BSS－702系列平臺低成本設(shè)計分析及啟示

楊軍 周志成 李峰 裴勝偉

（中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

BSS－702系列平臺低成本設(shè)計分析及啟示

楊軍 周志成 李峰 裴勝偉

（中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

美國波音衛(wèi)星系統(tǒng)－702（BSS－702）系列平臺采用分艙模塊化設(shè)計、電推進(jìn)輔助變軌和全電推進(jìn)等技術(shù)，有效降低了通信衛(wèi)星系統(tǒng)的研制與發(fā)射成本，是目前國際上單路轉(zhuǎn)發(fā)器價格最低的通信衛(wèi)星平臺。文章從發(fā)射服務(wù)、地面運行維護(hù)、總體設(shè)計，以及分系統(tǒng)與單機等方面，分析了BSS－702系列平臺實現(xiàn)低成本的主要途徑，并給出了針對我國下一代大型地球同步軌道衛(wèi)星平臺低成本設(shè)計的建議。

波音衛(wèi)星系統(tǒng)－702系列平臺；低成本設(shè)計；分艙模塊化；電推進(jìn)

1 引言

我國下一代的大型地球同步軌道衛(wèi)星平臺是我國未來20年地球同步軌道衛(wèi)星的主力平臺，同時也將承擔(dān)著我國參與國際商業(yè)通信衛(wèi)星市場競爭的重任。作為市場競爭的核心因素，成本是衛(wèi)星贏得市場競爭的主要因素，根據(jù)國際制造業(yè)全生命周期成本模型，方案階段的設(shè)計決定了產(chǎn)品80%以上的成本［1］，因此，在我國下一代衛(wèi)星平臺開發(fā)之初，研究降低衛(wèi)星研制成本的途徑，對后續(xù)平臺的開發(fā)與衛(wèi)星的研制有著重要意義。

波音衛(wèi)星系統(tǒng)－702（BSS－702）系列平臺是美國波音公司地球同步軌道的主力衛(wèi)星平臺系列，包括BSS－702、BSS－702HP、BSS－702MP、BSS－702GEM及BSS－702SP等。其中：BSS－702SP平臺是針對約500kg有效載荷推出的全電推進(jìn)平臺，而其余平臺主要面向有效載荷質(zhì)量在600～1300kg的中大型通信衛(wèi)星需求，用戶主要為商業(yè)及政府用戶。BSS－702系列平臺由休斯公司從20世紀(jì)90年代初開始開發(fā)，第1顆基于BSS－702平臺的衛(wèi)星在1999年發(fā)射成功，2002年隨休斯公司的衛(wèi)星業(yè)務(wù)整體轉(zhuǎn)入波音公司。經(jīng)歷了約15年的不斷改進(jìn)，BSS－702系列平臺已經(jīng)成為國際通信衛(wèi)星平臺領(lǐng)域最先進(jìn)的衛(wèi)星平臺之一，其在國際通信衛(wèi)星市場上的占有量僅次于勞拉公司的LS－1300平臺，而單路轉(zhuǎn)發(fā)器成本則遠(yuǎn)低于LS－1300平臺。BSS－702系列平臺在成本控制方面堪稱典范，基于該平臺的通信衛(wèi)星每路轉(zhuǎn)發(fā)器成本遠(yuǎn)低于市場平均價格，已成為參與市場競爭的有力武器。因此，參考BSS－702系列平臺低成本設(shè)計思路與研制模式，將為我國降低通信衛(wèi)星研制成本提供有益的參考。

本文首先介紹了典型衛(wèi)星通信系統(tǒng)價格的主要組成，并比較了國際主要通信衛(wèi)星供應(yīng)商衛(wèi)星平臺的成本，然后從衛(wèi)星的發(fā)射服務(wù)、地面運行維護(hù)、總體設(shè)計、分系統(tǒng)與單機幾個方面，重點分析了BSS－702系列平臺低成本設(shè)計與具體實施途徑，最后歸納了對我國下一代大型地球同步軌道衛(wèi)星平臺低成本設(shè)計的啟示。

2 典型衛(wèi)星通信系統(tǒng)成本組成分析

按照國際通信衛(wèi)星的研制慣例，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的成本主要由地面段與端到端衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成［23］。對于大多數(shù)商業(yè)通信衛(wèi)星合同，如果運營商不是首次采購?fù)ㄐ判l(wèi)星，一般不須要采購地面段。因此，衛(wèi)星通信系統(tǒng)合同中成本一般包括運行維護(hù)、保險、通信衛(wèi)星系統(tǒng)及發(fā)射服務(wù)4個部分，各部分占衛(wèi)星通信系統(tǒng)成本比例如表1所示［2－3］。在通信衛(wèi)星系統(tǒng)成本中，通信衛(wèi)星平臺成本占的比例最大，為45.0%，有效載荷成本占35.0%，系統(tǒng)集成成本占20.0%。通信衛(wèi)星平臺成本主要包含平臺各分系統(tǒng)研制與總體設(shè)計、測試與總裝等成本，具體組成及比例如表2所示［2－3］。

對國際主流衛(wèi)星平臺的價格進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)：基于BSS－702平臺的單路轉(zhuǎn)發(fā)器成本不到300萬美元［2］，如表3所示。BSS－702系列平臺價格遠(yuǎn)低于其他衛(wèi)星平臺，約為其他主流衛(wèi)星平臺平均價格的50%。價格優(yōu)勢使得波音公司成為了國際通信衛(wèi)星領(lǐng)域最具競爭力的制造商。

表1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)成本組成及比例Table 1 Cost compositions and their proportions of satellite communications system

表2 通信衛(wèi)星平臺成本組成及比例（含電推進(jìn)分系統(tǒng)）Table 2 Cost compositions and their proportions of communications satellite platform（with electric propulsion subsystem）

表3 國際主流衛(wèi)星平臺價格比較Table 3 Price comparison of international mainstream satellite platforms

3 BSS－702系列平臺低成本設(shè)計特點及實現(xiàn)途徑分析

為了實現(xiàn)低成本設(shè)計，波音公司在BSS－702系列平臺上采用的革新性技術(shù)包括：首次采用離子電推力器，首次采用徹底的分艙模塊化設(shè)計，首次采用電推進(jìn)＋化學(xué)推進(jìn)混合變軌技術(shù)，首次采用電推進(jìn)在軌位置保持與動量輪角動量卸載技術(shù)，首次提出并實施全電推進(jìn)技術(shù)。此外，針對衛(wèi)星的單機與部組件設(shè)計，波音公司也采用了具有特色的措施，如選用低成本的結(jié)構(gòu)部組件等。上述新技術(shù)推動了地球同步軌道衛(wèi)星平臺的發(fā)展，也大幅降低了BSS－702系列平臺的成本，提高了其國際競爭力。下文結(jié)合衛(wèi)星系統(tǒng)的成本組成，從衛(wèi)星的發(fā)射服務(wù)、地面運行維護(hù)、總體設(shè)計、分系統(tǒng)及單機等方面對BSS－702系列平臺的低成本設(shè)計進(jìn)行分析。

3.1 衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)

發(fā)射服務(wù)的成本占衛(wèi)星通信系統(tǒng)成本的34.2%左右，是衛(wèi)星通信系統(tǒng)成本組成的主要部分；此外，電推進(jìn)分系統(tǒng)成本在整個衛(wèi)星平臺成本組成中排第2位，約為1000萬美元，（約占衛(wèi)星平臺成本的15%），對衛(wèi)星成本有著較大的影響，且可以用化學(xué)推進(jìn)替代。因此，結(jié)合平臺變軌策略優(yōu)化設(shè)計，針對運載火箭能力優(yōu)化平臺的承載能力，可有效降低衛(wèi)星系統(tǒng)的成本，提升平臺的競爭能力。在國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場上，俄羅斯天頂－3和質(zhì)子－M運載火箭的發(fā)射服務(wù)價格一直具有較大的競爭優(yōu)勢，結(jié)合以上兩種運載火箭及有效載荷需求，波音公司在BSS－702平臺的基礎(chǔ)上推出了包括BSS－702MP平臺、BSS－702HP平臺及BSS－702GEM平臺在內(nèi)的平臺系列，在有效拓展平臺能力的基礎(chǔ)上，保持了衛(wèi)星系統(tǒng)的成本優(yōu)勢。以上衛(wèi)星平臺的設(shè)計思路如下。

（1）BSS－702平臺針對800～1000kg有效載荷質(zhì)量（約60～80路轉(zhuǎn)發(fā)器）衛(wèi)星設(shè)計，采用化學(xué)推進(jìn)入軌、電推進(jìn)在軌位置保持；

（2）BSS－702MP平臺針對600～800kg等較小有效載荷質(zhì)量（約60路轉(zhuǎn)發(fā)器）衛(wèi)星設(shè)計，充分發(fā)揮天頂－3、質(zhì)子－M運載火箭的低成本優(yōu)勢與大承載能力優(yōu)勢，不采用電推進(jìn)；

（3）BSS－702HP平臺針對1000～1300kg等較大有效載荷質(zhì)量（約80～110路轉(zhuǎn)發(fā)器）衛(wèi)星設(shè)計，在充分利用天頂－3、質(zhì)子－M運載火箭低成本優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，使用如圖1所示的電推進(jìn)地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）輔助變軌，以及電推進(jìn)在軌位置保持與動量輪卸載，在不增加運載火箭成本的基礎(chǔ)上，大幅提高平臺的承載能力；

（4）BSS－702GEM平臺針對帶有大型可展開天線衛(wèi)星設(shè)計，不配置電推進(jìn)分系統(tǒng)，采用全化學(xué)推進(jìn)入軌與在軌位置保持。

除了上述衛(wèi)星平臺外，波音公司還推出了全球第一個全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺—BSS－702SP。該平臺取消雙組元化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)，采用全電推進(jìn)實現(xiàn)變軌和位置保持等任務(wù)，有效降低了衛(wèi)星的發(fā)射質(zhì)量（不超過2000kg），氙氣加注量可達(dá)400kg，可承載約500kg的有效載荷。由于發(fā)射質(zhì)量變小，BSS－702SP平臺可采用獵鷹－9或阿里安－5運載火箭進(jìn)行“一箭雙星”發(fā)射，從而大幅節(jié)省發(fā)射成本。其中：獵鷹－9可實現(xiàn)2顆BSS－702SP平臺衛(wèi)星“一箭雙星”發(fā)射；阿里安－5可實現(xiàn)BSS－702SP平臺衛(wèi)星搭配另一顆大型通信衛(wèi)星進(jìn)行“一箭雙星”發(fā)射。

BSS－702系列平臺典型衛(wèi)星的變軌策略與有效載荷質(zhì)量關(guān)系如表4［4］所示，采用化學(xué)推進(jìn)與電推進(jìn)聯(lián)合變軌如圖1所示。

表4 BSS－702系列平臺典型衛(wèi)星的變軌策略與衛(wèi)星有效載荷質(zhì)量的關(guān)系Table 4 Relationship between orbit transfer strategy and payload mass for typical BSS－702serial platform satellites

圖1 采用化學(xué)推進(jìn)與電推進(jìn)混合變軌示意Fig.1 Sketch of orbit transfer with chemical propulsion and electric propulsion

3.2 地面運行維護(hù)

地面運行維護(hù)也是影響衛(wèi)星成本的重要因素，約占衛(wèi)星系統(tǒng)成本的12.5%。它的一項主要任務(wù)是完成地面測控。由于BSS－702系列平臺可以采用電推進(jìn)輔助變軌，導(dǎo)致衛(wèi)星的變軌時間大幅增加，如果按照常規(guī)的地面測控方式，將使地面測控的成本劇增。此外，由于BSS－702系列平臺采用電推進(jìn)在軌位置保持策略，電推進(jìn)幾乎每天均要進(jìn)行位置保持點火，如果按照傳統(tǒng)方式在位置保持前進(jìn)行測軌，將會使地面測控工作量與成本大幅增加。針對上述地面運行維護(hù)難點，BSS－702系列平臺采用了如下措施。

（1）電推進(jìn)變軌段：由于對軌道精度要求較低，衛(wèi)星采用長壽命、高精度陀螺獲得相對姿態(tài)參考數(shù)據(jù)；采用星敏感器獲得慣性坐標(biāo)系下的姿態(tài)參考數(shù)據(jù)；采用高精度時鐘、星敏感器、地球敏感器及電推力器作用下的軌道動力方程外推結(jié)果作為軌道數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)作為電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移段的自動變軌控制數(shù)據(jù)。

（2）在軌位置保持段：衛(wèi)星利用通信信道傳輸日常測軌數(shù)據(jù)，在地面使用軌道動力學(xué)軟件監(jiān)控衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù)。以14天為周期計算位置保持點火時刻、點火時長，并上傳至衛(wèi)星，以此減少地面測控工作量與成本，14天周期內(nèi)的位置保持操作由衛(wèi)星自動執(zhí)行［5－6］。

通過上述措施，有效減少了采用電推力器進(jìn)行變軌或者位置保持的BSS－702系列平臺衛(wèi)星對地面測控系統(tǒng)的壓力，降低了運營商的成本開支。

3.3 衛(wèi)星總體設(shè)計

衛(wèi)星總體設(shè)計對于衛(wèi)星成本有著重大影響，直接關(guān)系到衛(wèi)星的研制周期，以及與之對應(yīng)的生產(chǎn)、總裝、測試工作量。其中，生產(chǎn)、總裝、測試的成本與周期密切相關(guān)，主要體現(xiàn)在人員、設(shè)備的占用上［7－8］。為縮短研制周期，減少對設(shè)備與人員的占用，降低衛(wèi)星成本，BSS－702系列平臺從平臺總體設(shè)計、分系統(tǒng)設(shè)計、布局設(shè)計等幾個方面進(jìn)行優(yōu)化，有效減少了總裝與測試占用的時間。

BSS－702系列平臺采用徹底的分艙模塊化設(shè)計思路，即將載荷艙（通信艙）與推進(jìn)服務(wù)艙進(jìn)行相對徹底的分離。包括化學(xué)推力器、太陽翼在內(nèi)的所有服務(wù)設(shè)備，均布置在推進(jìn)服務(wù)艙，而將包括天線在內(nèi)的所有有效載荷設(shè)備布置在載荷艙。衛(wèi)星的總裝也非常簡單，僅用4組螺栓和6個電連接器就可以完成三艙對接，如圖2所示。這一設(shè)計思路，有效提升了衛(wèi)星的并行設(shè)計、生產(chǎn)與測試的能力，縮短了衛(wèi)星的研制周期［5］。

圖2 BSS－702平臺各組成模塊Fig.2 Modules of BSS－702platform

推進(jìn)服務(wù)艙又進(jìn)一步分為推進(jìn)模塊和服務(wù)艙模塊，以減少各功能模塊間的接口耦合，提高衛(wèi)星生產(chǎn)、部裝與總裝的開放性。在總裝過程中，推進(jìn)模塊單獨總裝、焊接、檢漏，而服務(wù)艙模塊也可以單獨進(jìn)行聯(lián)試，有效縮短了總裝與測試時間［5］。

3.4 分系統(tǒng)與單機

BSS－702系列平臺的分系統(tǒng)與單機設(shè)計也貫徹了其成本優(yōu)先、綜合優(yōu)化的理念，具體如下。

1）充分優(yōu)化工藝，減少人工成本

BSS－702系列平臺采用眾多創(chuàng)新的思路來簡化分系統(tǒng)與單機的裝配、生產(chǎn)工藝，以有效降低成本。在化學(xué)、電推進(jìn)管路布局中，創(chuàng)造性地采用星體外部布置推進(jìn)的管路（見圖2（b）），有效地簡化了管路鋪設(shè)、檢漏及出廠前電爆管等的安裝，在管路出現(xiàn)泄漏等問題時也極易更換。在太陽翼裝配中，為了簡化太陽翼的總裝，在太陽翼壓緊點的設(shè)計上采用不同于其他衛(wèi)星的三向、單向壓緊點組合設(shè)計方法，有效降低了太陽翼設(shè)計、加工、總裝定位的難度（見圖3）。在對接環(huán)的設(shè)計中，沒有采用整體加工的整體式結(jié)構(gòu)，而是采用簡單零件的鉚接結(jié)構(gòu)（見圖4），僅在對接面進(jìn)行少量的高精度加工，縮短了加工的時間，減少了對大型機床的占用，降低了對大型熱處理爐的需求。此外，整體設(shè)計使鉚接部位僅受剪力，鉚接結(jié)構(gòu)的受力最優(yōu)［5］。

圖3 太陽翼壓緊點Fig.3 Hold－down points of solar array

圖4 BSS－702對接環(huán)Fig.4 Docking ring of BSS－702

2）優(yōu)化分系統(tǒng)配置，提高平臺設(shè)備的使用效益

BSS－702系列平臺對系統(tǒng)可靠性進(jìn)行優(yōu)化分配，充分利用現(xiàn)有配置提升能力。BSS－702平臺配置電推進(jìn)進(jìn)行衛(wèi)星南北、東西位置保持，而化學(xué)推力器用于轉(zhuǎn)移軌道姿態(tài)控制及位置保持備份。采用電推進(jìn)進(jìn)行南北位置保持，取消了傳統(tǒng)的南北推力器；由于電推進(jìn)進(jìn)行東西位置保持的能力較弱，保留了東西位置保持化學(xué)推力器。考慮到在特定的定點位置平經(jīng)度漂移方向固定，僅保留一個方向的10N推力器［9］。因此，BSS－702平臺僅配置了10臺化學(xué)推力器，其中4臺22N推力器布置在衛(wèi)星背地板（如圖5中A1～A4所示），4臺10N推力器布置在衛(wèi)星東板（如圖5中E1～E4所示），2臺10N推力器布置在衛(wèi)星西板（如圖5中W1～W2所示），遠(yuǎn)少于泰雷茲－阿萊尼亞公司與阿斯特里姆公司聯(lián)合開發(fā)的“阿爾法”（Alphabus）平臺16臺的配置［5］。BSS－702MP平臺、BSS－702HP平臺與BSS－702GEM平臺的推力器布局繼承了BSS－702平臺。

BSS－702系列平臺在電推進(jìn)與化學(xué)推進(jìn)的使用上也獨具特色，設(shè)計中充分挖掘了電推進(jìn)的能力，有效提升了平臺的效益。在地球靜止軌道（GEO）段不使用化學(xué)推進(jìn)，可以有效簡化推進(jìn)劑貯箱的管理裝置，降低貯箱的制造成本［5］；變軌段采用4臺22N推力器實現(xiàn)大的控制裕度［5］，減少了對4個并聯(lián)貯箱不平衡排放的需求，簡化了熱控設(shè)計與推進(jìn)劑測量需求。

在供配電分系統(tǒng)的設(shè)計上也采用創(chuàng)新的思路，提高系統(tǒng)的用電效率，降低設(shè)計復(fù)雜度。充分考慮平臺的用電特征與單機的需求，針對平臺設(shè)備用電量穩(wěn)定且為低電壓的特點，專門配置了30V和50V的低壓半調(diào)節(jié)母線，降低了設(shè)備復(fù)雜度、成本及變壓損耗；充分利用蓄電池的能力，與太陽翼一起實現(xiàn)對電推進(jìn)的聯(lián)合供電，減少對太陽電池的需求［5］，降低太陽翼的成本。

圖5 化學(xué)推力器布局Fig.5 Configuration of chemical thrusters

3）選擇低成本原材料

在衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采用低成本材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計。減少高成本、難加工鈦合金的使用量，盡量使用更加便宜的鋁合金，如氙氣瓶、氦氣瓶的內(nèi)襯材料均為鋁合金，以減少材料成本；針對使用量少、強度要求高的大直徑螺釘，使用高強度的合金鋼材料，如桁架接頭間連接、桁架與對接框之間的連接螺栓，不使用鈦螺釘。針對一些次級結(jié)構(gòu)，選用低成本的玻璃鋼復(fù)合材料，如饋源支架、電推力器支架等［5］。

4 對我國下一代衛(wèi)星平臺開發(fā)的啟示

通過對BSS－702系列平臺低成本設(shè)計特點與具體措施的分析，提出我國下一代地球同步軌道公用衛(wèi)星平臺設(shè)計思路的建議如下。

（1）系統(tǒng)策劃，作好成本分析。衛(wèi)星平臺的設(shè)計決定其成本，必須在衛(wèi)星平臺研制初期系統(tǒng)地調(diào)研衛(wèi)星系統(tǒng)的成本構(gòu)成與變化趨勢，結(jié)合不同使用需求確定平臺發(fā)展的型譜規(guī)劃、技術(shù)狀態(tài)與技術(shù)路線，特別是新型運載火箭、新型入軌方式對衛(wèi)星成本的影響分析，以實現(xiàn)又好又快發(fā)展。

（2）深入發(fā)掘電推進(jìn)應(yīng)用潛力，提高平臺能力，降低應(yīng)用成本。BSS－702系列平臺通過引入電推進(jìn)技術(shù)，改變了傳統(tǒng)的地球同步軌道轉(zhuǎn)移及在軌位置保持的方式，進(jìn)而改變了地球同步軌道衛(wèi)星平臺的技術(shù)發(fā)展方向，大幅降低了BSS－702系列平臺成本。在我國未來衛(wèi)星平臺的開發(fā)中，應(yīng)深入研究電推進(jìn)應(yīng)用對衛(wèi)星能力與成本的影響，將電推進(jìn)的效益發(fā)揮到最大。

（3）從設(shè)計源頭進(jìn)行成本控制，盡量采用低成本材料與工藝。我國當(dāng)前衛(wèi)星設(shè)計與研制的成本意識相對薄弱，而產(chǎn)品的成本絕大部分源于設(shè)計，因此在衛(wèi)星平臺的設(shè)計階段就應(yīng)有意識地加強低成本設(shè)計，簡化生產(chǎn)工藝，選用低成本原材料，優(yōu)化總裝與測試流程，減少對人員與設(shè)備的占用。

（4）結(jié)合未來需求，設(shè)計靈活的應(yīng)用模式，實現(xiàn)平臺效益的最大化。BSS－702系列平臺的系列化設(shè)計，簡化了后續(xù)平臺的設(shè)計與驗證，從而降低了平臺后續(xù)的應(yīng)用成本。衛(wèi)星平臺的開發(fā)或者升級需要一系列的設(shè)計與驗證，在新衛(wèi)星平臺設(shè)計之初要盡量覆蓋未來可能的需求，使用技術(shù)手段增強平臺應(yīng)用的靈活性，以減少在衛(wèi)星平臺應(yīng)用階段的修改而發(fā)生的成本。

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（編輯：夏光）

Analysis on Low－cost Design of BSS－702Serial Platform and Its Instruction

YANG Jun ZHOU Zhicheng LI Feng PEI Shengwei
（Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

Series of new technologies are adopted in American BSS－702serial platform，such as modularization，both orbit transfer and station keeping using XIPS electric propulsion technology.These technologies make BSS－702serial platform the lowest cost per transponder communication satellite platform by reducing the cost of the platform efficiently.In terms of launching service，ground operation，system design，and subsystem and unit product design，this paper introduces the approaches to reduce the cost of BSS－702，and puts forward suggestion for the development of China’s next generation big earth synchronous orbit communications satellite platform with low cost.

BSS－702serial platform；low－cost design；modularization；electric propulsion

V474

：ADOI：10.3969／j.issn.1673－8748.2016.01.019

2014－12－25；

：2015－04－10

楊軍，男，碩士，高級工程師，從事衛(wèi)星總體設(shè)計工作。Email：yangjun1＠cast.cn。