中型敏捷遥感卫星公用平台方案特点与应用

于龙江 高阳 张国斌 杨国巍 杨文涛 郝修来 陈虎

(中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京 100094)

航天器通常由有效载荷和平台组成。其中：有效载荷是直接面向航天器应用的，是航天器任务的核心，是随着航天器任务的不同而变化的部分。平台是指由航天器的全部服务系统组成、保障有效载荷正常工作的组合体。而公用平台是可以支持多种任务、保障有效载荷正常工作、由航天器全部服务系统构成的组合体。公用平台概念的核心是多任务、多有效载荷的支持能力，既能满足一定范围内的有效载荷支持需求，又具有一定的稳定性、独立性、型谱化等特点，是面向大任务量航天器研制需求，实现资源集约、降本增效的必由之路[1-2]。

随着遥感卫星研制任务量的快速增长、任务难度的不断增大，遥感卫星研制公司在研制周期、卫星性能、研制成本方面均面临着巨大压力。高性能、高可靠、灵活适应的遥感公用平台成为企业发展的核心竞争力[3]。国际上主要的遥感卫星研制公司均具有系列化卫星平台，例如阿斯特留姆(Astrium)公司的“低轨星”(LEOSTAR)系列平台、“天文星”(Astrosat)系列平台、斯波特-MK(SPOT-MK)系列平台、“欧洲极轨”(PPF)平台，泰雷兹-阿莱尼亚航天公司的“海神”(Proteus)平台、“多应用可重构”(PRIMA)平台，美国鲍尔宇航技术公司的鲍尔可重构-2000(BCP-2000)平台、鲍尔可重构-4000/5000(BCP-4000/5000)平台，洛马空间系统公司的“洛马900”(LM900)平台等。

中国空间技术研究院作为我国航天器设计、制造的龙头企业，在各个领域的系列化公用平台建设方面均开展了大量工作[4]，形成了“东方红”通信卫星平台系列[5]、CAST小卫星平台系列及“资源”大中型遥感卫星平台系列。中型敏捷遥感卫星公用平台(简称“中型敏捷平台”)，隶属于“资源”大中型遥感卫星平台系列。中型敏捷平台于2013年6月批复立项，2014年2月转入初样，2016年10月完成研制。在平台开发过程中，重点形成了8个方面的先进能力，开发出一批高性能升级换代单机产品，突破了4项核心技术，系统开展并完成了8年寿命设计验证工作，平台核心能力达到国际先进水平，能够满足我国2030年前相关遥感卫星研制任务需求。

1 中型敏捷平台研制目标

基于对世界先进遥感卫星平台技术和能力发展的分析，结合我国中长期遥感卫星发展规划，中型敏捷平台的研制目标是：提升我国遥感卫星平台能力，满足我国未来遥感卫星技术发展需求，使我国遥感卫星平台性能达到或接近国际先进水平，促进和带动遥感卫星研制管理模式转变。具体包括：完成中型敏捷平台开发，使以敏捷机动为代表的平台技术能力达到国际先进水平；突破敏捷姿态机动控制技术、高定位精度平台支撑技术、先进空间数据系统技术、微振动抑制技术4项核心技术，全面提升遥感卫星平台核心能力；建立遥感卫星公用平台通用产品体系，推动遥感卫星平台产品状态的统一；完成平台系统级8年寿命的设计分析，完成关键单机8年寿命的设计、分析并开展试验验证；在工程项目的研制流程、管理流程、工艺流程上进行创新，以适应基于公用平台的卫星研制的新模式。

在具体的方案设计与技术路线选择上，要求中型敏捷平台开发坚持先进性、通用性、覆盖性、经济性原则，贯彻国产化要求。先进性表现为平台研制各项指标与美国BCP-5000平台相当，相对于原有遥感卫星平台在能力上有大幅提升。通用性表现为建立统一的单机产品体系，实现单机产品技术状态统一、能够在不同卫星间通用。覆盖性表现为平台实现功能灵活配置能力、多有效载荷适应能力，满足各类卫星应用需求。经济性表现为研究建立基于公用平台的遥感卫星研制模式，促进未来应用中型敏捷平台的遥感卫星在研制效率、成本、周期上得到优化提升。

2 中型敏捷平台方案特点

从国际发展趋势来看，遥感卫星平台通常表现出很强的“柔性”，以适应各类任务需求。具体表现为：遥感卫星平台主体技术状态(主体结构形式、推进系统等)基本固定，而电子学系统、姿态控制系统等均可以根据任务需求进行灵活配置。例如，美国鲍尔宇航技术公司BCP-5000平台开发于21世纪初期，采用模块化设计架构，电子设备模块可以灵活替换、增加或删减。BCP-5000平台采用控制力矩陀螺(CMG)作为姿态控制执行机构，大幅提高卫星的姿态机动速度及沿复杂规划曲线进行姿态机动控制的能力，用于“世界观测”(WorldView)系列卫星，姿态机动角速度可达4.5(°)/s，角加速度可达2.5(°)/s2，支持卫星实现最高0.3 m空间分辨率、6.5 m无控制点几何定位精度，成为世界商业遥感卫星、敏捷成像卫星的典范。欧洲PRIMA平台结构为四棱柱体系，分为服务舱、载荷舱两大部分，数据系统和电接口标准化、易集成，电子设备可以灵活配置，已应用于系列化军民光学、微波遥感卫星。

中型敏捷平台定位于服务具有高敏捷机动能力、复杂工作模式需求的各类低轨光学、微波遥感探测任务，同样采用了模块化设计方式(见图1)，具有良好的功能适应性和接口适应性，适用于各类光学载荷、微波载荷承载任务。平台采用“框梁+箱板”的结构形式，各舱段实现模块化设计并具有很好的可扩展性，采用综合电子、全调节母线、3轴稳定控制、单组元推进、高刚度小惯量设计、大力矩输出姿态控制等技术体制，具有极高的姿态控制精度、极强的姿态机动能力和自主任务管理能力、自主健康管理能力。平台整星承载能力3500 kg，光学载荷承载能力1000 kg，合成孔径雷达(SAR)载荷承载能力1500 kg，载荷供电能力1500～2500 W，峰值供电能力12 000 W，姿态机动速度达到25°/20 s，支持各类敏捷成像工作模式，设计寿命达到8年。单机产品100%国产，并新研一批高集成度、轻小型化、先进单机产品，全面实现遥感卫星平台核心产品的升级换代。中型敏捷平台各项指标与美国鲍尔宇航技术公司BCP-5000平台相当，达到国际先进水平，详见表1。

图1 中型敏捷平台模块组成Fig.1 Module composition of ZY2000 Platform

表1 中型敏捷平台技术参数Table 1 Technical parameters of ZY2000 Platform

中型敏捷平台具有以下技术特点。

(1)国际先进的敏捷机动控制技术。中型敏捷平台支持高分辨率遥感卫星实现姿态机动并稳定时间25°/20 s，40°/25 s。其实现途径包括：改进的姿态规划和控制算法，实现快速机动快速稳定、高平稳主动推扫；先进的控制部件，包括大量程三浮陀螺、甚高精度星敏感器、125 N·m·s控制力矩陀螺等。卫星一轨内可成像目标数量由5个提高到35个以上，并可以实现多条带拼幅、多角度成像、主动推扫(动中成像)等成像模式[6-7]。

(2)10 m以内的定位精度支持技术。中型敏捷平台支持高分辨率遥感卫星实现无控制点10 m定位精度。其实现途径包括：配置1″甚高精度星敏感器实现高精度定姿；配置双频双模导航定位接收机，实现事后0.2 m高定轨精度；成像系统与测姿系统之间进行结构高稳定一体化设计；整星实现20 μs高时统精度。

(3)通用化星载数据系统技术。中型敏捷平台遵循空间数据系统咨询委员会(CCSDS)、欧洲航天标准合作组织(ECSS)等国际标准，在星地链路、星载链路、数据服务体系等方面构建了分层、开放的体系架构和标准接口规范，接口协议全部符合国际标准，星上各类智能终端可以灵活接入，卫星数据管理能力大幅提升。以此为基础，实现了一套自主任务管理、自主健康管理技术体系，大幅提升卫星的智能化水平和使用效能。

(4)高效率任务规划和管理技术。中型敏捷平台的任务管理模式相比传统遥感卫星平台进行了彻底更新，由“指令驱动”模式升级为“元任务驱动”模式，自主任务管理能力提高一个等级。通过星地一体化的任务规划与任务管理，实现了星上自主进行元任务解析与执行的运行模式，大幅降低了用户任务操作的复杂性。卫星每天执行任务数量由60个左右提高至240个以上。

(5)高效的电能获取与管理技术。中型敏捷平台采用高刚度太阳翼+锂离子蓄电池+全分散供电的供配电体制，其优势在于：效率、集成度高，供配电分系统质量由传统遥感卫星平台的350 kg减至185 kg(均含太阳翼)；充电、分流、放电保护功能增强，供配电链路安全性大幅提升。

(6)整体式高效微振动抑制技术。中型敏捷平台采用整体式减隔振技术，由全新研制的并联隔振装置构成CMG群整体隔振系统，实现对CMG群微振动的有效抑制。其突破了微动隔振器产品设计、工艺制造、试验测试等十余项技术，具有隔振效率高、承载能力强的突出特点。

(7)模块化、标准化结构技术。中型敏捷平台采用全新的基于“四立柱”的结构形式，与通常的“承力筒”结构形式完全不同。它具有以下特点：模块化，结构由各个独立模块组成，可以灵活组装、并行集成测试；敏捷性，结构构型集中紧凑、空间利用率高，整体惯量小；便捷性，设备外挂安装，开敞性好，操作简便；低成本，主体结构均为机加件，研制成本低、周期短。中型敏捷平台典型光学卫星和典型SAR卫星示意，见图2和图3。

图2 中型敏捷平台典型光学卫星示意Fig.2 A typical optical satellite based on ZY2000 Platform

图3 中型敏捷平台典型SAR卫星示意Fig.3 A typical SAR satellite based on ZY2000 Platform

(8)长寿命设计与验证技术。中型敏捷平台是我国首个系统开展8年寿命设计与验证的低轨遥感卫星平台。按照系统、分系统、单机3个层次，寿命设计分析、寿命试验、寿命建模、寿命评价4个方面，全面开展长寿命设计与验证工作，实现了8年寿命指标闭环验证，并形成卫星寿命工作规范，支持后续遥感卫星长寿命工作的开展与长寿命工作成果的应用[8-9]。

3 研制成果与应用效益

2013年6月，中型敏捷平台项目获得国务院批准正式立项。项目团队经过历时40个月的研制攻关，全面完成了中型敏捷平台的开发工作，取得了丰富的研制成果，并直接应用于首发星及同期开展研制的军民相关卫星中，取得了广泛的应用效益。

(1)完成平台主体模块化结构的开发与验证，实现良好的任务适用性。在方案阶段，研制了原理验证结构试验星，验证了平台新型“四立柱式”主结构的刚度、动强度特性；验证了整星3000 kg、顶置光学载荷的承载能力；验证了整星3500 kg、侧置SAR载荷的承载能力。在初样阶段，针对典型光学卫星状态研制了结构星，并完成鉴定级力学试验考核(见图4)；研制了热控星，完成了整星热平衡试验考核(见图5)。

图4 初样结构星振动试验Fig.4 Vibration test of structure satellite prototype

图5 初样热控星热平衡试验Fig.5 Thermal balance test of thermal satellite prototype

(2)完成通用电性验证平台(见图6)的开发和使用，服务于后续卫星。通用电性验证平台是在中型敏捷平台开发中提出的新概念，定义为遥感卫星系统级电性能测试的通用化测试平台。其作用包括：用于对中型敏捷平台电性能的测试验证；成为遥感领域公用平台性能升级、维护的主要验证载体；为后续遥感卫星开展系统级电性能测试验证提供支撑。中型敏捷平台研制过程中，完成了遥感领域通用电性验证平台的研制，并对平台电性能进行了全面的测试验证。通用电性验证平台的研制和使用，可以使各卫星不必单独研制完整的电性星，极大的节约成本；同时，各类单机产品仅需要进行一次完整的功能性能测试，其测试结果就可以直接应用于各个相关卫星，减少了大量的重复性测试工作；通用电性平台提高了地面测试设备、测试程序的规范性及测试文件的通用性，提高了卫星电性能测试的效率。

图6 通用电性验证平台Fig.6 Generalized electronical test platform

(3)实现敏捷机动、数据系统等共性核心技术的共享与推广应用。中型敏捷平台研制过程中突破了敏捷机动控制、高定位精度、先进数据系统、微振动抑制4项核心技术(见图7和图8)，并全面实现了8年寿命技术，这些技术均已经在同期的军民遥感卫星上得到了应用。例如：主动推扫“动中成像”技术解决了超高分辨率光学卫星曝光时间不足的问题；双频GPS/北斗精密定轨技术、大量程高动态定姿技术及高结构稳定性技术，用于多颗遥感卫星，有效保障定位精度指标的实现；多颗高分辨率遥感卫星均采用基于微动隔振器的并联隔振技术，实现对平台高频扰振的有效隔离，保障有效载荷成像质量。

图8 高定位精度结构稳定性试验Fig.8 Structure stability test of high positioning accuracy

(4)多种技术手段协同创新、联合应用，实现了系统的好用易用。中型敏捷平台以采用基于CCSDS和ECSS标准的数据系统为基础，实现星地一体的高效任务规划和自主任务管理、自主健康管理。卫星能够根据地面上注的元任务序列，自主完成各分系统动作规划(包括姿态机动过程规划)，生成指令序列、自动执行，并对执行过程和结果进行监控，极大提高了卫星成像的灵活性，确保复杂任务的高效便捷实现，同时提高卫星任务运行过程的安全性。低轨遥感卫星过境时地面可视弧段很短，中型敏捷平台设计并实现了自主健康管理技术，具备单机级、分系统级、系统级等不同层级的健康管理能力，卫星可以基于各分系统和重要单机的有效信息进行健康判断、决策和处置，并向地面提供整星健康管理的事件报告，极大提升卫星在轨运行的稳定性。

(5)实现全新一代平台高性能单机产品的开发和推广应用。中型敏捷平台研制过程中共新研33类高性能、轻小型化、智能化单机产品，实现遥感卫星平台产品体系的统一升级换代，主要包括甚高精度星敏感器、大量程三浮陀螺组件、125 N·m·s控制力矩陀螺等11类高性能控制单机，系统管理单元、数据接口单元等2类数管核心单机，数字化统一S频段(USB)应答机、一体化扩频应答机、双频双模导航定位接收机等7类测控核心单机，高刚度太阳翼、锂离子蓄电池、电源控制器等5类供配电单机，以及并联隔振装置、智能型控温仪等单机。单机产品贯彻高集成度、轻量化、模块化的设计理念[10]，提高功能密度比；实现了单机种类与数量大幅减少，平台典型配置的电子/机电类产品由传统遥感卫星平台的80类左右减少为50类左右；实现了平台质量减小，由传统遥感卫星平台的1500～1600 kg减少至1000～1200 kg。新研单机按照“详细设计统一审定、产保要求统一实施、技术状态统一控制、研制试验统一开展、鉴定产品统筹投产”的原则，统一完成了鉴定产品研制及鉴定试验，确保满足遥感卫星使用要求，实现通用化。新研单机产品在同期及后续的多个军民卫星中得到广泛使用，保障了“十二五”、“十三五”高性能遥感卫星研制任务的顺利实施，并节省了大量研制经费。

(6)建立起基于公用平台的遥感卫星研制模式。以中型敏捷平台开发为契机，开展了遥感卫星研制模式的创新。对传统的预研阶段和方案阶段进行了整合，充分利用公用平台的产品、技术，提高卫星早期设计的细化程度，避免不必要的设计迭代与反复。对传统的初样阶段设计验证工作进行了优化，充分利用电性验证平台及数字化设计分析工具，主要围绕有效载荷开展电性能测试验证，减少重复验证工作；同时使用通用的单机产品规范、接口数据单(IDS)，避免平台专门定制产品，减少产品技术状态变化、重复设计带来的成本和进度的浪费。研制模式转变和流程优化，可以大幅节约经费、时间成本，促进预研成果直接应用于卫星。将传统卫星的3～5年背景预研与方案设计压缩到1.5～2年；将初样阶段平台验证工作省去，节约至少6个月。

4 结束语

中型敏捷平台的研制开发，对我国遥感卫星追赶国际先进水平、保障后续任务发展有着非常重要的作用。其有效载荷适应能力强、敏捷姿态机动能力强、时空基准测量精度高、结构稳定性高、星载数据系统先进、自主管理功能先进，并在多颗遥感卫星上应用。首发星高分多模卫星于2020年7月成功发射，其他在轨及在研卫星包括高分辨率SAR试验卫星、高分辨率红外卫星、高精度激光测量卫星等。同时，在中型敏捷平台开发中，系统开展了平台各级产品技术状态统一管理工作，推出一批升级换代单机产品；在通用电性验证平台建设、产品投产和使用统筹、卫星研制流程优化等方面进行了实践，产生了多类仿真、试验、测试工具，积累了丰富经验；提高了遥感卫星研制水平和效能，促进了遥感卫星研制模式转变，为我国遥感卫星又好又快发展作出了贡献。