遙感衛(wèi)星平臺與載荷一體化設計綜述

祖家國 吳艷華 楊巖 李壩清 郭崇嶺 藺宇輝 孫德偉 田景峰 王光遠

（1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

（2 北京空間機電研究所 北京 100094）

0 引言

目前遙感衛(wèi)星研制向更高使用效能方向大力轉(zhuǎn)型，衛(wèi)星提升性能指標以及增大載荷規(guī)模的需求越來越迫切。傳統(tǒng)研制模式中，平臺與載荷在構(gòu)型布局上基于接口界面開展設計，發(fā)射段抗惡劣力學環(huán)境、在軌微振動以及在軌光機熱等各專業(yè)仿真分析耦合程度不深，但是隨著整星和載荷規(guī)模增大，必須尋求更加精細化、集約化的設計方法支撐遙感衛(wèi)星總體研制[1-2]，平臺載荷一體化設計是解決該問題的重要手段[3]。近年來，國內(nèi)外各類遙感衛(wèi)星的研制均在不同程度上采用一體化設計的方法，同時也涌現(xiàn)出各種觀點。本文從一體化設計概念出發(fā)，深入探討平臺載荷一體化設計的層級劃分，對比國內(nèi)外遙感衛(wèi)星一體化設計現(xiàn)狀，明確清晰了遙感衛(wèi)星平臺載荷一體化設計的任務目標，可為后續(xù)遙感衛(wèi)星平臺載荷一體化研制提供借鑒。

1 一體化設計理念

一體化設計方法是指一種以產(chǎn)品總體功能性能最優(yōu)為目標，整體考慮設計生產(chǎn)全過程各環(huán)節(jié)，綜合調(diào)度產(chǎn)品研制隊伍，以產(chǎn)品模型信息為載體的設計方法[4-5]。具體落地到遙感衛(wèi)星研制領域，平臺載荷一體化設計方法包括廣義上和狹義上的一體化設計。廣義上的平臺載荷一體化設計是為整體提升功能密度而在技術體制、工作模式上的一體化，形成圍繞敏捷成像、立體測繪、高分辨率成像等方面能力提升，以及光機結(jié)構(gòu)超穩(wěn)定、主被動減振隔振、高精度目標定位、在軌圖像校正等方面提升衛(wèi)星整體總體方案。狹義上的平臺載荷一體化設計則是指平臺與載荷突破簡單固化的技術界面和分工，從光、機、電、熱各專業(yè)開展的多層次、多維度的綜合設計思想和設計方法，其內(nèi)容涉及衛(wèi)星與載荷結(jié)構(gòu)功能一體化、一體化構(gòu)型布局、一體化振動抑制、一體化熱設計、一體化時空基準、一體化光機電熱集成等[3,6]，外部表征為平臺與載荷之間突破單一、簡化的技術界面，雙方深入對方設計核心，形成多專業(yè)的綜合接口，其設計內(nèi)涵如圖1所示。

基于狹義一體化設計內(nèi)涵定義，結(jié)合平臺標準化、模塊化發(fā)展以及遙感衛(wèi)星效能提升的目標，當前平臺載荷一體化設計主要形成兩個設計理念，一是以遙感衛(wèi)星效能提升為目標，圍繞有效載荷光學設計的一體化設計理念，二是基于標準化、模塊化的平臺載荷一體化設計理念。

圍繞載荷的一體化設計理念：圍繞載荷光學設計開展載荷結(jié)構(gòu)和平臺結(jié)構(gòu)布局，以光學有效載荷性能指標為核心開展整星光、機、電、熱各學科功能性能驗證，設計的起點是光學設計，設計驗證的終點是光學指標。

基于平臺的一體化設計理念：圍繞平臺機、電、熱、控制等能力，對平臺開展標準化、模塊化、系列化設計。圍繞載荷在系統(tǒng)性關鍵問題上進行平臺載荷一體化設計，實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)[7]。

要強調(diào)的是兩種技術路線都是一體化設計，一體化設計與平臺模塊化設計并非對立關系，關鍵在按需設計，當遙感衛(wèi)星功能性能指標設計空間較大時，基于平臺設計可以極大地降低時間成本和經(jīng)濟成本。當設計空間被壓縮，基于平臺的設計無法滿足指標要求時，可以采用圍繞載荷開展設計。

2 對設計層級的認識

按照平臺載荷一體化設計技術發(fā)展路線和實現(xiàn)的目標來看，大體上可以分為3個層級，如圖2所示。

圖2 遙感衛(wèi)星平臺載荷一體化設計3個層級Fig.2 The three levels of remote sensing satellite’s IDDP

第一層級，基于接口的一體化設計：雙方具備清晰明確的結(jié)構(gòu)、熱控和電子學接口界面，通過雙方協(xié)商，可以實現(xiàn)部分結(jié)構(gòu)功能的一體化設計。例如一體化遮光罩設計，一體化承力結(jié)構(gòu)設計等，雙方設計獨立性強，協(xié)調(diào)簡單，效率高，其一體化設計思想主要體現(xiàn)在部分功能設計既可作為載荷功能實現(xiàn)載體，也可以作為平臺功能實現(xiàn)載體。

第二層級，基于模型協(xié)同的一體化設計：平臺與載荷共享一個信息模型，雙方對平臺與載荷的功能性能有一定的了解，可以就整星傳力路徑、力學性能、指向以及光學性能各項指標開展部分規(guī)劃，由于模型共享，可以一定程度上壓縮整星規(guī)模，減少質(zhì)量、體積、功耗及成本，但是雙方設計還未完全做到融入對方，從功能性能方面還未實現(xiàn)一體化。其一體化設計思想主要體現(xiàn)在模型共享，結(jié)構(gòu)空間最大化利用，雙方設計模型界面模糊，已經(jīng)基本沒有平臺和載荷的嚴格界面劃分，功能性能有一定整體統(tǒng)籌規(guī)劃。

第三層級，基于功能性能指標最優(yōu)的一體化設計：在模型協(xié)同設計發(fā)展到一定階段以后，雙方設計能力相互影響相互滲透，光、機、電、熱各專業(yè)的總體設計全盤考慮形成最優(yōu)整星方案，實現(xiàn)功能性能指標最優(yōu)。這也是平臺載荷一體化設計的最終目標和最高層級。

以上層級與層級之間沒有明確的界限劃分，通常是為滿足遙感衛(wèi)星設計目標，由系統(tǒng)需要自發(fā)完成的迭代。平臺與載荷設計在指標要求不高，設計綜合較低時，完全基于機械接口、電接口以及熱接口等條件下就可以完成整星設計，生產(chǎn)制造調(diào)試也完全獨立，雙方獨立性好，接口界面清晰簡單，研制效率高。隨著指標要求增加，光學有效載荷口徑增大，首先從結(jié)構(gòu)布局上對一體化設計提出了要求，這時結(jié)構(gòu)功能一體化被提上了日程，例如遮光罩的設計、星敏感器的安裝布局，經(jīng)過雙方接口的協(xié)商，通過基于接口的一體化設計，仍然可以滿足指標要求，這是第一層級的基于接口的一體化設計。隨著指標要求持續(xù)增加，雙方需要在布局上交互的內(nèi)容越來越多，同時力學性能、指向抖動、光學熱變形分析的平臺載荷之間相互影響也越來越深，并成為了設計的主要矛盾，基于接口的一體化設計無論是在效率上還是指標符合性方面都在降低，需要上升至第二層級的一體化設計，即基于模型協(xié)同的一體化設計，在此階段的核心技術手段是“模型協(xié)同”，無論是構(gòu)型布局的問題，還是光、機、電、熱各專業(yè)功能性能問題均以模型協(xié)同來解決，平臺與載荷共享同一個信息模型，雙方協(xié)同開展設計。當各自經(jīng)驗總結(jié)積累，設計人員和設計技術水平上升到一定程度，一體化設計就進入了第三個層次——基于功能性能最優(yōu)的平臺載荷一體化設計，此時無論是光、機、電、熱哪個專業(yè)的總體設計均需全盤考慮整星指標最優(yōu)，從整星層面實現(xiàn)光學指標分解和驗證，同時綜合考慮傳力路徑、力熱穩(wěn)定性、控制信息傳遞等問題，不再具有平臺和載荷的概念，整星設計融為一體。

對于中小型遙感衛(wèi)星，設計指標要求不高，整星體積和功能要求單一，研制進度快，平臺與載荷獨立開展設計，僅有部分設計功能需要開展一體化設計，比如星敏感器的安裝、遮光罩的設計、承力結(jié)構(gòu)的設計等，可以采用基于接口的一體化設計，目標是遙感衛(wèi)星整星輕小型化設計，使整星結(jié)構(gòu)緊湊，實現(xiàn)較小轉(zhuǎn)動慣量，并能降低結(jié)構(gòu)振動對成像品質(zhì)的影響。對于大中型遙感衛(wèi)星，無論是空間布局還是力熱性能要求都比較苛刻的情況下，酌情開展基于模型協(xié)同的一體化研制，設計階段通過定義共享信息模型，協(xié)同布局并基于共享模型開展力熱功能性能分析，生產(chǎn)制造階段雙方共同完成整機裝配裝調(diào)，目標是圍繞核心的有效載荷，進行構(gòu)形、布局和熱設計，盡可能減少衛(wèi)星質(zhì)量、體積、功耗以及成本；隨著雙方協(xié)同深入，對遙感衛(wèi)星光、機、電、熱各專業(yè)的綜合集成理解越來越深入，逐步實現(xiàn)大中型遙感衛(wèi)星的一體化設計，整星系統(tǒng)層級統(tǒng)籌設計和分解指標，發(fā)揮有效載荷的最大效能，使產(chǎn)品不斷向集約化、智能化方向發(fā)展。

3 國內(nèi)外實踐

3.1 國外

國外平臺載荷一體化設計起步較早，到目前為止主要形成了以World View系列衛(wèi)星為代表的基于接口的一體化設計、以Geo Eye系列衛(wèi)星為代表的基于模型協(xié)同一體化設計、以哈勃空間望遠鏡（HST）和詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JWST）為代表的功能性能一體化設計等 3種模式。無論哪種模式，均充分應用了一體化設計思想，以光學遙感器為核心，從系統(tǒng)頂層對整星傳力路徑、結(jié)構(gòu)布局、振動抑制、敏捷機動性等各方面進行了優(yōu)化設計，大大減輕了衛(wèi)星整體質(zhì)量和慣量。

（1）以World View系列衛(wèi)星為代表的基于接口的平臺載荷一體化設計

美國分別于2007年和2009年發(fā)射了World View-1、World View-2兩顆高分辨率商業(yè)衛(wèi)星[8]。為了滿足商業(yè)衛(wèi)星的輕、小、快、精等應用要求，在結(jié)構(gòu)布局上采用光學遙感器嵌入衛(wèi)星平臺，在嵌入部分采用桁架結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星平臺進行接口連接[7]。從一體化設計理念上來說，World View系列衛(wèi)星屬于基于平臺的一體化設計。從一體化設計層級來說屬于基于接口的一體化設計，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

——整星的平臺和載荷之間擁有嚴格的接口界面，雙方在規(guī)定的布局空間和力熱接口環(huán)境下開展研制；

——結(jié)構(gòu)布局方面，載荷嵌入平臺內(nèi)部，減小了整星規(guī)模[9]；

——傳力路徑設計方面，載荷與平臺采用鏤空桁架結(jié)構(gòu)連接，桁架結(jié)構(gòu)即可作為遙感器光學設計的承力結(jié)構(gòu)，又可抑制平臺在軌振動[10-12]，減小結(jié)構(gòu)變形和溫控對載荷的不利影響；

——遮光罩即可為遙感器光學系統(tǒng)消除雜光，也可以作為星敏感器和光纖陀螺姿態(tài)測量設備的安裝承力結(jié)構(gòu)，這樣可以保證姿態(tài)測量的基準與光學遙感器的成像基準很好地統(tǒng)一，同時縮短姿態(tài)測量與載荷成像坐標系之間的轉(zhuǎn)換誤差傳遞鏈[13-14]，提高了衛(wèi)星的定位精度。

（2）以Geo Eye系列衛(wèi)星為代表的基于模型協(xié)同的平臺載荷一體化設計模式

Geo Eye-1衛(wèi)星是美國于2008年發(fā)射的全色分辨率達到0.25m的商業(yè)衛(wèi)星，從設計理念上來說，該系列衛(wèi)星沒有采用成熟的衛(wèi)星平臺，屬于圍繞載荷的一體化設計，從一體化設計層級來說屬于基于模型協(xié)同的一體化設計，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

——整星沒有平臺和載荷清晰接口界面，二者相互融合，結(jié)構(gòu)緊湊；

——結(jié)構(gòu)布局方面，以遙感器承力結(jié)構(gòu)作為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)主體，光學遙感器的鏡筒支撐光學元件的同時作為衛(wèi)星系統(tǒng)元件的安裝面[15-16]；

——整星從傳力路徑、力學性能、指向以及光學性能各項指標開展了部分規(guī)劃，在一定程度上壓縮了整星規(guī)模，但是還沒有做到完全融為一體，從功能性能上實現(xiàn)一體化。

（3）以HST和JWST為代表的功能性能一體化設計

HST是美國1990年發(fā)射的太空望遠鏡，JWST預計2020年發(fā)射。作為兩個超大口徑的空間光學遙感衛(wèi)星，HST平臺載荷模塊化設計為它的5次在軌維修奠定了基礎，JWST主鏡采用了分塊設計及空間可展開設計，以滿足發(fā)射條件，其惡劣的在軌條件對整星光機電熱一體化設計提出了苛刻的要求。從設計理念上來說HST和JWST兩個系列的遙感衛(wèi)星均屬于圍繞載荷的一體化設計。從層級來說，二者代表的是世界上屬于基于功能性能指標最優(yōu)的一體化設計，以JWST為例其功能性能一體化技術主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

——采用在線加工檢測一體化技術，主鏡直徑2.4m，質(zhì)量900kg，拋光約30nm的加工精度[17]。

——搭建了一個貫穿整個項目的通用平臺，采用IBM Rational Rose Real-time開放式標準軟件完成系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)軟件一體化設計[18]。

——主鏡的分塊設計和整星空間可展開設計實現(xiàn)展開與發(fā)射狀態(tài)功能布局最優(yōu)（展開尺寸為6.1m×6.6m×14.626m，折疊后尺寸為10.661m×4.472m）[19]。其展開過程如圖3所示，地面裝配與發(fā)射過程中次鏡與次鏡支撐處于折疊狀態(tài)；在軌后，首先通過機構(gòu)展開次鏡支撐，次鏡進入預定位姿后，依次鎖定次鏡支撐、旋轉(zhuǎn)調(diào)整主鏡位姿并鎖定主鏡，完成整星的空間展開過程。

圖3 JWST展開過程Fig.3 JWST deployment process

——可折疊遮陽板可展開成為一個網(wǎng)球場大小的遮光板，屏蔽太陽光和地球反射光，為光學系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電子學系統(tǒng)提供–233℃的工作環(huán)境溫度，實現(xiàn)整星光、機、熱一體化設計[20]。JWST遮光罩溫區(qū)示意如圖4所示，遮陽板包括5層隔熱板，光學系統(tǒng)（OTE）和綜合科學儀器艙（ISIM）從構(gòu)型布局上就被動制冷至低溫環(huán)境，3個溫區(qū)控制分別實現(xiàn)制冷、冷區(qū)控溫和環(huán)境控溫，充分保證了光學系統(tǒng)和綜合科學儀器艙的工作環(huán)境溫度。

圖4 JWST溫區(qū)示意Fig.4 JWST temperature zone schematic

綜上所述，無論是哪種層級的平臺載荷一體化研制均圍繞光學遙感器的成像品質(zhì)和成像能力，以平臺機、電、熱、控制性能最優(yōu)為目標，衛(wèi)星的功能更加完備、成像性能指標和衛(wèi)星快速姿態(tài)機動能力不斷提升，是目前國外光學遙感衛(wèi)星發(fā)展的主要趨勢[21-22]。

3.2 國內(nèi)

國內(nèi)遙感衛(wèi)星平臺載荷一體化設計主要以基于接口的一體化設計為主。如某高分遙感衛(wèi)星的星敏感器直接安裝在光學遙感器主承力板上；光學遙感器通過一體化支撐結(jié)構(gòu)安裝在平臺上方；采用獨立遮光罩設計，遮光罩為光學遙感器提供消雜光能力；測控天線安裝在光學遙感器遮光罩上；星敏散熱板安裝在星敏感器支架上；光學遙感器散熱板安裝在平臺上方。某敏捷遙感衛(wèi)星也采取了多項平臺載荷一體化設計措施，包括：動中成像工作模式設計；星敏感器直接安裝在光學遙感器主承力板上；采用獨立遮光罩設計，遮光罩為光學遙感器提供消雜光能力；測控天線、數(shù)傳天線、星敏散熱板和視頻相機等安裝在光學遙感器遮光罩上。國內(nèi)某型號遙感衛(wèi)星一體化設計結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 國內(nèi)某遙感衛(wèi)星一體化設計結(jié)構(gòu)Fig.5 An integrated structure design of a remote sensing satellite in China

4 結(jié)束語

發(fā)展遙感衛(wèi)星平臺載荷一體化設計技術，應當以平臺載荷一體化設計的層級和遙感衛(wèi)星研制任務類型相結(jié)合，針對不同的任務類型和指標要求，開展不同層級的一體化研制，即按需設計。

1）針對時間緊、技術成熟、各項指標均完全滿足要求的研制任務，應以降低成本為目標，采用基于接口的一體化設計，對現(xiàn)有成熟技術不斷總結(jié)積累迭代，形成標準化、系列化、產(chǎn)品化的遙感衛(wèi)星，以達到成本低、效率高的目的。

2）針對研制難度大，口徑、質(zhì)量、成像性能和成像品質(zhì)等各項指標要求均很高的情況下，采用基于模型協(xié)同的一體化研制模式，以遙感器光學性能為核心，從最終圖像時間分辨率和幾何品質(zhì)出發(fā)，進行整星光、機、電、熱各專業(yè)協(xié)同設計。

3）基于模型協(xié)同一體化設計技術的發(fā)展和認識，結(jié)合研制任務和指標要求，逐步積累遙感衛(wèi)星功能性能一體化設計能力。

遙感衛(wèi)星的平臺載荷一體化設計技術是遙感衛(wèi)星總體設計最頂層的系統(tǒng)關鍵技術，國內(nèi)的一體化設計水平相較于國外的先進水平還有較大的差距。為實現(xiàn)整星最優(yōu)的一體化設計，我們需要在設計模式上，針對不同研制任務，采取不同的一體化研制模式，通過長期相互滲透，逐步提升平臺與載荷雙方設計能力，形成以效能提升為目的的遙感衛(wèi)星的整體設計思路，實現(xiàn)整星功能性能最優(yōu)。