一位星语,卫星医生

 物联网     |      2019-11-16 15:43
地面监测接收机:北斗二号的“卫星医生”

竞博jbo下载 ,一张扩频测控网,优点繁多护“星”起航;

竞博jbo下载 1 图为国防科大研制的高性能卫星导航接收机(葛林楠)

在近日召开的国家科学技术奖励大会上,北斗二号卫星工程荣获国家科学技术进步奖特等奖。在这项工程中,有一位“医生”立下了汗马功劳。

一条星地射频道,运行稳定佑“星”运转;

  国防科大研制成功高性能卫星导航接收机

它有一双“千里眼”,可以穿越星海“望”到北斗二号卫星轨道,并精准的找到卫星的位置;它有一对“顺风耳”,能“听”懂卫星“语言”,把卫星信号转化成数据,监测、判断卫星的信号质量和星历信息;它有一颗“玲珑心”,通过悉心“查”看,评判卫星健康与否。

一条星间链“路”,突破创新联通“星”语;

  可同时接收北斗、GPS和GLONASS三种信号体制,定位精度达到10米以内

除了医术精湛,它还配有精心建设的高精尖的“医院”——监测站,确保诊断结果精准有效地传回“诊断中心”。

一位星语“医生”,技艺精湛保“星”健康;

  中新网5月15日电 据中国军网记者频道报道,由国防科大电子科学与工程学院研制的一款新型卫星导航接收机,今天在武汉召开的第四届中国卫星导航学术年会上亮相。这款导航接收机可同时接收我国北斗、美国GPS和俄罗斯GLONASS三种信号体制,定位精度达到10m以内,可广泛应用于飞机、船舶、汽车等平台。

它就是北斗二号卫星导航系统建设核心支撑单位之一——中国电子科技集团公司20所为北斗二号卫星工程量身定制的地面监测接收机,业界人称“卫星医生”。

一双高能“羽翼”,蹁跹苍穹助“星”飞翔;

  记者在现场看到,这款卫星导航接收机集成度高,体积轻巧,大小和身份证相当,使用十分方便,导航定位性能优越,在某些地区甚至超过GPS的接收机。

国产零的突破

一系列最“星”科技,匠心独具为“星”护航。

  据专家介绍,我国北斗卫星导航系统正式开通服务之前,我国普遍使用GPS或GLONASS导航接收机,其定位数据的准确性和安全性受到限制。该校研制的这种新型卫星导航接收机,创造性地将我国北斗、美国GPS、俄罗斯GLONASS三种信号体制集成在一块电路板中,增加了不同环境下的可选择性,其北斗信号接收功能为自主研发,具有精度高、抗欺骗、抗干扰等特点,可以有效保证导航定位的准确与安全,使我国摆脱对国外卫星导航系统的依赖。

“卫星医生”医术精湛,它的来历同样也不简单。众所周知,只有“健康”的卫星才可以参与定位服务,地面监测接收机主要作用于精准“找到”卫星,理解卫星的“语言”,专业评判出一颗卫星是否“健康”。

1月9日,2016年度国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂召开,会上“北斗二号卫星工程”(下文简称“北斗二号”)荣获国家科技进步特等奖。据悉,“北斗二号”卫星导航系统由14颗组网卫星和32个地面站天地协同组网运行,可为我国和亚太地区提供导航、定位、授时和短报文通信服务。

  该校卫星导航技术创新团队是国内唯一同时承担系统核心体制、卫星关键载荷、运控主体、测试设备和应用终端等研制任务的单位,10多年来,该团队先后研制成功了地面关键设备、手持用户机,攻克了系统高精度指标、抗干扰能力等多项技术难题,为北斗二号卫星导航系统开通亚太地区服务做出了重要贡献。(葛林楠、记者王握文)

这个“诊疗”过程听起来很简单,但据一位技术专家介绍:“别看地面监测接收机身材‘娇小’,但就是这个只有电脑机箱大小的东西,功能却是独一无二,基本上囊括了地面系统几乎所有的技术难点。”

中国电科通信事业部39所、54所,9所、10所、13所、15所、18所、20所、21所、23所、27所、重庆声光电等众多科研单位,参与了包括新一代航天扩频测控网、地面运行控制系统在内的众多科研项目的建设,在“北斗二号”身上注入了强大的电科“基因”,为其高精度、高连续、高稳定在轨运行提供了强大技术支撑。

作为北斗二号的“眼睛”,地面监测接收机必须先于所有系统顺利研发,才能确保整个工程中其他空中和地面系统的顺利运行。一般来说,卫星越多,定位精度越高。北斗二号由众多卫星组成,系统的定位服务性能要达到最精准,这对地面监测接收机的测量和定位精度要求极高。

织一张扩频测控“网”

然而,受限于大规模集成电路设计和制造工艺水平的限制,以及核心技术被国外封锁,高精度测量需要从零开始,宽带抗多径天线技术需要突破,高性能抗干扰技术领域从未涉足……

“北斗二号”中最具特色的莫过于创建了新一代航天扩频测控网,这张网创新地采用了由10所研制的S频段扩频统一系统,首次将扩频技术引入航天测控领域,与传统USB测控相比,该系统具有高精度、多目标、高抗干扰性等显著优点,为测控领域带来了一次革命性的技术创新,是航天测控事业发展的一个里程碑。

要实现“地面监测接收机”国产化零的突破,太难太难。

与传统测控系统相比,这张网可不简单!它首次采用非相干扩频测控体制,以及星地同时刻采样误差抵消技术,确保高精度测量的实现;采用众多高新技术支持多种类型的测控任务,并首次实现了同时三目标测控功能;采用频率分槽及频域快速相关技术,实现了多目标、低信噪比、高动态扩频信号的快速捕获;首次采用自动校时、校相技术,实现了对扩频测控信号的双通道单脉冲跟踪;采用系统通过综合集成设计,进一步提高了自动化标校测试、自动化故障诊断及自动化监控管理水平,并首次在测控系统中研制了基于计划驱动的自动运行软件,实现系统“有人值守、无人操作”。

“脑洞”孕育高超医术

据介绍,S频段扩频统一系统,主要为装有各类扩频体制应答机的航天器提供测控支持,可用于支持“北斗二号”导航及后续地球轨道航天器轨道发射和早期阶段和运行阶段的测控任务,并可以兼顾较远距离的航天器探测和有关卫星应用数据的接收。

虽然困难重重,但是中国电科20所却突破思维,创造性地提出“分布式”的设计理念,攻关团队对首先所有技术难点进行分类,形成5大关键技术难点,针对不同的技术领域组成攻关团队进行分平台技术攻关,在单平台上实现5大技术难点零的突破,最终在整机上进行技术集成。

建一条“星”地射频“道”

在技术集成的时候,技术人员又遇到了难题。在单平台上,可以不用考虑平台尺寸和硬件资源的占用问题,但在整机上集成的时,则必须考虑到在有限的空间内实现多平台的协同工作。分平台的技术难点本身很难突破,工程任务进度节点迫在眉睫,究竟如何破解整机集成的难题?

“北斗二号”地面运控系统建设中,通信事业部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。

最终,攻关团队借鉴了银河III号高性能计算机的设计方式,通过在整机平台上“动手脚”达到集成的目的,仅用了一年的时间,便完成了大型联调联试30余次,大小测试科目100余项,所测科目均满足试验大纲要求,实现了整机装备国产化率高达90%以上,对北斗系统精密定轨、完好性监测起到重要的支撑作用,为北斗系统全面国产化成功“试水”,在性能上填补了国内空白,达到国际领先水平,被业界誉为“国内高性能卫星信号接收设备的至高点”。

在这个运控系统,最引人瞩目的是天线伺服控制无人值守技术和单脉冲/程序混合跟踪技术的运用。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。

最勤奋的卫星“医院”

据悉,目前中国电科共为“北斗二号”建设了十余套监测站天线,同时在设备运行期间,不间断地做好各种售后工作,为系统的稳定运行提供了可靠的支持。

地面监测接收机必须配备监测站——卫星“医院”,用以进行数据采集和处理。这些数据不仅是卫星数据,还包括监测站相应区域的气候、温度、湿度、气压等信息。

铸一条“星”间链“路”

“我们的监测站就像是‘中枢神经’,把地面监测接收机里所有信息吸纳过来,发送出去,接受外部的反馈信息,然后告诉地面监测接收机那个卫星是‘健康’的。”中国电科20所所长助理、监测站总师任小伟说。

“北斗二号”之所以可以提供高精度的位置服务和授时服务,需要依托通过地面基站进行支持。然而,地面基站“走出国门”实在太难,若在境外无法建立有效的地面站,也就会使放到境外的星群处于不可控制的状态,根本无法实现正常的导航功能。

为确保北斗二号的可靠性,卫星“医院”的数据采集和传输必须确保一年365天不能断,为确保北斗二号系统精准度,其数据采集还必须有尽量广的覆盖面。在建设监测站的时候,需要通盘考虑这些因素。

不能在境外设立地面基站,在“星”与“星”之间建立起一条“链路”,利用星间链路系统使几十颗星编织成星网成为一个整体,这样只要能保证其中任何一颗星的位置准确,就可以实现整个卫星网络的准确运行,还可以提高导航卫星授时和定轨的精度。采用卫星与卫星间相互通信,能够大大减少地面站的数量,从而突破了国境的限制,突破了北斗系统从区域走向全球的最大技术难点。

从沿海到高原,从西藏的无人区到新疆的边境线,仅有9个人的建设团队在6年间横跨了整个中国进行站点的布局,面对高温高湿高寒缺氧的环境,在系统设计的时候就需要考虑到设备的冗余备份,保障数据的连续性和稳定性。北斗系统要求数据处理时间不得超过0.4秒,以往的软件处理时间不能够满足标准要求,但20所通过创造性的研制出数据硬件处理设备,通过硬件传输和处理信息确保了数据处理的实时性。

正是在这种思路的指引下,星间链路地面管理系统应运而生。经过5年的不懈努力,通信事业部54所的攻坚团队突破了一个个技术难点,在国际上首次验证相控阵星间链路与自主导航体制,实现了卫星之间能相互传送数据,不再依赖地面基站。

根据国务院发布的《中国北斗卫星导航系统》白皮书,中国将在2020年前后,完成35颗卫星发射组网,为全球用户提供服务。目前,中国电科已经派出了22名卫星“医生”,并布局了22个监测站,在广袤大地上守护“星星”们的健康,为北斗卫星导航系统全球化布局提供坚实的工程和技术保障。

“星间链路”作为一个重大自主创新,与以往的北斗导航卫星相比,“星间链路地面管理站”为北斗自主运行能力达到GPS现代化水平提供强有力的支撑,有效解决北斗导航卫星之间的通信问题,全球组网后,30余颗北斗导航卫星将借助该系统实现“互联互通”。星间链路系统将各个导航卫星紧密联系起来,组成一个相对“自主运行”的体系,即使地面设备全部遭到破坏,通过该系统,北斗导航卫星也能够保持度地运行很长一段时间。

五角星分割线

造一位“星”语“医生”

只有健康的卫星才可以参与定位服务,为了精准“找到”卫星,理解卫星的“语言”,并且从“医生”的角度专业评判出一颗卫星是否健康,并将诊断结果精准有效地传回“诊断中心”,需要有专门的设备予以实现。为此,中国电科20所为“北斗二号”打造了一名“卫星医生”——“地面监测接收机”和监测站。

据悉,目前中国电科已经打造了22名这样的卫星“医生”,并布局了22个监测站,在广袤大地上守护天上的“星星”们的健康,为“北斗二号”全球化布局提供坚实的工程和技术保障。别看地面监测接收机身材“娇小”,但就是这个只有电脑机箱大小的东西,功能却是独一无二,基本上囊括了地面系统几乎所有的技术难点。

受限于大规模集成电路设计和制造工艺水平的限制,以及核心技术被国外封锁,高精度测量需要从零开始,宽带抗多径天线技术需要突破,高性能抗干扰技术领域从未涉足等等众多技术难题,研发的过程可谓是困难重重,通过不懈的攻坚克难,攻坚团队仅用了一年的时间,便完成了30余次大型联调联试,100余项大小测试科目,实现了整机装备国产化率高达90%以上,对北斗系统精密定轨、完好性监测起到重要的支撑作用,为北斗系统全面国产化成功“试水”,在性能上填补了国内空白,达到国际领先水平。

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铸一双高能“星”翼

“北斗二号”的数十颗卫星,都有一双精心打造的高“能”翅膀。这些翅膀——“北斗二号”卫星电源子系统由18所打造,包括太阳电池阵、蓄电池组和电源控制设备等众多产品。

这双飞天“羽翼”在铸造过程中克服了众多技术难点,实现了包含太阳电池阵混合布局技术、高可靠性母线控制技术、分流调节器高可靠温度控制技术、蓄电池组轮流充电控制技术、蓄电池组极限温度控制技术和新型蓄电池组结构设计等多项技术创新,填补了我国空间电源的空白,而且为后继型号的工程应用提供借鉴,对我国同步轨道中功率卫星平台发展产生了重大影响,为“北斗二号”的顺利组网做出了重要贡献,提高了我国空间电源的研制水平为导航二代二期卫星的一次电源子系统的研制提供了技术基础。

同时,21所还为这双“羽翼”,配备了专门的“防护罩”——感应子式永磁步进电动机,这个“防护罩”它采用电磁优化技术和高可靠性结构设计实现了轻小型化、功耗低,可以确保电磁阵的展开,并使太阳能帆板始终指向太阳,保证卫星在不同角度都能接收到太阳能。

研一系列最“星”科技

除此之外,9所、23所、重庆声光电等成员单位为“北斗二号”研发了系列关键元器件,确保“北斗二号”的安全、平稳运行。

6型系列隔离器,主要应用于卫星系统的隔离和去耦,可以有效改善系统驻波;高可靠航天航空高温特种电线电缆,既可以作为电源线、安装线,又可以作为信号线使用,可以长期-65℃~+260℃温度下工作,能满足北斗工程所需的体积小、重量轻、耐辐照、耐高温、高可靠性、综合性能好等众多要求;自主研发的导航射频芯片,一块芯片可替换之前的多枚芯片,并且芯片体积更小,功耗更低,集成度更高;自主开发的星载测量型电路,为国内首款星载领域的北斗射频芯片,填补了国内芯片在北斗导航领域星载应用的空白。

作为“北斗二号”卫星工程中的中坚力量,中国电科通过潜心深耕、不断创新,研发了系列高精尖产品,培育了敢于拼搏的“北斗”精神,在广袤大地上“电科人”永远用一腔科技报国的热忱守护着“星星”们的健康,为北斗卫星导航系统全球化布局提供坚实的工程和技术保障,为北斗的全球化进程腾飞不懈奋斗!来源:中国电科网站