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专访北斗导航卫星总设计师谢军  

2016-01-17 12:16:42|  分类: 宇航工程 |  标签: |举报 |字号 订阅

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创新跨越 新一代“北斗”导航卫星 关键技术得到验证
——专访“北斗”导航卫星总设计师谢军

专访“北斗”导航卫星总设计师谢军 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 
截至2012年底,我国成功发射了16颗“北斗”导航卫星,“北斗”区域卫星导航系统建设完成,具备了覆盖亚太地区的区域服务能力。2015年,我国成功发射了第17~第20颗共4颗新一代全球覆盖的“北斗”导航卫星,全面验证了卫星的关键技术,标志着新一代“北斗”全球卫星导航系统建设初战告捷。

中国空间技术研究院研制的第18颗、19颗和20颗新一代“北斗”导航卫星分别于7月25日和9月30日成功发射入轨。此后,研制团队紧张有序地开展了各项在轨测试,按计划完成了所有工作项目,全面验证了关键技术,导航信号性能指标较前一代“北斗”导航卫星大幅提高,达到了国际先进水平。11月20日,第18、19颗“北斗”导航卫星顺利通过了用户组织的在轨测试和总结评审,第20颗“北斗”导航卫星也同时完成了在轨“体检”。在新一代“北斗”导航卫星不辱使命,我国进军全球卫星导航系统工程建设初战告捷之际,卫星总设计师谢军接受了本刊记者的专访。

记者:祝贺“北斗”研制团队夺取了新一代“北斗”全球卫星导航系统建设首战的胜利,请您介绍一下该导航卫星研制工程有哪些特点。

谢军:新一代“北斗”导航卫星主要肩负着验证全球卫星导航系统总体方案与技术体制,验证关键技术攻关结果的重任,比如以高精度星载原子钟、新型导航信号体制、星座自主运行等为代表的卫星载荷关键技术,以轻量化、长寿命、高可靠为典型特征的卫星平台关键技术,以基于星地链路和星间链路的导航卫星运行控制关键技术,以及对关键器件部组件国产化的试验验证,为后续导航卫星研制、组网建设、在轨运行管理积累数据。

作为我国全球卫星导航系统建设的新一代“北斗”导航卫星,许多技术和产品都是第一次进行实际在轨考验。它主要具有三大技术难点:一是技术指标要求高。全球卫星导航系统与区域卫星导航系统相比,技术要求大幅提升,由此带来新一代“北斗”导航卫星和地面系统的关键指标和技术要求必须大幅提升。二是新技术、新产品多。新一代“北斗”导航卫星系统承担多项新技术验证任务,包括全新的导航信号体制、星间链路体制、综合电子技术等,此外还承担着大量的关键产品实现国产化后的在轨验证任务。三是卫星国产化程度高。为建设自主可控的卫星导航系统,共有77项国产化元器件在导航卫星上首次进行试验和应用,国产化部件35项,部件国产化率由此前的71%提高到98%,卫星上关键器件和部件全部实现国产化。卫星系统的验证内容之多、范围之广、技术难度之高前所未有。

记者:在卫星研制中,进行了许多新技术的首创,可以说是技术创新铺平了新一代“北斗”导航卫星的登天之路,请您谈一谈这方面的情况。

谢军:坚持自主创新是“北斗”团队的成功法宝。以全新的导航信号体制为例,为了提高全球卫星导航能力,实现和国外导航卫星系统兼容、互操作以及与“北斗”区域导航系统的平稳过渡,新一代“北斗”导航卫星播发信号数量比以往提高了2倍多,在同样的时间内,导航卫星可发送更多的信号,更好更快地满足了用户需求。第18颗“北斗”导航卫星还开创性地在S频段播发导航信号进行试验。为了应对播发导航信号数量多的要求,研制团队成功地解决了大功率、小型化等难题,并巧妙地通过多种组合选择、软件重构等方法,使这些信号利用效率更加高效、优化,信号品质达到了国际先进水平。2015年8月,第18、19颗“北斗”导航卫星在遥远太空播发新的导航信号,标志着我国开启了“北斗”导航信号体制的新时代。

针对“北斗”导航卫星所处的电磁与空间环境非常恶劣的情况,为了提升对空间环境的适应能力,保证导航信号服务的连续性与可靠性,研制团队煞费苦心。我们充分汲取了以往导航卫星的研制经验和教训,通过大量的优化设计、仿真和试验,极大地提升了卫星的空间环境适应性。几个月来,这3颗卫星成功应对了太空恶劣环境的侵袭,始终保持连续稳定工作,全天时不间断地播发导航信号,展现出很好的环境适应性。

验证新型导航卫星平台是这3颗卫星的重要使命。为了打造一个适合全球导航卫星组网需要的全新导航卫星平台,研制团队创新采用了桁架式结构设计,相比以前的卫星缩减了尺寸,减轻了结构自身质量,在卫星有限的空间内极大地提高了设备有效安装面积,提高了平台的装载能力,可以适应全球组网“一箭多星”批量发射、快速组网的需求。新卫星平台的输出功率比以往的“北斗”导航卫星大,在国际同类卫星中居先进水平。导航卫星平台的开发成功,不仅为“北斗”全球卫星导航系统组网建设提供了保证,也为中国航天新增加了一个性能先进的卫星平台。

新一代“北斗”导航卫星首次采用了综合电子体系构架。为了实现敏捷智能化管理,研制团队从系统任务顶层优化配置了信息流和产品组合方式,极大地简化了设备间的接口。从实际运行情况来看,首次应用的综合电子分系统工作稳定,自主管理性能优异,使卫星的信息集成度大幅提升。

新一代“北斗”导航卫星首创技术还有许多,例如,首次在国内卫星中采用扩跳频测控技术,极大地提高了卫星的安全性,填补了国内空白,具有极强的推广价值;首次在卫星上通过星间链路实现了多卫星数据的汇集和高速传输,使大数据驶入“高速通道”,将境外卫星上的数据及时传递下来,等等。这些技术创新成果不仅展现了我们研制团队的创新能力,保证了首战告捷,也为全球卫星导航系统工程建设扫清了技术障碍。

记者:这次发射的新一代“北斗”导航卫星验证了星间链路技术,从而突破了全球组网的最大技术难关,请您介绍一下突破这一关键技术有什么重要意义。

谢军:我国全球卫星导航系统要在全球范围实现最关键的导航定位服务功能,一定要靠星间链路技术来保证,这是与国外全球卫星导航系统最大的不同点。“北斗”全球卫星导航系统面临的一大难题就是不能全球布站,在此情况下如何建设全球卫星导航系统?我们提出了采用混合体制的星间链路技术解决这一难题。

为了攻破这一难题,研制团队展开了大量的方案论证和研制技术攻关,开创性地提出了混合体制星间链路方案,形成了一系列具有自主知识产权的星间链路网络协议和相关设计,攻克了空间相控阵天线技术难关,从而保证了“北斗”导航卫星之间的联通。为了让卫星与卫星之间的测距更为精准,传输更为稳定,团队在提高信号稳定性、提升信道质量等诸多方面都下了很多功夫,进行了大量的系统优化工作。

2015年8月9日,第18、19颗“北斗”导航卫星首次在轨成功地实现了星间建链,实施了卫星之间的通信、测距,测量和传输体制验证获得了圆满成功。这些关键技术的攻克,解决了星间高精度测量、星间链路指向控制、境外卫星状态数据及时回传等难题,标志着我国成功验证并掌握了星间链路的核心技术,向建立全球卫星导航系统迈进了一大步。几个月来,在轨卫星的星间链路连续建链工作,性能非常稳定,星上测距精度较前一代“北斗”卫星导航系统提高了两倍。

星间链路技术的突破,使我国建设全球卫星导航系统由“梦想在望”变为“成功在握”。

记者:打造高品质、“中国造”导航卫星是“北斗”团队的追求,在这3颗卫星上,大量新产品得到成功应用。在实现国产化过程中,团队遇到了什么困难?又是怎样战胜的?

谢军: “北斗”团队始终坚持“建设独立自主的‘北斗’卫星导航系统,必须做到核心在手”的信念,从而实现了新一代“北斗”导航卫星98%的部件国产化,关键器部件均为“中国造”,为建设独立自主的全球卫星导航系统铺平了道路。

为此,型号两总与研制单位勇敢地承担了质量不稳定、进度推迟等风险,顶着巨大的压力,坚定不移地推动国产化工作。为了保证国产部件的性能质量,我们坚持“严慎细实”,坚持高标准,花费了大量的时间,重视地面验证与分析,对国产部件反复进行验证、测试、迭代。

在进行大功率微波开关研制时,产品功率耐受试验曾一度受阻,厂家为此陷入了困局。得知这一情况后,我们在第一时间来到生产现场,组织国内相关领域专家,与厂家一道分析、试验,重新做了好几轮设计,并与厂家一道进行结构、工艺等重大改进,终于突破了这一技术难关,研制水平也得到了大幅提升。

针对国产化行波管的某些关键技术指标超差的问题,我们与研制单位认真分析原因,找到了改进设计方案。重新修改产品设计,重新投产,最终改善了关键技术指标,保证了产品使用性能要求和产品质量。

在新一代“北斗”导航卫星的研制过程中,我们始终在质量、进度及技术难度等各种风险之间权衡、决策,但即便是在最艰难的时候,也从未动摇过国产化的决心。

正是通过艰辛的努力,过去长期依靠进口的行波管放大器组件、固态放大器、微波开关、大功率电源控制器、动量轮组件、星敏感器等关键产品,在新一代“北斗”导航卫星上首次实现了主、备份全部国产化,国产化率位居我国长寿命卫星的榜首。此外,元器件国产化也成绩喜人。尤其是高速信号处理器、大容量存储器等广泛使用的核心元器件,首次实现了国产化,70余类将近万只新研制的国产化元器件在新一代“北斗”导航卫星上得到了应用,同时使用如此多的新研国产化元器件,在国内卫星研制史上也是第一次,这对于牢牢把握我国卫星关键产品研制的主动权意义非凡。在此,十分感谢相关研制单位对国产化产品关键技术攻关所作出的努力和贡献。

一系列新产品的应用,充分展现了“北斗”研制团队实现航天强国梦的担当责任与意识,充分展现了我们组织国内实力单位进行攻关的能力与成果,为后续“北斗”导航卫星的全面国产化铺平了道路。同时,国产化工作还牵引和带动了国内基础工业的进步,提升了对前沿技术发展的引领能力,促进了相关基础学科的快速发展。

《国际太空》2015.12
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