西安科技助力 北斗星耀全球

社会新闻西安晚报关颖2020-06-24 08:05

西安科技助力 北斗星耀全球

  6月23日,我国北斗三号全球卫星导航系统最后一颗组网卫星在西昌卫星发射中心点火升空。 新华社记者 江宏景 摄

  几千年前,中国的罗盘传播到世界,为人类的足迹开辟了更加广袤的空间,旅行者携带着它,勇敢地驶向远方。

  今天,中国的北斗让世界再次看到,以智慧和汗水浇灌,持共赢共享的胸怀,一个和平美好的地球充满希望。

  让中国分享惠及全球,让中国智慧拥抱世界。中国北斗必将在构建人类命运共同体的伟大征程上,散发出更加耀眼的光芒。

  本报讯 (记者 关颖) 2020年6月23日9时43分,北斗三号“收官之星”在西昌卫星发射中心成功发射,它将与其他已经在轨的29颗北斗三号卫星完成组网,将全面建成北斗全球导航系统。至此,我国提前半年完成北斗全球卫星导航系统星座部署。

  据了解,北斗三号“收官之星”是一颗地球静止轨道卫星,中国航天科技集团五院西安分院承担了该卫星全部有效载荷的研制任务。北斗三号全球导航系统共有30颗组网卫星,西安分院为其中的20颗卫星提供了全部有效载荷系统,包括导航载荷、报文通信载荷、全球搜救载荷等8大类有效载荷。

  与北斗二号的区域导航相比,北斗三号全球导航系统可以在全球范围内为用户提供全天候、全天时的高精度、高可靠定位、导航和授时服务。服务能力和范围要全面“升级”,取决于北斗三号卫星的有效载荷功能是否强大、性能是否能大幅提高。为此,西安分院研制团队经过十几年艰苦卓绝的攻关,攻克了几十项核心关键技术。在卫星上,西安分院联合国内优势单位为北斗三号卫星装上了每天计时精度十亿分之一至百亿分之一秒的铷钟和氢钟产品、精确传递时频信号的基准频率合成器和导航任务处理机等一系列“高科技”产品和系统,使得北斗三号全球导航系统的定位精度优于5米,并建立了能够实现卫星在轨自主运行的星间链路,面向全球提供稳定、精准的服务。

  北斗系统的短报文功能,是系统独创的特色,是北斗卫星区别于GPS、格洛纳斯、伽利略等其他导航系统的特有功能。短报文通信在偏远地区通信、位置报告和应急快速搜救等方面应用非常广泛。在汶川地震的救援中,北斗卫星的RDSS短报文通信功能就发挥了重大作用。

  北斗系统是我国自主研发的全球卫星导航系统,北斗系统建设先后经历了北斗一号、二号、三号系统3个阶段,自上世纪90年代开始,我国启动北斗系统的研制。2012年,北斗系统正式提供卫星导航服务。从北斗二号首颗星起算,中国已发射54颗北斗导航卫星,此次发射成功的“收官之星”是北斗三号全球组网的最后一颗卫星,是第55颗北斗导航卫星,也是第30颗北斗三号卫星。

  西安分院曾为北斗一号、北斗二号研制了全部有效载荷系统,推动了我国北斗导航系统从无到有、从有源到无源、从区域到全球的三次历史性跨越。北斗三号全球导航卫星完成全球组网后,将打造成为又一重要天基基础设施,进一步服务于人类生产生活。

  西安力量

  771所为“收官之星”配备“最强大脑”

  本报讯 (记者 关颖) 6月23日,长征三号乙火箭搭载北斗三号系统最后一颗卫星在西昌卫星发射中心发射升空,一举飞入苍穹。位于西安的771所为该星配备了“最强大脑”,为北斗三号系统成功完成全球组网发挥了重要作用。

  北斗三号“收官之星”星载计算机是771所研制的首批高轨道、长寿命卫星计算机,在轨主要负责卫星平台信息处理、轨道数据采集、卫星姿态控制、星上时间管理以及各种飞行任务管理和数据处理工作,对卫星上各功能模块进行高效可靠的管理和控制,就好像“最强大脑”监视整星状态,协调整星工作。

  星载计算机采用集中式系统架构,运用计算与IO控制并发技术,将传统卫星平台的数据管理计算机、姿态控制计算机和电源管理计算机的功能,在一台计算机内进行了一体化集成设计,在确保计算机高效、有序、可靠地实现卫星平台的各种控制与管理功能的同时,有效简化了卫星平台电子系统复杂度,并减轻卫星平台的重量和体积。

  北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道(IGSO)卫星和20颗非静轨道(MEO)卫星组成,轨道高度分别为3.6万公里和2.4万公里,空间环境恶劣,星载计算机需要满足在两种轨道环境下均可以长期稳定运行的能力,可靠度要求高。

  在研制过程中,突破了系统重构、高可靠安全指令输出、智能化多通道数据采集、多功能集成设计、抗空间辐照设计以及星上实时时钟自主管理等多项关键技术,使得星载计算机寿命达到10年以上,如果可靠度最大是1的话,那么在星载计算机的寿命末期可靠度仍能够达到0.989。

  此外,771所还为北斗三号卫星配套了9个型号161台套电源产品,为自主运行、测控、姿轨控等多个分系统单机提供二次电源供电,保障了系统的正常运行。

  航天科技集团五院西安分院

  承担“收官之星”全部有效载荷研制

  航天科技集团五院西安分院承担了北斗三号“收官之星”全部有效载荷的研制任务。

  北斗三号全球导航系统的地球同步轨道卫星主要覆盖我国及周边地区,除了提供基本导航服务、星间链路业务之外,还提供RDSS(无线电测定)业务。

  据西安分院北斗三号卫星副总设计师张立新介绍:“这颗卫星能够通过自身独有的RDSS系统,实现用户有源定位、报文通信、位置报告和定时授时等功能,这也是北斗系统的一大特色。”

  北斗系统的短报文功能,是系统独创的特色。航天五院西安分院北斗三号卫星总师助理宋志强说:“北斗二号时期,地面用户进行短报文通信,需要带着一个体积较大的终端,向卫星发射一定功率的信号,而这个地面终端的待机时间不会超过两天。到了北斗三号,地面用户只需要约十分之一功率,就能通过卫星发送短报文,地面终端不仅小而且待机时间长。短报文信息发送能力从一次120汉字提升到一次1200汉字。”

  原子钟素来有“导航卫星的心脏”之说。铷原子钟,是以铷原子跃迁为物理基础建立的一套极度精密的电子设备,简称铷钟,在北斗三号导航卫星上发挥着提供时间基准的作用,铷钟的稳定度直接关乎着导航卫星的定位、测速和授时精度,铷钟的质量和可靠性直接决定着导航卫星的成败,是北斗三号卫星上十分关键的载荷产品。

  西安分院抓总研制的铷钟,在稳定度指标方面,较北斗二号区域导航系统提高了10倍,达到世界先进水平。 记者 关颖

  二十载布局漫天“北斗星辰”

  千余台发动机“西安造”

  2020年6月23日,西昌卫星发射中心,长征三号乙运载火箭直冲九霄,北斗系统最后一颗全球组网卫星成功发射。20载巡天遨游,长三甲系列运载火箭以44次发射、59颗星的骄人成绩,圆满完成北斗卫星导航系统的组建任务。追溯到20世纪80年代,北斗系统“三步走”计划实施以来,火箭每一次热血腾飞,卫星每一次精准入轨,其动力都来自于位于西安的中国航天科技集团六院。

  千余台发动机提供

  稳定可靠的动力源泉

  由长三甲、长三乙、长三丙三型火箭组成的长三甲系列运载火箭,承担了北斗卫星的全部发射任务。20年来,航天六院研制生产的75吨级和4.8吨级常规发动机、8吨级氢氧发动机,分别承担着火箭的助推和一级动力、二级动力、三级动力。航天六院研制的姿控发动机系统、“远征一号”上面级发动机、卫星490N发动机和推进系统,也分别为箭体姿态调整、卫星精准入轨等提供了“贴心服务”。

  75吨级常规发动机,研制于20世纪70年代,被誉为中国液体火箭“金牌发动机”,用于长三甲系列运载火箭的助推和第一、二级。多年来,随着其性能的不断提升,它成功将数百颗卫星和神舟飞船送入太空。

  4.8吨级游动发动机,于20世纪80年代末90年代初改进研制而成,用于长三甲系列运载火箭的第二级,其喷管可作单向摇摆,从而实现对箭体飞行姿态的控制。

  8吨级氢氧发动机,研制于20世纪80年代,是中国第二代上面级液氢液氧发动机,用于长三甲系列运载火箭的第三级,具有真空二次起动能力,可在伺服机构带动下双向摇摆,实现对三级箭体飞行姿态的控制。

  490N发动机,是目前国内唯一的中高轨道卫星轨控发动机,为北斗卫星提供了从转移轨道至预定轨道所需要的动力,也广泛应用于空间站、货运飞船等航天器。在北斗系统组建过程中,该型发动机从第一代升级到第二代,通过不断技术创新、升级换代,提高了金牌动力的含金量,持续推进提升产品性能和服务水平。

  “远征一号”上面级发动机,针对北斗二代卫星导航任务而研制,在基础级火箭上增加了相对独立的一级,可在太空将一个或多个航天器直接送入不同的轨道,被称为“太空摆渡车”。该型发动机具备二次起动能力,可让卫星从发射到进入运行轨道的过程,从数天缩短为5个多小时,而且不耗费卫星的燃料、延长卫星使用寿命,并大大增强运载火箭的任务适应性。

  火箭上配套的姿控发动机系统,由大大小小十几个姿控发动机组成,承担着火箭和上面级的姿态控制、推进剂沉底和末速修正。

  20年间,航天六院共提供以上各型发动机千余台,为确保火箭成功发射、北斗卫星精准入轨提供了稳定可靠的动力源泉。

  从每年10发左右到近40发

  研制能力突飞猛进

  长三甲系列运载火箭是长征系列运载火箭高强密度发射的“主力”,是我国现役中型常规运载火箭中“运载能力最大、技术最复杂、适应性最强、发射次数最多、发射密度最大”的火箭群体,它几乎囊括了我国所有高轨道航天器的发射任务。

  2019年4月20日,长三乙火箭成功发射北斗卫星导航系统第44颗卫星,这也是长三甲系列运载火箭的第100次发射,成为我国首个发射次数突破100的单一系列运载火箭。也正因其金牌品质,长三甲系列运载火箭成为确保北斗卫星导航系统顺利组网的“问天神箭”。

  要保证火箭发射次次成功,卫星入轨颗颗精准,必须不断探索和完善适应“三高”需求的工艺、管理和研制试验各项体系。同时,也要锤炼和锻打出一支代际传承、愈发强大的研制队伍。据了解,仅就常规发动机而言,为适应北斗卫星的高密度发射需求,工厂研制生产能力从2000年的每年10发左右,到2010年的每年约15发,再到后续的每年近40发。管中窥豹,对整箭发动机产品而言,研制压力可想而知。

  设计与工艺可靠性提升、力热环境适应性改进、发动机长期在轨研制、冗余设计、数字化设计和应用、仿真能力提升、信息化手段及应用、发动机生产试验检测手段改进、禁限用工艺消除、精细化量化控制、多余物控制、去任务化、产品化……一系列研制能力和产品质量可靠性提升的专项举措陆续在航天六院展开,有效挖掘了高密度发射潜力、加速了国家重大专项工程的实施。 记者 关颖

(西安晚报)

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