[科普中国]-卫星平台

研发背景

从已研制成功的卫星分析，卫星平台不论安装什么有效载荷，其基本功能是一致的，只是具体的技术性能会有所差别。根据这一特点，世界上许多国家在卫星研制中，都采取卫星公用平台的设计思路，使卫星平台具有通用性，在一定范围内适应不同有效载荷的要求。也就是说，装载不同的有效载荷，卫星平台只做少量适应性修改即可。采用这种公用平台的设计方法，可以缩短卫星研制周期，节省研制经费，提高卫星可靠性。

支撑卫星的有效载荷的卫星平台(platform)也称为服务舱（sevice module或 bus)，一般分为以下几个系统：能源分系统为整个卫星提供能源；姿态轨道控制系统保持卫星天线指向和运行轨道的准确；推进系统为卫星定轨，保持轨道和控制姿态提供动量；遥测，测距和指令系统和地面控制中心联系；温度控制系统保证卫星各种器件工作在合适的温度。

组成推进分系统当卫星发射定轨后，主要影响卫星寿命的因素不是电子器件的寿命而是保持卫星定点的燃料的数量。一般来说，卫星整体重量的25%是用来保持姿态和轨道的燃料。卫星的设计者也本着使卫星有更大有效质量原则来设计卫星——更多的器件，更少的燃料。休斯研制的氙离子发动机（xips），对燃料的的需求仅仅是原来的10%，97年发射的panamsat-5是第一个采用xips的卫星。劳拉根据俄国的设计开发的霍尔效应发动机(hall-effect)或称固定等离子体发动机，将用在2000年发射的法国stentor卫星上。着两种方案的目标相同，但实质上有很大的区别。休斯的xips实际上是比冲大但推力小的发动机，即发动机的效率很高达到使用较少燃料的目的，但由于推力器的推力太小，做一次机动可能需要几个小时的时间，这对有做轨道机动来说是不利的，尤其对有需要有时间效应的轨道倾角机动不利。轨道机动需要再短时间内提供大的速度变化。长时间的操作不得不考虑地球重力场对轨道的影响。劳拉的发动机对电能的需要不大，结构和电子设备都相对简单，如果说xisp是节省了重量而牺牲了时间，劳拉的发动机的燃料使用效率降低但提高的重量使用效率。使用传统的双组源燃料，卫星每年大约消耗2%的燃料来保持轨道，一般寿命为15年，改用新型的推进系统，每年使用的燃料降低到0.5%，可以使卫星寿命增加到20-30年。太阳能帆板的效能每年约下降1%，所以上寿命的卫星在多年后将面临功率问题。这时卫星的寿命取决于经济而非技术问题。

控制分系统姿态和轨道控制分系统有各种传感器（地球传感器，太阳传感器，陀螺等），姿态轨道处理器（计算机）和执行机构（喷嘴，动量轮等）组成，用来确保卫星姿态指向和轨道定点误差在允许的范围内。尽管多年来对传感器的开发一直在进行，可能最有意义的是从机械陀螺到电子陀螺的跨越。比如在运载火箭上开始应用的激光陀螺，感知运动的原理是在比较在一组镜面之间相反方向上的光波的传播。

日前休斯和nasa推进实验室开发了一种称为“芯片陀螺”，相比传统陀螺更轻，更便宜，结构更简单。尺寸为4*4mm，不到1克重。芯片陀螺感知高速旋转的微机械硅的震动，因为没有传统陀螺的转动结构和润滑油，这种陀螺的寿命应该是很长的。即使不能长寿，如此轻的陀螺不妨多装几个作为备份。

温控分系统功能日益强大，为卫星设计带来一个负面影响，电子器件都产生热量，实际上限制卫星功率增加的因素不是有没有能力增加功率而是有没有能力使得产生的热量可以被辐射（在太空中没有空气，热量的耗散只能靠热辐射，没有热传导）。一般来说，三轴稳定卫星的6个面板中只用了2个来辐射热量（北面板和南面板），这里温度较低可以有效的辐射热量，在其他的位置上安装热管和辐射器使得热量在整体上达到平衡，除了氨，在热管中使用甲苯或水等流动性物质达到星体内更高的热传导效果，也可以使用可伸展的辐射器以增加有效辐射面积。

测控分系统测控分系统采用DFH-4平台成熟的C频段统一载波测控体制，由跟踪子系统、中心遥测、中心遥控和遥控解密机组成。上行遥控信号与测距信号以时分方式对同一载波调频，下行遥测信号与转发的测距音一起对同一下行载波调相。

跟踪子系统包括两个全向接收通道和全向、定向四个发射通道，四个发射通道共用两台发射机。接收通道由全向遥控天线、两个接收合成器、两个接收预选滤波器、两台测控接收机和射频电缆和波导组成；全向发射通道由两台测控发射机、测控开关组及负载、两个TW-TA(与转发器分系统共用，测控借用时TWTA输出功率为30W)、两个全向发射功分器、全向遥测天线及射频电缆组成；定向发射通道两台测控发射机(与全向发射通道共用)、测控开关组、两台测控放大器(四路)、C输出多工器(与转发器分系统共用)、C通信天线(与转发器分系统共用)及射频电缆组成。

卫星寿命期间内，测控系统始终使用全向接收通道接收信号；卫星在主动段、转移轨道、定点后卫星姿态异常状态或定向通道故障时使用全向发射通道发送信号；卫星定点后正常情况下使用定向发射通道发送遥测信号。2

结构分系统结构分系统继承DFH-4平台中心承力筒和结构板组成形式．以中心承力筒为核心承力构件，由中心承力筒、490N发动机支架及25块蜂窝板组成，分为推进舱结构、通信舱结构和服务舱结构。中心承力筒和推进舱结构、服务舱结构继承DFH-4平台定型状态，通信舱结构根据有效载荷接口状态进行了适应性修改。2

姿态与轨道控制分系统它是姿态控制分系统和轨道控制分系统的总称．简称姿轨控分系统或控制分系统。姿态控制分系统是用于控制卫星姿态的分系统。卫星姿态控制包括姿态稳定和姿态机动两部分．卫星姿态稳定方式主要有重力梯度稳定、自旋稳定和三轴稳定。卫星轨道控制分系统是用于控制卫星轨道的分系统。卫星轨道控制包括变轨控制、轨道保持、返回控制和轨道交会。3

数据管理分系统它是用于储存各种程序。采集、处理数据以及协洞管理卫星各分系统工作的卫星分系统．简称数管分系统。3

总体电路分系统它是用于整星供配电、信号转接、火工装置管理和设备问电连接的卫星分系统。3

返回分系统它是返回式卫星特有的一个分系统，其任务是将卫星准确地离开原运行轨道．转入能进人大气层的过渡轨道．并安全返回大地。有时在返回分系统中分出一个独立分系统，即回收分系统，其任务是保障回收舱安全、准确返回指定地点。3

适应性改造(1)测控分系统：根据卫星测控频率和输出功率要求，对测控发射机、测控接收机、测控放大器等进行工作频率和输出功率设计更改。

(2)数管分系统：中心计算机应用软件根据卫星遥测参数、遥控指令和自控加热回路配置等进行适应性设计。

(3)供配电分系统：根据星上产品配置和接点变化进行低频电缆网相应更改设计。

(4)控制分系统：控制计算机应用软件根据卫星动力学特性参数进行适应性更改。

(5)热控分系统：星上加热器、热敏电阻配置及OSR散热面积根据星上产品需求进行相应更改。

(6)结构分系统：载荷设备机械接口根据天线、转发器单机配套和星上布局进行相应适应性设计。2

功能需求和技术指标卫星平台功能需求和技术指标主要包括卫星总体功能性能要求、工程大系统接口要求以及有效载荷接口要求三个方面。

卫星总体功能性能要求一般明确了卫星平台寿命、可靠性、姿态与轨道控制模式和控制精度、测控系统抗干扰能力、星上自主管理能力等要求。例如，对于工作于小倾角同步轨道的通信卫星，为了保证天线覆盖区和波束指向精度．通常要求卫星平台具备三轴姿态连续偏置控制能力；对于跟踪中继卫星，为保证星体对地定向三轴稳定和星间链路天线双轴驱动高精度指向连续跟踪，要求卫星平台具备全星变结构、变参数的两级高精度复合控制能力。

工程大系统接口要求包括卫星人轨方式和运载火箭接口、发射段力学环境条件、空间环境条件、测控体制和测控频率、星地遥测遥控接口、卫星/载荷工作模式等。例如，我国DFH-3、DFH-4系统通信卫星均采用同步转移轨道自主变轨方式人轨，俄罗斯Express、Yamal系列通信卫星则采用运载火箭上面级直接人轨方式，人轨方式不同直接决定了卫星起飞质量、推进剂携带量、控制推进系统配置和工作模式等。

有效载荷接口要求主要指载荷设备安装布局和机、电、热接口要求，具体包括：构型布局要求及机械安装接口要求、供配电要求、遥测遥控及数据管理要求、设备工作温度控制要求等。

①构型布局要求及机械接口要求：包括星内设备的布局安装空间要求及散热面积要求，星外天线的安装位置、安装精度和视场要求，电磁兼容性要求．力学环境要求等。对于可展开天线还包括收拢固定要求和释放展开要求等。

②供配电要求：包括有效载荷供电功率要求，有效载荷设备的配电路数及电压要求．火工品起爆控制要求等。

③遥测遥控及数据管理要求：包括有效载荷所有设备的遥测类型及数量，遥控指令类型及数量，有效载荷数据管理功能要求、计算处理和数据存储要求等。

④工作温度控制要求：包括星内设备散热要求，行波管、固放等大热耗设备的工作温度控制要求，星外天线的工作温度范围要求等。

中国卫星平台自1970年4月24日成功发射第一颗人造卫星“东方红一号”以来，30年间我国发射了48颗不同类型的卫星，初步形成了品种齐全的卫星系列，以遥感卫星、通信广播卫星、气象卫星等为主构成的四大卫星平台为我国国民经济的发展插上了腾飞的翅膀。在刚刚结束的“中国工业高科技论坛”上，中国空间技术研究院院长徐福祥在书面报 告中详细介绍了我国主要人造卫星系列及其应用。他宣布，“实践”科学探测与技术试验卫星系列，而“资源”地球资源卫星系列和“北斗”导航定位卫星系列也即将形成。这四个卫星系列共同构成了我国坚固的卫星服务平台。据介绍，四大卫星平台为我国的国民经济做出了巨大贡献。返回式遥感卫星在微重力和空间环境条件下的材料、生命科学实验、太空育种方面取得了可喜的成果；5颗在太空游弋的“风云”系列气象卫星的应用在我国天气预报和气象研究方面发挥了重要作用；已经发射的6颗“实践”科学探测与技术试验卫星主要用于空间辐射环境探测、单粒子效应实验等科学实验；我国与巴西合作以及自主研制发射的“资源”地球资源卫星广泛应用于农业、林业、水利、矿产、能源、测绘和环保等部门；2000年10月和12月，我国成功发射了两颗“北斗”导航试验卫星，为全天候、全天时给公路交通、铁路交通和海上作业提供卫星导航服务奠定了基础。