北斗－3衛(wèi)星的創(chuàng)新和技術(shù)特點(diǎn)

謝 軍 王金剛 （中國空間技術(shù)研究院）

北斗－3衛(wèi)星的創(chuàng)新和技術(shù)特點(diǎn)

謝 軍 王金剛 （中國空間技術(shù)研究院）

Innovation and Technology Characteristics of Beidou-3

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是國家重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，是我國重大科技創(chuàng)新工程、軍民融合工程和應(yīng)用服務(wù)工程，可為各類用戶提供高精度、全天候的定位、導(dǎo)航與授時服務(wù)。2012年12月27日，我國政府宣布北斗－2衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式對我國及亞太地區(qū)提供區(qū)域服務(wù)。近5年來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。

2017年11月5日，由中國空間技術(shù)研究院研制的北斗－3首批組網(wǎng)中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星以“一箭雙星”方式在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，衛(wèi)星成功入軌，標(biāo)志著我國“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)工程開始由北斗－2系統(tǒng)向北斗－3系統(tǒng)升級，北斗－3衛(wèi)星組網(wǎng)建設(shè)邁出了堅(jiān)實(shí)的第一步。

相對于北斗－2系統(tǒng)，北斗－3系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了從中國及亞太地區(qū)向全球覆蓋的跨越，同時，在用戶導(dǎo)航定位的服務(wù)精度、信號連續(xù)性、系統(tǒng)可用性等方面也實(shí)現(xiàn)了大幅提升。

作為北斗－3系統(tǒng)的空間段組成部分，其創(chuàng)新和技術(shù)特點(diǎn)是整個工程系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵。本文從衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)的角度，梳理總結(jié)了北斗－3系統(tǒng)的創(chuàng)新和技術(shù)特點(diǎn)。

1 采用了導(dǎo)航衛(wèi)星專用平臺

北斗－3衛(wèi)星平臺化設(shè)計(jì)在保證衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)架構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，可為系統(tǒng)后續(xù)功能和需求拓展提供更大的適應(yīng)能力。

北斗－3中圓地球軌道衛(wèi)星采用新型的導(dǎo)航衛(wèi)星專用平臺，該平臺采用桁架式主承力結(jié)構(gòu)、單組元推進(jìn)系統(tǒng)、綜合電子體系和全調(diào)節(jié)供電系統(tǒng)，具有功率密度大、載荷承載比重高、設(shè)備產(chǎn)品布局靈活、功能拓展適應(yīng)能力強(qiáng)等技術(shù)特點(diǎn)，適于采用運(yùn)載火箭加上面級“一箭多星”直接入軌的發(fā)射方式。該衛(wèi)星平臺承載能力1100kg以上，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命大于10年。

桁架主承力結(jié)構(gòu)由星箭分離接頭、艙間連接接頭和桁架桿件、結(jié)構(gòu)板等組成。桁架由先進(jìn)的復(fù)合材料纏繞而成，桁架與連接接頭采用鉸接連接。星箭對接接頭進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，滿足最大發(fā)射載荷承載要求，同時采取特殊設(shè)計(jì)以減弱對星箭分離沖擊傳遞，降低星箭分離沖擊對衛(wèi)星的影響。桁架桿件間采用鋁蜂窩結(jié)構(gòu)艙板連接，最大限度地?cái)U(kuò)展儀器設(shè)備安裝和布局，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)基頻、靜態(tài)載荷滿足運(yùn)載火箭各種工況要求。

采用液體單組元推進(jìn)系統(tǒng)，通過落壓工作模式，貯箱攜帶氦氣作為推進(jìn)劑的擠壓氣體，液路采用雙分支備份方式，利用推力器組件實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星三軸姿態(tài)和軌道控制。

衛(wèi)星平臺電子系統(tǒng)采用綜合電子體系設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對整星的信息綜合與控制，包括姿態(tài)控制、能源管理、配電、熱控、遙控、遙測、時間系統(tǒng)、故障處理等功能，主要由1臺中心處理單元和多臺綜合業(yè)務(wù)單元及1套數(shù)據(jù)總線組成。

衛(wèi)星采用全調(diào)節(jié)單母線供配電系統(tǒng)，配置150Ah的鋰離子蓄電池組和三結(jié)砷化鎵高效太陽電池，通過高效電源控制單元實(shí)現(xiàn)一次電源的全調(diào)節(jié)控制。采用順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過誤差信號采集，實(shí)現(xiàn)蓄電池放電、充電及順序分流工作模式下母線電壓的調(diào)節(jié)。

2 采用了新型導(dǎo)航信號體制

衛(wèi)星導(dǎo)航信號是衛(wèi)星傳播位置和時間信息的載體，又是測量位置和時間的標(biāo)尺，是衛(wèi)星系統(tǒng)提供定位、導(dǎo)航與授時服務(wù)的關(guān)鍵，其質(zhì)量是衡量導(dǎo)航衛(wèi)星水平和工程系統(tǒng)服務(wù)性能的重要標(biāo)志。

為了進(jìn)一步改善“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星信號的性能，提高信號利用效率和兼容性、互操作性，北斗－3衛(wèi)星下行導(dǎo)航信號在繼承和保留部分北斗－2系統(tǒng)導(dǎo)航信號分量的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)采用了以信號頻譜分離、導(dǎo)頻與數(shù)據(jù)正交為主要特征的新型導(dǎo)航信號調(diào)制體制，優(yōu)化調(diào)整信號分量功率配比，提高下行信號等效全向輻射功率（EIRP）值，實(shí)現(xiàn)了信號抗干擾能力、測距精度等性能的顯著提升，為信號擴(kuò)容提供了基礎(chǔ)。同時，衛(wèi)星系統(tǒng)具備下行導(dǎo)航信號體制重構(gòu)能力，可根據(jù)未來發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步需求進(jìn)一步升級改進(jìn)。

在“北斗”系統(tǒng)全球服務(wù)范圍內(nèi)，系統(tǒng)在繼承和保留北斗－2衛(wèi)星B1I、B3I信號的基礎(chǔ)上，新增了B1C公開信號，并對B2信號進(jìn)行了升級，采用新設(shè)計(jì)的B2a信號替代原B2I信號，實(shí)現(xiàn)了信號性能的提升，同時充分考慮了與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容與互操作。

B1C信號是北斗－3衛(wèi)星新增的公開服務(wù)信號，位于B1頻點(diǎn)（1575.42MHz），適用于民用單頻用戶，包括導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)2個信號分量。其中，導(dǎo)頻分量采用QMBOC（6,1,4/33）調(diào)制方式，不傳遞數(shù)據(jù)信息，僅用于測距導(dǎo)航，具有更強(qiáng)的抗干擾捕獲跟蹤特性，有利于改善用戶在弱信號和干擾條件下使用體驗(yàn)；數(shù)據(jù)分量采用BOC（1,1）調(diào)制方式，具有50bit/s的信息速率，基本電文信息和完好性信息調(diào)制在數(shù)據(jù)分量上以B-CNAV1電文格式面向用戶播發(fā)，符號速率100符號/秒，播發(fā)周期18s。新增的B1C信號具有與GPS/Galileo互操作能力。

B2a信號（1176.45MHz）是北斗－3衛(wèi)星在B2頻點(diǎn)新增的公開服務(wù)信號，便于民用雙頻用戶使用，同樣包括導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)2個信號分量，采用QPSK（10）調(diào)制方式，通過數(shù)據(jù)分量以200符號/秒的符號速率按照B-CNAV2電文格式播發(fā)基本電文信息和完好性信息，播發(fā)周期3s。B2a信號同樣可與GPS/Galileo兼容互操作。

為了確保提升用戶服務(wù)精度指標(biāo)，北斗－3系統(tǒng)在工程研制過程中，制定了專門的措施，通過對下行導(dǎo)航信號的時域、頻域、相關(guān)域等方面性能參數(shù)的控制，全面提升了播發(fā)導(dǎo)航信號的質(zhì)量特性。

3 采用了更高精度的原子鐘

作為導(dǎo)航衛(wèi)星核心部件，星載原子鐘的性能指標(biāo)，特別是穩(wěn)定度和漂移率是衛(wèi)星的關(guān)鍵指標(biāo)，對整個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能有直接影響；同時，作為星載設(shè)備，對原子鐘的小型化和集成度方面也提出了越來越高的要求。

北斗－3衛(wèi)星上采用了我國自主研發(fā)的更高穩(wěn)定度、更小漂移率的新型高精度銣原子鐘和氫原子鐘，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星時頻基準(zhǔn)性能指標(biāo)的大幅提高。銣原子鐘產(chǎn)品具有較高的技術(shù)成熟度，對衛(wèi)星的功率、質(zhì)量等資源占用較少，首批組網(wǎng)的2顆中圓地球軌道衛(wèi)星均采用了銣原子鐘產(chǎn)品。相對北斗－2采用的第一代國產(chǎn)銣原子鐘，其產(chǎn)品體積、質(zhì)量方面大幅降低，北斗－3星載銣原子鐘電路設(shè)計(jì)與溫度控制進(jìn)行了優(yōu)化，物理部分的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程控制更加精細(xì)化，保證了銣原子鐘的穩(wěn)定度指標(biāo)大幅提高。星載銣原子鐘質(zhì)量約5kg，頻率準(zhǔn)確度優(yōu)于2×10-11，短穩(wěn)和長穩(wěn)指標(biāo)優(yōu)異，天穩(wěn)指標(biāo)優(yōu)于2×10-14，銣原子鐘產(chǎn)品綜合水平達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

北斗－3星載氫原子鐘經(jīng)過關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和小型化設(shè)計(jì)，已具備在軌使用的可行性。在2015年9月試驗(yàn)驗(yàn)證星上星載氫原子鐘工作2年來，各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定，工作性能良好，滿足工程系統(tǒng)要求。其頻率準(zhǔn)確度優(yōu)于5×10-12，天穩(wěn)指標(biāo)達(dá)到5×10-15，質(zhì)量約22kg。

同時，北斗－3星載時頻系統(tǒng)增加了衛(wèi)星鐘完好性監(jiān)測與衛(wèi)星鐘自主平穩(wěn)切換等功能，多個原子鐘保持同步，當(dāng)主工作原子鐘在軌出現(xiàn)故障后，衛(wèi)星能夠自主診斷并平穩(wěn)切換，保證衛(wèi)星時頻信號的連續(xù)性，極大提高了導(dǎo)航信號與服務(wù)的可靠性和完好性。

4 采用了星間鏈路

北斗－3配置了Ka頻段星間鏈路，采用相控陣天線等星間鏈路設(shè)備，實(shí)現(xiàn)星間雙向精密測距和通信。

通過星間鏈路相互測距和校時，實(shí)現(xiàn)多星測量，增加觀測量，改善自主定軌的幾何觀測結(jié)構(gòu)，利用星間測量信息自主計(jì)算并修正衛(wèi)星的軌道位置和時鐘系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)星-星-地聯(lián)合精密定軌，提高衛(wèi)星定軌和時間同步的精度，進(jìn)而提高整個系統(tǒng)的定位和服務(wù)精度。通過星間和星地鏈路，實(shí)現(xiàn)對境外衛(wèi)星的監(jiān)測、注入功能，實(shí)現(xiàn)對境外衛(wèi)星“一站式測控”的測控管理。

星間鏈路主要包括相控陣天線、收發(fā)信機(jī)及相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等控制管理軟件。星間收發(fā)信機(jī)采用時分雙工體制，接收和發(fā)射采用相同的中心頻點(diǎn)。相控陣天線為收發(fā)共用天線，發(fā)射和接收同頻分時工作，根據(jù)接收的收發(fā)信機(jī)分時收發(fā)控制信號和指向角度輸入值，完成分時收發(fā)以及波束掃描，具備在軌幅相校正和時延校正功能。星間收發(fā)信機(jī)接收天線信號，利用其測距支路完成星間偽距測量；根據(jù)鏈路星間拓?fù)潢P(guān)系和既定時隙表，利用其數(shù)傳支路進(jìn)行星間信息轉(zhuǎn)發(fā)。

星間鏈路網(wǎng)絡(luò)采用時分多址（TDMA）的通信方式，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等控制管理軟件，建立測量與通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)路由控制。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、路由控制、信息處理、測量通信等控制管理軟件具備在軌重構(gòu)能力。

5 采用交互支持的信息融合技術(shù)

北斗－3衛(wèi)星在軌正常工作運(yùn)行時采用S頻段頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)星地測控，L頻段頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)星地雙星時間比對及衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)（RNSS）的上行注入運(yùn)行控制管理，Ka頻段頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)星間測距及通信。

經(jīng)過對北斗－3整星信息流梳理分析，通過采用星上信息融合設(shè)計(jì)，打通了功能相對獨(dú)立的各鏈路之間的信息通道，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議約定，實(shí)現(xiàn)了S、L、Ka頻段頻點(diǎn)之間的信息交互備份，拓展了衛(wèi)星上行能力，提高了系統(tǒng)可靠性。

對于L頻段運(yùn)控上行鏈路和S頻段星地測控鏈路之間的信息通道，衛(wèi)星可自動識別S/L頻段互備信息，并按照上注信息要求實(shí)現(xiàn)對L和S頻段上注信息的正確分發(fā)使用，增加了上行注入的備份信息通道；對于Ka頻段上注通道，通過將衛(wèi)星和地面站作為統(tǒng)一的建鏈目標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)星間和星地信息的互傳，可作為S和L頻段頻點(diǎn)的應(yīng)急上注通道使用。同時，在信息幀格式設(shè)計(jì)時也充分考慮了Ka頻段頻點(diǎn)和S/L頻段的信息格式統(tǒng)一性，減少了復(fù)雜的格式轉(zhuǎn)換。

6 星載產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化和自主可控

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國重要的國家基礎(chǔ)設(shè)施，其應(yīng)用范圍廣泛，對國家經(jīng)濟(jì)、社會和國防安全至關(guān)重要。

為了保證“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)安全、持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展，連續(xù)可靠自主運(yùn)行，擺脫受制于人的被動局面，北斗－3衛(wèi)星系統(tǒng)堅(jiān)持國產(chǎn)化與自主可控的原則，從關(guān)鍵元器件和部件產(chǎn)品兩方面重點(diǎn)開展國產(chǎn)化攻關(guān)，加強(qiáng)試驗(yàn)和使用驗(yàn)證，從根本上解決制約工程建設(shè)的瓶頸問題。

衛(wèi)星上一些長期依賴進(jìn)口的關(guān)鍵部件產(chǎn)品，包括電源控制器、測量敏感器、行波管放大器、固態(tài)放大器、大功率微波開關(guān)和高性能原子鐘等，均通過多家研制單位的努力，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化和自主可控。

星上大量應(yīng)用的CPU、DSP、FLASH、高速A/D和D/A器件等核心元器件，也在地面通過了元器件級和板級應(yīng)用驗(yàn)證，并在軌得到應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

7 具有拓展其他功能試驗(yàn)的能力

北斗－3中圓地球軌道衛(wèi)星作為新型的導(dǎo)航衛(wèi)星專用平臺，在支持時頻系統(tǒng)、基本衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)、星間鏈路等載荷的基礎(chǔ)上，在平臺承載能力、設(shè)備產(chǎn)品安裝、布局面積、功率余量、熱控及散熱面、遙控?cái)?shù)據(jù)傳輸接口等方面，均有一定的擴(kuò)展余量，可用于支持開展其他與時空基準(zhǔn)相關(guān)的功能拓展技術(shù)試驗(yàn)的能力，支持“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)下一步的持續(xù)升級。

北斗－3中圓地球軌道衛(wèi)星采用綜合電子體系設(shè)計(jì)，通過衛(wèi)星上增加位置報(bào)告信息接收機(jī)，接收地面用戶發(fā)送的上行信息（含位置信息），利用星間鏈路傳回境內(nèi)衛(wèi)星后下傳地面站，完成信息入站；同時，全球用戶可具備接收地面系統(tǒng)發(fā)送的電文信息的功能，利用星間鏈路接收出站信息，實(shí)現(xiàn)將位置報(bào)告和短報(bào)文服務(wù)擴(kuò)展到全球范圍。

通過增加空間探測載荷，可利用全球星座系統(tǒng)對“北斗”衛(wèi)星工作軌道的高能粒子、等離子體分布和演化規(guī)律等空間環(huán)境特性進(jìn)行探測研究，為提高星座運(yùn)行可靠性提供直接數(shù)據(jù)。

8 小結(jié)

隨著北斗－3首次組網(wǎng)中地球軌道衛(wèi)星“一箭雙星”發(fā)射成功，北斗－3衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)駛?cè)肟燔嚨?。北斗?系統(tǒng)工程將建設(shè)成為我國“獨(dú)立自主、開放兼容、技術(shù)先進(jìn)、安全可靠”的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“服務(wù)全球、重點(diǎn)突出、富有特色、局部領(lǐng)先、平穩(wěn)過渡”的總體任務(wù)目標(biāo)，形成基本導(dǎo)航、位置報(bào)告、星基增強(qiáng)三大服務(wù)能力，滿足陸、海、空、天等各類軍民用戶定位、導(dǎo)航與授時，以及位置報(bào)告等使用要求，推動我國衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，助推我國由航天大國向航天強(qiáng)國邁進(jìn)。