精致微纳卫星设计与实践

张伟 彭攀 沈朱泉 施伟璜 徐云东

(上海卫星工程研究所，上海 200240)

在商业航天市场蓬勃发展的背景下，微纳卫星凭借其高功能密度，高性价比特点，通过规模化组网应用，发挥越来越大的作用，微纳卫星批量化制造将成为必然趋势。然而，目前对微纳卫星的设计理念主要继承于传统产业，以面向单星制造为主，卫星集成过程相对复杂，对于批量化制造需求有一定的不适应性。同时，传统对卫星的评价单纯以卫星技术指标为标准，忽略了微纳卫星高集成度、低制造成本所带来的综合优势，无法全面的对微纳卫星的市场竞争力进行评估[1-2]。随着微电子、微机械等技术的快速进步，中国对于微纳卫星的研究已取得新进展，由早期的“大卫星小型化”设计提升为“集成化、模块化”设计[3-5]，卫星制造工艺和工序也不断进行改进[6-8]。

本文面向商业航天市场微纳卫星批量化设计制造需要，提出了一种精致微纳卫星设计理念，从理念上对卫星设计流程进行变革，突破了传统卫星各大系统划分，将卫星分为综合电子、姿轨控、电源和有效载荷4个功能模块，通过“配置精简化、结构虚拟化、功能软件化”的设计方法，在实现模块级集成的基础上，进行整星二度集成化设计，有效提升了卫星的总装、测试与试验(AIT)效率，满足微纳卫星批量生产及市场竞争需要。同时，本文面向商业市场提出了微纳卫星效费比评价体系，以微纳卫星质量承载比、功率承载比和通信密度比这3个影响卫星应用效能的关键技术指标为关键因素，综合卫星制造成本，对卫星的效费比进行评价，从而较为全面的对微纳卫星的市场竞争力进行评估。

1 设计理念

传统卫星由姿轨控、结构与机构、测控、电源、热控、推进、综合电子、有效载荷等分系统组成，整星以单机为单位进行集成，AIT过程较为复杂，通常适合单星研制任务。为实现快速设计、集成测试和批量化生产等要求，本文提出了精致微纳卫星设计理念，该设计主要分为3个层次(见图1)：①单机标准化。为满足商业化微纳卫星快速响应、低成本要求，基于商业货架式产品建立通用化、标准化产品库，以满足微纳卫星领域，高精度遥感、移动通信、数据采集转发、科学试验等典型卫星应用需求；②系统模块化。以有效载荷为中心，对整星进行一体化设计，并形成对综合电子模块、姿轨控模块、电源模块和有效载荷模块4个核心组成的需求，基于标准化单机，以模块为单位，进行首度集成、测试；③整星二度集成化，基于4个组成模块，进行快速总装、集成及测试，最终完成整星研制。

图1 精致微纳卫星设计理念

1.1 单机标准化

实现单机标准化的关键是定义标准的单机接口和自适应的数据通信协议。根据接口需求，将单机接口类型分为低速总线通信接口、高速数据通信接口和电源接口，标准化单机接口类型和标准见表1。低速总线通信接口主要用于单机遥控指令和遥测数据传输，一般速率要求不高，可选用CAN2.0等串行通信总线；高速数据通信接口主要用于业务数据传输，根据业务数据量的大小，可选用中低速率的低电压配电系统(LVDS)等接口和高速率的TLK2711等接口；电源总线接口主要用于单机供电，整星设计电源总线[9]，由单机根据指令，完成开关机操作，电源母线分为+12 V和+28 V两种，分别用于小功率卫星平台和大功率卫星平台。

表1 标准化单机接口表

卫星通信接口采用自适应技术[10]，对卫星信息流进行统一规划，形成标准协议规范。根据协议规范要求，综合电子设置星载计算机为数据通信的主节点，星载计算机对各个模块进行自动检测和自动配置，从而实现各台单机的高度自适应，满足单机产品配置的灵活拓展。

1.2 系统模块化

相较传统卫星设计，精致微纳卫星设计以有效载荷为中心，对整星进行一体化设计，根据学科及研制单位的特点，将卫星分成综合电子模块、姿轨控模块、电源模块和有效载荷模块4个部分。对于整星的指标分解，将原先分配给分系统的应用性能指标直接分配给相应模块，将原先分配给单机的力学、热学指标及提出的接口要求，转变为对模块的热学、结构设计要求。精致微纳卫星以模块为单位，进行首度集成、测试。卫星系统模块化组成如图2所示。

图2 系统模块化示意图Fig.2 Modulated system

在卫星4个模块中，综合电子模块是整星信息中枢，集成了星载计算机、测控应答机、数传发射机、全球定位系统/北斗(GPS/BD)接收机、卫星大容量数据存储等功能，负责卫星星务管理、姿轨控软件运行、遥控、遥测、导航定位、数据管理、星地交互等任务；电源模块是整星能源中枢，集成了电源控制器、蓄电池组和太阳电池阵功能，负责太阳能接收、能源存储和补充、为其它模块或单机提供配电等任务；姿轨控模块集成了星敏感器、陀螺、飞轮、磁力矩器、推进产品等功能，负责卫星姿态测量、初始姿态控制、稳态控制、姿态应急与重补和轨道保持等任务；载荷模块可包括遥感载荷、通信载荷、科学试验载荷等多种类型，以导航增强载荷为例，载荷模块包含了导航增强收发设备、天线等。精致卫星4个模块如图3所示。

图3 精致微纳卫星模块组成图Fig.3 Modules of exquisite micro-nano satellite

1.3 整星二度集成化

整星基于4个模块进行二度集成。一方面，卫星的装配仅需完成4个模块间的机械接口安装，以及典型接口的互联，极大简化了卫星装配流程；另一方面，整星以4个模块为基础进行综合电测试，取消了桌面联试过程，有效简化了测试环节，缩短了测试周期。精致卫星二度集成化过程如图4所示。

图4 整星二度集成化示意图

2 设计方法

精致微纳卫星的设计方法主要包括配置精简化、结构虚拟化和功能软件化3个方面。商业微纳卫星低成本、轻量化设计需求决定了其无法沿用传统通过单机冗余来提高卫星可靠性的方法，配置精简化设计主要通过卫星功能退化方法来增强卫星在轨应用的鲁棒性和容错性；结构虚拟化设计是对整星结构的分布式设计，通过电缆预埋等手段，实现了卫星模块级集成，为整星二度集成化设计奠定了基础，同时该设计方法是卫星模块级储备的关键；卫星功能软件化是以软件为核心对卫星功能进行定义，将卫星应用任务需求直接转化为对卫星软件的技术输入，实现了微纳卫星设计的高度智能化。

2.1 配置精简化

单机冗余是传统卫星提高可靠性的常用手段，然而大量的单机冗余一方面增加了卫星质量、功耗的开销；另一方面提高了卫星的制造成本。本文提出一种配置精简化的设计方法，即卫星硬件配置最小化，通过系统功能冗余替代单机备份，简化卫星配置。以常态下三轴对地稳定姿态控制系统为例(见表2)，正常情况下依靠星敏感器、磁强计/磁场表和陀螺确定姿态，依靠飞轮控制执行，并依靠磁力矩器进行卸载；当星敏感器出现故障情况下，可利用磁强计/磁场表和陀螺进行定姿；当星敏感器和陀螺出现异常的情况下，依靠磁强计/磁场表和太阳角计确定姿态；当星敏感器、陀螺和飞轮出现异常的情况下，卫星只能依靠磁力矩器控制执行。对于模式3和模式4，卫星已转入对日定向模式，可利用卫星相对地球运动过程中的特定视场或特定波束，继续发挥载荷的业务效能。在卫星单机发生异常的情况下，卫星通过系统功能工作模式的调整，发挥卫星当前模式下最大工作效能，以实现最大性价比。

表2 姿控模块功能冗余对照表

2.2 结构虚拟化

基于整星力学需求，对整星结构进行分布式设计，由各个模块面向单机机械接口，分别进行结构设计。结构板采用机电一体化设计，将电缆网、接插件等预埋入蜂窝夹层板，形成标准化机械接口，机、电一体化结构板示意如图5所示。基于分布式结构设计、机电一体化结构设计，极大简化了卫星电缆网设计，简化了卫星装配过程，降低了卫星工艺操作过程质量发生概率。

基于预埋式卫星结构板，各个模块进行模块级集成，并完成模块级电测试、力学环境试验和热学等环境试验，可实现卫星产品模块级储备，为微纳卫星快速响应、规模化应用提供了可能性。

图5 机电一体化结构板示意图Fig.5 Mechatronic structural board

2.3 功能软件化

图6 软件定义卫星架构Fig.6 Software defined satellite architecture

卫星功能软件化主要表现为减少硬件投入，扩展软件功能，提升整星智能化程度。精致微纳卫星基于实时嵌入式操作系统建立了面向多任务的软件定义卫星架构，如图6所示，以软件为核心对卫星功能进行定义，将卫星应用任务需求直接转化为对卫星软件的技术输入。一方面，通过预设软件接口对星载软件功能进行配置，包括配置输入轨道条件、任务规划、飞行程序、卫星工作模式、载荷程控作业等参数信息，由星务软件自动生成符合设计要求的任务层及应用层配置；另一方面，通过星务软件自动识别基于标准化信息接口设计单机产品，自主完成数据通信及基本功能测试。通过面向多任务的软件定义卫星架构，将传统卫星研制过程中，卫星软件设计、硬件接口调试、部分系统测试过程，改变为对卫星软件的配置过程，是对整星设计的高度智能化。面向多任务的软件定义卫星架构主要分为任务层、应用层、系统层、硬件层、配置模块层。各层之间采用标准接口，便于层间的信息交换、软件模块的移植和重用、系统功能的增强和扩充[11]。软件模块对上实现功能的封装和隔离，对下通过调用下层构件组装其应有功能，实现层次化设计。软件通过构件的形式封装成相对独立的功能，采用不同的构件实现系统软件业务。软件模块具有标准接口，通过在调用时配置相应的参数完成规定的功能。

3 设计实践

“精致微纳技术试验卫星”，是精致微纳卫星设计理念与方法的首颗验证星，采用精致系列综合型卫星平台。卫星任务是进行低轨导航增强技术验证，同时装载了进口先进船舶自动识别(AIS)载荷。“精致微纳技术试验卫星”于2017年11月15日凌晨由CZ-4C(Y21)运载火箭在太原卫星发射中心搭载发射入轨，截至目前，卫星工况稳定，载荷工作正常。卫星构型如图7所示。

图7 “精致微纳技术试验卫星”构型Fig.7 Exquisite Micro-nano Technology Experiment Satellite configuration

“精致微纳技术试验卫星”系统构成如图8所示。卫星由综合电子模块、电源模块、姿轨控模块和有效载荷模块组成。其中，综电模块包括星载计算机、测控应答机、GPS/BD、数传发射机、大容量存储等，电源模块包括太阳电池阵、电源控制器、蓄电池组，姿轨控模块包括星敏感器、微型陀螺、磁强计、三轴微飞轮、太阳角计、磁力矩器等。模块内部组件经过统一模块接口与外部总线相连。各模块挂接在电源总线及遥控、遥测数据总线上，载荷模块与综电模块直连，传输业务数据。经过整星二度集成设计的卫星系统间信号及电源耦合关系明显降低。基于自适应控制的高精度微纳卫星控制算法和线性霍尔传感器的飞轮控制技术，解决了微纳卫星高精度问题。

卫星主要技术参数见表3，卫星整星质量38.9 kg，最大输出功率150 W，姿态稳定度0.003(°)/s，在国内外同类型卫星中处于先进水平；卫星导航增强载荷地面定位精度达30 cm，收敛时间为5 min，相较传统导航系统定位精度提高了一个数量级，为实现实时厘米级定位精度奠定了理论及实践基础；卫星AIS载荷平均每天可识别2万艘船舶或10万条消息，填补了我国在天基AIS数据服务领域的空白，卫星AIS数据源稳定，已例行向我国军队、政府及商业用户提供数据服务。

图8 “精致微纳技术试验卫星”系统构成图Fig.8 Diagram of Exquisite Micro-nano Technology Experiment Satellite system composition

名称参数应用技术指标 导航增强 地面定位精度30cm,收敛时间5min(简写为30cm@5min)AIS载荷 每天识别2万艘船舶或10万条消息 卫星技术指标整星功耗 100W@10min/轨;50W@长期 输出功率 最大150W,功率承载比2整星质量 38.9kg,质量承载比0.56姿态控制 三轴稳定,零动量控制姿态控制精度 测量精度≤0.05° (3㸲) 指向精度≤0.1°(3㸲) 稳定度≤0.003(°)/s(3㸲) 电源 9～13.5V母线,20Ah锂离子蓄电池 太阳翼 三结砷化镓,0.96m2,±120°摆动 设计寿命 12个月

4 评价体系与技术对比

4.1 评价体系

传统对卫星的评价是单纯以卫星技术指标为标准，应用于微纳卫星领域时，片面地强调技术指标，忽略了微纳卫星高集成度、低制造成本所带来的市场综合优势，无法直接应用于微纳卫星市场竞争力的比较。本文提出了一种面向商业市场的微纳卫星效费比的评价体系，通过结合卫星的应用效能和制造成本，对卫星的效费比进行评价，较为全面地对微纳卫星的市场竞争力进行评估。本评价体系所适用的微纳卫星领域作为商业航天产业中成熟度最高也是竞争最为激烈的业务领域，具备如下两项显著的特点。

(1)面向商业市场应用的微纳卫星，盈利是其根本目的。在压缩成本的同时提升效益，实现费用效益比的最小化，方能确保产品的核心竞争地位。

(2)在业务效能上，微纳卫星星座与传统大卫星相比有显著优势。通过大量卫星的星座组网，可实现系统的扩展和重构，可在显著提升系统可靠和稳定度同时，灵活的适应各类应用任务的需求。

综合以上因素，提出了商业微纳卫星的评价指标体系(见表4)。

表4 商业微纳卫星指标评价体系

该评价体系考虑的指标包括业务性能、可用性、运行管理、成本等，均为评价商业微纳卫星的通用指标，与具体项目无关，因此具有通用性。通过系统性全方位的分析，可评价项目的发展潜力和市场价值，帮助企业制定适宜的产品定位和推广策略，有助于构建整个微纳卫星行业的良性发展局面。

在此指标体系基础上，为综合反映商业微纳卫星的总体水平，引入全生命周期的效费比 (RIO)模型表示

(1)

全周期系统效益由单星业务性能、可用性及系统运行能力来表征。平台可用性的提升，可以成倍的提升单星的业务性能，因此此处用乘积体现综合效益。在此基础上，单星组成星座系统后的效益，首先应是所有单星的叠加，卫星数量用N表示；而微纳卫星星座系统的优势是能在系统网络化构架的基础上成指数级的提升数据采集和处理能力，同时能在单星异常的情况下通过系统优化和重构，确保系统业务稳定性，发挥系统效益。因此，此处通过叠加系数k，来体现系统自动化网络化的运行管理能力对系统性能的指数级提升量级。

效费比函数给出了商业微纳卫星评价的基础模型，采用关键因子分析法，通过凝练其核心影响因素，并进行定量分析，从而实现不同卫星项目的对比评价。对于一个既定项目，成本已通过合同限定(即C恒定)，因此如何利用已有成本创造最大效益成为企业的战略重心。卫星的效益体现为系统效益与单星效益的叠加，单星效益可包含载荷效益和平台效益。由于同一个项目中，卫星颗数、载荷的业务能力已在用户需求中加以限定(即O恒定、p1恒定)，因此单星效益提升主要体现在平台效益。通过将关键影响因子提炼后可以得出，在典型三轴稳定的中高精度姿态稳定控制系统中，平台效益可以通过以下3项关键因子进行表征。

(1)质量承载比：

(2)

式中：ML为最大承载质量，MP为卫星除载荷部分质量。

(2)功率承载比：

(3)

式中：PL为最大承载功耗，PP为卫星除载荷部分功耗。

(3)通信密度比：

(4)

式中：CL为卫星最大数据传输速率，MP为卫星除载荷部分质量。

通过关键因子分析法，商业微纳卫星效费比评价函数可简化为

R∝(RB,RP,RC)

即：

(5)

结合卫星设计特点，精致微纳卫星主要分为基本型、高功率型、高精度型和综合型，根据RIO模型，提出精致系列卫星指标体系(见表5)，以满足不同类型的市场应用需求。

表5 精致系列卫星技术指标体系

4.2 技术对比

以精致系列高精度型平台为例，对比萨瑞公司同级别、相近应用卫星平台SSTL-X50。SSTL-X50整星质量150 kg时达到最大承载质量45 kg，此时最大承载功耗85 W，卫星平台长期功耗80 W，最大数传速率500 Mbit/s。两者质量相当，同为三轴稳定姿态控制系统，姿控精度及稳定度处于同一量级，因此符合RIO评价前提，具有可比性。通过RIO模型分析结果见表6，精致系列高精度型卫星各参数均优于SSTL-X50平台[12]，其中质量承载比、功率承载比明显优于SSTL-X50平台。通信密度比基本相当。因此，精致高精度型平台可以满足更大质量、更大功率载荷应用需求，从而使精致高精度型卫星的通信密度比更加优于SSTL-X50平台。

表6 精致系列高精度型与SSTL-X50指标比对

5 结束语

为契合商业航天快速发展的市场形势，满足微纳卫星标准化、批量化制造要求，本文提出了“单机标准化、系统模块化、整星二度集成化”的精致微纳卫星设计理念和“配置精简化、结构虚拟化、功能软件化”的设计方法，成功实践了“高承载、高精度、高速率、高功率卫星设计”。提出的面向商业市场的微纳卫星效费比评价体系，综合微纳卫星高集成度、低制造成本优势，更全面、客观地对微纳卫星进行评价。精致微纳卫星的设计以商业市场应用为导向，升级设计理念，改进设计方法，为传统卫星的高集成、高功能密度发展提供了新的思路，为新形势下微纳卫星设计技术的变革探索了新的方向。