張 旭, 周耀華, 叢 飛, 嵇景全, 孫冠杰

(中國(guó)空間技術(shù)研究院, 北京 100094)

0 引言

北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)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(gòu)成全球衛(wèi)星導(dǎo)航核心星座。與北斗二號(hào)MEO衛(wèi)星相比，新增星間鏈路、自主導(dǎo)航、搜索救援等功能，導(dǎo)航精度等性能指標(biāo)進(jìn)一步提高，功能進(jìn)一步增強(qiáng)。運(yùn)載火箭上面級(jí)具備軌道機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)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(chǎn)、快速組網(wǎng)的任務(wù)要求，工程總體決定北斗三號(hào)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(duì)衛(wèi)星平臺(tái)提出了挑戰(zhàn)。

通過調(diào)研和研究，包括前期北斗二號(hào)一箭雙星發(fā)射的MEO衛(wèi)星[2]在內(nèi)的國(guó)內(nèi)現(xiàn)有中小型衛(wèi)星平臺(tái)在平臺(tái)構(gòu)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(hào)工程任務(wù)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(tái)的方案并對(duì)平臺(tái)關(guān)鍵分系統(tǒng)的核心技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。研究表明，北斗衛(wèi)星專用平臺(tái)方案在機(jī)械、電氣、熱方面具有高承載比、高擴(kuò)展、高自主、高可靠、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，其核心技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于國(guó)外類似導(dǎo)航衛(wèi)星平臺(tái)。該平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研發(fā)，填補(bǔ)了我國(guó)桁架式直接入軌衛(wèi)星平臺(tái)的空白，對(duì)提升航天領(lǐng)域多星快速進(jìn)入中高軌空間能力、擴(kuò)展衛(wèi)星平臺(tái)型譜及提升宇航能力等都具有重要意義。

1 衛(wèi)星平臺(tái)選用分析

1.1 平臺(tái)任務(wù)約束

在快速組網(wǎng)的約束下，為滿足多載荷功能配置及性能實(shí)現(xiàn)，滿足長(zhǎng)期自主運(yùn)行的需求，對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的需求如表1所示。

表1 北斗衛(wèi)星專用平臺(tái)需求

1.2 平臺(tái)需求

(1)先進(jìn)性

①需要先進(jìn)高效能源系統(tǒng)，適應(yīng)小型化、集成化的要求，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量功率比；能夠?qū)崿F(xiàn)中高軌衛(wèi)星多模式能源自主管理策略，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與運(yùn)載/上面級(jí)之間的電氣接口設(shè)計(jì)；

②需要采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量承載能力比，實(shí)現(xiàn)布局面積擴(kuò)展；

③需要先進(jìn)的綜合電子體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的高效信息綜合，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與衛(wèi)星間信息的高效自主處理。

(2)通用性

①國(guó)產(chǎn)化元器件與部件應(yīng)用約束；

②批產(chǎn)化對(duì)設(shè)計(jì)和工藝一致性、穩(wěn)定性、易于實(shí)現(xiàn)性的約束；

③高可靠、長(zhǎng)壽命對(duì)衛(wèi)星設(shè)計(jì)的約束。

(3)專用性

①需要實(shí)現(xiàn)傾斜軌道對(duì)日定向偏航控制；

②需要實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道連續(xù)性的保證，盡量減少噴氣對(duì)導(dǎo)航任務(wù)的影響；

③需要采用簡(jiǎn)化的推進(jìn)系統(tǒng)，以適應(yīng)直接入軌方式；

④需要兼顧超過3 h的上面級(jí)轉(zhuǎn)移軌道的熱控需求，以適應(yīng)直接入軌方式；

⑤需要滿足導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間自主運(yùn)行要求。

1.3 已有平臺(tái)選用分析

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

表2 性能接近的衛(wèi)星平臺(tái)主要技術(shù)指標(biāo)

經(jīng)過分析比較，現(xiàn)有中小型衛(wèi)星平臺(tái)很難同時(shí)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(yīng)性改造，其代價(jià)也非常高。由于無合適成熟平臺(tái)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(zhǎng)壽命、小型化的MEO衛(wèi)星平臺(tái)。

2 北斗衛(wèi)星專用平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

2.1 平臺(tái)方案

(1)平臺(tái)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

衛(wèi)星平臺(tái)電子系統(tǒng)一般分為集中式和分布式兩種體系結(jié)構(gòu)[3]，針對(duì)姿軌控、能源、熱控、載荷等星上任務(wù)高效可靠的管理和控制需求，經(jīng)綜合分析評(píng)估，北斗衛(wèi)星專用平臺(tái)采用分布式綜合電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)主要由硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)組成。

硬件平臺(tái)基于模塊通用化、接口標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)理念，采用分級(jí)分布式總線架構(gòu)，主要包括負(fù)責(zé)星務(wù)管理、計(jì)算任務(wù)的中心管理單元，負(fù)責(zé)遙測(cè)遙控、星間數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)路由單元，負(fù)責(zé)星載設(shè)備接口的綜合接口單元等硬件設(shè)備，如圖1所示。

圖1 北斗衛(wèi)星專用平臺(tái)電子系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系Fig.1 Topological relationship of electronic system of Beidou satellite dedicated platform

軟件平臺(tái)采用分層設(shè)計(jì)，包括硬件層、中間層和應(yīng)用層[4]，如圖2所示。硬件層建立在星載硬件設(shè)備、模塊和處理器上，具備統(tǒng)一的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，向軟件中間件層、應(yīng)用軟件開發(fā)提供標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)調(diào)用接口；中間件層是位于硬件層操作系統(tǒng)平臺(tái)和應(yīng)用層之間的通用服務(wù)系統(tǒng)，具有標(biāo)準(zhǔn)的程序接口和協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)不同硬件和操作系統(tǒng)平臺(tái)上的數(shù)據(jù)共享和交互支持；應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)最終的系統(tǒng)功能，專注于功能的邏輯特性。

(2)構(gòu)型布局設(shè)計(jì)

與其他衛(wèi)星類似，北斗衛(wèi)星專用平臺(tái)結(jié)構(gòu)主要用于承載全部設(shè)備，并承受運(yùn)載火箭/上面級(jí)各級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生的過載，保證衛(wèi)星各產(chǎn)品的飛行狀態(tài)。平臺(tái)構(gòu)型布局的約束條件主要包括兩個(gè)方面，一個(gè)是運(yùn)載/上面級(jí)約束，另一個(gè)是整星設(shè)備布局的約束，如表3所示。

圖2 綜合電子軟件體系結(jié)構(gòu)Fig.2 Integrated electronic software architecture

表3 構(gòu)型布局的約束條件

針對(duì)運(yùn)載/上面級(jí)和設(shè)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(gòu)型方案[5]，經(jīng)綜合分析評(píng)估，決定采用桁架式結(jié)構(gòu)作為北斗衛(wèi)星專用平臺(tái)的主承力結(jié)構(gòu),如圖3所示。衛(wèi)星的構(gòu)型由桁架結(jié)構(gòu)和連接在桁架上的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板組成，具有剛度高、裝配簡(jiǎn)單、加工精度易保證、質(zhì)量小等特點(diǎn)，滿足批量化投產(chǎn)和快速研制的要求。考慮最優(yōu)的傳力路徑和承載要求，星箭連接方式采用點(diǎn)式爆炸螺栓。

“這件事太復(fù)雜了，不能簡(jiǎn)單去理解。S想一勞永逸地解決問題。但這兩個(gè)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(jié)時(shí)，對(duì)命運(yùn)感激不已。他羞怯內(nèi)向，恐懼于跟人打交道，他不是一個(gè)愛追逐女人的人，那是迫不得已。世上若有一個(gè)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。或者說，Y正在變得枯竭及死寂，S眼前浮現(xiàn)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(dāng)然，他們?nèi)詴?huì)睡覺，有時(shí)還是Y主動(dòng)邀請(qǐng)。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(tái)構(gòu)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(chǎn)的指導(dǎo)思想下，北斗衛(wèi)星專用平臺(tái)的布局設(shè)計(jì)，按照先星外、后星內(nèi)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(nèi)功能區(qū)，以滿足分系統(tǒng)/系統(tǒng)性能為首要目標(biāo)進(jìn)行設(shè)備布局，按照產(chǎn)品的成熟度及地面測(cè)試需求，由內(nèi)向外布局，成熟度低的產(chǎn)品，靠近星外，便于拆裝，地面測(cè)試需要操作的產(chǎn)品，靠近星外，便于操作；最后，復(fù)核整星質(zhì)量特性，微調(diào)艙外及艙內(nèi)設(shè)備布局，完成布局設(shè)計(jì)工作，如圖4所示。

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

2.2 專用平臺(tái)關(guān)鍵分系統(tǒng)核心設(shè)計(jì)

北斗衛(wèi)星專用平臺(tái)主要包括結(jié)構(gòu)、姿軌控、綜合電子、電源、熱控、測(cè)控等分系統(tǒng)組成，在直接入軌的約束下，為滿足衛(wèi)星長(zhǎng)期自主運(yùn)行，重點(diǎn)對(duì)平臺(tái)姿軌控、電源等有特殊需求的關(guān)鍵分系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

(1)姿軌控設(shè)計(jì)

姿軌控分系統(tǒng)通過對(duì)衛(wèi)星不斷測(cè)量、計(jì)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(hào)MEO衛(wèi)星對(duì)在軌偏航機(jī)動(dòng)、自主運(yùn)行的需求大幅提升，且在自主運(yùn)行期間，衛(wèi)星不能進(jìn)行軌控、姿態(tài)控制。

相對(duì)于北斗二號(hào)衛(wèi)星，北斗三號(hào)衛(wèi)星專用平臺(tái)控制分系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)，在軌工作期間3個(gè)及以上輪子工作，實(shí)現(xiàn)三軸主動(dòng)控制，保持偏航機(jī)動(dòng)、推力器不工作，通過優(yōu)化控制器參數(shù)、規(guī)劃偏航軌跡等措施，實(shí)現(xiàn)較高的控制精度?？刂品窒到y(tǒng)從北斗三號(hào)星座構(gòu)型保持出發(fā)，實(shí)現(xiàn)星上自主軌道控制；在綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)下，控制分系統(tǒng)信息獲取、數(shù)據(jù)處理能力大幅提升，形成了系統(tǒng)-部件兩級(jí)的自主故障診斷、處理體系，實(shí)現(xiàn)了故障自主診斷自主處理與系統(tǒng)自主重構(gòu)等功能，滿足在軌自主運(yùn)行要求。

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

圖5 北斗衛(wèi)星專用平臺(tái)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(tái)推進(jìn)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(jìn)分系統(tǒng)作為姿軌控的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在衛(wèi)星與上面級(jí)分離后，為整星提供相位捕獲、相位保持、相位調(diào)整及姿態(tài)控制所需要的推力及控制力矩。在設(shè)計(jì)上，推進(jìn)分系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、高可靠為目標(biāo)。單組元化學(xué)推進(jìn)方案，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)干重小、可靠性高、比沖適中，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外中小型衛(wèi)星領(lǐng)域[7]。

能源分系統(tǒng)承擔(dān)著整星供電和配電的功能。北斗三號(hào)MEO衛(wèi)星能源設(shè)計(jì)要求安全可靠、能適應(yīng)新增的上面級(jí)轉(zhuǎn)移軌道段及正常工作的供電需求，又要能源系統(tǒng)質(zhì)量小滿足整星發(fā)射質(zhì)量要求，需要從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、太陽電池陣及蓄電池組等多方面開展，實(shí)現(xiàn)高的功率質(zhì)量比。

能源分系統(tǒng)采用直接能量傳輸、全調(diào)節(jié)單母線方式[8]、S3R拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，母線電壓42 V，通過主誤差放大器MEA實(shí)現(xiàn)分流、充電、放電等工作模式下的母線電壓調(diào)節(jié)，母線電壓穩(wěn)定，有利于衛(wèi)星負(fù)載的使用，而且各功能均采用模塊化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展性好，有利于批量生產(chǎn)。為適應(yīng)上面級(jí)直接入軌的需要，優(yōu)化上面級(jí)供電拓?fù)?、箭?nèi)星用電池等設(shè)計(jì)，既滿足轉(zhuǎn)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(zhì)量。

能源系統(tǒng)的質(zhì)量主要由太陽電池陣、蓄電池組以及功率調(diào)節(jié)與控制裝置、電纜網(wǎng)等組成。為了滿足質(zhì)量要求，選用平均光電轉(zhuǎn)換效率超過28%的三結(jié)砷化鎵太陽電池，可以增大功率的同時(shí)減少布片，進(jìn)而減小整星質(zhì)量；選用電壓平臺(tái)、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(zhì)量??；采用集分流、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(shè)計(jì)上，通常低頻電纜網(wǎng)質(zhì)量占整星干重的3%～10%，北斗三號(hào)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了接插件、導(dǎo)線選型優(yōu)化、屏蔽及電纜網(wǎng)走向布局優(yōu)化等。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，MEO衛(wèi)星功率質(zhì)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(tái)主要特點(diǎn)

3.1 構(gòu)型新穎，星箭接口簡(jiǎn)單可靠

實(shí)現(xiàn)了滿足一箭多星、直接入軌發(fā)射方式的桁架平臺(tái)構(gòu)型，桁架式主承力可分艙式的衛(wèi)星構(gòu)型實(shí)現(xiàn)了高承載效率、高設(shè)備布局面積、可分艙總裝、滿足一箭多星發(fā)射及點(diǎn)式星箭連接方式的衛(wèi)星構(gòu)型及主結(jié)構(gòu)，主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如承載效率、載荷平臺(tái)質(zhì)量比、功率質(zhì)量比等優(yōu)于國(guó)外類似導(dǎo)航衛(wèi)星平臺(tái)。

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

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

3.2 靈活可擴(kuò)展

在機(jī)械、能源、熱控等方面，采用集成優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在桁架式主承力可分艙衛(wèi)星構(gòu)型的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了滿足一箭多星發(fā)射需求和點(diǎn)式星箭連接方式的結(jié)構(gòu)特性、傳力路徑、高承載能力、基于結(jié)構(gòu)板和板架的靈活適應(yīng)多種增量構(gòu)型設(shè)計(jì)的能力，以及包絡(luò)化、柔性工裝接口設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種增量載荷靈活組合的擴(kuò)展適應(yīng)。

3.3 信息流一體化

北斗衛(wèi)星專用平臺(tái)從系統(tǒng)角度采用信息流一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了星地、星間、星內(nèi)各類數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一兼容，具備測(cè)控通道、載荷通道、星間通道的互聯(lián)互通功能，提高了系統(tǒng)信息流傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

4 平臺(tái)應(yīng)用情況

截至目前，應(yīng)用北斗衛(wèi)星專用平臺(tái)成功發(fā)射16顆MEO衛(wèi)星。在軌飛行結(jié)果表明，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足運(yùn)載火箭主動(dòng)段過載載荷，平臺(tái)能力均滿足整星工作要求。

在布局設(shè)計(jì)上，在整星T字構(gòu)型的基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)擴(kuò)展、次級(jí)結(jié)構(gòu)等措施實(shí)現(xiàn)了載荷布局面積的提升，有效布局能力達(dá)到8 m2，散熱能力最大達(dá)到1 500 W，支撐了多種不同有效載荷配置狀態(tài)的整星設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)用桁架式結(jié)構(gòu)及星箭接口沖擊響應(yīng)緩沖技術(shù)[9]，如圖8所示。在軌實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，星箭界面及星內(nèi)振動(dòng)環(huán)境數(shù)據(jù)在地面試驗(yàn)環(huán)境的包絡(luò)范圍內(nèi)[10]。

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

運(yùn)載火箭主動(dòng)段及衛(wèi)星在軌飛行狀態(tài)表明，在能源設(shè)計(jì)上，專用平臺(tái)與上面級(jí)供電接口既滿足了衛(wèi)星與上面級(jí)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(zhì)量；光照期太陽電池陣實(shí)際輸出功率達(dá)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(shè)計(jì)上，整星遙測(cè)數(shù)據(jù)、遙控?cái)?shù)據(jù)、有效載荷業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、星間鏈路數(shù)據(jù)等傳輸可靠、穩(wěn)定，星座連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文針對(duì)北斗衛(wèi)星專用平臺(tái)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，簡(jiǎn)要介紹了北斗衛(wèi)星專用平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路。從發(fā)展的眼光來看，北斗衛(wèi)星專用平臺(tái)與當(dāng)今最先進(jìn)的衛(wèi)星平臺(tái)還有差距，但它的成功研制為我國(guó)北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)建設(shè)任務(wù)做出了巨大貢獻(xiàn)，其桁架式結(jié)構(gòu)、綜合電子集成化設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)理念等為我國(guó)批產(chǎn)衛(wèi)星的研制、多星發(fā)射等總體類設(shè)計(jì)過程提供了應(yīng)有的技術(shù)支持。后續(xù)還需要進(jìn)一步挖掘北斗衛(wèi)星專用平臺(tái)的能力，突破高承載結(jié)構(gòu)、智能綜合電子、高精度推進(jìn)等關(guān)鍵技術(shù)，為我國(guó)下一代導(dǎo)航衛(wèi)星的設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。