基本介紹
- 中文名：衛星平台
- 外文名：satellite platform
- 組成：由衛星服務（保障）系統組成
- 發展遠景：衛星有效載荷和平台技術均的發展
研發背景,組成,推進分系統,控制分系統,溫控分系統,測控分系統,結構分系統,姿態與軌道控制分系統,數據管理分系統,總體電路分系統,返回分系統,適應性改造,功能需求和技術指標,中國衛星平台,
研發背景
從已研製成功的衛星分析，衛星平台不論安裝什麼有效載荷，其基本功能是一致的，只是具體的技術性能會有所差別。根據這一特點，世界上許多國家在衛星研製中，都採取衛星公用平台的設計思路，使衛星平台具有通用性，在一定範圍內適應不同有效載荷的要求。也就是說，裝載不同的有效載荷，衛星平台只做少量適應性修改即可。採用這種公用平台的設計方法，可以縮短衛星研製周期，節省研製經費，提高衛星可靠性。
支撐衛星的有效載荷的衛星平台(platform)也稱為服務艙（sevice module或 bus)，一般分為以下幾個系統：能源分系統為整個衛星提供能源；姿態軌道控制系統保持衛星天線指向和運行軌道的準確；推進系統為衛星定軌，保持軌道和控制姿態提供動量；遙測，測距和指令系統和地面控制中心聯繫；溫度控制系統保證衛星各種器件工作在合適的溫度。
組成
推進分系統
當衛星發射定軌後，主要影響衛星壽命的因素不是電子器件的壽命而是保持衛星定點的燃料的數量。一般來說，衛星整體重量的25%是用來保持姿態和軌道的燃料。衛星的設計者也本著使衛星有更大有效質量原則來設計衛星——更多的器件，更少的燃料。休斯研製的氙離子發動機（xips），對燃料的的需求僅僅是原來的10%，97年發射的panamsat-5是第一個採用xips的衛星。勞拉根據俄國的設計開發的霍爾效應發動機(hall-effect)或稱固定電漿發動機，將用在2000年發射的法國stentor衛星上。著兩種方案的目標相同，但實質上有很大的區別。休斯的xips實際上是比沖大但推力小的發動機，即發動機的效率很高達到使用較少燃料的目的，但由於推力器的推力太小，做一次機動可能需要幾個小時的時間，這對有做軌道機動來說是不利的，尤其對有需要有時間效應的軌道傾角機動不利。軌道機動需要再短時間內提供大的速度變化。長時間的操作不得不考慮地球重力場對軌道的影響。勞拉的發動機對電能的需要不大，結構和電子設備都相對簡單，如果說xisp是節省了重量而犧牲了時間，勞拉的發動機的燃料使用效率降低但提高的重量使用效率。使用傳統的雙組源燃料，衛星每年大約消耗2%的燃料來保持軌道，一般壽命為15年，改用新型的推進系統，每年使用的燃料降低到0.5%，可以使衛星壽命增加到20-30年。太陽能帆板的效能每年約下降1%，所以上壽命的衛星在多年後將面臨功率問題。這時衛星的壽命取決於經濟而非技術問題。
控制分系統
姿態和軌道控制分系統有各種感測器（地球感測器，太陽感測器，陀螺等），姿態軌道處理器（計算機）和執行機構（噴嘴，動量輪等）組成，用來確保衛星姿態指向和軌道定點誤差在允許的範圍內。儘管多年來對感測器的開發一直在進行，可能最有意義的是從機械陀螺到電子陀螺的跨越。比如在運載火箭上開始套用的雷射陀螺，感知運動的原理是在比較在一組鏡面之間相反方向上的光波的傳播。
日前休斯和nasa推進實驗室開發了一種稱為“晶片陀螺”，相比傳統陀螺更輕，更便宜，結構更簡單。尺寸為4*4mm，不到1克重。晶片陀螺感知高速旋轉的微機械矽的震動，因為沒有傳統陀螺的轉動結構和潤滑油，這種陀螺的壽命應該是很長的。即使不能長壽，如此輕的陀螺不妨多裝幾個作為備份。
溫控分系統
功能日益強大，為衛星設計帶來一個負面影響，電子器件都產生熱量，實際上限制衛星功率增加的因素不是有沒有能力增加功率而是有沒有能力使得產生的熱量可以被輻射（在太空中沒有空氣，熱量的耗散只能靠熱輻射，沒有熱傳導）。一般來說，三軸穩定衛星的6個面板中只用了2個來輻射熱量（北面板和南面板），這裡溫度較低可以有效的輻射熱量，在其他的位置上安裝熱管和輻射器使得熱量在整體上達到平衡，除了氨，在熱管中使用甲苯或水等流動性物質達到星體內更高的熱傳導效果，也可以使用可伸展的輻射器以增加有效輻射面積。
測控分系統
測控分系統採用DFH-4平台成熟的C頻段統一載波測控體制，由跟蹤子系統、中心遙測、中心遙控和遙控解密機組成。上行遙控信號與測距信號以時分方式對同一載波調頻，下行遙測信號與轉發的測距音一起對同一下行載波調相。
跟蹤子系統包括兩個全向接收通道和全向、定向四個發射通道，四個發射通道共用兩台發射機。接收通道由全向遙控天線、兩個接收合成器、兩個接收預選濾波器、兩台測控接收機和射頻電纜和波導組成；全向發射通道由兩台測控發射機、測控開關組及負載、兩個TW-TA(與轉發器分系統共用，測控借用時TWTA輸出功率為30W)、兩個全向發射功分器、全向遙測天線及射頻電纜組成；定向發射通道兩台測控發射機(與全向發射通道共用)、測控開關組、兩台測控放大器(四路)、C輸出多工器(與轉發器分系統共用)、C通信天線(與轉發器分系統共用)及射頻電纜組成。
衛星壽命期間內，測控系統始終使用全向接收通道接收信號；衛星在主動段、轉移軌道、定點後衛星姿態異常狀態或定向通道故障時使用全向發射通道傳送信號；衛星定點後正常情況下使用定向發射通道傳送遙測信號。
結構分系統
結構分系統繼承DFH-4平台中心承力筒和結構板組成形式．以中心承力筒為核心承力構件，由中心承力筒、490N發動機支架及25塊蜂窩板組成，分為推進艙結構、通信艙結構和服務艙結構。中心承力筒和推進艙結構、服務艙結構繼承DFH-4平台定型狀態，通信艙結構根據有效載荷接口狀態進行了適應性修改。
姿態與軌道控制分系統
它是姿態控制分系統和軌道控制分系統的總稱．簡稱姿軌控分系統或控制分系統。姿態控制分系統是用於控制衛星姿態的分系統。衛星姿態控制包括姿態穩定和姿態機動兩部分．衛星姿態穩定方式主要有重力梯度穩定、自旋穩定和三軸穩定。衛星軌道控制分系統是用於控制衛星軌道的分系統。衛星軌道控制包括變軌控制、軌道保持、返回控制和軌道交會。
數據管理分系統
它是用於儲存各種程式。採集、處理數據以及協洞管理衛星各分系統工作的衛星分系統．簡稱數管分系統。
總體電路分系統
它是用於整星供配電、信號轉接、火工裝置管理和設備問電連線的衛星分系統。
返回分系統
它是返回式衛星特有的一個分系統，其任務是將衛星準確地離開原運行軌道．轉入能進人大氣層的過渡軌道．並安全返回大地。有時在返回分系統中分出一個獨立分系統，即回收分系統，其任務是保障回收艙安全、準確返回指定地點。
適應性改造
(1)測控分系統：根據衛星測控頻率和輸出功率要求，對測控發射機、測控接收機、測控放大器等進行工作頻率和輸出功率設計更改。
(2)數管分系統：中心計算機套用軟體根據衛星遙測參數、遙控指令和自控加熱迴路配置等進行適應性設計。
(3)供配電分系統：根據星上產品配置和接點變化進行低頻電纜網相應更改設計。
(4)控制分系統：控制計算機套用軟體根據衛星動力學特性參數進行適應性更改。
(5)熱控分系統：星上加熱器、熱敏電阻配置及OSR散熱面積根據星上產品需求進行相應更改。
(6)結構分系統：載荷設備機械接口根據天線、轉發器單機配套和星上布局進行相應適應性設計。
功能需求和技術指標
衛星平台功能需求和技術指標主要包括衛星總體功能性能要求、工程大系統接口要求以及有效載荷接口要求三個方面。
衛星總體功能性能要求一般明確了衛星平台壽命、可靠性、姿態與軌道控制模式和控制精度、測控系統抗干擾能力、星上自主管理能力等要求。例如，對於工作於小傾角同步軌道的通信衛星，為了保證天線覆蓋區和波束指向精度．通常要求衛星平台具備三軸姿態連續偏置控制能力；對於跟蹤中繼衛星，為保證星體對地定向三軸穩定和星間鏈路天線雙軸驅動高精度指向連續跟蹤，要求衛星平台具備全星變結構、變參數的兩級高精度複合控制能力。
工程大系統接口要求包括衛星人軌方式和運載火箭接口、發射段力學環境條件、空間環境條件、測控體制和測控頻率、星地遙測遙控接口、衛星/載荷工作模式等。例如，我國DFH-3、DFH-4系統通信衛星均採用同步轉移軌道自主變軌方式人軌，俄羅斯Express、Yamal系列通信衛星則採用運載火箭上面級直接人軌方式，人軌方式不同直接決定了衛星起飛質量、推進劑攜帶量、控制推進系統配置和工作模式等。
有效載荷接口要求主要指載荷設備安裝布局和機、電、熱接口要求，具體包括：構型布局要求及機械安裝接口要求、供配電要求、遙測遙控及數據管理要求、設備工作溫度控制要求等。
①構型布局要求及機械接口要求：包括星內設備的布局安裝空間要求及散熱面積要求，星外天線的安裝位置、安裝精度和視場要求，電磁兼容性要求．力學環境要求等。對於可展開天線還包括收攏固定要求和釋放展開要求等。
②供配電要求：包括有效載荷供電功率要求，有效載荷設備的配電路數及電壓要求．火工品起爆控制要求等。
③遙測遙控及數據管理要求：包括有效載荷所有設備的遙測類型及數量，遙控指令類型及數量，有效載荷數據管理功能要求、計算處理和數據存儲要求等。
④工作溫度控制要求：包括星內設備散熱要求，行波管、固放等大熱耗設備的工作溫度控制要求，星外天線的工作溫度範圍要求等。
中國衛星平台
自1970年4月24日成功發射第一顆人造衛星“東方紅一號”以來，30年間我國發射了48顆不同類型的衛星，初步形成了品種齊全的衛星系列，以遙感衛星、通信廣播衛星、氣象衛星等為主構成的四大衛星平台為我國國民經濟的發展插上了騰飛的翅膀。在剛剛結束的“中國工業高科技論壇”上，中國空間技術研究院院長徐福祥在書面報 告中詳細介紹了我國主要人造衛星系列及其套用。他宣布，“實踐”科學探測與技術試驗衛星系列，而“資源”地球資源衛星系列和“北斗”導航定位衛星系列也即將形成。這四個衛星系列共同構成了我國堅固的衛星服務平台。據介紹，四大衛星平台為我國的國民經濟做出了巨大貢獻。返回式遙感衛星在微重力和空間環境條件下的材料、生命科學實驗、太空育種方面取得了可喜的成果；5顆在太空游弋的“風雲”系列氣象衛星的套用在我國天氣預報和氣象研究方面發揮了重要作用；已經發射的6顆“實踐”科學探測與技術試驗衛星主要用於空間輻射環境探測、單粒子效應實驗等科學實驗；我國與巴西合作以及自主研製發射的“資源”地球資源衛星廣泛套用於農業、林業、水利、礦產、能源、測繪和環保等部門；2000年10月和12月，我國成功發射了兩顆“北斗”導航試驗衛星，為全天候、全天時給公路交通、鐵路交通和海上作業提供衛星導航服務奠定了基礎。
