精致微納衛(wèi)星設(shè)計(jì)與實(shí)踐

張偉 彭攀 沈朱泉 施偉璜 徐云東

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240)

在商業(yè)航天市場蓬勃發(fā)展的背景下，微納衛(wèi)星憑借其高功能密度，高性價(jià)比特點(diǎn)，通過規(guī)?；M網(wǎng)應(yīng)用，發(fā)揮越來越大的作用，微納衛(wèi)星批量化制造將成為必然趨勢。然而，目前對微納衛(wèi)星的設(shè)計(jì)理念主要繼承于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，以面向單星制造為主，衛(wèi)星集成過程相對復(fù)雜，對于批量化制造需求有一定的不適應(yīng)性。同時，傳統(tǒng)對衛(wèi)星的評價(jià)單純以衛(wèi)星技術(shù)指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，忽略了微納衛(wèi)星高集成度、低制造成本所帶來的綜合優(yōu)勢，無法全面的對微納衛(wèi)星的市場競爭力進(jìn)行評估[1-2]。隨著微電子、微機(jī)械等技術(shù)的快速進(jìn)步，中國對于微納衛(wèi)星的研究已取得新進(jìn)展，由早期的“大衛(wèi)星小型化”設(shè)計(jì)提升為“集成化、模塊化”設(shè)計(jì)[3-5]，衛(wèi)星制造工藝和工序也不斷進(jìn)行改進(jìn)[6-8]。

本文面向商業(yè)航天市場微納衛(wèi)星批量化設(shè)計(jì)制造需要，提出了一種精致微納衛(wèi)星設(shè)計(jì)理念，從理念上對衛(wèi)星設(shè)計(jì)流程進(jìn)行變革，突破了傳統(tǒng)衛(wèi)星各大系統(tǒng)劃分，將衛(wèi)星分為綜合電子、姿軌控、電源和有效載荷4個功能模塊，通過“配置精簡化、結(jié)構(gòu)虛擬化、功能軟件化”的設(shè)計(jì)方法，在實(shí)現(xiàn)模塊級集成的基礎(chǔ)上，進(jìn)行整星二度集成化設(shè)計(jì)，有效提升了衛(wèi)星的總裝、測試與試驗(yàn)(AIT)效率，滿足微納衛(wèi)星批量生產(chǎn)及市場競爭需要。同時，本文面向商業(yè)市場提出了微納衛(wèi)星效費(fèi)比評價(jià)體系，以微納衛(wèi)星質(zhì)量承載比、功率承載比和通信密度比這3個影響衛(wèi)星應(yīng)用效能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)為關(guān)鍵因素，綜合衛(wèi)星制造成本，對衛(wèi)星的效費(fèi)比進(jìn)行評價(jià)，從而較為全面的對微納衛(wèi)星的市場競爭力進(jìn)行評估。

1 設(shè)計(jì)理念

傳統(tǒng)衛(wèi)星由姿軌控、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、測控、電源、熱控、推進(jìn)、綜合電子、有效載荷等分系統(tǒng)組成，整星以單機(jī)為單位進(jìn)行集成，AIT過程較為復(fù)雜，通常適合單星研制任務(wù)。為實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)、集成測試和批量化生產(chǎn)等要求，本文提出了精致微納衛(wèi)星設(shè)計(jì)理念，該設(shè)計(jì)主要分為3個層次(見圖1)：①單機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化。為滿足商業(yè)化微納衛(wèi)星快速響應(yīng)、低成本要求，基于商業(yè)貨架式產(chǎn)品建立通用化、標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品庫，以滿足微納衛(wèi)星領(lǐng)域，高精度遙感、移動通信、數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)發(fā)、科學(xué)試驗(yàn)等典型衛(wèi)星應(yīng)用需求；②系統(tǒng)模塊化。以有效載荷為中心，對整星進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，并形成對綜合電子模塊、姿軌控模塊、電源模塊和有效載荷模塊4個核心組成的需求，基于標(biāo)準(zhǔn)化單機(jī)，以模塊為單位，進(jìn)行首度集成、測試；③整星二度集成化，基于4個組成模塊，進(jìn)行快速總裝、集成及測試，最終完成整星研制。

圖1 精致微納衛(wèi)星設(shè)計(jì)理念

1.1 單機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化

實(shí)現(xiàn)單機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)鍵是定義標(biāo)準(zhǔn)的單機(jī)接口和自適應(yīng)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。根據(jù)接口需求，將單機(jī)接口類型分為低速總線通信接口、高速數(shù)據(jù)通信接口和電源接口，標(biāo)準(zhǔn)化單機(jī)接口類型和標(biāo)準(zhǔn)見表1。低速總線通信接口主要用于單機(jī)遙控指令和遙測數(shù)據(jù)傳輸，一般速率要求不高，可選用CAN2.0等串行通信總線；高速數(shù)據(jù)通信接口主要用于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量的大小，可選用中低速率的低電壓配電系統(tǒng)(LVDS)等接口和高速率的TLK2711等接口；電源總線接口主要用于單機(jī)供電，整星設(shè)計(jì)電源總線[9]，由單機(jī)根據(jù)指令，完成開關(guān)機(jī)操作，電源母線分為+12 V和+28 V兩種，分別用于小功率衛(wèi)星平臺和大功率衛(wèi)星平臺。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化單機(jī)接口表

衛(wèi)星通信接口采用自適應(yīng)技術(shù)[10]，對衛(wèi)星信息流進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，形成標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)范。根據(jù)協(xié)議規(guī)范要求，綜合電子設(shè)置星載計(jì)算機(jī)為數(shù)據(jù)通信的主節(jié)點(diǎn)，星載計(jì)算機(jī)對各個模塊進(jìn)行自動檢測和自動配置，從而實(shí)現(xiàn)各臺單機(jī)的高度自適應(yīng)，滿足單機(jī)產(chǎn)品配置的靈活拓展。

1.2 系統(tǒng)模塊化

相較傳統(tǒng)衛(wèi)星設(shè)計(jì)，精致微納衛(wèi)星設(shè)計(jì)以有效載荷為中心，對整星進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，根據(jù)學(xué)科及研制單位的特點(diǎn)，將衛(wèi)星分成綜合電子模塊、姿軌控模塊、電源模塊和有效載荷模塊4個部分。對于整星的指標(biāo)分解，將原先分配給分系統(tǒng)的應(yīng)用性能指標(biāo)直接分配給相應(yīng)模塊，將原先分配給單機(jī)的力學(xué)、熱學(xué)指標(biāo)及提出的接口要求，轉(zhuǎn)變?yōu)閷δK的熱學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。精致微納衛(wèi)星以模塊為單位，進(jìn)行首度集成、測試。衛(wèi)星系統(tǒng)模塊化組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模塊化示意圖Fig.2 Modulated system

在衛(wèi)星4個模塊中，綜合電子模塊是整星信息中樞，集成了星載計(jì)算機(jī)、測控應(yīng)答機(jī)、數(shù)傳發(fā)射機(jī)、全球定位系統(tǒng)/北斗(GPS/BD)接收機(jī)、衛(wèi)星大容量數(shù)據(jù)存儲等功能，負(fù)責(zé)衛(wèi)星星務(wù)管理、姿軌控軟件運(yùn)行、遙控、遙測、導(dǎo)航定位、數(shù)據(jù)管理、星地交互等任務(wù)；電源模塊是整星能源中樞，集成了電源控制器、蓄電池組和太陽電池陣功能，負(fù)責(zé)太陽能接收、能源存儲和補(bǔ)充、為其它模塊或單機(jī)提供配電等任務(wù)；姿軌控模塊集成了星敏感器、陀螺、飛輪、磁力矩器、推進(jìn)產(chǎn)品等功能，負(fù)責(zé)衛(wèi)星姿態(tài)測量、初始姿態(tài)控制、穩(wěn)態(tài)控制、姿態(tài)應(yīng)急與重補(bǔ)和軌道保持等任務(wù)；載荷模塊可包括遙感載荷、通信載荷、科學(xué)試驗(yàn)載荷等多種類型，以導(dǎo)航增強(qiáng)載荷為例，載荷模塊包含了導(dǎo)航增強(qiáng)收發(fā)設(shè)備、天線等。精致衛(wèi)星4個模塊如圖3所示。

圖3 精致微納衛(wèi)星模塊組成圖Fig.3 Modules of exquisite micro-nano satellite

1.3 整星二度集成化

整星基于4個模塊進(jìn)行二度集成。一方面，衛(wèi)星的裝配僅需完成4個模塊間的機(jī)械接口安裝，以及典型接口的互聯(lián)，極大簡化了衛(wèi)星裝配流程；另一方面，整星以4個模塊為基礎(chǔ)進(jìn)行綜合電測試，取消了桌面聯(lián)試過程，有效簡化了測試環(huán)節(jié)，縮短了測試周期。精致衛(wèi)星二度集成化過程如圖4所示。

圖4 整星二度集成化示意圖

2 設(shè)計(jì)方法

精致微納衛(wèi)星的設(shè)計(jì)方法主要包括配置精簡化、結(jié)構(gòu)虛擬化和功能軟件化3個方面。商業(yè)微納衛(wèi)星低成本、輕量化設(shè)計(jì)需求決定了其無法沿用傳統(tǒng)通過單機(jī)冗余來提高衛(wèi)星可靠性的方法，配置精簡化設(shè)計(jì)主要通過衛(wèi)星功能退化方法來增強(qiáng)衛(wèi)星在軌應(yīng)用的魯棒性和容錯性；結(jié)構(gòu)虛擬化設(shè)計(jì)是對整星結(jié)構(gòu)的分布式設(shè)計(jì)，通過電纜預(yù)埋等手段，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星模塊級集成，為整星二度集成化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，同時該設(shè)計(jì)方法是衛(wèi)星模塊級儲備的關(guān)鍵；衛(wèi)星功能軟件化是以軟件為核心對衛(wèi)星功能進(jìn)行定義，將衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)需求直接轉(zhuǎn)化為對衛(wèi)星軟件的技術(shù)輸入，實(shí)現(xiàn)了微納衛(wèi)星設(shè)計(jì)的高度智能化。

2.1 配置精簡化

單機(jī)冗余是傳統(tǒng)衛(wèi)星提高可靠性的常用手段，然而大量的單機(jī)冗余一方面增加了衛(wèi)星質(zhì)量、功耗的開銷；另一方面提高了衛(wèi)星的制造成本。本文提出一種配置精簡化的設(shè)計(jì)方法，即衛(wèi)星硬件配置最小化，通過系統(tǒng)功能冗余替代單機(jī)備份，簡化衛(wèi)星配置。以常態(tài)下三軸對地穩(wěn)定姿態(tài)控制系統(tǒng)為例(見表2)，正常情況下依靠星敏感器、磁強(qiáng)計(jì)/磁場表和陀螺確定姿態(tài)，依靠飛輪控制執(zhí)行，并依靠磁力矩器進(jìn)行卸載；當(dāng)星敏感器出現(xiàn)故障情況下，可利用磁強(qiáng)計(jì)/磁場表和陀螺進(jìn)行定姿；當(dāng)星敏感器和陀螺出現(xiàn)異常的情況下，依靠磁強(qiáng)計(jì)/磁場表和太陽角計(jì)確定姿態(tài)；當(dāng)星敏感器、陀螺和飛輪出現(xiàn)異常的情況下，衛(wèi)星只能依靠磁力矩器控制執(zhí)行。對于模式3和模式4，衛(wèi)星已轉(zhuǎn)入對日定向模式，可利用衛(wèi)星相對地球運(yùn)動過程中的特定視場或特定波束，繼續(xù)發(fā)揮載荷的業(yè)務(wù)效能。在衛(wèi)星單機(jī)發(fā)生異常的情況下，衛(wèi)星通過系統(tǒng)功能工作模式的調(diào)整，發(fā)揮衛(wèi)星當(dāng)前模式下最大工作效能，以實(shí)現(xiàn)最大性價(jià)比。

表2 姿控模塊功能冗余對照表

2.2 結(jié)構(gòu)虛擬化

基于整星力學(xué)需求，對整星結(jié)構(gòu)進(jìn)行分布式設(shè)計(jì)，由各個模塊面向單機(jī)機(jī)械接口，分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)板采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，將電纜網(wǎng)、接插件等預(yù)埋入蜂窩夾層板，形成標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械接口，機(jī)、電一體化結(jié)構(gòu)板示意如圖5所示?；诜植际浇Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，極大簡化了衛(wèi)星電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)，簡化了衛(wèi)星裝配過程，降低了衛(wèi)星工藝操作過程質(zhì)量發(fā)生概率。

基于預(yù)埋式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板，各個模塊進(jìn)行模塊級集成，并完成模塊級電測試、力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)和熱學(xué)等環(huán)境試驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星產(chǎn)品模塊級儲備，為微納衛(wèi)星快速響應(yīng)、規(guī)?；瘧?yīng)用提供了可能性。

圖5 機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)板示意圖Fig.5 Mechatronic structural board

2.3 功能軟件化

圖6 軟件定義衛(wèi)星架構(gòu)Fig.6 Software defined satellite architecture

衛(wèi)星功能軟件化主要表現(xiàn)為減少硬件投入，擴(kuò)展軟件功能，提升整星智能化程度。精致微納衛(wèi)星基于實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)建立了面向多任務(wù)的軟件定義衛(wèi)星架構(gòu)，如圖6所示，以軟件為核心對衛(wèi)星功能進(jìn)行定義，將衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)需求直接轉(zhuǎn)化為對衛(wèi)星軟件的技術(shù)輸入。一方面，通過預(yù)設(shè)軟件接口對星載軟件功能進(jìn)行配置，包括配置輸入軌道條件、任務(wù)規(guī)劃、飛行程序、衛(wèi)星工作模式、載荷程控作業(yè)等參數(shù)信息，由星務(wù)軟件自動生成符合設(shè)計(jì)要求的任務(wù)層及應(yīng)用層配置；另一方面，通過星務(wù)軟件自動識別基于標(biāo)準(zhǔn)化信息接口設(shè)計(jì)單機(jī)產(chǎn)品，自主完成數(shù)據(jù)通信及基本功能測試。通過面向多任務(wù)的軟件定義衛(wèi)星架構(gòu)，將傳統(tǒng)衛(wèi)星研制過程中，衛(wèi)星軟件設(shè)計(jì)、硬件接口調(diào)試、部分系統(tǒng)測試過程，改變?yōu)閷πl(wèi)星軟件的配置過程，是對整星設(shè)計(jì)的高度智能化。面向多任務(wù)的軟件定義衛(wèi)星架構(gòu)主要分為任務(wù)層、應(yīng)用層、系統(tǒng)層、硬件層、配置模塊層。各層之間采用標(biāo)準(zhǔn)接口，便于層間的信息交換、軟件模塊的移植和重用、系統(tǒng)功能的增強(qiáng)和擴(kuò)充[11]。軟件模塊對上實(shí)現(xiàn)功能的封裝和隔離，對下通過調(diào)用下層構(gòu)件組裝其應(yīng)有功能，實(shí)現(xiàn)層次化設(shè)計(jì)。軟件通過構(gòu)件的形式封裝成相對獨(dú)立的功能，采用不同的構(gòu)件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件業(yè)務(wù)。軟件模塊具有標(biāo)準(zhǔn)接口，通過在調(diào)用時配置相應(yīng)的參數(shù)完成規(guī)定的功能。

3 設(shè)計(jì)實(shí)踐

“精致微納技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星”，是精致微納衛(wèi)星設(shè)計(jì)理念與方法的首顆驗(yàn)證星，采用精致系列綜合型衛(wèi)星平臺。衛(wèi)星任務(wù)是進(jìn)行低軌導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)驗(yàn)證，同時裝載了進(jìn)口先進(jìn)船舶自動識別(AIS)載荷?！熬挛⒓{技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星”于2017年11月15日凌晨由CZ-4C(Y21)運(yùn)載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心搭載發(fā)射入軌，截至目前，衛(wèi)星工況穩(wěn)定，載荷工作正常。衛(wèi)星構(gòu)型如圖7所示。

圖7 “精致微納技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星”構(gòu)型Fig.7 Exquisite Micro-nano Technology Experiment Satellite configuration

“精致微納技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星”系統(tǒng)構(gòu)成如圖8所示。衛(wèi)星由綜合電子模塊、電源模塊、姿軌控模塊和有效載荷模塊組成。其中，綜電模塊包括星載計(jì)算機(jī)、測控應(yīng)答機(jī)、GPS/BD、數(shù)傳發(fā)射機(jī)、大容量存儲等，電源模塊包括太陽電池陣、電源控制器、蓄電池組，姿軌控模塊包括星敏感器、微型陀螺、磁強(qiáng)計(jì)、三軸微飛輪、太陽角計(jì)、磁力矩器等。模塊內(nèi)部組件經(jīng)過統(tǒng)一模塊接口與外部總線相連。各模塊掛接在電源總線及遙控、遙測數(shù)據(jù)總線上，載荷模塊與綜電模塊直連，傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。經(jīng)過整星二度集成設(shè)計(jì)的衛(wèi)星系統(tǒng)間信號及電源耦合關(guān)系明顯降低?；谧赃m應(yīng)控制的高精度微納衛(wèi)星控制算法和線性霍爾傳感器的飛輪控制技術(shù)，解決了微納衛(wèi)星高精度問題。

衛(wèi)星主要技術(shù)參數(shù)見表3，衛(wèi)星整星質(zhì)量38.9 kg，最大輸出功率150 W，姿態(tài)穩(wěn)定度0.003(°)/s，在國內(nèi)外同類型衛(wèi)星中處于先進(jìn)水平；衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)載荷地面定位精度達(dá)30 cm，收斂時間為5 min，相較傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度提高了一個數(shù)量級，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時厘米級定位精度奠定了理論及實(shí)踐基礎(chǔ)；衛(wèi)星AIS載荷平均每天可識別2萬艘船舶或10萬條消息，填補(bǔ)了我國在天基AIS數(shù)據(jù)服務(wù)領(lǐng)域的空白，衛(wèi)星AIS數(shù)據(jù)源穩(wěn)定，已例行向我國軍隊(duì)、政府及商業(yè)用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖8 “精致微納技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星”系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.8 Diagram of Exquisite Micro-nano Technology Experiment Satellite system composition

名稱參數(shù)應(yīng)用技術(shù)指標(biāo) 導(dǎo)航增強(qiáng) 地面定位精度30cm,收斂時間5min(簡寫為30cm@5min)AIS載荷 每天識別2萬艘船舶或10萬條消息 衛(wèi)星技術(shù)指標(biāo)整星功耗 100W@10min/軌;50W@長期 輸出功率 最大150W,功率承載比2整星質(zhì)量 38.9kg,質(zhì)量承載比0.56姿態(tài)控制 三軸穩(wěn)定,零動量控制姿態(tài)控制精度 測量精度≤0.05° (3?) 指向精度≤0.1°(3?) 穩(wěn)定度≤0.003(°)/s(3?) 電源 9～13.5V母線,20Ah鋰離子蓄電池 太陽翼 三結(jié)砷化鎵,0.96m2,±120°擺動 設(shè)計(jì)壽命 12個月

4 評價(jià)體系與技術(shù)對比

4.1 評價(jià)體系

傳統(tǒng)對衛(wèi)星的評價(jià)是單純以衛(wèi)星技術(shù)指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于微納衛(wèi)星領(lǐng)域時，片面地強(qiáng)調(diào)技術(shù)指標(biāo)，忽略了微納衛(wèi)星高集成度、低制造成本所帶來的市場綜合優(yōu)勢，無法直接應(yīng)用于微納衛(wèi)星市場競爭力的比較。本文提出了一種面向商業(yè)市場的微納衛(wèi)星效費(fèi)比的評價(jià)體系，通過結(jié)合衛(wèi)星的應(yīng)用效能和制造成本，對衛(wèi)星的效費(fèi)比進(jìn)行評價(jià)，較為全面地對微納衛(wèi)星的市場競爭力進(jìn)行評估。本評價(jià)體系所適用的微納衛(wèi)星領(lǐng)域作為商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)中成熟度最高也是競爭最為激烈的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，具備如下兩項(xiàng)顯著的特點(diǎn)。

(1)面向商業(yè)市場應(yīng)用的微納衛(wèi)星，盈利是其根本目的。在壓縮成本的同時提升效益，實(shí)現(xiàn)費(fèi)用效益比的最小化，方能確保產(chǎn)品的核心競爭地位。

(2)在業(yè)務(wù)效能上，微納衛(wèi)星星座與傳統(tǒng)大衛(wèi)星相比有顯著優(yōu)勢。通過大量衛(wèi)星的星座組網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展和重構(gòu)，可在顯著提升系統(tǒng)可靠和穩(wěn)定度同時，靈活的適應(yīng)各類應(yīng)用任務(wù)的需求。

綜合以上因素，提出了商業(yè)微納衛(wèi)星的評價(jià)指標(biāo)體系(見表4)。

表4 商業(yè)微納衛(wèi)星指標(biāo)評價(jià)體系

該評價(jià)體系考慮的指標(biāo)包括業(yè)務(wù)性能、可用性、運(yùn)行管理、成本等，均為評價(jià)商業(yè)微納衛(wèi)星的通用指標(biāo)，與具體項(xiàng)目無關(guān)，因此具有通用性。通過系統(tǒng)性全方位的分析，可評價(jià)項(xiàng)目的發(fā)展?jié)摿褪袌鰞r(jià)值，幫助企業(yè)制定適宜的產(chǎn)品定位和推廣策略，有助于構(gòu)建整個微納衛(wèi)星行業(yè)的良性發(fā)展局面。

在此指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，為綜合反映商業(yè)微納衛(wèi)星的總體水平，引入全生命周期的效費(fèi)比 (RIO)模型表示

(1)

全周期系統(tǒng)效益由單星業(yè)務(wù)性能、可用性及系統(tǒng)運(yùn)行能力來表征。平臺可用性的提升，可以成倍的提升單星的業(yè)務(wù)性能，因此此處用乘積體現(xiàn)綜合效益。在此基礎(chǔ)上，單星組成星座系統(tǒng)后的效益，首先應(yīng)是所有單星的疊加，衛(wèi)星數(shù)量用N表示；而微納衛(wèi)星星座系統(tǒng)的優(yōu)勢是能在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)架的基礎(chǔ)上成指數(shù)級的提升數(shù)據(jù)采集和處理能力，同時能在單星異常的情況下通過系統(tǒng)優(yōu)化和重構(gòu)，確保系統(tǒng)業(yè)務(wù)穩(wěn)定性，發(fā)揮系統(tǒng)效益。因此，此處通過疊加系數(shù)k，來體現(xiàn)系統(tǒng)自動化網(wǎng)絡(luò)化的運(yùn)行管理能力對系統(tǒng)性能的指數(shù)級提升量級。

效費(fèi)比函數(shù)給出了商業(yè)微納衛(wèi)星評價(jià)的基礎(chǔ)模型，采用關(guān)鍵因子分析法，通過凝練其核心影響因素，并進(jìn)行定量分析，從而實(shí)現(xiàn)不同衛(wèi)星項(xiàng)目的對比評價(jià)。對于一個既定項(xiàng)目，成本已通過合同限定(即C恒定)，因此如何利用已有成本創(chuàng)造最大效益成為企業(yè)的戰(zhàn)略重心。衛(wèi)星的效益體現(xiàn)為系統(tǒng)效益與單星效益的疊加，單星效益可包含載荷效益和平臺效益。由于同一個項(xiàng)目中，衛(wèi)星顆數(shù)、載荷的業(yè)務(wù)能力已在用戶需求中加以限定(即O恒定、p1恒定)，因此單星效益提升主要體現(xiàn)在平臺效益。通過將關(guān)鍵影響因子提煉后可以得出，在典型三軸穩(wěn)定的中高精度姿態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)中，平臺效益可以通過以下3項(xiàng)關(guān)鍵因子進(jìn)行表征。

(1)質(zhì)量承載比：

(2)

式中：ML為最大承載質(zhì)量，MP為衛(wèi)星除載荷部分質(zhì)量。

(2)功率承載比：

(3)

式中：PL為最大承載功耗，PP為衛(wèi)星除載荷部分功耗。

(3)通信密度比：

(4)

式中：CL為衛(wèi)星最大數(shù)據(jù)傳輸速率，MP為衛(wèi)星除載荷部分質(zhì)量。

通過關(guān)鍵因子分析法，商業(yè)微納衛(wèi)星效費(fèi)比評價(jià)函數(shù)可簡化為

R∝(RB,RP,RC)

即：

(5)

結(jié)合衛(wèi)星設(shè)計(jì)特點(diǎn)，精致微納衛(wèi)星主要分為基本型、高功率型、高精度型和綜合型，根據(jù)RIO模型，提出精致系列衛(wèi)星指標(biāo)體系(見表5)，以滿足不同類型的市場應(yīng)用需求。

表5 精致系列衛(wèi)星技術(shù)指標(biāo)體系

4.2 技術(shù)對比

以精致系列高精度型平臺為例，對比薩瑞公司同級別、相近應(yīng)用衛(wèi)星平臺SSTL-X50。SSTL-X50整星質(zhì)量150 kg時達(dá)到最大承載質(zhì)量45 kg，此時最大承載功耗85 W，衛(wèi)星平臺長期功耗80 W，最大數(shù)傳速率500 Mbit/s。兩者質(zhì)量相當(dāng)，同為三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制系統(tǒng)，姿控精度及穩(wěn)定度處于同一量級，因此符合RIO評價(jià)前提，具有可比性。通過RIO模型分析結(jié)果見表6，精致系列高精度型衛(wèi)星各參數(shù)均優(yōu)于SSTL-X50平臺[12]，其中質(zhì)量承載比、功率承載比明顯優(yōu)于SSTL-X50平臺。通信密度比基本相當(dāng)。因此，精致高精度型平臺可以滿足更大質(zhì)量、更大功率載荷應(yīng)用需求，從而使精致高精度型衛(wèi)星的通信密度比更加優(yōu)于SSTL-X50平臺。

表6 精致系列高精度型與SSTL-X50指標(biāo)比對

5 結(jié)束語

為契合商業(yè)航天快速發(fā)展的市場形勢，滿足微納衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)化、批量化制造要求，本文提出了“單機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)模塊化、整星二度集成化”的精致微納衛(wèi)星設(shè)計(jì)理念和“配置精簡化、結(jié)構(gòu)虛擬化、功能軟件化”的設(shè)計(jì)方法，成功實(shí)踐了“高承載、高精度、高速率、高功率衛(wèi)星設(shè)計(jì)”。提出的面向商業(yè)市場的微納衛(wèi)星效費(fèi)比評價(jià)體系，綜合微納衛(wèi)星高集成度、低制造成本優(yōu)勢，更全面、客觀地對微納衛(wèi)星進(jìn)行評價(jià)。精致微納衛(wèi)星的設(shè)計(jì)以商業(yè)市場應(yīng)用為導(dǎo)向，升級設(shè)計(jì)理念，改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，為傳統(tǒng)衛(wèi)星的高集成、高功能密度發(fā)展提供了新的思路，為新形勢下微納衛(wèi)星設(shè)計(jì)技術(shù)的變革探索了新的方向。