国外低成本卫星技术研究

张召才 （北京空间科技信息研究所）



国外低成本卫星技术研究

张召才 （北京空间科技信息研究所）

技术先进性和成本经济性是衡量空间系统建设综合效益的关键指标。针对航天项目投入高、周期长、风险大等特点，有效平衡性能与成本间的矛盾关系，发展高性价比的低成本卫星是各国长期以来的关注热点。政府管理部门关注低成本卫星技术，意图优化预算投入；卫星研制部门研究低成本卫星技术，旨在追求效益最大化。

1　低成本卫星内涵辨析

当前，低成本卫星仍是相对概念，一般由工业界和学术界以“低成本”（Low Cost）、“较低成本”（Lower Cost）或“降低成本”（Cost Reduction）等概指。国外研究界一般认为，低成本卫星是指全寿命周期成本显著低于同类卫星平均成本的卫星。每个卫星任务都有其特定的任务需求、项目管理和指南要求，这些要素决定了卫星应具备的功能及其实现途径。不同卫星的任务有效载荷显著不同，其性能指标也具有较大差异。因此，国外研究界认为，无法用定量化的方式定义低成本卫星，但基于数理统计分析方法可以对比确定属于低成本范畴的卫星项目。总结这些满足低成本条件的卫星项目研制期间所采用的技术手段，即可认为采用这些手段能比传统手段更有效地降低卫星成本。

低成本卫星是全寿命周期概念

必须从卫星项目的整个寿命周期视角降低任务成本，包括项目的概念研究阶段、项目定义阶段、设计阶段、研制阶段和运行阶段。降低任务要求、引入创新技术、优化发射选择、创新运营模式都是发展低成本卫星的重要手段。

低成本卫星是价格和性能的综合作用结果

低成本卫星不以追逐绝对的低价格为最高优先级，而是聚焦发展高性价比卫星，要充分发挥比较优势，为空间任务提供高性价比实现途径。低成本往往意味着低要求，但发展低成本卫星不等同于要以完全牺牲卫星可靠性和卫星功能为前提，其核心目的应是以较低成本发展利用空间技术。

低成本卫星不等同于小卫星

尽管小卫星相较传统大卫星的研制成本和发射成本更低，但实际上小卫星低成本更多是依靠轻量化、小型化及对发射能力需求更低实现的。低成本卫星的关键则是降低任务需求，以高性价比的方式发展满足功能需求的卫星系统。因此，低成本卫星不等同于小卫星，中大型卫星也可以是低成本卫星。

2　国外降低卫星成本典型案例

实施有效的卫星成本管理，避免成本过度上涨是发展可持续航天能力的关键。降低卫星成本需从项目决策层面到项目执行层面，再到技术研制层面一体贯行。美国政府、Microcosm咨询公司、萨瑞卫星技术有限公司（SSTL，以下简称萨瑞公司）和泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（TAS）等均进行了相关研究，并采取了必要措施以降低卫星成本。

2016年开始发射的美国“下一代铱星”

美国政府从工程技术、竞争力和商业三个层面提出降低卫星成本的技术途径

为了有效解决航天任务“拖进度、涨成本、降能力”问题，美国国家情报办公室于2011年12月面向美国工业界和学术界发布了“信息征询书”（RFI），征集低成本卫星技术途径和备选方案。美国国家情报办公室征询结果表明，低成本卫星可从工程技术、竞争力和商业三个层面实现，其中标准化、通用化、模块化设计是工业界关注的焦点。据此，美国国家情报办公室启动了“空间通用模块化架构”（SUMO）项目，重点提高卫星部组件通用化水平，以实现降低卫星成本和引入模块化概念鼓励创新的目标。

1）工程技术手段。包括：支持即插即用（PnP）设计的标准化电子接口；通用化部件，满足多种应用需求；模块化平台设计；通用测试和鉴定要求；可升级体系架构；技术升级与创新。

2）竞争力手段。包括：基于全局标准而不是用户产品调整目标；调整国际武器贸易条例（ITAR），去除不必要的限制约束；政府保持全球航天领导者地位；政府和工业界联盟，创造双赢机会。

3）商业与合同方面的手段。包括：创建可预测的、稳定的政府规划周期；有效载荷搭载；充分使用商业服务、能力和基础设施；资源共享—软件库，开发工具、开发技术和开发信息；资源共享—轨道和频率资源；风险容忍文化；避免需求变化，保持需求的稳定性；项目管理和监管稳定；优化投资，与工业界利益保持一致；批量购买，实现采购方和供应方双赢；尽可能鼓励使用固定价格合同的方式；协调标准化和资源共享，并保护公司私有技术、发展战略和交易等秘密信息。

英国萨瑞公司从六个方面践行低成本卫星发展理念

萨瑞公司通过优化组织管理、改进卫星设计、形成了独特的低成本卫星研制文化。萨瑞公司自20世纪70年代成立之初，就以快速建造低成本小卫星为目的。按照以大卫星20%的成本和40%的研制周期获得80%性能的设计思想，采用降低技术难度、降低寿命要求、降低进入门槛等方式，促进了新型研制模式的出现，通过大量使用商用现货部件、快速非连续制造、研制和测试流程优化，降低了卫星成本。

1）小型团队，集同工作。高效精简和扁平化架构的研制管理团队是萨瑞公司保持较高工作效率、降低人力成本的重要举措；管理、设计、制造和运行部门在同一地点进行可以显著降低成本。

2）减少分包商的数量，保持完整的“内部能力”。发展从卫星总体到分系统再到部组件级的研制能力，避免转包商所带来的制约与依赖，将减少正式接口文件和合同协商，从而提高生产效率。

3）广泛使用商用现货产品，控制部件成本。在可能情况下，优先使用商业或工业部件。在商业或工业部件可用的情况下，该方法可以避免航天级部件的高成本，减少交付周期、避免出口许可证及部件研制的重复等问题。

4）采用灵活性设计。卫星设计采用在轨重构的方式，可以通过冗余将风险控制在一定范围。多年的经验证明，软件上传的功能至关重要，可以避免一些预想不到的情况发生。

5）采用分布式计算机和测控系统。通过大量的处理器节点，可以分散系统的复杂性，可以减少对一台星载计算机的依赖。

6）自主在轨运行。地面站和卫星自主运行意味着在进行常规运行时，地面站可处于无人值守状态；高度自主的小卫星技术以及先进的地面站技术，极大降低了卫星的维护成本，从而有效降低了任务的综合成本。

英国萨瑞公司的“新型合成孔径雷达卫星”

3　低成本卫星关键技术

低成本卫星是全寿命周期概念，需要创新的系统解决方案和关键技术作支撑。本研究重点从卫星平台设计和组装、集成与测试（AI&T）两个方面分析低成本卫星关键技术。

模块化卫星平台技术

模块化平台是低成本卫星的关键技术。模块化平台技术尽量将技术上的升级、新功能的增加限制在某个模块上。当需要进行技术升级或需要增加新功能时，只需升级局部模块而不用对整个系统进行大的变动。采用模块化设计还能简化卫星系统组装、集成与测试过程，大大减少保障人员和保障设备，进而降低成本费用。美国诺格公司发展的 “鹰”（Eagle）系列平台、波音公司“幻影凤凰”（Phantom Phoenix）系列平台、萨瑞公司“静止轨道迷你卫星平台”（GMP）和“日本电气公司下一代星”（NEXTAR）平台等均是典型的模块化卫星平台。

“日本电气公司下一代星”平台是由日本电气公司（NEC）研制的新一代模块化平台，平台各功能舱在物理结构上独立设计，在功能架构上基于SpaceWire标准联接，可细分为数据处理、姿态轨道控制和任务控制三层网络。这种物理结构分离、功能联接一体的模块化平台架构，使得“日本电气公司下一代星”平台能够快速适应不同任务需求，仅做有限的局部修改即可支持可见光、高光谱、红外和雷达等不同的对地观测任务，形成对不同对地观测任务的通用支持能力，降低了平台“裁剪”成本。“日本电气公司下一代星”平台星载计算机硬件标准完全一致，各部组件也具有相同定义的接口管脚，这种接口标准化设计使得基于“日本电气公司下一代星”平台的卫星部组件通用化程度和可替换性大幅提高，减少了备用部组件数量，降低卫星研制和测试保障费用。

采用“日本电气公司下一代星”模块化平台的先进地球观测卫星-1

空间即插即用技术网络架构

美国宇航公司（Aerospace）对采用模块化卫星平台带来的经济效益进行了研究分析。该公司广泛采样军事和民用卫星市场订单数据，利用回归分析模型研究得出：大量使用模块化卫星平台有助于降低卫星成本，研发模块化卫星平台投入的经费在9年内即可获得效益回报。长远看，研制并使用模块化卫星平台技术，卫星成本总节省额高达188亿美元，占比约为29%。

快速组装、集成与测试技术

空间即插即用（SPA）技术是系统快速组装、集成与测试的基础，能够实现识别接入组件并进行动态监测和配置，能够大大减少卫星系统设计、组装、集成与测试各个环节的特殊需求，从而缩短项目周期。

空间即插即用技术是美国国防部和空军研究实验室（AFRL）为推动发展快速响应能力而联合推进的关键技术。空间即插即用技术初期聚焦快速即插即用技术，发展快速响应能力。随着技术不断成熟，空间即插即用概念已被欧洲、日本等航天发达国家接受，并成为缩短卫星研制周期、发展快速组装、集成与测试能力、降低卫星成本的重要技术途径。欧洲发展了支持空间即插即用技术的SpireWire总线标准；瑞典与美国空军研究实验室合作研究纳卫星即插即用架构（NAPA）；日本也基于SpaceWire标准研制了支持空间即插即用的新一代模块化快速响应平台。

卫星数据模型软件体系架构

对于硬件，空间即插即用定义了组件与平台结构的机械接口标准，设计人员可在集成一次结构板（ISP）上自由选取标准化连接触点的位置，这些触点能够提供电源动力或空间即插即用设备接口。对于软件，卫星数据模型（SDM）负责飞行软件的集成，原理上与集成一次结构板类似，确保各种应用能够根据需要选择软件和硬件组件。卫星数据模型集成在分布式星载计算机的多个CPU节点上，具有空间即插即用软硬件的自检测能力，主要负责管理硬件设备和上层服务。

空间即插即用技术在缩短卫星研制周期、降低成本方面具有重要优势。为验证空间即插即用技术应用效能，美军作战响应空间（ORS）办公室在2009年利用即插即用卫星-1（PnPSat-1）完成了3种不同构形的6次组装、集成与测试。6次装配测试的平均时间是5h，标准偏差是3h。这种偏差主要是由装配人员的培训和技能水平决定，而不是卫星构形的变化引起的。完成卫星测试和任务模拟的时间平均约为14.5h，标准偏差为0.3h。就经济方面考虑，单个大型军事卫星的成本一般约为1亿美元，如果采用成熟的空间即插即用技术则可在人力成本方面节省800万美元。对单个技术试验或科学卫星而言，相对传统建造方式花费的3700万美元，采用空间即插即用技术可节省约500万美元。

4　结束语

低成本卫星是平衡成本预算和能力需求的重要手段，是可持续发展利用空间技术的有效途径。要改变传统的“面向任务”设计，牢固树立“面向成本”设计理念，围绕卫星任务需求，充分考虑经济因素，对可实现任务目标的各个方案进行权衡分析。研究表明，创新管理模式，采用模块化平台设计和快速组装、集成与测试技术，是实现技术和商业双赢、达成降低卫星成本发展目标的重要手段。

祁首冰/本文编辑

Study on Foreign Low Cost Satellite Technologies