央企智慧 助力北斗三号安全稳定运行

来源：亚欧能源网    发布时间：2017-11-09 10:37:10 

航天科工：筑就火箭卫星“钢筋铁骨” 使其“耳聪目明”

中国航天科工集团公司在北斗三号工程中承担了原子钟、声表面波滤波器、蓄电池、紧固件、连接器等关键产品的研制生产和软件测评等保障工作。航天科工高度重视北斗三号工程的配套和服务保障工作，以强烈的使命感、责任感、紧迫感，严格抓好质量管控，保证各配套产品安全可靠，确保飞行任务圆满成功，用实际行动贯彻落实党的十九大精神。

在北斗卫星的上行和下行信号中，时间信息是最重要的控制信息和定位依据。用户定位信息准确的前提是各卫星本地时间的高度统一，而维持卫星时间准确性的守时设备就是原子钟。因此，原子钟被称为导航卫星的心脏，是一个国家能否具备独立发展导航系统能力的核心标志之一。

航天科工二院203所为北斗三号卫星提供了高精度的星载氢原子钟、星载铷原子钟等产品。其突出的产品可靠性和优良的性能，为北斗卫星导航系统的精准定位打下了坚实基础。伴随长征三号乙/远征一号运载火箭成功飞天的，还有十院航天电器公司研制生产的上万个多型宇航连接器。它们作为火箭的“血脉通道”，具有体积小、重量轻、系列化程度高、接点密度高、抗振性能优等特点，能够顺畅、准确地传递各种信号指令，使火箭动作规范、准确。

十院梅岭电源公司研制生产的锌银蓄电池组和充放电检测设备，在本次发射任务中共有10种11台配套。航天精工数以万计的高性能紧固件在此次任务中连结机构、紧扣系统，以可靠的质量和技术保障能力，将各零（部）件连接成一个有机的整体，筑就了火箭和卫星的一身“钢筋铁骨”。

作为卫星导航中的核心元器件，声表面波滤波器直接影响导航系统的精度及作用距离。二院23所生产的声表面波滤波器安装在卫星的接收机上，对宇宙中各类噪音、杂波进行过滤，让卫星的通信更加清晰明朗。该产品已为北斗卫星导航系统建设服务十年，优质的产品性能让北斗卫星始终保持着“耳聪目明”的工作状态。

三院304所项目团队将十余年来积累的飞航软件评测验证技术经验也推广到了北斗项目任务。针对导航的核心部件——导航任务处理机开展软件可靠性安全性分析与验证，充分应用自主研发的半实物可靠性验证平台，构建了175种导航处理机故障集，开辟了多层面分析、多技术融合、故障注入仿真的可靠性验证新模式，有效保障任务进行。其有关成果已列入北斗系列卫星成果的整星预案中，为北斗后续软件的可靠性安全性提供了有力支撑。

中国电科：多功能芯片“眼睛” 让卫星更安全智慧

中国电科作为中国第二代卫星导航系统重大专项领导小组成员单位，在本次任务中，网络通信子集团39所、54所，声光电磁子集团、仪器仪表、11所、12所、13所、21所、23所、55所、中科芯（58所）等近20家科研单位给卫星提供了多套抛物面天线及2万余只全国产化关键元器件，在身上注入了电科“元素”，为“北斗三号”高精度、高连续、高稳定在轨运行提供了强大技术支撑。

国产自主“芯”为安全基石。作为电子系统的基本组成，元器件的可靠性是影响运载火箭高可靠性的关键因素，牵一发而动全身。据介绍，在执行发射任务中，我国通常会面临一些核心单机国际禁运的急迫现实，许多关键环节不能够自主掌控。

面临2020年全球组网目标必须实现的急迫现实，中国电科团队自主研发了大批航天用全国产的关键器件，有效解决了替代进口的问题，使系统更加可信可控，确保为任务提供安全可靠的服务。

在本次任务中，中国电科为卫星提供了总线电路、多功能芯片等核心全国产化芯片。由中科芯（58所）自主研发的总线电路，应用于双星上“核心大脑”星载计算机中的有效载荷分系统，是实现信息通畅的关键元素。

“有效载荷是航天器在轨完成航天使命的最重要的一个分系统。如果说有效载荷分系统是一条信息高速公路，应用在有效载荷分系统中的总线电路就如同高速公路上的各个出口和通道，负责各类命令、数据的通信和交互，实现高速的通信，共同完成有效载荷分系统的重要任务。”中科芯（58所）总线技术带头人刘士全介绍说。

该项目在国内尚属首次，设计、工艺、测试验证难度均非常大。刘士全带领团队经过改进优化后，最终实现电路性能超越国外同类产品，电路可靠性更优。有了更加畅通的出口，中国电科还为卫星配备了更加清晰的多功能芯片“眼睛”和无磁变容管精准“手表”，让卫星更安全、智慧。

由55所研制的星间链路系统的多功能芯片用于天线波束扫描定位系统中，实现对目标的精确定位和扫描，就像是为卫星安上了“眼睛”，让卫星能够看清地面或周围的物体。该多功能芯片是国内砷化镓E/D工艺多功能首次批量应用于星载系统，其采用砷化镓E/D工艺进行高密度集成，可有效降低整机体积、重量等指标，为星载相控阵系统的波束变化提供芯片支撑。

“在宇航领域，为避免电磁波对器件产生干扰，必须采用无磁器件。此前我国采用国外进口无磁器件，价格昂贵，渠道困难，在国内此类器件的研制尚属空白。”55所专家韩钧表示。

为确保卫星的安全可控，韩钧和团队成员创新拼搏，研发了探测器的消磁利器——无磁变容管。“无磁变容管是原子钟晶振的重要组成原件。晶振的作用是给卫星提供基准时间，就像是给每颗卫星戴上了一块‘手表’，有了国产无磁变容管这个重要件，‘手表’将更加精准、安全。”

架起“天线之网”。卫星上天后，为实时掌握来自“星星”的位置，中国电科架起了“天线之网”，犹如一条看不见的风筝线，为任务正常运行提供指挥决策。

“北斗三号”地面运控系统中，网络通信子集团39所研发的抛物面天线实现了对卫星的自动跟踪，从而保证天线电轴可以始终准确地指向卫星，为地面运控系统提供了一条高品质的、传输时延和相位中心稳定的上下行射频通道，填补了我国在此领域的空白。

在这个运控系统中，天线伺服控制无人值守技术，可使天线根据系统播发的预推卫星星历和地面站坐标计算天线方位俯仰引导角度，从而实现对卫星的跟踪，任务结束后天线自动收藏，减少了人为操控失误，提高了系统的可靠性。单脉冲/程序混合跟踪技术的运用，可使天线一旦发现满足跟踪条件的目标，则自动进入自跟踪，同时在自跟踪过程中，如果目标跟丢了，系统可通过系统判断再次发现目标进行跟踪。

目前，39所还承研了“北斗三号”地面系统45米天线，将大口径高精度天线的保型设计技术成功运用到方案设计中，使得天线具有更高的表面精度、更优的天线效率，建成后将是国内最大口径的转台式全动天线；在建的全空域多目标统一测控天线，主要用于完成北斗导航卫星的所有类型在轨卫星长期测控管理任务，也可同时为地球同步轨道、中轨和低轨卫星3类轨道卫星提供测控服务，该设备建成后将极大提升我国卫星测控能力；此外，数十套监测天线及多频天线将遍布全国，为北斗卫星在轨监测提供可靠保障。

信号“放大镜”。北斗卫星导航系统可以在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具有独特的短报文通信功能。其中，要保持导航系统授时校频的高精度，卫星必须配有高稳定度、高精度的原子钟。

“目前，我国的北斗导航系统采用了氢原子钟。根据量子理论，原子能态跃迁决定频率，该频率信号稳定度极高。”声光电磁子集团高级工程师杨桃均介绍说。他同时表示，由于该信号的频点及幅度等原因，该信号需进行变频、锁相、放大等处理，才能作为北斗系统的时钟应用。

“前期，采用过晶体振荡器及介质振荡器等作为变频处理的本振信号源，但考虑高可靠的星载应用，我们最终确定了频率准确度更高而体积更小的声表面波振荡器作为本振信号源。”杨桃均说，声表面波振荡器可直接工作于L波段，声表面波振荡器可直接工作于L波段，综合考虑体积、可靠性和抗振动等因素，更适用于北斗原子钟。该型产品在国内率先实现了星载实用，达到了体积小、温漂低、功率波动小、低相噪等高稳定、高可靠的目标，综合性能指标处于国内领先、国际先进，对于实现氢钟小型化、高稳定度、高精度起到了非常关键的作用。

要确保提供精准的服务，信号必须清楚、连续。有了中国电科提供的空间行波管、激光反射器等信号“放大器”，清晰的信号不再是“梦”。

12所提供的全国产化L波段空间行波管系列产品和S波段空间行波管是北斗三号导航卫星的核心单机，可实现卫星对地定位信号的放大。

据12所L、S波段空间行波管专家王贺飞介绍说，前期，国外一直对可用于导航卫星的L、S波段空间行波管实施严格的技术封锁和产品禁运，中国电科立足于现实技术积累，通过设计、分析、验证的无数次迭代，终于攻克了多项技术难关，研制出具有高功率、高效率和高可靠性的产品，成功打破国际禁运，综合性能指标达到国际先进水平，创造了国产化空间行波管批量生产、批量交付、批量在轨应用的纪录，确保全球导航系统提供高精度、高稳定性定位和导航服务。

此外，11所研制的激光反射器，作为卫星舱外有效搭载设备，能够增强目标表面对激光信号的反射，是国内首批设计寿命十年以上、全国产化中轨道激光反射器。