小衛(wèi)星發(fā)展策略分析

+ 白照廣　航天東方紅衛(wèi)星有限公司

小衛(wèi)星發(fā)展策略分析

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20世紀90年代，國際小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展方興未艾，以美國為代表的“快、好、省”小衛(wèi)星發(fā)展技術(shù)倡議成為眾多國家追隨的對象。在此大潮推動下，中國空間技術(shù)研究院在“八五”期間適時安排了小衛(wèi)星公用平臺的技術(shù)研究課題。研發(fā)中提出了充分利用現(xiàn)代微電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及軟件技術(shù)的思路及整星集成化星務管理的理念，通過在各分系統(tǒng)控制設(shè)備中推行嵌入式管理執(zhí)行單元(MEU)，實現(xiàn)中心計算機與各分系統(tǒng)的信息連接，達到衛(wèi)星功能集成與分散控制的有機結(jié)合，從而實現(xiàn)全星資源與信息統(tǒng)一管理。

1996年8月，實踐五號衛(wèi)星開始立項研制，研制中應用了公用平臺預研成果，由此建立了CAST968小衛(wèi)星公用平臺系列，1999年衛(wèi)星發(fā)射；在此平臺技術(shù)基礎(chǔ)上，又細化、分離出了高姿態(tài)控制精度的CAST2000平臺，首顆星試驗二號衛(wèi)星于2004年發(fā)射；2009年微小衛(wèi)星平臺CAST100首顆星希望一號發(fā)射。截至2014年底，中國空間技術(shù)研究院已經(jīng)發(fā)射了51顆微小衛(wèi)星，仍有45顆衛(wèi)星在軌穩(wěn)定飛行，累計飛行壽命超過150年，在軌小衛(wèi)星數(shù)量已經(jīng)達到中國衛(wèi)星數(shù)量的近三分之一。

伴隨著小衛(wèi)星的發(fā)展，中國海洋水色遙感衛(wèi)星、環(huán)境與災害監(jiān)測小衛(wèi)星星座、實踐衛(wèi)星系列、測繪衛(wèi)星等一大批衛(wèi)星系列得以發(fā)展，拓展了中國航天技術(shù)的應用領(lǐng)域，促進了衛(wèi)星應用行業(yè)水平的提升，使小衛(wèi)星在國民經(jīng)濟建設(shè)和國防建設(shè)中發(fā)展了重大作用。

一、小衛(wèi)星發(fā)展啟示

1. 以多用途為目標，構(gòu)建衛(wèi)星平臺

小衛(wèi)星平臺開發(fā)伊始就明確提出是多任務平臺，具備適應不同衛(wèi)星任務的能力，包括適應遙感、通信、科學與技術(shù)試驗衛(wèi)星等任務的能力，適應中低軌道飛行能力。

實踐五號衛(wèi)星設(shè)計中，任務要求只需要進行對地三軸穩(wěn)定和慢旋。但設(shè)計時完全立足公用平臺思路，以勝任不同任務需求開展了設(shè)計，如采用平臺和載荷設(shè)備分艙設(shè)計、具備擴展能力的星上網(wǎng)設(shè)計和多姿態(tài)控制模式設(shè)計等，并為驗證平臺能力，在軌實施了對地三軸穩(wěn)定、對日穩(wěn)定及對日慢旋等多種任務模式，為應對后續(xù)不同任務奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2. 采用柔性設(shè)計，適應多任務需要

柔性設(shè)計是將不確定的要求進行處理，轉(zhuǎn)化成效能優(yōu)化的、確定性策略，或者是用確定性設(shè)計應對不同需求的設(shè)計策略，強調(diào)的是靈活性和適應性。采用狀態(tài)固定的設(shè)計應對不同任務必然要求衛(wèi)星平臺設(shè)計包絡(luò)要大，且一步就能做好適應各類任務是不現(xiàn)實的。即使能實踐大包絡(luò)設(shè)計，針對具體任務必然存在一定的過設(shè)計，造成浪費。既要量體裁衣，又要充分利用已有素材的設(shè)計是衛(wèi)星柔性設(shè)計的本質(zhì)。需要把握的是對不確定的要求的趨勢預測和設(shè)計的可裁剪和可擴展性。衛(wèi)星柔化設(shè)計就是對標準化單機產(chǎn)品系進行組合的一系列方案，并進行必要的、最低限度的、可實現(xiàn)的針對性設(shè)計改進，實現(xiàn)滿足個性化需求的整星產(chǎn)品。

3. 性能滾動提升

小衛(wèi)星技術(shù)能力的實現(xiàn)本著成熟先用、新技術(shù)試驗的原則進行不斷的滾動式發(fā)展，平臺能力得到不斷的提升。

通過“八五”小衛(wèi)星共用平臺成果在實踐五號上的應用，開發(fā)了CAST968平臺?；诩夹g(shù)成熟度和投入限制，此時的衛(wèi)星平臺還很初步，是基本型。通過海洋一號A星的研制，衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計更加完善，可靠性得到提高，使得CAST968平臺更加實用。利用CAST968平臺技術(shù)，吸收“九五”小衛(wèi)星預研成果，研制了試驗二號衛(wèi)星，實現(xiàn)了高精度姿態(tài)控制，建立了CAST2000平臺。此后隨著應用需求的不斷增加，一系列技術(shù)得以開發(fā)和應用，小衛(wèi)星平臺能力得到不斷的提升。

4. 大力推行集成設(shè)計

實現(xiàn)衛(wèi)星小的重要手段是集成設(shè)計。

通過集成設(shè)計，使得整星設(shè)備數(shù)量大大減少，實踐五號衛(wèi)星平臺設(shè)備數(shù)量只有48臺，海洋一號衛(wèi)星平臺加上數(shù)傳設(shè)備數(shù)量僅有67臺，遠遠低于傳統(tǒng)衛(wèi)星動輒上百臺的配置要求，因此集成設(shè)計是小衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)“小”的主要途徑。

5. 低配置高可靠設(shè)計策略

利用磁控技術(shù)輔助進行姿態(tài)控制，減少其他硬件資源。

采用分散供電體制，將集中供電的電源變換器分散到各個功能設(shè)備中，減少了星上設(shè)備配置，同時有利于標準化星上設(shè)備供電接口，有利于衛(wèi)星功能擴展。

采用斜裝推力器安裝策略，實現(xiàn)對噴氣控制的最少冗余。

充分應用軟件技術(shù)進行設(shè)計冗余。在不增加硬件資源情況下，實現(xiàn)中高時間精度控制。

通過可靠性增長提高單機可靠性或置信度。通過通用化小衛(wèi)星單機產(chǎn)品在不同型號中的飛行應用，不斷發(fā)現(xiàn)設(shè)計與工藝缺陷，并通過舉一反三方式使產(chǎn)品可靠性得到很好的提高，在實現(xiàn)可靠性增長的同時，確保了衛(wèi)星可靠性。

采用既作為主承力結(jié)構(gòu)，又作為設(shè)備安裝板，同時具備導熱性能的多功能結(jié)構(gòu)板的設(shè)計減少專用承力筒結(jié)構(gòu)，減小了衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

6. 不斷提升可靠性、安全性設(shè)計水平

采用單組蓄電池組進行全星設(shè)備供電，不但簡化了設(shè)計，而且減小了衛(wèi)星質(zhì)量。為了實現(xiàn)高可靠，采用計算機控制實現(xiàn)蓄電池充放電控制，安全可靠。嚴格控制蓄電池工作溫度，確保在5～10℃。嚴格控制星上負載功能脈動特性，實現(xiàn)電源供給高品質(zhì)。

隨著衛(wèi)星研制數(shù)量的增加，單機產(chǎn)品及整星可靠性得到持續(xù)的增長。單星設(shè)計壽命已經(jīng)從實踐五號的3個月，提升到海洋一號的2年，又繼續(xù)提升到環(huán)境減災一號衛(wèi)星的3年，目前正在開發(fā)國內(nèi)首顆低軌5年設(shè)計壽命的高分一號衛(wèi)星。實際在軌衛(wèi)星最長壽命(實踐六號B)已經(jīng)接近11年。

從整星能源、姿態(tài)、任務能力等安全性核心要素出發(fā)，設(shè)計了姿態(tài)、電源、BAPTA及星務中心計算機等主要異常事件時星上自主安全對策，防止整星陷于更加嚴重的故障中，并導致完全失效。在整星安全對策基礎(chǔ)上，對短期負載和短壽命部件也都進行工作時間安全控制，防止其對整星供電帶來過大負荷或過早消耗設(shè)備壽命的現(xiàn)象，從而有效保障了整星的長期運行能力。

從環(huán)境減災一號A／B衛(wèi)星開始，開發(fā)了具有容錯功能和可注入的相對時間程控指令技術(shù)等，不但可快速剔除過期指令組，而且方便用戶使用，減少地面測控上注數(shù)據(jù)量，大大降低了衛(wèi)星操作風險。

二、未來展望

7. 開發(fā)了一系列小衛(wèi)星專用產(chǎn)品

為了實現(xiàn)小衛(wèi)星輕量化，產(chǎn)品設(shè)計時追求小型化、標準化，開發(fā)了一系列適應小衛(wèi)星特點的產(chǎn)品。包括星務中心計算機、模塊化遙控單元、熱控下位機、模塊化載荷艙下位機、小型化S波段測控應答機、姿軌控中央控制單元、電源控制器、配電器、太陽翼壓緊解鎖與釋放機構(gòu)及太陽翼產(chǎn)品、小衛(wèi)星平臺專用太陽翼驅(qū)動機構(gòu)、660型星箭對接環(huán)標準。

8. 統(tǒng)一設(shè)計，產(chǎn)品化思路

產(chǎn)品化是小衛(wèi)星保證產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)的重要思路，也是平臺快速研制和在軌運行可靠的重要保證。通過統(tǒng)一設(shè)計，實現(xiàn)了不同型號間相同功能設(shè)備狀態(tài)的統(tǒng)一；通過統(tǒng)一單機狀態(tài)和環(huán)境試驗條件，實現(xiàn)了平臺主要單機30件產(chǎn)品的定型；通過統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一合同，實現(xiàn)了星上產(chǎn)品的組批投產(chǎn)；通過建立小衛(wèi)星專用標準，統(tǒng)一了不同型號研制策略；通過統(tǒng)一總結(jié)、互相交流，實現(xiàn)了設(shè)計師隊伍能力的同步提升。

展望未來需求，小衛(wèi)星的發(fā)展還應關(guān)注以下幾個方面。

1)發(fā)展以姿態(tài)快速機動和穩(wěn)定等為核心的敏捷衛(wèi)星技術(shù)，進一步提升高分辨率成像的成像效能，促進高分辨率數(shù)據(jù)的深化應用。

2)發(fā)展以靜磁、靜電等為核心技術(shù)的電磁監(jiān)測衛(wèi)星技術(shù)，擴展小衛(wèi)星在地磁環(huán)境監(jiān)測的能力。

3)發(fā)展以無拖曳、高精度質(zhì)心控制等為核心的重力場測量衛(wèi)星技術(shù)，豐富地球科學測繪方法及為相關(guān)行業(yè)深化應用提供數(shù)據(jù)支持。

4)發(fā)展以快速發(fā)射、低成本等為核心的應急災害響應衛(wèi)星技術(shù)，擴展衛(wèi)星對應急事件的應急通信、遙感等快速響應。

5)發(fā)展以高成像質(zhì)量、低成本的商業(yè)遙感衛(wèi)星技術(shù)，推進遙感事業(yè)產(chǎn)業(yè)化。

6)發(fā)展星座技術(shù)，將小衛(wèi)星星座不斷應用于遙感、通信、科學與技術(shù)試驗等領(lǐng)域。

另外國內(nèi)小衛(wèi)星研制方興未艾，有效協(xié)同發(fā)展，真正實現(xiàn)高效的產(chǎn)學研一體化，共同促進我國航天技術(shù)發(fā)展，共同面對國際市場競爭也是應該關(guān)注的。

三、結(jié)束語

小衛(wèi)星實踐證明，創(chuàng)新是小衛(wèi)星發(fā)展不竭的動力，“快、好、省”的小衛(wèi)星建設(shè)不但順應時代發(fā)展潮流，而且符合中國國情。

注：本文是白照廣總師在2015年小衛(wèi)星技術(shù)交流會上發(fā)表的論文，出版時有刪節(jié)。

出自《2015年小衛(wèi)星技術(shù)交流會論文集》。