面向低成本微納衛星的快速試驗體系研究

楊曉寧，楊 勇，王 晶，劉守文，樊世超

（1. 北京衛星環境工程研究所；2. 機電產品環境可靠性試驗技術北京市重點實驗室：北京 100094）

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面向低成本微納衛星的快速試驗體系研究

楊曉寧1, 2，楊 勇1, 2，王 晶1, 2，劉守文1, 2，樊世超1, 2

（1. 北京衛星環境工程研究所；2. 機電產品環境可靠性試驗技術北京市重點實驗室：北京 100094）

摘要：文章結合微納衛星典型特點，分析了由此帶來的試驗新需求；對比傳統衛星試驗標準和即將發布的國外微納衛星試驗標準草案，提出在充分繼承傳統衛星試驗技術成果基礎上，針對國內微納衛星發展現狀，兼顧靈活性和COTS（commercial off-the-shelf）產品可靠性保證需求，構建國內微納衛星快速試驗體系的總體思路。

關鍵詞：微納衛星；低成本；快速交付；試驗體系；COTS產品

0 引言

微納衛星是近年來快速發展的新一代衛星，通常是指以支持各類新技術驗證與應用為主要任務目標，采用開放式體系結構和標準接口規范、創新設計理念以及新的技術，同時還大量應用COTS產品、工業技術和微小型化產品等的一類衛星。微納衛星是航天器技術發展的重要方向之一，在對地觀測、通信、新技術驗證、科學試驗等領域具有廣泛的應用前景，已顯示出良好的技術、經濟和社會效益。對微納衛星的分類主要采用英國薩瑞衛星技術公司（SSTL）提出的方法（見表1）[1]，包括10～100kg的微小衛星和1～10kg的納衛星。

微納衛星具有功能密度高、智能化、成本低廉、研制周期短、可批量化生產測試等特點，具備機動靈活發射、星群自主運行、大規模裝備、星群協同應用、能靈活重構和系統健壯性較強等應用優勢。但與傳統衛星一樣，微納衛星在全壽命周期內將面臨復雜環境及效應的考驗，因此亦需要結合任務特點和衛星技術狀態，有針對性地開展有效的試驗。

表1　衛星分類表Table 1 Classification of satellites by size and scale

對傳統衛星的研制而言，為了確保衛星的長壽命和高可靠的要求，需要投入大量的經費和時間，其中包括不菲的試驗開銷[2]。

微納衛星具有低成本、快速交付和一體化設計等特點，仍采用傳統衛星試驗體系開展試驗工作將與任務目標不匹配，需要開展專門適用的試驗體系研究，但這種研究并不意味著對現有衛星試驗體系進行簡單刪減以滿足要求即可。因此，在國內微納衛星發展初期，需要同步系統地開展面向低成本微納衛星的高效試驗體系研究，以指導后續試驗關鍵技術突破。這不僅可有效避免先發展產品技術后補試驗的被動局面，而且可為微納衛星快速、可靠形成實際應用能力提供支撐。

1 微納衛星特點及發展動態

1.1英國薩瑞公司（SSTL）系列衛星

創建于1978年的英國薩瑞公司是著名的微納衛星研制機構，其發展軌跡和經驗對于分析微納衛星特點、構建面向工程應用的微納衛星快速試驗體系具有借鑒價值。薩瑞公司重視建立“完整的內部能力”，為此建立了獨立的設備研制體系和試驗設施，其中包括振動和熱真空試驗室。公司創始人馬克·斯維廷最初想到的低成本化手段就是基于COTS產品的衛星研制技術。一方面，薩瑞公司通過初期幾顆微納衛星持續開展空間軌道環境測量工作；另一方面，逐步將經過地面試驗驗證的先進設備投入在軌飛行試驗。

通過持續技術積累，薩瑞公司逐步掌握了基于COTS的微納衛星研制技術，通過合理分析和試驗，確保衛星產品可以滿足航天應用要求，不僅實現了低成本、短研制周期目標，還保證了衛星可靠性。該公司在微納衛星的研制歷程中并非一帆風順，盡管基于COTS技術研制的第一顆微納衛星UoSAT-1（見圖1）獲得了巨大成功，但之后的發展卻出現了一些事故：1990年1月22日發射數天后的UoSAT-4（見圖2）與地面失去聯系，究其原因是由于低氣壓放電導致下行鏈路轉發器失效；后續又有幾顆衛星由于總劑量效應導致器件失效而被迫退役，例如S80/T衛星（見圖3）。

圖1　UoSAT-1 衛星Fig. 1 UoSAT-1 satellite

圖2　UoSAT-4 衛星Fig. 2 UoSAT-4 satellite

圖3　S80/T 衛星Fig. 3 S80/T satellite

總的來看，薩瑞公司的微納衛星的研制歷程，對于構建微納衛星快速試驗體系具有以下啟示[3]：

1）初期持續開展軌道空間環境測量工作，以獲取第一手環境數據指導后續設計，避免過于保守的空間輻射防護指標影響器件和材料選擇的靈活性。

2）地面試驗驗證和在軌飛行試驗緊密結合，針對經過地面應用驗證的先進技術和產品，逐步開展在軌飛行試驗驗證。

3）以商業技術的高性能換取衛星的高可靠，不斷嘗試商業技術的航天應用。積極開展豐富的商業技術空間化的地面驗證，并擇機開展在軌飛行試驗，從而保證微納衛星技術的持續進步。

4）質量控制除了依靠合理設計和制造過程控制以外，還需要高效的試驗、檢驗環節。應建造專門用于衛星部組件研制及元器件質量控制的設施，配備專門試驗設備。

1.2試驗微納衛星系列

試驗微納衛星系列（XSS）是美國空軍研究實驗室（AFRL）、空軍航天與導彈系統中心、海軍研究實驗室等機構聯合開展的一個研究項目。1999年10月到2000年11月，波音公司負責制造XSS-10微納衛星，并進行了性能與功能測試。XSS-10是一個半自主航天器，采用三軸穩定姿態控制方式，其為圓柱形，直徑38.1cm，長81.28cm，凈重26.98kg，發射質量約為30.26kg，具體外形如圖4所示。

圖4　XSS-10微納衛星示意圖Fig. 4 XSS-10 micro/nano satellite

XSS-10衛星由AFRL航天工程部進行飛行前的綜合測試和試驗。其主要測試和試驗項目包括相機功能/性能試驗、EMC試驗、振動和沖擊試驗、熱真空和熱循環試驗、質心測試、慣量矩測試、衛星與“德爾塔2”火箭的集成測試等，其中集成測試包括多項功能測試、射頻兼容性測試、燃料添加和耐壓測試、充液狀態下衛星重心和慣量矩測試等。

1.3微納衛星應用發展趨勢

美國Space Works公司每年定期發布《微納衛星市場預測》報告。2013年的報告數據顯示，有超過一半以上的微納衛星是由大學等科研機構研制，60%的微納衛星用于技術驗證，這是由微納衛星成本低、短周期的特點所決定的[4]。隨著技術成熟和微納衛星性能不斷提升，技術驗證的比例將會逐漸降低，取而代之地將更多地向裝備化、業務化方向發展，在科學、對地觀測和偵察任務中取得廣泛應用，這展現了微納衛星應用的良好前景。

在2014年報告中，根據微納衛星的任務目標將其分為技術試驗、通信、對地觀測/遙感、科學和偵察5類。數據顯示，2014年—2016年間微納衛星主要用于執行特定任務，其中對地觀測和遙感占市場總額一半以上；2014年—2020年，全球將發射2000～2750顆微納衛星（1～50kg）[5]。根據Space Works的2015年最新統計數據，2014年全球已經發射了158顆微納衛星（1～50 kg）[6]，數據統計見圖5和圖6。

圖5　微納衛星（1～50 kg）發射歷史數量和預測數量Fig. 5 Micro/nano satellite launch history and future programs

圖6　微納衛星的任務目標統計Fig. 6 Mission goals proposed for micro/nano satellites

由于空間輻射環境影響，傳統的星載處理系統采用特殊抗輻射加固處理的宇航級處理器。與COTS器件相比，這些抗輻射加固處理器件普遍存在性能上的落后。一般地，宇航級器件性能落后于COTS器件1～2代。目前國外已經開展了COTS器件空間應用技術的深入研究，包括器件的篩選、機電熱設計、抗輻射設計、測試驗證等，隨著COTS器件性能的進一步提升和在空間應用的發展，其在微納衛星上的應用將更加廣泛。

2 微納衛星試驗需求分析

2.1新結構設計帶來的試驗需求

微納衛星采用一體化設計、多功能結構（MFS）、模塊化等技術，打破了傳統機、電、熱界限，實現互相融合、高度集成。多功能結構不僅具備承載的功能，同時還兼有傳輸電能、信息、熱控制等功能，是實現結構輕質化、降低成本的重要技術手段。美國“戰術成像納衛星彈性低成本、持續地球覆蓋”項目（TINYSCOPE）中的微納衛星以及XSS-10衛星充分體現了有效載荷與整星一體化設計思想[7-8]，見圖7和圖8。

圖7　TINYSCOPE單星結構示意圖Fig. 7 Configurations of TINYSCOPE

圖8　XSS-10衛星Fig. 8 XSS-10 micro satellite

結構本身承受載荷的能力要通過試驗驗證。安裝在結構上的設備在發射段所經歷的動力學環境直接與結構有關，也關系到設備試驗條件的制定。微納衛星新的結構設計技術必然帶來新的試驗需求：傳統按裝配層級進行試驗劃分的思路需要進行調整，中間裝配層級的試驗向兩端（系統級、部件級）轉移，部件級試驗應加強；多環境應力綜合（力、熱、電等）試驗可極大提高效率、節省成本。

2.2新發射方式對試驗的需求

傳統衛星在制定力學環境試驗項目和條件時，主要考慮衛星所經歷的發射段嚴酷動力學環境。而微納衛星發射主要通過一箭多星、搭載等方式發射，新的發射模式必然對衛星結構設計和力學環境試驗驗證提出新的要求[9]。

在微納衛星中90%的立方體衛星采用P-POD （Poly-Picosatellite orbital deployer）發射部署，見圖9。衛星在P-POD保護下被安全發射，為其內所攜帶的衛星和其外的運載及主載荷提供隔離，保護衛星安全經歷苛刻的發射段環境。衛星設計者只需要遵循P-POD設計標準進行納星設計即可滿足安全發射需求，無須考慮運載器具體型號的多樣性。運載器研制方可將P-POD集成封裝的多個衛星視為一個整體載荷，無須逐一考慮其適配性。

圖9　P-POD外觀和內部結構Fig. 9 P-POD configurations

一箭多星、在軌釋放等發射方式使微納衛星面臨的發射段動力學環境與傳統衛星不同，因此力學試驗設計須有差別。此外，在多星發射模式下，需要多星同步開展研制，使得多星組批試驗需求凸顯出來，這將涉及用于多星組批試驗的通用輔助力學試驗裝置設計、驗證及試驗方法的研究。

2.3星座部署模式對試驗的需求

微納衛星單星體積小、功能單一、成本低，但多星組成星座后可以實現傳統衛星無法實現的功能，在實際應用中微納衛星也多以星座形式部署使用。圖10和圖11給出了EDSN星座示意圖和SkySat星座概念圖。星座部署模式需要批量化研制，更強調短周期、低成本，多星并行試驗、測試成為必然選擇。微納衛星數量上的突破使得差異化試驗策略具備實施條件：首顆試驗星可開展全面研制試驗，后續星選擇性開展環境應力篩選試驗，縮減環境適應性確認試驗或者抽樣進行試驗也成為可能[10]。

此外，通過快速補充發射新衛星替換失效衛星保證星座正常運行，克服了傳統大衛星發射后無法迅速修復的短板，客觀上降低了對單星的復雜性、可靠性和壽命要求。對試驗而言，即意味著可以20%的付出滿足80%的試驗需求，在試驗項目選擇、試驗條件制定上具備更大的靈活度。

圖10　EDSN星座示意圖Fig. 10 Conceptual drawing of EDSN

圖11　SkySat星座概念圖Fig. 11 Conceptual drawing of SkySat

微納衛星數量的急劇增加和成本的優勢使得發射專門的新技術試驗衛星成為可能，為新技術、新產品提供在軌飛行試驗機會變得更具成本優勢。近年來，歐美等發達國家已經形成慣例，每年發射一批甚至幾批新技術試驗微納衛星。通過在軌飛行試驗，可以大大減少地面模擬試驗，而且獲得比地面試驗更真實有效的結果。

2.4COTS產品應用帶來的試驗需求

COTS產品主要是相對于航天技術產品而言，由于地面應用時不需要考慮苛刻的環境適應性與抗輻射防護，其在性能、體積、重量、價格上具有很大優勢。微納衛星通過大量采用COTS產品，使衛星研制周期大幅度縮短、研制成本降低。美國國防部的微納衛星理念是：在確保可靠性的前提下最大限度地使用COTS產品和成熟經驗及工藝。

要使COTS產品成功應用到空間任務，必須解決空間環境適應性和可靠性問題，因為這些問題會嚴重影響衛星可靠性和壽命。相對于軍用宇航級器件，COTS 器件通常工作溫度范圍很窄，大多是塑料封裝（PEM），而且其設計、材料、芯片、生產過程控制的可追溯性很差，故在航天領域應用時應側重于對其進行熱和空間輻射環境的試驗驗證。圖12給出截至2009年5月全球發射的94顆皮納衛星發射成功率統計分析結果[11]。從中可以看出，即使排除運載火箭發射失敗的因素，完全成功的比例也僅為48%，這與衛星大量采用商用器件和新技術有關。

圖12　皮納衛星任務成功率統計Fig. 12 Mission success rate of pico/nano satellites

若干統計數據表明，微納衛星與傳統大型/中型衛星相比在入軌初期有較高的失效率[12]。衛星的設計或制造缺陷在發射前的試驗過程中將表現為早期失效。因此，有必要通過試驗來發現產品固有缺陷，從而采取措施預防早期失效，提高衛星在軌長期穩定運行的概率。部分微納衛星實例證明，盡管衛星大量使用了COTS產品，但這些衛星能夠在軌運行5年或更長時間。

2.5對仿真分析、虛擬試驗的需求

在傳統衛星50多年的發展過程中，仿真分析、虛擬試驗技術得到極大發展，在一定程度上部分替代了物理試驗。與物理試驗相比，仿真分析、虛擬試驗等手段具有成本低、狀態易控制、重復性強等優勢，這符合微納衛星低成本、快速交付的需求。

當然，采用仿真分析、虛擬試驗手段代替物理試驗有一定的前提條件。首先，用于仿真分析、虛擬試驗的軟件工具須功能強大，試驗流程清晰；其次，微納衛星本身須結構簡單，誤差源少，傳遞路徑短，使得仿真分析更容易實施；最后，已有大量設計經驗、仿真分析和物理試驗數據積累，為仿真分析模型修正提供了很好的基礎數據支撐。用仿真分析和虛擬試驗替代物理試驗，可以采取的策略包括：1）直接替代部分物理試驗，對有先驗知識作支撐、能開展仿真分析的可不進行物理試驗；2）屬于首次設計的技術狀態既要進行仿真分析，也要進行物理試驗驗證，但可以適當簡化物理試驗。

3 不同類型衛星試驗體系比較

微納衛星的研制模式，包括試驗驗證模式，相比傳統衛星而言發生了革命性變化。通過分析傳統衛星試驗標準和正在編制過程中的體現微納衛星低成本、快速交付思想的ISO標準草案，對于制定國內微納衛星快速試驗體系具有較高的借鑒價值。

3.1GJB 1027A—2005概況

GJB 1027A—2005《運載器上面級和航天器試驗要求》是指導當前傳統衛星試驗工作的頂層標準，基本上構建了我國傳統航天器試驗體系的框架。當初制定該標準時，大量參考或借鑒了國內外試驗領域的研究成果[13]。

GJB 1027A—2005為運載器、上面級和航天器制定一項貫穿于整個研制過程的、經濟有效的試驗計劃提供了依據和指導，目的是通過該試驗計劃規定的鑒定試驗和驗收試驗使它們的設計和制造質量得到有效的驗證，從而保證成功完成預定飛行任務的高概率，滿足合同規定的性能和壽命要求。整個標準的大致梗概如下：

1）試驗范疇：涵蓋了功能/性能試驗、環境適應性試驗、環境效應模擬試驗、可靠性試驗等。

2）試驗階段：涵蓋了方案論證階段、初樣階段和正樣階段的試驗。

3）試驗類別：包括研制試驗、鑒定試驗、驗收試驗、準鑒定試驗、出廠前合格認證試驗、發射前合格認證試驗。

4）試驗對象裝配層級：包括組件級、分系統級和系統級。

在MIL-STD-1540、ECSS-E-10-03等國外試驗標準中將環境試驗與可靠性試驗視為統一的試驗，GJB 1027A—2005也反映了同樣的思想[13]：解決衛星可靠性問題，主要通過研制試驗和驗收試驗。從試驗目的來看，方案和初樣階段的研制試驗主要是驗證產品設計，解決產品環境適應性，提高產品固有可靠性。正樣階段的驗收試驗主要是檢驗產品適飛能力，驗證產品的系統匹配性，提高產品使用可靠性。

3.2微納衛星ISO試驗標準草案

日本NETS（Nanosatellite Environment Test Standardization）于2012年3月，組織籌劃編寫微納衛星試驗ISO標準，該標準主要針對質量小于50kg、外形尺寸小于50cm的微納衛星，體現微納衛星低成本、快速交付的特點，強調通過試驗手段提高衛星可靠性。

在尚未公開發布的標準草案中，編制組介紹了制定該標準的思路和目標。總的目標是制定適用于微納衛星的試驗標準，既要保證試驗費用可接受，又能保證衛星具有足夠的可靠性。具體目標是通過該標準的執行，改進試驗要求和方法，提高產品可靠性，暴露潛在缺陷，排除早期失效，提高在軌工作的可靠性，與此同時還不能阻礙新技術在微納衛星上的應用。以上同樣也是構建國內微納衛星快速試驗體系的目標。

標準草案中提出了實現上述目標的2個途徑。一個是對傳統衛星試驗標準進行合理的剪裁。在50多年的航天工程實踐過程中已經建立了較完備的傳統衛星試驗標準體系，這種體系的顯著特點是高可靠和高成本，而高成本顯然不符合微納衛星的試驗需求。另一個途徑是通過創新，建立符合微納衛星需求的試驗標準。無論是繼承還是創新，都離不開對微納衛星及其部組件產品開展基礎性研究工作。

通過對比傳統衛星與微納衛星ISO標準草案中鑒定試驗、準鑒定試驗和驗收試驗基線，可以發現，傳統衛星試驗基線中的試驗項目以R（要求的）為主，較多為強制性；微納衛星以ER（經評價要求的）為主，偏向為可選擇性，使得標準應用過程中具有較大的靈活性，見圖13和圖14。在ISO標準提案中也說明了具體微納衛星試驗的選擇有賴于開發者的經驗。

圖13　傳統衛星試驗基線統計Fig. 13 Test baseline of traditional satellites

圖14　微納衛星試驗基線統計Fig. 14 Test baseline of mico/nano satellites

4 國內微納衛星快速試驗體系建設思路

在建立面向低成本微納衛星高效試驗體系時，應充分考慮國內微納衛星技術發展現狀和趨勢。與國內相比，國外微納衛星發展時間較長，大量工業部門參與微納衛星研制，具有較好的工業基礎，已經建立較完備的工作流程。國內微納衛星研制單位技術實力差別較大，產品設計、元器件管理、工藝管理、質量過程控制等有待完善，試驗仍然是很重要的質量把關手段之一。因此，在發展之初有必要建立統一、全面的試驗要求，確保微納衛星快速試驗體系適用于微型衛星（10～100kg）、納衛星（1～10kg），涵蓋部件、組件、整星級產品，包括方案論證、初樣研制和正樣研制階段的研制試驗、鑒定試驗和驗收試驗。

1）要充分借鑒國內外微納衛星、傳統衛星試驗成果

通過對比分析表明，ISO標準整體架構與國內衛星研制程序、試驗管理模式一致，同時具有一定的先進性，具有很好的借鑒意義。國內在衛星試驗體系所涉及的定量環境預示、環境試驗條件制定、試驗剪裁、試驗管理等方面開展了大量工作，特別是在“十一五”、“十二五”期間，國內衛星研制任務急劇增加，在衛星試驗領域積累了大量工程實踐經驗，這為建立微納衛星試驗體系奠定了很好的技術基礎。

2）制定合理的試驗剪裁策略，以保證試驗體系更具有實用性

針對具體型號的試驗剪裁是在有限的經費和周期條件下保證產品質量和可靠性的重要手段。不同型號的使用要求、技術繼承性和風險等差別相當大，因此，通用的試驗要求必須經過剪裁才能應用于具體型號，試驗剪裁的內容包括試驗項目取舍、試驗條件和試驗要求的確定等。制定出合理的試驗剪裁原則，有利于減少實際試驗的盲目性。

3）應加強COTS技術應用時的可靠性保證

大量使用COTS技術和產品是微納衛星技術發展趨勢，當前制約COTS技術更廣泛應用的主要瓶頸是可靠性保證，特別是COTS器件對空間輻射環境適應能力的試驗驗證和防護設計。探索以COTS產品為主的微納衛星研制技術途徑，制定明晰的使用和試驗驗證策略，對保證任務可靠性尤為重要。

4）應在微納衛星領域強化研制試驗、可靠性試驗和在軌飛行試驗驗證

在國內外衛星試驗要求（例如MIL-STD 1540C、MIL-HDBK-340A、GJB1027A—2005等）中，環境試驗與可靠性試驗是統一的。對微納衛星而言，解決可靠性問題主要依賴于2類試驗。一類是研制試驗，采用試驗—分析—改進（TAAF）方式實現產品的可靠性增長。另一類是驗收試驗，通過不同裝配級的環境驗收試驗消除初始缺陷。在傳統衛星領域，研制試驗是整個試驗體系中的薄弱環節，在微納衛星中要盡量避免這種情況的發生。在軌飛行試驗是檢驗產品和技術可用性的最直接途徑，真實環境下的試驗效果是任何地面模擬試驗都無法比擬的，微納衛星本身具有的低成本優勢為開展在軌飛行試驗提供了更便利的條件，這有利于快速提升產品和技術的成熟度，加速其應用進程。

5 結束語

微納衛星具有鮮明的技術特點和廣闊的應用前景。我國在微納衛星技術發展早期同步開展微納衛星試驗體系建設是一項前瞻性工作，有利于促進微納衛星技術快速形成應用能力。借鑒國外成功經驗，聯合國內微納衛星研制單位的優勢共同開展微納衛星試驗體系研究，取得最大范圍共識，有利于保證微納衛星試驗體系既有技術先進性，又具有工程實用性。

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（編輯：閆德葵）

Study on fast test system for low cost micro/nano satellites

Yang Xiaoning1,2, Yang Yong1,2, Wang Jing1,2, Liu Shouwen1,2, Fan Shichao1,2
(1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China;
2. Beijing Key Laboratory of Environment & Reliability Test Technology for Aerospace Mechanical & Electrical Products, Beijing 100094, China)

Abstract:The paper analyzes some new test requirements for micro/nano satellites according to their typical characteristics, as compared to the traditional test standard and ISO draft standard for micro/nano satellites, and then puts forward a general framework of a fast test system for micro/nano satellites. The idea is based on the traditional satellite test technologies and achievements, combined with the current development of micro/nano satellite in China; the flexibility and reliability requirements of COTS (commercial off -the-shelf) products are also taken into account.

Key words:micro/nano satellites; low cost; fast delivery; test system; COTS products

作者簡介：楊曉寧（1972—），男，博士學位，研究員，主要從事航天產品工程管理及衛星環境工程研究工作。E-mail: yxn4032@sina.com。

基金項目：武器裝備預先研究項目（編號：J1301010202）

收稿日期：2015-10-26；修回日期：2016-01-13

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2016.01.003

中圖分類號：V474.2+92; V416.5

文獻標志碼：A

文章編號：1673-1379(2016)01-0013-08