,研制工作从去年下半年开始进行最后的试验测试阶段。


从2014年8月开始,团队每天都会工作到半夜,各项测试工作安排得满满的,连今年春节期间都没有休息一天。


五院总体部测试室一支队伍要负责这三颗卫星的全部测试工作,工作量叠加本来就带来很大压力,还要克服难题、协调两颗卫星同时“进罐”进行热真空测试。在五院,两颗像北斗这样的“大个儿”卫星同时进行测试,以前从未做过。新一代北斗导航卫星副总指挥王东带领调度人员为此动了不少脑筋。


新一代北斗导航卫星研制也是全系统一盘棋。只要任务需要,京外单位技术人员就听从调遣赶到北京,集中住在五院大门外的宿舍,随时支持研制工作。


春节期间,八院811所电源分系统工程师阎兴頔和同事待在密不透风的测试间,监视电源供电情况。供电设备功率很高,工作时散发的热量能使室内温度在寒冷的冬季也达到30多度。技术人员在极端艰苦的条件下依然坚持高标准工作。


因为任务需要,新春佳节也难以与家人团聚,但他们无怨无悔。这样的故事在这个团队里还有很多。团队全体成员只有一个心愿,三颗新一代北斗导航卫星如期升空,圆满完成助力北斗全球组网的光荣使命。


按照计划,正在五院待命出征的三颗新一代北斗导航卫星将于今年下半年发射升空,它们上天后的表现值得期待。(刘淮宇 冯松龄)


2014年5月,一箭双星整流罩分离试验

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