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创新引领北斗路 航天科技集团五院新一代北斗导航卫星研制纪实
[  来源:中国科技网-科技日报    点击数:     更新时间:2015-11-25 ]
    11月20日,第十八、十九颗北斗导航卫星顺利通过在轨测试和总结评审,第二十颗北斗导航卫星也完成了在轨“体检”。这意味着,作为新一代北斗导航卫星的“排头兵”,中国航天科技集团公司五院(以下简称五院)研制的三颗北斗导航卫星不辱使命,为下一步全球组网星座开展技术试验和工程建设奠定良好基础。

    这三颗卫星继7月25日一箭双星以及9月30日成功发射入轨后,紧张有序地开展了各项在轨测试,按计划完成了所有工作项目,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,达到了国际先进水平。

    创新出妙招,北斗步步高

    ——攻克众多首创技术,在轨捷报频传


    这三颗全球组网的“排头兵”,来自于成功孕育了十六颗北斗导航卫星的五院。在全面建成区域导航系统之后,该院北斗研制团队扛起了全球组网的重担。面对建设全球导航系统更精、更稳、更准的众多高难度指标要求,该团队坚持创新开路,苦战破关,将一个个世界公认的技术难题踩在脚下。

    以全新的导航信号体制为例,为了提高全球导航能力,实现和国外导航卫星系统兼容、互操作以及与北斗区域导航系统的平稳过渡,研制团队创新设计了全新的导航信号体制。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,居所有导航卫星首位。同时,第十八颗北斗导航卫星还开创性地试验在S波段播发导航信号。为了应对播发导航信号数量多的要求,研制团队成功解决了大功率、小型化等难题,并巧妙地通过多种组合选择、软件重构等方法,使这些信号利用效率更高,信号品质达到了国际先进水平。“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。今年8月,第十八、十九颗北斗导航卫星在遥远太空传来导航信号,标志着我国开启了北斗导航信号体制的新时代。

    北斗导航卫星所处的电磁与空间环境非常恶劣,为了提升新一代北斗导航卫星抵抗太空“风雨”的能力,研制团队煞费苦心。他们充分汲取了以往导航卫星的经验和教训,通过大量优化设计、仿真和试验,极大提升了卫星的空间环境适应性。三颗“排头兵”入驻太空几个月来,成功应对了太空恶劣环境的侵袭,始终保持连续稳定工作,全天时不间断地播发导航信号,展现出新一代北斗导航卫星的强健体魄。

    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,在卫星有限的空间内大大提高了有效安装面积,同时缩减了卫星尺寸,减轻了自身重量,提高了平台的功能,可以完美应对全球组网一箭多星批量发射、快速组网的挑战。新平台的输出功率比以往的北斗导航卫星大,但质量还不到以前的一半,其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。至此,中国航天又新增加了一个性能先进的卫星平台。

    新一代北斗导航卫星还拥有超一流的“智商”,这得益于首次采用的综合电子体系构架。为了实现敏捷智能化管理,研制团队从顶层优化配置了信息流和产品组合方式,极大地简化了设备间的接口。从实际运行情况来看,作为卫星的“大管家”,综合电子分系统“巧理千条线”,不仅贴心服务于所有的分系统,还井井有条地处理各类信息,组织调配力量实现自主管理,使卫星的信息集成度大幅提升。

    在新一代北斗导航卫星中,首创技术数不胜数——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,填补了国内空白,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”,将卫星上丰富的数据及时传递下来……太空中不断传来的捷报,成为新一代北斗导航卫星初上战场的无形勋章,展现了研制团队的创新能力和抓总建设全球卫星导航系统的自信。

    太空架“金桥”,星星互联通

    ——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。研制团队大胆提出采用卫星间互联互通的星间链路技术解决这一难题,突破星间链路技术成为研制团队的重要任务。

    在茫茫太空,卫星之间相隔万里,在两颗卫星间修建通信链路,可谓“难于上青天”。为攻破这一难题,研制团队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。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,第十八、十九颗北斗导航卫星首次实现星间建链,测量和传输体制验证获得了圆满成功,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。“星间链路功能,让星与星之间实现了通信、测距,进而大大提升了导航系统的自主可控能力。”北斗导航卫星总设计师王平说。

    几个月来,这座飞跨太空的“金桥”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。

    星间链路技术的突破,使我国建设全球卫星导航系统由“梦想在望”变为“成功在握”。

    核心自主控,精品“中国造”

    ——近百种新产品的应用,为全球导航系统建设铺路

    作为我国空间技术的主力军,五院研制团队深知“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”。这源自北斗人长期以来形成的自主创新精神和爱国情怀。

    “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,为了保证国产部件的性能质量,他们不惜花了超过一般卫星3倍多的时间,对国产部件反复进行验证测试。

    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。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。在他的带领下,厂家对于结构、工艺进行了重大改进,突破了这一技术难关,研制水平也得到了大幅提升。这样的事例数不胜数,正如王平所说:“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。”

    正是通过艰辛的努力,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,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,国产化率在我国长寿命卫星中位居榜首。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尚属首次。

    这些新产品的应用,不仅充分展现了研制团队实现航天强国梦的担当,为后续北斗导航卫星的全面国产化铺平了道路,还带动了国内基础工业进步,促进了相关基础学科快速发展,提升了对前沿技术发展的引领能力。同时,在多年的宇航产品密集研制过程中,五院练就了一支技术高超、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保证。
作者:潘 晨 付毅飞     编辑:孙旭    
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