北斗三號衛(wèi)星直接入軌專用平臺設計研究

張 旭, 周耀華, 叢 飛, 嵇景全, 孫冠杰

(中國空間技術研究院, 北京 100094)

0 引言

北斗三號衛(wèi)星導航系統(tǒng)由3顆地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit, GEO)衛(wèi)星、3顆傾斜地球同步軌道(Inclined Geosynchronous Orbit, IGSO)衛(wèi)星和24顆中軌道(Medium Earth Orbit, MEO)衛(wèi)星組成，其中24顆MEO衛(wèi)星構成全球衛(wèi)星導航核心星座。與北斗二號MEO衛(wèi)星相比，新增星間鏈路、自主導航、搜索救援等功能，導航精度等性能指標進一步提高，功能進一步增強。運載火箭上面級具備軌道機動轉移能力[1]，可以直接將衛(wèi)星送入工作軌道。為滿足組批生產、快速組網的任務要求，工程總體決定北斗三號MEO衛(wèi)星采用一箭多星發(fā)射、直接入軌的方式完成星座部署。性能提升、功能聚合、一箭多星、直接入軌的新要求對衛(wèi)星平臺提出了挑戰(zhàn)。

通過調研和研究，包括前期北斗二號一箭雙星發(fā)射的MEO衛(wèi)星[2]在內的國內現有中小型衛(wèi)星平臺在平臺構型、控推方式、熱控方式、供電能力和在軌壽命等方面均無法滿足北斗三號工程任務的新要求。為此，提出了一種適于一箭多星發(fā)射、直接入軌的北斗衛(wèi)星專用平臺的方案并對平臺關鍵分系統(tǒng)的核心技術進行設計。研究表明，北斗衛(wèi)星專用平臺方案在機械、電氣、熱方面具有高承載比、高擴展、高自主、高可靠、長壽命的特點，其核心技術指標優(yōu)于國外類似導航衛(wèi)星平臺。該平臺的設計與研發(fā)，填補了我國桁架式直接入軌衛(wèi)星平臺的空白，對提升航天領域多星快速進入中高軌空間能力、擴展衛(wèi)星平臺型譜及提升宇航能力等都具有重要意義。

1 衛(wèi)星平臺選用分析

1.1 平臺任務約束

在快速組網的約束下，為滿足多載荷功能配置及性能實現，滿足長期自主運行的需求，對衛(wèi)星平臺的需求如表1所示。

表1 北斗衛(wèi)星專用平臺需求

1.2 平臺需求

(1)先進性

①需要先進高效能源系統(tǒng)，適應小型化、集成化的要求，實現高質量功率比；能夠實現中高軌衛(wèi)星多模式能源自主管理策略，同時要實現衛(wèi)星與運載/上面級之間的電氣接口設計；

②需要采用先進的結構形式，實現高質量承載能力比，實現布局面積擴展；

③需要先進的綜合電子體系架構，實現衛(wèi)星的高效信息綜合，實現衛(wèi)星與衛(wèi)星間信息的高效自主處理。

(2)通用性

①國產化元器件與部件應用約束；

②批產化對設計和工藝一致性、穩(wěn)定性、易于實現性的約束；

③高可靠、長壽命對衛(wèi)星設計的約束。

(3)專用性

①需要實現傾斜軌道對日定向偏航控制；

②需要實現對軌道連續(xù)性的保證，盡量減少噴氣對導航任務的影響；

③需要采用簡化的推進系統(tǒng)，以適應直接入軌方式；

④需要兼顧超過3 h的上面級轉移軌道的熱控需求，以適應直接入軌方式；

⑤需要滿足導航衛(wèi)星系統(tǒng)長時間自主運行要求。

1.3 已有平臺選用分析

從運載能力及整流罩包絡空間的基本約束考慮，與北斗三號直接入軌MEO衛(wèi)星要求相近的衛(wèi)星平臺如表2所示。

表2 性能接近的衛(wèi)星平臺主要技術指標

經過分析比較，現有中小型衛(wèi)星平臺很難同時滿足直接入軌衛(wèi)星在承載能力、布局面積、散熱能力、供電能力以及壽命要求，即使做適應性改造，其代價也非常高。由于無合適成熟平臺選用，必須研制適于一箭雙星直接入軌發(fā)射的高集成度、長壽命、小型化的MEO衛(wèi)星平臺。

2 北斗衛(wèi)星專用平臺設計方案

2.1 平臺方案

(1)平臺電子系統(tǒng)設計

衛(wèi)星平臺電子系統(tǒng)一般分為集中式和分布式兩種體系結構[3]，針對姿軌控、能源、熱控、載荷等星上任務高效可靠的管理和控制需求，經綜合分析評估，北斗衛(wèi)星專用平臺采用分布式綜合電子系統(tǒng)結構。該體系結構主要由硬件平臺和軟件平臺組成。

硬件平臺基于模塊通用化、接口標準化的設計理念，采用分級分布式總線架構，主要包括負責星務管理、計算任務的中心管理單元，負責遙測遙控、星間數據處理的數據路由單元，負責星載設備接口的綜合接口單元等硬件設備，如圖1所示。

圖1 北斗衛(wèi)星專用平臺電子系統(tǒng)拓撲關系Fig.1 Topological relationship of electronic system of Beidou satellite dedicated platform

軟件平臺采用分層設計，包括硬件層、中間層和應用層[4]，如圖2所示。硬件層建立在星載硬件設備、模塊和處理器上，具備統(tǒng)一的實時操作系統(tǒng)內核，向軟件中間件層、應用軟件開發(fā)提供標準化的系統(tǒng)調用接口；中間件層是位于硬件層操作系統(tǒng)平臺和應用層之間的通用服務系統(tǒng)，具有標準的程序接口和協議，可實現不同硬件和操作系統(tǒng)平臺上的數據共享和交互支持；應用層實現最終的系統(tǒng)功能，專注于功能的邏輯特性。

(2)構型布局設計

與其他衛(wèi)星類似，北斗衛(wèi)星專用平臺結構主要用于承載全部設備，并承受運載火箭/上面級各級發(fā)動機工作產生的過載，保證衛(wèi)星各產品的飛行狀態(tài)。平臺構型布局的約束條件主要包括兩個方面，一個是運載/上面級約束，另一個是整星設備布局的約束，如表3所示。

圖2 綜合電子軟件體系結構Fig.2 Integrated electronic software architecture

表3 構型布局的約束條件

針對運載/上面級和設備布局約束等要求，衛(wèi)星總體比較了承力筒式、板架式、桁架式等衛(wèi)星構型方案[5]，經綜合分析評估，決定采用桁架式結構作為北斗衛(wèi)星專用平臺的主承力結構,如圖3所示。衛(wèi)星的構型由桁架結構和連接在桁架上的蜂窩夾層結構板組成，具有剛度高、裝配簡單、加工精度易保證、質量小等特點，滿足批量化投產和快速研制的要求?？紤]最優(yōu)的傳力路徑和承載要求，星箭連接方式采用點式爆炸螺栓。

“這件事太復雜了，不能簡單去理解。S想一勞永逸地解決問題。但這兩個女人都給了他共同的感受，那就是壓抑、沖突和痛苦。S遇到Y時，對命運感激不已。他羞怯內向，恐懼于跟人打交道，他不是一個愛追逐女人的人，那是迫不得已。世上若有一個女人能使他平靜，那就是Y。他終于跟Y在一起了，卻依然沒法安寧?；蛘哒f，Y正在變得枯竭及死寂，S眼前浮現了一句唐詩：千山鳥飛絕，萬徑人蹤滅。Y猶如一顆正在塌縮的星球。當然，他們仍會睡覺，有時還是Y主動邀請。但S知道這是怎么回事。這連跟曲做愛都不如?！?/p>

圖3 北斗衛(wèi)星專用平臺構型Fig.3 Configuration of the Beidou satellite dedicated platform

在基于載荷功能分區(qū)及組批生產的指導思想下，北斗衛(wèi)星專用平臺的布局設計，按照先星外、后星內的原則。首先,劃分星外載荷功能區(qū)，滿足星外天線、太陽翼等大部件及推力器等的安裝要求；其次，劃分艙內功能區(qū)，以滿足分系統(tǒng)/系統(tǒng)性能為首要目標進行設備布局，按照產品的成熟度及地面測試需求，由內向外布局，成熟度低的產品，靠近星外，便于拆裝，地面測試需要操作的產品，靠近星外，便于操作；最后，復核整星質量特性，微調艙外及艙內設備布局，完成布局設計工作，如圖4所示。

圖4 北斗衛(wèi)星專用平臺布局圖Fig.4 Layout of the Beidou satellite dedicated platform

2.2 專用平臺關鍵分系統(tǒng)核心設計

北斗衛(wèi)星專用平臺主要包括結構、姿軌控、綜合電子、電源、熱控、測控等分系統(tǒng)組成，在直接入軌的約束下，為滿足衛(wèi)星長期自主運行，重點對平臺姿軌控、電源等有特殊需求的關鍵分系統(tǒng)進行詳細介紹。

(1)姿軌控設計

姿軌控分系統(tǒng)通過對衛(wèi)星不斷測量、計算和控制，使得衛(wèi)星獲得比較理想的軌道和姿態(tài)。北斗三號MEO衛(wèi)星對在軌偏航機動、自主運行的需求大幅提升，且在自主運行期間，衛(wèi)星不能進行軌控、姿態(tài)控制。

相對于北斗二號衛(wèi)星，北斗三號衛(wèi)星專用平臺控制分系統(tǒng)設計時引入了星敏感器定姿[6]，新增了基于星敏感器定姿的模式和方式，從而使衛(wèi)星的姿態(tài)確定精度有了明顯的提升；采用三軸全輪控設計，在軌工作期間3個及以上輪子工作，實現三軸主動控制，保持偏航機動、推力器不工作，通過優(yōu)化控制器參數、規(guī)劃偏航軌跡等措施，實現較高的控制精度?？刂品窒到y(tǒng)從北斗三號星座構型保持出發(fā)，實現星上自主軌道控制；在綜合電子系統(tǒng)架構下，控制分系統(tǒng)信息獲取、數據處理能力大幅提升，形成了系統(tǒng)-部件兩級的自主故障診斷、處理體系，實現了故障自主診斷自主處理與系統(tǒng)自主重構等功能，滿足在軌自主運行要求。

其控制分系統(tǒng)組成如圖5所示，推進分系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖5 北斗衛(wèi)星專用平臺控制分系統(tǒng)組成Fig.5 The composition of the control subsystem of the Beidou satellite dedicated platform

圖6 北斗衛(wèi)星專用平臺推進分系統(tǒng)組成Fig.6 The composition of the propulsion subsystem of the Beidou satellite dedicated platform

按照直接入軌的要求，推進分系統(tǒng)作為姿軌控的執(zhí)行機構，在衛(wèi)星與上面級分離后，為整星提供相位捕獲、相位保持、相位調整及姿態(tài)控制所需要的推力及控制力矩。在設計上，推進分系統(tǒng)以實現系統(tǒng)簡潔、高可靠為目標。單組元化學推進方案，結構簡單、系統(tǒng)干重小、可靠性高、比沖適中，廣泛應用于國內外中小型衛(wèi)星領域[7]。

能源分系統(tǒng)承擔著整星供電和配電的功能。北斗三號MEO衛(wèi)星能源設計要求安全可靠、能適應新增的上面級轉移軌道段及正常工作的供電需求，又要能源系統(tǒng)質量小滿足整星發(fā)射質量要求，需要從拓撲結構、太陽電池陣及蓄電池組等多方面開展，實現高的功率質量比。

能源分系統(tǒng)采用直接能量傳輸、全調節(jié)單母線方式[8]、S3R拓撲結構，母線電壓42 V，通過主誤差放大器MEA實現分流、充電、放電等工作模式下的母線電壓調節(jié)，母線電壓穩(wěn)定，有利于衛(wèi)星負載的使用，而且各功能均采用模塊化設計，擴展性好，有利于批量生產。為適應上面級直接入軌的需要，優(yōu)化上面級供電拓撲、箭內星用電池等設計，既滿足轉移軌道段可靠、安全用電需求，又降低了星上蓄電池組容量及質量。

能源系統(tǒng)的質量主要由太陽電池陣、蓄電池組以及功率調節(jié)與控制裝置、電纜網等組成。為了滿足質量要求，選用平均光電轉換效率超過28%的三結砷化鎵太陽電池，可以增大功率的同時減少布片，進而減小整星質量；選用電壓平臺、比能量更高、發(fā)熱量更小的鋰離子電池，電池組功率密度高、體積小、質量?。徊捎眉至?、充放電、管理和通信等功能于一體的高功率密度、模塊化的電源控制器。在配電設計上，通常低頻電纜網質量占整星干重的3%～10%，北斗三號衛(wèi)星實現了接插件、導線選型優(yōu)化、屏蔽及電纜網走向布局優(yōu)化等。設計結果表明，MEO衛(wèi)星功率質量比提高至17 W/kg。

能源系統(tǒng)工作原理圖如圖7所示。

3 北斗衛(wèi)星專用平臺主要特點

3.1 構型新穎，星箭接口簡單可靠

實現了滿足一箭多星、直接入軌發(fā)射方式的桁架平臺構型，桁架式主承力可分艙式的衛(wèi)星構型實現了高承載效率、高設備布局面積、可分艙總裝、滿足一箭多星發(fā)射及點式星箭連接方式的衛(wèi)星構型及主結構，主要設計指標如承載效率、載荷平臺質量比、功率質量比等優(yōu)于國外類似導航衛(wèi)星平臺。

圖7 北斗衛(wèi)星專用平臺電源分系統(tǒng)組成Fig.7 The composition of the power subsystem of the Beidou satellite dedicated platform

實現了適用于一箭多星(上面級)直接入軌發(fā)射的星箭接口技術，適于多星底部支撐并排放置的點式連接、星箭火工分離的爆炸螺栓連接的全新星箭機械接口形式，以及適于上面級轉移軌道段的全新星箭電氣和熱接口形式。

3.2 靈活可擴展

在機械、能源、熱控等方面，采用集成優(yōu)化設計方案，在桁架式主承力可分艙衛(wèi)星構型的基礎上，實現了滿足一箭多星發(fā)射需求和點式星箭連接方式的結構特性、傳力路徑、高承載能力、基于結構板和板架的靈活適應多種增量構型設計的能力，以及包絡化、柔性工裝接口設計；實現了對多種增量載荷靈活組合的擴展適應。

3.3 信息流一體化

北斗衛(wèi)星專用平臺從系統(tǒng)角度采用信息流一體化設計，實現了星地、星間、星內各類數據格式的統(tǒng)一兼容，具備測控通道、載荷通道、星間通道的互聯互通功能，提高了系統(tǒng)信息流傳輸的可靠性。

4 平臺應用情況

截至目前，應用北斗衛(wèi)星專用平臺成功發(fā)射16顆MEO衛(wèi)星。在軌飛行結果表明，衛(wèi)星結構設計滿足運載火箭主動段過載載荷，平臺能力均滿足整星工作要求。

在布局設計上，在整星T字構型的基礎上，通過結構擴展、次級結構等措施實現了載荷布局面積的提升，有效布局能力達到8 m2，散熱能力最大達到1 500 W，支撐了多種不同有效載荷配置狀態(tài)的整星設計實現。在結構設計上，應用桁架式結構及星箭接口沖擊響應緩沖技術[9]，如圖8所示。在軌實測數據表明，星箭界面及星內振動環(huán)境數據在地面試驗環(huán)境的包絡范圍內[10]。

圖8 MEO衛(wèi)星星箭分離時刻星箭接頭沖擊響應Fig.8 Shock response of the satellite joint at the moment of separation

運載火箭主動段及衛(wèi)星在軌飛行狀態(tài)表明，在能源設計上，專用平臺與上面級供電接口既滿足了衛(wèi)星與上面級分離前5 h以上的用電需求，又最大限度減小了能源系統(tǒng)的質量；光照期太陽電池陣實際輸出功率達到4 000 W，地影期蓄電池放電深度不超過20%，滿足有效載荷及整星工作需要。在信息流設計上，整星遙測數據、遙控數據、有效載荷業(yè)務數據、星間鏈路數據等傳輸可靠、穩(wěn)定，星座連續(xù)運行穩(wěn)定。

5 結論

本文針對北斗衛(wèi)星專用平臺的設計特點進行了總結，簡要介紹了北斗衛(wèi)星專用平臺的設計思路。從發(fā)展的眼光來看，北斗衛(wèi)星專用平臺與當今最先進的衛(wèi)星平臺還有差距，但它的成功研制為我國北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)組網建設任務做出了巨大貢獻，其桁架式結構、綜合電子集成化設計、模塊化設計理念等為我國批產衛(wèi)星的研制、多星發(fā)射等總體類設計過程提供了應有的技術支持。后續(xù)還需要進一步挖掘北斗衛(wèi)星專用平臺的能力，突破高承載結構、智能綜合電子、高精度推進等關鍵技術，為我國下一代導航衛(wèi)星的設計打下堅實的基礎。