美國GPS衛星平臺演化發展淺析

肖剛 武向軍 周耀華 張彬 袁俊剛 梁峻 （中國空間技術研究院）

美國“全球定位系統”（GPS）經歷了GPS－1、2/2A、2R/2RM、2F的發展，目前已啟動GPS－3衛星的建設。在GPS衛星發展過程中，隨任務功能的增多和性能的提高，衛星平臺也經歷了不斷的演化和發展。

1 GPS－1衛星平臺

GPS－1是美國第一代導航衛星系統，衛星由洛克韋爾國際公司（Rock w ell International）防務和空間系統分部（1996年并入波音公司）研制，1978－1985年共發射了11顆衛星，其所有信號均向民用開放。

GPS－1衛星結構板采用鋁蜂窩夾層板，設計壽命4.5年，但實際在軌壽命平均達到8.76年，除具有導航功能外，還具有核爆探測和星間通信功能。

2 GPS－2/2A衛星平臺

GPS－2/2A是美國第二代導航衛星系統，衛星仍由洛克韋爾國際公司研制，1988－1996年共發射了8顆GPS－2和11顆GPS－2A衛星。

衛星對地面一側安裝了L頻段天線、核爆探測器。相對于GPS－1而言，GPS－2衛星的改進主要有以下幾方面：設計壽命更長，達到7.5年；衛星具有14天的自主導航能力；電子設備輻射強度增強；具有180天導航信息的存儲能力；具有實施選擇可用性（SA）和反電子欺騙（AS）的能力；具有誤差自動檢測能力。

GPS－2A衛星是GPS－2的改進型，采用相同衛星平臺，與前者的差別在于星上自主處理能力和星鐘精度得到提高，具有180天的自主導航能力，發射質量增加156kg。

3 GPS－2R/2RM衛星平臺

GPS－2R衛星由洛馬公司研制，采用AS4000平臺，裝有超高頻（UHF）天線，具有14～180天的自主導航能力。1997－2004年共發射13顆。

GPS－2RM衛星由GPS－2R改裝升級而成，增加了效率更高的天線，更換部分調制和發射電子設備。GPS－2RM衛星可發射L2C信號，第一顆衛星于2005年發射，迄今共發射了8顆。

衛星構形和布局

GPS－2R衛星均采用承力筒式構形，由承力筒、隔板和多塊面板組成。衛星對地面一側安裝L頻段天線、超高頻天線、S頻段測控天線、地球敏感器、太陽敏感器、反作用輪線路組件、核爆探測裝置等。其他側面安裝導航載荷設備、平臺設備和搭載載荷設備。

控制與推進分系統

GPS－2R衛星采用三軸穩定、偏航控制。變軌采用固體燃料發動機，攜帶固體燃料約950k g。裝有16臺推力器，用于姿態調整。

電源分系統

GPS－2R衛星電源分系統由太陽電池翼、蓄電池、電源控制器和火工品控制器等組成。衛星裝有2幅太陽電池翼，每幅太陽電池翼由2塊板組成。蓄電池為2組鎳氫電池，容量為40A·h，衛星在56min的陰影區可提供958W電能，放電深度為60%。電源分系統的母線電壓調整和控制繼承了GPS－1和2衛星的設計，有3種模式工作：①分流模式，即母線電壓通過分流調整器進行調整；②充電模式，即母線電壓通過蓄電池充電器作為線性分流回路進行調整；③放電模式，即母線電壓通過蓄電池升壓回路進行調整。

4 GPS－2F衛星平臺

GPS－2F衛星的改進設計主要是為了滿足導航戰的要求，首先在空間段將衛星信號發射功率提高到原來設計的10倍，軍用導航精度從15m提高到7m，增加了另一個L5民用頻段。同時，還使用了小功率原子鐘，采用星間鏈路和自主導航新技術，使GPS系統在沒有地面控制段支持的情況下，自主運行60～180天，并具有在軌快速重編程能力。

GPS－2F衛星由波音公司研制，共12顆。為提高批量生產能力，采用模塊化設計，各種有效載荷配置在2塊面板上。GPS－2F衛星主要的設計特點是繼承性、靈活性和兼容性，設計壽命延長到15年。

結構及熱控分系統

GPS－2F衛星采用承力筒式構型，由主承力筒和各側面的壁板構成，衛星構型尺寸為2440mm×1970mm×1970mm。固體燃料發動機置于承力筒內，反作用推力模塊分布于衛星相對的兩側。后壁板（背地面）外側安裝蓄電池、S頻段圓錐螺旋天線，內側安裝反作用輪等設備；前壁板（對地面）安裝L頻段天線陣、UHF鏈路天線陣、遙測遙控圓錐螺旋天線、與搭載設備對應的4副L頻段天線、組合地敏及其他搭載探測器。±Y板安裝有效載荷和平臺設備。隔板只作為支撐板，不裝設備。衛星采用預埋熱管進行溫度控制。

推進分系統

GPS－2F衛星采用隔膜式推進劑貯箱，其變軌發動機為固體燃料發動機。

電源分系統

GPS－2F衛星有2副太陽電池翼，每副太陽電池翼包含3塊太陽電池板（具備安裝4塊板的能力），太陽電池板上貼有硅電池片。電源分系統還包含4 組鎳氫蓄電池。

平臺柔性設計

由于GPS－2F衛星在軌設計壽命為15年，整個項目的全壽命周期將持續30年，其間衛星技術要求可能會發生變化，而且還會搭載其他一些設備，因此GPS－2F衛星平臺進行了充分的柔性設計，在質量、功率和布局空間等多個方面都留有一定余量。

火箭運載能力留有136～182kg的余量；每副太陽電池翼可增加到4塊太陽電池板，衛星壽命末期電源能達到1200W，這為將來增加另一個民用信號、高軌衛星用戶信號和軍用信號提供了空間。在布局空間上也為有效載荷擴展留有一定余量。

此外，還在1553數據總線結構、測控通道數量、數據速率（500bit/s～3.9Mbit/s）、存儲容量、數據接口、電源接口和星間通信類型等方面留有余量。

5 GPS－3衛星平臺

GPS－3衛星包含8顆GPS－3A衛星、8顆GPS－3B衛星、16顆GPS－3C衛星，其中GPS－3A采用A 2100衛星平臺研制，設計壽命為15年，合同金額18億美元，第一顆衛星將在2014年發射。GPS－3衛星將采用“一箭雙星”方式發射。

A 2100衛星平臺是美國洛馬公司的標準平臺，包含A 2100A、A 2100A X、A 2100M等系列。A 2100衛星平臺電源功率從1.5～13k W，發射質量1000～3900kg，設計壽命13～15年。A 2100平臺與GPS－1/2的衛星平臺相比，最大的變化在于結構形式不同，GPS－1/2衛星平臺采用承力筒式構型，而A 2100衛星平臺采用板架式構型，結構效率更高。

A 2100衛星平臺具有以下優勢：①開放性強，通過標準化、模塊化的設計適合載荷較大范圍的變化；②碳纖維復合材料結構通過熱管將南北散熱板相連；③采用了高效的MR－510電弧等離子推進劑，提供比沖585s；④采用了柔性的1553B數據總線；⑤電源分系統可通過增加太陽電池翼基板數量和鎳氫蓄電池組數來滿足不同載荷配置的要求；⑥采用持續運行的半球形調諧陀螺進行三軸穩定控制；⑦具有15年的設計壽命，考慮損耗因素和空間環境，采用了1.5倍的安全系數；⑧與多種火箭如“宇宙神”（Atlas）、“阿里安”（Ariane）、“德爾他”（Delta）、“長征”、質子號（Proton）具有適用性；⑨經過了嚴格鑒定試驗。

A 2100平臺包括結構、熱控、推進、電源和姿態測量與控制5個分系統。

結構分系統

A 2100衛星平臺結構分為平臺模塊和有效載荷模塊。有效載荷模塊包括北板、南板和對地板，3塊板構成H型結構，對接在平臺模塊上。東西面各包含2塊面板，作為衛星操作面，因此4塊東西板在平臺模塊和有效載荷模塊對接后安裝。為了便于移動和隔熱，蓄電池安裝于平臺外表面上。推進劑貯箱和推進設備安裝于平臺模塊上。

GPS系列衛星性能比較

A 2100衛星平臺可通過改變主結構高度及散熱面積，提供一定的可擴展能力。平臺面板采用鋁蜂窩碳纖維復合材料，與鋁合金及復合材料相比，使主結構質量減輕40%。星箭對接環采用石墨材料。

熱控分系統

A 2100平臺的熱控分系統設計與其他靜止軌道衛星類似，主要由光學太陽反射鏡（OSR）、預埋熱管、隔熱多層、熱控儀、加熱片等組成。采用南板和北板作為散熱面。與以往的設計不同的是，南北板通過對地板的預埋熱管連接在一起，可以顯著降低所需的散熱面積。這樣連接的優點是：在冬至日，北板被遮擋，南板受照，衛星多余的熱量可以由北板散發出去；夏至日則正好相反。

推進系統

A 2100平臺采用由雙組元液體發動機和單組元推力器組成的雙模式集成推進系統。推進系統包括雙組元液體發動機、6個單組元22N推力器、12個單組元0.9N推力器、4個電弧推力器和3個燃料貯箱等。

A 2100平臺采用二組元液體燃料發動機進行遠地點變軌。22N發動機用于衛星變軌其間的姿態調整。0.9N發動機用于軌道轉移、在軌工作和東西站位保持時的姿態調整。4個高效單組元電弧推力器（推力0.258～0.222N，比沖為570～600s）用于南北方向的站位保持。

所有姿控和軌道保持推力器均采取全功能備份。

電源分系統

A 2100平臺的電源分系統采用70V母線電壓，可將能量直接從電池板輸送到負載而無需任何中間環節的轉換。電源分系統的組件數量大大減少，而可靠性大大提高。功率調整單元（PRU）實行了集成設計，替代了以前的3個功率管理單元，并且雙向能源轉換器集成了充電和放電模塊。在組件的層面上，采用了基于特定集成電路的分布式架構，提高了可靠性。應用性特殊電源模塊的使用，避免了大量點對點式的連接，進一步增加了可靠性和工藝性。

姿態確定與控制分系統

A 2100衛星平臺采用三軸穩定方式，可采取零動量控制和偏置動量控制。其姿態測量與控制分系統可以連續測量并實時控制3個軸向的位置，由星載計算機、陀螺、地球敏感器、太陽敏感器、反作用輪等組成。A 2100平臺的姿態測量和控制能力幾乎代表了地球靜止軌道通信衛星的最先進水平，可在轉移軌道和工作軌道對衛星進行精確定軌和控制。

A 2100衛星平臺采用3個半球共振陀螺輸出的慣性速率實時估算衛星的姿態。地球敏感器和太陽敏感器組合工作，測量衛星滾動、傾斜和偏航角度值，獲得的姿態角經過卡爾曼濾波可以用來修正陀螺的漂移并更新陀螺的估算偏差的基準。陀螺儀的采用使得控制分系統更加穩定，同時由于地球和太陽數據沒有直接被衛星控制循環所采用，因此地球和太陽敏感器的擾動對于衛星姿態測量和控制工作狀態影響不大。反作用輪采用“4備3”方案，平臺上為反作用輪尺寸增加留有一定空間。0.9N發動機用于在軌機動和動量傾斜過程中做精確控制，也同時作為衛星的備用發動機。

6 GPS平臺演變的啟示

美國GPS衛星從20世紀70年代初開始發射，截至2013年9月，在軌運行衛星31顆，全部為GPS－2衛星。從3種衛星平臺的演化歷程來看，GPS衛星平臺在承載質量、功率、壽命、可靠性和分系統技術等方面進行了大量的技術突破與革新，引領了世界導航系統的發展方向，尤其在衛星平臺與關鍵技術發展上具有一定的借鑒意義。

GPS衛星發展過程中，波音公司承制了GPS－1、GPS－2/2A、GPS－2F，洛馬公司承制了GPS－2R，并已獲得GPS－3的研制合同，衛星平臺選用與承制公司的平臺產品種類有關。

綜觀GPS衛星平臺的發展，既體現了較好的繼承性，又在平臺性能上進行了改進，特別是在新平臺研制和選型中會充分吸取以往平臺的不足和教訓。GPS－2R后的平臺研制中進行了充分的柔性化設計，從質量、布局空間、功率、數據接口、存儲容量、遙測遙控通道等留了一定余量。

在衛星平臺構型方面，從GPS－1到GPS－3衛星，衛星構型從承力筒式發展為板架式；設計壽命越來越長，從4.5年到15年；面板材料從鋁合金發展為碳纖維蜂窩夾層。由于衛星功能的增多或性能的提高，從GPS－1到GPS-2F，衛星質量和尺寸越來越大。

從平臺構型上講，導航衛星的未來發展趨勢所采用的平臺構型以板架式和桁架式較多。由于板架式構形和桁架式構形具有設計簡單、質量輕、布局空間大、便于有效載荷擴展、工藝性好等特點，優勢突出，已成為國外衛星新平臺研制優先采用的結構形式。

從GPS衛星平臺技術演化歷程來看，相繼研發了新型衛星平臺或拓展現有平臺系列，提升衛星平臺能力，主要體現在：①電源分系統。蓄電池從鎳鎘電池發展到鎳氫電池，而且電池容量越來越大；電池片從硅發展到砷化鎵，提供的載荷功耗越來越大。從GPS－2到2F，電源供電模式和電源控制設備保持了較好的繼承性。②控制與推進分系統。衛星姿態測量從以敏感器為主發展到A 2100平臺以陀螺測量為主。GPS－2系列衛星的變軌發動機均為固體燃料發動機，GPS－3系列衛星將采用液體燃料發動機。從GPS－1到2F，推力器均采用單組元肼作為燃料，而GPS－3衛星采用雙模式推進系統，即主發動機采用雙組元（四氧化二氮、肼），推力器采用單組元肼燃料。③熱控分系統。從GPS－1到GPS-2F主要采用熱管進行導熱，通過在南北板粘貼光學太陽反射鏡片進行散熱。A 2100的最大變化是南北板的熱管穿過對地板相連，提高了散熱能力。

因此，未來我國導航衛星除了在已有或在研的衛星平臺關鍵技術上繼續突破外，還應注意：①通過載荷需求牽引平臺的發展方向，把握好衛星平臺的構型與結構形式，可為載荷提供更多更好的在軌服務；②衛星平臺的研制要具有較強的適應性、較好的技術發展性和通用性，適應載荷多樣化的發展需求；③考慮導航衛星具有快速組網、密集發射的特點，受限于發射能力和成本的約束，減輕衛星發射質量，提高載荷比仍然是衛星設計的優先發展方向，對衛星平臺的控制能力、供電能力提出了更高的需求。