希望－2卫星及在轨应用

赵志明施思寒孙骥付伟达唐科实李勰李阳朱雪萍窦骄（ 航天东方红卫星有限公司， 北京航天飞行控制中心）



希望－2卫星及在轨应用

赵志明1施思寒1孙骥1付伟达1唐科实2李勰2李阳1朱雪萍1窦骄1
（1 航天东方红卫星有限公司，2 北京航天飞行控制中心）

Hope－2 Satellite and Its In-orbit Application

编者按：

2014年和2015年，全球成功发射了小卫星数量分别为162颗和149颗，所以从整体来讲，小卫星发射活动仍然继续保持活跃，并且从高速增长阶段迈入平稳发展阶段。现代小卫星技术发展日新月异，传统小卫星系统不断更新换代，新兴小卫星已逐步具备业务服务能力，其管理模式也推动了创新，使其成为世界航天器发射群体的重要组成部分和航天高技术竞争的热点之一。为此，本刊特推出“小卫星专题”，以飨读者。

希望－2卫星是航天东方红卫星有限公司应对微纳卫星技术发展，自主研发的皮纳卫星系统，通过其在轨飞行验证，可形成通用化、标准化皮纳卫星产品系列和规范标准；围绕应用型皮纳卫星产品开发与验证，能促进皮纳卫星进一步应用探索与实践。

1　引言

2015年9月20日，长征－6运载火箭在太原卫星发射中心以“一箭二十星”方式将希望－2卫星发射入轨。入轨后卫星顺利开展各项在轨试验，其中希望－2A卫星根据任务需要进行了多批次轨道控制，将轨道高度降低了60多千米。

希望－2卫星通过获取热层大气密度原位数据正向探测大气密度时空分布关系，优化热层大气阻力模型，并结合多频点全球卫星导航系统（GNSS）原始测量数据及卫星激光测距（SLR）、甚长基线干涉测量（VLBI）等多体制精密测定轨试验，反向推演大气密度变化机理，为提高低轨航天器定轨预报精度获取有效连续的实测数据支撑，同时配置空间无线电台，为全球无线电爱好者提供服务。

2　卫星的技术设计

希望－2卫星采用标准化、模块化设计，使用“商用货架产品”（COTS）器件和产品，探索低成本皮纳卫星研制模式；通过单板单机化、整星无缆化、系统开放化及接口规范化的核心设计理念，研制适应不同类型科学载荷的1～50kg皮纳卫星公用平台。

希望－2卫星由1颗20千克级纳星、3颗10千克级皮星及2颗1千克级子星（由皮星在轨分离）构成。卫星运行在轨道高度524km、97.47°倾角的太阳同步轨道，配置了大气密度探测器、双模四频GNSS接收机、甚长基线干涉测量（VLBI）信标机、激光反射器、特高频/甚高频（UHF/VHF）通信机等载荷。利用其上的大气密度探测器，已实现200～460km的大气密度原位测量；利用双模四频GNSS接收机已实现200～524km多频点GNSS原始测量数据测量和下传；利用其上的激光反射器、甚长基线干涉测量信标机和GNSS接收机等载荷，已实现卫星激光测距、甚长基线干涉测量和GNSS联合精密测定轨、轨道预报研究；采用特高频/甚高频通信机建立了空间业余无线电台。

希望－2卫星采用超低功耗智能化接口，通过控制器局域网（CAN）总线和集成电路内部（IIC）总线网络，形成了分布式的信息拓扑结构，各设备以节点形式与星上网构成功能密集、配置灵活的网络系统结构。以整星优化为目标，以硬件资源统一应用、充分发挥软件效用为原则，使卫星各设备的信息流和能源流成为一体化有机整体。

希望－2卫星产品配套矩阵

3　卫星的产品体系

希望－2卫星的纳星、皮星与子星均采用框架式结构，星上所有电子产品严格按照PC104规范进行设计，并统一集成在堆栈内，以104芯公用接插件实现各单机产品电气及通信连接。卫星单机模块产品均按照标准化的要求，从产品体系中筛选配置，开发研制。6颗卫星上配置的单机模块完全通用，并可两两替换。

通过希望－2卫星的研制，开发了一系列规范、标准以及与之相适应的产品，供卫星开发人员选择、应用。目前已涉及8大类别123种单机模块及部组件产品，形成微纳卫星产品与技术体系。

4　载荷及其在轨应用

GNSS接收机

希望－2卫星双频四模GNSS接收机由GNSS接收天线及PC104规格的接收机板卡组成，具有质量轻、功耗低的特点。该接收机能够实现在空间载体上进行多频GNSS信号的采集处理，并对信号进行解调、解算、输出位置、速度、轨道根数、世界协调时间（UTC）及原始测量数据等信息。

通过在轨四频点（同时钟源）原始测量信号解调解算(亚太地区)，进行了“北斗”与GPS系统的融合定轨定位。目前，GPS伪距、相位数据跟踪正常，“北斗”伪距数据正常。GPS伪距数据噪声水平为米级，相位数据噪声水平为厘米级，“北斗”伪距数据噪声水平为米级。使用GPS数据进行定轨计算，基于重叠弧段比较，定轨精度优于分米级，满足项目精度指标要求。

（左图起点为2015年9月26日；右图起点为2015年9月27日）

大气密度探测器

希望－2卫星所载大气密度探测器的功能是监测卫星飞行轨道空间的中性大气密度，获得大气密度的时空分布关系。高层大气密度通过直接测量大气压力（传感器内的感测气压）和大气温度（传感器内气体温度）来获得。电离计用来测量传感器内气压，温度计用来直接测量取样室气体温度，传感器安装在卫星前进方向，在轨连续探测。

大气密度探测器头部安装图

现选取2015年9月29日至10月2日数据进行处理，与NRLMSISE00模式计算结果进行比较，可见两者吻合度良好。其大气密度探测器以同类产品1/10的质量实现了同等的性能，后续还将进一步针对在轨飞行期间的数据进行标校。

大气密度探测器在轨数据分析

甚长基线干涉测量信标机

希望－2卫星所载甚长基线干涉测量信标机由甚长基线干涉测量信标板、高频电缆及甚长基线干涉测量天线（S、X天线）共同组成，甚长基线干涉测量原理是通过发射S、X双频段相干调制信号，与地面接收台站形成多条基线，利用干涉测量原理对卫星进行高精度单点定轨定位。利用北京中心海事站12m天线开展试验。

甚长基线干涉测量信标机信号频谱（上图为通道1；下图为通道2）

该信标机是我国首个应用于低轨卫星的甚长基线干涉测量信标机，后续将深入开展低轨甚长基线干涉测量技术验证。

激光反射器

卫星激光测距是卫星测轨精度最高的测量技术，激光反射器是卫星激光测距的重要组成部分，希望－2卫星所载激光反射器安装在卫星对地面，可以对发射的脉冲激光信号进行反射，使其原路返回，并通过精确测定激光信号往返时间间隔，实现星地距离的精确测量。

激光数据统计结果分析（上图为7237长春站；下图为7821上海站）

通过2015年10月2日全天的卫星星载GPS接收机的载波相位数据进行定轨并得到精密星历，利用激光数据对该精密星历进行检核。长春站均方根为20cm，上海站均方根为11.6cm。激光检核的数据统计结果与GPS重叠弧段的轨道精度基本一致，也验证了基于GPS原始测量数据的定轨精度。

希望－2卫星的激光反射器是我国首批采用分布式结构的激光反射器，该结构的激光反射器具有质量轻、安装灵活的特点，适用于对安装面积要求较为严格的低轨微纳卫星。

希望－2卫星6颗卫星的UV通信机频率表

特高频/甚高频通信机

希望－2卫星所载特高频/甚高频通信机，用作空间无线电台，提供无线电信标信号、线性转发等功能。

信标是将采集数据按20bit/min的速率进行莫尔斯电码编码形成基带信号，并将基带信号转换为发射频段的射频信号通过天线发射。信标机为遥测长期发射工作方式，发射自身和部分卫星的遥测信号。线性转发接收来自地面电台发送的接收频段的载波（CW）、单边带（SSB）、调频（FM）等调制体制的电码、话音和数据，再将接收信号变频到发射频段放大后通过天线发射，下行信号的频谱为上行信号的倒置频谱。

特高频/甚高频通信机主要工作模式为：

1）线性转发与莫尔斯电码遥测信标模式。此工作模式下莫尔斯电码遥测信标按固定周期发送，线性转发功能常开机处于接收守候状态，只要接收到信号即转发发射。遥控接收机也处于常开机接收守候状态，接收到遥控指令可立即处理并应答。

2）下传高速数据模式。此工作模式下莫尔斯电码遥测信标按固定周期发送，下传高速数据发送优先级高于线性转发功能，仅在供电足够的情况下允许同时进行线性转发。遥控接收机处于常开机接收守候状态，接收到遥控指令可立即处理并应答。

希望－2卫星特高频/甚高频通信机是我国首批星载轻小型特高频/甚高频通信机，目前在轨应用效果良好，全球无线电爱好者均可通过频率表所示频段与希望－2通联。

5　结束语

希望－2卫星于2015年9月20日发射入轨后，卫星工作正常，并进行了平台产品的在轨验证，有力地促进形成了通用化、标准化皮纳卫星产品系列和规范标准，目前已经有多颗在研型号选用该平台产品，进行了多体制精密测定轨试验，为提高低轨航天器定轨预报精度获取有效连续的实测数据提供支撑。希望－2卫星同时为全球业余无线电爱好者提供了空间电台服务，目前亚洲、欧洲、美洲及大洋洲等地无线电爱好者已成功通联，效果良好。希望－2卫星的降轨是我国首次试验20千克级卫星的降轨控制，任务的成功完成表明我国已掌握较为精密的微纳卫星变轨技术。

王晓宇/本文编辑