希望－2衛星及在軌應用

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

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希望－2衛星及在軌應用

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，全球成功發射了小衛星數量分別為162顆和149顆，所以從整體來講，小衛星發射活動仍然繼續保持活躍，并且從高速增長階段邁入平穩發展階段。現代小衛星技術發展日新月異，傳統小衛星系統不斷更新換代，新興小衛星已逐步具備業務服務能力，其管理模式也推動了創新，使其成為世界航天器發射群體的重要組成部分和航天高技術競爭的熱點之一。為此，本刊特推出“小衛星專題”，以饗讀者。

希望－2衛星是航天東方紅衛星有限公司應對微納衛星技術發展，自主研發的皮納衛星系統，通過其在軌飛行驗證，可形成通用化、標準化皮納衛星產品系列和規范標準；圍繞應用型皮納衛星產品開發與驗證，能促進皮納衛星進一步應用探索與實踐。

1　引言

2015年9月20日，長征－6運載火箭在太原衛星發射中心以“一箭二十星”方式將希望－2衛星發射入軌。入軌后衛星順利開展各項在軌試驗，其中希望－2A衛星根據任務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衛星通過獲取熱層大氣密度原位數據正向探測大氣密度時空分布關系，優化熱層大氣阻力模型，并結合多頻點全球衛星導航系統（GNSS）原始測量數據及衛星激光測距（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報精度獲取有效連續的實測數據支撐，同時配置空間無線電臺，為全球無線電愛好者提供服務。

2　衛星的技術設計

希望－2衛星采用標準化、模塊化設計，使用“商用貨架產品”（COTS）器件和產品，探索低成本皮納衛星研制模式；通過單板單機化、整星無纜化、系統開放化及接口規范化的核心設計理念，研制適應不同類型科學載荷的1～50kg皮納衛星公用平臺。

希望－2衛星由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）構成。衛星運行在軌道高度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200～460km的大氣密度原位測量；利用雙模四頻GNSS接收機已實現200～524km多頻點GNSS原始測量數據測量和下傳；利用其上的激光反射器、甚長基線干涉測量信標機和GNSS接收機等載荷，已實現衛星激光測距、甚長基線干涉測量和GNSS聯合精密測定軌、軌道預報研究；采用特高頻/甚高頻通信機建立了空間業余無線電臺。

希望－2衛星采用超低功耗智能化接口，通過控制器局域網（CAN）總線和集成電路內部（IIC）總線網絡，形成了分布式的信息拓撲結構，各設備以節點形式與星上網構成功能密集、配置靈活的網絡系統結構。以整星優化為目標，以硬件資源統一應用、充分發揮軟件效用為原則，使衛星各設備的信息流和能源流成為一體化有機整體。

希望－2衛星產品配套矩陣

3　衛星的產品體系

希望－2衛星的納星、皮星與子星均采用框架式結構，星上所有電子產品嚴格按照PC104規范進行設計，并統一集成在堆棧內，以104芯公用接插件實現各單機產品電氣及通信連接。衛星單機模塊產品均按照標準化的要求，從產品體系中篩選配置，開發研制。6顆衛星上配置的單機模塊完全通用，并可兩兩替換。

通過希望－2衛星的研制，開發了一系列規范、標準以及與之相適應的產品，供衛星開發人員選擇、應用。目前已涉及8大類別123種單機模塊及部組件產品，形成微納衛星產品與技術體系。

4　載荷及其在軌應用

GNSS接收機

希望－2衛星雙頻四模GNSS接收機由GNSS接收天線及PC104規格的接收機板卡組成，具有質量輕、功耗低的特點。該接收機能夠實現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、解算、輸出位置、速度、軌道根數、世界協調時間（UTC）及原始測量數據等信息。

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

（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衛星所載大氣密度探測器的功能是監測衛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系。高層大氣密度通過直接測量大氣壓力（傳感器內的感測氣壓）和大氣溫度（傳感器內氣體溫度）來獲得。電離計用來測量傳感器內氣壓，溫度計用來直接測量取樣室氣體溫度，傳感器安裝在衛星前進方向，在軌連續探測。

大氣密度探測器頭部安裝圖

現選取2015年9月29日至10月2日數據進行處理，與NRLMSISE00模式計算結果進行比較，可見兩者吻合度良好。其大氣密度探測器以同類產品1/10的質量實現了同等的性能，后續還將進一步針對在軌飛行期間的數據進行標校。

大氣密度探測器在軌數據分析

甚長基線干涉測量信標機

希望－2衛星所載甚長基線干涉測量信標機由甚長基線干涉測量信標板、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射S、X雙頻段相干調制信號，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機信號頻譜（上圖為通道1；下圖為通道2）

該信標機是我國首個應用于低軌衛星的甚長基線干涉測量信標機，后續將深入開展低軌甚長基線干涉測量技術驗證。

激光反射器

衛星激光測距是衛星測軌精度最高的測量技術，激光反射器是衛星激光測距的重要組成部分，希望－2衛星所載激光反射器安裝在衛星對地面，可以對發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，實現星地距離的精確測量。

激光數據統計結果分析（上圖為7237長春站；下圖為7821上海站）

通過2015年10月2日全天的衛星星載GPS接收機的載波相位數據進行定軌并得到精密星歷，利用激光數據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。激光檢核的數據統計結果與GPS重疊弧段的軌道精度基本一致，也驗證了基于GPS原始測量數據的定軌精度。

希望－2衛星的激光反射器是我國首批采用分布式結構的激光反射器，該結構的激光反射器具有質量輕、安裝靈活的特點，適用于對安裝面積要求較為嚴格的低軌微納衛星。

希望－2衛星6顆衛星的UV通信機頻率表

特高頻/甚高頻通信機

希望－2衛星所載特高頻/甚高頻通信機，用作空間無線電臺，提供無線電信標信號、線性轉發等功能。

信標是將采集數據按20bit/min的速率進行莫爾斯電碼編碼形成基帶信號，并將基帶信號轉換為發射頻段的射頻信號通過天線發射。信標機為遙測長期發射工作方式，發射自身和部分衛星的遙測信號。線性轉發接收來自地面電臺發送的接收頻段的載波（CW）、單邊帶（SSB）、調頻（FM）等調制體制的電碼、話音和數據，再將接收信號變頻到發射頻段放大后通過天線發射，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）線性轉發與莫爾斯電碼遙測信標模式。此工作模式下莫爾斯電碼遙測信標按固定周期發送，線性轉發功能常開機處于接收守候狀態，只要接收到信號即轉發發射。遙控接收機也處于常開機接收守候狀態，接收到遙控指令可立即處理并應答。

2）下傳高速數據模式。此工作模式下莫爾斯電碼遙測信標按固定周期發送，下傳高速數據發送優先級高于線性轉發功能，僅在供電足夠的情況下允許同時進行線性轉發。遙控接收機處于常開機接收守候狀態，接收到遙控指令可立即處理并應答。

希望－2衛星特高頻/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。

5　結束語

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

王曉宇/本文編輯