創(chuàng)“星”科技，智造未來 | 時空道宇用星座構(gòu)建高品質(zhì)時空網(wǎng)絡(luò)

時間：2023-07-21 09:30:02 | 來源：網(wǎng)站運營

時間：2023-07-21 09:30:02 來源：網(wǎng)站運營

創(chuàng)“星”科技，智造未來 | 時空道宇用星座構(gòu)建高品質(zhì)時空網(wǎng)絡(luò)：隨著航天技術(shù)的發(fā)展，一顆衛(wèi)星已經(jīng)不能滿足越來越多的航天任務(wù)需求，利用小衛(wèi)星星座實現(xiàn)全球或特定地區(qū)的不間斷通信、導航、遙感等任務(wù)是近年來發(fā)展的熱點。構(gòu)建一個衛(wèi)星星座，使得軌道上的衛(wèi)星按照特定的時間和空間規(guī)律運行，可以大大提升衛(wèi)星應(yīng)用效能。




星座設(shè)計：用星構(gòu)建高品質(zhì)時空網(wǎng)絡(luò)




星座設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，它牽涉到眾多方面，通常我們需要進行多輪次迭代設(shè)計才能實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)。




衛(wèi)星星座的設(shè)計約束條件主要包括任務(wù)類型、覆蓋范圍、覆蓋重數(shù)、重訪間隔、發(fā)射方式、地面測運控、成本預(yù)算等。




1) 任務(wù)類型：是指通信、導航、遙感等任務(wù)或幾種任務(wù)的組合，確定任務(wù)目標，決定選擇什么類型的載荷。




2) 覆蓋范圍：是指服務(wù)對象是面向全球覆蓋、區(qū)域覆蓋還是點或面目標覆蓋等，以此確定衛(wèi)星的傾角及載荷的覆蓋能力。




3) 覆蓋重數(shù)：是指服務(wù)區(qū)域一次可以對幾顆星可見。




4) 重訪間隔：是指兩次對服務(wù)區(qū)域的全部或部分區(qū)域不可見的時間，通常其最大間隔決定了星座最“短板”的能力。




5) 發(fā)射方式：是指根據(jù)星座規(guī)模確定軌道面及單軌衛(wèi)星數(shù)量。國內(nèi)成熟的運載火箭主要有長征系列、快舟系列，商業(yè)運載火箭目前正處在蓬勃發(fā)展之中。不同的運載火箭具有不同的運載能力及成本，一次可以發(fā)射幾顆衛(wèi)星，以及需要多少次發(fā)射，直接決定了星座的發(fā)射成本。




6) 地面測運控：星座在軌運行離不開地面測運控。星座管理需要建設(shè)不同位置的地面站，每個地面站也需要多部天線進行測運控，實現(xiàn)星座的在軌正常運行。




7) 成本預(yù)算：星座建設(shè)的成本與衛(wèi)星的數(shù)量和發(fā)射次數(shù)成正比。




在確定了上述基本輸入后，星座構(gòu)型設(shè)計就成為星座設(shè)計的主要待解決問題。衛(wèi)星星座的構(gòu)型設(shè)計是一個多參數(shù)優(yōu)化的過程，包括衛(wèi)星數(shù)目、軌道平面數(shù)量、單軌衛(wèi)星數(shù)量、傾角、偏心率、半長軸等。合理的衛(wèi)星構(gòu)型不僅能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星星座整體性能的最優(yōu)，還能使系統(tǒng)具有良好的協(xié)同工作和長期穩(wěn)定運行的能力，減小衛(wèi)星星座運行期間的任務(wù)代價。




衛(wèi)星星座構(gòu)型常用的主要有單一Walker星座構(gòu)型和混合星座構(gòu)型兩種形式。




Walker星座構(gòu)型比較穩(wěn)定，星座內(nèi)的衛(wèi)星軌道多為圓軌道，各軌道平面平均分布，而且軌道平面中的衛(wèi)星均勻分布，星座中的衛(wèi)星具有一致的軌道高度、傾角和偏心率。例如俄羅斯GLONASS衛(wèi)星導航星座就是由36顆衛(wèi)星組成的Walker星座。




我國的北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用的則是混合星座。北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)按照覆蓋全球、突出區(qū)域，功能豐富、效費比高、循序漸進、分步實施的設(shè)計目標，由24顆地球中圓軌道衛(wèi)星(MEO)、3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(IGSO)和3顆地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO)組成，共同構(gòu)成了北斗三號混合星座，并于2020年7月31日正式開通，向全世界提供連續(xù)穩(wěn)定服務(wù)。







衛(wèi)星星座的設(shè)計是為人服務(wù)的，世界上絕大多數(shù)的人口生活在南北緯50°范圍內(nèi)，如何設(shè)計星座構(gòu)型，優(yōu)化星座的覆蓋性和服務(wù)性是一個很現(xiàn)實的問題。例如銥星星座是一個66顆衛(wèi)星的Walker星座，它對人口密集的中低緯度地區(qū)覆蓋性反而沒有兩極地區(qū)好。




這一問題可以采用混合星座設(shè)計加以優(yōu)化?；旌闲亲锌梢詫⑤^多數(shù)量的衛(wèi)星設(shè)計為低傾角軌道，主要滿足中低緯度地區(qū)的覆蓋需求；另一部分較少數(shù)量的衛(wèi)星設(shè)計為近極地軌道，填補對高緯度地區(qū)覆蓋的空白，同時增強中低緯度地區(qū)覆蓋能力。采用混合星座，可以達到事半功倍的效果。時空道宇公司的“箭旅鏡像”星座就是采用168顆衛(wèi)星構(gòu)建的混合星座，既能夠保證人口密集的中低緯度地區(qū)的多重覆蓋，又使衛(wèi)星不大量聚集在高緯度地區(qū)，大大提高了星座的利用效率。







多星發(fā)射：一箭多星助力星座建設(shè)




要完成星座的快速建設(shè)就必須要具備一箭多星的發(fā)射能力。一箭多星是用一枚運載火箭同時或先后將多顆衛(wèi)星送入地球軌道的技術(shù)。全球有美國、俄羅斯、中國、印度、日本等國以及歐洲航天局掌握“一箭多星”發(fā)射技術(shù)。




2017年2月，印度發(fā)射過“一箭104星”。




2019年5月，SpaceX一箭發(fā)射60顆Starlink衛(wèi)星。




2020年9月15日，中國在黃海海域用長征十一號海射運載火箭，采取“一箭九星”方式將“浙江一號”高分03-1組衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。




SpaceX正在研制的Starship貨倉可支持多達400顆Starlink-v1.0衛(wèi)星的發(fā)射。




一箭多星發(fā)射可大大減少發(fā)射次數(shù)，減少星座建設(shè)的周期和成本。不同的星座采用的發(fā)射方式不同，一個軌道面上的衛(wèi)星數(shù)量和重量決定了基本的發(fā)射方式。




當一個軌道面的衛(wèi)星數(shù)量×單星重量滿足一枚火箭的運載能力時，可以采用一枚火箭發(fā)射多星，完成一個軌道面的衛(wèi)星部署。




當一個軌道面的衛(wèi)星數(shù)量×單星重量不滿足一枚火箭的運載能力時，則只能采用多枚火箭分多次發(fā)射的方式，實現(xiàn)該軌道面上的衛(wèi)星部署。




由于衛(wèi)星星座包括多個軌道面，按照上述單個軌道面的發(fā)射方式可依次完成其他軌道面的發(fā)射，最終建成整個衛(wèi)星星座。衛(wèi)星星座不是一天建成的，在實際建設(shè)中，可以根據(jù)需要抽取不同軌道面上的衛(wèi)星，采用一箭多星方式發(fā)射分批建成子星座，以實現(xiàn)星座的部分能力，在星座未完全建成的情況下也能提供服務(wù)。




衛(wèi)星批產(chǎn)設(shè)計制造：提升星座建設(shè)效率




衛(wèi)星的批量生產(chǎn)制造是星座快速建設(shè)的前提。隨著商業(yè)航天熱潮的興起，國內(nèi)近幾年的衛(wèi)星制造能力有不小的提升，一顆百公斤級小衛(wèi)星的制造周期已經(jīng)逐步縮短至1~2年。要在衛(wèi)星壽命期內(nèi)建成小衛(wèi)星星座，發(fā)揮其經(jīng)濟效益，就必須要具備快速批產(chǎn)和快速發(fā)射的能力。




傳統(tǒng)衛(wèi)星都是手工打造的“工藝品”，生產(chǎn)制造的工藝流程復雜，難以滿足快速批產(chǎn)化的要求。時空道宇在衛(wèi)星設(shè)計和制造方面進行了許多探索和創(chuàng)新，深度融合和借鑒了汽車產(chǎn)線制造技術(shù)，為將來現(xiàn)代化的衛(wèi)星批量制造奠定了基礎(chǔ)。




集成化：單機功能集成化，優(yōu)化、精簡單機數(shù)量，減少重量等資源消耗，節(jié)省衛(wèi)星總裝工作量。首發(fā)雙星平臺電子部分集成為一臺單機，載荷GNSS接收功能與衛(wèi)星平臺共用，減少了單機配置。




模塊化：為衛(wèi)星“解耦”，減少相互關(guān)聯(lián)性，尤其是減小各艙板、各模塊間的相互耦合關(guān)系。模塊化單機布局，系統(tǒng)功能強關(guān)聯(lián)的單機集中布置；優(yōu)化整星電纜網(wǎng)，根據(jù)衛(wèi)星艙板結(jié)構(gòu)設(shè)計電纜網(wǎng)節(jié)點，并設(shè)計板間快插接插件。時空道宇首發(fā)雙星就采用了模塊化設(shè)計理念，將衛(wèi)星設(shè)計成了推進、姿控、能源、載荷、平臺電子等5大功能模塊。




去技能化：衛(wèi)星生產(chǎn)制造過程規(guī)范化、標準化，形成到工步級的作業(yè)指導書，減少對操作人員經(jīng)驗和技能的要求，將衛(wèi)星變成“接地氣”的產(chǎn)品來制造。減少以往過分強調(diào)的“高精度、高要求”，通過系統(tǒng)性的分析驗證，將生產(chǎn)性的指標控制在合理的范圍內(nèi)，減少產(chǎn)品生產(chǎn)制造和裝配難度。




智能化：對于低層次的重復性動作，我們采用自動化機器人，實現(xiàn)人機協(xié)作，提高工作效率；采用全向移動平臺，搭建智能物流系統(tǒng)；采用智能輔助工具，實現(xiàn)自動化點膠、測力。




信息化：充分借鑒汽車行業(yè)的成熟經(jīng)驗，從系統(tǒng)層、現(xiàn)場層、設(shè)備層構(gòu)建信息化體系，采用ERP、MES、PLM等信息化手段，打破傳統(tǒng)衛(wèi)星生產(chǎn)過程中的“信息孤島”，實現(xiàn)生產(chǎn)全流程的資源和信息管控，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、分析和判斷。




自動化測試：采用分布式自動化測試系統(tǒng)，自動發(fā)令、自動判讀，實現(xiàn)汽車式的“一鍵”快速電測；建立設(shè)備池，實現(xiàn)多星并行測試，測試數(shù)據(jù)上傳到平臺，實現(xiàn)遠程智能管控。




延壽設(shè)計：提高服務(wù)年限




衛(wèi)星星座投入成本高，建設(shè)周期長，要收回建設(shè)成本，產(chǎn)生經(jīng)濟效益，衛(wèi)星的服務(wù)年限必須達到設(shè)計年限，甚至更長。衛(wèi)星的可靠性是設(shè)計出來的，在設(shè)計層面延長衛(wèi)星服務(wù)年限，對星座系統(tǒng)創(chuàng)造經(jīng)濟價值非常有必要。時空道宇公司在此方面進行了許多有益的探索和實踐。




元器件篩選：傳統(tǒng)航天項目采用的大多是宇航級元器件，元器件成本是商業(yè)航天無法接受的。我們在衛(wèi)星設(shè)計之初就根據(jù)衛(wèi)星的軌道和壽命要求，仿真分析所處軌道的輻照總劑量等空間環(huán)境條件，合理制定了元器件質(zhì)量等級和篩選要求，形成宇航級元器件替代方案，采用普軍級、汽車工業(yè)級元器件，進行聲掃、溫循、X光掃描等篩選試驗，建立了元器件可靠性保證規(guī)范，既體現(xiàn)了經(jīng)濟性也兼顧了可靠性。




可靠性試驗：著重加強模塊級可靠性試驗考核，提早暴露缺陷。




單粒子翻轉(zhuǎn)修復：衛(wèi)星具備在軌單粒子翻轉(zhuǎn)監(jiān)控功能，為后期元器件選型及篩選提供第一手數(shù)據(jù)；衛(wèi)星單機通過三模冗余、定時刷新等方式，自主修復單粒子翻轉(zhuǎn)故障，保證衛(wèi)星長期連續(xù)、可靠、穩(wěn)定工作。




軟件在軌可重構(gòu)：衛(wèi)星平臺和載荷均采用軟件可重構(gòu)技術(shù)。衛(wèi)星在軌運行后，可根據(jù)任務(wù)需求變化，通過饋電鏈路上注程序，實現(xiàn)軟件功能在軌升級，保證衛(wèi)星壽命期內(nèi)，能適應(yīng)市場和任務(wù)需求不斷變化的要求，延長衛(wèi)星使用年限，不斷提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。




離軌設(shè)計：踐行太空責任




隨著越來越多的航天器進入太空，產(chǎn)生了大量的空間物體。當在近地軌道運轉(zhuǎn)的物體的密度達到一定程度時，這些物體在碰撞后產(chǎn)生的碎片能夠形成更多的新撞擊，形成級聯(lián)效應(yīng)，即所謂的“凱斯勒效應(yīng)”。長此以往，近地軌道將被太空垃圾所覆蓋，人類將失去能夠安全運行的軌道，在之后的數(shù)百年內(nèi)將有可能無法進行太空探索。根據(jù)《空間碎片減緩要求》，航天任務(wù)結(jié)束后，航天器仍然出現(xiàn)在LEO保護區(qū)的累積時間最大值不超過25年，一般要求在25年內(nèi)通過自然衰減或主動離軌墜入大氣層燒毀。




主動離軌衛(wèi)星需要攜帶足夠燃料，在衛(wèi)星壽命末期將衛(wèi)星從運行軌道推離至低軌道甚至大氣層實現(xiàn)離軌，如Starlink就是采用氪燃料推進實現(xiàn)軌道升降及離軌。




自然衰減離軌是一種被動離軌方式，主要是利用大氣阻力逐漸降低軌道，由于軌道越高大氣越稀薄，大氣阻力作用越弱，因此該方式只適用于低軌道衛(wèi)星。




法國在1965年發(fā)射了其第一顆人造衛(wèi)星“阿斯特里克斯（Asterix）”，其初始軌道為遠地點1809km，近地點536km，根據(jù)最新的軌道根數(shù)其軌道衰減為遠地點1648km，近地點為525km，在55年內(nèi)遠地點降低約161km，近地點降低約11km，衛(wèi)星雖然早已失效，但其軌道壽命還將持續(xù)數(shù)百年。




要想加快衛(wèi)星離軌速度，一種可行的手段就是就增加迎風面積，提高面質(zhì)比，來增強大氣的阻力作用。國內(nèi)外已有許多衛(wèi)星安裝了離軌帆，并進行了在軌試驗驗證。目前百公斤量級衛(wèi)星的面質(zhì)比一般在0.0016m2/kg~0.01m2/kg之間。離軌帆帆體展開之后，面質(zhì)比可增大至原來的5~20倍，離軌速度將大大加快。







采用蒙特卡羅法預(yù)測未來100年太陽活動周期。以700km太陽同步軌道衛(wèi)星為例，面質(zhì)比為0.0016 m2/kg的衛(wèi)星，100年內(nèi)衛(wèi)星軌道只降低了60km，面質(zhì)比為0.01 m2/kg的衛(wèi)星，約47年可實現(xiàn)離軌，而面質(zhì)比為0.16 m2/kg的衛(wèi)星，離軌只需要2.37年。




衛(wèi)星星座系統(tǒng)比單衛(wèi)星系統(tǒng)要復雜得多，衛(wèi)星星座的建設(shè)也只是第一步。時空道宇將繼續(xù)深耕商業(yè)航天，不斷尋求跨界融合，進行創(chuàng)新和突破，為人類提供更好的時空網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)。




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