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小衛(wèi)星發(fā)展策略分析

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20世紀(jì)90年代，國(guó)際小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展方興未艾，以美國(guó)為代表的“快、好、省”小衛(wèi)星發(fā)展技術(shù)倡議成為眾多國(guó)家追隨的對(duì)象。在此大潮推動(dòng)下，中國(guó)空間技術(shù)研究院在“八五”期間適時(shí)安排了小衛(wèi)星公用平臺(tái)的技術(shù)研究課題。研發(fā)中提出了充分利用現(xiàn)代微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及軟件技術(shù)的思路及整星集成化星務(wù)管理的理念，通過(guò)在各分系統(tǒng)控制設(shè)備中推行嵌入式管理執(zhí)行單元(MEU)，實(shí)現(xiàn)中心計(jì)算機(jī)與各分系統(tǒng)的信息連接，達(dá)到衛(wèi)星功能集成與分散控制的有機(jī)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)全星資源與信息統(tǒng)一管理。

1996年8月，實(shí)踐五號(hào)衛(wèi)星開(kāi)始立項(xiàng)研制，研制中應(yīng)用了公用平臺(tái)預(yù)研成果，由此建立了CAST968小衛(wèi)星公用平臺(tái)系列，1999年衛(wèi)星發(fā)射；在此平臺(tái)技術(shù)基礎(chǔ)上，又細(xì)化、分離出了高姿態(tài)控制精度的CAST2000平臺(tái)，首顆星試驗(yàn)二號(hào)衛(wèi)星于2004年發(fā)射；2009年微小衛(wèi)星平臺(tái)CAST100首顆星希望一號(hào)發(fā)射。截至2014年底，中國(guó)空間技術(shù)研究院已經(jīng)發(fā)射了51顆微小衛(wèi)星，仍有45顆衛(wèi)星在軌穩(wěn)定飛行，累計(jì)飛行壽命超過(guò)150年，在軌小衛(wèi)星數(shù)量已經(jīng)達(dá)到中國(guó)衛(wèi)星數(shù)量的近三分之一。

伴隨著小衛(wèi)星的發(fā)展，中國(guó)海洋水色遙感衛(wèi)星、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)小衛(wèi)星星座、實(shí)踐衛(wèi)星系列、測(cè)繪衛(wèi)星等一大批衛(wèi)星系列得以發(fā)展，拓展了中國(guó)航天技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)了衛(wèi)星應(yīng)用行業(yè)水平的提升，使小衛(wèi)星在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)中發(fā)展了重大作用。

一、小衛(wèi)星發(fā)展啟示

1. 以多用途為目標(biāo)，構(gòu)建衛(wèi)星平臺(tái)

小衛(wèi)星平臺(tái)開(kāi)發(fā)伊始就明確提出是多任務(wù)平臺(tái)，具備適應(yīng)不同衛(wèi)星任務(wù)的能力，包括適應(yīng)遙感、通信、科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星等任務(wù)的能力，適應(yīng)中低軌道飛行能力。

實(shí)踐五號(hào)衛(wèi)星設(shè)計(jì)中，任務(wù)要求只需要進(jìn)行對(duì)地三軸穩(wěn)定和慢旋。但設(shè)計(jì)時(shí)完全立足公用平臺(tái)思路，以勝任不同任務(wù)需求開(kāi)展了設(shè)計(jì)，如采用平臺(tái)和載荷設(shè)備分艙設(shè)計(jì)、具備擴(kuò)展能力的星上網(wǎng)設(shè)計(jì)和多姿態(tài)控制模式設(shè)計(jì)等，并為驗(yàn)證平臺(tái)能力，在軌實(shí)施了對(duì)地三軸穩(wěn)定、對(duì)日穩(wěn)定及對(duì)日慢旋等多種任務(wù)模式，為應(yīng)對(duì)后續(xù)不同任務(wù)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2. 采用柔性設(shè)計(jì)，適應(yīng)多任務(wù)需要

柔性設(shè)計(jì)是將不確定的要求進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化成效能優(yōu)化的、確定性策略，或者是用確定性設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)不同需求的設(shè)計(jì)策略，強(qiáng)調(diào)的是靈活性和適應(yīng)性。采用狀態(tài)固定的設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)不同任務(wù)必然要求衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)包絡(luò)要大，且一步就能做好適應(yīng)各類(lèi)任務(wù)是不現(xiàn)實(shí)的。即使能實(shí)踐大包絡(luò)設(shè)計(jì)，針對(duì)具體任務(wù)必然存在一定的過(guò)設(shè)計(jì)，造成浪費(fèi)。既要量體裁衣，又要充分利用已有素材的設(shè)計(jì)是衛(wèi)星柔性設(shè)計(jì)的本質(zhì)。需要把握的是對(duì)不確定的要求的趨勢(shì)預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)的可裁剪和可擴(kuò)展性。衛(wèi)星柔化設(shè)計(jì)就是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化單機(jī)產(chǎn)品系進(jìn)行組合的一系列方案，并進(jìn)行必要的、最低限度的、可實(shí)現(xiàn)的針對(duì)性設(shè)計(jì)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)滿足個(gè)性化需求的整星產(chǎn)品。

3. 性能滾動(dòng)提升

小衛(wèi)星技術(shù)能力的實(shí)現(xiàn)本著成熟先用、新技術(shù)試驗(yàn)的原則進(jìn)行不斷的滾動(dòng)式發(fā)展，平臺(tái)能力得到不斷的提升。

通過(guò)“八五”小衛(wèi)星共用平臺(tái)成果在實(shí)踐五號(hào)上的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)了CAST968平臺(tái)。基于技術(shù)成熟度和投入限制，此時(shí)的衛(wèi)星平臺(tái)還很初步，是基本型。通過(guò)海洋一號(hào)A星的研制，衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加完善，可靠性得到提高，使得CAST968平臺(tái)更加實(shí)用。利用CAST968平臺(tái)技術(shù)，吸收“九五”小衛(wèi)星預(yù)研成果，研制了試驗(yàn)二號(hào)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了高精度姿態(tài)控制，建立了CAST2000平臺(tái)。此后隨著應(yīng)用需求的不斷增加，一系列技術(shù)得以開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，小衛(wèi)星平臺(tái)能力得到不斷的提升。

4. 大力推行集成設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星小的重要手段是集成設(shè)計(jì)。

通過(guò)集成設(shè)計(jì)，使得整星設(shè)備數(shù)量大大減少，實(shí)踐五號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)備數(shù)量只有48臺(tái)，海洋一號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)加上數(shù)傳設(shè)備數(shù)量?jī)H有67臺(tái)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)衛(wèi)星動(dòng)輒上百臺(tái)的配置要求，因此集成設(shè)計(jì)是小衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)“小”的主要途徑。

5. 低配置高可靠設(shè)計(jì)策略

利用磁控技術(shù)輔助進(jìn)行姿態(tài)控制，減少其他硬件資源。

采用分散供電體制，將集中供電的電源變換器分散到各個(gè)功能設(shè)備中，減少了星上設(shè)備配置，同時(shí)有利于標(biāo)準(zhǔn)化星上設(shè)備供電接口，有利于衛(wèi)星功能擴(kuò)展。

采用斜裝推力器安裝策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴氣控制的最少冗余。

充分應(yīng)用軟件技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)冗余。在不增加硬件資源情況下，實(shí)現(xiàn)中高時(shí)間精度控制。

通過(guò)可靠性增長(zhǎng)提高單機(jī)可靠性或置信度。通過(guò)通用化小衛(wèi)星單機(jī)產(chǎn)品在不同型號(hào)中的飛行應(yīng)用，不斷發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)與工藝缺陷，并通過(guò)舉一反三方式使產(chǎn)品可靠性得到很好的提高，在實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)的同時(shí)，確保了衛(wèi)星可靠性。

采用既作為主承力結(jié)構(gòu)，又作為設(shè)備安裝板，同時(shí)具備導(dǎo)熱性能的多功能結(jié)構(gòu)板的設(shè)計(jì)減少專(zhuān)用承力筒結(jié)構(gòu)，減小了衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

6. 不斷提升可靠性、安全性設(shè)計(jì)水平

采用單組蓄電池組進(jìn)行全星設(shè)備供電，不但簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，而且減小了衛(wèi)星質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)高可靠，采用計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)蓄電池充放電控制，安全可靠。嚴(yán)格控制蓄電池工作溫度，確保在5～10℃。嚴(yán)格控制星上負(fù)載功能脈動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)電源供給高品質(zhì)。

隨著衛(wèi)星研制數(shù)量的增加，單機(jī)產(chǎn)品及整星可靠性得到持續(xù)的增長(zhǎng)。單星設(shè)計(jì)壽命已經(jīng)從實(shí)踐五號(hào)的3個(gè)月，提升到海洋一號(hào)的2年，又繼續(xù)提升到環(huán)境減災(zāi)一號(hào)衛(wèi)星的3年，目前正在開(kāi)發(fā)國(guó)內(nèi)首顆低軌5年設(shè)計(jì)壽命的高分一號(hào)衛(wèi)星。實(shí)際在軌衛(wèi)星最長(zhǎng)壽命(實(shí)踐六號(hào)B)已經(jīng)接近11年。

從整星能源、姿態(tài)、任務(wù)能力等安全性核心要素出發(fā)，設(shè)計(jì)了姿態(tài)、電源、BAPTA及星務(wù)中心計(jì)算機(jī)等主要異常事件時(shí)星上自主安全對(duì)策，防止整星陷于更加嚴(yán)重的故障中，并導(dǎo)致完全失效。在整星安全對(duì)策基礎(chǔ)上，對(duì)短期負(fù)載和短壽命部件也都進(jìn)行工作時(shí)間安全控制，防止其對(duì)整星供電帶來(lái)過(guò)大負(fù)荷或過(guò)早消耗設(shè)備壽命的現(xiàn)象，從而有效保障了整星的長(zhǎng)期運(yùn)行能力。

從環(huán)境減災(zāi)一號(hào)A／B衛(wèi)星開(kāi)始，開(kāi)發(fā)了具有容錯(cuò)功能和可注入的相對(duì)時(shí)間程控指令技術(shù)等，不但可快速剔除過(guò)期指令組，而且方便用戶(hù)使用，減少地面測(cè)控上注數(shù)據(jù)量，大大降低了衛(wèi)星操作風(fēng)險(xiǎn)。

二、未來(lái)展望

7. 開(kāi)發(fā)了一系列小衛(wèi)星專(zhuān)用產(chǎn)品

為了實(shí)現(xiàn)小衛(wèi)星輕量化，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)追求小型化、標(biāo)準(zhǔn)化，開(kāi)發(fā)了一系列適應(yīng)小衛(wèi)星特點(diǎn)的產(chǎn)品。包括星務(wù)中心計(jì)算機(jī)、模塊化遙控單元、熱控下位機(jī)、模塊化載荷艙下位機(jī)、小型化S波段測(cè)控應(yīng)答機(jī)、姿軌控中央控制單元、電源控制器、配電器、太陽(yáng)翼壓緊解鎖與釋放機(jī)構(gòu)及太陽(yáng)翼產(chǎn)品、小衛(wèi)星平臺(tái)專(zhuān)用太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、660型星箭對(duì)接環(huán)標(biāo)準(zhǔn)。

8. 統(tǒng)一設(shè)計(jì)，產(chǎn)品化思路

產(chǎn)品化是小衛(wèi)星保證產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)的重要思路，也是平臺(tái)快速研制和在軌運(yùn)行可靠的重要保證。通過(guò)統(tǒng)一設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了不同型號(hào)間相同功能設(shè)備狀態(tài)的統(tǒng)一；通過(guò)統(tǒng)一單機(jī)狀態(tài)和環(huán)境試驗(yàn)條件，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)主要單機(jī)30件產(chǎn)品的定型；通過(guò)統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一合同，實(shí)現(xiàn)了星上產(chǎn)品的組批投產(chǎn)；通過(guò)建立小衛(wèi)星專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一了不同型號(hào)研制策略；通過(guò)統(tǒng)一總結(jié)、互相交流，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)師隊(duì)伍能力的同步提升。

展望未來(lái)需求，小衛(wèi)星的發(fā)展還應(yīng)關(guān)注以下幾個(gè)方面。

1)發(fā)展以姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)和穩(wěn)定等為核心的敏捷衛(wèi)星技術(shù)，進(jìn)一步提升高分辨率成像的成像效能，促進(jìn)高分辨率數(shù)據(jù)的深化應(yīng)用。

2)發(fā)展以靜磁、靜電等為核心技術(shù)的電磁監(jiān)測(cè)衛(wèi)星技術(shù)，擴(kuò)展小衛(wèi)星在地磁環(huán)境監(jiān)測(cè)的能力。

3)發(fā)展以無(wú)拖曳、高精度質(zhì)心控制等為核心的重力場(chǎng)測(cè)量衛(wèi)星技術(shù)，豐富地球科學(xué)測(cè)繪方法及為相關(guān)行業(yè)深化應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

4)發(fā)展以快速發(fā)射、低成本等為核心的應(yīng)急災(zāi)害響應(yīng)衛(wèi)星技術(shù)，擴(kuò)展衛(wèi)星對(duì)應(yīng)急事件的應(yīng)急通信、遙感等快速響應(yīng)。

5)發(fā)展以高成像質(zhì)量、低成本的商業(yè)遙感衛(wèi)星技術(shù)，推進(jìn)遙感事業(yè)產(chǎn)業(yè)化。

6)發(fā)展星座技術(shù)，將小衛(wèi)星星座不斷應(yīng)用于遙感、通信、科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)等領(lǐng)域。

另外國(guó)內(nèi)小衛(wèi)星研制方興未艾，有效協(xié)同發(fā)展，真正實(shí)現(xiàn)高效的產(chǎn)學(xué)研一體化，共同促進(jìn)我國(guó)航天技術(shù)發(fā)展，共同面對(duì)國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也是應(yīng)該關(guān)注的。

三、結(jié)束語(yǔ)

小衛(wèi)星實(shí)踐證明，創(chuàng)新是小衛(wèi)星發(fā)展不竭的動(dòng)力，“快、好、省”的小衛(wèi)星建設(shè)不但順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流，而且符合中國(guó)國(guó)情。

注：本文是白照廣總師在2015年小衛(wèi)星技術(shù)交流會(huì)上發(fā)表的論文，出版時(shí)有刪節(jié)。

出自《2015年小衛(wèi)星技術(shù)交流會(huì)論文集》。