纳型卫星研制关键技术

(清华大学精密仪器系，北京 100084)

纳型卫星泛指质量为10千克级的航天器，最早的发射可追溯到20世纪50年代[1-2]。近年来，微机电系统(MEMS)技术的蓬勃发展极大地推动了航天器微型化与高度集成的进程，而纳型卫星因其体积功耗小、研发快捷、应用灵活等优势，展现出广阔的发展和应用前景[3-4]。当前，纳型卫星不但在空间态势感知、遥感监测、测控通信、科学探测和新技术试验中发挥着重要的作用，而且已经从单星应用向多元化、高性能、分布式空间系统应用发展[5-6]。因此，以微型化技术和智能技术为核心，以轻量化、低成本与高性能为特征的纳型卫星，是目前航天技术发展的重要方向之一[7]。

国内外相继开展了大量微纳型卫星研制和在轨试验，例如“同步定位、执行、重定向试验卫星”(SPHERES)[8]、“无线电探索者”(RAX)卫星[9]、“教育卫星”(EduSAT)[10]、“迷你卫星”(FITSAT)[11]及纳星1号(NS-1)，取得了众多理论和实践成果。2015年，长征六号首飞的“一箭二十星”项目，是我国微纳型卫星试验的里程碑事件，将工业部门、商业公司及高校等多家单位研制的卫星成功送入轨道。随后的长征十一号运载火箭实现了快速响应发射，同样搭载了纳型卫星。包括西北工业大学、哈尔滨工业大学等多所高校参与的QB50计划，是一项全球性的纳型卫星研发活动，再次推动了国内纳型卫星技术的发展。

纳型卫星具有突出的性能优势和组网的巨大潜力，在航天活动中发挥着不可替代的作用，具有极高的战略意义[12-13]。但是，其低成本研制与长期可靠运行之间构成了一对矛盾；微型化的迫切需求与现有空间光机电部组件/分系统的体积功耗水平相互制约；同时，纳型卫星的资源限制与遥感、通信、导航等高性能载荷应用[14]之间形成了掣肘。针对上述3项工程问题，本文对多学科优化和总体架构设计、微机电部件原理和研制以及高性能空间载荷应用的3个层次进行分析，提出利用多学科优化结合模块化设计的低成本卫星研制方法，配合最小系统与即插即用架构，提高卫星在轨运行的可靠性；通过自主研制基于微机电系统技术的星上器/部件，实现在纳型卫星平台上的在轨验证与应用；针对微纳型卫星在空间任务中的相对测量及对地遥感等需求，进行了新型有效载荷的设计及研究。相关研究成果通过成功研制的纳星2号(NS-2)得到验证，并在吉林1号卫星星座、珠海1号卫星星座等80余颗商业卫星，以及探月工程、高分专项等10余个航天器上进行了批量化应用。

1 基于多学科优化的纳型卫星平台研制

相比而言，纳型卫星在体积、质量、功耗、成本等方面存在苛刻约束，需要面对长期高性能在轨工作的挑战。为解决这一问题，在设计过程中，要打破传统卫星分系统式的设计建造模式，采用涵盖力、热、光、电、磁和空间辐照等的多学科综合优化手段。结合纳型卫星多使用高性能商用器件，以提高系统性能、功能密度和降低成本，以及在轨运行时通常以短时高性能需求为主的基本特点，提出了一种全时运行基本功能高可靠和任务期间扩展功能高性能的优化设计方法，建立了以最小系统为核心，以即插即用为手段的纳型卫星平台开放型、扩展式设计理念，见图1。

注：PCB为印制电路板。

图1 基于最小系统的卫星平台结构

Fig.1 Satellite architecture based on the minimum system

本文搭建了航天器分布式设计优化环境系统(SDIDE)，利用通用多学科优化设计环境iSIGHT集成各学科分析工具，如STK、Matlab、UG NX、I-DEAS、ANSYS等软件(如图2[15]所示)。将不同学科的设计工具集成起来协同工作，通过设计过程的自动化来缩短研制周期，系统在设计方案自动寻优的过程中同时也提高了设计质量。

图2 SDIDE系统架构Fig.2 System structure of SDIDE

构建基于体装太阳电池阵及供配电、遥测遥控和射频一体化的高可靠标准化的最小系统，以摆脱卫星系统对姿态控制、热控制等的过分依赖，保证其在卫星全生命周期的高可靠工作。在最小系统的基础上，卫星可扩展高性能星务、姿态轨道控制、有效载荷等分系统。这些子系统不再是单纯追求以高等级器件保证系统的高可靠性，而是以任务需求为牵引，通过系统级冗余设计和故障可恢复设计保障高性能任务的执行。卫星发射入轨后，先进行最小系统的遥测遥控，确认正常工作后，再开启星上计算机、姿态轨道控制与有效载荷等分系统完成任务。当卫星运行出现故障时，则退回最小系统并重新进入卫星启动的初始化步骤。这样的设计简化了测试流程，提高了系统的鲁棒性。

为实现卫星综合电子系统的模块化设计，使设计流程更为平滑，并与多学科优化方法充分结合，提出一种基于即插即用技术的方法，可实现由能源单元、遥测遥控单元及射频单元组成的高可靠最小系统。突破传统通信通道“一对一”的数据传输模式，采用通信设备上电自举识别方法，建立稳定的“一对多”拓扑结构的物理层到系统层链路。该方法在NS-2纳型卫星任务中完成在轨试验，实现了硬件接口、卫星功能部件级的即插即用，有效保证了综合电子系统的应用灵活性和可扩展性，满足快速研制和空间任务快速响应的需求，能促进纳型卫星的标准化设计和开发建造。

基于高可靠最小系统的即插即用卫星平台，以微机电部件实现微型化高性能的系统扩展，如加入姿态轨道测量与控制分系统、有效载荷分系统等，在纳型卫星上实现角秒级的姿态测量和0.05(°)/s的三轴稳定控制，能确保在纳型卫星上完成遥感、通信、空间攻防等系列高性能任务，并为编队飞行、分布式遥感、全球覆盖等战略性任务奠定基础。

基于多学科优化研制的NS-2纳型卫星(见图3[16])，于2015年发射并成功开展了多项新技术试验，在轨运行时间超过了2年。

图3 NS-2纳型卫星Fig.3 NS-2 nanosatellite

2 面向空间应用的高性能微机电器/部件技术

纳型卫星平台要求搭载的器件体积小、质量轻、功耗低，以MEMS器件为代表的微机电技术的应用，为航天活动提供了新的可能。针对空间光学敏感器、惯性敏感器及MEMS开关等典型微机电器/部件，开展原理研究、样机试制与搭载测试，成功实现在轨应用。

2.1 空间高性能低功耗MEMS陀螺

本文设计一种带应力抑制结构的MEMS陀螺，结合特有的热平衡设计及振动隔离技术，相比传统陀螺耐受振动和冲击影响的能力提高了30倍，同时能有效降低惯性测量系统的串扰噪声；提出了基于IP核的全数字化测控硅基MEMS陀螺技术，相比模拟电路温度稳定性提高一个数量级以上，可实现高性能的内部复杂控制算法，针对该陀螺研究的标度因数自补偿技术，可使标度因数全温变化减小到0.1%[17]。上述设计面向空间热应力、发射高冲击、标定高精度等卫星平台对MEMS陀螺的需求开展，相比常规产品更具有在轨应用潜力。

图4 硅基MEMS陀螺样机及在轨测试曲线

2.2 MEMS扭摆谐振式磁强计

本文提出并实现了一种新的具有对称式结构及多层线圈的高灵敏度扭摆谐振式磁强计，通过折叠梁结构、双层激励线圈等设计提高了系统灵敏度及品质因数(Q值)。研制时突破了基于系统集成的双层结构实现工艺，采用聚酰亚胺作为绝缘层，解决了硅-玻璃键合后淀积氮化硅等一系列工艺难题。基于差动电容放大、高频信号调制及同步解调原理，研制完成高精度信号检测电路；基于自激振荡和线圈反馈的双重闭环，实现大谐振频率范围内的锁频驱动，以减小灵敏度温漂，提高线性度和稳定性，降低功耗。

图5[18]为研制的MEMS磁强计工程样片，基于此样片研制了MEMS磁强计工程样机，质量44 g，体积42 mm×42 mm×20 mm，功耗0.35 W。图6(a)[19]为样机地面测试曲线，测试结果显示：磁场分辨率优于30 nT，量程大于30 μT，灵敏度优于400 mV/μT。该样机成功在NS-2纳型卫星上开展了搭载试验，与星上姿态控制系统中的商用磁强计测量数据对比分析结果表明，变化趋势一致(见图6(b))，相关度达0.996 6，功能满足空间应用要求。

图5 MEMS磁强计结构及样片Fig.5 Structure and sample of MEMS magnetometer

注：APS为主动像素传感器。图6 MEMS磁强计样机测试结果Fig.6 Test results of MEMS magnetometer prototype

2.3 高性能纳/皮型光学敏感器

高精度的光学姿态测量技术是卫星提升性能的核心和关键，决定着卫星的能力和技术水平。太阳敏感器、星敏感器等传统光学姿态敏感器体积尺寸比较大，很难在纳型卫星上应用。针对光学成像视场和分辨率相互制约的难题，本文提出在单一感光探测器(感光边长为ld)上实现多视场(FOV)n编码复用的高精度大视场成像原理，设计集256个视场编码孔径(掩膜层相邻视场的间距为dm，单个视场宽度为lm)与16 384个目标成像孔径于一体的MEMS光线调制与目标识别方法(见图7[20])，解决了120°大视场角下空间目标角秒级定位的难题；针对空间多目标高分辨率成像与高更新率读出无法兼容的难题，提出一种卷帘式多目标成像与姿态测量方法(见图8)，通过每颗恒星在探测器上的成像位置和时间(xk，yk，Tk)的关系来进行姿态递推，每当获取第k+1个星点，即获得了第k+1个观测矢量wk+1及其对应恒星的参考矢量vk+1，再结合上一个(第k个)星点所获取的姿态四元数及角速率的信息状态(Kk/k，wk)，实现最优的当前姿态和角速率状态的估计(Kk+1/k+1，wk+1)，从而达到姿态测量更新率提升10倍以上(1000 Hz)。研制的太阳敏感器和星敏感器(见图9)质量皆小于100 g，精度均能达到角秒水平。

注：n为视场编号；lpattern为光线调制器上孔径区域的总长度；h为光线调制器与图像探测器的距离。

图7 MEMS光线调制与目标识别方法原理

Fig.7 Principle of MEME light modulation and target identification method

图9 原理实现与产品应用Fig.9 Principle implementations and production applications

2.4 低功耗高可靠空间应用MEMS开关

作为电气系统中最基本的一类重要器件，开关在各类航天器，特别是卫星系统中发挥着重要的功能和作用。MEMS开关，尤其是静电驱动MEMS开关优异的性能，能够很好地满足卫星平台与载荷等各分系统模块对大量开关器件提出的体积小、质量轻、功耗低和可靠性等需求。本文通过拓扑优化等方法对MEMS开关器件的驱动电极进行综合优化设计，提高其驱动力，研制了具有驱动力增强特性的静电驱动MEMS开关器件，解决了卫星总线标准电压无法可靠驱动MEMS开关的难题；同时，通过低刚度微结构缓冲MEMS开关的机械弹跳，可基本消除开关电极触点的机械弹跳对其电学性能的负面影响。研制的MEMS开关器件结构及样片如图10[21]所示，封装后质量为3 g，驱动功耗为0.1 nW，断开电阻优于100 GΩ，耐压指标优于28 V。在额定电流100 mA时，其电学寿命超过了10万次(见图11[22])。

图10 MEMS开关器件结构及样片Fig.10 Structure and sample of MEMS switch

图11 MEMS开关100 mA工作电流寿命测试曲线Fig.11 Lifetime test curve of MEMS switch under working current of 100mA

3 适用于纳型卫星平台搭载的有效载荷技术

3.1 空间MEMS扫描镜

针对空间目标探测的应用需求，本文提出一种双压电差分驱动杠杆式MEMS扫描镜结构(如图12[23]所示)，通过并联电感阻抗匹配降低双频驱动压电陶瓷功耗的方法，实现MEMS扫描镜在不高于5 V驱动电压下的大扫描角驱动。针对微型二维扫描镜扭转和弯曲运动角度测量耦合问题，建立微型二维扫描镜在二维运动时柔性梁的力学分析模型，提出一种基于压阻传感器的偏转角解耦测量方法，分别实现微型二维扫描镜在扭转和弯曲2个方向上偏转角的高精度测量。针对高应力、循环载荷的谐振式MEMS扫描镜疲劳失效问题，设计一种光楔式放大MEMS扫描镜光学扫描角的封装结构，在同样光学扫描角情况下，可有效降低扫描镜机械摆角，从而降低器件实际工作应力，有利于提高MEMS扫描镜的寿命。

基于MEMS扫描镜，设计一种微型化的激光扫描探测系统(如图13所示)，采用粗精测尺相结合的相位式激光测距法，实现对空间非合作目标的方位与距离的探测与测量。研制的微型扫描探测系统样机质量313 g，功耗2.85 W。其测试及分析表明：扫描角度达41.2°×41.0°，角度测量精度最高可优于0.1°，1 km以内测距精度达3.1 m。

图12 杠杆式MEMS扫描镜结构及样机Fig.12 Structure and prototype of lever MEMS scanning mirror

图13 微型扫描探测系统样机Fig.13 Prototype of micro scanning detection system

3.2 一体化智能载荷

面向纳型卫星光学遥感等任务需求，本文提出微纳光学姿态敏感器与遥感相机一体化的智能载荷技术(见图14)。利用十二等星的提取识别和亚秒级恒星探测与姿态测量技术，开展星敏感器与遥感相机同时星空成像与在轨定位试验。

图14 星敏感器与遥感相机同时星空成像识别技术及一体化标定Fig.14 Imaging identification technology and integrated calibration based on star of star sensor and remote sensing camera

在传统的应用中，多采用星敏感器姿态测量与相机地面靶标场测试相结合的标定方式。地面靶标场受到地理位置、大气环境的影响比较严重，同时，卫星也需要进行侧摆机动等测试，测试时间少，效果很难得到保证。本文通过对在轨飞行过程中智能载荷的工作特点进行分析，发现利用卫星的姿态调整，使星敏感器和遥感相机同时对背景星空成像，可实现两者的一体化背景星空的内外方元素自主标定。通过理论分析和试验验证，成功实现了遥感成像系统焦距、主点、畸变等的亚角秒级自标定，以及遥感相机自身与星敏感器的外方元素角秒级互标定，解决了长期以来一直无法摆脱地面靶标系统的难题，使纳型遥感成像系统的定位水平提升了1个数量级，达到10米级水平。

4 结束语

本文利用微机电系统、集成电路等领域的最新成果以及设计理念与方法，通过研究新型微型化功能器/部件，探索以MEMS技术为代表的微纳型技术在航天领域的应用。同时，自主发展以纳型卫星为代表的微型航天器及其应用技术，开展纳型卫星的设计、制造、测试技术研究。针对资源严重受限条件下纳型卫星高性能应用需求，基于低功耗高性能微机电器/部件，开展基于多学科优化的纳型卫星平台研制，并实现了在轨高效运行，为纳型卫星的高集成度和轻量化打下基础，推动了纳型卫星走上遥感成像、通信导航等高精度主战场的进程。