全球组网:让天上的北斗星“聊”起来

文章来源:中国航天报 发布时间:2015-09-30

“这颗北斗卫星会和两个多月前发射的北斗双星实现‘空间对话’,测试导航信号,并进行中轨道和高轨道间的星间链路试验,这种异轨道面间的试验还是首次。”北斗导航卫星首席总设计师谢军说。

9月30日,第20颗北斗导航卫星准确飞入地球倾斜同步轨道,成为今年中国航天科技集团公司五院北斗任务的收官之作。

“星林高手”登场 国产氢钟太空首秀

按照为全球提供服务的目标,研制团队将多项新技术用在了第20颗北斗导航卫星上,使其化身为太空中的一位“星林高手”。

最夺人眼球的是卫星的“座驾”:全新的卫星平台,装载载荷能力更强,可让卫星配备更多载荷,实现更多功能。

“确保稳定性、可靠性、安全性。”寥寥数字却蕴含万难。研制团队通过大量结构性试验、热控性试验后才开始启动研制工作,而确保新型平台可靠性、安全性的工作则从始至终。

“得益于这一平台,我们首次将国产氢钟用于星载,自此我国星载原子钟在铷钟的基础上增加了一个种类,同时,星载氢钟更稳定的频率将使卫星的测量精度、提供时间精度获得优化。”北斗导航卫星总指挥迟军说。

上星前,氢钟物理部分要进行常压下的测试,又要在真空环境下工作,这两种环境差别大,热和力的影响都不同。

北斗导航卫星总设计师陈忠贵说:“一些因素在地面上不是问题,但到天上就是问题,我们经常要通过试验舍弃那些影响氢钟整个物理部分工作的材料。我们也借鉴了十几年研制铷钟的经验,但毕竟两者的特点不同。”

轨道不同,信号发射的实现方式就有变化,天线的增益、指向控制、波束范围都有所不同。通过数月攻关,研制团队自研的多种新型天线满足了卫星的需求,确保了星间链路整个信号的一体化体制。

自主可控、国产化一直是北斗团队坚守的原则,与之前的双星无异,这颗卫星国产化率达98%,并且全覆盖。

“昨晚到几点?”“凌晨1点。”“搞定了没?”“嗯。”团队成员间的交流很简单,之后则继续投入到试验验证中,这也是卫星研制期间团队成员的日常工作写照。

新技术让卫星更“高能”,但前提条件是禁得住反复枯燥试验的考验,团队成员不时品尝挫折的苦涩并隐忍向前,只因心怀成功梦想。

“北斗导航设计本身非常复杂,但地面的用户可以轻松享受服务,所以说我们做最难的事,给用户留最简便的操作体验。”北斗导航卫星副总设计师郑晋军说。

新型信号 让卫星“聊天”

具有多种信号体制、能够实现星间链路功能的北斗全球导航卫星可以交互测量和通信,就像“聊天”,通过“对话沟通”实现卫星间的时间同步,保证提供给地面用户的信号测量结果更加准确,更好用。

“新型导航信号设计已经在7月25日发射的双星上进行了全面的测试与评估,两颗卫星‘聊’得非常好。”谢军说。

导航信号的设计是重中之重。由于目前空间卫星数量多,有发生信号干扰的可能,因此北斗新型导航信号体制在设计之初就考虑到了信号兼容,同时确保自己的信号被用户正常接收。

“信号就和电视频道一样,比如北斗发出的信号是新闻频道,其他卫星导航系统是体育频道、文艺频道等,它们互相兼容,但不互相干扰,至于用户想收看哪个频道,选择好用的信号服务,那是用户的自由。”谢军说。

然而,要在星上资源有限的前提下,把多种信号集成、设计入星,并非一蹴而就的事。

“设计一个信号,用一个计算机芯片即可,但同样一个计算机芯片中,我要设计两个信号,甚至三五个,难度就不同了。”陈忠贵说。

实现多种信号兼容,还要充分考虑电子元器件对太空环境的敏感性,解决不受空间环境影响的问题,保证空间信号的连续稳定。为此,研发团队多年专攻技术设计、试验验证,队员们用“巨大”二字形容其间的工作量。

卫星导航信号生成后,需要通过行波管放大器放大功率,再经过传输天线发射,地面用户用一个很小的设备就能接收到信号的功率。“就像两个人谈话,离得很近,没必要喊着让整栋楼的人都听见,但要让楼外的人听见,就需要用一个高音喇叭。”谢军说。

令谢军印象深刻的是,这颗卫星把我国多家单位生产的行波管放大器产品送上太空进行验证和考核,从而帮助这些单位优化产品,最终提高我国整体研制生产星载行波管放大器的整体水平。目前,国际上只有少数几家公司具备生产空间行波管放大器的能力。

螺流值是行波管放大器稳定性的重要参数,螺流偏大在地面上并无大碍,但在天上就会影响卫星寿命和可靠性,团队成员进行了严格把关,“差一点也不行”是他们不变的工作准则。

悉心“呵护” 彰显北斗精神

“自主创新、团结协作、攻坚克难、追求卓越”——这是2012年底北斗完成亚太地区组网之后,中共中央、国务院、中央军委贺电中对北斗精神的总结。

在北斗团队的记忆里,这种精神可以具象为不计其数的“白加黑”和“5+2”。

2015年7月的一天,装箱后的第20颗北斗导航卫星踏着晨星奔赴2000多公里外的西昌卫星发射中心,执行发射任务。

技安检查、梳理发射场测试项目,完成全部地面设备联调,进入发射场测试,完成B2总装……从卫星进场的第一天起,试验队员就用他们认真规范的操作为发射作最后的准备。

“一如既往地遵守规章制度,才保证了在发射场零质量问题。不过卫星上天后经过在轨测试,提供服务一两年之后仍正常运转,才是我们所追求的。”迟军说。

“三有”是指要有创新力、执行力和凝聚力,这被视为北斗团队的文化精髓。谢军解释,2009年,北斗全球导航卫星研制队伍成立,能走到今天,是大家在这种文化的熏陶下扎实走好每一步的结果,这是一个厚积薄发的过程。

孙家栋院士曾说,北斗系统是一个为大众服务的系统,它的标准就是GPS。“相比之下,美国的技术基础好,北斗要想在较短的时间内跟上和超越,就要追求卓越,这离不开对每一次任务的总结和积累。”陈忠贵说。

下一步,研制团队将加紧实施在轨补网工作,但挑战和风险一路相随:技术状态一旦确定,产品的研制、系统的联试、试验的节奏将变得飞快,现在的技术储备和产品的成熟度能否应付?未来,国产元器件的可靠性能否保证产品在太空几年、十几年不出问题?

面对挑战,谢军说:“当务之急是把在轨卫星的技术状态、在轨试验总结好,固化技术状态,进一步厘清对卫星系统的要求。另外,要重视产品可靠性的验证工作,不要到产品大量应用时,才发现存在固有的缺陷。这需要在试验流程上、规章制度管理上有创新,结合批量生产,实现快速高质量生产,满足全球组网需求。”

连续第3年来到西昌的试验队队员何鸣说:“身边的朋友经常问我,为什么选择航天?我说,因为那里有山,而我要去登山。每个航天人都是一抔泥土,但我们存在的意义,不是被淹没,而是聚集在一起,成就一座山峰、一条山脉。”(王旭)