创“星”科技，智造未来 | 时空道宇用星座构建高品质时空网络

时间：2023-07-21 09:30:02 | 来源：网站运营

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创“星”科技，智造未来 | 时空道宇用星座构建高品质时空网络：随着航天技术的发展，一颗卫星已经不能满足越来越多的航天任务需求，利用小卫星星座实现全球或特定地区的不间断通信、导航、遥感等任务是近年来发展的热点。构建一个卫星星座，使得轨道上的卫星按照特定的时间和空间规律运行，可以大大提升卫星应用效能。




星座设计：用星构建高品质时空网络




星座设计是一个系统工程，它牵涉到众多方面，通常我们需要进行多轮次迭代设计才能实现系统最优。




卫星星座的设计约束条件主要包括任务类型、覆盖范围、覆盖重数、重访间隔、发射方式、地面测运控、成本预算等。




1) 任务类型：是指通信、导航、遥感等任务或几种任务的组合，确定任务目标，决定选择什么类型的载荷。




2) 覆盖范围：是指服务对象是面向全球覆盖、区域覆盖还是点或面目标覆盖等，以此确定卫星的倾角及载荷的覆盖能力。




3) 覆盖重数：是指服务区域一次可以对几颗星可见。




4) 重访间隔：是指两次对服务区域的全部或部分区域不可见的时间，通常其最大间隔决定了星座最“短板”的能力。




5) 发射方式：是指根据星座规模确定轨道面及单轨卫星数量。国内成熟的运载火箭主要有长征系列、快舟系列，商业运载火箭目前正处在蓬勃发展之中。不同的运载火箭具有不同的运载能力及成本，一次可以发射几颗卫星，以及需要多少次发射，直接决定了星座的发射成本。




6) 地面测运控：星座在轨运行离不开地面测运控。星座管理需要建设不同位置的地面站，每个地面站也需要多部天线进行测运控，实现星座的在轨正常运行。




7) 成本预算：星座建设的成本与卫星的数量和发射次数成正比。




在确定了上述基本输入后，星座构型设计就成为星座设计的主要待解决问题。卫星星座的构型设计是一个多参数优化的过程，包括卫星数目、轨道平面数量、单轨卫星数量、倾角、偏心率、半长轴等。合理的卫星构型不仅能够实现卫星星座整体性能的最优，还能使系统具有良好的协同工作和长期稳定运行的能力，减小卫星星座运行期间的任务代价。




卫星星座构型常用的主要有单一Walker星座构型和混合星座构型两种形式。




Walker星座构型比较稳定，星座内的卫星轨道多为圆轨道，各轨道平面平均分布，而且轨道平面中的卫星均匀分布，星座中的卫星具有一致的轨道高度、倾角和偏心率。例如俄罗斯GLONASS卫星导航星座就是由36颗卫星组成的Walker星座。




我国的北斗三号全球卫星导航系统采用的则是混合星座。北斗三号全球卫星导航系统按照覆盖全球、突出区域，功能丰富、效费比高、循序渐进、分步实施的设计目标，由24颗地球中圆轨道卫星(MEO)、3颗倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)和3颗地球静止轨道卫星(GEO)组成，共同构成了北斗三号混合星座，并于2020年7月31日正式开通，向全世界提供连续稳定服务。







卫星星座的设计是为人服务的，世界上绝大多数的人口生活在南北纬50°范围内，如何设计星座构型，优化星座的覆盖性和服务性是一个很现实的问题。例如铱星星座是一个66颗卫星的Walker星座，它对人口密集的中低纬度地区覆盖性反而没有两极地区好。




这一问题可以采用混合星座设计加以优化。混合星座中可以将较多数量的卫星设计为低倾角轨道，主要满足中低纬度地区的覆盖需求；另一部分较少数量的卫星设计为近极地轨道，填补对高纬度地区覆盖的空白，同时增强中低纬度地区覆盖能力。采用混合星座，可以达到事半功倍的效果。时空道宇公司的“箭旅镜像”星座就是采用168颗卫星构建的混合星座，既能够保证人口密集的中低纬度地区的多重覆盖，又使卫星不大量聚集在高纬度地区，大大提高了星座的利用效率。







多星发射：一箭多星助力星座建设




要完成星座的快速建设就必须要具备一箭多星的发射能力。一箭多星是用一枚运载火箭同时或先后将多颗卫星送入地球轨道的技术。全球有美国、俄罗斯、中国、印度、日本等国以及欧洲航天局掌握“一箭多星”发射技术。




2017年2月，印度发射过“一箭104星”。




2019年5月，SpaceX一箭发射60颗Starlink卫星。




2020年9月15日，中国在黄海海域用长征十一号海射运载火箭，采取“一箭九星”方式将“浙江一号”高分03-1组卫星送入预定轨道。




SpaceX正在研制的Starship货仓可支持多达400颗Starlink-v1.0卫星的发射。




一箭多星发射可大大减少发射次数，减少星座建设的周期和成本。不同的星座采用的发射方式不同，一个轨道面上的卫星数量和重量决定了基本的发射方式。




当一个轨道面的卫星数量×单星重量满足一枚火箭的运载能力时，可以采用一枚火箭发射多星，完成一个轨道面的卫星部署。




当一个轨道面的卫星数量×单星重量不满足一枚火箭的运载能力时，则只能采用多枚火箭分多次发射的方式，实现该轨道面上的卫星部署。




由于卫星星座包括多个轨道面，按照上述单个轨道面的发射方式可依次完成其他轨道面的发射，最终建成整个卫星星座。卫星星座不是一天建成的，在实际建设中，可以根据需要抽取不同轨道面上的卫星，采用一箭多星方式发射分批建成子星座，以实现星座的部分能力，在星座未完全建成的情况下也能提供服务。




卫星批产设计制造：提升星座建设效率




卫星的批量生产制造是星座快速建设的前提。随着商业航天热潮的兴起，国内近几年的卫星制造能力有不小的提升，一颗百公斤级小卫星的制造周期已经逐步缩短至1~2年。要在卫星寿命期内建成小卫星星座，发挥其经济效益，就必须要具备快速批产和快速发射的能力。




传统卫星都是手工打造的“工艺品”，生产制造的工艺流程复杂，难以满足快速批产化的要求。时空道宇在卫星设计和制造方面进行了许多探索和创新，深度融合和借鉴了汽车产线制造技术，为将来现代化的卫星批量制造奠定了基础。




集成化：单机功能集成化，优化、精简单机数量，减少重量等资源消耗，节省卫星总装工作量。首发双星平台电子部分集成为一台单机，载荷GNSS接收功能与卫星平台共用，减少了单机配置。




模块化：为卫星“解耦”，减少相互关联性，尤其是减小各舱板、各模块间的相互耦合关系。模块化单机布局，系统功能强关联的单机集中布置；优化整星电缆网，根据卫星舱板结构设计电缆网节点，并设计板间快插接插件。时空道宇首发双星就采用了模块化设计理念，将卫星设计成了推进、姿控、能源、载荷、平台电子等5大功能模块。




去技能化：卫星生产制造过程规范化、标准化，形成到工步级的作业指导书，减少对操作人员经验和技能的要求，将卫星变成“接地气”的产品来制造。减少以往过分强调的“高精度、高要求”，通过系统性的分析验证，将生产性的指标控制在合理的范围内，减少产品生产制造和装配难度。




智能化：对于低层次的重复性动作，我们采用自动化机器人，实现人机协作，提高工作效率；采用全向移动平台，搭建智能物流系统；采用智能辅助工具，实现自动化点胶、测力。




信息化：充分借鉴汽车行业的成熟经验，从系统层、现场层、设备层构建信息化体系，采用ERP、MES、PLM等信息化手段，打破传统卫星生产过程中的“信息孤岛”，实现生产全流程的资源和信息管控，实现数据的实时采集、分析和判断。




自动化测试：采用分布式自动化测试系统，自动发令、自动判读，实现汽车式的“一键”快速电测；建立设备池，实现多星并行测试，测试数据上传到平台，实现远程智能管控。




延寿设计：提高服务年限




卫星星座投入成本高，建设周期长，要收回建设成本，产生经济效益，卫星的服务年限必须达到设计年限，甚至更长。卫星的可靠性是设计出来的，在设计层面延长卫星服务年限，对星座系统创造经济价值非常有必要。时空道宇公司在此方面进行了许多有益的探索和实践。




元器件筛选：传统航天项目采用的大多是宇航级元器件，元器件成本是商业航天无法接受的。我们在卫星设计之初就根据卫星的轨道和寿命要求，仿真分析所处轨道的辐照总剂量等空间环境条件，合理制定了元器件质量等级和筛选要求，形成宇航级元器件替代方案，采用普军级、汽车工业级元器件，进行声扫、温循、X光扫描等筛选试验，建立了元器件可靠性保证规范，既体现了经济性也兼顾了可靠性。




可靠性试验：着重加强模块级可靠性试验考核，提早暴露缺陷。




单粒子翻转修复：卫星具备在轨单粒子翻转监控功能，为后期元器件选型及筛选提供第一手数据；卫星单机通过三模冗余、定时刷新等方式，自主修复单粒子翻转故障，保证卫星长期连续、可靠、稳定工作。




软件在轨可重构：卫星平台和载荷均采用软件可重构技术。卫星在轨运行后，可根据任务需求变化，通过馈电链路上注程序，实现软件功能在轨升级，保证卫星寿命期内，能适应市场和任务需求不断变化的要求，延长卫星使用年限，不断提供优质服务。




离轨设计：践行太空责任




随着越来越多的航天器进入太空，产生了大量的空间物体。当在近地轨道运转的物体的密度达到一定程度时，这些物体在碰撞后产生的碎片能够形成更多的新撞击，形成级联效应，即所谓的“凯斯勒效应”。长此以往，近地轨道将被太空垃圾所覆盖，人类将失去能够安全运行的轨道，在之后的数百年内将有可能无法进行太空探索。根据《空间碎片减缓要求》，航天任务结束后，航天器仍然出现在LEO保护区的累积时间最大值不超过25年，一般要求在25年内通过自然衰减或主动离轨坠入大气层烧毁。




主动离轨卫星需要携带足够燃料，在卫星寿命末期将卫星从运行轨道推离至低轨道甚至大气层实现离轨，如Starlink就是采用氪燃料推进实现轨道升降及离轨。




自然衰减离轨是一种被动离轨方式，主要是利用大气阻力逐渐降低轨道，由于轨道越高大气越稀薄，大气阻力作用越弱，因此该方式只适用于低轨道卫星。




法国在1965年发射了其第一颗人造卫星“阿斯特里克斯（Asterix）”，其初始轨道为远地点1809km，近地点536km，根据最新的轨道根数其轨道衰减为远地点1648km，近地点为525km，在55年内远地点降低约161km，近地点降低约11km，卫星虽然早已失效，但其轨道寿命还将持续数百年。




要想加快卫星离轨速度，一种可行的手段就是就增加迎风面积，提高面质比，来增强大气的阻力作用。国内外已有许多卫星安装了离轨帆，并进行了在轨试验验证。目前百公斤量级卫星的面质比一般在0.0016m2/kg~0.01m2/kg之间。离轨帆帆体展开之后，面质比可增大至原来的5~20倍，离轨速度将大大加快。







采用蒙特卡罗法预测未来100年太阳活动周期。以700km太阳同步轨道卫星为例，面质比为0.0016 m2/kg的卫星，100年内卫星轨道只降低了60km，面质比为0.01 m2/kg的卫星，约47年可实现离轨，而面质比为0.16 m2/kg的卫星，离轨只需要2.37年。




卫星星座系统比单卫星系统要复杂得多，卫星星座的建设也只是第一步。时空道宇将继续深耕商业航天，不断寻求跨界融合，进行创新和突破，为人类提供更好的时空网络连接服务。




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