新京报讯（采访人员冯雅君）7月5日上午 ， 风云三号03批气象卫星的首发星“黎明星”风云三号E星在酒泉发射中心成功发射 。
作为全球首颗民用晨昏轨道气象卫星 ， “黎明星”风云三号E星备受各国气象专家关注 。 为保障风云三号E星在运行和使用上的全新需求 ， 中国航天科技集团八院各所在前期技术基础上 ， 作了多项适应性创新更改 。
比如控制所为E星平台打造了一名确保稳定驾驶的“金牌司机”；电子所在“公路”上合理再分配了保障车辆快速高效到达目的地的“加油站”；811所则升级供电模式 ， 满足卫星独特的用电需求……
“乘客”调皮也不怕 ， 旋转摆动都能稳
作为一颗晨昏轨道气象卫星 ， 风云三号E星始终运行在地球的晨昏线上 ， 并通过星上载荷——各种仪器设备对地球进行气象观测 。 姿轨控分系统就好比卫星的司机 ， 要稳定地驾驶卫星运行在任务轨道上；载荷则好比乘客 ， 用相机不停地对地球进行拍照 ， 因此需要卫星运行得足够稳 。
但不同载荷有不同的工作方式 ， 有的保持静止推扫成像 ， 有的做左右摆动扫描 ， 还有的则会做往复旋转运动 ， 这些不同频率的运动都会影响卫星的姿态 。 此外 ， 姿轨控分系统的测量单机和执行机构 ， 如红外地平仪、高速旋转的偏置动量轮等 ， 在工作时也会对卫星姿态产生一定影响 。
据了解 ， 风云三号E星安装有10余种有效载荷 ， 活动部件多达32个 ， 是目前所有风云卫星里活动部件最多的 ， 这对卫星平台的高稳定度控制是极大挑战 。
“如此多的活动部件 ， 不仅会对卫星姿态控制产生干扰 ， 还很容易激发太阳电池阵的挠性振动 。 这就好比乘客是一群调皮好动的孩子 ， 他们在卫星上又蹦又跳 ， 不停转圈 ， 偶尔还拽拽司机的胳膊 ， 非常考验司机的驾驶水平 。 ”姿轨控主任设计师刘刚笑着说道 。
为此 ， 风云三号E星姿轨控分系统在继承风云三号D星主体技术方案的基础上 ， 采用了稳态偏置动量三轴轮控的主动控制 ， 以长期保持稳定的三轴对地定向姿态 。 同时 ， 采用双星敏感器姿态确定方案 ， 并改进了控制算法 ， 加入了参数自适应调整功能 ， 在进一步提高姿态确定和姿态控制精度的同时 ， 规避太阳电池阵的挠性振动 ， 使卫星能够始终保持较高的姿态稳定度 。
【公路|“黎明星”风云三号E星成功发射背后，融入了多少前沿科技？】限量“加油站”合理再分配 ， 智解“限速难题”
如果说宝贵的载荷数据是卫星“大脑”的重要“神经元信号” ， 那么数传终端机就是“大脑”的重要记忆中枢 ， 主要负责载荷“神经元信号”的存储、维护和下传 。
由于风云三号E星需要进行全球天气云图探测 ， 而卫星在我国上空飞行时间仅为21分钟左右 ， 因此大量的境外载荷数据需要被完好地记录于卫星内部数传终端机中 ， 待卫星飞回国内上空时高速下传至地面站 。
相比风云三号02批 ， 风云三号E星载荷精度提高了 ， 导致需要存储载荷的数量大幅增加 ， 为了保证天气预报的时效性 ， 只有提升下传速率才能在有限的时间内快速传回全球云图 。
因此 ， 风云三号E星的对地传输速率较风云三号02批卫星整整翻了一倍 。
这对E星的数传终端机的存储设计难度提出了更高要求 。 此前 ， 受限于反熔丝FPGA（可编程逻辑门阵列）的特殊工艺和资源有限的影响 ， 数传终端机从未跑过百兆级的时钟频率 。
据了解 ， FPGA芯片中密密麻麻的时序路径就像是一条条错综复杂的公路 ， 这些公路中既包括中长途的高速公路 ， 也包括短途的城乡公路 。 而FPGA中的每一个寄存器 ， 都是公路“加油站” 。
对于特殊的反熔丝FPGA来说 ， 可供“加油站”的数量非常有限 ， 而根据卫星功能需求 ， 我们需要在“公路”上行车的“信号车”却很多 ， 很容易出现“加油站”在每条路径上分配不协调 ， 进而导致“信号车”无法快速高效到达目的地 。
中国航天科技集团八院电子所的年轻设计师朱迪在主任设计师王敏琪的指导下 ， 从零开始摸索反熔丝设计 ， 攻关该“限速难题” 。 研制团队将限量的“加油站”在“公路”上进行了合理再分配 ， 让每条关键道路拥有最丰富的“加油站”资源 ， 从而大大提高了信号的“行车”速度 ， 成功解决了高速时序设计与反熔丝自身延迟大之间的问题 ， 并在E星数传终端机上得到了应用和验证 。
升级供电模式杜绝能源告急
作为全球首颗民用晨昏轨道气象卫星 ， 风云三号E星的轨道特性决定了其电源分系统与风云家族中的其他卫星不同 。
风云三号E星的太阳帆板会“永远跟着太阳走” ， 一年将有9个月处于全光照期 。 而在每年的5月到7月 ， 卫星进入光照阴影循环工作周期 ， 并且会遇上“模糊阴影”状态 ， 地影时间由短变长 ， 再由长变短 。 “短则几秒钟 ， 长则近20分钟 ， 电源分系统将经受状态转换的考验 。 ”中国航天科技集团八院811所风云三号电源分系统主任设计师徐刚介绍 。
据了解 ， 卫星上共装载有11个有效载荷 ， 每个载荷用电特性及需求各不相同 。 特别是首次装载的载荷风场测量雷达 ， 工作时会对电源供电状态产生扰动 。 卫星轨道特性及载荷要求 ， 让风云三号E星的用电需求较风云三号前一颗卫星增加了20% 。
为避免卫星在长达9个月的全光照期出现能源告急的情况 ， 研制人员升级了卫星的供电模式 。 按照卫星电源分系统的正常工作模式 ， 在光照区 ， 太阳帆板将太阳能转化为电能 ， 供卫星应用 ， 同时为蓄电池储存能量 ， 待到卫星飞至阴影区时使用 。
蓄电池在光照区时刻准备着“上阵工作” ， 一旦参与联合供电了 ， 电池电量电压势必降低 ， 但若是不需要参与联合供电 ， 9个月的长时间搁置状态下 ， 自身又面临着自放电的情况 ， 这些都会对电池的状态造成影响 。 而电源分系统的健康状态决定着卫星的寿命 。
为此 ， 811所研制人员在卫星上采用了两种充电管理机制 。 “在阴影区使用常规的大电流充电方式 ， 相当于快速充电；而在长光照期 ， 采用涓流充电方式 ， 类似于小电流慢充 ， 来弥补蓄电池自身自放电的亏损 ， 保持其荷电态的稳定 。 ”811所风云三号电源分系统主任设计师曹程介绍 。
同时 ， 在充电控制策略上 ， 风云三号E星首次采用了电量计解锁充电电路 。 “电量计用来计算蓄电池整个充放电过程中电池电压的情况 ， 确保蓄电池不会出现过充、过放的情况 ， 这就相当于对蓄电池充电过程进行健康管理 ， 也就能通过蓄电池的情况了解到卫星的运行状态 ， 有利于卫星其他载荷制定合理的在轨用电策略 。 ”曹程说 。
新京报采访人员 冯雅君
编辑 樊一婧 校对 李立军
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