王熹微 李博 （ 中國空間技術研究院， 北京空間科技信息研究所）

近年來，隨著衛(wèi)星技術快速演進、單星能力快速增長、市場需求趨多樣化，國外靜止軌道通信衛(wèi)星領域正在經(jīng)歷深度調(diào)整，牽引衛(wèi)星制造商在平臺型譜上做出新的布局和調(diào)整，新興制造商的不斷涌入，進一步加劇了競爭?！靶⌒偷厍蜢o止軌道”（SmallGEO）平臺是歐洲航天局（ESA）通過設立專項計劃，歷時十余年組織產(chǎn)業(yè)界自主研發(fā)的新型衛(wèi)星公用平臺，主要面向小型GEO軌道通信衛(wèi)星市場，以補全歐洲衛(wèi)星制造領域的型譜空白，提升技術水平及產(chǎn)業(yè)競爭力。歐洲已于2017年1月成功發(fā)射基于該平臺研制的首顆衛(wèi)星―西班牙衛(wèi)星―36W―1（Hispasat―36W―1）。

1 發(fā)展背景

SmallGEO平臺的主承包商是歐洲第三大衛(wèi)星制造商—德國不萊梅軌道高技術系統(tǒng)股份公司（OHB），但該公司在Hispasat-36W-1任務之前從未研制過GEO軌道衛(wèi)星，未曾涉足商業(yè)通信衛(wèi)星制造市場。2004年，德國公布新一代軍事通信衛(wèi)星的項目招標計劃，該公司與泰雷茲公司（Thales）聯(lián)合參與競標，提出基于一種“小型地球靜止軌道衛(wèi)星”（LittleGEOs）平臺理念的衛(wèi)星方案。雖然該合同最終授予了阿斯特留姆公司（Astrium），但OHB開展的小型GEO平臺自主研發(fā)工作（稱之為LUX計劃）卻未因此停止，并積極爭取其最大的用戶與資金來源——德國政府機構的支持。

彼時的德國航天工業(yè)整體競爭力薄弱，GEO軌道通信衛(wèi)星六大制造商中僅有的兩家歐洲公司總部均位于法國，德國本土衛(wèi)星制造商主要承擔小型衛(wèi)星、分系統(tǒng)的研制工作。如果不主導發(fā)展GEO軌道衛(wèi)星，德國航天工業(yè)將“面臨失去一項必備能力的風險”。在此背景下，2005年，LUX計劃得到德國航天局的正式認可，并獲其資金支持，推動進行平臺概念的初步設計。而后，為了籌措更多資金、幫助OHB公司打開歐洲市場，德國航天局將目光轉向歐洲航天局，開始尋求歐洲國家的廣泛財力與任務支持。

2005年12月，在德國柏林舉辦的歐洲航天局部長級會議上正式確定，在歐洲衛(wèi)星通信重大專項工程——“通信系統(tǒng)預先研究”（ARTES）中，新增名為“小型地球靜止軌道衛(wèi)星倡議”（ARTES-11）子項目，基于LUX計劃的前期研究成果，研制SmallGEO新型衛(wèi)星公用平臺。項目以德國OHB公司為主導，包括瑞典、瑞士、盧森堡、奧地利、芬蘭、丹麥和西班牙多家衛(wèi)星制造商與運營商加入。

2 實施思路

公私合營拓展融資渠道，有效降低平臺研制風險

在資金籌措方面，SmallGEO項目主要依靠歐洲各國政府機構的合力支持。項目的前身LUX計劃最初由OHB公司自主投入研發(fā)，但很快得到德國航天局3200萬歐元的資金支持，于2005年底順利完成A階段的初步概念評審。2006年起，項目正式轉入歐洲航天局的ARTES計劃，獲得更大規(guī)模的資助。

ARTES計劃為SmallGEO項目打開了更寬的資金渠道。該計劃采用“公私合營”的經(jīng)費籌措方式，公用經(jīng)費來自19個參與國政府，從歐洲航天局年度預算中統(tǒng)一分配和支出，具體根據(jù)項目的技術成熟度、市場潛力與進度等不同，提供差異化的資助比例：對處于技術研發(fā)初期階段，商業(yè)或技術風險較高的創(chuàng)新性項目，資助比例可達100%；對主要涉及新技術或新工藝，且最終產(chǎn)品具有明確市場潛力的項目，資助比例最高75%。SmallGEO平臺各個階段的發(fā)展均獲得了歐洲航天局不同程度的資金支持，大大降低了OHB公司投入巨資開展自主研制的風險，為項目順利實施提供了財力保障。

廣泛繼承已有產(chǎn)品成果，積極開發(fā)試驗新型技術

SmallGEO平臺的研制工作由OHB系統(tǒng)公司主導，多家歐洲知名航天企業(yè)參與其中。在技術發(fā)展策略方面，項目一方面利用多方的技術實力加快研制速度，同時根據(jù)任務目標，積極試驗新型技術。

具體來看，SmallGEO平臺在多個重要單機部件上采用了歐洲航天工業(yè)界已有的技術成果，如電推進系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)裝置和推力器指向機構方面的研制很大程度上受益于與歐洲航天局首個月球探測器任務用于先進技術研究的小型任務-1（SMART-1），太陽翼基于已經(jīng)得到驗證的歐洲之星-3000平臺以及阿爾法平臺（Alphabus）上的同類產(chǎn)品研制。同時，為了實現(xiàn)“小型化、低成本、高性能”的目標，SmallGEO項目也積極推動各參與方的新技術研發(fā)，如在平臺數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)方面，加速了歐洲航天局“獅”（LEON）系列片上系統(tǒng)（SoC）微處理器軟核架構的開發(fā)與驗證，在推進分系統(tǒng)方面，促進了法國斯奈克瑪公司（Snecma）以及泰雷茲公司等在霍爾效應電推力器（HET）以及高效率多級等離子體電推進系統(tǒng)（HEMPT）等領域的技術與產(chǎn)品發(fā)展。這種策略，既保證了平臺的可靠性與研制效率，又提升了平臺的技術先進度，為加快其參與市場競爭和拓展“適用期”打下了良好的基礎。

SmallGEO平臺的資助計劃

3 平臺設計

設計理念與定位

（1）模塊化設計理念，實施并行AIT流程，提升研制效率

SmallGEO平臺采用了模塊化設計理念，按此理念設計出的衛(wèi)星將由平臺模塊與載荷模塊兩部分組成，其中平臺模塊細分為核心平臺模塊和推進模塊，載荷模塊則細分為轉發(fā)器模塊與天線模塊。

典型SmallGEO衛(wèi)星模塊化分解結構

具體來看：①核心平臺模塊主要負責航天器供配電、在軌數(shù)據(jù)處理、遙測/控服務、姿態(tài)與軌道控制等關鍵服務功能，該模塊的太陽翼支持1塊、3塊和5塊板的靈活配置，蓄電池也具備空間尺寸可調(diào)節(jié)能力，從而保證了平臺良好的可擴展性。②推進模塊通過化學推進分系統(tǒng)支持GTO至GEO的軌道轉移操作，并通過電推進分系統(tǒng)支持在軌位置捕獲與保持。③轉發(fā)器模塊包括南/北板的載荷散熱器以及對地面內(nèi)板結構，最大可支持40路轉發(fā)器以及2.3～2.5W的載荷散熱能力。④天線模塊由單獨安裝在對地面上的固定裝置以及東、西兩側的支撐臂組成，支持最大的天線口徑為2.3m。

采用這種模塊化設計優(yōu)點明顯：①天線/對地面與轉發(fā)器模塊分置、單獨集成，確保載荷快速裝配；②采用標準化接口，確保載荷與平臺并行總裝、集成、測試，提升研制效率，縮短衛(wèi)星的交付周期。

（2）靈活平臺配置，支持多類型衛(wèi)星任務，拓展應用范圍

SmallGEO平臺的主要目標領域為GEO通信衛(wèi)星，但模塊化設計也保證了其無需對平臺進行大的調(diào)整，即可根據(jù)用戶需求靈活改裝為對地觀測、氣象衛(wèi)星等不同任務的衛(wèi)星。具體來看，SmallGEO在設計上考慮了三種平臺變型版本。

1）SmallGEO FAST型配置版本。作為主力平臺產(chǎn)品，面向通信衛(wèi)星領域，發(fā)射質(zhì)量最高達3500kg，采用混合式的推進系統(tǒng)，載荷質(zhì)量最高450kg，每個太陽翼由3塊帆板拼接而成，載荷供電功率5kW，可搭載多達32路轉發(fā)器，支持從L到Ka的工作頻段，設計壽命15年。

2）SmallGEO FLEX型配置版本。作為高承載比平臺版本，采用全電推進方式，發(fā)射質(zhì)量最高達3500kg，載荷質(zhì)量最高900kg，每個太陽翼由5塊帆板拼接而成，載荷供電功率10kW，可搭載多達60路轉發(fā)器，支持從L到Ka的工作頻段，設計壽命15年。如今該版本的首發(fā)星任務已單獨列為ARTES 33項目，仍處于工程研制階段。

3）SmallGEO EO型配置版本。作為對地觀測任務版本，發(fā)射質(zhì)量最高達3800kg，采用雙組元化學推進系統(tǒng)，載荷質(zhì)量最高650kg，由于對地觀測任務的功率需求并不高，所以單個太陽翼僅含一塊帆板，供電功率1.35kW，支持Ka和S頻段數(shù)據(jù)傳輸，設計壽命超過10年。

分系統(tǒng)設計情況

（1）結構分系統(tǒng)

SmallGEO平臺采用中央承力筒結構，如前所述分為4個艙段，太陽翼收攏狀態(tài)下的標準外形尺寸為2.3m×1.9m×2.5m。雙組元推進劑儲罐置于筒內(nèi)，氙氣與氦氣貯罐沿承力筒對稱布置，并盡可能地貼緊筒外壁，以最小化質(zhì)心偏移。液體遠地點發(fā)動機（LAE）安裝于運載火箭適配器上，8副10N的反作用控制推力器（RCT）安裝于背地板上。8副電推進系統(tǒng)推力器成對安裝在東西與南北隔板的4個交叉托架上，推力方向沿對地矢量對稱分布。

轉發(fā)器艙呈Π字形結構，由對地板、南/北板以及對應儀器設備構成，低噪放大器、功率放大器以及輸入、輸出多工器等均布置南北板上。對地板上還安裝有天線模塊的支撐結構。

（2）熱控分系統(tǒng)

熱控分系統(tǒng)主要由散熱器、多層組件（MLI）和熱管組成，主要采用無源工作方式，僅在任務執(zhí)行過程中載荷停止運行的情況下，對敏感組件（如蓄電池以及氣態(tài)氙儲罐等）進行有源加熱。

（3）推進分系統(tǒng)

推進分系統(tǒng)作為SmallGEO平臺單獨的一個模塊，主要由化學和電推進兩部分組成。

化學推進分系統(tǒng)由EADS-S4000-12型液體遠地點發(fā)動機以及4主/4備EADS-S-10-18型反作用控制推力器組成。其中，遠地點發(fā)動機推力達420N，比沖318s；反應控制推力器推力達10N，比沖大于287s。推進劑存儲于中央承力筒內(nèi)軸向依次放置的兩個700L容積的儲罐中，最高可容納1300kg的液體燃料，正常工作狀態(tài)下可在軌道轉移時提供1500m/s的速度矢量。

電推進分系統(tǒng)執(zhí)行軌道轉移之外所有的軌道控制和動量輪卸載任務（在軌位置保持，姿態(tài)調(diào)整，轉移至墓地軌道等），由2套完全冗余的子系統(tǒng)構成，每個子系統(tǒng)由1個電源處理單元、1個外部電推力器選擇單元和4臺SPT-100霍爾推力器組成?；魻柾屏ζ髦苯影惭b于星體，沒有矢量調(diào)節(jié)機構，推力方向不可調(diào)節(jié)。

電推力器在空間分布上采用三維對稱構型，與俄羅斯“快訊”（Express）、“亞馬爾”（Yamal）等衛(wèi)星類似。在這種構型下，每臺電推力器工作都能同時產(chǎn)生法向和切向速度，不產(chǎn)生徑向速度。整個壽命周期內(nèi)星體質(zhì)心變化不超出推力方向構成的平面所包圍的區(qū)域，始終能保證電推力器點火時能產(chǎn)生卸載力矩。三維對稱構型與矩形構型相比，所用的電推力器數(shù)量多了1倍，但不需要矢量調(diào)節(jié)機構，降低了復雜度，推力只在切向和法向存在分量，位置保持控制中的耦合影響減弱，姿態(tài)軌道控制耦合作用較??；同時由于該構型下電推力器推力方向不通過質(zhì)心，點火過程中的干擾力矩較大。

（4）姿軌控分系統(tǒng)

SmallGEO平臺采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制方式，主要利用反作用輪與星敏感器控制姿態(tài)，同時利用電推進系統(tǒng)執(zhí)行在軌位置保持，正常工作狀態(tài)下反作用輪角動量的管理僅依靠電推進系統(tǒng)完成，這也成為姿軌控系統(tǒng)的一個技術特點。但值得一提的是，安全模式下并不啟用電推進系統(tǒng)，而是依靠冷氣系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。

另一個技術特點是采用了基于有源像素傳感器（APS）的星敏感器設備，并采用了互補金屬氧化物半導體（CMOS）圖像傳感器、具備隨機窗口讀取能力同時支持單片專用集成電路（ASIC）集成方式，與傳統(tǒng)的電荷耦合器件（CCD）星敏設備相比，功耗更低、接口更加簡化、體積更小，同時抗輻射性更強。

最后，SmallGEO平臺還載有一個阿斯特留姆公司研制的GNSS接收機，將驗證利用GPS信號在36000km高度實現(xiàn)衛(wèi)星定位功能，質(zhì)量達3.9kg，功率消耗10W，尺寸為272mm×284mm×92mm，預計實現(xiàn)的定位精度可達150m。

（5）供配電分系統(tǒng)

SmallGEO平臺的太陽翼由阿斯特留姆公司研制，主要基于歐洲星-3000（Eurostar-3000）以及Alphabus平臺上所采用的設備研制而成。大部分電子元件已經(jīng)在歐洲研制的多顆通信衛(wèi)星和伽利略衛(wèi)星上得到廣泛驗證。

單塊帆板的基本尺寸為2730mm×2216mm，僅就基本型配置而言，展開后寬度達到9m，6塊帆板能夠提供50V的母線電壓，在壽命初期可為平臺提供6.5kW功率，載荷供電功率最大為5kW，到壽命末期，載荷供電功率僅3.5kW。

（6）數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)

在軌數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)主要通過傳輸和處理指令、獲取傳感器信息以及其他數(shù)據(jù)等對單個分系統(tǒng)進行控制，采用芯片系統(tǒng)（SoC）設計理念，融合了LEON、MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)標準、遙測IP內(nèi)核等新技術。這使得星上數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（OBDH）得以實現(xiàn)軟件獨立的遙測與遙控能力，執(zhí)行S/C任務。OBDH系統(tǒng)包括了一個內(nèi)部全冗余式的衛(wèi)星管理單元，執(zhí)行數(shù)據(jù)處理任務以及平臺功率分配任務。平臺性能對比分析

總的來說，歐洲航天局打造SmallGEO平臺的主要目標是打破美國在小型GEO軌道通信衛(wèi)星制造領域的壟斷地位，但2000年以后的統(tǒng)計結果顯示，俄羅斯與印度等航天大國的對應平臺表現(xiàn)也相當突出，占據(jù)較多的市場份額。與此同時，英國薩里衛(wèi)星技術有限公司（SSTL）也在空客防務與航天公司的支持下，計劃研制同級別的“地球靜止軌道小衛(wèi)星平臺-轉移軌道版本”（GMP-T）平臺產(chǎn)品。

（1）多型號并存競爭激烈

總體來看，在核心技術指標方面，除印度的I-2000平臺與歐美差距較大以外，余下平臺的性能差別都在較小區(qū)間范圍。SmallGEO平臺在載荷承載能力方面表現(xiàn)一般，略高于均值水平的420kg，與采用直接發(fā)射入軌方式的Express-1000相比仍存在一定差距；在載荷供電功率方面，單翼三塊帆板的FAST型配置可提供5kW的供電能力，而美國和俄羅斯的平臺最高可達5.5kW；設計壽命方面，各型平臺基本都可達到15年。

同質(zhì)化的技術性能表現(xiàn)，也決定了未來商業(yè)市場競爭的激烈性。而且就目前來看，即便是SmallGEO旨在力保的歐洲市場，在GMP-T平臺投入使用后，格局發(fā)展也存在疑問，該平臺已經(jīng)獲得歐洲通信衛(wèi)星公司（Eutelsat）的支持，將于2018年發(fā)射“量子”（Quantum）衛(wèi)星，未來歐洲將面臨同領域兩款同型平臺的競爭。

國外主要中小型GEO衛(wèi)星平臺對比

（2）研制周期為最大問題

毫無疑問，對于市場和用戶而言，除技術性能之外，快速交付能力是評價制造商研制水平的重要指標。當前其他各型平臺中，交付最快的為GEOStar-2平臺，在24個月左右，俄羅斯、印度的交付周期相對較長，一般都在30個月以上。但單從首發(fā)星任務來看，SmallGEO目前真正的交付速度不容樂觀（受各種因素影響已超過7年），雖然按照目前官方公布的計劃，其研制周期將在未來力爭壓縮至36月，但這種交付周期在如今敏感性極高的商業(yè)市場中，毫無疑問將成為制約其競爭的最大弊端。

另一方面，截至目前為止，SmallGEO平臺尚未真正獲得一顆商業(yè)通信衛(wèi)星領域的國際訂單，仍主要依靠歐洲航天局的項目支持，后續(xù)已確定的任務中，無一例外都來自于歐洲航天局或歐洲本土運營商，其中最大的訂單為6顆歐洲第三代氣象衛(wèi)星。因而，從短期情況分析來看，爭取歐洲政府機構及衛(wèi)星運營商的支持，是破解SmallGEO發(fā)展問題的必選途徑。

4 啟示

歐洲新平臺的正式啟用，將加大國際市場同類競爭難度

SmallGEO平臺的正式投入使用，勢必改變小型GEO通信衛(wèi)星制造市場的競爭格局。該市場整體規(guī)模雖然不大，但門檻相對較低，已成為具備一定研制實力的航天國家進軍GEO衛(wèi)星制造領域的突破口，目前的參與者不僅包括美國、歐洲、俄羅斯、印度、日本等主要航天國家，以色列、阿根廷等新興國家也已相繼研制成功相應系統(tǒng)，競爭態(tài)勢激烈。如前所述，SmallGEO以及后續(xù)GMP-T等新型平臺在關鍵技術性能上將達到國際先進水平，在歐洲各級政府不斷加大政策扶持、ARTES框架促成運營商與制造商聯(lián)合的背景之下，未來國際競爭環(huán)境將更加嚴峻。

利用重大專項工程契機，快速培育航天工業(yè)的新興能力

在SmallGEO項目的發(fā)起、融資、研制和應用過程中，歐洲通信衛(wèi)星領域的重大專項ARTES計劃起到了巨大的推進作用。歐洲航天局在ARTES計劃中主要通過多樣化的資金籌措渠道、強有力的合作洽談機制、繼承式的技術研發(fā)驗證以及全方位的產(chǎn)業(yè)推廣應用，為歐洲航天工業(yè)界打造了一個創(chuàng)新項目的孵化平臺，鼓勵各國的航天企業(yè)進行大膽的技術創(chuàng)新與產(chǎn)品嘗試，逐步形成了政府企業(yè)良性互動、全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同共進的產(chǎn)業(yè)格局，不但成功催生了SmallGEO以及Alphabus超大型平臺等一批核心產(chǎn)品，也將OHB公司為代表的一批企業(yè)培育成為國際通信衛(wèi)星市場的新興力量，有效提升歐洲航天工業(yè)競爭力。

衛(wèi)星市場需求發(fā)生劇烈變革，中型平臺的預期波動性增大

最后，值得注意的是，隨著近年來衛(wèi)星研制與應用技術的不斷演進，通信衛(wèi)星制造市場也在發(fā)生劇烈變革，運營商對平臺承載能力需求呈現(xiàn)出新的特點。筆者統(tǒng)計并對比了1999-2008年與2009-2018年兩個十年間全球發(fā)射的通信衛(wèi)星質(zhì)量變化，大、小“兩極化”態(tài)勢明顯。5t以上的大型和超大型通信衛(wèi)星數(shù)量增幅達337%，占所有發(fā)射通信衛(wèi)星比例也從8.1%快速增長至25.9%，1t以下的小型通信衛(wèi)星數(shù)量增幅也達95.6%，占比也從30.5%增長至43.7%。

而中小型（1～3t）和中大型（3～5t）衛(wèi)星占比出現(xiàn)顯著萎縮，發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量則分別下滑了34.3%和29.8%。受此影響，主流通信衛(wèi)星制造商的平臺型譜布局也在發(fā)生變化，面向批量化的通信小衛(wèi)星研制和面向下一代高性能、高價值GEO衛(wèi)星研制已成為主要的著力點，中型平臺的角色定位不斷下調(diào)。這種市場預期的波動性，對SmallGEO平臺的后續(xù)發(fā)展將產(chǎn)生不可忽視的影響。