北斗三號衛星直接入軌專用平臺設計研究

張 旭, 周耀華, 叢 飛, 嵇景全, 孫冠杰

(中國空間技術研究院, 北京 100094)

0 引言

北斗三號衛星導航系統由3顆地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit, GEO)衛星、3顆傾斜地球同步軌道(Inclined Geosynchronous Orbit, IGSO)衛星和24顆中軌道(Medium Earth Orbit, MEO)衛星組成，其中24顆MEO衛星構成全球衛星導航核心星座。與北斗二號MEO衛星相比，新增星間鏈路、自主導航、搜索救援等功能，導航精度等性能指標進一步提高，功能進一步增強。運載火箭上面級具備軌道機動轉移能力[1]，可以直接將衛星送入工作軌道。為滿足組批生產、快速組網的任務要求，工程總體決定北斗三號MEO衛星采用一箭多星發射、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衛星平臺提出了挑戰。

通過調研和研究，包括前期北斗二號一箭雙星發射的MEO衛星[2]在內的國內現有中小型衛星平臺在平臺構型、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工程任務的新要求。為此，提出了一種適于一箭多星發射、直接入軌的北斗衛星專用平臺的方案并對平臺關鍵分系統的核心技術進行設計。研究表明，北斗衛星專用平臺方案在機械、電氣、熱方面具有高承載比、高擴展、高自主、高可靠、長壽命的特點，其核心技術指標優于國外類似導航衛星平臺。該平臺的設計與研發，填補了我國桁架式直接入軌衛星平臺的空白，對提升航天領域多星快速進入中高軌空間能力、擴展衛星平臺型譜及提升宇航能力等都具有重要意義。

1 衛星平臺選用分析

1.1 平臺任務約束

在快速組網的約束下，為滿足多載荷功能配置及性能實現，滿足長期自主運行的需求，對衛星平臺的需求如表1所示。

表1 北斗衛星專用平臺需求

1.2 平臺需求

(1)先進性

①需要先進高效能源系統，適應小型化、集成化的要求，實現高質量功率比；能夠實現中高軌衛星多模式能源自主管理策略，同時要實現衛星與運載/上面級之間的電氣接口設計；

②需要采用先進的結構形式，實現高質量承載能力比，實現布局面積擴展；

③需要先進的綜合電子體系架構，實現衛星的高效信息綜合，實現衛星與衛星間信息的高效自主處理。

(2)通用性

①國產化元器件與部件應用約束；

②批產化對設計和工藝一致性、穩定性、易于實現性的約束；

③高可靠、長壽命對衛星設計的約束。

(3)專用性

①需要實現傾斜軌道對日定向偏航控制；

②需要實現對軌道連續性的保證，盡量減少噴氣對導航任務的影響；

③需要采用簡化的推進系統，以適應直接入軌方式；

④需要兼顧超過3 h的上面級轉移軌道的熱控需求，以適應直接入軌方式；

⑤需要滿足導航衛星系統長時間自主運行要求。

1.3 已有平臺選用分析

從運載能力及整流罩包絡空間的基本約束考慮，與北斗三號直接入軌MEO衛星要求相近的衛星平臺如表2所示。

表2 性能接近的衛星平臺主要技術指標

經過分析比較，現有中小型衛星平臺很難同時滿足直接入軌衛星在承載能力、布局面積、散熱能力、供電能力以及壽命要求，即使做適應性改造，其代價也非常高。由于無合適成熟平臺選用，必須研制適于一箭雙星直接入軌發射的高集成度、長壽命、小型化的MEO衛星平臺。

2 北斗衛星專用平臺設計方案

2.1 平臺方案

(1)平臺電子系統設計

衛星平臺電子系統一般分為集中式和分布式兩種體系結構[3]，針對姿軌控、能源、熱控、載荷等星上任務高效可靠的管理和控制需求，經綜合分析評估，北斗衛星專用平臺采用分布式綜合電子系統結構。該體系結構主要由硬件平臺和軟件平臺組成。

硬件平臺基于模塊通用化、接口標準化的設計理念，采用分級分布式總線架構，主要包括負責星務管理、計算任務的中心管理單元，負責遙測遙控、星間數據處理的數據路由單元，負責星載設備接口的綜合接口單元等硬件設備，如圖1所示。

圖1 北斗衛星專用平臺電子系統拓撲關系Fig.1 Topological relationship of electronic system of Beidou satellite dedicated platform

軟件平臺采用分層設計，包括硬件層、中間層和應用層[4]，如圖2所示。硬件層建立在星載硬件設備、模塊和處理器上，具備統一的實時操作系統內核，向軟件中間件層、應用軟件開發提供標準化的系統調用接口；中間件層是位于硬件層操作系統平臺和應用層之間的通用服務系統，具有標準的程序接口和協議，可實現不同硬件和操作系統平臺上的數據共享和交互支持；應用層實現最終的系統功能，專注于功能的邏輯特性。

(2)構型布局設計

與其他衛星類似，北斗衛星專用平臺結構主要用于承載全部設備，并承受運載火箭/上面級各級發動機工作產生的過載，保證衛星各產品的飛行狀態。平臺構型布局的約束條件主要包括兩個方面，一個是運載/上面級約束，另一個是整星設備布局的約束，如表3所示。

圖2 綜合電子軟件體系結構Fig.2 Integrated electronic software architecture

表3 構型布局的約束條件

針對運載/上面級和設備布局約束等要求，衛星總體比較了承力筒式、板架式、桁架式等衛星構型方案[5]，經綜合分析評估，決定采用桁架式結構作為北斗衛星專用平臺的主承力結構,如圖3所示。衛星的構型由桁架結構和連接在桁架上的蜂窩夾層結構板組成，具有剛度高、裝配簡單、加工精度易保證、質量小等特點，滿足批量化投產和快速研制的要求。考慮最優的傳力路徑和承載要求，星箭連接方式采用點式爆炸螺栓。

“這件事太復雜了，不能簡單去理解。S想一勞永逸地解決問題。但這兩個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時，對命運感激不已。他羞怯內向，恐懼于跟人打交道，他不是一個愛追逐女人的人，那是迫不得已。世上若有一個女人能使他平靜，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。當然，他們仍會睡覺，有時還是Y主動邀請。但S知道這是怎么回事。這連跟曲做愛都不如。”

圖3 北斗衛星專用平臺構型Fig.3 Configuration of the Beidou satellite dedicated platform

在基于載荷功能分區及組批生產的指導思想下，北斗衛星專用平臺的布局設計，按照先星外、后星內的原則。首先,劃分星外載荷功能區，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，劃分艙內功能區，以滿足分系統/系統性能為首要目標進行設備布局，按照產品的成熟度及地面測試需求，由內向外布局，成熟度低的產品，靠近星外，便于拆裝，地面測試需要操作的產品，靠近星外，便于操作；最后，復核整星質量特性，微調艙外及艙內設備布局，完成布局設計工作，如圖4所示。

圖4 北斗衛星專用平臺布局圖Fig.4 Layout of the Beidou satellite dedicated platform

2.2 專用平臺關鍵分系統核心設計

北斗衛星專用平臺主要包括結構、姿軌控、綜合電子、電源、熱控、測控等分系統組成，在直接入軌的約束下，為滿足衛星長期自主運行，重點對平臺姿軌控、電源等有特殊需求的關鍵分系統進行詳細介紹。

(1)姿軌控設計

姿軌控分系統通過對衛星不斷測量、計算和控制，使得衛星獲得比較理想的軌道和姿態。北斗三號MEO衛星對在軌偏航機動、自主運行的需求大幅提升，且在自主運行期間，衛星不能進行軌控、姿態控制。

相對于北斗二號衛星，北斗三號衛星專用平臺控制分系統設計時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，從而使衛星的姿態確定精度有了明顯的提升；采用三軸全輪控設計，在軌工作期間3個及以上輪子工作，實現三軸主動控制，保持偏航機動、推力器不工作，通過優化控制器參數、規劃偏航軌跡等措施，實現較高的控制精度。控制分系統從北斗三號星座構型保持出發，實現星上自主軌道控制；在綜合電子系統架構下，控制分系統信息獲取、數據處理能力大幅提升，形成了系統-部件兩級的自主故障診斷、處理體系，實現了故障自主診斷自主處理與系統自主重構等功能，滿足在軌自主運行要求。

其控制分系統組成如圖5所示，推進分系統組成如圖6所示。

圖5 北斗衛星專用平臺控制分系統組成Fig.5 The composition of the control subsystem of the Beidou satellite dedicated platform

圖6 北斗衛星專用平臺推進分系統組成Fig.6 The composition of the propulsion subsystem of the Beidou satellite dedicated platform

按照直接入軌的要求，推進分系統作為姿軌控的執行機構，在衛星與上面級分離后，為整星提供相位捕獲、相位保持、相位調整及姿態控制所需要的推力及控制力矩。在設計上，推進分系統以實現系統簡潔、高可靠為目標。單組元化學推進方案，結構簡單、系統干重小、可靠性高、比沖適中，廣泛應用于國內外中小型衛星領域[7]。

能源分系統承擔著整星供電和配電的功能。北斗三號MEO衛星能源設計要求安全可靠、能適應新增的上面級轉移軌道段及正常工作的供電需求，又要能源系統質量小滿足整星發射質量要求，需要從拓撲結構、太陽電池陣及蓄電池組等多方面開展，實現高的功率質量比。

能源分系統采用直接能量傳輸、全調節單母線方式[8]、S3R拓撲結構，母線電壓42 V，通過主誤差放大器MEA實現分流、充電、放電等工作模式下的母線電壓調節，母線電壓穩定，有利于衛星負載的使用，而且各功能均采用模塊化設計，擴展性好，有利于批量生產。為適應上面級直接入軌的需要，優化上面級供電拓撲、箭內星用電池等設計，既滿足轉移軌道段可靠、安全用電需求，又降低了星上蓄電池組容量及質量。

能源系統的質量主要由太陽電池陣、蓄電池組以及功率調節與控制裝置、電纜網等組成。為了滿足質量要求，選用平均光電轉換效率超過28%的三結砷化鎵太陽電池，可以增大功率的同時減少布片，進而減小整星質量；選用電壓平臺、比能量更高、發熱量更小的鋰離子電池，電池組功率密度高、體積小、質量小；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。在配電設計上，通常低頻電纜網質量占整星干重的3%～10%，北斗三號衛星實現了接插件、導線選型優化、屏蔽及電纜網走向布局優化等。設計結果表明，MEO衛星功率質量比提高至17 W/kg。

能源系統工作原理圖如圖7所示。

3 北斗衛星專用平臺主要特點

3.1 構型新穎，星箭接口簡單可靠

實現了滿足一箭多星、直接入軌發射方式的桁架平臺構型，桁架式主承力可分艙式的衛星構型實現了高承載效率、高設備布局面積、可分艙總裝、滿足一箭多星發射及點式星箭連接方式的衛星構型及主結構，主要設計指標如承載效率、載荷平臺質量比、功率質量比等優于國外類似導航衛星平臺。

圖7 北斗衛星專用平臺電源分系統組成Fig.7 The composition of the power subsystem of the Beidou satellite dedicated platform

實現了適用于一箭多星(上面級)直接入軌發射的星箭接口技術，適于多星底部支撐并排放置的點式連接、星箭火工分離的爆炸螺栓連接的全新星箭機械接口形式，以及適于上面級轉移軌道段的全新星箭電氣和熱接口形式。

3.2 靈活可擴展

在機械、能源、熱控等方面，采用集成優化設計方案，在桁架式主承力可分艙衛星構型的基礎上，實現了滿足一箭多星發射需求和點式星箭連接方式的結構特性、傳力路徑、高承載能力、基于結構板和板架的靈活適應多種增量構型設計的能力，以及包絡化、柔性工裝接口設計；實現了對多種增量載荷靈活組合的擴展適應。

3.3 信息流一體化

北斗衛星專用平臺從系統角度采用信息流一體化設計，實現了星地、星間、星內各類數據格式的統一兼容，具備測控通道、載荷通道、星間通道的互聯互通功能，提高了系統信息流傳輸的可靠性。

4 平臺應用情況

截至目前，應用北斗衛星專用平臺成功發射16顆MEO衛星。在軌飛行結果表明，衛星結構設計滿足運載火箭主動段過載載荷，平臺能力均滿足整星工作要求。

在布局設計上，在整星T字構型的基礎上，通過結構擴展、次級結構等措施實現了載荷布局面積的提升，有效布局能力達到8 m2，散熱能力最大達到1 500 W，支撐了多種不同有效載荷配置狀態的整星設計實現。在結構設計上，應用桁架式結構及星箭接口沖擊響應緩沖技術[9]，如圖8所示。在軌實測數據表明，星箭界面及星內振動環境數據在地面試驗環境的包絡范圍內[10]。

圖8 MEO衛星星箭分離時刻星箭接頭沖擊響應Fig.8 Shock response of the satellite joint at the moment of separation

運載火箭主動段及衛星在軌飛行狀態表明，在能源設計上，專用平臺與上面級供電接口既滿足了衛星與上面級分離前5 h以上的用電需求，又最大限度減小了能源系統的質量；光照期太陽電池陣實際輸出功率達到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。在信息流設計上，整星遙測數據、遙控數據、有效載荷業務數據、星間鏈路數據等傳輸可靠、穩定，星座連續運行穩定。

5 結論

本文針對北斗衛星專用平臺的設計特點進行了總結，簡要介紹了北斗衛星專用平臺的設計思路。從發展的眼光來看，北斗衛星專用平臺與當今最先進的衛星平臺還有差距，但它的成功研制為我國北斗全球衛星導航系統組網建設任務做出了巨大貢獻，其桁架式結構、綜合電子集成化設計、模塊化設計理念等為我國批產衛星的研制、多星發射等總體類設計過程提供了應有的技術支持。后續還需要進一步挖掘北斗衛星專用平臺的能力，突破高承載結構、智能綜合電子、高精度推進等關鍵技術，為我國下一代導航衛星的設計打下堅實的基礎。