小衛星發展策略分析

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小衛星發展策略分析

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20世紀90年代，國際小衛星技術發展方興未艾，以美國為代表的“快、好、省”小衛星發展技術倡議成為眾多國家追隨的對象。在此大潮推動下，中國空間技術研究院在“八五”期間適時安排了小衛星公用平臺的技術研究課題。研發中提出了充分利用現代微電子技術、計算機技術以及軟件技術的思路及整星集成化星務管理的理念，通過在各分系統控制設備中推行嵌入式管理執行單元(MEU)，實現中心計算機與各分系統的信息連接，達到衛星功能集成與分散控制的有機結合，從而實現全星資源與信息統一管理。

1996年8月，實踐五號衛星開始立項研制，研制中應用了公用平臺預研成果，由此建立了CAST968小衛星公用平臺系列，1999年衛星發射；在此平臺技術基礎上，又細化、分離出了高姿態控制精度的CAST2000平臺，首顆星試驗二號衛星于2004年發射；2009年微小衛星平臺CAST100首顆星希望一號發射。截至2014年底，中國空間技術研究院已經發射了51顆微小衛星，仍有45顆衛星在軌穩定飛行，累計飛行壽命超過150年，在軌小衛星數量已經達到中國衛星數量的近三分之一。

伴隨著小衛星的發展，中國海洋水色遙感衛星、環境與災害監測小衛星星座、實踐衛星系列、測繪衛星等一大批衛星系列得以發展，拓展了中國航天技術的應用領域，促進了衛星應用行業水平的提升，使小衛星在國民經濟建設和國防建設中發展了重大作用。

一、小衛星發展啟示

1. 以多用途為目標，構建衛星平臺

小衛星平臺開發伊始就明確提出是多任務平臺，具備適應不同衛星任務的能力，包括適應遙感、通信、科學與技術試驗衛星等任務的能力，適應中低軌道飛行能力。

實踐五號衛星設計中，任務要求只需要進行對地三軸穩定和慢旋。但設計時完全立足公用平臺思路，以勝任不同任務需求開展了設計，如采用平臺和載荷設備分艙設計、具備擴展能力的星上網設計和多姿態控制模式設計等，并為驗證平臺能力，在軌實施了對地三軸穩定、對日穩定及對日慢旋等多種任務模式，為應對后續不同任務奠定技術基礎。

2. 采用柔性設計，適應多任務需要

柔性設計是將不確定的要求進行處理，轉化成效能優化的、確定性策略，或者是用確定性設計應對不同需求的設計策略，強調的是靈活性和適應性。采用狀態固定的設計應對不同任務必然要求衛星平臺設計包絡要大，且一步就能做好適應各類任務是不現實的。即使能實踐大包絡設計，針對具體任務必然存在一定的過設計，造成浪費。既要量體裁衣，又要充分利用已有素材的設計是衛星柔性設計的本質。需要把握的是對不確定的要求的趨勢預測和設計的可裁剪和可擴展性。衛星柔化設計就是對標準化單機產品系進行組合的一系列方案，并進行必要的、最低限度的、可實現的針對性設計改進，實現滿足個性化需求的整星產品。

3. 性能滾動提升

小衛星技術能力的實現本著成熟先用、新技術試驗的原則進行不斷的滾動式發展，平臺能力得到不斷的提升。

通過“八五”小衛星共用平臺成果在實踐五號上的應用，開發了CAST968平臺。基于技術成熟度和投入限制，此時的衛星平臺還很初步，是基本型。通過海洋一號A星的研制，衛星系統設計更加完善，可靠性得到提高，使得CAST968平臺更加實用。利用CAST968平臺技術，吸收“九五”小衛星預研成果，研制了試驗二號衛星，實現了高精度姿態控制，建立了CAST2000平臺。此后隨著應用需求的不斷增加，一系列技術得以開發和應用，小衛星平臺能力得到不斷的提升。

4. 大力推行集成設計

實現衛星小的重要手段是集成設計。

通過集成設計，使得整星設備數量大大減少，實踐五號衛星平臺設備數量只有48臺，海洋一號衛星平臺加上數傳設備數量僅有67臺，遠遠低于傳統衛星動輒上百臺的配置要求，因此集成設計是小衛星能夠實現“小”的主要途徑。

5. 低配置高可靠設計策略

利用磁控技術輔助進行姿態控制，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功能設備中，減少了星上設備配置，同時有利于標準化星上設備供電接口，有利于衛星功能擴展。

采用斜裝推力器安裝策略，實現對噴氣控制的最少冗余。

充分應用軟件技術進行設計冗余。在不增加硬件資源情況下，實現中高時間精度控制。

通過可靠性增長提高單機可靠性或置信度。通過通用化小衛星單機產品在不同型號中的飛行應用，不斷發現設計與工藝缺陷，并通過舉一反三方式使產品可靠性得到很好的提高，在實現可靠性增長的同時，確保了衛星可靠性。

采用既作為主承力結構，又作為設備安裝板，同時具備導熱性能的多功能結構板的設計減少專用承力筒結構，減小了衛星結構質量。

6. 不斷提升可靠性、安全性設計水平

采用單組蓄電池組進行全星設備供電，不但簡化了設計，而且減小了衛星質量。為了實現高可靠，采用計算機控制實現蓄電池充放電控制，安全可靠。嚴格控制蓄電池工作溫度，確保在5～10℃。嚴格控制星上負載功能脈動特性，實現電源供給高品質。

隨著衛星研制數量的增加，單機產品及整星可靠性得到持續的增長。單星設計壽命已經從實踐五號的3個月，提升到海洋一號的2年，又繼續提升到環境減災一號衛星的3年，目前正在開發國內首顆低軌5年設計壽命的高分一號衛星。實際在軌衛星最長壽命(實踐六號B)已經接近11年。

從整星能源、姿態、任務能力等安全性核心要素出發，設計了姿態、電源、BAPTA及星務中心計算機等主要異常事件時星上自主安全對策，防止整星陷于更加嚴重的故障中，并導致完全失效。在整星安全對策基礎上，對短期負載和短壽命部件也都進行工作時間安全控制，防止其對整星供電帶來過大負荷或過早消耗設備壽命的現象，從而有效保障了整星的長期運行能力。

從環境減災一號A／B衛星開始，開發了具有容錯功能和可注入的相對時間程控指令技術等，不但可快速剔除過期指令組，而且方便用戶使用，減少地面測控上注數據量，大大降低了衛星操作風險。

二、未來展望

7. 開發了一系列小衛星專用產品

為了實現小衛星輕量化，產品設計時追求小型化、標準化，開發了一系列適應小衛星特點的產品。包括星務中心計算機、模塊化遙控單元、熱控下位機、模塊化載荷艙下位機、小型化S波段測控應答機、姿軌控中央控制單元、電源控制器、配電器、太陽翼壓緊解鎖與釋放機構及太陽翼產品、小衛星平臺專用太陽翼驅動機構、660型星箭對接環標準。

8. 統一設計，產品化思路

產品化是小衛星保證產品技術狀態的重要思路，也是平臺快速研制和在軌運行可靠的重要保證。通過統一設計，實現了不同型號間相同功能設備狀態的統一；通過統一單機狀態和環境試驗條件，實現了平臺主要單機30件產品的定型；通過統一調度、統一合同，實現了星上產品的組批投產；通過建立小衛星專用標準，統一了不同型號研制策略；通過統一總結、互相交流，實現了設計師隊伍能力的同步提升。

展望未來需求，小衛星的發展還應關注以下幾個方面。

1)發展以姿態快速機動和穩定等為核心的敏捷衛星技術，進一步提升高分辨率成像的成像效能，促進高分辨率數據的深化應用。

2)發展以靜磁、靜電等為核心技術的電磁監測衛星技術，擴展小衛星在地磁環境監測的能力。

3)發展以無拖曳、高精度質心控制等為核心的重力場測量衛星技術，豐富地球科學測繪方法及為相關行業深化應用提供數據支持。

4)發展以快速發射、低成本等為核心的應急災害響應衛星技術，擴展衛星對應急事件的應急通信、遙感等快速響應。

5)發展以高成像質量、低成本的商業遙感衛星技術，推進遙感事業產業化。

6)發展星座技術，將小衛星星座不斷應用于遙感、通信、科學與技術試驗等領域。

另外國內小衛星研制方興未艾，有效協同發展，真正實現高效的產學研一體化，共同促進我國航天技術發展，共同面對國際市場競爭也是應該關注的。

三、結束語

小衛星實踐證明，創新是小衛星發展不竭的動力，“快、好、省”的小衛星建設不但順應時代發展潮流，而且符合中國國情。

注：本文是白照廣總師在2015年小衛星技術交流會上發表的論文，出版時有刪節。

出自《2015年小衛星技術交流會論文集》。