我國衛(wèi)星發(fā)展及展望

1、我國衛(wèi)星發(fā)展及展望首先，我們看一下我國航天發(fā)展歷史（2005年以前）：1956年10月8日，中國第一個火箭導彈研制機構(gòu)國防部第五研究院成立，錢學森任院長。1964年7月19日，中國第一枚內(nèi)載小白鼠的生物火箭在安徽廣德發(fā)射成功，中國空間科學探測邁出了第一步。1968年4月1日，中國航天醫(yī)學工程研究所成立，開始選訓宇航員和進行載人航天醫(yī)學工程研究。1970年4月24日，隨著第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅”1號在酒泉發(fā)射成功，中國成為世界上第五個發(fā)射衛(wèi)星的國家。1975年11月26日，首顆返回式衛(wèi)星發(fā)射成功，3天后順利返回，中國成為世界上第三個掌握衛(wèi)星返回技術(shù)的國家。1988年9月7日，長征4號運載火箭

2、在太原成功發(fā)射了風云1號A氣象衛(wèi)星。1990年4月7日，“長征3號”運載火箭成功發(fā)射美國研制的“亞洲1號”衛(wèi)星，中國在國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射服務市場中占有了一席之地。1990年7月16日，“長征”2號捆綁式火箭首次在西昌發(fā)射成功，為發(fā)射載人航天器打下了基礎。1992年，中國載人飛船正式列入國家計劃進行研制，這項工程后來被定名為“神舟”號飛船載人航天工程。1999年月11月成功發(fā)射了第一艘無人飛船，隨后又成功發(fā)射了3艘無人飛船。1999年11月20日，中國成功發(fā)射第一艘宇宙飛船-“神舟”試驗飛船，飛船返回艙于次日在內(nèi)蒙古自治區(qū)中部地區(qū)成功著陸。2001年1月10日，中國成功發(fā)射“神舟”2號試驗飛船，按

3、照預定計劃在太空完成空間科學和技術(shù)試驗任務后，于1月16日在內(nèi)蒙古中部地區(qū)準確返回。2002年3月25日，中國成功發(fā)射“神舟”3號試驗飛船，環(huán)繞地球飛行了108圈后，于4月1日準確降落在內(nèi)蒙古中部地區(qū)。2002年12月30日，中國成功發(fā)射“神舟”4號飛船。2003年10月15日，航天英雄楊利偉乘坐神舟5號飛船勝利完成了我國首次載人飛行，實現(xiàn)了中華民族“飛天”的千年夢想。2005年10月1217日，航天員費俊龍、聶海勝圓滿完成神舟六號飛行任務，中國載人航天實現(xiàn)了2人5天、航天員直接參與空間科學實驗活動的新跨越，中國成為繼俄羅斯和美國之后世界上第三個掌握載人航天技術(shù)的國家，這是我們中華民族的驕傲。

4、經(jīng)過我國一大批偉大的科學人員的不懈努力，目前我國衛(wèi)星系統(tǒng)形成了如下發(fā)展狀況：（1）我國應用衛(wèi)星體系基本形成我國航天事業(yè)發(fā)展40多年來，經(jīng)過航天科技工作者的艱苦努力和頑強拼搏，應用衛(wèi)星從無到有，逐漸發(fā)展。對地觀測衛(wèi)星系列、導航衛(wèi)星系列、通信衛(wèi)星系列和科學與技術(shù)試驗衛(wèi)星系列構(gòu)成了我國應用衛(wèi)星體系，為我國衛(wèi)星應用的發(fā)展奠定了基礎。（2）衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)化受到重視隨著我國航天技術(shù)的發(fā)展和應用衛(wèi)星的不斷發(fā)射與成功運行，我國的衛(wèi)星應用水平不斷提高，在經(jīng)濟建設和國防建設中發(fā)揮了越來越重要的作用。國家各有關(guān)部門對于衛(wèi)星技術(shù)的應用給予了較大重視，各產(chǎn)業(yè)部門應用衛(wèi)星技術(shù)來改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)并力求有所突破，積極引導社會需求以

5、擴大應用廣度和深度，促進產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。國家已經(jīng)把空間技術(shù)作為國家總體發(fā)展戰(zhàn)略的一部分，列入2000年至2020年國家中長期科學技術(shù)發(fā)展綱要中。在政府和有關(guān)部門的重視下，衛(wèi)星應用進入了一個較快的發(fā)展階段。（3）衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)具有良好的發(fā)展前景與國際衛(wèi)星應用市場相比，我國的衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)尚處于幼年階段：技術(shù)不夠成熟、用戶不夠廣泛，技術(shù)的發(fā)展和應用的深入都主要依靠政府投資和推動，還沒有形成在市場上競爭的能力。盡管如此，我國的衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)已經(jīng)具有了一定基礎：研制和發(fā)射了應用衛(wèi)星，建立了一批應用機構(gòu)，鍛煉了一批應用人才，摸索了一套適用的應用技術(shù)，培育了市場，取得了一定的經(jīng)濟效益。“十五”期間，我國衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)

6、發(fā)展的總體目標是：逐步形成適應我國社會主義市場經(jīng)濟發(fā)展的衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)體系，擴大衛(wèi)星應用領(lǐng)域，較大幅度地提高衛(wèi)星應用規(guī)模和應用水平，縮小與發(fā)達國家的差距；迅速改變應用衛(wèi)星和衛(wèi)星應用相互脫節(jié)、相互制約的局面，基本滿足“十五”國民經(jīng)濟和社會發(fā)展對衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)的需求，形成國民經(jīng)濟的增長點，帶動國民經(jīng)濟相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。接下來，就我國北斗導航衛(wèi)星發(fā)展具體分析：我國于2012年完成了北斗衛(wèi)星導航區(qū)域系統(tǒng)的建設，可為我國及周邊地區(qū)提供服務，定位精度水平方向優(yōu)于10m，測速精度優(yōu)于0.2m/s，授時精度優(yōu)于50納秒，同時可為特定用戶提供短報文通信業(yè)務服務，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應用越來越廣。衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為高精度的

7、空間位置和時間基準，能夠直接為地球表面和近地空間的廣大用戶提供全天時、全天候、高精度的定位、導航和授時服務，是當今國民經(jīng)濟、社會發(fā)展和國防建設的重要空間信息基礎設施。衛(wèi)星導航系統(tǒng)一般由空間段衛(wèi)星星座、地面運行與控制系統(tǒng)和用戶終端組成。空間段衛(wèi)星星座根據(jù)衛(wèi)星導航系統(tǒng)要求提供的服務精度、可用性、完好性和服務覆蓋區(qū)域范圍等指標，由多顆具有完整功能和性能指標、且工作在規(guī)定的空間軌道位置、符合規(guī)定的運行構(gòu)型的導航衛(wèi)星所組成。導航衛(wèi)星是系統(tǒng)中最為關(guān)鍵和核心的部分，其技術(shù)的發(fā)展及變化影響著整個衛(wèi)星導航系統(tǒng)的變革和更新?lián)Q代。衛(wèi)星系統(tǒng)是整個工程系統(tǒng)的“重中之重”。衛(wèi)星導航系統(tǒng)的工作原理“導航”原為航行之意，源于

8、海洋船舶航行，其定義是指確定艦船、飛機、車輛等運動物體和人的位置，并引導這些運動體和人沿著選定的路線從一個地方航行到另一個地方的技術(shù)，初始形式是羅盤領(lǐng)航和天文導航?；诳臻g衛(wèi)星而建立的導航系統(tǒng)稱之為衛(wèi)星導航系統(tǒng)。衛(wèi)星導航系統(tǒng)是衛(wèi)星作為已知位置和時間基準的導航臺站，通過衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，實現(xiàn)確定用戶的位置矢量（包括位置三維坐標、速度分量和對應坐標時的時間）的方法與系統(tǒng)。導航衛(wèi)星作為系統(tǒng)中已知位置和時間坐標的標準，一般需要由多顆衛(wèi)星組成星座，當星座構(gòu)型設計合理時，可以保證用戶全天時、全天候的連續(xù)使用。利用衛(wèi)星，服務于用戶位置確定的衛(wèi)星無線電業(yè)務主要有兩種方式：即RNSS和RDSS。無線電導航衛(wèi)

9、星業(yè)務（RNSS）：由用戶根據(jù)接收到的衛(wèi)星無線導航信號，自主完成位置定位和航速及航行參數(shù)計算，實現(xiàn)導航與定位的目的。無線電測定衛(wèi)星業(yè)務（RDSS）：通過衛(wèi)星，由用戶以外的地面運行與控制系統(tǒng)完成用戶定位所需的無線電導航參數(shù)的確定和位置計算，再通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)通知用戶。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)堅持“自主、開放、兼容、漸進”的發(fā)展原則，按照“先區(qū)域、再全球，先有源、后無源”的發(fā)展思路分步實施。2000年，我國建成了北斗衛(wèi)星導航定位試驗系統(tǒng)，采用RDSS原理實現(xiàn)了對我國及周邊地區(qū)的有源導航定位及短報文通信業(yè)務服務。2012年，完成了北斗衛(wèi)星導航區(qū)域系統(tǒng)的建設，利用RNSS原理為我國及周邊地區(qū)

10、提供無源導航定位服務，并保持北斗試驗系統(tǒng)所具備的有源導航定位及短報文通信業(yè)務服務。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展目標是：按照“質(zhì)量、安全、應用、效益”的總要求，建成“獨立自主、開放兼容、技術(shù)先進、穩(wěn)定可靠”的覆蓋全球、高性能、高可靠、高效益的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，滿足國民經(jīng)濟和社會發(fā)展對衛(wèi)星導航的需求，滿足國家安全和國防建設對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的要求，促進國家信息化建設發(fā)展。北斗導航衛(wèi)星的任務及功能要求北斗衛(wèi)星導航區(qū)域系統(tǒng)由空間段5顆GEO衛(wèi)星、5顆IGSO衛(wèi)星和4顆MEO衛(wèi)星組成。三種軌道的衛(wèi)星按照“一次設計、組批生產(chǎn)、流水試驗、密集發(fā)射、快速組網(wǎng)”的要求，開展產(chǎn)品設計，保證了三類衛(wèi)星中大多數(shù)產(chǎn)品具有互換

11、性。三種軌道衛(wèi)星均基于“東三”平臺完成設計。平臺包括結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、供配電分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、測控分系統(tǒng)（IGSO衛(wèi)星、MEO衛(wèi)星設計有數(shù)管分系統(tǒng)）、控制分系統(tǒng)、推進分系統(tǒng)。有效載荷包括導航分系統(tǒng)和天線分系統(tǒng)，其中GEO衛(wèi)星載荷包括RDSS業(yè)務、時間與位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、上行注入與精密測距、RNSS業(yè)務等，IGSO和MEO衛(wèi)星包括上行注入與精密測距、RNSS業(yè)務等。作為北斗區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星，其任務與功能主要包括：1選擇成熟的衛(wèi)星平臺，保持北斗試驗系統(tǒng)所具有的RDSS、時間與位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務和短報文通信功能，并與新增的RNSS業(yè)務功能任務相互兼容工作。2衛(wèi)星與地面運行與控制系統(tǒng)需采用雙向測距比對技術(shù)，衛(wèi)星具有

12、上行注入接收和精密測距功能，并將結(jié)果傳回地面。3接收地面運行與控制系統(tǒng)注入的導航電文參數(shù)，并存儲、處理生成下行導航電文，產(chǎn)生多個頻點的導航信號，向地面運行與控制系統(tǒng)和各類用戶發(fā)送。4接收、執(zhí)行地面發(fā)送的遙控指令，并將衛(wèi)星狀態(tài)（包括衛(wèi)星完好性的主要標志信息）及時下傳給地面。5在服務業(yè)務覆蓋區(qū)內(nèi)，保證衛(wèi)星接收和發(fā)送信號的G/T值和EIRP值，保證信號的功率穩(wěn)定性和時延穩(wěn)定性。星座衛(wèi)星工作時，各衛(wèi)星發(fā)播的導航信號必須連續(xù)、穩(wěn)定，其計劃中斷和非計劃中斷次數(shù)及時間符合系統(tǒng)要求。6適應三種軌道混合星座多星測控業(yè)務要求，采用S頻段同頻段擴頻測控體制，同時保留USB測控體制，以確保測控通道的可靠性和安全性，實

13、現(xiàn)星座運行管理。7衛(wèi)星太陽電池陣輸出功率：GEO衛(wèi)星2500W；IGSO和MEO衛(wèi)星2000W。8GEO衛(wèi)星采用長征3C運載火箭一箭一星發(fā)射，IGSO衛(wèi)星采用長征3A運載火箭一箭一星發(fā)射，MEO衛(wèi)星采用長征3B運載火箭一箭雙星發(fā)射。9衛(wèi)星在軌工作壽命大于8年。北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)的技術(shù)特點梳理分析我國北斗衛(wèi)星導航區(qū)域系統(tǒng)的技術(shù)，可以看出：衛(wèi)星系統(tǒng)圍繞工程系統(tǒng)的總目標，自始至終堅持繼承與創(chuàng)新的統(tǒng)一協(xié)調(diào)，堅持用戶需求與技術(shù)水平的統(tǒng)一協(xié)調(diào)。北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)具有如下技術(shù)特點：1按照北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展原則及目標要求，系統(tǒng)設計由三種軌道的衛(wèi)星（GEO、IGSO和MEO）構(gòu)成混合星座，星座中衛(wèi)星數(shù)量相比其它

14、衛(wèi)星導航系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)要少，對在軌衛(wèi)星連續(xù)、可靠、完好運行的要求高，對衛(wèi)星產(chǎn)品的質(zhì)量要求高。2衛(wèi)星系統(tǒng)的產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、試驗測試項目，必須按照工程進度要求，符合“組批生產(chǎn)、密集發(fā)射、快速組網(wǎng)”的狀態(tài)要求，明確了產(chǎn)品一致性要求。3針對GEO、IGSO和MEO三類軌道衛(wèi)星組成的混合星座，實現(xiàn)服務區(qū)域性能優(yōu)化與保持，完成發(fā)射窗口與備份策略等設計。4相對GPS系統(tǒng)、GLONASS系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有提供多種導航信號的能力，同時具有RDSS業(yè)務、RNSS業(yè)務以及短報文通信等服務功能，有利于用戶不斷開發(fā)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在不同領(lǐng)域的應用。5北斗衛(wèi)星導航區(qū)域系統(tǒng)除具有保持北斗試驗系統(tǒng)的服務業(yè)務和提高擴展業(yè)

15、務的能力外，同時可為未來北斗全球系統(tǒng)進行技術(shù)試驗。6MEO軌道衛(wèi)星實現(xiàn)一箭雙星發(fā)射。北斗導航衛(wèi)星的技術(shù)成果北斗導航衛(wèi)星是基于“東三”平臺開發(fā)設計的，其衛(wèi)星在供配電能力、熱控能力指標、衛(wèi)星姿態(tài)控制技術(shù)、采用S頻段測控體制等方面，均比其他的“東三”平臺衛(wèi)星要求高，必須采取新的技術(shù)，通過關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與驗證，實現(xiàn)其任務要求和研制目標。梳理總結(jié)北斗導航衛(wèi)星平臺部分的技術(shù)特點及取得的成果，主要包括：1衛(wèi)星的主結(jié)構(gòu)采用中心承力筒和蜂窩夾層板組成的長方體箱形結(jié)構(gòu)，星本體分為載荷艙、天線艙、推進艙和服務艙。相比其它“東三”衛(wèi)星，在對地面增加了天線艙，通過新增的兩塊結(jié)構(gòu)板與主結(jié)構(gòu)的承力筒相連。中心承力筒是整星主承

16、力結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星產(chǎn)品主要安裝在南北板上。2衛(wèi)星系統(tǒng)供配電母線配置為雙獨立一次供電母線，必要時可以通過指令實現(xiàn)其并聯(lián)。在“東三”平臺太陽翼結(jié)構(gòu)不變的約束條件下，通過采用砷化鉀與硅太陽電池組合使用，實現(xiàn)GEO衛(wèi)星大于2500W的供電要求。3導航衛(wèi)星姿態(tài)的控制設計要求為：在滿足軌道與姿態(tài)精度要求的條件下，盡量減少對軌道的控制次數(shù)。GEO衛(wèi)星采用偏置動量的三軸輪控方式進行衛(wèi)星的三軸姿態(tài)控制，以滿足控制精度要求和反作用輪卸載間隔要求；IGSO/MEO衛(wèi)星選用磁力矩器作為卸載執(zhí)行機構(gòu)，正常情況下可以避免推力器工作。IGSO和MEO軌道衛(wèi)星首次采用偏航控制，保證太陽電池陣法線對日指向精度優(yōu)于5。4熱控系統(tǒng)采用被

17、動熱控技術(shù)為主、主動熱控技術(shù)為輔的方法，通過分艙設計，滿足各艙段產(chǎn)品的溫度要求；通過采用專門的銣鐘小艙熱控設計，實現(xiàn)對星上高精度銣原子鐘的溫度保證，滿足溫度變化小于0.5的要求。5采用S波段擴頻體制和USB測控體制，為我國其它航天器測控系統(tǒng)推廣使用S波段擴頻測控體制完成了試驗驗證。6針對IGSO和MEO衛(wèi)星部分時段衛(wèi)星在國內(nèi)不可見的特點，在“東三”平臺基礎上，設計了對蓄電池和熱控加熱器等自主控制功能。7針對導航衛(wèi)星要求的RNSS波束戰(zhàn)時區(qū)域增強要求，實現(xiàn)了導航、控制、數(shù)管和天線四個分系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)融合處理，保證衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星姿態(tài)與天線波束指向的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實現(xiàn)了在軌波束增強和可控的要求。8加強了

18、整星供電安全的設計，對供電設備、電纜網(wǎng)、負載設備供電接口及內(nèi)部明確了安全性要求，對備份冗余狀態(tài)明確了安全性要求。北斗區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星有效載荷包括上行接收設備、精密測量設備、時頻設備、導航信號生成設備、放大發(fā)射設備等部分。導航衛(wèi)星有效載荷是實現(xiàn)衛(wèi)星導航功能和確保服務性能參數(shù)的直接設備，其技術(shù)水平和質(zhì)量可靠性直接影響著系統(tǒng)的服務精度水平。在北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)研制過程中，有效載荷實現(xiàn)了星載銣原子鐘國產(chǎn)化、高精度測量技術(shù)、復雜導航電文形成技術(shù)、星載器件抗空間環(huán)境影響技術(shù)、平面陣天線和多通道大功率抑制微放電及無源互調(diào)技術(shù)，實現(xiàn)了多種業(yè)務的有效集成。梳理總結(jié)北斗導航衛(wèi)星有效載荷的技術(shù)特點及取得的成果，主要包括：

19、1采用統(tǒng)一頻率源技術(shù)，通過一組時頻設備（頻率綜合技術(shù)）實現(xiàn)多個頻率信號之間的相關(guān)性；同時，對各頻率信號進行兼容性仿真分析，確保RDSS業(yè)務、時間與位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務、短報文通信業(yè)務、上行注入與精密測距業(yè)務、RNSS業(yè)務等信號之間的電磁兼容性，實現(xiàn)了產(chǎn)品集成。2利用銣原子能級躍遷頻率十分穩(wěn)定的特點，實現(xiàn)星載銣原子鐘的功能和性能。攻關(guān)解決了銣鐘的壽命評估、力學試驗、溫度敏感性、真空下與常壓下性能參數(shù)差異、長期穩(wěn)定度測試考核等問題，保證了星載銣鐘產(chǎn)品研制。在軌測試和應用結(jié)果表明：國產(chǎn)銣鐘的性能指標均優(yōu)于歐洲同類產(chǎn)品，滿足系統(tǒng)要求。3.衛(wèi)星上實現(xiàn)高精度測距技術(shù)，實現(xiàn)了上行注入信號的抗干擾接收。4.針對軟

20、件無線電所基于的DSP處理器、FPGA和SRAM等器件存在的空間環(huán)境敏感問題，在軟件設計上，采用三模冗余、定時刷新和中斷技術(shù)；在硬件平臺上，采用大規(guī)模ASIC芯片替代FPGA器件。5針對導航衛(wèi)星發(fā)射大功率信號的特點，采用微波通道產(chǎn)品的微波電抑制技術(shù)、無源互調(diào)抑制技術(shù)，保證了多通道信號在大功率連續(xù)工作狀態(tài)下的性能，保證了信號時延的穩(wěn)定性。6為了減小天線的重量、降低RDSS業(yè)務天線的質(zhì)心位置以及減少衛(wèi)星太陽光壓，設計采用網(wǎng)孔單層結(jié)構(gòu)的輕型反射面天線；采用平面陣面天線技術(shù)，實現(xiàn)星載區(qū)域波束形成和區(qū)域波束增強能力。2012年10月25日，第16顆北斗區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星成功發(fā)射；12月27日，我國對外宣布：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)可為我國及周邊地區(qū)提供服務，定位精度水平方向優(yōu)于10m，測速精度優(yōu)于0.2m/s，授時精度優(yōu)于50ns；同時可為特定用戶提供短報文通信業(yè)務服務，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應用越來越廣。北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展展望目前，北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)工作正在按計劃開展，通過采用優(yōu)化衛(wèi)星星座、星間鏈路、自主運行管理、高精度測量、高精度原子鐘等技術(shù)，北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)將在提供的服務精度、可用性、完好性和服務覆蓋范圍等功能和性能指標上進一步提高。全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)基本星座由24顆MEO衛(wèi)星組成，區(qū)域增強星座由3顆GEO和3顆IGSO衛(wèi)星組成，同時還配置有多顆衛(wèi)星在軌備份。在北斗全球衛(wèi)星