謝軍 常進

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

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北斗二號衛(wèi)星系統(tǒng)創(chuàng)新成果及展望

謝軍 常進

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國首個面向大眾服務(wù)的空間基礎(chǔ)設(shè)施，衛(wèi)星系統(tǒng)是其中的關(guān)鍵組成部分，研究和總結(jié)其關(guān)鍵技術(shù)成果對于我國后續(xù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)具有重要意義。文章概述了我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)歷程和主要貢獻，論述了北斗二號工程特點和衛(wèi)星系統(tǒng)的創(chuàng)新成果，重點介紹了以混合衛(wèi)星星座、衛(wèi)星平臺技術(shù)、多頻段多業(yè)務(wù)載荷兼容、星載核心產(chǎn)品設(shè)計為代表的一批技術(shù)成果，總結(jié)了北斗二號衛(wèi)星開展的可靠性專項工作，簡要說明了組批生產(chǎn)和高密度測試的經(jīng)驗。最后展望了下一代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，將全面提升系統(tǒng)的服務(wù)性能和自主運行能力，積極拓展特色服務(wù)，以成為國家綜合定位、導(dǎo)航與授時(PNT)系統(tǒng)的核心組成部分。

北斗二號衛(wèi)星；衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；創(chuàng)新成果

1 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航是一種利用衛(wèi)星作為標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航臺站的星基無線電導(dǎo)航技術(shù)。作為高精度的空間位置和時間基準(zhǔn)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠直接為地球表面和近地空間的廣大用戶提供全天時、全天候、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，是當(dāng)今國民經(jīng)濟、社會發(fā)展和國防建設(shè)的重要空間信息基礎(chǔ)設(shè)施[1-2]。

世界各航天國家高度重視衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用推廣。目前主要的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有美國的GPS系統(tǒng)，俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)，中國的北斗系統(tǒng)和歐洲的Galileo系統(tǒng)。

美國的GPS系統(tǒng)空間段由分布在6個軌道面上的24顆衛(wèi)星構(gòu)成，軌道高度20 200 km，傾角為55°。目前在軌衛(wèi)星36顆，其中31顆衛(wèi)星工作。1994年起投入運營，是目前世界上最成功的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)空間段由分布在3個軌道面上的24顆衛(wèi)星構(gòu)成，軌道高度19 100 km，傾角為64.8°。1995年初步建成，目前在軌衛(wèi)星28顆。歐洲的Galileo系統(tǒng)空間段由分布在3個軌道面上的30顆衛(wèi)星構(gòu)成，軌道高度23 222 km，傾角為56°，目前在軌13顆，計劃2018年前再發(fā)射12顆衛(wèi)星，具備在軌全球服務(wù)能力。

我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于1994年啟動立項論證工作，20余年來，在全體“北斗人”的共同努力下，突破了以雙星定位、高精度時空基準(zhǔn)建立、有源與無源定位導(dǎo)航載荷一體化設(shè)計等為代表的一大批核心技術(shù)，完成了北斗一號、北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，實現(xiàn)了中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的從無到有。2012年12月27日，中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室宣布北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)，標(biāo)志著北斗產(chǎn)業(yè)化、全球化正式拉開了帷幕。和世界上其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國際上首次將導(dǎo)航定位、短報文通信、差分增強融為一體，在亞太地區(qū)服務(wù)具有一定的優(yōu)勢[3-4]。

2 我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)歷程

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自主建設(shè)、獨立運行，并與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。考慮到我國的經(jīng)濟和科技發(fā)展水平，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)按照“雙星有源、區(qū)域無源、全球無源”的“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略實施[5-7](圖1)。

北斗一號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)1994年啟動工程建設(shè)，2000年10月—12月，連續(xù)發(fā)射了2顆衛(wèi)星，建成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)，并投入使用，使中國成為世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。該系統(tǒng)能夠提供基本的定位、授時和短報文通信服務(wù)。北斗一號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國際上首先實現(xiàn)了利用GEO衛(wèi)星和衛(wèi)星無線電定位(RDSS)原理，完成定位授時服務(wù)，是我國衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的第一個里程碑。

圖1 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)星座Fig.1 Sketch map of Beidou satellite navigation constellation

北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)2004年啟動工程建設(shè)，2007年4月14日成功發(fā)射第一顆北斗二號衛(wèi)星，2010—2012年，連續(xù)發(fā)射了14顆北斗二號衛(wèi)星，組成了包括5顆地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星和4顆中圓地球軌道(MEO)衛(wèi)星的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2012年12月27日，北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式宣布開始為亞太地區(qū)的用戶提供定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)。

北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于2009年啟動，2015—2016年完成了5顆試驗衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)，對以星間鏈路、自主導(dǎo)航為代表的新技術(shù)和新體制開展了在軌試驗驗證。目前，系統(tǒng)建設(shè)工作正在穩(wěn)步推行，2017年7月，北斗三號組網(wǎng)星將進行首次發(fā)射，計劃2018年提供“一帶一路”地區(qū)范圍內(nèi)基本導(dǎo)航服務(wù)，2020年完成全部工程。

3 北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特點

按照中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室發(fā)布的《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范》(1.0版)，北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)公開的服務(wù)區(qū)為55°S～55°N，70°E～150°E，服務(wù)區(qū)內(nèi)具備定位精度水平10 m、高程10 m；測速精度0.2 m/s；雙向授時精度10 ns；短報文54萬次每小時的服務(wù)能力。此外，北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還具有國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所不具備的位置報告、三頻導(dǎo)航、雙向授時等功能。

北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與世界其他主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本導(dǎo)航性能對比見圖2。從圖中可以看出北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的用戶測距誤差(URE)在服務(wù)區(qū)內(nèi)僅次于GPS系統(tǒng)，優(yōu)于GLONASS系統(tǒng)和當(dāng)前的Galileo系統(tǒng)。各個監(jiān)測站測得的定位精度(PE)數(shù)據(jù)反映出北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在服務(wù)區(qū)內(nèi)的定位精度與GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)相當(dāng)。

圖2 國內(nèi)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本性能對比圖Fig.2 Comparison of the performance of the satellite navigation system

北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以“獨立自主、開放兼容、技術(shù)先進、穩(wěn)定可靠”為建設(shè)目標(biāo)，實現(xiàn)了國際衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域和我國航天領(lǐng)域的多個首次，取得了豐碩的自主創(chuàng)新成果。它是我國第一個復(fù)雜星座組網(wǎng)的航天系統(tǒng)，第一個面向大眾和全世界用戶承諾服務(wù)的空間基礎(chǔ)設(shè)施，也是國際上第一個多功能融為一體的導(dǎo)航系統(tǒng)。工程的主要創(chuàng)新成果包括：

(1)將導(dǎo)航定位、短報文通信、差分增強三種服務(wù)融為一體，開創(chuàng)了衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展新方向，為世界衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展開辟了新道路。

(2)在國際上首次采用GEO/IGSO/MEO混合星座，突破了衛(wèi)星構(gòu)建導(dǎo)航星座的一系列技術(shù)難題，以最少的衛(wèi)星數(shù)量實現(xiàn)區(qū)域?qū)Ш椒?wù)，工程建設(shè)速度快、效益高。

(3)在國際上首次成功研制地球同步軌道導(dǎo)航衛(wèi)星，解決了基于弱磁力的姿態(tài)控制、高精度溫控等關(guān)鍵難題，實現(xiàn)了高精度、高可用和高功能密度比。

(4)創(chuàng)建了“集中設(shè)計、流水作業(yè)、滾動備份”的宇航產(chǎn)品批量生產(chǎn)模式，突破了數(shù)字化過程管理等關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)首次實現(xiàn)星箭產(chǎn)品組批生產(chǎn)、高密度組網(wǎng)發(fā)射，有力推動了我國航天科研生產(chǎn)能力轉(zhuǎn)型。

北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自2012年正式提供服務(wù)以來，在交通運輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象預(yù)報、森林防火、通信時統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)和國家安全等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益(圖3)。北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已全面實現(xiàn)大眾應(yīng)用，并融入到互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，催生新型產(chǎn)業(yè)模式，形成戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，成為經(jīng)濟建設(shè)新增長點。同時，北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)啟動進入國際民航、國際海事、國際移動通信組織等標(biāo)準(zhǔn)體系，開展“北斗走出去”活動，服務(wù)“一帶一路”戰(zhàn)略，推動大規(guī)模國際應(yīng)用。

圖3 北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用情況Fig.3 Applications of Beidou II satellite navigation system

4 北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)創(chuàng)新成果

北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式運行以來，衛(wèi)星系統(tǒng)在軌工作穩(wěn)定?？偨Y(jié)梳理系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品研制過程中的創(chuàng)新成果，有利于進一步總結(jié)經(jīng)驗，提高系統(tǒng)性能和技術(shù)水平。

北斗二號衛(wèi)星系統(tǒng)包括GEO、IGSO和MEO三類衛(wèi)星。GEO衛(wèi)星采用東方紅三號甲平臺，起飛質(zhì)量小于3060 kg，整星末期輸出功率大于2500 W。衛(wèi)星分為有效載荷和平臺兩部分，有效載荷部分包括導(dǎo)航、天線分系統(tǒng)；平臺部分包括供配電、測控、控制、熱控、結(jié)構(gòu)和推進分系統(tǒng)。IGSO和MEO衛(wèi)星采用東方紅三號平臺，整星末期輸出功率大于2000 W，IGSO起飛質(zhì)量小于2300 kg，MEO衛(wèi)星起飛質(zhì)量小于2160 kg。相比GEO衛(wèi)星，IGSO、MEO衛(wèi)星平臺部分增加了數(shù)管分系統(tǒng)，有效載荷增加了空間探測分系統(tǒng)。

4.1 長壽命、高可靠導(dǎo)航衛(wèi)星平臺技術(shù)

針對GEO衛(wèi)星同時配備RDSS有源定位載荷和RNSS(衛(wèi)星無線電導(dǎo)航)無源定位載荷，兩種功能復(fù)雜的任務(wù)特點，為滿足多載荷共存對平臺資源大幅提升的需求，新研制了東方紅三號甲平臺，在衛(wèi)星的承重能力、供電功率、姿態(tài)控制、測控方式與信號體制、高精度及高穩(wěn)定度溫度控制等方面取得了突破，滿足了載荷的需求(圖4)。

圖4 GEO衛(wèi)星分解圖及在軌示意圖Fig.4 Exploded diagram and on-orbit sketch of Beidou II GEO satellite

東方紅三號甲平臺通過采用混合供電體制和增加天線艙，拓展了平臺的安裝面積、熱控與供電能力，供電能力提高67%，載荷承載能力提高74%。采用擾振隔離等多結(jié)構(gòu)頻率協(xié)調(diào)匹配技術(shù)，解決了衛(wèi)星艙段與產(chǎn)品動態(tài)耦合難題，滿足了GEO衛(wèi)星對平臺資源的需求。采用金字塔型的反作用輪構(gòu)型和偏航不連續(xù)測量下的三軸輪控技術(shù)，解決了導(dǎo)航衛(wèi)星不允許噴氣、反作用輪卸載需與位置保持同步進行的難題，提高了地球靜止軌道衛(wèi)星三軸姿態(tài)控制精度和穩(wěn)定度。

IGSO/MEO衛(wèi)星為適應(yīng)傾斜軌道特點，滿足在地面站不可測弧段的自主運行需求，圍繞導(dǎo)航任務(wù)需求和指標(biāo)分析的結(jié)果，在東方紅三號平臺基礎(chǔ)上進行了大量的創(chuàng)新改進。首次在我國導(dǎo)航衛(wèi)星上采用了靈活的空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，提高衛(wèi)星信息管理和自主運行水平。針對衛(wèi)星軌道、導(dǎo)航信號增強區(qū)域變化等要求，設(shè)計了融合衛(wèi)星星歷、姿態(tài)、增強位置等信息的導(dǎo)航信號功率增強設(shè)計方法，采用軟硬件協(xié)同工作完成對天線波束指向的智能化控制。首次實現(xiàn)在有限空間內(nèi)強磁源(磁力矩器)與高磁敏部件(銣鐘)的磁兼容設(shè)計，解決了衛(wèi)星在弱地磁場條件下使用磁力矩器進行角動量卸載的難題。首次實現(xiàn)了傾斜中、高軌道偏航姿態(tài)的連續(xù)控制和太陽翼法線實時主動閉環(huán)控制。

4.2 高精度、高穩(wěn)定度熱控技術(shù)

熱控分系統(tǒng)實現(xiàn)衛(wèi)星全生命期產(chǎn)品溫度控制目標(biāo)，為星載銣鐘、大功率放大器等提供高精度、高穩(wěn)定度溫度環(huán)境。 針對北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的產(chǎn)品熱控特點，采用分艙設(shè)計、基于時序均勻分布的多回路比例控溫方法、U型熱管的均勻性輻射器等技術(shù)，實現(xiàn)了星載銣鐘控溫精度±0.3 ℃/軌道周期的要求；突破新型熱管槽道、高傳熱能力和低質(zhì)量密度設(shè)計難題，實現(xiàn)正交熱管網(wǎng)絡(luò)整體減重20%以上。

4.3 首次實現(xiàn)測控擴頻體制設(shè)計和在軌工程應(yīng)用

為解決星座衛(wèi)星多星測控問題，北斗二號衛(wèi)星測控系統(tǒng)在國內(nèi)首次設(shè)計了擴頻測控體制，并在軌應(yīng)用。擴頻測控體制具有碼分多址的能力，可使用相同的測控頻點實現(xiàn)星座多星測控。衛(wèi)星測距精度及穩(wěn)定性、抗干擾能力(特別是抗多址干擾能力)大幅提高。同時，基于當(dāng)時星載擴頻應(yīng)答機產(chǎn)品的可靠性和成熟度，北斗二號衛(wèi)星測控系統(tǒng)備份保留了統(tǒng)一S頻段(USB)體制的應(yīng)答機。

4.4 有源定位與無源導(dǎo)航載荷一體化設(shè)計

北斗二號衛(wèi)星采用RDSS、RNSS載荷兼容優(yōu)化與多功能融合設(shè)計，具備有源定位、無源定位和短報文通信業(yè)務(wù)功能，為世界首創(chuàng)，其中短報文通信、位置報告更是現(xiàn)有國外導(dǎo)航衛(wèi)星所不具備的。通過采用系統(tǒng)級電磁兼容性優(yōu)化設(shè)計和相關(guān)頻率的優(yōu)化仿真設(shè)計，國內(nèi)首次在一顆衛(wèi)星載荷艙上實現(xiàn)了L、S、C頻段的多頻點高靈敏度接收和高功率發(fā)射的兼容。

采用全數(shù)字化接收自適應(yīng)抗干擾和上行接收鏈路完好性檢測技術(shù)，解決了衛(wèi)星在復(fù)雜電磁環(huán)境下上行信號大動態(tài)抗干擾、絕對時延實時獲取、完好性預(yù)報等難題；采用發(fā)射通道的低時延波動和高穩(wěn)定時延保持傳遞技術(shù)，提高了下行6路通道信號的相位穩(wěn)定性和時延穩(wěn)定性；創(chuàng)新設(shè)計大功率微放電抑制技術(shù)及散熱措施，實現(xiàn)同軸型微波傳輸通道總工作功率達到600 W，確保了在復(fù)雜衛(wèi)星艙體環(huán)境內(nèi)大功率微波器件的高可靠性和安全性。

4.5 多頻段兼容的天線分系統(tǒng)設(shè)計

北斗二號衛(wèi)星包括上行注入天線、下行RNSS天線、RDSS天線、C頻段轉(zhuǎn)發(fā)天線，以及多幅測控天線等。天線分系統(tǒng)采用微波信號高隔離優(yōu)化設(shè)計等技術(shù)，解決了多信號L、S、C頻段天線兼容性難題；采用復(fù)合材料三維編制纖維結(jié)構(gòu)(TWF)實現(xiàn)可展開網(wǎng)孔反射面天線，產(chǎn)品減重35%，透光率達到49%以上，降低了太陽光壓對衛(wèi)星姿態(tài)的影響，干擾力矩減小了約70%(圖5)；首次將高穩(wěn)定度相位中心和時延控制設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)航衛(wèi)星天線設(shè)計，解決了大溫度范圍內(nèi)19路饋電通道的高精度幅相和時延變化難題，實現(xiàn)了多通道陣列天線高精度相位一致性控制；上行注入天線采用低旁瓣措施，下行天線采取抗無源互調(diào)(PIM)措施，實現(xiàn)了多頻段兼容的天線分系統(tǒng)設(shè)計。

圖5 北斗二號衛(wèi)星可展開網(wǎng)孔天線Fig.5 Deployable mesh antenna of Beidou II satellite

4.6 上行注入高抗干擾與精密測距技術(shù)

在空間電磁信號強干擾環(huán)境和星上處理資源受限條件下，通過采用基于時頻域的動態(tài)干擾抑制技術(shù)、星載復(fù)合分級干擾抑制信號處理體系、多種復(fù)雜干擾和大動態(tài)范圍下高精度偽距測量、星上時延穩(wěn)定性控制等技術(shù)(圖6)，國內(nèi)首次突破了復(fù)雜空間電磁條件下高精度測量關(guān)鍵技術(shù)，大動態(tài)信號電平及多種復(fù)雜干擾下測距精度優(yōu)于1 ns，解決了衛(wèi)星上行接收抗干擾和精密測距穩(wěn)定性難題，實現(xiàn)了導(dǎo)航衛(wèi)星雙通道精密測距以及星地雙向時間比對功能，達到國際先進水平。

圖6 上行注入與接收抗干擾處理技術(shù)原理圖Fig.6 Layout of anti-jamming technologies for uplink injecting and receiving system

4.7 打破國外封鎖，星載銣原子鐘自主可控

星載銣原子鐘是北斗導(dǎo)航衛(wèi)星上的關(guān)鍵核心產(chǎn)品。星載銣鐘采用非自激型光抽運汽泡式銣頻標(biāo)方案，利用Rb87原子基態(tài)超精細(xì)能級0-0躍遷所具有的極窄譜線和極穩(wěn)定的心頻率的特性，通過光抽運系統(tǒng)和電路的作用，將原子躍遷頻率的高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度傳遞給晶振，從而獲得高穩(wěn)定的輸出頻率信號。

星載銣原子鐘的功能是提供高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定度的10 MHz信號。作為整個系統(tǒng)的時間頻率基準(zhǔn)，其頻率穩(wěn)定度決定著導(dǎo)航定位精度，因此其性能好壞對衛(wèi)星乃至整個工程的成敗都有很大影響。星載銣鐘技術(shù)涉及原子物理、微波理論、空間電子學(xué)、真空環(huán)境、精密測量、熱設(shè)計及可靠性等內(nèi)容，指標(biāo)要求嚴(yán)，壽命要求長，技術(shù)攻關(guān)難度高。

通過國內(nèi)優(yōu)勢單位強強聯(lián)合，集智攻關(guān)，突破了高增益微波控制技術(shù)、精密頻率控制、空間環(huán)境適應(yīng)性試驗及測試方法等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了理論上突破，完成了產(chǎn)品工程化、小型化研制，達到了宇航產(chǎn)品的任務(wù)要求，打破了國外壟斷，技術(shù)達到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進水平。

4.8 針對薄弱環(huán)節(jié)，扎實開展可靠性專項工作

相對單一衛(wèi)星研制任務(wù)，北斗二號衛(wèi)星具有產(chǎn)品一致性要求高、組網(wǎng)發(fā)射難度大、生產(chǎn)工藝缺陷在“組批”中引起的質(zhì)量風(fēng)險成倍增加等特點。因此，衛(wèi)星系統(tǒng)在研制階段開展了大量扎實的可靠性專項工作。

針對系統(tǒng)級可靠性薄弱環(huán)節(jié)和技術(shù)難點，按照“在軌曾發(fā)生故障或以往問題較突出的”、“研制中設(shè)計或工藝問題較多的”、“采用了新技術(shù)且可靠性驗證不充分的”、“正樣階段技術(shù)狀態(tài)變化較大的”、“新單位參與研制的”五項篩選原則，系統(tǒng)分析確定了可靠性專項工作內(nèi)容，梳理出成敗型故障模式18個，關(guān)鍵產(chǎn)品25種，有效保證了可靠性工作的全面性和深入性。

圍繞氫鎳蓄電池、貯箱、銣鐘等可靠性與壽命關(guān)鍵產(chǎn)品，分析產(chǎn)品關(guān)鍵特性，建立準(zhǔn)確的量化模型，改進試驗和測試方法，提高單機產(chǎn)品可靠性，為產(chǎn)品在軌可靠使用、衛(wèi)星飛行任務(wù)安全和穩(wěn)定運行提供了保證。

特別針對影響導(dǎo)航衛(wèi)星提供服務(wù)和最終工作壽命的關(guān)鍵單機銣鐘，為了摸清不同溫度下銣消耗的機理，提出基于環(huán)模式的銣燈壽命預(yù)估試驗評價方法，解決了銣消耗機理分析問題，克服了以往銣燈壽命模型的缺陷，實現(xiàn)了快速預(yù)估銣燈壽命，極大方便了工程研制。

4.9 組批生產(chǎn)與高密度測試技術(shù)

北斗二號衛(wèi)星系統(tǒng)小批量、并行研制、多星管理、密集發(fā)射的研制特點，既具有獨立性，更具有相關(guān)性(圖7)。衛(wèi)星系統(tǒng)在研制過程中，針對任務(wù)要求、進度變化、質(zhì)量問題“舉一反三”等實際情況，通過深入分析研制任務(wù)要求，識別衛(wèi)星批產(chǎn)研制的多種要素及制約因素，采用動態(tài)基線、滾動備份、優(yōu)化資源、嚴(yán)格技術(shù)狀態(tài)管理等方式，建立了“集中設(shè)計、流水作業(yè)、滾動備份”的衛(wèi)星產(chǎn)品組批生產(chǎn)模式，實現(xiàn)了衛(wèi)星研制從“作品”到“產(chǎn)品”，從“作坊”到“產(chǎn)業(yè)”的跨越轉(zhuǎn)變。2010—2012年，取得了14顆導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射連戰(zhàn)連捷的佳績。

針對“多星并行研制，狀態(tài)復(fù)雜耦合”的難題，創(chuàng)新性地提出“以信息化手段，實現(xiàn)產(chǎn)品管理一體化”管理思想，推動并開發(fā)批產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)字一致性比對系統(tǒng)，實現(xiàn)從單星型號“硬件”的一致性向批產(chǎn)型號的“數(shù)據(jù)”一致性控制，從單機性能一致性向整星系統(tǒng)級性能的數(shù)據(jù)一致性轉(zhuǎn)變，提升設(shè)計、仿真驗證能力。

圖7 北斗二號衛(wèi)星批生產(chǎn)現(xiàn)場Fig.7 Assembly site of Beidou II satellite

采用模塊化、信息化、自動化等方法設(shè)計并實現(xiàn)了基于流水線的衛(wèi)星批測試方案，解決了多約束條件下衛(wèi)星組批測試驗證策略及優(yōu)化問題，保證了多星批測試設(shè)備的一致性、通用性；建立了按工位的測試設(shè)備優(yōu)化配置模式和批測試方法庫、用例庫、案例庫等，實現(xiàn)基于時間序列相似性分析、包絡(luò)分析、方差分析、趨勢預(yù)測分析等方法的橫向、縱向、交叉、統(tǒng)計測試數(shù)據(jù)的分析，解決了多星批測試數(shù)據(jù)比對分析的難題。

5 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的展望

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展是一個持續(xù)升級的過程，永無止境。2020年前，國家規(guī)劃的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)和需要開展的技術(shù)研究工作將包括： 完成北斗三號全球組網(wǎng)系統(tǒng)的工程建設(shè)任務(wù)，并為地面高3000 km范圍內(nèi)的用戶提供服務(wù)，保障服務(wù)業(yè)務(wù)的穩(wěn)定運行；開展未來衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)新概念、新原理、新技術(shù)研究，攻克關(guān)鍵技術(shù)；構(gòu)建以北斗系統(tǒng)為核心的國家綜合定位導(dǎo)航授時(PNT)體系框架等。

5.1 北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將采用“3GEO+3IGSO+24MEO”衛(wèi)星組成的混合星座。MEO衛(wèi)星采用集成化的專用平臺，實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位、授時和導(dǎo)航業(yè)務(wù)，兼容全球搜救、天基數(shù)據(jù)傳輸、新業(yè)務(wù)載荷的在軌應(yīng)用，可作為天基數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的廣播節(jié)點。GEO與IGSO衛(wèi)星采用大平臺，集成多種載荷，兼容實現(xiàn)天基增強、短報文通信與位置報告等系統(tǒng)；成為天基數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點。

北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通過導(dǎo)航信號體制改進，提高星載原子鐘性能和測量精度；通過建立星間鏈路等技術(shù)，實現(xiàn)全球服務(wù)、性能提高、業(yè)務(wù)穩(wěn)定和與其他系統(tǒng)兼容互操作等目標(biāo)；同時，北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)要保證北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)服務(wù)的平穩(wěn)過渡。

北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將提供全球范圍內(nèi)的RNSS、位置報告/短報文通信業(yè)務(wù)；在我國及周邊地區(qū)提供RDSS、星基增強等業(yè)務(wù)；衛(wèi)星具備自主運行與業(yè)務(wù)能力；星上具備導(dǎo)航信號完好性監(jiān)測與報警能力；系統(tǒng)業(yè)務(wù)定位精度將實現(xiàn)水平優(yōu)于4 m，高程優(yōu)于6 m。

5.2 下一代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

下一代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以全面滿足未來用戶需求為目標(biāo)，堅持自主創(chuàng)新，全面提高系統(tǒng)的服務(wù)范圍、服務(wù)精度及可靠性，不斷提升系統(tǒng)的自主運行能力，積極拓展特色業(yè)務(wù)，將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)成為具有世界領(lǐng)先水平的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為核心，構(gòu)建時空基準(zhǔn)統(tǒng)一、范圍覆蓋無縫、業(yè)務(wù)安全可信、運行高效便捷的國家綜合PNT體系[8]。

以2020年建成的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)想下一代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本目標(biāo)的實現(xiàn)周期，通過技術(shù)創(chuàng)新途徑，攻克關(guān)鍵技術(shù)，全面實現(xiàn)國產(chǎn)化和自主可控，實現(xiàn)全新一代的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

圍繞全空域的高性能導(dǎo)航業(yè)務(wù)，將實現(xiàn)全球地面高3000 km以內(nèi)至少4重連續(xù)覆蓋，為地表用戶、航空飛行器、低軌航天器提供導(dǎo)航業(yè)務(wù)；實現(xiàn)地面高42 000 km以內(nèi)間斷覆蓋，為中高軌航天器提供導(dǎo)航業(yè)務(wù)；同時，建立人類開展深空探測活動所需時空基準(zhǔn)系統(tǒng)；支持水下、室內(nèi)以及有遮擋地區(qū)的導(dǎo)航業(yè)務(wù)。

圍繞更高精度的業(yè)務(wù)，將通過高效合理的導(dǎo)航信號體制、優(yōu)化的信號功率分配、更高精度的星載時頻基準(zhǔn)和測量技術(shù)，并通過提高運控系統(tǒng)對相關(guān)參數(shù)的注入頻度及精度，實現(xiàn)全球服務(wù)范圍內(nèi)亞米級的定位精度和納秒級的授時精度[9]。

圍繞更高完好性、連續(xù)性和可用性的要求，從系統(tǒng)體制設(shè)計上保證完好性滿足民航一類精密進近需求，提升系統(tǒng)業(yè)務(wù)的連續(xù)性和可用性，為用戶提供及時、有效和可靠的告警信息的能力。

圍繞多系統(tǒng)兼容與互操作，將通過國際合作，積極實現(xiàn)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)資源優(yōu)化整合，最大限度地選擇利用國際衛(wèi)星導(dǎo)航信號資源，同時提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的影響力。

圍繞系統(tǒng)安全與抗干擾能力，將通過星座冗余設(shè)計、先進導(dǎo)航信號體制、多路信號備份等方式，提高衛(wèi)星抗干擾能力及導(dǎo)航信號增強能力；通過靈活快速的導(dǎo)航信號重構(gòu)技術(shù)，實現(xiàn)靈活、智能的防御能力。

發(fā)展基于認(rèn)知無線電技術(shù)的衛(wèi)星自主健康管理能力[10]，通過對衛(wèi)星自身工作狀態(tài)及工作環(huán)境的認(rèn)知，實現(xiàn)對衛(wèi)星自主健康診斷、評估、故障預(yù)報與處理，滿足導(dǎo)航衛(wèi)星星座在軌自主運行的要求。同時，發(fā)展基于X射線脈沖星的自主導(dǎo)航技術(shù)，解決脈沖星探測與數(shù)據(jù)處理技術(shù)、脈沖星與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時間同步技術(shù)，成為保障北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定自主運行的手段之一。

6 結(jié)束語

北斗二號區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，滿足了我國及周邊廣大用戶導(dǎo)航定位、位置報告的需求，打破了GPS系統(tǒng)的壟斷地位，使我國在空間系統(tǒng)、基礎(chǔ)產(chǎn)品、終端產(chǎn)品、運營服務(wù)等方面取得了突破，提升了我國國際地位和影響力。

通過對北斗二號衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計、研制生產(chǎn)過程中的創(chuàng)新成果進行總結(jié)，有利于固化和提煉衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗，提升產(chǎn)品設(shè)計水平，同時可以明確下一階段需要突破的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)難點，從而促進未來北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展。

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(編輯：張小琳)

Summary and Prospect of Beidou II Satellite’s Innovative Achievements

XIE Jun CHANG Jin

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094, China)

Beidou II satellite navigation system is the first space infrastructure for public service in China, and satellite system is one of the key part. It is important to study and summarize its technological achievements for developing the next generation system. This paper summarizes the construction process and contributions of Beidou II satellite navigation system, introduces the satellite’s characteristic and innovative achievements, foregrounds the key technologies such like hybrid constellation design, satellite platform technology, compatibility of multi-band and multi-service payload design. The experiences of reliability work and mass production for Beidou II satellite are reviewed. The key features of the next generation navigation satellite，which include service performance and autonomous operation ability improvent, extended service patterns are also described. Beidou satellite navigation system will be a key component of national comprehensive PNT in the future.

Beidou II satellite；satellite navigation system;innovative achievements

2017-03-01；

2017-05-22

國家重大科技專項工程

謝軍，男，研究員，俄羅斯宇航科學(xué)院院士，中國空間技術(shù)研究院科技委常委，我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程副總設(shè)計師、衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計師。曾榮獲國家科學(xué)技術(shù)進步獎特等獎、國防科技進步獎一等獎等多項獎勵。主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計工作。Email：xiebook@sina.com。

V474.25

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.03.001