北斗－3卫星的创新和技术特点

谢 军 王金刚 （中国空间技术研究院）

北斗－3卫星的创新和技术特点

谢 军 王金刚 （中国空间技术研究院）

Innovation and Technology Characteristics of Beidou-3

“北斗”卫星导航系统是国家重要的空间基础设施，是我国重大科技创新工程、军民融合工程和应用服务工程，可为各类用户提供高精度、全天候的定位、导航与授时服务。2012年12月27日，我国政府宣布北斗－2卫星导航系统正式对我国及亚太地区提供区域服务。近5年来，系统运行稳定，应用领域越来越广。

2017年11月5日，由中国空间技术研究院研制的北斗－3首批组网中圆地球轨道（MEO）卫星以“一箭双星”方式在西昌卫星发射中心发射升空，卫星成功入轨，标志着我国“北斗”卫星导航系统建设工程开始由北斗－2系统向北斗－3系统升级，北斗－3卫星组网建设迈出了坚实的第一步。

相对于北斗－2系统，北斗－3系统的服务区域实现了从中国及亚太地区向全球覆盖的跨越，同时，在用户导航定位的服务精度、信号连续性、系统可用性等方面也实现了大幅提升。

作为北斗－3系统的空间段组成部分，其创新和技术特点是整个工程系统的核心和关键。本文从卫星技术状态的角度，梳理总结了北斗－3系统的创新和技术特点。

1 采用了导航卫星专用平台

北斗－3卫星平台化设计在保证卫星总体设计架构稳定的基础上，可为系统后续功能和需求拓展提供更大的适应能力。

北斗－3中圆地球轨道卫星采用新型的导航卫星专用平台，该平台采用桁架式主承力结构、单组元推进系统、综合电子体系和全调节供电系统，具有功率密度大、载荷承载比重高、设备产品布局灵活、功能拓展适应能力强等技术特点，适于采用运载火箭加上面级“一箭多星”直接入轨的发射方式。该卫星平台承载能力1100kg以上，卫星设计寿命大于10年。

桁架主承力结构由星箭分离接头、舱间连接接头和桁架杆件、结构板等组成。桁架由先进的复合材料缠绕而成，桁架与连接接头采用铰接连接。星箭对接接头进行加强设计，满足最大发射载荷承载要求，同时采取特殊设计以减弱对星箭分离冲击传递，降低星箭分离冲击对卫星的影响。桁架杆件间采用铝蜂窝结构舱板连接，最大限度地扩展仪器设备安装和布局，卫星结构基频、静态载荷满足运载火箭各种工况要求。

采用液体单组元推进系统，通过落压工作模式，贮箱携带氦气作为推进剂的挤压气体，液路采用双分支备份方式，利用推力器组件实现卫星三轴姿态和轨道控制。

卫星平台电子系统采用综合电子体系设计，实现对整星的信息综合与控制，包括姿态控制、能源管理、配电、热控、遥控、遥测、时间系统、故障处理等功能，主要由1台中心处理单元和多台综合业务单元及1套数据总线组成。

卫星采用全调节单母线供配电系统，配置150Ah的锂离子蓄电池组和三结砷化镓高效太阳电池，通过高效电源控制单元实现一次电源的全调节控制。采用顺序开关分流调节的拓扑结构，通过误差信号采集，实现蓄电池放电、充电及顺序分流工作模式下母线电压的调节。

2 采用了新型导航信号体制

卫星导航信号是卫星传播位置和时间信息的载体，又是测量位置和时间的标尺，是卫星系统提供定位、导航与授时服务的关键，其质量是衡量导航卫星水平和工程系统服务性能的重要标志。

为了进一步改善“北斗”导航卫星信号的性能，提高信号利用效率和兼容性、互操作性，北斗－3卫星下行导航信号在继承和保留部分北斗－2系统导航信号分量的基础上，设计采用了以信号频谱分离、导频与数据正交为主要特征的新型导航信号调制体制，优化调整信号分量功率配比，提高下行信号等效全向辐射功率（EIRP）值，实现了信号抗干扰能力、测距精度等性能的显著提升，为信号扩容提供了基础。同时，卫星系统具备下行导航信号体制重构能力，可根据未来发展和技术进步需求进一步升级改进。

在“北斗”系统全球服务范围内，系统在继承和保留北斗－2卫星B1I、B3I信号的基础上，新增了B1C公开信号，并对B2信号进行了升级，采用新设计的B2a信号替代原B2I信号，实现了信号性能的提升，同时充分考虑了与其他卫星导航系统的兼容与互操作。

B1C信号是北斗－3卫星新增的公开服务信号，位于B1频点（1575.42MHz），适用于民用单频用户，包括导频和数据2个信号分量。其中，导频分量采用QMBOC（6,1,4/33）调制方式，不传递数据信息，仅用于测距导航，具有更强的抗干扰捕获跟踪特性，有利于改善用户在弱信号和干扰条件下使用体验；数据分量采用BOC（1,1）调制方式，具有50bit/s的信息速率，基本电文信息和完好性信息调制在数据分量上以B-CNAV1电文格式面向用户播发，符号速率100符号/秒，播发周期18s。新增的B1C信号具有与GPS/Galileo互操作能力。

B2a信号（1176.45MHz）是北斗－3卫星在B2频点新增的公开服务信号，便于民用双频用户使用，同样包括导频和数据2个信号分量，采用QPSK（10）调制方式，通过数据分量以200符号/秒的符号速率按照B-CNAV2电文格式播发基本电文信息和完好性信息，播发周期3s。B2a信号同样可与GPS/Galileo兼容互操作。

为了确保提升用户服务精度指标，北斗－3系统在工程研制过程中，制定了专门的措施，通过对下行导航信号的时域、频域、相关域等方面性能参数的控制，全面提升了播发导航信号的质量特性。

3 采用了更高精度的原子钟

作为导航卫星核心部件，星载原子钟的性能指标，特别是稳定度和漂移率是卫星的关键指标，对整个卫星导航系统的服务性能有直接影响；同时，作为星载设备，对原子钟的小型化和集成度方面也提出了越来越高的要求。

北斗－3卫星上采用了我国自主研发的更高稳定度、更小漂移率的新型高精度铷原子钟和氢原子钟，实现了卫星时频基准性能指标的大幅提高。铷原子钟产品具有较高的技术成熟度，对卫星的功率、质量等资源占用较少，首批组网的2颗中圆地球轨道卫星均采用了铷原子钟产品。相对北斗－2采用的第一代国产铷原子钟，其产品体积、质量方面大幅降低，北斗－3星载铷原子钟电路设计与温度控制进行了优化，物理部分的设计和生产过程控制更加精细化，保证了铷原子钟的稳定度指标大幅提高。星载铷原子钟质量约5kg，频率准确度优于2×10-11，短稳和长稳指标优异，天稳指标优于2×10-14，铷原子钟产品综合水平达到国际领先水平。

北斗－3星载氢原子钟经过关键技术攻关和小型化设计，已具备在轨使用的可行性。在2015年9月试验验证星上星载氢原子钟工作2年来，各项参数稳定，工作性能良好，满足工程系统要求。其频率准确度优于5×10-12，天稳指标达到5×10-15，质量约22kg。

同时，北斗－3星载时频系统增加了卫星钟完好性监测与卫星钟自主平稳切换等功能，多个原子钟保持同步，当主工作原子钟在轨出现故障后，卫星能够自主诊断并平稳切换，保证卫星时频信号的连续性，极大提高了导航信号与服务的可靠性和完好性。

4 采用了星间链路

北斗－3配置了Ka频段星间链路，采用相控阵天线等星间链路设备，实现星间双向精密测距和通信。

通过星间链路相互测距和校时，实现多星测量，增加观测量，改善自主定轨的几何观测结构，利用星间测量信息自主计算并修正卫星的轨道位置和时钟系统，实现星-星-地联合精密定轨，提高卫星定轨和时间同步的精度，进而提高整个系统的定位和服务精度。通过星间和星地链路，实现对境外卫星的监测、注入功能，实现对境外卫星“一站式测控”的测控管理。

星间链路主要包括相控阵天线、收发信机及相应网络协议等控制管理软件。星间收发信机采用时分双工体制，接收和发射采用相同的中心频点。相控阵天线为收发共用天线，发射和接收同频分时工作，根据接收的收发信机分时收发控制信号和指向角度输入值，完成分时收发以及波束扫描，具备在轨幅相校正和时延校正功能。星间收发信机接收天线信号，利用其测距支路完成星间伪距测量；根据链路星间拓扑关系和既定时隙表，利用其数传支路进行星间信息转发。

星间链路网络采用时分多址（TDMA）的通信方式，通过网络协议等控制管理软件，建立测量与通信网络的拓扑结构和数据路由控制。网络协议、路由控制、信息处理、测量通信等控制管理软件具备在轨重构能力。

5 采用交互支持的信息融合技术

北斗－3卫星在轨正常工作运行时采用S频段频点实现星地测控，L频段频点实现星地双星时间比对及卫星无线电导航业务（RNSS）的上行注入运行控制管理，Ka频段频点实现星间测距及通信。

经过对北斗－3整星信息流梳理分析，通过采用星上信息融合设计，打通了功能相对独立的各链路之间的信息通道，通过网络协议约定，实现了S、L、Ka频段频点之间的信息交互备份，拓展了卫星上行能力，提高了系统可靠性。

对于L频段运控上行链路和S频段星地测控链路之间的信息通道，卫星可自动识别S/L频段互备信息，并按照上注信息要求实现对L和S频段上注信息的正确分发使用，增加了上行注入的备份信息通道；对于Ka频段上注通道，通过将卫星和地面站作为统一的建链目标进行统一规划设计，实现星间和星地信息的互传，可作为S和L频段频点的应急上注通道使用。同时，在信息帧格式设计时也充分考虑了Ka频段频点和S/L频段的信息格式统一性，减少了复杂的格式转换。

6 星载产品实现了国产化和自主可控

“北斗”卫星导航系统是我国重要的国家基础设施，其应用范围广泛，对国家经济、社会和国防安全至关重要。

为了保证“北斗”卫星导航系统安全、持续、稳定发展，连续可靠自主运行，摆脱受制于人的被动局面，北斗－3卫星系统坚持国产化与自主可控的原则，从关键元器件和部件产品两方面重点开展国产化攻关，加强试验和使用验证，从根本上解决制约工程建设的瓶颈问题。

卫星上一些长期依赖进口的关键部件产品，包括电源控制器、测量敏感器、行波管放大器、固态放大器、大功率微波开关和高性能原子钟等，均通过多家研制单位的努力，实现了国产化和自主可控。

星上大量应用的CPU、DSP、FLASH、高速A/D和D/A器件等核心元器件，也在地面通过了元器件级和板级应用验证，并在轨得到应用，实现国产化。

7 具有拓展其他功能试验的能力

北斗－3中圆地球轨道卫星作为新型的导航卫星专用平台，在支持时频系统、基本卫星无线电导航业务、星间链路等载荷的基础上，在平台承载能力、设备产品安装、布局面积、功率余量、热控及散热面、遥控数据传输接口等方面，均有一定的扩展余量，可用于支持开展其他与时空基准相关的功能拓展技术试验的能力，支持“北斗”卫星导航系统下一步的持续升级。

北斗－3中圆地球轨道卫星采用综合电子体系设计，通过卫星上增加位置报告信息接收机，接收地面用户发送的上行信息（含位置信息），利用星间链路传回境内卫星后下传地面站，完成信息入站；同时，全球用户可具备接收地面系统发送的电文信息的功能，利用星间链路接收出站信息，实现将位置报告和短报文服务扩展到全球范围。

通过增加空间探测载荷，可利用全球星座系统对“北斗”卫星工作轨道的高能粒子、等离子体分布和演化规律等空间环境特性进行探测研究，为提高星座运行可靠性提供直接数据。

8 小结

随着北斗－3首次组网中地球轨道卫星“一箭双星”发射成功，北斗－3卫星导航系统组网建设已经驶入快车道。北斗－3系统工程将建设成为我国“独立自主、开放兼容、技术先进、安全可靠”的全球卫星导航系统，实现“服务全球、重点突出、富有特色、局部领先、平稳过渡”的总体任务目标，形成基本导航、位置报告、星基增强三大服务能力，满足陆、海、空、天等各类军民用户定位、导航与授时，以及位置报告等使用要求，推动我国卫星导航产业的蓬勃发展，助推我国由航天大国向航天强国迈进。