美國GPS衛(wèi)星平臺演化發(fā)展淺析

肖剛 武向軍 周耀華 張彬 袁俊剛 梁峻 （中國空間技術(shù)研究院）

美國“全球定位系統(tǒng)”（GPS）經(jīng)歷了GPS－1、2/2A、2R/2RM、2F的發(fā)展，目前已啟動GPS－3衛(wèi)星的建設(shè)。在GPS衛(wèi)星發(fā)展過程中，隨任務功能的增多和性能的提高，衛(wèi)星平臺也經(jīng)歷了不斷的演化和發(fā)展。

1 GPS－1衛(wèi)星平臺

GPS－1是美國第一代導航衛(wèi)星系統(tǒng)，衛(wèi)星由洛克韋爾國際公司（Rock w ell International）防務和空間系統(tǒng)分部（1996年并入波音公司）研制，1978－1985年共發(fā)射了11顆衛(wèi)星，其所有信號均向民用開放。

GPS－1衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板采用鋁蜂窩夾層板，設(shè)計壽命4.5年，但實際在軌壽命平均達到8.76年，除具有導航功能外，還具有核爆探測和星間通信功能。

2 GPS－2/2A衛(wèi)星平臺

GPS－2/2A是美國第二代導航衛(wèi)星系統(tǒng)，衛(wèi)星仍由洛克韋爾國際公司研制，1988－1996年共發(fā)射了8顆GPS－2和11顆GPS－2A衛(wèi)星。

衛(wèi)星對地面一側(cè)安裝了L頻段天線、核爆探測器。相對于GPS－1而言，GPS－2衛(wèi)星的改進主要有以下幾方面：設(shè)計壽命更長，達到7.5年；衛(wèi)星具有14天的自主導航能力；電子設(shè)備輻射強度增強；具有180天導航信息的存儲能力；具有實施選擇可用性（SA）和反電子欺騙（AS）的能力；具有誤差自動檢測能力。

GPS－2A衛(wèi)星是GPS－2的改進型，采用相同衛(wèi)星平臺，與前者的差別在于星上自主處理能力和星鐘精度得到提高，具有180天的自主導航能力，發(fā)射質(zhì)量增加156kg。

3 GPS－2R/2RM衛(wèi)星平臺

GPS－2R衛(wèi)星由洛馬公司研制，采用AS4000平臺，裝有超高頻（UHF）天線，具有14～180天的自主導航能力。1997－2004年共發(fā)射13顆。

GPS－2RM衛(wèi)星由GPS－2R改裝升級而成，增加了效率更高的天線，更換部分調(diào)制和發(fā)射電子設(shè)備。GPS－2RM衛(wèi)星可發(fā)射L2C信號，第一顆衛(wèi)星于2005年發(fā)射，迄今共發(fā)射了8顆。

衛(wèi)星構(gòu)形和布局

GPS－2R衛(wèi)星均采用承力筒式構(gòu)形，由承力筒、隔板和多塊面板組成。衛(wèi)星對地面一側(cè)安裝L頻段天線、超高頻天線、S頻段測控天線、地球敏感器、太陽敏感器、反作用輪線路組件、核爆探測裝置等。其他側(cè)面安裝導航載荷設(shè)備、平臺設(shè)備和搭載載荷設(shè)備。

控制與推進分系統(tǒng)

GPS－2R衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定、偏航控制。變軌采用固體燃料發(fā)動機，攜帶固體燃料約950k g。裝有16臺推力器，用于姿態(tài)調(diào)整。

電源分系統(tǒng)

GPS－2R衛(wèi)星電源分系統(tǒng)由太陽電池翼、蓄電池、電源控制器和火工品控制器等組成。衛(wèi)星裝有2幅太陽電池翼，每幅太陽電池翼由2塊板組成。蓄電池為2組鎳氫電池，容量為40A·h，衛(wèi)星在56min的陰影區(qū)可提供958W電能，放電深度為60%。電源分系統(tǒng)的母線電壓調(diào)整和控制繼承了GPS－1和2衛(wèi)星的設(shè)計，有3種模式工作：①分流模式，即母線電壓通過分流調(diào)整器進行調(diào)整；②充電模式，即母線電壓通過蓄電池充電器作為線性分流回路進行調(diào)整；③放電模式，即母線電壓通過蓄電池升壓回路進行調(diào)整。

4 GPS－2F衛(wèi)星平臺

GPS－2F衛(wèi)星的改進設(shè)計主要是為了滿足導航戰(zhàn)的要求，首先在空間段將衛(wèi)星信號發(fā)射功率提高到原來設(shè)計的10倍，軍用導航精度從15m提高到7m，增加了另一個L5民用頻段。同時，還使用了小功率原子鐘，采用星間鏈路和自主導航新技術(shù)，使GPS系統(tǒng)在沒有地面控制段支持的情況下，自主運行60～180天，并具有在軌快速重編程能力。

GPS－2F衛(wèi)星由波音公司研制，共12顆。為提高批量生產(chǎn)能力，采用模塊化設(shè)計，各種有效載荷配置在2塊面板上。GPS－2F衛(wèi)星主要的設(shè)計特點是繼承性、靈活性和兼容性，設(shè)計壽命延長到15年。

結(jié)構(gòu)及熱控分系統(tǒng)

GPS－2F衛(wèi)星采用承力筒式構(gòu)型，由主承力筒和各側(cè)面的壁板構(gòu)成，衛(wèi)星構(gòu)型尺寸為2440mm×1970mm×1970mm。固體燃料發(fā)動機置于承力筒內(nèi)，反作用推力模塊分布于衛(wèi)星相對的兩側(cè)。后壁板（背地面）外側(cè)安裝蓄電池、S頻段圓錐螺旋天線，內(nèi)側(cè)安裝反作用輪等設(shè)備；前壁板（對地面）安裝L頻段天線陣、UHF鏈路天線陣、遙測遙控圓錐螺旋天線、與搭載設(shè)備對應的4副L頻段天線、組合地敏及其他搭載探測器。±Y板安裝有效載荷和平臺設(shè)備。隔板只作為支撐板，不裝設(shè)備。衛(wèi)星采用預埋熱管進行溫度控制。

推進分系統(tǒng)

GPS－2F衛(wèi)星采用隔膜式推進劑貯箱，其變軌發(fā)動機為固體燃料發(fā)動機。

電源分系統(tǒng)

GPS－2F衛(wèi)星有2副太陽電池翼，每副太陽電池翼包含3塊太陽電池板（具備安裝4塊板的能力），太陽電池板上貼有硅電池片。電源分系統(tǒng)還包含4 組鎳氫蓄電池。

平臺柔性設(shè)計

由于GPS－2F衛(wèi)星在軌設(shè)計壽命為15年，整個項目的全壽命周期將持續(xù)30年，其間衛(wèi)星技術(shù)要求可能會發(fā)生變化，而且還會搭載其他一些設(shè)備，因此GPS－2F衛(wèi)星平臺進行了充分的柔性設(shè)計，在質(zhì)量、功率和布局空間等多個方面都留有一定余量。

火箭運載能力留有136～182kg的余量；每副太陽電池翼可增加到4塊太陽電池板，衛(wèi)星壽命末期電源能達到1200W，這為將來增加另一個民用信號、高軌衛(wèi)星用戶信號和軍用信號提供了空間。在布局空間上也為有效載荷擴展留有一定余量。

此外，還在1553數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)、測控通道數(shù)量、數(shù)據(jù)速率（500bit/s～3.9Mbit/s）、存儲容量、數(shù)據(jù)接口、電源接口和星間通信類型等方面留有余量。

5 GPS－3衛(wèi)星平臺

GPS－3衛(wèi)星包含8顆GPS－3A衛(wèi)星、8顆GPS－3B衛(wèi)星、16顆GPS－3C衛(wèi)星，其中GPS－3A采用A 2100衛(wèi)星平臺研制，設(shè)計壽命為15年，合同金額18億美元，第一顆衛(wèi)星將在2014年發(fā)射。GPS－3衛(wèi)星將采用“一箭雙星”方式發(fā)射。

A 2100衛(wèi)星平臺是美國洛馬公司的標準平臺，包含A 2100A、A 2100A X、A 2100M等系列。A 2100衛(wèi)星平臺電源功率從1.5～13k W，發(fā)射質(zhì)量1000～3900kg，設(shè)計壽命13～15年。A 2100平臺與GPS－1/2的衛(wèi)星平臺相比，最大的變化在于結(jié)構(gòu)形式不同，GPS－1/2衛(wèi)星平臺采用承力筒式構(gòu)型，而A 2100衛(wèi)星平臺采用板架式構(gòu)型，結(jié)構(gòu)效率更高。

A 2100衛(wèi)星平臺具有以下優(yōu)勢：①開放性強，通過標準化、模塊化的設(shè)計適合載荷較大范圍的變化；②碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)通過熱管將南北散熱板相連；③采用了高效的MR－510電弧等離子推進劑，提供比沖585s；④采用了柔性的1553B數(shù)據(jù)總線；⑤電源分系統(tǒng)可通過增加太陽電池翼基板數(shù)量和鎳氫蓄電池組數(shù)來滿足不同載荷配置的要求；⑥采用持續(xù)運行的半球形調(diào)諧陀螺進行三軸穩(wěn)定控制；⑦具有15年的設(shè)計壽命，考慮損耗因素和空間環(huán)境，采用了1.5倍的安全系數(shù)；⑧與多種火箭如“宇宙神”（Atlas）、“阿里安”（Ariane）、“德爾他”（Delta）、“長征”、質(zhì)子號（Proton）具有適用性；⑨經(jīng)過了嚴格鑒定試驗。

A 2100平臺包括結(jié)構(gòu)、熱控、推進、電源和姿態(tài)測量與控制5個分系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)

A 2100衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)分為平臺模塊和有效載荷模塊。有效載荷模塊包括北板、南板和對地板，3塊板構(gòu)成H型結(jié)構(gòu)，對接在平臺模塊上。東西面各包含2塊面板，作為衛(wèi)星操作面，因此4塊東西板在平臺模塊和有效載荷模塊對接后安裝。為了便于移動和隔熱，蓄電池安裝于平臺外表面上。推進劑貯箱和推進設(shè)備安裝于平臺模塊上。

GPS系列衛(wèi)星性能比較

A 2100衛(wèi)星平臺可通過改變主結(jié)構(gòu)高度及散熱面積，提供一定的可擴展能力。平臺面板采用鋁蜂窩碳纖維復合材料，與鋁合金及復合材料相比，使主結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕40%。星箭對接環(huán)采用石墨材料。

熱控分系統(tǒng)

A 2100平臺的熱控分系統(tǒng)設(shè)計與其他靜止軌道衛(wèi)星類似，主要由光學太陽反射鏡（OSR）、預埋熱管、隔熱多層、熱控儀、加熱片等組成。采用南板和北板作為散熱面。與以往的設(shè)計不同的是，南北板通過對地板的預埋熱管連接在一起，可以顯著降低所需的散熱面積。這樣連接的優(yōu)點是：在冬至日，北板被遮擋，南板受照，衛(wèi)星多余的熱量可以由北板散發(fā)出去；夏至日則正好相反。

推進系統(tǒng)

A 2100平臺采用由雙組元液體發(fā)動機和單組元推力器組成的雙模式集成推進系統(tǒng)。推進系統(tǒng)包括雙組元液體發(fā)動機、6個單組元22N推力器、12個單組元0.9N推力器、4個電弧推力器和3個燃料貯箱等。

A 2100平臺采用二組元液體燃料發(fā)動機進行遠地點變軌。22N發(fā)動機用于衛(wèi)星變軌其間的姿態(tài)調(diào)整。0.9N發(fā)動機用于軌道轉(zhuǎn)移、在軌工作和東西站位保持時的姿態(tài)調(diào)整。4個高效單組元電弧推力器（推力0.258～0.222N，比沖為570～600s）用于南北方向的站位保持。

所有姿控和軌道保持推力器均采取全功能備份。

電源分系統(tǒng)

A 2100平臺的電源分系統(tǒng)采用70V母線電壓，可將能量直接從電池板輸送到負載而無需任何中間環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換。電源分系統(tǒng)的組件數(shù)量大大減少，而可靠性大大提高。功率調(diào)整單元（PRU）實行了集成設(shè)計，替代了以前的3個功率管理單元，并且雙向能源轉(zhuǎn)換器集成了充電和放電模塊。在組件的層面上，采用了基于特定集成電路的分布式架構(gòu)，提高了可靠性。應用性特殊電源模塊的使用，避免了大量點對點式的連接，進一步增加了可靠性和工藝性。

姿態(tài)確定與控制分系統(tǒng)

A 2100衛(wèi)星平臺采用三軸穩(wěn)定方式，可采取零動量控制和偏置動量控制。其姿態(tài)測量與控制分系統(tǒng)可以連續(xù)測量并實時控制3個軸向的位置，由星載計算機、陀螺、地球敏感器、太陽敏感器、反作用輪等組成。A 2100平臺的姿態(tài)測量和控制能力幾乎代表了地球靜止軌道通信衛(wèi)星的最先進水平，可在轉(zhuǎn)移軌道和工作軌道對衛(wèi)星進行精確定軌和控制。

A 2100衛(wèi)星平臺采用3個半球共振陀螺輸出的慣性速率實時估算衛(wèi)星的姿態(tài)。地球敏感器和太陽敏感器組合工作，測量衛(wèi)星滾動、傾斜和偏航角度值，獲得的姿態(tài)角經(jīng)過卡爾曼濾波可以用來修正陀螺的漂移并更新陀螺的估算偏差的基準。陀螺儀的采用使得控制分系統(tǒng)更加穩(wěn)定，同時由于地球和太陽數(shù)據(jù)沒有直接被衛(wèi)星控制循環(huán)所采用，因此地球和太陽敏感器的擾動對于衛(wèi)星姿態(tài)測量和控制工作狀態(tài)影響不大。反作用輪采用“4備3”方案，平臺上為反作用輪尺寸增加留有一定空間。0.9N發(fā)動機用于在軌機動和動量傾斜過程中做精確控制，也同時作為衛(wèi)星的備用發(fā)動機。

6 GPS平臺演變的啟示

美國GPS衛(wèi)星從20世紀70年代初開始發(fā)射，截至2013年9月，在軌運行衛(wèi)星31顆，全部為GPS－2衛(wèi)星。從3種衛(wèi)星平臺的演化歷程來看，GPS衛(wèi)星平臺在承載質(zhì)量、功率、壽命、可靠性和分系統(tǒng)技術(shù)等方面進行了大量的技術(shù)突破與革新，引領(lǐng)了世界導航系統(tǒng)的發(fā)展方向，尤其在衛(wèi)星平臺與關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展上具有一定的借鑒意義。

GPS衛(wèi)星發(fā)展過程中，波音公司承制了GPS－1、GPS－2/2A、GPS－2F，洛馬公司承制了GPS－2R，并已獲得GPS－3的研制合同，衛(wèi)星平臺選用與承制公司的平臺產(chǎn)品種類有關(guān)。

綜觀GPS衛(wèi)星平臺的發(fā)展，既體現(xiàn)了較好的繼承性，又在平臺性能上進行了改進，特別是在新平臺研制和選型中會充分吸取以往平臺的不足和教訓。GPS－2R后的平臺研制中進行了充分的柔性化設(shè)計，從質(zhì)量、布局空間、功率、數(shù)據(jù)接口、存儲容量、遙測遙控通道等留了一定余量。

在衛(wèi)星平臺構(gòu)型方面，從GPS－1到GPS－3衛(wèi)星，衛(wèi)星構(gòu)型從承力筒式發(fā)展為板架式；設(shè)計壽命越來越長，從4.5年到15年；面板材料從鋁合金發(fā)展為碳纖維蜂窩夾層。由于衛(wèi)星功能的增多或性能的提高，從GPS－1到GPS-2F，衛(wèi)星質(zhì)量和尺寸越來越大。

從平臺構(gòu)型上講，導航衛(wèi)星的未來發(fā)展趨勢所采用的平臺構(gòu)型以板架式和桁架式較多。由于板架式構(gòu)形和桁架式構(gòu)形具有設(shè)計簡單、質(zhì)量輕、布局空間大、便于有效載荷擴展、工藝性好等特點，優(yōu)勢突出，已成為國外衛(wèi)星新平臺研制優(yōu)先采用的結(jié)構(gòu)形式。

從GPS衛(wèi)星平臺技術(shù)演化歷程來看，相繼研發(fā)了新型衛(wèi)星平臺或拓展現(xiàn)有平臺系列，提升衛(wèi)星平臺能力，主要體現(xiàn)在：①電源分系統(tǒng)。蓄電池從鎳鎘電池發(fā)展到鎳氫電池，而且電池容量越來越大；電池片從硅發(fā)展到砷化鎵，提供的載荷功耗越來越大。從GPS－2到2F，電源供電模式和電源控制設(shè)備保持了較好的繼承性。②控制與推進分系統(tǒng)。衛(wèi)星姿態(tài)測量從以敏感器為主發(fā)展到A 2100平臺以陀螺測量為主。GPS－2系列衛(wèi)星的變軌發(fā)動機均為固體燃料發(fā)動機，GPS－3系列衛(wèi)星將采用液體燃料發(fā)動機。從GPS－1到2F，推力器均采用單組元肼作為燃料，而GPS－3衛(wèi)星采用雙模式推進系統(tǒng)，即主發(fā)動機采用雙組元（四氧化二氮、肼），推力器采用單組元肼燃料。③熱控分系統(tǒng)。從GPS－1到GPS-2F主要采用熱管進行導熱，通過在南北板粘貼光學太陽反射鏡片進行散熱。A 2100的最大變化是南北板的熱管穿過對地板相連，提高了散熱能力。

因此，未來我國導航衛(wèi)星除了在已有或在研的衛(wèi)星平臺關(guān)鍵技術(shù)上繼續(xù)突破外，還應注意：①通過載荷需求牽引平臺的發(fā)展方向，把握好衛(wèi)星平臺的構(gòu)型與結(jié)構(gòu)形式，可為載荷提供更多更好的在軌服務；②衛(wèi)星平臺的研制要具有較強的適應性、較好的技術(shù)發(fā)展性和通用性，適應載荷多樣化的發(fā)展需求；③考慮導航衛(wèi)星具有快速組網(wǎng)、密集發(fā)射的特點，受限于發(fā)射能力和成本的約束，減輕衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量，提高載荷比仍然是衛(wèi)星設(shè)計的優(yōu)先發(fā)展方向，對衛(wèi)星平臺的控制能力、供電能力提出了更高的需求。