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北斗:我国自主全球卫星导航系统

已有 1650 次阅读 2020-9-9 10:27 |系统分类:科普集锦

随着现代科学技术和工业的快速发展,越来越多的国家把航天技术水平作为评价国家综合实力的重要标志。作为航天技术重要组成部分的卫星导航系统,将在国家安全、经济发展及社会生活中发挥越来越显著的作用。鉴于此,世界各航天强国都在加速研制和发展自己的卫星导航系统。



经过数十年的发展,全球卫星导航系统(GNSS)呈现出“百花齐放、百家争鸣”的景象,以美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)、欧盟伽利略卫星导航系统(GSNS)和中国的北斗卫星导航系统(BDS,以下简称“北斗系统”)为代表的全球四大卫星定位系统,已形成同台竞技的格局。


北斗系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展的需要,自主建设、独立运行,并与世界其他卫星导航系统兼容的全球卫星导航系统,可在全球范围全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、测速、授时服务。完成“三步走”全部建设任务的北斗系统,是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。
 

根据《中国北斗卫星导航系统》白皮书的要求,北斗全球系统的建设目标是建成独立自主、开放兼容、安全可靠、技术先进、突出重点区域的世界一流卫星导航系统。为实现该目标,我国需要持续建设完整的星座系统,进一步提高卫星原子钟性能,增强系统自主运行能力,重点在性能指标的提高、技术体制的创新、用户体验的优化等方面持续攻关。


导航信号高可靠、高可用技术


服务可靠性主要指服务的可用性、连续性、完好性,是衡量系统提供可靠、稳定、连续服务的重要指标。服务可靠性不仅与用户段使用的环境和条件有关,还与空间段星座的性能、单星可靠性及控制段导航业务运行的控制能力、卫星运行的管理能力密切相关。要建成一流的卫星导航系统、提供一流的系统服务,卫星系统、地面运控系统、测控系统除了要满足常规的功能、性能指标要求外,还必须满足服务可靠性提出的相关要求。

目前,GPS的非计划中断时间可优于2次/(年·星),北斗导航卫星的研制将重点在信号可靠性上发力,力争2020 年后实现非计划中断指标0.4次/(年·星),2030年前后实现非计划中断指标0.12 次/(年·星),使卫星的研制水平达到高可靠和高可用,并经得起用户和历史的检验。为突破该项技术,短期来看,我国必须加大时频系统连续稳定无缝切换技术、导航信号连续可用技术的攻关力度。时频系统连续稳定无缝切换技术包括时间信息自主恢复技术、原子钟自主无缝切换技术及秒脉冲自主恢复技术,采用这些关键技术可以实现时频系统故障下导航信号的连续性。导航信号连续可用技术还包括下行大功率链路故障自主诊断、隔离及快速恢复技术,导航任务处理机故障自主诊断、隔离及快速恢复技术等,突破这些关键技术,可以实现整个卫星导航信号的连续、可用,降低虚警率和漏警率。为实现2030 年非计划中断指标的要求,还需系统地提升平台和载荷的可靠性,并进一步提升故障情况下快速切换及自主恢复的能力。
 

长时间自主运行技术


通常情况下,地面系统需对导航卫星进行维护,并定期向卫星发送高精度的时间和空间信息,这样卫星才能为用户提供高精度的导航服务。自主运行技术是指在特殊情况下,卫星在与地面系统失去通信联系后,仍具有较高精度的导航服务能力。为此,导航卫星发展了自主导航、平台自主运行及自主健康管理技术。自主导航技术利用星间测距、通信及统一的自主导航算法,可实现星座各卫星间的时间同步及星历的自主生成;平台自主运行技术利用平台各分系统的敏感器,获得卫星当前状态和空间环境状态,再由星载处理软件处理、比对、计算数据,然后自主确定各执行器的相应动作,从而维持卫星系统的正常运行;自主健康管理技术使用星载计算机,综合分析各种遥测参数,自主监测并识别出异常的设备,进而通过指令控制,将异常单机切换为冷备份或热备份设备,从而保证星上设备工作的连续性和完好性。

目前的自主运行方案,可以保证卫星在无地面系统支持的情况下,在60天内提供连续、较高精度的导航信号。2030 年前后的目标是实现180~360天或更长时间的自主运行。未来将通过引入更高的天文基准(如更高精度的原子频标、星间测距通信装置),进一步改进自主导航的算法,以实现更高精度的自主星历生成和时间同步。卫星平台通过引入新的敏感器和执行器,并持续改进控制算法,可增强平台自主运行的鲁棒性;进一步加强卫星的可靠性设计和抗空间环境设计,可增强卫星的自主运行能力。在自主健康管理方面,需深入研究设备的无缝切换、切换后数据的迅速恢复技术,尽量缩短导航信号的中断时间。可以预见,导航卫星未来将实现更长时间的自主运行,形成更高精度的导航信号播发能力。
 

基于激光星间链路的测距与通信网络技术


为了满足对天基信息网络和高精度空间测量日益增长的需求,基于激光的星间链路的研究获得广泛支持。未来利用激光星间链路,可实现亚厘米级的高精度测距,以及不低于千兆速率的高可靠、高实时、高安全的信息传输。而多颗配备激光终端的卫星在高性能路由器的支持下,可构建起高吞吐量的空间骨干网。总之,通过搭载激光星间链路,可大幅增强导航卫星的测距与数据传输功能,但要达到这个目标,仍需攻克一些关键技术。
 

导航载荷一体、小型化技术


航天发射高昂的成本与宝贵的在轨能源,要求卫星在设计时尽量节省重量和能源。作为为导航卫星直接提供导航服务的核心部分,目前导航卫星载荷占用了整颗卫星的绝大部分能源,因此,载荷的“瘦身”和节能势在必行。地面用户实现定位,需要导航卫星提供自身的轨道和钟差,而导航卫星又需要地面的控制中心来提供所需的位置和时间信息。因此,导航卫星载荷既包括接收机,又包括发射机。手机也同时具备接收机和发射机的功能,我们在上网时需要把要下载的内容请求发送给基站,然后接收基站反馈给我们的内容。如果把导航卫星比作手机的话,导航卫星的小型化实际上和手提电话“大哥大”发展到智能手机的演变历程一样。元器件水平的发展,使手机的诸多功能可在一块电路板上实现,导航卫星的载荷也是一样。随着元器件小型化的发展,以及抗空间辐射能力和数字化能力的提高,未来的载荷将向芯片化和集成化方向发展,以实现重量和能源的“瘦身”。


新型星载超高精度原子钟技术


星载原子钟是导航卫星的“心脏”,是导航卫星高精度时间基准的源泉。北斗系统已广泛使用高精度铷原子钟和氢原子钟,这些原子钟在轨运行情况稳定,表现优异。星载原子钟的工作原理涉及量子力学、电子学、材料学和热学等多个学科。为进一步提高空间、时间基准,北斗系统正在积极推进新型星载高精度原子钟的研制(如星载铯原子钟、汞离子钟、冷原子钟等),未来将在准确度和稳定度上有跨越式发展。
 

器部件长寿命、高可靠技术


航天领域正在面临需求的转型,航天产品呈现出多型号并举、高密度发射的特点。随着航天产品应用范围的不断扩大,对其高可靠、长寿命、稳定服务的要求也日益增强。然而,航天产品又普遍具有高要求、高风险和小子样的特点,这些特点与工程任务一次成功的要求之间存在突出矛盾,因此,提高器件的固有可靠性是掌握其长寿命、高可靠技术的关键。为突破该项技术,需要在技术和管理两个层面同时着手。首先,在技术层面,需要解决元器件的规范选型、优化设计问题,使之具备良好的空间环境防护能力,并进行充分的地面试验验证。此外,需要开展核心关键单机的长寿命、高可靠试验(如寿命加速试验),突破薄弱环节。其次,在管理层面,以覆盖全面、预防为主、控制源头、常抓不懈的质量理念为核心思想,将航天产品研制的基本规律与导航产品的高质量、高可靠要求相结合,推进重大专项的全过程、全系统、全特性和规范化、精细化的质量管理。预计在2030 年前后,随着基础工业水平的进一步提高,新工艺,新材料,更好的测试、试验、检验手段将不断出现,器部件长寿命、高可靠技术的水平将大幅提升,系统的可靠性将进一步提高。

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本文摘编自中国空间领域2035技术预见》,首发于“科学人文在线”微信公众号。识别图中二维码或点击下面“阅读原文”可立即购书。欢迎广大科研工作者投稿,聊聊你们的所见所闻、所感所思,投稿邮箱:houjunlin@mail.sciencep.com。


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本期编辑丨王芳


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