这十年,民用卫星技术新第一--科技--人民网
人民网>>科技>>滚动

这十年,民用卫星技术新第一

2012年11月14日01:57    来源:科技日报    手机看新闻

海洋二号卫星

  ●8年16星,北斗区域卫星导航系统建设完成,多项技术具备“中国特色”

  ●资源三号卫星实现了我国民用高分辨率测绘卫星领域零的突破

  ●海洋二号卫星实现了我国卫星遥感能力水平的巨大提升,推动了我国卫星研制技术和管理水平的跨越式发展

  十年来,我国航天事业蓬勃发展,百余颗中国制造的卫星被送上太空,在蔚蓝的地球周围织成了一张庞大的“中国网”。

  如今,我国卫星领域已形成导航卫星、气象卫星、海洋卫星、通信卫星、地球资源卫星等系列化卫星体系,其作用早已渗透到人们日常生活的方方面面,它们能帮助人们引路报时、搜索矿藏、观测气象、预警灾害、通讯广播……在国民经济建设中起到了重要作用。

  卫星数量迅速增长的同时,中国卫星在技术上更是不断创造“新第一”,一次次将我国航天技术推上新的高峰。

  北斗区域系统开创我国卫星导航系统建设新第一

  2012年10月25日23时33分,我国第16颗北斗导航卫星在长征三号丙火箭的有力托举下呼啸升空。随着它在太空棋盘上的最后落定,北斗区域卫星导航系统建设全部完成,百姓离北斗导航时代越来越近。

  1994年,我国正式拉开了北斗导航系统建设的大幕。2000年10月31日和12月21日,北斗试验卫星01、02星先后发射,创造性地利用两颗地球静止轨道卫星实现了区域导航定位。2003年12月15日,北斗卫星导航定位试验系统正式开通运行,成为继美国的GPS和俄罗斯的格洛纳斯系统之后,全球第三个建成并投入使用的卫星导航定位系统,实现了我国卫星导航定位系统从无到有的突破。

  与此同时,我国也已开始了新一代北斗导航系统的研制。

  2004年,北斗区域卫星导航系统工程正式立项,各项工作全面启动。从此时到2007年发射第一颗试验星,该系统用了三年时间奠定了坚实基础,同时创造了航天领域研制管理上的多个“第一”,率先设计并开发了接口数据单管理系统,开创了“集同设计”的先河,第一个提出了“风险分析”的概念……

  至今年10月25日,北斗区域导航系统已完成了所有卫星发射任务,形成了覆盖亚太大部分地区的服务能力,精度可达10米以内。

  导航定位的精度取决于系统的时间精度,导航卫星上装载的铷原子钟便是保障时间精确的关键设备。系统建设之初,国内缺乏铷原子钟研制经验,为了增加可靠性,卫星装载的铷钟2台国产,2台从美国进口。当时进口的产品精度约为10-9秒,即每天误差为十亿分之一秒,高于国内产品。经过几年的艰苦攻关,国产星载铷钟的研制成功突破了国外的技术封锁,不但解决了长寿命设计、空间环境适应性等问题,产品的天稳定度更是进入10-14量级,精度最高的产品甚至与美国GPS最好的星载铷钟技术指标相当。

  除了良好的导航定位性能,北斗导航系统还创造了多项具备“中国特色”的技术。

  为优先满足区域导航需求,北斗星座除4颗MEO卫星外,还包括了5颗GEO(地球静止轨道)卫星以及5颗IGSO(倾斜地球同步轨道)卫星,时刻“注视”着我国及周边地区。然而,要让GEO卫星完全保持星下点不动,需要消耗大量燃料。为最大限度节省燃料,国内专家开创性地提出GEO卫星预留小倾角偏置方法,使其在一个小“8”字上转动,有效提高了卫星寿命。

  “北斗”的另一大特点,是能把导航与通信紧密结合起来,这是其他导航系统所不具备的。一般来讲,导航系统只是告诉用户什么时间、在什么地方,而“北斗”可以为用户与用户、用户与地面指挥中心之间提供双向简短报文通信服务,让用户把自己的情况告诉别人,互相解决“我在哪”和“你在哪”的问题。

  “资源三号”创造我国民用高分辨率测绘卫星新第一

  “‘资源三号’实现了我国民用高分辨率测绘卫星领域零的突破,是我国遥感卫星研制的里程碑。”在2012年7月30日举行的资源三号卫星在轨交付仪式上,有专家如此感慨。该卫星在轨测试结果表明:卫星系统功能和性能全面满足《资源三号卫星工程研制总要求》,关键项目性能优于指标要求。卫星在轨测试期间获取的影像清晰,三线阵、多光谱相机内方位、外方位元素精度保持稳定,经过地面几何检校后,定位精度达到国际先进水平。

  “资源三号”是我国首颗高分辨率光学立体测绘卫星,设计寿命约5年,具有立体测图功能,测图精度高,影像数据量大,处理速度快等特点。该工程于2008年3月经国务院批准研制立项,被列为“十一五”期间我国民用航天的重点科研项目。研制过程中,科技人员坚持自主创新,突破了我国遥感卫星的诸多技术瓶颈,实现了多项国内第一:

  第一次实现我国遥感卫星多角度、多光谱综合立体成像——卫星配置前视、正视、后视三台全色相机,立体测绘成功率达到100%,可同时获取优于2.1米的全色数据和优于6米的多光谱数据。

  第一次使我国卫星遥感图像质量达到国际先进水平——通过星地一体化设计,卫星图像质量大幅提升,几何定位精度达到30米。

  第一次实现我国超高码速率遥感数据传输——该卫星采用450兆双通道,数据传输速度可达每秒900兆,比以往提高了4至5倍。每天接收、处理和存储的数据可达1790GB,实现了我国空间数据传输能力的重大技术跨越。

  第一次实现我国低轨遥感卫星5年设计寿命——通过采用整星三级自主控制体制等技术,使卫星设计寿命由3年提高到5年,大大提升了我国对地观测卫星的应用效益。

  “海洋二号”实现我国卫星研制技术、管理水平新第一

  2012年3月2日,海洋二号卫星正式交付使用,这是我国第三颗海洋卫星。投入使用后,它与已经在轨运行的海洋一号卫星相互配合,分别以微波、光学两种观测手段,将海洋动力环境监测与海洋资源探测相结合,构成空间立体监测系统,进一步完善了我国海洋立体监测体系,大幅提升了我国对地观测卫星的调查和监测能力。

  我国第一颗海洋卫星“海洋一号A星”于2002年5月15日发射,在轨运行685天。2007年4月11日,我国又成功发射了“海洋一号B星”。海洋一号系列卫星均采用的是可见光和红外谱段的光学设备对地成像,主要探测海洋水色信息,在轨期间,获取了大量海洋遥感图像数据,为我国海洋事业作出了巨大贡献。

  “海洋二号”是我国首颗海洋动力环境卫星,采用的是微波遥感技术,可全天时、全天候对海面风场、海流、海浪和温度等海洋要素进行监测,直接为海洋减灾防灾、海上交通运输、海洋工程和海洋科学研究等工作提供技术支持。该工程研制突破了高精度有效载荷、精密测定轨等关键技术,在多个技术领域达到国际先进水平,实现了我国卫星遥感能力的巨大提升,推动了我国卫星研制技术和管理水平的跨越式发展。主要体现在五个方面:

  一是观测精度达到国际先进水平。海洋二号卫星测高精度达8.5厘米,有效波高精度0.5米,风速精度2米/秒,温度精度1.0K,是目前世界在轨运行的重要的海洋微波遥感综合观测卫星;二是卫星测定轨精度达到国际先进水平。通过星上装载的双频GPS、激光角反射器等设备,卫星测轨精度由米级提高到厘米级;三是成功开展了504Mbps星地高速激光通信试验,使我国在星地激光高速数据传输方面达到国际领先,为卫星光通信技术的推广应用奠定了坚实的基础;四是实现了部分关键部件自主研制,提升了我国卫星关键核心部件自主研发能力的发展;五是通过采用航天器数字集成设计系统,缩短了生产研制周期,卫星设计、研制生产过程中全面采用数字化技术,有效促进了我国卫星研制生产信息化水平的提升。

  ■社会效益

  北斗已成国民经济建设“助推器”

  经过多年的发展,我国卫星导航应用产业化水平得到不断提升和扩大,北斗卫星导航定位系统已应用到交通运输、基础测绘、工程勘测、资源调查、地震监测、公共安全与应急管理等国民经济众多领域,在保障船舶安全航行、交通运输、海洋石油勘探、海洋资源调查、海上搜救打捞、海洋和关口工程建设施工等方面得到了广泛的应用,在应急救灾中也发挥了重要作用。

  在交通运输上,基于北斗系统的“新疆公众交通卫星监控系统”、“公路基础设施安全监控系统”、“港口高精度实时定位调度监控系统”等应用推广工作,取得了良好的示范效果。

  在海洋渔业上,建立了基于北斗系统的海洋渔业综合信息服务平台,实现了向渔业管理部门提供船位监控、紧急救援、信息发布、渔船出入港管理等服务。渔民通过渔船上安装的北斗导航仪,不仅知道渔船的行进航线以及周围渔场的位置,寻找将要到某个点的鱼群,渔船和鱼群交汇以捕到大量的鱼,还可以发送短信与陆地上的渔船管理部门取得联系,一旦遇到台风或患疾病需要求救时,一条短信就可以报警,陆地管理部门就可以及时救援或调集附近的渔船展开互救。通过北斗导航,还准确地了解到生产行情,有针对性地制订捕捞计划,选择到哪里捕鱼,捕什么样的鱼。

  在水利上,建立了基于北斗系统的水文监测系统,实现了多山地域水文测报信息的实时传输,大大提高了灾情预报的准确性,为制定防洪抗旱调度方案提供重要的保障。

  在林业上,基于北斗的森林防火系统已成功用于实战,目前已经配备700多台套。

  在气象观测预报上,研制成功了一系列气象测报型北斗终端设备,提出了实用可行的系统应用解决方案,解决了国家气象局和各地气象中心气象站的数字报文自动传输和可视化问题。

  在通信上,成功开展了北斗/GPS双模授时应用示范,突破了光纤拉远、抗干扰螺旋天线等关键技术,研发了一体化卫星授时系统。

  在电力上,成功开展了基于北斗系统的电力时间同步应用示范,为电力事故分析、电力预警系统、保护系统等高精度时间应用创造了条件。

  在紧急救援上,基于北斗系统的导航定位、短报文通信以及位置报告功能,提供全国范围的实时救灾指挥调度、应急通信、灾情信息快速上报与共享等服务,极大地提高了灾害应急救援的快速反应能力和决策能力。

  此外,利用北斗系统进行时间传递和时间同步的研究也取得了丰硕的成果,已经在科学、金融、电力及通信中得到广泛应用。

  上至航空航天,下至工业、渔业、农业生产和日常生活,卫星导航应用技术无所不在,并已成为我国国民经济建设的“助推器”。

  ■未来展望

  “十二五”期间我国将有百余颗卫星发射升空

  随着我国航天事业快速发展,卫星应用产业也在迅速扩大,如今正在成为国家重要战略基石。近年来,北斗卫星导航系统、高分辨率对地观测系统,以及战略性新兴产业等重大专项已经陆续实施,“十二五”期间,我国将有百余颗卫星发射升空、百余颗卫星在轨运行,为卫星应用产业的发展提供更强劲的动力。

  在卫星导航产业方面,目前我国已经形成了完整的产业链,涉足卫星导航应用与服务产业的厂商与机构超过5000家,2011年卫星导航产业市场规模达到1000亿元左右。随着该行业的迅猛发展,市场规模还将不断扩大。按计划,今后我国还将陆续发射组网导航卫星,不断提升系统服务能力,扩大覆盖区域,到2020年,将建成由30余颗卫星组成的北斗全球卫星导航系统。届时,国内卫星导航产业总产值有望跃升至4000亿元,将成为国民经济新的重要增长点。

  高分辨率对地观测系统是我国重大科技专项之一。目前该系统各项研制和试验任务正在顺利进行,计划2013年开始陆续研制发射新型卫星并投入使用,在2020年前后全部建成。该系统的实施,将为我国现代农业、防灾减灾、资源环境、公共安全等重要领域提供信息服务和决策支持,满足国家经济建设和社会发展的需求,对于促进我国空间基础设施建设、培育卫星应用企业集群和产业链、推动卫星应用和战略性新兴产业发展均有重大意义。

  随着我国现代化建设的稳步推进,防灾减灾、应对气候变化以及经济社会的发展对天气气候资料的需求也越来越迫切,发展气象卫星综合探测能力,提高定量应用水平,已成为气象卫星发展的必然趋势。未来10年,我国计划发射13颗气象卫星,无论在规模和质量上都将有长足的发展。按照计划,将在2015年前建立以风云二号、风云三号系列卫星为代表的高、低轨道双星业务观测网。到2020年实现静止气象卫星的升级换代,极轨气象卫星上午星、下午星和降水测量雷达星三星组网观测,在自然灾害、环境、农业、生态、海洋等方面的监测能力将明显加强。2030年前实现我国第三代太阳同步和静止气象卫星的组网观测,形成全球观测系统。届时我国气象卫星将在提高气象预报预准确率、应对气候变化、防灾减灾、经济社会可持续发展、保障国家安全以及提升我国国际影响力等方面发挥更显著的效益。

  通过海洋卫星,我国海域动态监视监测管理系统逐步建立和完善了海域使用疑点疑区遥感监测、区域用海规划遥感监测以及重大建设项目遥感监测的长效机制。按照规划,2020年前我国将发射8颗海洋系列卫星,包括4颗海洋水色卫星、2颗海洋动力环境卫星和2颗海陆雷达卫星。届时,我国将能进一步实现对海上目标的监视,同时满足在恶劣海况下对海上溢油等灾害应急、海洋权益维护保障、海域和海岛监管等监测和监视的需求。

  除上述领域外,随着我国应用卫星体系的不断健全,“智慧中国”和“物联网”等新概念的提出和实施,我国信息化建设将得到有力促进,卫星应用产业市场前景可观。

  ■延伸链接

  新一代风云卫星突破多项国际先进技术

  2012年1月13日,我国自主研制的静止轨道气象卫星风云二号07星成功发射。它将择机接替目前在轨超期服役的同类卫星,对确保中国静止气象卫星观测业务的连续稳定运行具有非常重要的意义,并将进一步提高我国对台风、暴雨、大雾、沙尘暴、森林火灾等灾害的监测预警能力。

  自1988年发射第一颗气象卫星——风云一号太阳同步轨道气象卫星至今,我国已成功发射了12颗气象卫星,目前7颗卫星在轨稳定运行。中国风云卫星逐步完成了从试验应用型向业务服务型的转变,形成了区域高频次观测和全球观测的格局,实现了业务化、系列化的发展。

  风云系列卫星在研制过程中,突破了多项国际先进的关键技术。与第一代极轨气象卫星风云一号相比,新一代极轨气象卫星风云三号实现了从单一遥感成像到地球环境综合观测、从光学遥感到微波遥感、从公里级分辨率到百米级分辨率、从国内接收到极地接收、从单星观测到双星组网观测五大技术跨越,填补了国内卫星平台、有效载荷研制等方面的技术空白。近日,风云三号地面应用系统已通过业务验收。

  明年将转入正样研制的新一代静止轨道气象卫星风云四号,相比风云二号也有很大变化。作为高轨地球遥感卫星,风云四号将首次采用三轴稳定姿态控制方式,有一个仪器安装面始终对地球,可以实现大气垂直探测,其观测的时间分辨率和区域机动探测能力大有提高。该星还将安装多通道扫描成像辐射计、干涉式大气垂直探测仪、闪电成像仪和空间天气监测仪器4种有效载荷,可实现多种遥感仪器的综合探测。此外,其设计寿命、卫星功能及技术性能指标均有大幅提高。

  我国天地一体化环境监测体系初步建立

  环保部卫星环境应用中心于今年10月24日宣布,“环境与灾害监测预报小卫星星座环境应用系统工程”项目通过验收。该系统的建成进一步丰富了我国环境管理的技术手段,标志着我国天地一体化环境监测体系初步建立。

  我国环境与灾害监测预报小卫星星座计划分两期进行,第一期先建成2颗光学遥感小卫星(环境一号A、B星)和1颗雷达小卫星(环境一号C星)组成的“2+1”星座系统,实现卫星每48小时回访一次,初步形成对灾害与环境进行监测的能力;第二期完成由4颗光学小卫星和4颗合成孔径雷达小卫星组成的“4+4”星座,实现对中国乃至全球灾害与环境的动态监测。

  2008年9月6日,环境一号A、B星以一箭双星方式成功发射。当时,美、欧均已发射多颗环境卫星,但功能比较单一,主要用于执行环境监测任务。而我国针对防灾减灾的迫切需要,在环境一号A、B星立项之初便把减灾功能放在了首位,要求卫星能快速反复监测某一地域,这给卫星研制带来了极大挑战。

  为满足卫星监测环境和灾害时对空间分辨率的苛刻要求,卫星上的主要有效载荷均为针对性研制的新产品,其中“四大武器”CCD光学相机、超光谱成像仪、红外相机,以及亚太空间技术合作项目的Ka频段试验分系统,主要技术指标均达到了国际先进水平。

  环境一号C星是我国首颗民用雷达卫星,也是首颗S波段合成孔径雷达(SAR)卫星。该星的SAR雷达具有条带和扫描两种工作模式,成像带宽度分别为40公里和100公里,单视模式空间分辨率可到5米,距离向四视时分辨率为20米。该星预计将在近期发射。

  东方红四号卫星平台整体性能达国际先进水平

  通信卫星一般需运行在36000千米的地球静止轨道上,对火箭和卫星的要求都很高,目前只有少数几个国家掌握了通信卫星的研制和发射技术,中国便是其中之一。

  1984年4月8日,我国首颗通信卫星东方红二号顺利升空,迈出了我国通信卫星的第一步。1997年5月12日,首颗中容量通信卫星东方红三号的成功发射,使我国通信卫星水平一下跨越了20年。相比上一代产品,东方红三号的转发器数量增加了5倍,设计寿命延长了1倍,并采用了全三轴稳定技术、公用平台设计等当时的新技术。

  为满足长寿命、大容量通信卫星的需求,我国于2001年10月正式批准“东方红四号”平台立项。

  东方红四号卫星平台是我国第三代大型静止轨道卫星公用平台,由电源、测控、数据管理、姿态和轨道控制、推进、结构与机构、热控等分系统组成,全三轴稳定控制方式,具有输出功率大、承载能力强和服务寿命长等特点,卫星整体性能达到国际同类通信卫星的先进水平。该平台采用高效率的砷化镓太阳电池翼和氢镍蓄电池组;通过星上数据管理系统,可自动控制星上正常设备工作温度和进行蓄电池充放电管理;装载了V型动量轮控制系统和星上计算机,能提供更高的姿态和轨道控制精度。它的有效载荷承载能力为595千克,可提供有效载荷功率达8千瓦,设计寿命15年,可用于大容量通信卫星、直播卫星、中继卫星和移动通信卫星等。

  至今,我国已先后发射基于该平台的“鑫诺”、“中星”等系列共9颗卫星。

  目前,我国已开始研制东方红五号超大型卫星平台。该平台将使用二次展开十字太阳翼、桁架结构、电推技术等多种先进技术,具有更强的电力供应,能携带更多载荷,将是中国未来主力大容量通信卫星平台。

(来源:科技日报)



24小时排行 | 新闻频道留言热帖