肖剛 武向軍 周耀華 張彬 袁俊剛 梁峻 （中國(guó)空間技術(shù)研究院）

美國(guó)“全球定位系統(tǒng)”（GPS）經(jīng)歷了GPS－1、2/2A、2R/2RM、2F的發(fā)展，目前已啟動(dòng)GPS－3衛(wèi)星的建設(shè)。在GPS衛(wèi)星發(fā)展過(guò)程中，隨任務(wù)功能的增多和性能的提高，衛(wèi)星平臺(tái)也經(jīng)歷了不斷的演化和發(fā)展。

1 GPS－1衛(wèi)星平臺(tái)

GPS－1是美國(guó)第一代導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，衛(wèi)星由洛克韋爾國(guó)際公司（Rock w ell International）防務(wù)和空間系統(tǒng)分部（1996年并入波音公司）研制，1978－1985年共發(fā)射了11顆衛(wèi)星，其所有信號(hào)均向民用開(kāi)放。

GPS－1衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板采用鋁蜂窩夾層板，設(shè)計(jì)壽命4.5年，但實(shí)際在軌壽命平均達(dá)到8.76年，除具有導(dǎo)航功能外，還具有核爆探測(cè)和星間通信功能。

2 GPS－2/2A衛(wèi)星平臺(tái)

GPS－2/2A是美國(guó)第二代導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，衛(wèi)星仍由洛克韋爾國(guó)際公司研制，1988－1996年共發(fā)射了8顆GPS－2和11顆GPS－2A衛(wèi)星。

衛(wèi)星對(duì)地面一側(cè)安裝了L頻段天線、核爆探測(cè)器。相對(duì)于GPS－1而言，GPS－2衛(wèi)星的改進(jìn)主要有以下幾方面：設(shè)計(jì)壽命更長(zhǎng)，達(dá)到7.5年；衛(wèi)星具有14天的自主導(dǎo)航能力；電子設(shè)備輻射強(qiáng)度增強(qiáng)；具有180天導(dǎo)航信息的存儲(chǔ)能力；具有實(shí)施選擇可用性（SA）和反電子欺騙（AS）的能力；具有誤差自動(dòng)檢測(cè)能力。

GPS－2A衛(wèi)星是GPS－2的改進(jìn)型，采用相同衛(wèi)星平臺(tái)，與前者的差別在于星上自主處理能力和星鐘精度得到提高，具有180天的自主導(dǎo)航能力，發(fā)射質(zhì)量增加156kg。

3 GPS－2R/2RM衛(wèi)星平臺(tái)

GPS－2R衛(wèi)星由洛馬公司研制，采用AS4000平臺(tái)，裝有超高頻（UHF）天線，具有14～180天的自主導(dǎo)航能力。1997－2004年共發(fā)射13顆。

GPS－2RM衛(wèi)星由GPS－2R改裝升級(jí)而成，增加了效率更高的天線，更換部分調(diào)制和發(fā)射電子設(shè)備。GPS－2RM衛(wèi)星可發(fā)射L2C信號(hào)，第一顆衛(wèi)星于2005年發(fā)射，迄今共發(fā)射了8顆。

衛(wèi)星構(gòu)形和布局

GPS－2R衛(wèi)星均采用承力筒式構(gòu)形，由承力筒、隔板和多塊面板組成。衛(wèi)星對(duì)地面一側(cè)安裝L頻段天線、超高頻天線、S頻段測(cè)控天線、地球敏感器、太陽(yáng)敏感器、反作用輪線路組件、核爆探測(cè)裝置等。其他側(cè)面安裝導(dǎo)航載荷設(shè)備、平臺(tái)設(shè)備和搭載載荷設(shè)備。

控制與推進(jìn)分系統(tǒng)

GPS－2R衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定、偏航控制。變軌采用固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，攜帶固體燃料約950k g。裝有16臺(tái)推力器，用于姿態(tài)調(diào)整。

電源分系統(tǒng)

GPS－2R衛(wèi)星電源分系統(tǒng)由太陽(yáng)電池翼、蓄電池、電源控制器和火工品控制器等組成。衛(wèi)星裝有2幅太陽(yáng)電池翼，每幅太陽(yáng)電池翼由2塊板組成。蓄電池為2組鎳氫電池，容量為40A·h，衛(wèi)星在56min的陰影區(qū)可提供958W電能，放電深度為60%。電源分系統(tǒng)的母線電壓調(diào)整和控制繼承了GPS－1和2衛(wèi)星的設(shè)計(jì)，有3種模式工作：①分流模式，即母線電壓通過(guò)分流調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整；②充電模式，即母線電壓通過(guò)蓄電池充電器作為線性分流回路進(jìn)行調(diào)整；③放電模式，即母線電壓通過(guò)蓄電池升壓回路進(jìn)行調(diào)整。

4 GPS－2F衛(wèi)星平臺(tái)

GPS－2F衛(wèi)星的改進(jìn)設(shè)計(jì)主要是為了滿足導(dǎo)航戰(zhàn)的要求，首先在空間段將衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射功率提高到原來(lái)設(shè)計(jì)的10倍，軍用導(dǎo)航精度從15m提高到7m，增加了另一個(gè)L5民用頻段。同時(shí)，還使用了小功率原子鐘，采用星間鏈路和自主導(dǎo)航新技術(shù)，使GPS系統(tǒng)在沒(méi)有地面控制段支持的情況下，自主運(yùn)行60～180天，并具有在軌快速重編程能力。

GPS－2F衛(wèi)星由波音公司研制，共12顆。為提高批量生產(chǎn)能力，采用模塊化設(shè)計(jì)，各種有效載荷配置在2塊面板上。GPS－2F衛(wèi)星主要的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是繼承性、靈活性和兼容性，設(shè)計(jì)壽命延長(zhǎng)到15年。

結(jié)構(gòu)及熱控分系統(tǒng)

GPS－2F衛(wèi)星采用承力筒式構(gòu)型，由主承力筒和各側(cè)面的壁板構(gòu)成，衛(wèi)星構(gòu)型尺寸為2440mm×1970mm×1970mm。固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)置于承力筒內(nèi)，反作用推力模塊分布于衛(wèi)星相對(duì)的兩側(cè)。后壁板（背地面）外側(cè)安裝蓄電池、S頻段圓錐螺旋天線，內(nèi)側(cè)安裝反作用輪等設(shè)備；前壁板（對(duì)地面）安裝L頻段天線陣、UHF鏈路天線陣、遙測(cè)遙控圓錐螺旋天線、與搭載設(shè)備對(duì)應(yīng)的4副L頻段天線、組合地敏及其他搭載探測(cè)器?！繷板安裝有效載荷和平臺(tái)設(shè)備。隔板只作為支撐板，不裝設(shè)備。衛(wèi)星采用預(yù)埋熱管進(jìn)行溫度控制。

推進(jìn)分系統(tǒng)

GPS－2F衛(wèi)星采用隔膜式推進(jìn)劑貯箱，其變軌發(fā)動(dòng)機(jī)為固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。

電源分系統(tǒng)

GPS－2F衛(wèi)星有2副太陽(yáng)電池翼，每副太陽(yáng)電池翼包含3塊太陽(yáng)電池板（具備安裝4塊板的能力），太陽(yáng)電池板上貼有硅電池片。電源分系統(tǒng)還包含4 組鎳氫蓄電池。

平臺(tái)柔性設(shè)計(jì)

由于GPS－2F衛(wèi)星在軌設(shè)計(jì)壽命為15年，整個(gè)項(xiàng)目的全壽命周期將持續(xù)30年，其間衛(wèi)星技術(shù)要求可能會(huì)發(fā)生變化，而且還會(huì)搭載其他一些設(shè)備，因此GPS－2F衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行了充分的柔性設(shè)計(jì)，在質(zhì)量、功率和布局空間等多個(gè)方面都留有一定余量。

火箭運(yùn)載能力留有136～182kg的余量；每副太陽(yáng)電池翼可增加到4塊太陽(yáng)電池板，衛(wèi)星壽命末期電源能達(dá)到1200W，這為將來(lái)增加另一個(gè)民用信號(hào)、高軌衛(wèi)星用戶信號(hào)和軍用信號(hào)提供了空間。在布局空間上也為有效載荷擴(kuò)展留有一定余量。

此外，還在1553數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)、測(cè)控通道數(shù)量、數(shù)據(jù)速率（500bit/s～3.9Mbit/s）、存儲(chǔ)容量、數(shù)據(jù)接口、電源接口和星間通信類型等方面留有余量。

5 GPS－3衛(wèi)星平臺(tái)

GPS－3衛(wèi)星包含8顆GPS－3A衛(wèi)星、8顆GPS－3B衛(wèi)星、16顆GPS－3C衛(wèi)星，其中GPS－3A采用A 2100衛(wèi)星平臺(tái)研制，設(shè)計(jì)壽命為15年，合同金額18億美元，第一顆衛(wèi)星將在2014年發(fā)射。GPS－3衛(wèi)星將采用“一箭雙星”方式發(fā)射。

A 2100衛(wèi)星平臺(tái)是美國(guó)洛馬公司的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，包含A 2100A、A 2100A X、A 2100M等系列。A 2100衛(wèi)星平臺(tái)電源功率從1.5～13k W，發(fā)射質(zhì)量1000～3900kg，設(shè)計(jì)壽命13～15年。A 2100平臺(tái)與GPS－1/2的衛(wèi)星平臺(tái)相比，最大的變化在于結(jié)構(gòu)形式不同，GPS－1/2衛(wèi)星平臺(tái)采用承力筒式構(gòu)型，而A 2100衛(wèi)星平臺(tái)采用板架式構(gòu)型，結(jié)構(gòu)效率更高。

A 2100衛(wèi)星平臺(tái)具有以下優(yōu)勢(shì)：①開(kāi)放性強(qiáng)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)適合載荷較大范圍的變化；②碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通過(guò)熱管將南北散熱板相連；③采用了高效的MR－510電弧等離子推進(jìn)劑，提供比沖585s；④采用了柔性的1553B數(shù)據(jù)總線；⑤電源分系統(tǒng)可通過(guò)增加太陽(yáng)電池翼基板數(shù)量和鎳氫蓄電池組數(shù)來(lái)滿足不同載荷配置的要求；⑥采用持續(xù)運(yùn)行的半球形調(diào)諧陀螺進(jìn)行三軸穩(wěn)定控制；⑦具有15年的設(shè)計(jì)壽命，考慮損耗因素和空間環(huán)境，采用了1.5倍的安全系數(shù)；⑧與多種火箭如“宇宙神”（Atlas）、“阿里安”（Ariane）、“德?tīng)査保―elta）、“長(zhǎng)征”、質(zhì)子號(hào)（Proton）具有適用性；⑨經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格鑒定試驗(yàn)。

A 2100平臺(tái)包括結(jié)構(gòu)、熱控、推進(jìn)、電源和姿態(tài)測(cè)量與控制5個(gè)分系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)

A 2100衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)分為平臺(tái)模塊和有效載荷模塊。有效載荷模塊包括北板、南板和對(duì)地板，3塊板構(gòu)成H型結(jié)構(gòu)，對(duì)接在平臺(tái)模塊上。東西面各包含2塊面板，作為衛(wèi)星操作面，因此4塊東西板在平臺(tái)模塊和有效載荷模塊對(duì)接后安裝。為了便于移動(dòng)和隔熱，蓄電池安裝于平臺(tái)外表面上。推進(jìn)劑貯箱和推進(jìn)設(shè)備安裝于平臺(tái)模塊上。

GPS系列衛(wèi)星性能比較

A 2100衛(wèi)星平臺(tái)可通過(guò)改變主結(jié)構(gòu)高度及散熱面積，提供一定的可擴(kuò)展能力。平臺(tái)面板采用鋁蜂窩碳纖維復(fù)合材料，與鋁合金及復(fù)合材料相比，使主結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕40%。星箭對(duì)接環(huán)采用石墨材料。

熱控分系統(tǒng)

A 2100平臺(tái)的熱控分系統(tǒng)設(shè)計(jì)與其他靜止軌道衛(wèi)星類似，主要由光學(xué)太陽(yáng)反射鏡（OSR）、預(yù)埋熱管、隔熱多層、熱控儀、加熱片等組成。采用南板和北板作為散熱面。與以往的設(shè)計(jì)不同的是，南北板通過(guò)對(duì)地板的預(yù)埋熱管連接在一起，可以顯著降低所需的散熱面積。這樣連接的優(yōu)點(diǎn)是：在冬至日，北板被遮擋，南板受照，衛(wèi)星多余的熱量可以由北板散發(fā)出去；夏至日則正好相反。

推進(jìn)系統(tǒng)

A 2100平臺(tái)采用由雙組元液體發(fā)動(dòng)機(jī)和單組元推力器組成的雙模式集成推進(jìn)系統(tǒng)。推進(jìn)系統(tǒng)包括雙組元液體發(fā)動(dòng)機(jī)、6個(gè)單組元22N推力器、12個(gè)單組元0.9N推力器、4個(gè)電弧推力器和3個(gè)燃料貯箱等。

A 2100平臺(tái)采用二組元液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)地點(diǎn)變軌。22N發(fā)動(dòng)機(jī)用于衛(wèi)星變軌其間的姿態(tài)調(diào)整。0.9N發(fā)動(dòng)機(jī)用于軌道轉(zhuǎn)移、在軌工作和東西站位保持時(shí)的姿態(tài)調(diào)整。4個(gè)高效單組元電弧推力器（推力0.258～0.222N，比沖為570～600s）用于南北方向的站位保持。

所有姿控和軌道保持推力器均采取全功能備份。

電源分系統(tǒng)

A 2100平臺(tái)的電源分系統(tǒng)采用70V母線電壓，可將能量直接從電池板輸送到負(fù)載而無(wú)需任何中間環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換。電源分系統(tǒng)的組件數(shù)量大大減少，而可靠性大大提高。功率調(diào)整單元（PRU）實(shí)行了集成設(shè)計(jì)，替代了以前的3個(gè)功率管理單元，并且雙向能源轉(zhuǎn)換器集成了充電和放電模塊。在組件的層面上，采用了基于特定集成電路的分布式架構(gòu)，提高了可靠性。應(yīng)用性特殊電源模塊的使用，避免了大量點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的連接，進(jìn)一步增加了可靠性和工藝性。

姿態(tài)確定與控制分系統(tǒng)

A 2100衛(wèi)星平臺(tái)采用三軸穩(wěn)定方式，可采取零動(dòng)量控制和偏置動(dòng)量控制。其姿態(tài)測(cè)量與控制分系統(tǒng)可以連續(xù)測(cè)量并實(shí)時(shí)控制3個(gè)軸向的位置，由星載計(jì)算機(jī)、陀螺、地球敏感器、太陽(yáng)敏感器、反作用輪等組成。A 2100平臺(tái)的姿態(tài)測(cè)量和控制能力幾乎代表了地球靜止軌道通信衛(wèi)星的最先進(jìn)水平，可在轉(zhuǎn)移軌道和工作軌道對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行精確定軌和控制。

A 2100衛(wèi)星平臺(tái)采用3個(gè)半球共振陀螺輸出的慣性速率實(shí)時(shí)估算衛(wèi)星的姿態(tài)。地球敏感器和太陽(yáng)敏感器組合工作，測(cè)量衛(wèi)星滾動(dòng)、傾斜和偏航角度值，獲得的姿態(tài)角經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波可以用來(lái)修正陀螺的漂移并更新陀螺的估算偏差的基準(zhǔn)。陀螺儀的采用使得控制分系統(tǒng)更加穩(wěn)定，同時(shí)由于地球和太陽(yáng)數(shù)據(jù)沒(méi)有直接被衛(wèi)星控制循環(huán)所采用，因此地球和太陽(yáng)敏感器的擾動(dòng)對(duì)于衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量和控制工作狀態(tài)影響不大。反作用輪采用“4備3”方案，平臺(tái)上為反作用輪尺寸增加留有一定空間。0.9N發(fā)動(dòng)機(jī)用于在軌機(jī)動(dòng)和動(dòng)量?jī)A斜過(guò)程中做精確控制，也同時(shí)作為衛(wèi)星的備用發(fā)動(dòng)機(jī)。

6 GPS平臺(tái)演變的啟示

美國(guó)GPS衛(wèi)星從20世紀(jì)70年代初開(kāi)始發(fā)射，截至2013年9月，在軌運(yùn)行衛(wèi)星31顆，全部為GPS－2衛(wèi)星。從3種衛(wèi)星平臺(tái)的演化歷程來(lái)看，GPS衛(wèi)星平臺(tái)在承載質(zhì)量、功率、壽命、可靠性和分系統(tǒng)技術(shù)等方面進(jìn)行了大量的技術(shù)突破與革新，引領(lǐng)了世界導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展方向，尤其在衛(wèi)星平臺(tái)與關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展上具有一定的借鑒意義。

GPS衛(wèi)星發(fā)展過(guò)程中，波音公司承制了GPS－1、GPS－2/2A、GPS－2F，洛馬公司承制了GPS－2R，并已獲得GPS－3的研制合同，衛(wèi)星平臺(tái)選用與承制公司的平臺(tái)產(chǎn)品種類有關(guān)。

綜觀GPS衛(wèi)星平臺(tái)的發(fā)展，既體現(xiàn)了較好的繼承性，又在平臺(tái)性能上進(jìn)行了改進(jìn)，特別是在新平臺(tái)研制和選型中會(huì)充分吸取以往平臺(tái)的不足和教訓(xùn)。GPS－2R后的平臺(tái)研制中進(jìn)行了充分的柔性化設(shè)計(jì)，從質(zhì)量、布局空間、功率、數(shù)據(jù)接口、存儲(chǔ)容量、遙測(cè)遙控通道等留了一定余量。

在衛(wèi)星平臺(tái)構(gòu)型方面，從GPS－1到GPS－3衛(wèi)星，衛(wèi)星構(gòu)型從承力筒式發(fā)展為板架式；設(shè)計(jì)壽命越來(lái)越長(zhǎng)，從4.5年到15年；面板材料從鋁合金發(fā)展為碳纖維蜂窩夾層。由于衛(wèi)星功能的增多或性能的提高，從GPS－1到GPS-2F，衛(wèi)星質(zhì)量和尺寸越來(lái)越大。

從平臺(tái)構(gòu)型上講，導(dǎo)航衛(wèi)星的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)所采用的平臺(tái)構(gòu)型以板架式和桁架式較多。由于板架式構(gòu)形和桁架式構(gòu)形具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、布局空間大、便于有效載荷擴(kuò)展、工藝性好等特點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)突出，已成為國(guó)外衛(wèi)星新平臺(tái)研制優(yōu)先采用的結(jié)構(gòu)形式。

從GPS衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)演化歷程來(lái)看，相繼研發(fā)了新型衛(wèi)星平臺(tái)或拓展現(xiàn)有平臺(tái)系列，提升衛(wèi)星平臺(tái)能力，主要體現(xiàn)在：①電源分系統(tǒng)。蓄電池從鎳鎘電池發(fā)展到鎳氫電池，而且電池容量越來(lái)越大；電池片從硅發(fā)展到砷化鎵，提供的載荷功耗越來(lái)越大。從GPS－2到2F，電源供電模式和電源控制設(shè)備保持了較好的繼承性。②控制與推進(jìn)分系統(tǒng)。衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量從以敏感器為主發(fā)展到A 2100平臺(tái)以陀螺測(cè)量為主。GPS－2系列衛(wèi)星的變軌發(fā)動(dòng)機(jī)均為固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，GPS－3系列衛(wèi)星將采用液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。從GPS－1到2F，推力器均采用單組元肼作為燃料，而GPS－3衛(wèi)星采用雙模式推進(jìn)系統(tǒng)，即主發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙組元（四氧化二氮、肼），推力器采用單組元肼燃料。③熱控分系統(tǒng)。從GPS－1到GPS-2F主要采用熱管進(jìn)行導(dǎo)熱，通過(guò)在南北板粘貼光學(xué)太陽(yáng)反射鏡片進(jìn)行散熱。A 2100的最大變化是南北板的熱管穿過(guò)對(duì)地板相連，提高了散熱能力。

因此，未來(lái)我國(guó)導(dǎo)航衛(wèi)星除了在已有或在研的衛(wèi)星平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)上繼續(xù)突破外，還應(yīng)注意：①通過(guò)載荷需求牽引平臺(tái)的發(fā)展方向，把握好衛(wèi)星平臺(tái)的構(gòu)型與結(jié)構(gòu)形式，可為載荷提供更多更好的在軌服務(wù)；②衛(wèi)星平臺(tái)的研制要具有較強(qiáng)的適應(yīng)性、較好的技術(shù)發(fā)展性和通用性，適應(yīng)載荷多樣化的發(fā)展需求；③考慮導(dǎo)航衛(wèi)星具有快速組網(wǎng)、密集發(fā)射的特點(diǎn)，受限于發(fā)射能力和成本的約束，減輕衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量，提高載荷比仍然是衛(wèi)星設(shè)計(jì)的優(yōu)先發(fā)展方向，對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的控制能力、供電能力提出了更高的需求。