希望－2衛(wèi)星及在軌應(yīng)用

趙志明施思寒孫驥付偉達唐科實李勰李陽朱雪萍竇驕（ 航天東方紅衛(wèi)星有限公司， 北京航天飛行控制中心）

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希望－2衛(wèi)星及在軌應(yīng)用

趙志明1施思寒1孫驥1付偉達1唐科實2李勰2李陽1朱雪萍1竇驕1
（1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，2 北京航天飛行控制中心）

Hope－2 Satellite and Its In-orbit Application

編者按：

2014年和2015年，全球成功發(fā)射了小衛(wèi)星數(shù)量分別為162顆和149顆，所以從整體來講，小衛(wèi)星發(fā)射活動仍然繼續(xù)保持活躍，并且從高速增長階段邁入平穩(wěn)發(fā)展階段?，F(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展日新月異，傳統(tǒng)小衛(wèi)星系統(tǒng)不斷更新?lián)Q代，新興小衛(wèi)星已逐步具備業(yè)務(wù)服務(wù)能力，其管理模式也推動了創(chuàng)新，使其成為世界航天器發(fā)射群體的重要組成部分和航天高技術(shù)競爭的熱點之一。為此，本刊特推出“小衛(wèi)星專題”，以饗讀者。

希望－2衛(wèi)星是航天東方紅衛(wèi)星有限公司應(yīng)對微納衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展，自主研發(fā)的皮納衛(wèi)星系統(tǒng)，通過其在軌飛行驗證，可形成通用化、標(biāo)準(zhǔn)化皮納衛(wèi)星產(chǎn)品系列和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；圍繞應(yīng)用型皮納衛(wèi)星產(chǎn)品開發(fā)與驗證，能促進皮納衛(wèi)星進一步應(yīng)用探索與實踐。

1　引言

2015年9月20日，長征－6運載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心以“一箭二十星”方式將希望－2衛(wèi)星發(fā)射入軌。入軌后衛(wèi)星順利開展各項在軌試驗，其中希望－2A衛(wèi)星根據(jù)任務(wù)需要進行了多批次軌道控制，將軌道高度降低了60多千米。

希望－2衛(wèi)星通過獲取熱層大氣密度原位數(shù)據(jù)正向探測大氣密度時空分布關(guān)系，優(yōu)化熱層大氣阻力模型，并結(jié)合多頻點全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）原始測量數(shù)據(jù)及衛(wèi)星激光測距（SLR）、甚長基線干涉測量（VLBI）等多體制精密測定軌試驗，反向推演大氣密度變化機理，為提高低軌航天器定軌預(yù)報精度獲取有效連續(xù)的實測數(shù)據(jù)支撐，同時配置空間無線電臺，為全球無線電愛好者提供服務(wù)。

2　衛(wèi)星的技術(shù)設(shè)計

希望－2衛(wèi)星采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計，使用“商用貨架產(chǎn)品”（COTS）器件和產(chǎn)品，探索低成本皮納衛(wèi)星研制模式；通過單板單機化、整星無纜化、系統(tǒng)開放化及接口規(guī)范化的核心設(shè)計理念，研制適應(yīng)不同類型科學(xué)載荷的1～50kg皮納衛(wèi)星公用平臺。

希望－2衛(wèi)星由1顆20千克級納星、3顆10千克級皮星及2顆1千克級子星（由皮星在軌分離）構(gòu)成。衛(wèi)星運行在軌道高度524km、97.47°傾角的太陽同步軌道，配置了大氣密度探測器、雙模四頻GNSS接收機、甚長基線干涉測量（VLBI）信標(biāo)機、激光反射器、特高頻/甚高頻（UHF/VHF）通信機等載荷。利用其上的大氣密度探測器，已實現(xiàn)200～460km的大氣密度原位測量；利用雙模四頻GNSS接收機已實現(xiàn)200～524km多頻點GNSS原始測量數(shù)據(jù)測量和下傳；利用其上的激光反射器、甚長基線干涉測量信標(biāo)機和GNSS接收機等載荷，已實現(xiàn)衛(wèi)星激光測距、甚長基線干涉測量和GNSS聯(lián)合精密測定軌、軌道預(yù)報研究；采用特高頻/甚高頻通信機建立了空間業(yè)余無線電臺。

希望－2衛(wèi)星采用超低功耗智能化接口，通過控制器局域網(wǎng)（CAN）總線和集成電路內(nèi)部（IIC）總線網(wǎng)絡(luò)，形成了分布式的信息拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各設(shè)備以節(jié)點形式與星上網(wǎng)構(gòu)成功能密集、配置靈活的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。以整星優(yōu)化為目標(biāo)，以硬件資源統(tǒng)一應(yīng)用、充分發(fā)揮軟件效用為原則，使衛(wèi)星各設(shè)備的信息流和能源流成為一體化有機整體。

希望－2衛(wèi)星產(chǎn)品配套矩陣

3　衛(wèi)星的產(chǎn)品體系

希望－2衛(wèi)星的納星、皮星與子星均采用框架式結(jié)構(gòu)，星上所有電子產(chǎn)品嚴(yán)格按照PC104規(guī)范進行設(shè)計，并統(tǒng)一集成在堆棧內(nèi)，以104芯公用接插件實現(xiàn)各單機產(chǎn)品電氣及通信連接。衛(wèi)星單機模塊產(chǎn)品均按照標(biāo)準(zhǔn)化的要求，從產(chǎn)品體系中篩選配置，開發(fā)研制。6顆衛(wèi)星上配置的單機模塊完全通用，并可兩兩替換。

通過希望－2衛(wèi)星的研制，開發(fā)了一系列規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)以及與之相適應(yīng)的產(chǎn)品，供衛(wèi)星開發(fā)人員選擇、應(yīng)用。目前已涉及8大類別123種單機模塊及部組件產(chǎn)品，形成微納衛(wèi)星產(chǎn)品與技術(shù)體系。

4　載荷及其在軌應(yīng)用

GNSS接收機

希望－2衛(wèi)星雙頻四模GNSS接收機由GNSS接收天線及PC104規(guī)格的接收機板卡組成，具有質(zhì)量輕、功耗低的特點。該接收機能夠?qū)崿F(xiàn)在空間載體上進行多頻GNSS信號的采集處理，并對信號進行解調(diào)、解算、輸出位置、速度、軌道根數(shù)、世界協(xié)調(diào)時間（UTC）及原始測量數(shù)據(jù)等信息。

通過在軌四頻點（同時鐘源）原始測量信號解調(diào)解算(亞太地區(qū))，進行了“北斗”與GPS系統(tǒng)的融合定軌定位。目前，GPS偽距、相位數(shù)據(jù)跟蹤正常，“北斗”偽距數(shù)據(jù)正常。GPS偽距數(shù)據(jù)噪聲水平為米級，相位數(shù)據(jù)噪聲水平為厘米級，“北斗”偽距數(shù)據(jù)噪聲水平為米級。使用GPS數(shù)據(jù)進行定軌計算，基于重疊弧段比較，定軌精度優(yōu)于分米級，滿足項目精度指標(biāo)要求。

（左圖起點為2015年9月26日；右圖起點為2015年9月27日）

大氣密度探測器

希望－2衛(wèi)星所載大氣密度探測器的功能是監(jiān)測衛(wèi)星飛行軌道空間的中性大氣密度，獲得大氣密度的時空分布關(guān)系。高層大氣密度通過直接測量大氣壓力（傳感器內(nèi)的感測氣壓）和大氣溫度（傳感器內(nèi)氣體溫度）來獲得。電離計用來測量傳感器內(nèi)氣壓，溫度計用來直接測量取樣室氣體溫度，傳感器安裝在衛(wèi)星前進方向，在軌連續(xù)探測。

大氣密度探測器頭部安裝圖

現(xiàn)選取2015年9月29日至10月2日數(shù)據(jù)進行處理，與NRLMSISE00模式計算結(jié)果進行比較，可見兩者吻合度良好。其大氣密度探測器以同類產(chǎn)品1/10的質(zhì)量實現(xiàn)了同等的性能，后續(xù)還將進一步針對在軌飛行期間的數(shù)據(jù)進行標(biāo)校。

大氣密度探測器在軌數(shù)據(jù)分析

甚長基線干涉測量信標(biāo)機

希望－2衛(wèi)星所載甚長基線干涉測量信標(biāo)機由甚長基線干涉測量信標(biāo)板、高頻電纜及甚長基線干涉測量天線（S、X天線）共同組成，甚長基線干涉測量原理是通過發(fā)射S、X雙頻段相干調(diào)制信號，與地面接收臺站形成多條基線，利用干涉測量原理對衛(wèi)星進行高精度單點定軌定位。利用北京中心海事站12m天線開展試驗。

甚長基線干涉測量信標(biāo)機信號頻譜（上圖為通道1；下圖為通道2）

該信標(biāo)機是我國首個應(yīng)用于低軌衛(wèi)星的甚長基線干涉測量信標(biāo)機，后續(xù)將深入開展低軌甚長基線干涉測量技術(shù)驗證。

激光反射器

衛(wèi)星激光測距是衛(wèi)星測軌精度最高的測量技術(shù)，激光反射器是衛(wèi)星激光測距的重要組成部分，希望－2衛(wèi)星所載激光反射器安裝在衛(wèi)星對地面，可以對發(fā)射的脈沖激光信號進行反射，使其原路返回，并通過精確測定激光信號往返時間間隔，實現(xiàn)星地距離的精確測量。

激光數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果分析（上圖為7237長春站；下圖為7821上海站）

通過2015年10月2日全天的衛(wèi)星星載GPS接收機的載波相位數(shù)據(jù)進行定軌并得到精密星歷，利用激光數(shù)據(jù)對該精密星歷進行檢核。長春站均方根為20cm，上海站均方根為11.6cm。激光檢核的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果與GPS重疊弧段的軌道精度基本一致，也驗證了基于GPS原始測量數(shù)據(jù)的定軌精度。

希望－2衛(wèi)星的激光反射器是我國首批采用分布式結(jié)構(gòu)的激光反射器，該結(jié)構(gòu)的激光反射器具有質(zhì)量輕、安裝靈活的特點，適用于對安裝面積要求較為嚴(yán)格的低軌微納衛(wèi)星。

希望－2衛(wèi)星6顆衛(wèi)星的UV通信機頻率表

特高頻/甚高頻通信機

希望－2衛(wèi)星所載特高頻/甚高頻通信機，用作空間無線電臺，提供無線電信標(biāo)信號、線性轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

信標(biāo)是將采集數(shù)據(jù)按20bit/min的速率進行莫爾斯電碼編碼形成基帶信號，并將基帶信號轉(zhuǎn)換為發(fā)射頻段的射頻信號通過天線發(fā)射。信標(biāo)機為遙測長期發(fā)射工作方式，發(fā)射自身和部分衛(wèi)星的遙測信號。線性轉(zhuǎn)發(fā)接收來自地面電臺發(fā)送的接收頻段的載波（CW）、單邊帶（SSB）、調(diào)頻（FM）等調(diào)制體制的電碼、話音和數(shù)據(jù)，再將接收信號變頻到發(fā)射頻段放大后通過天線發(fā)射，下行信號的頻譜為上行信號的倒置頻譜。

特高頻/甚高頻通信機主要工作模式為：

1）線性轉(zhuǎn)發(fā)與莫爾斯電碼遙測信標(biāo)模式。此工作模式下莫爾斯電碼遙測信標(biāo)按固定周期發(fā)送，線性轉(zhuǎn)發(fā)功能常開機處于接收守候狀態(tài)，只要接收到信號即轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)射。遙控接收機也處于常開機接收守候狀態(tài)，接收到遙控指令可立即處理并應(yīng)答。

2）下傳高速數(shù)據(jù)模式。此工作模式下莫爾斯電碼遙測信標(biāo)按固定周期發(fā)送，下傳高速數(shù)據(jù)發(fā)送優(yōu)先級高于線性轉(zhuǎn)發(fā)功能，僅在供電足夠的情況下允許同時進行線性轉(zhuǎn)發(fā)。遙控接收機處于常開機接收守候狀態(tài)，接收到遙控指令可立即處理并應(yīng)答。

希望－2衛(wèi)星特高頻/甚高頻通信機是我國首批星載輕小型特高頻/甚高頻通信機，目前在軌應(yīng)用效果良好，全球無線電愛好者均可通過頻率表所示頻段與希望－2通聯(lián)。

5　結(jié)束語

希望－2衛(wèi)星于2015年9月20日發(fā)射入軌后，衛(wèi)星工作正常，并進行了平臺產(chǎn)品的在軌驗證，有力地促進形成了通用化、標(biāo)準(zhǔn)化皮納衛(wèi)星產(chǎn)品系列和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)有多顆在研型號選用該平臺產(chǎn)品，進行了多體制精密測定軌試驗，為提高低軌航天器定軌預(yù)報精度獲取有效連續(xù)的實測數(shù)據(jù)提供支撐。希望－2衛(wèi)星同時為全球業(yè)余無線電愛好者提供了空間電臺服務(wù)，目前亞洲、歐洲、美洲及大洋洲等地?zé)o線電愛好者已成功通聯(lián)，效果良好。希望－2衛(wèi)星的降軌是我國首次試驗20千克級衛(wèi)星的降軌控制，任務(wù)的成功完成表明我國已掌握較為精密的微納衛(wèi)星變軌技術(shù)。

王曉宇/本文編輯