希望－2衛(wèi)星及在軌應(yīng)用

趙志明施思寒孫驥付偉達(dá)唐科實(shí)李勰李陽(yáng)朱雪萍竇驕（ 航天東方紅衛(wèi)星有限公司， 北京航天飛行控制中心）

?

希望－2衛(wèi)星及在軌應(yīng)用

趙志明1施思寒1孫驥1付偉達(dá)1唐科實(shí)2李勰2李陽(yáng)1朱雪萍1竇驕1
（1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，2 北京航天飛行控制中心）

Hope－2 Satellite and Its In-orbit Application

編者按：

2014年和2015年，全球成功發(fā)射了小衛(wèi)星數(shù)量分別為162顆和149顆，所以從整體來(lái)講，小衛(wèi)星發(fā)射活動(dòng)仍然繼續(xù)保持活躍，并且從高速增長(zhǎng)階段邁入平穩(wěn)發(fā)展階段?，F(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展日新月異，傳統(tǒng)小衛(wèi)星系統(tǒng)不斷更新?lián)Q代，新興小衛(wèi)星已逐步具備業(yè)務(wù)服務(wù)能力，其管理模式也推動(dòng)了創(chuàng)新，使其成為世界航天器發(fā)射群體的重要組成部分和航天高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)之一。為此，本刊特推出“小衛(wèi)星專題”，以饗讀者。

希望－2衛(wèi)星是航天東方紅衛(wèi)星有限公司應(yīng)對(duì)微納衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展，自主研發(fā)的皮納衛(wèi)星系統(tǒng)，通過(guò)其在軌飛行驗(yàn)證，可形成通用化、標(biāo)準(zhǔn)化皮納衛(wèi)星產(chǎn)品系列和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；圍繞應(yīng)用型皮納衛(wèi)星產(chǎn)品開發(fā)與驗(yàn)證，能促進(jìn)皮納衛(wèi)星進(jìn)一步應(yīng)用探索與實(shí)踐。

1　引言

2015年9月20日，長(zhǎng)征－6運(yùn)載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心以“一箭二十星”方式將希望－2衛(wèi)星發(fā)射入軌。入軌后衛(wèi)星順利開展各項(xiàng)在軌試驗(yàn)，其中希望－2A衛(wèi)星根據(jù)任務(wù)需要進(jìn)行了多批次軌道控制，將軌道高度降低了60多千米。

希望－2衛(wèi)星通過(guò)獲取熱層大氣密度原位數(shù)據(jù)正向探測(cè)大氣密度時(shí)空分布關(guān)系，優(yōu)化熱層大氣阻力模型，并結(jié)合多頻點(diǎn)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）原始測(cè)量數(shù)據(jù)及衛(wèi)星激光測(cè)距（SLR）、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）等多體制精密測(cè)定軌試驗(yàn)，反向推演大氣密度變化機(jī)理，為提高低軌航天器定軌預(yù)報(bào)精度獲取有效連續(xù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)配置空間無(wú)線電臺(tái)，為全球無(wú)線電愛好者提供服務(wù)。

2　衛(wèi)星的技術(shù)設(shè)計(jì)

希望－2衛(wèi)星采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，使用“商用貨架產(chǎn)品”（COTS）器件和產(chǎn)品，探索低成本皮納衛(wèi)星研制模式；通過(guò)單板單機(jī)化、整星無(wú)纜化、系統(tǒng)開放化及接口規(guī)范化的核心設(shè)計(jì)理念，研制適應(yīng)不同類型科學(xué)載荷的1～50kg皮納衛(wèi)星公用平臺(tái)。

希望－2衛(wèi)星由1顆20千克級(jí)納星、3顆10千克級(jí)皮星及2顆1千克級(jí)子星（由皮星在軌分離）構(gòu)成。衛(wèi)星運(yùn)行在軌道高度524km、97.47°傾角的太陽(yáng)同步軌道，配置了大氣密度探測(cè)器、雙模四頻GNSS接收機(jī)、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）信標(biāo)機(jī)、激光反射器、特高頻/甚高頻（UHF/VHF）通信機(jī)等載荷。利用其上的大氣密度探測(cè)器，已實(shí)現(xiàn)200～460km的大氣密度原位測(cè)量；利用雙模四頻GNSS接收機(jī)已實(shí)現(xiàn)200～524km多頻點(diǎn)GNSS原始測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)量和下傳；利用其上的激光反射器、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量信標(biāo)機(jī)和GNSS接收機(jī)等載荷，已實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星激光測(cè)距、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量和GNSS聯(lián)合精密測(cè)定軌、軌道預(yù)報(bào)研究；采用特高頻/甚高頻通信機(jī)建立了空間業(yè)余無(wú)線電臺(tái)。

希望－2衛(wèi)星采用超低功耗智能化接口，通過(guò)控制器局域網(wǎng)（CAN）總線和集成電路內(nèi)部（IIC）總線網(wǎng)絡(luò)，形成了分布式的信息拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各設(shè)備以節(jié)點(diǎn)形式與星上網(wǎng)構(gòu)成功能密集、配置靈活的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。以整星優(yōu)化為目標(biāo)，以硬件資源統(tǒng)一應(yīng)用、充分發(fā)揮軟件效用為原則，使衛(wèi)星各設(shè)備的信息流和能源流成為一體化有機(jī)整體。

希望－2衛(wèi)星產(chǎn)品配套矩陣

3　衛(wèi)星的產(chǎn)品體系

希望－2衛(wèi)星的納星、皮星與子星均采用框架式結(jié)構(gòu)，星上所有電子產(chǎn)品嚴(yán)格按照PC104規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，并統(tǒng)一集成在堆棧內(nèi)，以104芯公用接插件實(shí)現(xiàn)各單機(jī)產(chǎn)品電氣及通信連接。衛(wèi)星單機(jī)模塊產(chǎn)品均按照標(biāo)準(zhǔn)化的要求，從產(chǎn)品體系中篩選配置，開發(fā)研制。6顆衛(wèi)星上配置的單機(jī)模塊完全通用，并可兩兩替換。

通過(guò)希望－2衛(wèi)星的研制，開發(fā)了一系列規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)以及與之相適應(yīng)的產(chǎn)品，供衛(wèi)星開發(fā)人員選擇、應(yīng)用。目前已涉及8大類別123種單機(jī)模塊及部組件產(chǎn)品，形成微納衛(wèi)星產(chǎn)品與技術(shù)體系。

4　載荷及其在軌應(yīng)用

GNSS接收機(jī)

希望－2衛(wèi)星雙頻四模GNSS接收機(jī)由GNSS接收天線及PC104規(guī)格的接收機(jī)板卡組成，具有質(zhì)量輕、功耗低的特點(diǎn)。該接收機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)在空間載體上進(jìn)行多頻GNSS信號(hào)的采集處理，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解算、輸出位置、速度、軌道根數(shù)、世界協(xié)調(diào)時(shí)間（UTC）及原始測(cè)量數(shù)據(jù)等信息。

通過(guò)在軌四頻點(diǎn)（同時(shí)鐘源）原始測(cè)量信號(hào)解調(diào)解算(亞太地區(qū))，進(jìn)行了“北斗”與GPS系統(tǒng)的融合定軌定位。目前，GPS偽距、相位數(shù)據(jù)跟蹤正常，“北斗”偽距數(shù)據(jù)正常。GPS偽距數(shù)據(jù)噪聲水平為米級(jí)，相位數(shù)據(jù)噪聲水平為厘米級(jí)，“北斗”偽距數(shù)據(jù)噪聲水平為米級(jí)。使用GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行定軌計(jì)算，基于重疊弧段比較，定軌精度優(yōu)于分米級(jí)，滿足項(xiàng)目精度指標(biāo)要求。

（左圖起點(diǎn)為2015年9月26日；右圖起點(diǎn)為2015年9月27日）

大氣密度探測(cè)器

希望－2衛(wèi)星所載大氣密度探測(cè)器的功能是監(jiān)測(cè)衛(wèi)星飛行軌道空間的中性大氣密度，獲得大氣密度的時(shí)空分布關(guān)系。高層大氣密度通過(guò)直接測(cè)量大氣壓力（傳感器內(nèi)的感測(cè)氣壓）和大氣溫度（傳感器內(nèi)氣體溫度）來(lái)獲得。電離計(jì)用來(lái)測(cè)量傳感器內(nèi)氣壓，溫度計(jì)用來(lái)直接測(cè)量取樣室氣體溫度，傳感器安裝在衛(wèi)星前進(jìn)方向，在軌連續(xù)探測(cè)。

大氣密度探測(cè)器頭部安裝圖

現(xiàn)選取2015年9月29日至10月2日數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，與NRLMSISE00模式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，可見兩者吻合度良好。其大氣密度探測(cè)器以同類產(chǎn)品1/10的質(zhì)量實(shí)現(xiàn)了同等的性能，后續(xù)還將進(jìn)一步針對(duì)在軌飛行期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)校。

大氣密度探測(cè)器在軌數(shù)據(jù)分析

甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量信標(biāo)機(jī)

希望－2衛(wèi)星所載甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量信標(biāo)機(jī)由甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量信標(biāo)板、高頻電纜及甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量天線（S、X天線）共同組成，甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量原理是通過(guò)發(fā)射S、X雙頻段相干調(diào)制信號(hào)，與地面接收臺(tái)站形成多條基線，利用干涉測(cè)量原理對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行高精度單點(diǎn)定軌定位。利用北京中心海事站12m天線開展試驗(yàn)。

甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量信標(biāo)機(jī)信號(hào)頻譜（上圖為通道1；下圖為通道2）

該信標(biāo)機(jī)是我國(guó)首個(gè)應(yīng)用于低軌衛(wèi)星的甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量信標(biāo)機(jī)，后續(xù)將深入開展低軌甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)驗(yàn)證。

激光反射器

衛(wèi)星激光測(cè)距是衛(wèi)星測(cè)軌精度最高的測(cè)量技術(shù)，激光反射器是衛(wèi)星激光測(cè)距的重要組成部分，希望－2衛(wèi)星所載激光反射器安裝在衛(wèi)星對(duì)地面，可以對(duì)發(fā)射的脈沖激光信號(hào)進(jìn)行反射，使其原路返回，并通過(guò)精確測(cè)定激光信號(hào)往返時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)星地距離的精確測(cè)量。

激光數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析（上圖為7237長(zhǎng)春站；下圖為7821上海站）

通過(guò)2015年10月2日全天的衛(wèi)星星載GPS接收機(jī)的載波相位數(shù)據(jù)進(jìn)行定軌并得到精密星歷，利用激光數(shù)據(jù)對(duì)該精密星歷進(jìn)行檢核。長(zhǎng)春站均方根為20cm，上海站均方根為11.6cm。激光檢核的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與GPS重疊弧段的軌道精度基本一致，也驗(yàn)證了基于GPS原始測(cè)量數(shù)據(jù)的定軌精度。

希望－2衛(wèi)星的激光反射器是我國(guó)首批采用分布式結(jié)構(gòu)的激光反射器，該結(jié)構(gòu)的激光反射器具有質(zhì)量輕、安裝靈活的特點(diǎn)，適用于對(duì)安裝面積要求較為嚴(yán)格的低軌微納衛(wèi)星。

希望－2衛(wèi)星6顆衛(wèi)星的UV通信機(jī)頻率表

特高頻/甚高頻通信機(jī)

希望－2衛(wèi)星所載特高頻/甚高頻通信機(jī)，用作空間無(wú)線電臺(tái)，提供無(wú)線電信標(biāo)信號(hào)、線性轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

信標(biāo)是將采集數(shù)據(jù)按20bit/min的速率進(jìn)行莫爾斯電碼編碼形成基帶信號(hào)，并將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為發(fā)射頻段的射頻信號(hào)通過(guò)天線發(fā)射。信標(biāo)機(jī)為遙測(cè)長(zhǎng)期發(fā)射工作方式，發(fā)射自身和部分衛(wèi)星的遙測(cè)信號(hào)。線性轉(zhuǎn)發(fā)接收來(lái)自地面電臺(tái)發(fā)送的接收頻段的載波（CW）、單邊帶（SSB）、調(diào)頻（FM）等調(diào)制體制的電碼、話音和數(shù)據(jù)，再將接收信號(hào)變頻到發(fā)射頻段放大后通過(guò)天線發(fā)射，下行信號(hào)的頻譜為上行信號(hào)的倒置頻譜。

特高頻/甚高頻通信機(jī)主要工作模式為：

1）線性轉(zhuǎn)發(fā)與莫爾斯電碼遙測(cè)信標(biāo)模式。此工作模式下莫爾斯電碼遙測(cè)信標(biāo)按固定周期發(fā)送，線性轉(zhuǎn)發(fā)功能常開機(jī)處于接收守候狀態(tài)，只要接收到信號(hào)即轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)射。遙控接收機(jī)也處于常開機(jī)接收守候狀態(tài)，接收到遙控指令可立即處理并應(yīng)答。

2）下傳高速數(shù)據(jù)模式。此工作模式下莫爾斯電碼遙測(cè)信標(biāo)按固定周期發(fā)送，下傳高速數(shù)據(jù)發(fā)送優(yōu)先級(jí)高于線性轉(zhuǎn)發(fā)功能，僅在供電足夠的情況下允許同時(shí)進(jìn)行線性轉(zhuǎn)發(fā)。遙控接收機(jī)處于常開機(jī)接收守候狀態(tài)，接收到遙控指令可立即處理并應(yīng)答。

希望－2衛(wèi)星特高頻/甚高頻通信機(jī)是我國(guó)首批星載輕小型特高頻/甚高頻通信機(jī)，目前在軌應(yīng)用效果良好，全球無(wú)線電愛好者均可通過(guò)頻率表所示頻段與希望－2通聯(lián)。

5　結(jié)束語(yǔ)

希望－2衛(wèi)星于2015年9月20日發(fā)射入軌后，衛(wèi)星工作正常，并進(jìn)行了平臺(tái)產(chǎn)品的在軌驗(yàn)證，有力地促進(jìn)形成了通用化、標(biāo)準(zhǔn)化皮納衛(wèi)星產(chǎn)品系列和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)有多顆在研型號(hào)選用該平臺(tái)產(chǎn)品，進(jìn)行了多體制精密測(cè)定軌試驗(yàn)，為提高低軌航天器定軌預(yù)報(bào)精度獲取有效連續(xù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提供支撐。希望－2衛(wèi)星同時(shí)為全球業(yè)余無(wú)線電愛好者提供了空間電臺(tái)服務(wù)，目前亞洲、歐洲、美洲及大洋洲等地?zé)o線電愛好者已成功通聯(lián)，效果良好。希望－2衛(wèi)星的降軌是我國(guó)首次試驗(yàn)20千克級(jí)衛(wèi)星的降軌控制，任務(wù)的成功完成表明我國(guó)已掌握較為精密的微納衛(wèi)星變軌技術(shù)。

王曉宇/本文編輯