北斗三號全球衛星導航系統正式開通一年來，單點定位精度達到1.61米，為全球超20億使用者提供了全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務。
中國科學院微小衛星創新研究院研製的北斗三號專用導航衛星平臺，突破關鍵技術53項，其中6項為國際首創，榮獲2020年度上海科技獎技術發明獎一等獎。
【星箭分離的衝擊力高達6000g，要求衛星平臺具有高耐衝性】
美國的GPS早在1993年就已開通，曾經是“導航系統”的代名詞。北斗三號要想超越GPS，前提是有一個好的衛星平臺。“這個平臺相當於一輛車，在研製之初就面臨高衝擊、高精準、高可靠三大挑戰。”北斗導航衛星副總設計師劉迎春告訴解放日報·上觀新聞記者。
為了快速組網，北斗三號採取“一箭雙星”的發射方式，星箭分離的衝擊力高達6000g，這就要求衛星平臺這輛“車”具有高耐衝性。
而高精度分離衝擊理論分析是一道世界難題，以往算出來的精度都很低，試驗匹配度也差，只能不斷地試錯。
研製團隊透過與其他大學合作，提出了融合式的直接積分衝擊分析法，資料偏差小於15%，平均精度是傳統分析方法的1.7倍。
“我們還發明瞭吸衝隔衝的雙層遞進抗衝擊結構，相當於在星箭分離介面安裝了‘防撞角’，在結構架的連線處用了‘減速坡’，降低了80%的衝擊 ，艙內實測最大沖擊力從6000g減少到460g。”劉迎春說，這些措施解決了衛星與運載上面級分離衝擊的難題。
【從區域走向全球的關鍵，需要衛星平臺控制的“高精準”】
能否給北斗三號衛星拉一個“微信群”，可以互相“聊天”？兩顆衛星距離最遠6.9萬公里，要想彼此“新增好友”，不僅位置資訊要準確，姿態控制也要準確。
星間鏈路是北斗三號從區域走向全球的關鍵，這就需要衛星平臺控制的“高精準”，即軌控精度要高、軌控次數要少、軌控影響要小。
當地球執行到太陽和北斗衛星之間，會短時遮擋太陽光，在黑暗和光明切換的瞬間容易引起導航服務中斷，導航的精度也會發生相應變化。
研製人員首次提出了高精度姿軌聯合控制技術，使得過去由於軌道調控引起的導航服務中斷，從一兩年一次，變為7年一次，而且星座中的衛星是輪流進行調控，使用者根本感覺不到導航精度的極細微變化。
“過去，我們的衛星需要透過觀察地球、太陽和星星，來確定姿態，現在只需要看星星就可以實現了。”劉迎春介紹。由於在國際首創了基於單星敏定姿的全動偏導航衛星姿態控制技術，實現了姿態控制精度優於0.03°，原來需要“三隻眼”，現在只需“一隻眼”。
此外，還首次提出了基於面陣校正的多源融合自主天文導航技術，實現了不依賴地面的衛星長期自主軌道確定。
【小型化的同時如何確保“高可靠”】
北斗三號衛星組網的穩定執行，需要衛星平臺的“高可靠”。
相比北斗二號衛星平臺重量2160千克，北斗三號衛星平臺重量“瘦身”不少，僅為1060千克。小型化的同時如何確保“高可靠”呢？
除了器部件100%自主可控，研製人員採用了“功能鏈”理念的衛星總體設計技術，構建了全新的導航衛星平臺技術體系，破解了這一難題。
“以前的衛星平臺像是一棵樹，有多個樹杈。它是按具體任務來分類，一個衛星平臺有90多個單機，就被分成了多個層次。”劉迎春介紹，北斗三號衛星平臺改變了“樹杈”的分類法，而是按功能鏈來分類，看其可以實現什麼功能。打個比方，管道工和修路工，在之前的分類中，得要單獨分類，而按照功能鏈則可以劃分為同一類：維修工。
“鏈是最簡單的一維結構，也有助於後續的整合和整合。”劉迎春說，北斗三號衛星平臺由結構熱功能鏈、控制功能鏈、電子學功能鏈組成。
衛星平臺相當於一輛車。過去，“車”的重量往往大於裝載的“貨物”，即平臺重於載荷。研製人員在國際上首創發明了耐衝框架面板衛星型譜，使得載荷與平臺的質量承載比為1.2，這輛“車”終於可以裝載更多的“貨物”，攜帶更多的科學載荷，達到國際先進水平。
由於以“功能鏈”組成的專用導航衛星平臺，採取模組化設計，這就像“堆積木”，可以同時作業，再拼裝在一起，因此衛星總裝廠整合測試時間僅需45天，大大縮短了生產工期。
北斗三號衛星平臺像一個超大“微波爐”，如果內部溫度過高，電子學裝置容易燒壞。如今，可用散熱面佔衛星表面積比＞85%，確保了衛星力熱環境。
衛星上天后出現故障怎麼辦？劉迎春告訴解放日報·上觀新聞記者，衛星平臺的電子學功能鏈，實現了軟體重構和在軌賦能，已透過軟體重構修復了四分之三的衛星在軌故障，而在軌賦能進一步提升了導航服務效能。
電子學功能鏈透過簡化系統結構，提升了系統固有可靠性，專用導航衛星平臺10年壽命末期可靠性預計由0.743提升至0.893。“這就像以前分別帶著錄音筆、照相機和手機，現在這些功能都整合在了手機上，出門更加輕便了！”
研製人員突破傳統的分系統架構，構建了基於功能鏈的專用導航衛星平臺技術體系，實現了跨越發展的目標。經國際組織評估，北斗三號衛星平臺的多項核心指標，不論是抗衝擊能力，還是載荷平臺比，以及姿態控制精度、軌控中斷次數、平臺自主定軌等，均優於GPS，在同類衛星中整體處於國際領先水平。
欄目主編：黃海華 文字編輯：黃海華 題圖來源：視覺中國 圖片編輯：邵競
文中製圖：葉田媛
來源：作者：黃海華
