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一箭双星,北斗三号新年首发成功! 揭开2018年度高密度发射序幕

来源:新民晚报     记者:董纯蕾     作者:袁婧      编辑:沈小栋     2018-01-12 12:00 | |

图说: 发射前林宝军在塔架上为大家作介绍。 袁婧 摄

  【新民晚报·新民网】北斗导航卫星新年首发成功!西昌卫星发射中心新年首发成功!

  今晨,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭,以“一箭双星”方式成功发射第26、第27颗北斗导航卫星。这也是长征系列运载火箭的第262次飞行。

  这两颗卫星属于中圆地球轨道卫星,是我国北斗三号工程第三、四颗组网卫星。卫星入轨后,经测试及入网验证,可对外提供服务。按计划,北斗卫星导航系统将于2018年底服务“一带一路”沿线国家。此次首发成功,也正式拉开2018年度北斗高密度发射序幕。

  西昌卫星发射基地。地面温度4℃左右。多云。

  1月12日早晨7时18分,长征三号乙运载火箭(及远征一号上面级)起飞。2分钟后,火箭助推器分离。那一刻,记者在现场真切地感受到了震撼人心的壮观。中国科学院微小卫星创新研究院院长助理、北斗三号卫星总指挥李国通说,这便是四个助推器的巨大威力,“一箭双星”不辱使命!

  13分钟后,火箭基础级与上面级和卫星组合体分离。

  3小时35分后,远征一号上面级与北斗双星分离。对卫星研制团队而言,直到一箭双星安全分离,卫星的太阳能帆板顺利展开,卫星双双进入轨道,此次发射任务才算初获成功。

  中国的北斗,世界的北斗

  北斗三号全球导航系统的定位精度将提升1至2倍,达到2.5米至5米水平,建成后的北斗全球导航系统将为用户免费提供约10米精度的定位服务、0.2米/秒的测速服务,并且将为付费用户提供更高精度等级的服务。同时,卫星设计寿命达10年以上。

  此次发射的两颗北斗三号导航卫星,“娘家”就在上海——由中国科学院微小卫星创新研究院抓总研制。据院长于英杰透露,今年计划发射8颗由该院抓总研制的北斗三号卫星,从过去5年研制发射2颗北斗卫星到今年一年发射8颗组网星,中科院微小卫星创新研究院从技术理念、队伍建设到组织架构,都锐意创新,旨在当好中国微小卫星领域的先锋队。

  中国科学院微小卫星创新研究院副院长、北斗三号卫星总设计师林宝军告诉记者,与北斗二号相比,北斗三号最大的进步便是“从区域到全球”,真正做到了“中国的北斗世界的北斗”。“具体而言,导航服务扩展到全球,宇航能力服务全球,建设事业面向全球,性能指标大幅提升。” 北斗三号的综合性能达到了世界一流水平,设计理念处于世界领先地位。

  去年12月,中美两国签署《北斗与GPS信号兼容与互操作联合声明》,根据声明,两大卫星导航系统在国际电联框架下实现射频兼容,实现民用信号互操作,并将持续开展兼容与互操作合作。“这也说明了北斗系统正日臻成熟,对全世界的贡献也越来越大。只有北斗强大了,人家才愿意与你共享。”卫星副总设计师沈学民深有感触地说。“也许,就在不远的将来,美国民众也会广泛使用北斗导航卫星,就像我们使用GPS一样。”于英杰自信地展望未来。

图说: 中国科学院微小卫星创新研究院副院长、北斗三号卫星总设计师林宝军。袁婧 摄

  创新的基因,多项全球首创

  林宝军将今天发射升空的两颗北斗三号全球组网星的特色概括为设计理念的创新、中科院专用导航卫星平台、星间链路、高可靠高可用且全部国产化的星载导航核心技术。

  所谓设计理念的创新,指的是 “功能链”设计理念。卫星设计的常用理念是十几个分系统来“拼图”。好处是各司其职、便于管理,哪里出了问题就找哪个分系统负责到底。但是,这么多分系统,这么多沟通环节,这么多设备器件的重复,造成的是资源和时间的浪费。新一代北斗另辟蹊径,按学科“合并同类项”,串起有效载荷、结构热、电子学和姿轨控等4条“功能链”,简化系统结构,不仅减小卫星的体积、重量和能耗,而且提高了系统的固有可靠性,使小卫星实现大功能。

  新年首发的北斗双星,采用的是中科院专用导航卫星平台,中科院的创新基因在这一平台上体现得淋漓尽致。平台的姿控精度比要求精度还提高了一个量级,轨控采用四推力器斜装;电子学系统采用国产“龙芯”CPU,与欧洲同类产品相比,不仅计算能力提升了,而且空间环境辐照的能力明显更胜一筹;全球首创的在轨赋能自主运行技术,甚至可以不依赖地面实现卫星的自主定位,让卫星在天上“知错能改”、“自我修复”、“刷新体制”;在整星集成状态下,也可以按真正的飞行过程,实现软硬件的全任务剖面闭环测试,在全球四大导航系统中也属于首创。

  星间链路,则帮助北斗系统实现了“一星通星星通”,基于国内段可以实现全球卫星的掌控。卫星观测值提高了10-30倍,测控覆盖从30%提高到100%,令导航能力再上台阶,实现了相当于美国GPSII到GPSIII的跨越。“也就是说,星与星之间7万公里距离,测距精度可以达到1厘米左右。”林宝军自豪地介绍。

王亚宾等工作人员在指挥室。袁婧 摄

  核心技术全国产化,多项来自上海

  此次成功发射的北斗双星,凝聚了众多优秀的国产原创科技成果。其中,多项来自上海。如,星箭分离后,卫星上的2台数字太阳敏感器和2台红外地球敏感器现已成功开机,4台模拟式太阳敏感器带电发射,目前逐步开展卫星入轨阶段的姿态捕获任务。这些仪器由中科院上海技术物理研究所研制。遥测数据表明产品工作正常,后续工作按计划陆续展开。

  尤其值得一提的是,星上核心载荷已全部实现国产化。其中很重要的一项便是原子钟的升级换代和无缝切换。其实,导航定位的原理并不复杂,测量卫星到目标的时间,再乘以光速就是距离,利用四个以上的距离测量值就可以计算得到用户位置,所以时间是导航系统的核心。北斗三号卫星副总设计师沈学民介绍说,我们平时使用的手表每天大概有0.1秒至1秒的误差,为确保定位精度,导航卫星使用的是高精度原子钟,一般100万年误差小于1秒,而北斗三号采用了高性能氢原子钟,1000万年才误差1秒,相比之前北斗二号使用的铷原子钟性能有大幅提升。中科院上海天文台即为该氢原子承研单位。

  据了解,实用型原子钟有铷原子钟、铯原子钟和氢原子钟三类,氢原子钟的短中期性能优于前两者,最适用于导航卫星时间维持,其实现技术难度也最大。此前,国际四大导航系统中仅欧洲伽利略卫星配置了星载氢钟。北斗三号采用的国产氢钟与之相比,两者地面测试性能相当,从在轨综合表现看,国产星载氢钟实现了更小的用户测距误差。

图说:星载氢原子钟展示模型 来源:中科院上海天文台提供

  中科院上海天文台上世纪70年代研制出我国首台地面主动性氢原子钟,从2003年开始启动了星载氢原子钟研究项目。不同于地面产品使用的原子钟,星载氢原子钟不仅要具备高稳定性、高精度,还需“瘦身”又“靠谱”——在保证高可靠性的前提下,做到体积小、重量轻,能经受卫星发射期间振动、冲击等力学考验,能适应卫星在轨运行期间的高低温环境和空间辐射环境,并且能在轨连续稳定工作12年以上。

  要知道,原来在地面使用的主动性氢原子钟,重达数百公斤。最终为北斗三号“量身定制”的星载氢原子钟,仅25公斤。如此令人不可思议的超级“瘦身”过程,凝聚了上海天文台科研人员六年多无数次的原理探索、技术攻关和工程化改造。

  该项目负责人、上海天文台帅涛研究员告诉记者,2017年完成了6台氢原子钟研制,2018年计划完成8台,可满足北斗三号卫星相对密集的工程进度。与此同时,团队正在开展下一代星载氢钟研究,可望在长期稳定性等关键性能指标上继续保持优势的基础上,对产品进行大幅改进,让它进一步“瘦身”,从目前的25公斤减重至12公斤。“我们正在对现有氢钟进行改进,通过关键部件小型化和轻量化设计,在保证性能指标的同时,把重量减轻一半左右。” 上海天文台谢勇辉研究员透露。“氢钟的进一步小型化,带来的是体积、重量和功耗的下降,也就是对导航卫星配置资源需求的降低,可适应下一代高集成度导航卫星发展需要。”帅涛进一步解释说。

  (新民晚报记者 董纯蕾)

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