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科技频道 发表于  2017-04-21 14:42:00 4167字 ( 0/58)

天舟一号升空的幕后“安全智慧大师”

4月20日19时41分,我国第一个“太空快递员”——“天舟一号”从海南岛升空,开启它的太空初探索。它将要和特别能坚守的天宫二号尝试新的合作方式,进行三次交会对接。
在这个过程中,中国电子科技集团公司(以下简称“中国电科”)这个“安全智慧大师”对天舟一号进行了全流程、更安全的技术升级和改进,确保日后运送的货物安然无恙地到达。
设备组装:全国产、更安全的系统组件
天舟一号作为我国自主研制的首艘货运飞船,将主要承担货物运输和推进剂太空在轨补加工作。其货物运载量是国外货运飞船的3倍,在功能、性能上都处于国际先进水平。
为了让这一“高重量级”的“快递员”安然升空,中国电科为其配备了全国产、更安全的全新“神经系统”、“神经网络”和“神经元”等,绝对是精彩亮相。
本次天舟一号任务中,中国电科研发了数字信号传输光模块这一“神经系统”,首次在航天工程上应用,完成飞船舱内视频、监控、语音信号数据的传输。
“数字光模块好比人的神经系统,控制着数据的发送、传递、接收。比如飞船从宇宙空间采集到的图像数据、地面控制台与飞船之间的通话、交汇对接时的传感数据都是由数字信号传输光模块完成。”中国电科数字光模块专家罗洪说。
据悉,以往飞船通常应用铜缆传输信号,但因为体积大、重量大、传输距离短、传输速率低、抗干扰能力差的缺点,一直制约飞船发展。“在未来空间站的建设中,由于数据吞吐量的急剧加大,不采用数字信号传输光模块,空间站将不堪重负。”
中国电科研制的数字信号传输光模块与传统铜缆传输系统相比,重量降低到原有的十分之一、体积减小五分之一、传输速率从兆比特量级提高到吉比特量级、空间抗辐射能力达到高轨运行能力等优势,实现了产品的抗辐照、小型化、温度适应性强、高灵敏度和高速率性能,成功解决了空间飞行器信号传输设备的小体积与小重量设计需求,提高了信号传输速率,有效提升了空间飞行器信号传输性能,可靠保障空间飞行器运行。
在天舟一号的推进舱和货物舱内遍布电子控制系统,这些犹如它的的“大脑”和“神经”,精准控制着天舟的每一个动作,捕获、缓冲、拉近,分毫不差、精准无误。在精细、庞杂的电子控制系统中,中国电科贡献了两颗重要的核心芯片——抗辐射加固1553B总线控制器,应用于天舟数管分系统,作用功能是实现数据命令的可靠传输及部分设备的有效控制,犹如天舟一号的部分“神经网络”,发出无数的支线数据命令,实现各个神经、器官的数据通信,共同完成天舟的各种动作。
中国电科专门针对芯片中的存储器、触发器等薄弱、敏感单位进行逻辑层面的抗辐射加固设计,同时在版图设计中进行单独全定制设计,实现了最终抗总剂量能力达到国际先进水平。这就相当于在无尽的太空中,从各个方向、各个距离的带电粒子的打击,而经过抗辐射加固的芯片则是一个肌肉发达的“拳击手”,能够承受多次打击而屹立不倒。
同时,中国电科为天舟一号配套了100%全国产自主研发的10余种70余只传感器、多组光缆及光纤连接器这些关键“神经元”,实现了核心器件自主可控。其中,传感器遍布飞船的热控、推进、环控生保等分系统,配套种类包括压力、温度、湿度、氧气、二氧化碳、离子感烟、差定温等传感器,可实现环境监测与控制及飞行姿态调整等。光缆及光纤连接器用于光端机和光探测器之间光路的通信互连及数据的高速双向传输,保证飞船在轨运行期间数据传输的稳定性和可靠性。
此外,在“天舟一号”任务配套中,中国电科立足自主创新,研制出了国内首款应用频率达到40GHz的微波传输端子及外壳,首次研制成功100VDC/DC电源和EMI滤波器,使载人航天工程中将航天器母线电压提升到100V,有效提升了载荷能力和供电总效率。
物流监控:海陆空互联的全方位测控
在运送过程中,为了实时捕捉、监控“快递员”的运送轨迹,提供全方位、无死角的视觉盛宴,中国电科安插了“火眼金睛”、“太空侦查员”等,进行全流程“追踪捕捉”,随时查阅“物流”进展。
在物流运送的第一站箭船发射阶段,中国电科安装在运载火箭上的脉冲相参应答机这个“火眼金睛”,可与地面雷达协同完成运载火箭全程实时航迹测量并判定飞行是否正常,直到箭船分离,提供精确的外测数据。该产品是中国电科为“天舟一号”任务专门研制的新型产品,在吸取其它型号运载火箭所配套的脉冲应答机成功经验的基础上,针对海南靶场特殊的应用环境采用了全新的三防设计,大大增强了产品对潮湿、盐雾、霉菌等环境的适应性,具有稳定性好、可靠性高、功耗低、体积小、重量轻、生产性好等诸多优点,为“天舟一号”发射提供了稳定可靠的“火眼金睛”。
第二站是箭船分离,正式开启升空之旅。这时候,地面雷达、测控站、天链卫星、船载统一测控系统这些“太空侦查员”纷纷扮演太空运行的数据“中转站”,开始了新一轮的“物流侦测”。地上,在三亚有我国首部雷达探测和遥测一体化测量雷达,从海南发射中心到祖国最南端,从浩瀚的太平洋到非洲西南端,再回到祖国西部重镇,遍布中国电科部署的统一测控系统;海上,在远望五号、六号、七号船上,遍布中国电科船载统一测控系统。其中,在“远望七号”上安装了中国电科新研的最新一代精密测量雷达和远望七号测量船卫星通信系统,首次参加天舟一号任务保障。精密测量雷达突破了雷达与C频段统一测控系统一体化设计、船摇稳定、高精度测量等多项关键技术,技术水平国内领先。卫星通信系统新研制的宽带终端、监控管理系统和自动化测试系统,首次实现了宽带数据传输、设备自动化智能管控、信号自动化监测和测试,提升了整船的管控能力和技术水平;天上,天链一号中继卫星系统通过四颗在轨卫星、三个地面终端站组网运行,突破了单星跟踪双目标、双星接力跟踪、多星组网运行等关键技术,能够对全球200公里以上、2000公里以下空间的全轨道近100%覆盖。由此,通过海、陆、空三地通信测控网的配合互联,实现对飞船位置和姿态的掌控,完成指令上注。
第三站就到了图片回传阶段。这一阶段是向国内外各关注物流进展的“用户”提供图片欣赏。中国电科研制的天地数字电视地面系统,承担着飞船和地面图像的编解码任务。在飞船的待发段、运行段、交会对接段、组合体运行段的舱内外工作场景,对接段的整个对接过程、飞船撤离的过程图像均由天地图像终端完成。在天舟一号任务中,天地图像终端将首次实现全高清图像(1920x1080)的实时解码显示,提供天舟一号运行期间全部高清图像的解码显示。清晰的图像最终由实况电视系统传出,它是各级指挥员对载人飞船实施可视化指挥的重要手段。通过实况电视系统可以在飞控大厅观看发射实况,及时了解发射过程,并将高质量的图像素材提供给中央电视台等媒体转播。实况电视系统的主要功能是完成载人飞船待发段和上升段关键场景实况信息的获取、处理、显示和记录,同时完成相关图像至北京飞控中心的传输任务,为指挥员提供清晰直观的现场信息。
到达验证:更广的视角、更精准的测量
到达太空后,对“天舟一号快递员”的考验才刚开始,为方便日后送货“摸清门道”,此次,“天舟一号”要与天宫二号进行为期半年的合作与驻留,并完成三次交会对接,为后续货物顺利验收打下坚实基础。
第一次对接是“天舟一号”发射两天后,进行首次交会对接,跟天宫二号形成组合体,测试飞船对组合体的控制能力;二次对接是绕飞对接,飞船从另一侧与天宫二号进行二次对接,完成绕飞试验;三次对接是验证自主快速交会对接技术,要求两个航天器在6个小时左右实现对接。
在交会对接过程中,发挥关键作用的是中国电科研制的激光交会对接雷达。
“在对接过程中,两个飞行器飞行速度为7.9公里/秒,要在如此速度下完成绕飞对接和快速交会对接,这就要求激光雷达始终保持较为宽广的视角和更高精度的测量跟踪。”中国电科激光雷达总师屈恒阔说。
在交会对接过程中,激光雷达作为作为货运飞船交会对接穿针引线的“眼睛”,在天宫二号与天舟一号交会对接接近段和靠拢段及绕飞过程中,必须迅速准确地完成对天宫二号目标飞行器的搜索、捕获、跟踪测量,确保飞船空间交会自动对接、组合体飞行、绕飞、快速交会对接等任务的成功实现。飞行器太空对接要做到百步穿杨,特别是在绕飞过程中实现“不眨眼”,更是难上加难,这就要求激光雷达作为天舟一号的“眼睛”,具备广阔的视野,精准的测量。
基于此,中国电科对激光雷达进行了两大技术改造,首先增加了多对接口和绕飞过程中的目标识别功能,根据绕飞任务的特点,提出了目标能量匹配和目标空间站布局相结合的目标识别方法,在有限的资源条件下,在二期技术基础上以最小的更动完成了激光雷达新扫描体制、多目标切换和多目标识别功能的实现,并设计了室内、室外、高点等试验验证方案,从机理、绕飞静/动态过程、极限条件等各个方面对绕飞方案设计的正确性进行验证,完成了绕飞功能的设计、相关试验验证。
其次,对雷达的空间长寿命进行提升。本次天舟一号任务为期半年左右,对激光雷达的在轨寿命和可靠性提出了更高的要求。中国电科对空间环境下的薄弱环节进行反复查找,加强了技术状态管理控制,在满足对目标快速跟踪和高精度测量的基础上,对测试数据进行了全面纵向和横向的对比,用数据确保在航天动平台上的高安全性和高可靠性。
在同等体积重量功耗下,中国电科的激光雷达工作范围比国外同类产品增大了两倍以上,实现了全范围内高精度测量跟踪。
“激光雷达是交会对接接近段、靠拢段、绕飞过程中精密测量不可缺少的手段,将直接推动我国载人航天进入空间站研制阶段。后续,激光雷达将广泛应用于各飞行器交会对接领域,为未来空间站、载人登月、深空探测等任务保驾护航。”

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