小卫星发展策略分析

2015-03-18白照广航天东方红卫星有限公司

卫星与网络 2015年9期

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小卫星发展策略分析

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20世纪90年代，国际小卫星技术发展方兴未艾，以美国为代表的“快、好、省”小卫星发展技术倡议成为众多国家追随的对象。在此大潮推动下，中国空间技术研究院在“八五”期间适时安排了小卫星公用平台的技术研究课题。研发中提出了充分利用现代微电子技术、计算机技术以及软件技术的思路及整星集成化星务管理的理念，通过在各分系统控制设备中推行嵌入式管理执行单元(MEU)，实现中心计算机与各分系统的信息连接，达到卫星功能集成与分散控制的有机结合，从而实现全星资源与信息统一管理。

1996年8月，实践五号卫星开始立项研制，研制中应用了公用平台预研成果，由此建立了CAST968小卫星公用平台系列，1999年卫星发射；在此平台技术基础上，又细化、分离出了高姿态控制精度的CAST2000平台，首颗星试验二号卫星于2004年发射；2009年微小卫星平台CAST100首颗星希望一号发射。截至2014年底，中国空间技术研究院已经发射了51颗微小卫星，仍有45颗卫星在轨稳定飞行，累计飞行寿命超过150年，在轨小卫星数量已经达到中国卫星数量的近三分之一。

伴随着小卫星的发展，中国海洋水色遥感卫星、环境与灾害监测小卫星星座、实践卫星系列、测绘卫星等一大批卫星系列得以发展，拓展了中国航天技术的应用领域，促进了卫星应用行业水平的提升，使小卫星在国民经济建设和国防建设中发展了重大作用。

一、小卫星发展启示

1. 以多用途为目标，构建卫星平台

小卫星平台开发伊始就明确提出是多任务平台，具备适应不同卫星任务的能力，包括适应遥感、通信、科学与技术试验卫星等任务的能力，适应中低轨道飞行能力。

实践五号卫星设计中，任务要求只需要进行对地三轴稳定和慢旋。但设计时完全立足公用平台思路，以胜任不同任务需求开展了设计，如采用平台和载荷设备分舱设计、具备扩展能力的星上网设计和多姿态控制模式设计等，并为验证平台能力，在轨实施了对地三轴稳定、对日稳定及对日慢旋等多种任务模式，为应对后续不同任务奠定技术基础。

2. 采用柔性设计，适应多任务需要

柔性设计是将不确定的要求进行处理，转化成效能优化的、确定性策略，或者是用确定性设计应对不同需求的设计策略，强调的是灵活性和适应性。采用状态固定的设计应对不同任务必然要求卫星平台设计包络要大，且一步就能做好适应各类任务是不现实的。即使能实践大包络设计，针对具体任务必然存在一定的过设计，造成浪费。既要量体裁衣，又要充分利用已有素材的设计是卫星柔性设计的本质。需要把握的是对不确定的要求的趋势预测和设计的可裁剪和可扩展性。卫星柔化设计就是对标准化单机产品系进行组合的一系列方案，并进行必要的、最低限度的、可实现的针对性设计改进，实现满足个性化需求的整星产品。

3. 性能滚动提升

小卫星技术能力的实现本着成熟先用、新技术试验的原则进行不断的滚动式发展，平台能力得到不断的提升。

通过“八五”小卫星共用平台成果在实践五号上的应用，开发了CAST968平台。基于技术成熟度和投入限制，此时的卫星平台还很初步，是基本型。通过海洋一号A星的研制，卫星系统设计更加完善，可靠性得到提高，使得CAST968平台更加实用。利用CAST968平台技术，吸收“九五”小卫星预研成果，研制了试验二号卫星，实现了高精度姿态控制，建立了CAST2000平台。此后随着应用需求的不断增加，一系列技术得以开发和应用，小卫星平台能力得到不断的提升。

4. 大力推行集成设计

实现卫星小的重要手段是集成设计。

通过集成设计，使得整星设备数量大大减少，实践五号卫星平台设备数量只有48台，海洋一号卫星平台加上数传设备数量仅有67台，远远低于传统卫星动辄上百台的配置要求，因此集成设计是小卫星能够实现“小”的主要途径。

5. 低配置高可靠设计策略

利用磁控技术辅助进行姿态控制，减少其他硬件资源。

采用分散供电体制，将集中供电的电源变换器分散到各个功能设备中，减少了星上设备配置，同时有利于标准化星上设备供电接口，有利于卫星功能扩展。

采用斜装推力器安装策略，实现对喷气控制的最少冗余。

充分应用软件技术进行设计冗余。在不增加硬件资源情况下，实现中高时间精度控制。

通过可靠性增长提高单机可靠性或置信度。通过通用化小卫星单机产品在不同型号中的飞行应用，不断发现设计与工艺缺陷，并通过举一反三方式使产品可靠性得到很好的提高，在实现可靠性增长的同时，确保了卫星可靠性。

采用既作为主承力结构，又作为设备安装板，同时具备导热性能的多功能结构板的设计减少专用承力筒结构，减小了卫星结构质量。

6. 不断提升可靠性、安全性设计水平

采用单组蓄电池组进行全星设备供电，不但简化了设计，而且减小了卫星质量。为了实现高可靠，采用计算机控制实现蓄电池充放电控制，安全可靠。严格控制蓄电池工作温度，确保在5～10℃。严格控制星上负载功能脉动特性，实现电源供给高品质。

随着卫星研制数量的增加，单机产品及整星可靠性得到持续的增长。单星设计寿命已经从实践五号的3个月，提升到海洋一号的2年，又继续提升到环境减灾一号卫星的3年，目前正在开发国内首颗低轨5年设计寿命的高分一号卫星。实际在轨卫星最长寿命(实践六号B)已经接近11年。

从整星能源、姿态、任务能力等安全性核心要素出发，设计了姿态、电源、BAPTA及星务中心计算机等主要异常事件时星上自主安全对策，防止整星陷于更加严重的故障中，并导致完全失效。在整星安全对策基础上，对短期负载和短寿命部件也都进行工作时间安全控制，防止其对整星供电带来过大负荷或过早消耗设备寿命的现象，从而有效保障了整星的长期运行能力。

从环境减灾一号A／B卫星开始，开发了具有容错功能和可注入的相对时间程控指令技术等，不但可快速剔除过期指令组，而且方便用户使用，减少地面测控上注数据量，大大降低了卫星操作风险。

二、未来展望

7. 开发了一系列小卫星专用产品

为了实现小卫星轻量化，产品设计时追求小型化、标准化，开发了一系列适应小卫星特点的产品。包括星务中心计算机、模块化遥控单元、热控下位机、模块化载荷舱下位机、小型化S波段测控应答机、姿轨控中央控制单元、电源控制器、配电器、太阳翼压紧解锁与释放机构及太阳翼产品、小卫星平台专用太阳翼驱动机构、660型星箭对接环标准。

8. 统一设计，产品化思路

产品化是小卫星保证产品技术状态的重要思路，也是平台快速研制和在轨运行可靠的重要保证。通过统一设计，实现了不同型号间相同功能设备状态的统一；通过统一单机状态和环境试验条件，实现了平台主要单机30件产品的定型；通过统一调度、统一合同，实现了星上产品的组批投产；通过建立小卫星专用标准，统一了不同型号研制策略；通过统一总结、互相交流，实现了设计师队伍能力的同步提升。

展望未来需求，小卫星的发展还应关注以下几个方面。

1)发展以姿态快速机动和稳定等为核心的敏捷卫星技术，进一步提升高分辨率成像的成像效能，促进高分辨率数据的深化应用。

2)发展以静磁、静电等为核心技术的电磁监测卫星技术，扩展小卫星在地磁环境监测的能力。

3)发展以无拖曳、高精度质心控制等为核心的重力场测量卫星技术，丰富地球科学测绘方法及为相关行业深化应用提供数据支持。

4)发展以快速发射、低成本等为核心的应急灾害响应卫星技术，扩展卫星对应急事件的应急通信、遥感等快速响应。

5)发展以高成像质量、低成本的商业遥感卫星技术，推进遥感事业产业化。

6)发展星座技术，将小卫星星座不断应用于遥感、通信、科学与技术试验等领域。

另外国内小卫星研制方兴未艾，有效协同发展，真正实现高效的产学研一体化，共同促进我国航天技术发展，共同面对国际市场竞争也是应该关注的。