微小卫星电子载荷技术发展趋势探讨

2015-12-20曹广平中国西南电子技术研究所

卫星与网络 2015年9期

+ 曹广平　中国西南电子技术研究所

微小卫星电子载荷技术发展趋势探讨

+ 曹广平中国西南电子技术研究所

人造卫星的发展经历了从单一功能小卫星向多功能大卫星发展，再到各种专用小卫星、微小卫星皮纳卫星。现代小卫星是随着电子技术发展而飞速发展起来的，其功能、性能与早期小卫星有着本质区别。

卫星载荷是卫星最为重要的组成部分，它决定着卫星规模、轨道需求、所形成的能力。从技术发展角度，平台与载荷又是相互推动、相互促进的关系，近几十年微小卫星发展如火如荼，大量国家机构、学校、企业甚至个人进入到这一行业，在卫星设计理念和思路、工程实现技术乃至设计流程都发生了变化。本文重点关注微小卫星发展对卫星电子类载荷技术带来影响和所形成的特点。

一、微小卫星发展特点

1. 微小卫星产业生态环境变化

在过去，卫星总是与高端应用联系在一起的，微小卫星的发展将有望改变这一状况，微小卫星正在经历与无人机相似的发展历史。我们来看无人机的发展历程，一开始无人机出现在科幻电影中，随后美国等大力发展，作为侦察、无人作战平台等尖端武器装备，如在阿富汗、叙利亚等冲突中大放异彩的“全球鹰”、“捕食者”；但是，一项新技术的出现，谁也垄断不了它的用途，随着技术成熟、成本降低，先进军事技术的民用用途不断被开发，无人机用于边海防巡逻、灾害勘察、电力巡线、农业作业等已经非常平常；中国出现了一家堪称可与苹果相比的公司“大疆科技”，它甚至将无人机发展为一种消费类电子产品，可广泛用于航拍、活动表演、短途运送轻小物品等；民用产业化又带动军事应用，对于战场战术侦察，无人机提供了更多应用模式，美军用单兵投掷式无人机提供战场侦察和短时通信。

从无人机的发展历史分析，其经历了从高端小众市场到大众消费产品的过程；我们判断微小卫星产业发展也应该有以下两点趋势。

1)微小卫星系统的体量必然急剧扩大。虽然不能像无人机一样普及，但越来越多的组织和企业参与到微小卫星研发、更多企业参与运营和提供服务将是必然趋势，如美国太空探索技术公司(SpaceX)首席执行官伊隆·马斯克提出打造一个由700颗微型卫星组成的低成本卫星网络，以便为全球提供无线网络服务。

2)微小卫星产业门槛降低，多产业间界线模糊。随着航空技术发展、临近空间技术发展，类似功能的任务使命在多种平台都能实现，在某些应用领域微小卫星可能与无人机、临近空间飞行器同台竞争，航天与航空、甚至航天电子与消费电子产业的界限越来越模糊，如美军大力发展的单兵战场侦察装备，战场侦察不再依赖于航天侦察，单兵无人机可提供实时战场图像侦察，并利用消费电子产品实现战场通信和态势感知。

因此，微小卫星必须考虑面向大众市场，必须以面向大众市场的思路引领设计理念。

2. 微小卫星发展现状与趋势

NASA在1997年开始启动X2000计划，主要发展空间电子设备微电子技术，美空军研究实验室一直从事卫星系统即插即用前沿技术的研究，推进太空即插即用航电(SPA)标准；ESA以Surrey大学为代表发展芯片卫星；器件公司不断推出MEMS技术和3D封装器件，为微小卫星发展奠定基础。

微小卫星技术发展出现不同热点，一是微／纳技术发展，支撑卫星进一步小型化，皮、纳卫星甚至飞卫星出现，美国康奈尔大学毕业生通过众筹网kickstarter发起的KickSat项目，准备发射以立方体母卫星携带的104颗5 g重芯片卫星，号称5 g的卫星功能已经超过人类历史的第一颗卫星，这是公开报道的最小卫星记录，遗憾的是2014年5月母卫星并未完成人轨和抛撒子卫星过程，后再入大气层并烧毁。

微小卫星另一热点是向工程实用化发展，需求牵引和技术推动的共同作用，微小卫星技术开始进入实用化阶段。但目前实用化的微小卫星工程系统总体还是偏少，应用最成熟的主要在以下几个方面。

对地遥感小卫星，已经形成了系列光学、多光谱成像卫星。英国萨瑞公司(SSTL)主导构建了世界上第一个商业性质遥感小卫星星座——全球灾害监测星座；美国Skybox公司2013年发射了它的第一颗商用遥感小卫星，轨道高度为450 km，单星质量91 kg，实现了幅宽400 km、分辨率1 m的成像能力；美国犹他州立大学开展折叠展开反射面技术研究，可在5 kg卫星上实现1 m分辨率；各国也正在积极着手解决星载SAR成像雷达的轻量化问题，有望在100kg量级内解决微波遥感成像问题。

卫星通信方面，美国轨道通信(Orbcomm)公司第二代“轨道通信”卫星(OG一2)单星质量仅150 kg，除常规通信转发器载荷，还增加了“自动识别系统”(AIS)，用于海上交通管理；军事通信方面，美国战术卫星(TacSat一4)正式投入使用，该卫星质量450 kg，运行轨道为倾斜椭圆轨道，装载了高频(UHF)频段通信、AIS终端和DSCS接收载荷；2012年，美陆军空间与导弹防御司令部(SMDC)技术中心研发并试验了搭载有数据接收和战场短报文通信载荷的作战应用纳卫星(SMCD—ONE)，2015年计划再继续发射3颗该型卫星。

微小卫星因其体积小、易隐身、机动灵活、成本低等特点，在空间对抗领域可以大展身手，各国都在发展相关技术，限于其用途敏感性，少有报道或报道语焉不详。

从微小卫星发展趋势看，卫星性能不断提升，不断颠覆传统设计思路和理念，应用领域越来越广阔，代表了航天技术发展的前沿和方向。

3. 微小卫星工程应用面临的技术挑战

在过去一二十年，虽然微小卫星技术研究的开展分外热烈，但微小卫星应用仍以试验为主，大量在验证平台本身的技术，一些载荷功能试验也是有选择性的，选择了对平台要求还不太高的一些项目进行验证。但是，近年来微小卫星领域技术逐步向业务化发展，针对具体的应用，微小卫星需要考虑的因素要多得多。相对于传统卫星，微小卫星具有单星成本低、研制周期短、设计更灵活等特点，但也意味着性能水平降低不可避免，为实现具有实用功能性能的系统，一般需要采取微小卫星组网构成系统的方式，卫星组网带来技术和成本上的新压力，在系统方案设计中综合考虑任务需求、卫星成本、星座部署、系统运行支持等全系统要素。

从技术方面，微小卫星进入工程应用首先需要解决以下几个方面的问题。

(1)高功能密度

“麻雀虽小，五脏俱全”，微小卫星平台的基本功能并不因为小而进行裁剪，需要在更小的空间、更严格的约束条件下实现常规卫星需要实现的功能，要以全新的思路实现传统的卫星设计的结构、电源、热控、姿轨控、测控、数据管理等功能。

(2)宽适应性

发展微小卫星平台的重要目的是为开发功能各异的各种应用卫星，需要卫星与各种任务载荷实现简单、良好匹配，通过建立微小卫星体系结构和信息交换标准，实现任务、功能、资源统一调度管理，载荷能够“即插即用”，从而使卫星具有更宽的适应性。

(3)成本控制

低成本是微小卫星最重要的特点和核心竞争力，要实现微小卫星的低成本，需要从卫星设计、研制、测试、发射、维护使用等环节考虑成本控制，必须在一体综合化设计、COTS器件使用、简化研制及测试流程、通用化应用技术等方面开展工作。

(4)开发周期

“快”应该是微小卫星的又一项特点，为实现缩短开发周期，必须要突破传统卫星项目研发模式，实行“统一标准规范、开放任务、并行开发”，采取“产业化”思路建立微小卫星研制队伍序列，优化卫星产品研制流程、测试流程、试验流程，标准数据规范，快速应用。

二、微小卫星载荷发展趋势与思路

微小卫星载荷的设计理念、思路、技术途径都与传统卫星载荷不同，我们从微小卫星相对传统卫星对载荷需求变化人手，总结微小卫星载荷特点。

1. 微小卫星电子载荷相对传统载荷的需求变化

为适应微小卫星任务定位、与微小卫星平台良好配合，卫星载荷必须适应新的需求，归纳微小卫星电子载荷的需求，相对传统卫星电子载荷呈现以下变化。

(1)功能定义更自由

传统卫星有着相对固定的用户，一般从项目论证开始，载荷的功能性能是固定的；微小卫星面对大众用户，定制化服务兴起，需要提供一种更为灵活的功能结构，能适应不断增长的差异化需求。

(2)模块化

为实现并行研发、提高设计效率，简化装配、测试过程，微小卫星载荷必须改变传统卫星载荷“从平台到分系统再到单机”的设计思路，美国提出“空间飞行器即插即用电子设备”(SPA)作为小卫星解决快速集成、快速测试的关键技术，具有广泛借鉴意义；要实现“即插即用”，可采取整星模块化的体系结构，通过系列化规范硬件平台、标准通信协议、系统资源管控软件，实现卫星和载荷动态功能加载及资源配置重构。

(3)微型化和低功耗

为解决微小卫星体积和重量的限制，载荷必须进行微小型化；同时，微小卫星一般不可能配置大面积太阳能电池阵面，星上能源供给能力比较受限，要求实现载荷的低功耗设计；因此，载荷需要采用微系统、微组装、低功耗设计等技术。

(4)电磁兼容性

电磁兼容性是微小卫星电子载荷面临的又一难点，其难度主要由几方面造成：小型化要求取消独立单机外壳，屏蔽性能下降；设备间距缩小，设备间通过总线大量信息交换，传输路径给系统的电磁兼容性带来巨大压力。立体卫星中电子设备往往以“裸板”形式叠装，电磁兼容性设计难度大大增加；为满足系统兼容性要求，必须从减小辐射水平、提高抗干扰水平、阻断传播路径多方面采取措施。

(5)技术要求和可靠性水平

这是微小卫星相对传统卫星对载荷要求可能降低的条目，由于微小卫星多数是单一功能卫星，国外提出了以20%成本满足80%需求的设计思想，以降低技术难度、降低寿命要求。电气指标和可靠性要求较低使星载产品进入门槛降低，大量使用COTS器件，鼓励研制模式转变、加快载荷研制速度、优化测试流程。这一变化将对航天工业体系产生深刻影响。

2. 微小卫星电子载荷技术发展趋势

微小卫星载荷需求的变化推动载荷技术选择性发展，未来微小卫星电子载荷技术应该呈现以下趋势。

(1)平台载荷一体化

电子系统综合是微小卫星上最有条件开展和效果最明显的工作，电子系统综合将使卫星平台和电子载荷的界线消失，而以星载计算机为管理核心，以星上总线方式连接各类星载电子设备，传统卫星的各分系统、单机都不再独立存在，而是以一个RT挂接在总线上，实行资源共享机制，为平台和载荷提供统一的信息管理、数据处理、传输、服务，构建微小卫星的信息中枢，实现平台载荷一体化。

(2)硬件微型化

卫星微小化的前提是星载设备的小型化。因为空间应用特殊环境和可靠性要求，长期以来，星用元器件电性能参数、集成度等落后于商用器件，同时星载设备需要考虑更多的环境防护、容错、冗余等措施，卫星产品的硬件往往更“笨拙厚重”；这显然不能适应微小卫星要求。随着微小卫星寿命等要求降低，放宽了星载电子设备设计约束条件，将允许更多使用COTS器件、更多采用低压、低功耗工艺的器件和微电子、微机电、微纳材料等新型器件和材料，星载设备硬件微型化成为可能，如MCM工艺使电路部件的体积数十倍缩小，各种MEMS传感器和电子器件的出现，其体积缩小数百倍；ASIC、SoC出现，一片电路可代替原来若干块通用电路板的功能。电路微型化将是微小卫星技术发展的永恒主题。

(3)载荷功能软件化

卫星任务的多样性、对卫星载荷的功能和性能提出了各种很高的要求，如果按照传统方式以硬件为主导的设计方式，微小卫星难以适应这千差万别的状态，更无从谈起平台载荷一体化，为适应平台载荷一体化设计，需要载荷功能软件化，在硬件平台能力支撑下，尽量用软件来完成大多数任务功能，从而更好解决并行开发、同步测试、即插即用、支持动态更新等内能力。但是，当软件的作用越来越重要，对系统产生的影响也越来越重大，就需要对软件体系结构、设计方法和模式进行研究。

(4)接口标准化

载荷接口标准化是卫星标准化和快速应用的前提，接口标准化分为物理接口和数据接口，物理接口需要开展大体系的包容性设计和统一标准，技术上相对简单，难度更多体现在管理；数据接口标准化将减少载荷之间、载荷与平台设备之间接口的设计与协调的时间，简化天地对接程序，大大简化研制流程，缩短研制周期；提高载荷模块互换性，降低星务管理的复杂度；方便地面数据接收系统设计，为统一地面应用系统创造条件。数据接口标准化代表了微小卫星载荷发展的一种技术趋势，需要开展星载电子设备通信协议研究，为物理层、数据链路层、应用服务层定义标准。

3. 微小卫星电子侦察载荷发展趋势

根据微小卫星载荷技术发展趋势，结合到航天电子侦察的特点，微小卫星电子侦察载荷发展和工程出现了一些具体思路和想法。

图1　

图2　

图3　

微小卫星平台与电子侦察载荷体系结构采用一体化设计，取消分系统和单机概念，平台电子设备和侦察载荷设备都变化为符合相关规范的标准板卡，如图l所示，以现场总线组成控制网络，以高速数据总线实现数据信息交换，实现星上设备即插即用，建立的SPA标准。

按照一体化设计思想，侦察载荷的硬件组成框图变为图2所示，电路都尽量模块化，方便实现不同功能的重组。

经过四十余年的持续发展，以硅集成电路为代表的固态电子学技术发生了难以置信的爆炸性的进展，在半导体微电子器件、光电子／光子器件及微电子机械系统(MEMS)／纳电子机械系统(NEMS)等各类器件分别取得惊人发展，为硬件微型化提供了大量新的手段和方法，美国率先提出了开发芯片级集成微系统(chip scale integration micro systems)新概念。对微小卫星载荷，射频电路将采用MMIC、硅基芯片滤波器、MEMS滤波器等器件，使用MCM、LTCC、SIP等封装技术，可使射频部件的体积降为数十分之一，功耗也将大大减小，天线则可采用超材料，尺寸减小到λ/10之内；处理电路将采用SIP、TSV(Through—Silicon—Via)等3D封装技术和SoC片上系统技术；随着技术进一步发展，未来3D打印的功能部件也将出现。

未来侦察载荷将提供一个开放的平台，分层分级的软件开发架构，支持用户二次开发和软件功能更新在该软件体系结构下，用户层对用户和系统设计人员开放，可以实现工程集成定义和在轨应用升级。微小卫星接口标准化建议充分继承现有技术成果，控制总线可以采用CAN总线，数据总线采用PCIe或Rapidio，ESA推出了Spacewire，但相对成本太高。

基于网络技术、在统一标准、集中管理、分散研制、快速集成，在商业运营、提供服务的设计思路指导下，微小卫星可以在电子侦察领域发挥很好作用，具有较广阔的市场，但考虑微小卫星组网技术发展现状、实时相对测控精度水平，侦察体制信号处理的要求，在体制选择上有所侧重，微小卫星优先发展以信号侦察和星座为主，并可在民用目标数据服务方面重点发展。