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银河航天徐鸣:银河解密——卫星的本质是一台大型计算机 | CEO专栏

2019年09月10日 11:33 来源:科迈信息网 编辑:admin

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眼下,银河航天首发星发射已步入倒计时阶段,发射卫星不同于其它,错综复杂是它与生俱来的固有属性。

接下来的两篇专栏,我将从地面研制在轨控制两个篇章对银河卫星发射全流程进行细节还原,让卫星不再陌生。

本文为第一个篇章,我想先从卫星的功能切入,说明白为什么卫星的本质是一台大型计算机,其次,我希望把地面制造的重要性和关键点讲清楚,让大家了解向天空中发射一台“计算机”到底难在哪儿。

从本质上来看,卫星即计算机

在讲述卫星发射前的制造工作之前,我们要厘清一个关键问题,卫星是什么?

从某种程度上来分析,卫星的本质是一个计算机,而银河所做的事,正相当于在地面上打磨出一个太空计算机。这或许让人听起来过于抽象,我们可以将这个太空平台具象成IBM的大型机:质量大约200公斤,尺寸约为一立方米。

我之所以会把卫星称之为计算机,主要有以下三个方面原因:

第一,卫星作为软硬兼备的一体机,本身的作用在于为用户服务,它能够接收一些类似于in和out的指令集,也就是说能够快速响应用户服务。

第二,卫星又具备自动驾驶的功能,在太空中,卫星配备的天体敏感器通过敏感天体辐射来测定卫星相对于惯性坐标系的三轴姿态和位置,从而感知自己的运动状态。值得一提的是,卫星还要结合当前的任务要求去控制它的指向,因而,卫星相当于是在太空中进行自动驾驶和实时控制的计算机。

第三,卫星作为一个通信计算机,能够在太空中完成数据的转化和交换。

除了以上几点,卫星作为计算机其实还有一个很重要的维度,即通过加载功能软件实现更好的在轨运行管理控制,从而取代传统更换硬件的升级方式。

以卫星热控功能为例,通常我们在进行温度传感器采集、热控决策与加热器控制时需要一个独立的热控下位机。如今,银河航天将这些合并到通用的平台上,通用平台里运行操作系统和实现热控功能的APP,卫星通过通用平台连接这些传感器和加热器,从而不再需要独立的热控下位机。同样,通过在通用平台里加载姿轨控、星务管理、电源控制等功能APP,也能够去除上述分系统的下位机,最终达到让下位机在卫星中消失的目标。

也就是说,从某种程度上来讲,卫星其实就是在太空中自动驾驶的一台大型计算机,这台计算机不仅能够快速接收指令服务于客户,还能在太空中完成数据的转化和交换,并通过软件的技术创新替代传统的硬件替换。

地面制造篇四大关键点

尽管卫星的本质是一台大型计算机,但向太空中发射这样一台计算机并不容易,仅在克服地心引力进入轨道前,除完成所有机电产品都必需的集成测试外,还需要迈过其他的四道坎儿。

首先,是关于力的方面。众所周知,卫星在升空时要经历加速度冲击和振动的过程,这就要求卫星在结构的设计上要进行增强处理。通俗来说,卫星在制造上要比IBM大型机要结实、粗壮的多,只有这样,才能承受火箭发射时的动载;而能否经受住上述力学环境影响,就要求我们在地面上要对卫星做一系列的振动试验,包括纵向和横向等不同维度试验,是卫星制造时不可或缺的一环。

其次,是关于热的方面。所谓的热是什么?简而言之,是卫星在太空中受太阳影响所承受的温度变化(零下80多度—零上100多度)。在这样的热环境影响下,几乎所有卫星机、电设备性能都会受到影响,这就要求我们必须在卫星温度过高时,将热量散去;在温度过低时,对其进行保温或者加热处理,确保卫星上的设备工作在设定的温度范围。

对于整星热耗小的卫星,其热控制从技术上来说难度相对较小。但对于上千瓦的小卫星平台,重点则在于大功率器件的导热和整星对外散热。为了验证卫星热控制的有效性,我们会在卫星发射前进行热真空试验,通过将热卫星放入真空罐,并对其加热、制冷以及抽真空等太空真实场景模拟,对卫星进行各种工况的热实验,并根据试验数据进行设计或架构上的调整。

接下来,是针对太空粒子辐射做好卫星防护方面的工作。我们都知道,太空是存在辐射的,其中有两种辐射有可能会对电路板造成损伤:其一是重粒子,它会将集成电路打翻;其二则是硅器件的辐射累积效应,这种辐射会一直存在,举个简单的例子,就像原来材质不够好的塑料,在太阳的曝晒之下塑料会发生形变,硅器件也会如此。为此,需要采用宇航级器件,或者为降低成本采用商业宇航级或汽车级等低等级器件,需要对其做辐射防护加固措施。要对低等级器件或加固之后的电路板进行辐照试验,以评估其整个寿命期内长期空间辐射的适应能力。

最后,则是关于EMC(电磁兼容性)方面。对于通信卫星,当众多微波部组件集成到一起时,彼此之间会产生电磁干扰。这有点类似于两部手机放置在一起会产生干扰一样,而在小卫星内部,部件往往都是紧密集成在一起,电磁干扰现象更为严重,这就要求我们在电磁干扰的专业实验和前期设计、仿真和测试的各个环节下足功夫。

在卫星制造中,前期设计、后期的研制与试验三者密不可分,商业航天亦是如此,从时间占比来看,设计和研制、试验占比约为2:1。需要着重说明的是,设计实际上是自始至终贯穿的,它并不是一个阶段就能够完成的任务,而是全路径的。设计给制造画出外骨骼,试验发现制造过程中存在的工艺问题并向设计反馈,设计再进行改进,三者相互迭代、促进。

银河的亮点与优势

除了跨过地面制造的四道坎儿,卫星的发射还需要应对什么挑战?我们认为解决卫星频轨资源供需矛盾至关重要。

从某种程度上来说,银河航天首发星将是国内乃至全球第一个使用Q/V通信频段的低轨宽带卫星。

目前,Ku 频段资源已经趋于饱和,随着频率协调的难度日益增大,国际商业通信卫星通信载荷在继续使用传统 C、Ku 频段的基础上,已经逐步向频率更高的 Ka 频段发展。

可以预见的是,未来商业卫星带宽资源需求仍会继续增长,Ka 频段的资源也会日趋拥挤。而Q/ V 频段作为毫米波频段中最适合开展卫星通信业务的频段,拥有的带宽更宽(银河航天自身所使用的带宽约为5GHz),单个关口站可管理更多的用户波束,这也是有效减少地面关口站数量、控制系统成本的重要手段之一。

其次,银河航天更注重性价比。我们会用相对便宜的器件去实现约为0.05度的控制精度,在规模小的卫星里算得上较为先进的水平。进一步更深层次去分析性价比这件事,你会发现本质还是在于高水准的设计。在这方面,银河航天下足了功夫:航天体制认定的副总师级别2人、研究室主任级别7人、主任设计师20余人,远高于同行水准。

在商业航天未来已至的大环境下,银河航天从成立第一天起,将航天工业从原来的单件模式变成批量模式便是我们的首要战略。这有点像福特做T型车,将依靠手工打磨的汽车变成一个流水线工作。在这个方面,我认为银河航天仍需要两年的时间去脚踏实地的钻研。

下一篇章,我会继续讲述什么是“在轨控制”,以及如何做好“在轨控制”。

(本文作者 | 银河航天创始人&CEO徐鸣;编辑 | 桑明强,来自钛媒体CEO专栏)

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