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北斗三号全球导航系统首组卫星技术创新亮点解析

文章来源:中国航天科技集团公司   发布时间:2017-11-10

11月5日,时隔一年多,中国北斗再次出征——北斗三号首发双星开始执行我国北斗卫星导航系统“三步走”发展战略的第三步任务。

这一次,北斗从区域走向了全球。此前,我国已经建成了由14颗组网卫星和32个地面站天地协同组网运行的北斗二号卫星导航系统,即北斗区域卫星导航系统。

北斗三号首组卫星的成功发射为其后续全球组网建设奠定了良好基础。“该系统建成后,我们在世界上任何一个地方都可以享受到北斗服务。”中国航天科技集团公司五院北斗三号卫星总设计师王平憧憬道。

据五院北斗三号工程副总设计师、卫星首席总设计师谢军介绍,早在北斗二号正式提供区域导航定位服务前,我国就开始了北斗三号全球导航系统的论证研制工作,确定了建设独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的全球卫星导航系统的发展目标。针对全球导航服务需求,北斗三号采用了一系列创新技术,力争使该系统建成后性能与GPS等世界一流卫星导航系统相当,达到国际先进水平。

新一代铷原子钟精度大幅跃升

作为关键载荷产品的原子钟,素有“导航卫星的心脏”之称,在导航卫星上发挥着提供时间基准的作用,其准确度和稳定度将直接影响导航卫星的定位、测速和授时精度。目前,国际上导航卫星使用的原子钟主要有铷原子钟、氢原子钟、铯原子钟等,我国早期发射的北斗卫星多采用铷原子钟。

为了提高全球服务的精度,北斗三号首发双星上配置了新一代高精度铷原子钟。“该铷钟体积更小、质量更轻,通过电路噪声抑制技术、温控电路改进等措施,大幅提升了关键性能指标。”五院西安分院铷钟产品责任人屈勇晟介绍,新一代高精度铷原子钟每天的频率稳定度比过去提高了10倍,达到世界先进水平。

“相对于北斗二号优于10米的定位精度,北斗三号全球导航系统的定位精度将提升1~2倍,达到2.5米~5米水平,测速和授时精度也同步提高一个量级,为北斗卫星导航系统更深入广泛的社会应用打下基础。”王平说。

除了铷原子钟,北斗全球卫星导航系统的后续组网卫星上还将配置性能更高的新研国产氢原子钟。氢原子钟虽然质量和功耗比铷原子钟大,但稳定性和漂移率等指标更优。

2015年,我国首次在轨应用验证氢原子钟,截至目前其功能、性能稳定,为北斗全球卫星导航系统的建设进行了技术探索。

10年以上长寿命保持连续服务

一般用户可能不会想到,每次享受北斗服务,都需要动用至少4颗导航卫星。北斗作为一个覆盖全球的系统工程,要提供连续、稳定的服务,至少需要20多颗卫星同时运行,且信号不中断。这样的特性使北斗卫星导航系统对产品可靠性的要求更为严苛。

开放的北斗卫星导航系统不仅关系着我国国家安全和经济发展,也将是为全人类提供时间坐标和空间坐标的重要基础设施。“就像停水、停电影响城市生活一样,北斗导航服务一旦中断,国家和社会的正常运行也会受到很大影响。”五院北斗三号卫星总指挥迟军说。

为提高卫星在轨服务的可靠性,北斗三号卫星的设计寿命由原来的8年提升至10~12年。更重要的是,研制队伍首次提出“保证服务不间断”的指标。目前,北斗系统非计划中断指标压缩至每年0.4次,低于国际其他卫星导航系统。

在总结北斗二号经验的基础上,科研人员进一步提升了对北斗三号连续性、稳定性和可用性的要求:为卫星元器件选择设置了更高门槛,使卫星具备自主修复功能,对软件检测进行了更多保障等。

“不放心”的他们为了改善用户体验,还采用多重可靠性“加固”措施,最大限度地增强系统的保险系数。比如,保证系统建成后运行卫星数量大于服务必需卫星数,即卫星有冗余。再如,在星上配备多台铷原子钟,形成“双保险”一起提供服务,即单机双备份。

“航天的质量就是我们的生命,用严格管理确保产品质量,让中国人乃至全球用户用上更满意的北斗导航卫星系统,就是我们的工作目标。”谢军在接受媒体采访时曾说。这也是北斗三号研制团队的共同追求。王平介绍,首发双星在发射场贮存期间,试验队对型号的蓄电池和火工品全部进行了更换,以使产品处于最佳状态。这样的“大动作”带来了后续一连串繁琐的检验工作。“两总”亲自督战,确保过程可控。

不仅如此,在全集团开展质量大检查的背景下,北斗三号团队还对型号进行了彻底的质量复查。2颗卫星有18000多个钽电容,队员们拿着留档照片一个个对照检查其极性是否正确;整颗星有18个单点故障模式,大家为每种模式制定控制举措并落实到位……研制人员通过一系列措施,保证任务的万无一失和服务的连续稳定。

相控阵星间链路监测境外卫星

导航卫星的精度需要地面站实施测量和标定。长期以来,我国无法像美国一样在全球建立地面站。为解决境外监测卫星的难题,相较于区域卫星导航系统,北斗全球卫星导航系统的一大特色就是首次配置了星间链路。这是北斗三号提高全球导航服务质量的重要手段。

所谓星间链路,就是在卫星之间搭建起通信和测量的链路。“星间链路能够让我们看不见的、在地球另一面的北斗卫星,与我们头顶的北斗卫星取得联系。”五院北斗三号卫星副总设计师张立新解释说。

北斗三号导航系统采取了星间传输、星地传输功能一体化设计,实现了高轨、中轨卫星及地面站的链路互通。目前,国际卫星导航系统中也只有GPS导航系统具备星间链路。

星间链路还是北斗卫星实现自主导航的关键。“自主导航是指即使地面站全部失效,北斗导航卫星也能通过星间链路提供2个月的精准定位和授时。”王平说。

自主完好性监测提高安全系数

作为中国自己的全球导航卫星系统,北斗三号在立项之初便被赋予了更多期待。“除了能提供定位、导航和授时服务以外,北斗三号还在世界上首次实现了卫星的在轨自主完好性监测功能。”王平骄傲地表示。

所谓完好性,就是当导航系统服务精度误差超限时,向用户发出及时、有效告警的能力。这一其他卫星不太考核的指标,对于重视用户体验的北斗导航卫星来说,却是极其重要的。

以航空领域为例,目前,其导航综合利用了微波导航、卫星导航等多种手段来保证飞行、着陆的安全性。在传统的卫星导航中,以往国际上所有导航卫星的完好性都是基于地面对于卫星的监测。由于北斗导航卫星的地面站较少,地面系统的全球连续完好性监测与实时告警时间一般需要数十秒到几小时。飞机偏离航线或者跑道,较难被快速发现和纠正,存在巨大安全隐患。

“具备自主完好性监测功能的北斗三号能星上自主判断错误,在几秒之内向用户终端发出告警信号,终端会自动优选信号更完好的北斗卫星进行导航,避免事故的发生。”张立新说,这一功能对民航、自动驾驶等生命安全领域用户来说,具有极强的实用价值。

新导航信号体制在轨维护重构

卫星导航信号是导航卫星为用户提供服务的载体,决定着导航卫星系统提供的导航定位精度。

为解决实际使用中遇到的导航信号定位精度不高等诸多问题,北斗三号设计了全新的导航信号体制,采用将导航测距和数据信号分离的新型调制方式进行下行导航信号生成,并在同一个频点中播发多路信号,服务于不同用户。“新体制不仅兼容北斗二号导航信号,还增加了新的导航信号,能提供更优质、便捷的服务。”王平说。

区别于以往的北斗导航系统,北斗三号的有效载荷系统还创新设计了强大的在轨重构功能,用来对卫星进行维护和升级。“导航信号不够用”、“信号质量不好”等各种问题,都可以通过注入软件来解决。随着北斗的应用越来越广泛,用户对于导航卫星可提供的服务需求也会随之增加。“到那时,只要改变有效载荷中的部分软件,就能实现新的导航功能。”张立新说。

3轨道卫星构型实现功能拓展

中国的北斗可以说是全世界唯一一个由3种轨道卫星构成的导航系统。北斗三号全球导航系统的卫星主要分布在中圆地球轨道(MEO),少量也分布在地球静止轨道(GEO)和倾斜地球同步轨道(IGSO)。

北斗三号首发双星作为中圆地球轨道卫星可以游走全球,是GPS等卫星导航系统使用的通用轨道;地球静止轨道一般是通信卫星使用,未来运行于该轨道的北斗卫星还可以发挥其独具特色的短报文通信和星基增强功能;倾斜地球同步轨道卫星则更侧重于区域导航。

“北斗三号作为一个星座,未来发展既要向下兼容,也要向上兼容。”张立新口中的“上下兼容”指的是北斗三号后续除了具备导航、定位、授时等基础功能,还将有增量发展方案。“下一步我们会把北斗三号的导航和通信功能结合起来,增加卫星的搜救、全球位置报告、星基增强甚至对高轨卫星的空间导航功能。”王平补充道。

一个更高精度、更长寿命、更可靠、更安全、更多功能的北斗全球卫星导航系统,正在建设者们的努力下加速布局着。