北斗導(dǎo)航衛(wèi)星姿態(tài)與軌道控制技術(shù)發(fā)展與貢獻(xiàn)

謝 軍, 王 平

中國空間技術(shù)研究院, 北京 100094

0 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是指利用空間按照約定分布的多顆衛(wèi)星組成的星座，通過在統(tǒng)一時間和位置坐標(biāo)系中地面站對衛(wèi)星精確測量，將衛(wèi)星作為標(biāo)準(zhǔn)時間與位置的導(dǎo)航臺站，播發(fā)無線電導(dǎo)航信號的系統(tǒng)[1].

導(dǎo)航衛(wèi)星作為空間飛行器中重要的一類衛(wèi)星，可提供全球廣域高精度的導(dǎo)航定位授時測速等功能，其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展成果保障了衛(wèi)星導(dǎo)航工程建設(shè)的順利完成，推動著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)應(yīng)用越來越廣；同時，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)需求，在不斷提高系統(tǒng)服務(wù)功能與性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，也對相關(guān)技術(shù)提出了要求，促進(jìn)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步[2].

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)展歷程是從北斗一號靜止軌道GEO衛(wèi)星開始，直至北斗三號全球?qū)Ш叫亲采w.按照我國北斗系統(tǒng)發(fā)展“三步走”戰(zhàn)略，在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)過程中，衛(wèi)星總體對衛(wèi)星的姿態(tài)與軌道控制系統(tǒng)不斷提出更高的要求.

北斗一號衛(wèi)星從服務(wù)功能要求和對衛(wèi)星平臺能力需求分析，其定位導(dǎo)航工作方法決定了對其衛(wèi)星軌道位置瞬時精度要求不高，僅需兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星和地面系統(tǒng)即可完成定位導(dǎo)航服務(wù).為此，北斗一號衛(wèi)星基于東三平臺衛(wèi)星開展設(shè)計.

從北斗二號衛(wèi)星開始直至北斗三號衛(wèi)星，我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航定位授時服務(wù)方式也逐步發(fā)展成基于偽隨機(jī)碼測距的無源導(dǎo)航方式.從原理上講，至少需要4顆導(dǎo)航衛(wèi)星才能實現(xiàn)導(dǎo)航定位，用戶導(dǎo)航定位過程無需地面系統(tǒng)參與，這種導(dǎo)航方式理論上可以服務(wù)無限用戶數(shù)，但對其衛(wèi)星自身的軌道位置精度和星載時鐘精度要求較高.北斗二號衛(wèi)星任務(wù)分析結(jié)果要求衛(wèi)星姿態(tài)與軌道控制系統(tǒng)的設(shè)計相對于北斗一號衛(wèi)星需要進(jìn)行較大調(diào)整.特別是北斗三號衛(wèi)星配置采用了星間鏈路，通過星間高精度測量與數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)衛(wèi)星與衛(wèi)星間位置的精確確定，對于整星平臺的姿軌控技術(shù)要求進(jìn)一步提高[3].

上述需求，促進(jìn)了我國中高軌衛(wèi)星“偏航控制”、“一體化控制計算機(jī)”、“長壽命陀螺”等多項新技術(shù)進(jìn)步與工程應(yīng)用；國家重大工程自主可控與國產(chǎn)化要求，推動了衛(wèi)星控制系統(tǒng)“國產(chǎn)三大件”，填補(bǔ)了我國導(dǎo)航衛(wèi)星姿軌控技術(shù)與產(chǎn)品的空白.

本文通過總結(jié)北斗一號衛(wèi)星到北斗三號衛(wèi)星的發(fā)展過程，梳理了北斗導(dǎo)航衛(wèi)星姿態(tài)與軌道控制技術(shù)的發(fā)展變化，以及在引領(lǐng)衛(wèi)星姿軌控技術(shù)進(jìn)步和星載器部件自主可控方面取得的成就.同時，根據(jù)下一代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的論證需求，分析給出了未來導(dǎo)航衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)需要關(guān)注與研究的關(guān)鍵技術(shù).

1 導(dǎo)航衛(wèi)星姿軌控制技術(shù)的基本要求

按照北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的任務(wù)要求和系統(tǒng)設(shè)計，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星具有以下的基本特點[4]：

1)北斗空間段系統(tǒng)是由MEO、GEO和IGSO三種軌道的幾十顆衛(wèi)星組成混合衛(wèi)星星座系統(tǒng)；

2)作為空間位置和時間的基準(zhǔn)，保證衛(wèi)星軌道位置的精確測量和保持，且衛(wèi)星軌道位置能夠被高精度地預(yù)報；衛(wèi)星上需要配置高精度的原子鐘，實現(xiàn)高精度時頻信號的產(chǎn)生、維持和傳遞；

3)作為對全球用戶提供時空基準(zhǔn)信息服務(wù)的空間基礎(chǔ)設(shè)施，衛(wèi)星系統(tǒng)需要能夠長壽命、高可靠地連續(xù)工作，導(dǎo)航信號具有完好性、可用性和連續(xù)性指標(biāo)；

4)為了使星座系統(tǒng)組網(wǎng)建設(shè)快速完成，衛(wèi)星要求具備組批生產(chǎn)、密集發(fā)射的能力，其產(chǎn)品的生產(chǎn)與研制管理模式需要創(chuàng)新，尤其是MEO衛(wèi)星需要適應(yīng)一箭多星的發(fā)射模式.

導(dǎo)航衛(wèi)星設(shè)計的姿軌控分系統(tǒng)主要任務(wù)包括在導(dǎo)航衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道段任務(wù)和工作軌道段任務(wù).

在導(dǎo)航衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道段，當(dāng)衛(wèi)星與運載火箭分離后，姿軌控分系統(tǒng)應(yīng)自主加電并進(jìn)行速率阻尼，消除由運載火箭產(chǎn)生的分離干擾角速度，并實現(xiàn)對日姿態(tài)捕獲，保證能源安全；能夠自動或根據(jù)地面指令建立變軌發(fā)動機(jī)點火姿態(tài)，并根據(jù)變軌策略，在規(guī)定的時間范圍內(nèi)完成發(fā)動機(jī)點火；在發(fā)動機(jī)的點火期間，控制系統(tǒng)能夠克服推進(jìn)劑液體晃動、衛(wèi)星太陽翼振動以及發(fā)動機(jī)不平衡導(dǎo)致的干擾力矩的影響，保持衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定.

隨著技術(shù)的進(jìn)步，導(dǎo)航衛(wèi)星的轉(zhuǎn)移軌道段任務(wù)中逐漸開始應(yīng)用各類自主算法，將原來地面支持的飛控操作由星上自主完成，星地數(shù)據(jù)交互量也大幅度減小，地面飛控工作得到了較大的簡化.

在導(dǎo)航衛(wèi)星工作軌道段，姿軌控分系統(tǒng)主要任務(wù)為衛(wèi)星進(jìn)入正常模式后，按照系統(tǒng)設(shè)計的基于三軸姿態(tài)自主確定，采用反作用輪進(jìn)行三軸姿態(tài)閉路控制；為了確保衛(wèi)星軌道預(yù)報精度，衛(wèi)星正常工作時不能使用推力器進(jìn)行姿態(tài)控制，而采用動量交換和磁力矩卸載的方式進(jìn)行姿態(tài)控制；長期的角動量管理可由磁力矩器完成，整個角動量卸載無需地面參與，星上能夠根據(jù)衛(wèi)星殘余角動量自主實施.

導(dǎo)航衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)要求具備自主完成星上敏感器的干擾自主保護(hù)及地影、月影計算與預(yù)報的能力，在保護(hù)期間姿態(tài)控制精度滿足正常模式姿態(tài)控制精度要求；同時，要求控制系統(tǒng)在衛(wèi)星長期管理期間具有軌道自主控制能力，依托獲得的軌道信息，能夠根據(jù)軌道控制目標(biāo)自主制定相位保持策略，并生成相位保持指令序列，具備策略和指令序列下傳功能.

針對導(dǎo)航衛(wèi)星有效載荷配置的大型天線、高精度指向終端等產(chǎn)品，還要求具有對各類導(dǎo)航天線及終端的指向計算、軌跡規(guī)劃能力，應(yīng)能克服大型天線轉(zhuǎn)動、衛(wèi)星太陽翼轉(zhuǎn)動等對衛(wèi)星姿態(tài)的影響，保證衛(wèi)星的姿態(tài)和穩(wěn)定度滿足要求.MEO和IGSO衛(wèi)星設(shè)計為工作在傾角約55°的傾斜軌道上，為了同時保持導(dǎo)航天線對地指向、太陽翼對日指向，衛(wèi)星姿態(tài)需要采用偏航控制.

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)的組成與其他類型衛(wèi)星相同，主要包括敏感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及相應(yīng)的軟件.

2 北斗一號衛(wèi)星姿軌控技術(shù)

1983年，基于我國當(dāng)時的航天技術(shù)水平和國家工業(yè)基礎(chǔ)，特別是我國航天無線電測控技術(shù)的實踐，我國“兩彈一星”功勛陳芳允院士根據(jù)幾何三球交會法原理，大膽地提出了以兩顆地球靜止軌道GEO衛(wèi)星為球心，以GEO衛(wèi)星到用戶位置點距離形成的2個球體與地球表面相交得到的兩個交點之一，測定地面或空中目標(biāo)位置，解算得到用戶需要獲取的完整地理坐標(biāo)，實現(xiàn)衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)服務(wù)(RDSS)的設(shè)想.

1994年1月，國家正式批準(zhǔn)了“雙星定位系統(tǒng)”的工程立項，北斗一號衛(wèi)星工程建設(shè)正式啟動.衛(wèi)星系統(tǒng)經(jīng)過多輪的論證工作，最終確定采用東方紅三號三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺取代曾經(jīng)提出的東方紅二號A雙自旋穩(wěn)定衛(wèi)星平臺的方案.

北斗一號導(dǎo)航衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定的東方紅三號衛(wèi)星平臺，可使北斗一號衛(wèi)星的供電能力、配置安裝產(chǎn)品等能力大大提高，平臺可以為有效載荷轉(zhuǎn)發(fā)器提供更多的功率，同時衛(wèi)星的工作壽命也由雙自旋衛(wèi)星的6年提高到8年，顯著增強(qiáng)了北斗一號衛(wèi)星的使用性能和效益.

當(dāng)時的東方紅三號衛(wèi)星設(shè)計狀態(tài)是采用雙組元統(tǒng)一推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)移軌道的姿態(tài)與軌道控制；衛(wèi)星正常工作時采用偏置動量控制方案，利用紅外地球敏感器測量衛(wèi)星滾動與俯仰角，依靠衛(wèi)星俯仰軸上的偏置角動量交換控制衛(wèi)星的俯仰角；根據(jù)惠康原理，利用滾動與偏航角的耦合，通過推力器噴氣直接控制衛(wèi)星的滾動角，同時間接控制偏航角.

在北斗一號衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道段，姿軌控分系統(tǒng)通過傳統(tǒng)的多次遠(yuǎn)地點變軌方式，從衛(wèi)星入軌開始，衛(wèi)星自動完成對日姿態(tài)捕獲，保證整星能源供應(yīng)；其后完成對地捕獲，并建立遠(yuǎn)地點點火姿態(tài)，完成490 N推力變軌控制，并最終利用10 N推力器實現(xiàn)定點位置捕獲.

在衛(wèi)星進(jìn)入同步工作軌道后，北斗一號衛(wèi)星通過建立-Y軸角動量偏置的方式，利用惠康原理和滾動軸姿控推力器安裝設(shè)計，實現(xiàn)了滾動軸姿態(tài)雙脈沖控制策略，保證衛(wèi)星滾動、偏航姿態(tài)精度滿足設(shè)計要求(俯仰軸由反作用輪直接控制).

在北斗一號衛(wèi)星研制過程中，為了擺脫關(guān)鍵技術(shù)受制于人的局面，衛(wèi)星總體與姿軌控分系統(tǒng)經(jīng)過論證，大膽地提出對姿軌控分系統(tǒng)中的太陽翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)、反作用輪和紅外地球敏感器等產(chǎn)品(簡稱“國產(chǎn)三大件”)開展國產(chǎn)化工作，國產(chǎn)產(chǎn)品與引進(jìn)產(chǎn)品互為備份，并開展了一系列的技術(shù)攻關(guān)和試驗驗證工作，實現(xiàn)了國產(chǎn)化產(chǎn)品的在軌成功應(yīng)用.“國產(chǎn)三大件”產(chǎn)品的研制成功，為我國后續(xù)衛(wèi)星工程和北斗系統(tǒng)建設(shè)國產(chǎn)化工作奠定了基礎(chǔ).

在紅外地球敏感器國產(chǎn)化研制過程中，采用芯片設(shè)計加固的技術(shù)路線，通過工藝設(shè)計，制造出了國內(nèi)首款抗輻射加固ASIC芯片，成功應(yīng)用在紅外地球敏感器產(chǎn)品上，攻克了國產(chǎn)芯片抗輻射加固技術(shù)難題.

2000年10月、12月，我國成功發(fā)射2顆北斗一號衛(wèi)星(圖1)，建成雙星定位系統(tǒng)并投入使用；2003年，發(fā)射第三顆北斗一號衛(wèi)星，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)性能，擴(kuò)大了北斗二號系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域；2007年，發(fā)射第四顆北斗一號衛(wèi)星.

圖1 北斗一號衛(wèi)星在軌展開狀態(tài)示意圖

北斗一號雙星定位系統(tǒng)以較小投入、較短時間，打破國外技術(shù)壟斷，獨立自主地開展了衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)試驗與應(yīng)用，建立了國際上首個基于GEO雙星定位原理的區(qū)域有源衛(wèi)星定位系統(tǒng)，使我國成為世界上第三個具備空間衛(wèi)星系統(tǒng)提供PNT(positioning navigation and timing)服務(wù)的國家，實現(xiàn)了我國北斗系統(tǒng)建設(shè)的第一步.同時，系統(tǒng)還具備短報文與位置報告服務(wù)功能，獨具特色.

北斗一號系統(tǒng)建設(shè)完成，是我國衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)建設(shè)發(fā)展的第一個里程碑，系統(tǒng)服務(wù)的穩(wěn)定運行保障了應(yīng)用的不斷推廣，為后續(xù)建設(shè)的北斗二號系統(tǒng)、北斗三號系統(tǒng)積累了經(jīng)驗，奠定了基礎(chǔ).

3 北斗二號衛(wèi)星姿軌控技術(shù)

1997年，我國在同步建設(shè)北斗一號系統(tǒng)時，先期開始了北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的論證工作.大系統(tǒng)圍繞有源定位服務(wù)、無源導(dǎo)航服務(wù)的系統(tǒng)組成、建設(shè)步驟、技術(shù)途徑等進(jìn)行了探討和分析，開展了多種方案設(shè)計與技術(shù)路線研究.

2000年，從首先建立區(qū)域系統(tǒng)、逐步過渡到全球系統(tǒng)考慮，根據(jù)區(qū)域服務(wù)的精度要求，提出了系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)、發(fā)展階段、系統(tǒng)體制、星座方案、關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑，北斗二號衛(wèi)星系統(tǒng)也完成了技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可行性的論證工作.2004年8月，國家正式批準(zhǔn)北斗二號工程建設(shè)項目立項，全面啟動北斗二號系統(tǒng)工程研制工作.

北斗二號衛(wèi)星系統(tǒng)國家任務(wù)要求，空間段星座設(shè)計采用“5GEO+3IGSO+4MEO”混合星座的方案.其中GEO衛(wèi)星方案采用東方紅三號衛(wèi)星改進(jìn)型平臺，其載荷艙高度在東方紅三號衛(wèi)星的基礎(chǔ)上增加400mm，GEO衛(wèi)星具備北斗一號衛(wèi)星的全部功能，同時增加上行注入與精密測距載荷、無源導(dǎo)航(RNSS)載荷、激光反射器等，可提供有源定位、短報文通信和無源導(dǎo)航定位授時等服務(wù).IGSO衛(wèi)星采用東方紅三號衛(wèi)星平臺并進(jìn)行適應(yīng)性修改的方案，配置有數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)、上行注入與精密測距載荷、無源導(dǎo)航(RNSS)載荷、激光反射器等，可提供無源導(dǎo)航定位授時等服務(wù).MEO衛(wèi)星方案與IGSO衛(wèi)星方案基本相同，由長征三號乙運載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心一箭雙星發(fā)射.

北斗二號導(dǎo)航衛(wèi)星相對于北斗一號衛(wèi)星增加了無源導(dǎo)航的服務(wù)能力.無源導(dǎo)航服務(wù)采用的是四星定位與解算技術(shù)，對衛(wèi)星的平臺與有效載荷的要求有了很大的變化.

衛(wèi)星導(dǎo)航方式的改變促使了北斗二號導(dǎo)航衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)設(shè)計發(fā)生了重大改變.北斗二號MEO衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)的組成如圖2所示.

圖2 北斗二號MEO衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)組成示意圖

MEO衛(wèi)星的敏感器包括地球敏感器(IRES)及相應(yīng)的接口(CPS)、數(shù)字太陽敏感器(DSS)、模擬太陽敏感器(ASS)、3+1S液浮陀螺組件(RIGA)、二浮陀螺及相應(yīng)的接口線路.

執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括10 N雙組元推力器、490 N遠(yuǎn)地點發(fā)動機(jī)、反作用輪(RW)、帆板驅(qū)動機(jī)構(gòu)(SADA)和磁力矩器(MT).控制器由兩套互為冷備份的姿態(tài)與軌道控制計算機(jī)(AOCC)和一個應(yīng)急控制線路(ECU)構(gòu)成.

同時，衛(wèi)星導(dǎo)航方式的改變也促使了以北斗導(dǎo)航衛(wèi)星為代表的高中軌衛(wèi)星的姿軌控系統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)品得到了跨越式發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1)突破偏航控制技術(shù)，填補(bǔ)了我國MEO、IGSO軌道衛(wèi)星姿態(tài)控制技術(shù)的空白

由于北斗系統(tǒng)空間段設(shè)計的MEO、IGSO衛(wèi)星工作在傾角約55°的傾斜軌道上，為了同時保持導(dǎo)航天線對地指向與太陽翼對日指向，衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)需要采取持續(xù)的偏航機(jī)動和太陽帆板主動控制；同時，角動量的管理必須依靠磁力矩器進(jìn)行，不能像普通的通信衛(wèi)星一樣，通過推力器完成角動量卸載，如此才能夠保證衛(wèi)星在軌軌道的連續(xù)穩(wěn)定.偏航控制技術(shù)需要解決衛(wèi)星偏航角測量、偏航控制律設(shè)計、太陽翼轉(zhuǎn)動控制、星體大角動量交換等一系列難題，是導(dǎo)航衛(wèi)星特有的關(guān)鍵技術(shù).

2)成功研制長壽命陀螺產(chǎn)品，打破長壽命陀螺依賴進(jìn)口產(chǎn)品的局面

北斗二號MEO、IGSO衛(wèi)星的偏航控制，要求對衛(wèi)星的偏航角和角速度長期測量.在北斗二號衛(wèi)星之前，我國的星載陀螺產(chǎn)品的平均無故障時間只有20 000小時，在軌可靠工作時間只有幾千小時，無法滿足長壽命要求.低軌衛(wèi)星普遍使用俄羅斯的進(jìn)口陀螺，但進(jìn)口陀螺體積重量大，無法滿足高軌衛(wèi)星輕量化要求；并且進(jìn)口陀螺的產(chǎn)品在軌多次發(fā)生故障，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定.

北斗二號衛(wèi)星立足國內(nèi)技術(shù)基礎(chǔ)，組織力量，集智攻關(guān)，開展長壽命陀螺技術(shù)攻關(guān)工作，先后研制出二浮陀螺(圖3)和光纖陀螺產(chǎn)品，完成地面試驗考核，并在北斗二號衛(wèi)星上得到廣泛應(yīng)用.北斗二號驗證的國產(chǎn)長壽命陀螺平均無故障時間超過30萬小時，結(jié)束了長壽命陀螺依賴進(jìn)口產(chǎn)品的局面.

圖3 北斗二號衛(wèi)星3+1S二浮陀螺組件外形結(jié)構(gòu)圖

3)成功研制數(shù)字化一體控制計算機(jī)(AOCC)，建立高軌衛(wèi)星姿軌控控制器新架構(gòu)

在北斗二號衛(wèi)星之前，高軌衛(wèi)星的姿軌控控制器均由在軌計算機(jī)(OBC)和姿態(tài)軌道控制電路盒(AOCE)兩部分組成.其中OBC只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)移軌道的控制律計算工作，而衛(wèi)星長期工作時的衛(wèi)星姿態(tài)控制和對外接口電路都是由AOCE完成.AOCE采用分離集成電路和模擬電路實現(xiàn)，產(chǎn)品體積和重量都很大.

北斗二號衛(wèi)星為了減輕姿軌控分系統(tǒng)重量，將AOCE和OBC合并成一臺姿態(tài)軌道控制單元(AOCC)，采用雙機(jī)冷備份加應(yīng)急電路的新架構(gòu)形式.AOCC全部采用CPU控制，原有的太陽敏感器、陀螺和地球敏感器產(chǎn)品使用的模擬接口電路全部改為數(shù)字接口，不僅減小控制器產(chǎn)品的體積和重量，而且極大地提高了控制器的功能和性能，成為后續(xù)高軌衛(wèi)星平臺姿軌控控制器的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu).

4)中高軌衛(wèi)星磁力矩卸載技術(shù)得到驗證

為了滿足北斗導(dǎo)航衛(wèi)星高精度軌道預(yù)報要求，要求姿軌控系統(tǒng)不能使用推力器對動量輪進(jìn)行卸載，只能采用磁力矩器進(jìn)行角動量卸載.由于地磁場強(qiáng)度與軌道半徑的立方成反比，所以相對于低軌衛(wèi)星而言，20 000 km以上的中高軌道處其地磁場強(qiáng)度相對很弱.在北斗二號衛(wèi)星之前，國內(nèi)還沒有中高軌衛(wèi)星使用磁力矩器實現(xiàn)角動量卸載的經(jīng)歷.

為了實現(xiàn)北斗衛(wèi)星磁力矩器對動量輪卸載控制的任務(wù)，衛(wèi)星總體和姿軌控分系統(tǒng)采用地磁場模型進(jìn)行分析，制定磁力矩器控制策略，設(shè)計研制出200 Am2磁力矩器，成功實現(xiàn)了高軌衛(wèi)星磁力矩器對動量輪的卸載功能，在軌應(yīng)用效果良好.該技術(shù)狀態(tài)在后續(xù)北斗衛(wèi)星上延續(xù)采用.

除了上述技術(shù)創(chuàng)新外，北斗二號衛(wèi)星還開發(fā)研制了MEO衛(wèi)星數(shù)字式紅外地球敏感器，填補(bǔ)我國中軌衛(wèi)星地球敏感器產(chǎn)品的空白；對高軌衛(wèi)星的動量輪線路盒、太陽敏感器線路盒、推進(jìn)線路盒、單向閥等產(chǎn)品進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，使姿軌控分系統(tǒng)產(chǎn)品的性能大幅度提高.

此外，為了滿足組批生產(chǎn)的要求，北斗二號衛(wèi)星加大了姿軌控分系統(tǒng)產(chǎn)品化力度，建立了各類產(chǎn)品的生產(chǎn)線，強(qiáng)化了產(chǎn)品可靠性設(shè)計、工藝設(shè)計和產(chǎn)品生產(chǎn)基線管理，極大提高了分系統(tǒng)交付產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量.

2007年4月，我國成功發(fā)射第一顆北斗二號中圓軌道MEO衛(wèi)星.作為我國首顆基于RNSS技術(shù)體制的導(dǎo)航衛(wèi)星試驗星，驗證了系統(tǒng)新體制、新技術(shù)，檢查和演練了工程研制試驗與系統(tǒng)運行管理流程.同時，推進(jìn)了我國導(dǎo)航衛(wèi)星信號在國際上的頻率協(xié)調(diào)與在軌試驗驗證工作的進(jìn)展.

2010年至2012年，北斗二號系統(tǒng)完成14顆衛(wèi)星(5顆地球靜止軌道GEO衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道IGSO衛(wèi)星和4顆中圓地球軌道MEO衛(wèi)星)的研制生產(chǎn)，衛(wèi)星發(fā)射連續(xù)成功，快速實現(xiàn)了系統(tǒng)組網(wǎng)和運行服務(wù).

2012年12月27日，我國政府宣布北斗二號系統(tǒng)正式開始為我國及周邊地區(qū)的用戶提供無源定位、導(dǎo)航、授時等各項導(dǎo)航業(yè)務(wù)服務(wù)，實現(xiàn)了我國北斗系統(tǒng)工程建設(shè)的第二步，我國導(dǎo)航衛(wèi)星設(shè)計與研制水平大幅提升.

北斗二號系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和連續(xù)服務(wù)，具備多頻信號導(dǎo)航定位授時、位置報告和短報文通信等功能，應(yīng)用范圍越來越廣，系統(tǒng)服務(wù)已廣泛應(yīng)用于交通運輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象預(yù)報、測繪地理信息、通信時統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急搜救等領(lǐng)域，滲透到人類社會生產(chǎn)和人們生活的方方面面，為全球經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展注入了新的活力.

2016年3月之后，工程系統(tǒng)又成功發(fā)射了4顆北斗二號備份星(2顆IGSO衛(wèi)星和2顆GEO衛(wèi)星)，星座系統(tǒng)在軌衛(wèi)星的冗余備份，有效地保證了北斗二號系統(tǒng)可靠提供連續(xù)穩(wěn)定的服務(wù).

4 北斗三號衛(wèi)星姿軌控技術(shù)

2009年，我國啟動北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)從區(qū)域服務(wù)范圍發(fā)展為全球服務(wù)范圍的系統(tǒng)技術(shù)體制、服務(wù)功能、導(dǎo)航信號、星座構(gòu)型、國產(chǎn)化產(chǎn)品等關(guān)鍵技術(shù)論證和攻關(guān)工作.

北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計按照“開放性、兼容性、獨立性、漸進(jìn)性”的原則，繼承了北斗二號衛(wèi)星有源服務(wù)和無源服務(wù)兩種技術(shù)體制，空間段星座設(shè)計采用“3GEO+3IGSO+24MEO”混合星座的方案.

北斗三號系統(tǒng)通過建立星間鏈路，突破以星座組網(wǎng)、高精度時空基準(zhǔn)建立與維持、星座自主運行為主要特征的關(guān)鍵技術(shù)，對播發(fā)的導(dǎo)航信號體制進(jìn)行改進(jìn)，同時提高星載原子鐘性能和測量精度，星上采用星載軟件可重構(gòu)等技術(shù)，建成具有自主知識產(chǎn)權(quán)、技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠的中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)全球服務(wù)、性能提高、業(yè)務(wù)穩(wěn)定和與其他GNSS系統(tǒng)兼容互操作的工程目標(biāo).

同時，北斗三號衛(wèi)星在研制過程中還開展衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)相關(guān)增量載荷等試驗驗證工作，為我國下一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展奠定基礎(chǔ).

北斗三號衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)在北斗二號導(dǎo)航衛(wèi)星基礎(chǔ)上開展了一系列改進(jìn)設(shè)計，星上部件全面國產(chǎn)化是其重要標(biāo)志.北斗三號IGSO衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)組成如圖4所示.

圖4 北斗三號IGSO衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)組成

從北斗三號衛(wèi)星開始，姿軌控分系統(tǒng)引入星敏感器定姿，新增了基于星敏感器定姿的模式和方式，衛(wèi)星姿態(tài)的控制精度大幅度提升.通過利用星敏感器和長壽命陀螺，實現(xiàn)衛(wèi)星三軸姿態(tài)全時段可測，從而使得衛(wèi)星的姿態(tài)確定精度和控制精度都有明顯提升，衛(wèi)星在軌運行流程也得到了優(yōu)化，極大的簡化了在軌飛控流程，自主工作水平也得到了明顯提升，減小了地面測控的負(fù)擔(dān).同時，其衛(wèi)星定姿精度完全滿足星上天線、高精度窄波束指向終端等星上載荷高精度指向的要求.

另外，北斗三號衛(wèi)星采用了綜合電子體系，引入綜合電子分系統(tǒng).按照衛(wèi)星總體設(shè)計平臺的數(shù)據(jù)處理都集中在中心管理單元CMU(central management unit,CMU)中完成，并將之前眾多的部件線路盒進(jìn)行了集成，如將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的線路集成至控制綜合業(yè)務(wù)單元ISU中，實現(xiàn)了平臺信息集中處理，系統(tǒng)的信號與信息管理與控制得到了進(jìn)一步優(yōu)化，壓縮了產(chǎn)品數(shù)量，減小了產(chǎn)品體積和重量.

2015年至2016年，北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完成了5顆新平臺、新體制、新技術(shù)、新產(chǎn)品的試驗衛(wèi)星研制和發(fā)射任務(wù)，開展了在軌測試、系統(tǒng)集成聯(lián)調(diào)、測試評估考核的工作，驗證了運載火箭上面級、“一箭雙星”發(fā)射、星間鏈路與自主運行、新型星載原子鐘、導(dǎo)航信號播發(fā)、國產(chǎn)化產(chǎn)品等關(guān)鍵技術(shù).

2017年11月5日，北斗三號首批組網(wǎng)MEO衛(wèi)星由長征三號乙運載火箭和遠(yuǎn)征一號上面級以“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)工程開始由北斗二號系統(tǒng)向北斗三號系統(tǒng)升級，北斗三號衛(wèi)星組網(wǎng)建設(shè)邁出了堅實的第一步.

2020年6月23日，北斗三號系統(tǒng)完成了最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星的成功發(fā)射，30顆北斗三號組網(wǎng)衛(wèi)星工作穩(wěn)定，在完成系統(tǒng)集成聯(lián)調(diào)測試，形成了全球范圍內(nèi)導(dǎo)航定位授時和多功能業(yè)務(wù)的服務(wù)能力.

5 下一代北斗衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)需關(guān)注的技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為國家的重大空間基礎(chǔ)設(shè)施，未來發(fā)展將以建設(shè)國家時空基準(zhǔn)網(wǎng)和導(dǎo)航信息服務(wù)網(wǎng)為目標(biāo)，持續(xù)提升服務(wù)性能，擴(kuò)展服務(wù)功能，增強(qiáng)連續(xù)穩(wěn)定運行能力，以體系化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主要特征，建成“基準(zhǔn)統(tǒng)一、基準(zhǔn)統(tǒng)一、覆蓋無縫、高效便捷、安全可信、智能精準(zhǔn)、彈性互備”的國家綜合PNT體系，服務(wù)我國的航天強(qiáng)國建設(shè).

空間段的導(dǎo)航衛(wèi)星將作為整個系統(tǒng)中的核心部分，支撐構(gòu)建“更加泛在，更加融合，更加智能”的天地一體化時空基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)體系，播發(fā)高性能、高可靠的導(dǎo)航定位授時等業(yè)務(wù)服務(wù)信號，實現(xiàn)星座自主連續(xù)穩(wěn)定運行和智能管理，建立基于天基的導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)，提升衛(wèi)星導(dǎo)航的抗干擾能力.

在未來的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星中，可以設(shè)計其云計算平臺包含有星載計算模塊、大容量存儲單元、高速總線網(wǎng)絡(luò)、星載路由器、時頻生成與傳遞等，可支持星內(nèi)多任務(wù)的遷移和統(tǒng)一調(diào)度，提高系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性，提升導(dǎo)航衛(wèi)星智能化水平.平臺配備的星載公用計算模塊和大容量存儲模塊，具備海量信息的智能存儲和處理能力，可實現(xiàn)星座級的星座拓?fù)洹⒕W(wǎng)絡(luò)路由、時間信息、自主健康等各種智能管理，并可為用戶提供天基導(dǎo)航信息云存儲和云計算服務(wù).同時，形成的云計算平臺可作為泛在的空間網(wǎng)絡(luò)共享資源池，實現(xiàn)空間網(wǎng)絡(luò)計算、存儲、應(yīng)用等資源的共享和按需配置.

為此，下一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星中的姿態(tài)與軌道控制技術(shù)發(fā)展應(yīng)與衛(wèi)星平臺的發(fā)展緊密結(jié)合，分析總結(jié)目前北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的設(shè)計和在軌運行情況，針對衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道段的自主測定軌道、推力標(biāo)定、變軌策略生成和衛(wèi)星姿態(tài)異常的自主處置及自主恢復(fù)等技術(shù)開展研究，通過衛(wèi)星的自主管理，降低對地面運維系統(tǒng)的依賴；針對衛(wèi)星配置的大口徑天線等產(chǎn)品存在運動的情況，研究減輕各種工況下產(chǎn)品轉(zhuǎn)動對衛(wèi)星姿態(tài)的擾動，消除對星間高精度測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀ＷC導(dǎo)航信號服務(wù)的連續(xù)性、完好性和精度；針對GEO、IGSO衛(wèi)星，研究減少軌道機(jī)動帶來用戶服務(wù)計劃中斷時間的措施.

同時，根據(jù)下一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星任務(wù)要求和衛(wèi)星總體論證與設(shè)計，以衛(wèi)星服務(wù)功能與指標(biāo)需求為牽引，關(guān)注并研究衛(wèi)星姿態(tài)與軌道自主控制技術(shù)、新型測量敏感器技術(shù)、先進(jìn)化學(xué)推進(jìn)技術(shù)和高性能可信電推進(jìn)技術(shù)等，其產(chǎn)品將向著高智能、小型化方向發(fā)展，支撐下一代北斗系統(tǒng)的建設(shè).

6 結(jié)束語

本文通過總結(jié)北斗一號衛(wèi)星到北斗三號衛(wèi)星的發(fā)展過程，梳理了北斗導(dǎo)航衛(wèi)星姿態(tài)與軌道控制技術(shù)的發(fā)展變化，以及在引領(lǐng)衛(wèi)星姿軌控技術(shù)進(jìn)步和星載器部件自主可控方面取得的成就.同時，根據(jù)下一代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的論證需求，分析給出了未來導(dǎo)航衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)需要關(guān)注與研究的關(guān)鍵技術(shù).