美国GPS卫星平台演化发展浅析

肖刚 武向军 周耀华 张彬 袁俊刚 梁峻 （中国空间技术研究院）

美国“全球定位系统”（GPS）经历了GPS－1、2/2A、2R/2RM、2F的发展，目前已启动GPS－3卫星的建设。在GPS卫星发展过程中，随任务功能的增多和性能的提高，卫星平台也经历了不断的演化和发展。

1 GPS－1卫星平台

GPS－1是美国第一代导航卫星系统，卫星由洛克韦尔国际公司（Rock w ell International）防务和空间系统分部（1996年并入波音公司）研制，1978－1985年共发射了11颗卫星，其所有信号均向民用开放。

GPS－1卫星结构板采用铝蜂窝夹层板，设计寿命4.5年，但实际在轨寿命平均达到8.76年，除具有导航功能外，还具有核爆探测和星间通信功能。

2 GPS－2/2A卫星平台

GPS－2/2A是美国第二代导航卫星系统，卫星仍由洛克韦尔国际公司研制，1988－1996年共发射了8颗GPS－2和11颗GPS－2A卫星。

卫星对地面一侧安装了L频段天线、核爆探测器。相对于GPS－1而言，GPS－2卫星的改进主要有以下几方面：设计寿命更长，达到7.5年；卫星具有14天的自主导航能力；电子设备辐射强度增强；具有180天导航信息的存储能力；具有实施选择可用性（SA）和反电子欺骗（AS）的能力；具有误差自动检测能力。

GPS－2A卫星是GPS－2的改进型，采用相同卫星平台，与前者的差别在于星上自主处理能力和星钟精度得到提高，具有180天的自主导航能力，发射质量增加156kg。

3 GPS－2R/2RM卫星平台

GPS－2R卫星由洛马公司研制，采用AS4000平台，装有超高频（UHF）天线，具有14～180天的自主导航能力。1997－2004年共发射13颗。

GPS－2RM卫星由GPS－2R改装升级而成，增加了效率更高的天线，更换部分调制和发射电子设备。GPS－2RM卫星可发射L2C信号，第一颗卫星于2005年发射，迄今共发射了8颗。

卫星构形和布局

GPS－2R卫星均采用承力筒式构形，由承力筒、隔板和多块面板组成。卫星对地面一侧安装L频段天线、超高频天线、S频段测控天线、地球敏感器、太阳敏感器、反作用轮线路组件、核爆探测装置等。其他侧面安装导航载荷设备、平台设备和搭载载荷设备。

控制与推进分系统

GPS－2R卫星采用三轴稳定、偏航控制。变轨采用固体燃料发动机，携带固体燃料约950k g。装有16台推力器，用于姿态调整。

电源分系统

GPS－2R卫星电源分系统由太阳电池翼、蓄电池、电源控制器和火工品控制器等组成。卫星装有2幅太阳电池翼，每幅太阳电池翼由2块板组成。蓄电池为2组镍氢电池，容量为40A·h，卫星在56min的阴影区可提供958W电能，放电深度为60%。电源分系统的母线电压调整和控制继承了GPS－1和2卫星的设计，有3种模式工作：①分流模式，即母线电压通过分流调整器进行调整；②充电模式，即母线电压通过蓄电池充电器作为线性分流回路进行调整；③放电模式，即母线电压通过蓄电池升压回路进行调整。

4 GPS－2F卫星平台

GPS－2F卫星的改进设计主要是为了满足导航战的要求，首先在空间段将卫星信号发射功率提高到原来设计的10倍，军用导航精度从15m提高到7m，增加了另一个L5民用频段。同时，还使用了小功率原子钟，采用星间链路和自主导航新技术，使GPS系统在没有地面控制段支持的情况下，自主运行60～180天，并具有在轨快速重编程能力。

GPS－2F卫星由波音公司研制，共12颗。为提高批量生产能力，采用模块化设计，各种有效载荷配置在2块面板上。GPS－2F卫星主要的设计特点是继承性、灵活性和兼容性，设计寿命延长到15年。

结构及热控分系统

GPS－2F卫星采用承力筒式构型，由主承力筒和各侧面的壁板构成，卫星构型尺寸为2440mm×1970mm×1970mm。固体燃料发动机置于承力筒内，反作用推力模块分布于卫星相对的两侧。后壁板（背地面）外侧安装蓄电池、S频段圆锥螺旋天线，内侧安装反作用轮等设备；前壁板（对地面）安装L频段天线阵、UHF链路天线阵、遥测遥控圆锥螺旋天线、与搭载设备对应的4副L频段天线、组合地敏及其他搭载探测器。±Y板安装有效载荷和平台设备。隔板只作为支撑板，不装设备。卫星采用预埋热管进行温度控制。

推进分系统

GPS－2F卫星采用隔膜式推进剂贮箱，其变轨发动机为固体燃料发动机。

电源分系统

GPS－2F卫星有2副太阳电池翼，每副太阳电池翼包含3块太阳电池板（具备安装4块板的能力），太阳电池板上贴有硅电池片。电源分系统还包含4 组镍氢蓄电池。

平台柔性设计

由于GPS－2F卫星在轨设计寿命为15年，整个项目的全寿命周期将持续30年，其间卫星技术要求可能会发生变化，而且还会搭载其他一些设备，因此GPS－2F卫星平台进行了充分的柔性设计，在质量、功率和布局空间等多个方面都留有一定余量。

火箭运载能力留有136～182kg的余量；每副太阳电池翼可增加到4块太阳电池板，卫星寿命末期电源能达到1200W，这为将来增加另一个民用信号、高轨卫星用户信号和军用信号提供了空间。在布局空间上也为有效载荷扩展留有一定余量。

此外，还在1553数据总线结构、测控通道数量、数据速率（500bit/s～3.9Mbit/s）、存储容量、数据接口、电源接口和星间通信类型等方面留有余量。

5 GPS－3卫星平台

GPS－3卫星包含8颗GPS－3A卫星、8颗GPS－3B卫星、16颗GPS－3C卫星，其中GPS－3A采用A 2100卫星平台研制，设计寿命为15年，合同金额18亿美元，第一颗卫星将在2014年发射。GPS－3卫星将采用“一箭双星”方式发射。

A 2100卫星平台是美国洛马公司的标准平台，包含A 2100A、A 2100A X、A 2100M等系列。A 2100卫星平台电源功率从1.5～13k W，发射质量1000～3900kg，设计寿命13～15年。A 2100平台与GPS－1/2的卫星平台相比，最大的变化在于结构形式不同，GPS－1/2卫星平台采用承力筒式构型，而A 2100卫星平台采用板架式构型，结构效率更高。

A 2100卫星平台具有以下优势：①开放性强，通过标准化、模块化的设计适合载荷较大范围的变化；②碳纤维复合材料结构通过热管将南北散热板相连；③采用了高效的MR－510电弧等离子推进剂，提供比冲585s；④采用了柔性的1553B数据总线；⑤电源分系统可通过增加太阳电池翼基板数量和镍氢蓄电池组数来满足不同载荷配置的要求；⑥采用持续运行的半球形调谐陀螺进行三轴稳定控制；⑦具有15年的设计寿命，考虑损耗因素和空间环境，采用了1.5倍的安全系数；⑧与多种火箭如“宇宙神”（Atlas）、“阿里安”（Ariane）、“德尔他”（Delta）、“长征”、质子号（Proton）具有适用性；⑨经过了严格鉴定试验。

A 2100平台包括结构、热控、推进、电源和姿态测量与控制5个分系统。

结构分系统

A 2100卫星平台结构分为平台模块和有效载荷模块。有效载荷模块包括北板、南板和对地板，3块板构成H型结构，对接在平台模块上。东西面各包含2块面板，作为卫星操作面，因此4块东西板在平台模块和有效载荷模块对接后安装。为了便于移动和隔热，蓄电池安装于平台外表面上。推进剂贮箱和推进设备安装于平台模块上。

GPS系列卫星性能比较

A 2100卫星平台可通过改变主结构高度及散热面积，提供一定的可扩展能力。平台面板采用铝蜂窝碳纤维复合材料，与铝合金及复合材料相比，使主结构质量减轻40%。星箭对接环采用石墨材料。

热控分系统

A 2100平台的热控分系统设计与其他静止轨道卫星类似，主要由光学太阳反射镜（OSR）、预埋热管、隔热多层、热控仪、加热片等组成。采用南板和北板作为散热面。与以往的设计不同的是，南北板通过对地板的预埋热管连接在一起，可以显著降低所需的散热面积。这样连接的优点是：在冬至日，北板被遮挡，南板受照，卫星多余的热量可以由北板散发出去；夏至日则正好相反。

推进系统

A 2100平台采用由双组元液体发动机和单组元推力器组成的双模式集成推进系统。推进系统包括双组元液体发动机、6个单组元22N推力器、12个单组元0.9N推力器、4个电弧推力器和3个燃料贮箱等。

A 2100平台采用二组元液体燃料发动机进行远地点变轨。22N发动机用于卫星变轨其间的姿态调整。0.9N发动机用于轨道转移、在轨工作和东西站位保持时的姿态调整。4个高效单组元电弧推力器（推力0.258～0.222N，比冲为570～600s）用于南北方向的站位保持。

所有姿控和轨道保持推力器均采取全功能备份。

电源分系统

A 2100平台的电源分系统采用70V母线电压，可将能量直接从电池板输送到负载而无需任何中间环节的转换。电源分系统的组件数量大大减少，而可靠性大大提高。功率调整单元（PRU）实行了集成设计，替代了以前的3个功率管理单元，并且双向能源转换器集成了充电和放电模块。在组件的层面上，采用了基于特定集成电路的分布式架构，提高了可靠性。应用性特殊电源模块的使用，避免了大量点对点式的连接，进一步增加了可靠性和工艺性。

姿态确定与控制分系统

A 2100卫星平台采用三轴稳定方式，可采取零动量控制和偏置动量控制。其姿态测量与控制分系统可以连续测量并实时控制3个轴向的位置，由星载计算机、陀螺、地球敏感器、太阳敏感器、反作用轮等组成。A 2100平台的姿态测量和控制能力几乎代表了地球静止轨道通信卫星的最先进水平，可在转移轨道和工作轨道对卫星进行精确定轨和控制。

A 2100卫星平台采用3个半球共振陀螺输出的惯性速率实时估算卫星的姿态。地球敏感器和太阳敏感器组合工作，测量卫星滚动、倾斜和偏航角度值，获得的姿态角经过卡尔曼滤波可以用来修正陀螺的漂移并更新陀螺的估算偏差的基准。陀螺仪的采用使得控制分系统更加稳定，同时由于地球和太阳数据没有直接被卫星控制循环所采用，因此地球和太阳敏感器的扰动对于卫星姿态测量和控制工作状态影响不大。反作用轮采用“4备3”方案，平台上为反作用轮尺寸增加留有一定空间。0.9N发动机用于在轨机动和动量倾斜过程中做精确控制，也同时作为卫星的备用发动机。

6 GPS平台演变的启示

美国GPS卫星从20世纪70年代初开始发射，截至2013年9月，在轨运行卫星31颗，全部为GPS－2卫星。从3种卫星平台的演化历程来看，GPS卫星平台在承载质量、功率、寿命、可靠性和分系统技术等方面进行了大量的技术突破与革新，引领了世界导航系统的发展方向，尤其在卫星平台与关键技术发展上具有一定的借鉴意义。

GPS卫星发展过程中，波音公司承制了GPS－1、GPS－2/2A、GPS－2F，洛马公司承制了GPS－2R，并已获得GPS－3的研制合同，卫星平台选用与承制公司的平台产品种类有关。

综观GPS卫星平台的发展，既体现了较好的继承性，又在平台性能上进行了改进，特别是在新平台研制和选型中会充分吸取以往平台的不足和教训。GPS－2R后的平台研制中进行了充分的柔性化设计，从质量、布局空间、功率、数据接口、存储容量、遥测遥控通道等留了一定余量。

在卫星平台构型方面，从GPS－1到GPS－3卫星，卫星构型从承力筒式发展为板架式；设计寿命越来越长，从4.5年到15年；面板材料从铝合金发展为碳纤维蜂窝夹层。由于卫星功能的增多或性能的提高，从GPS－1到GPS-2F，卫星质量和尺寸越来越大。

从平台构型上讲，导航卫星的未来发展趋势所采用的平台构型以板架式和桁架式较多。由于板架式构形和桁架式构形具有设计简单、质量轻、布局空间大、便于有效载荷扩展、工艺性好等特点，优势突出，已成为国外卫星新平台研制优先采用的结构形式。

从GPS卫星平台技术演化历程来看，相继研发了新型卫星平台或拓展现有平台系列，提升卫星平台能力，主要体现在：①电源分系统。蓄电池从镍镉电池发展到镍氢电池，而且电池容量越来越大；电池片从硅发展到砷化镓，提供的载荷功耗越来越大。从GPS－2到2F，电源供电模式和电源控制设备保持了较好的继承性。②控制与推进分系统。卫星姿态测量从以敏感器为主发展到A 2100平台以陀螺测量为主。GPS－2系列卫星的变轨发动机均为固体燃料发动机，GPS－3系列卫星将采用液体燃料发动机。从GPS－1到2F，推力器均采用单组元肼作为燃料，而GPS－3卫星采用双模式推进系统，即主发动机采用双组元（四氧化二氮、肼），推力器采用单组元肼燃料。③热控分系统。从GPS－1到GPS-2F主要采用热管进行导热，通过在南北板粘贴光学太阳反射镜片进行散热。A 2100的最大变化是南北板的热管穿过对地板相连，提高了散热能力。

因此，未来我国导航卫星除了在已有或在研的卫星平台关键技术上继续突破外，还应注意：①通过载荷需求牵引平台的发展方向，把握好卫星平台的构型与结构形式，可为载荷提供更多更好的在轨服务；②卫星平台的研制要具有较强的适应性、较好的技术发展性和通用性，适应载荷多样化的发展需求；③考虑导航卫星具有快速组网、密集发射的特点，受限于发射能力和成本的约束，减轻卫星发射质量，提高载荷比仍然是卫星设计的优先发展方向，对卫星平台的控制能力、供电能力提出了更高的需求。