中國現代小衛星發展成就與展望

白照廣

(航天東方紅衛星有限公司,北京 100094)

20世紀80年代末到90年代,國際上以現代計算機技術為代表的現代小衛星技術發展方興未艾。以美國為代表的政府部門為解決航天系統昂貴的研制成本,提出了“快、好、省”小衛星發展技術倡議;以摩托羅拉等公司為代表的商業與企業界為推進航天產品商業應用,聯合提出了銥星全球移動通信衛星星座;以美國猶他州立大學及英國薩瑞大學為代表的大學院校為實現航天技術演示,提出了低成本微納衛星項目;以韓國為代表的中小國家為涉足航天,紛紛開始了小衛星的研制活動。

在此大潮推動下,我國同期也開始了現代小衛星技術跟蹤和實踐。中國空間技術研究院在20世界90年代初期適時安排了現代小衛星公用平臺的技術預先研究課題。1996年8月,實踐五號衛星得到立項批復,研制中應用了現代小衛星公用平臺預研成果,并于1999年成功發射入軌,由此開創了中國現代小衛星研制的先河[1-2]。隨著小衛星任務的增多,2001年5月,中國航天科技集團和中國空間技術研究院聯合出資組建了航天東方紅衛星有限公司,專門從事小衛星研制,同年10月,原國家計委批準并正式授牌公司“小衛星及其應用國家工程研究中心”。2008年10月,中國空間技術研究院、深圳航天科技創新研究院和哈爾濱工業大學共同組建了深圳航天東方紅海特衛星有限公司,主要從事微納衛星研制。

近年來,小衛星發射數量大幅增長,已成為世界航天活動高速發展的主要驅動力。2017年,全球發射1500 kg以下衛星376顆,占發射總數的85.5%。2000年至2017年,我國總共發射290顆衛星,其中180顆為小衛星。截至2018年10月,中國空間技術研究院成功發射了95顆以實用型為主的小衛星,其中,航天東方紅衛星有限公司僅在2018年成功發射了21顆。目前,有80余顆小衛星在軌運行,超過我國在軌運行衛星總數的30%。

當前,我國開展小衛星研制的單位較多,如清華大學、哈爾濱工業大學、國防科技大學等,但大多屬于實驗層面。航天東方紅衛星有限公司是使小衛星研究在國內最早形成產業化、規模化、系列化的,其研制的小衛星在國民經濟與國防建設中發揮了重要作用,代表了我國小衛星發展主要潮流。本文以中國空間技術研究院為代表闡述了小衛星的研制歷程,總結了我國現代小衛星發展成就,分析了現代小衛星技術特點及其應用情況,并提出了我國小衛星發展面臨的機遇與挑戰。

1 現代小衛星發展歷程

中國空間技術研究院現代小衛星發展大體可以分為三個階段,即1995—2000年的起步階段,2001—2010年的發展階段,2011年以來的實用階段,如圖1所示。

圖1 中國空間技術研究院小衛星年發展情況Fig.1 Annual development of CAST small satellite

1.1 起步階段(1995－2000年)

中國空間技術研究院在“八五”期間開展了小衛星公用平臺的技術研究,提出了打破傳統衛星設計中分系統的界限,整星集成化星務管理的概念,即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,從而實現全星統一資源、信息和任務管理[3-4]。同時,在技術實現方面,組建了衛星模擬電子系統,開展了系統聯試,成果得到驗證。

實踐五號(SJ-5)衛星是我國第一顆真正意義上的小衛星,主要用于空間環境探測和研究、空間流體科學實驗、新型航天器先期技術演示等。1995年11月,以任新民工程總設計師為首的專家組通過競標選定中國空間技術研究院承擔衛星研制任務。1999年5月10日,衛星發射入軌,運行至2000年2月,圓滿完成國家考核任務[5]。SJ-5衛星構型如圖2所示。

圖2 SJ-5衛星Fig.2 SJ-5 satellite

SJ-5衛星首次采用可擴展公用平臺(即CAST968平臺),主要技術指標如表1所示。

表1 SJ-5衛星主要技術指標Table 1 Main technical parameters of SJ-5 satellite

SJ-5衛星取得了一系列科學和技術成果:①首次利用遙操作開展流體對流實驗、獲得大量空間環境數據、實現了載人航天工程先期技術“固存與數傳”驗證,見圖3;②建立了CAST968衛星平臺,實現了基于計算機網絡的集成化星務管理技術,多模式對地、對日、對日慢旋、重力梯度穩定等姿態控制,整星板式、分艙式結構形式,三點帶式壓緊單火工品釋放太陽翼機構;③國內首次成功應用USB測控體制、完成了工業級、商業級器件搭載試驗等。

圖3 SJ-5衛星流體力學試驗圖像Fig.3 Fluid mechanics experiment on SJ-5 satellite

在SJ-5衛星研制伊始,同步開展了多個小衛星項目論證,如海洋水色衛星、環境與災害監測小衛星星座、亞太多邊合作小衛星、實踐六號衛星、試驗衛星二號小衛星等,因此當時有小衛星“形勢無限好,關鍵看五號”的說法。

1.2 發展階段(2001－2010年)

該階段中國空間技術研究院共發射21顆各類用途的小衛星,主要特點是實體化運營、多平臺開發、多領域應用。形成了航天東方紅衛星有限公司、深圳航天東方紅海特衛星有限公司南北協同發展的局面(圖4,圖5)。

圖4 航天東方紅衛星有限公司外景Fig.4 DFH Satellite Co.,Ltd.

圖5 深圳航天東方紅海特衛星有限公司外景Fig.5 Aerospace DFH Development Ltd.Shenzhen

中國空間技術研究院兩家專業小衛星公司的成立,加速了衛星新平臺開發,如立足“九五”現代小衛星預研成果研制了試驗二號衛星,開發了CAST2000高精度平臺;立足微納衛星技術研制了希望一號(XW-1)衛星,開發了CAST100平臺。該階段衛星發射情況如表2所示。

表2 中國空間技術研究院2001—2010年發射的典型小衛星Table 2 Typical CAST small satellites launched from 2001 to 2010

1.3 實用階段(2011年至今)

截至2018年10月,該階段已發射73顆衛星。主要特點是成系列發展、多組業務星投入應用,衛星應用服務能力大幅提升。衛星發射情況如表3所示。

表3 中國空間技術研究院2011年至今發射的典型小衛星Table 3 Typical CAST small satellites launched from 2011 to present

續 表

2 現代小衛星發展成就

2.1 構建了國際一流小衛星企業

航天東方紅衛星有限公司是亞洲最大、國際上一流的小衛星研制中心,具有完備的衛星設計、總裝、測試與試驗等研制能力。公司通過不斷完善科研生產管理體系和產品保證體系,目前已具備年出廠20～25顆標準當量小衛星的能力。公司基礎設施體系包括小衛星及其應用國家工程研究中心、研發實驗樓、國際項目設計中心和國際項目總裝測試中心,其中,國際項目設計中心位于北京昌平云集中心,總建筑面積1.1萬平方米,用于國際項目培訓、工程咨詢和聯合設計等工作。公司采用柔性化公用平臺的理念,按照應用領域、承載能力、控制方式等要素,目前開發和形成了5類公用平臺,如表4所示。

表4 衛星平臺主要特點與性能Table 4 Characteristics and performance of small satellite buses

2.2 拓展了多項衛星業務應用領域

(1)中國空間技術研究院的小衛星拓展了多個行業衛星業務應用,充分體現了“小衛星、大作用”。

(2)研制發射我國首顆海洋水色衛星(海洋一號),填補海洋遙感空白,支持了國家衛星海洋應用中心業務開展[6-7]。

(3)研制發射我國第一代環境與災害監測星座(環境減災一號),集光學與微波遙感一體,可實現全天候、多要素、快速遙感的能力,支持了減災和環境業務開展。

(4)研制發射我國首個國際空間科學合作項目(探測雙星),與歐洲航天局星團-Ⅱ(Cluster-Ⅱ)衛星配合,聯合實現近地空間地磁場及其粒子運動研究,新發現多起地磁場特性或規律。

(5)研制發射我國首顆公益衛星(希望一號),為青少年無線電愛好者提供科技交流平臺。

(6)研制發射我國首顆實時傳輸型立體測繪小衛星(天繪一號),填補立體觀測空白。

(7)研制發射我國首顆出口遙感衛星(委內瑞拉遙感一號),開創國際商業遙感先河。

(8)研制發射我國首顆高分辨對地觀測重大專項衛星(高分一號),大幅提升我國民用高分辨遙感數據源自給率。

(9)研制發射我國首顆空間高精度電磁測量衛星(張衡一號),為空間電磁環境科學研究及地震預報等提供充足信息。

(10)研制發射我國空間分辨率最高商業遙感衛星(高景一號),開拓了商業遙感市場。

(11)研制發射我國首顆月球中繼衛星(嫦娥四號中繼星“鵲橋”),支撐了我國月球背面探月任務實現。

此外,開展了遙感、實踐、試驗等一系列關鍵技術攻關與衛星研制,不但進行了大量科學試驗,為我國航天技術應用進行了在軌演示驗證,而且也增強了小衛星在軌業務應用能力。

2.3 引領了多項空間技術發展

(1)實踐五號衛星設計了帶式壓緊、繩式聯動、單火工品解鎖的輕型、高可靠太陽翼壓緊釋放機構,已經成為小衛星太陽翼機構的標準產品。試驗二號衛星研發了記憶合金解鎖機構,成功應用于太陽翼解鎖,避免了高沖擊載荷產生 。

(2)工業級CAN器件成功應用于星上總線通信接口設計,目前已成為一系列小衛星電子產品電路設計的主要接口器件。

(3)海洋一號衛星采用機械制冷技術首次應用海洋水色儀熱紅外譜段制冷,大大簡化了衛星設計方案。

(4)海洋一號衛星開發了國產化DC/DC模塊,增強我國星上電源產品自主可控能力。

(5)應用GPS信號進行衛星定位(海洋一號A星)與導航(海洋一號B星)。

(6)環境減災衛星采用光學與微波綜合遙感星座,通過大視場遙感設計和相位控制實現星座遙感圖像的無縫覆蓋遙感,擴展了高時效遙感新概念。

(7)環境減災衛星首次實現我國5納米光譜分辨率的高光譜遙感,為精細地物遙感提供了手段;環境減災衛星星座中的HJ-1-C衛星首次采用和驗證了集中式體制的SAR,開辟了我國新型SAR技術體制。

(8)探測雙星、張衡一號衛星實現了高靜電、高磁潔凈設計,填補我國高靜電、高磁潔凈技術空白,為獲取高精度空間數據奠定了堅實基礎。

(9)實踐、遙感系列衛星開展了星間鏈路通信試驗與應用,并通過星座鏈路實現控一星而控整個星座的能力。

2.4 取得多項國家重大獎項

目前,航天東方紅衛星有限公司已獲得國家科技進步特等獎1項,國家科技進步獎9項;獲得國防科技進步獎17項。先后獲得國家發改委頒發的“杰出貢獻獎”、人力資源和社會保障部、國資委授予的“中央企業先進集體”等多項榮譽稱號。

3 現代小衛星技術特點

3.1 先進技術引領

大量航天新技術,特別是急需在軌應用的輕小型產品,催生小衛星成為新技術應用的主要途徑。新技術具有高性能、高風險、低成熟度等特點,通過低成本、大數量的小衛星飛行驗證,有利于加快提升新技術成熟度,進而促進整個航天器事業的發展。如實踐五號衛星率先提出以計算機網絡為核心的整星星務管理設計,海洋一號采用機械制冷對紅外探測器降溫、開發了分散供電的DC/DC電源變換模塊,實踐九號開展了在軌電推進技術演示,高分一號國內首次實現偏航定標等,上述成果推廣應用到后續多種大小衛星上。

3.2 高集成度設計

現代小衛星既要做小,又要做廉,就必須打破傳統體制約束,實施集成設計。如實踐五號衛星通過開展星務系統設計,統一了星上計算機網絡體制,確定了上位機、下位機等概念與功能分配,實現了電子系統集成設計。海洋一號A星受搭載發射質量及經費限制,開發了適應于小衛星特點的小型化S頻段測控應答機、姿軌控中央控制單元、配電器等,通過集成設計,星上設備數量只有69件,遠低于國內同類衛星上百件的規模[8]。環境減災一號A/B將傳統數傳的處理器、壓縮編碼器、大容量存儲器等傳統衛星十多臺單機集成到一臺數據處理器中,尤其將系統相容性設計驗證控制在單機層次,大大降低了整星測試復雜性[9],其數據處理器如圖6所示。

圖6 環境減災一號A/B數據處理器Fig.6 Data processor on HJ-1A/B

3.3 功能軟件化

現代小衛星功能軟件化趨勢明顯,切合國際先進衛星技術發展潮流。如海洋一號衛星大量使用軟件技術,實現了硬件低配置、軟件系統冗余的整星高可靠[10]。軟件典型功能設計如軟件時鐘設計,通過程序對星上時間進行定期修訂,確保了普通時鐘晶振的時間高穩定性;安時計的設計,通過計算機對蓄電池組的精細化管理,實現衛星高可靠運行。在軌可維護方面,軟件可上注更新,實現功能重構,尤其適用于星上故障處理,如海洋一號A衛星利用程序上注,成功解決了衛星入軌初期紅外地球敏感器受太陽干擾問題。

3.4 星座設計與應用

現代小衛星“快、好、省”的特點為多星協同應用奠定了基礎,由此帶來星座設計的革命。至今各種用途的星座及相關技術不斷涌現,如空間分布構型、運行穩定性設計、星座維護與升級、發射策略等。環境與災害監測預報小衛星星座由2顆光學星和1顆合成孔徑雷達衛星組成,采用相同的回歸周期,可2天覆蓋全球[11-12]。環境減災一號A/B光學衛星采用同軌180°相位運行策略,并通過衛星面質比設計,確保星座已穩定運行超過10年。實踐九號A/B衛星開展了高精度編隊演示驗證,為干涉合成孔徑雷達(InSAR)衛星在軌飛行奠定了技術基礎。低軌通信“鴻雁”等星座也將以小衛星為主體開展建設。

3.5 發射多樣化

為使小衛星降低入軌成本,其發射策略主要包括低成本小運載火箭發射、搭載發射、一箭多星發射、子母星入軌等。低成本小運載火箭發射衛星設計需要考慮適應多種接口兼容性,包括動力學環境、機械與電接口等;搭載發射需要考慮主星軌道的相容性及射頻相容性,必要時需采用規避設計策略及設計變軌能力;一箭多星發射需要考慮多星箭上安放、脫落插頭分離安全性、星箭分離安全性、衛星加電及射頻開機策略等;子母星入軌是將子衛星裝在母衛星上,待主星與運載火箭分離后,再實施子星分離,可以簡化星箭接口復雜性,特別是有變軌需求時,母星可帶子星變軌,尤其適用于微納衛星發射入軌。此外,海上發射、空中發射、空間站釋放、旋轉發射等新技術,為降低小衛星進入空間的成本提供了新途徑。

4 小衛星發展機遇與挑戰

4.1 小衛星發展機遇

1)小衛星在全球覆蓋、高時效等應用領域作用顯著

高分一號及業務星[13]、高分六號等衛星,構成了我國高時效的陸地中高分遙感衛星系統;“十三五”末,海洋一號C/D星組網,將實現一天2次全球海洋觀測;“十四五”期間,環境減災二號4顆光學、4顆SAR衛星組網,將形成每天覆蓋全球一次的能力;鴻雁通信星座百星組網,將開創我國低軌寬帶衛星建設新局面。

2)小衛星在技術試驗及獨特功能上得到應用

重力梯度小衛星以無拖曳控制為主要特點,用于地球重力場測量,即將投入研制和應用,將進一步拓展我國對地球科學及重力場變化研究,為各領域應用提供基礎數據。一系列試驗衛星、微納衛星星座等不斷開拓衛星新應用,為新器件、新設備、新設計等提供豐富的驗證平臺。

3)小衛星將成為商業衛星的重要領域

小衛星因其“快、好、省”的特點自然成為商業衛星的主要途徑。以0.5 m分辨率為主的高景系列光學、SAR商業衛星持續發射,形成星座可將時間分辨率逐步提高到小時級,不斷提高商業市場數據供給能力。

4)小衛星將成為航天科技教育與實踐的重要平臺

小衛星數量多,且具有品種多樣性、實現多途徑、應用多模式等,可為衛星技術與航天科普教育提供很好的媒介平臺,拉近大眾與衛星技術的距離,進而深化衛星應用的深度與廣度,助推航天產業的發展。

4.2 小衛星發展挑戰

(1)小衛星在國家發展的定位應該進一步明確。當前,美國、俄羅斯、歐洲等政府均制定了明確的小衛星發展政策和計劃,大力支持發展專一功能的小衛星,增強系統彈性,單從項目數量上看,我國小衛星與國際趨勢差距明顯。實現體系高精度、高效能,由單純的技術驅動向兼顧業務應用高費效轉變是應用型小衛星的發展機遇,也是挑戰。

(2)小衛星將促使衛星設計理念、研制策略發生重大變化。空間技術走向市場是必然趨勢,傳統“單星研制周期幾年、每年發射數十顆衛星”的模式很難適應有限設計壽命、數百星組網運行的新需求,必須建立與之相匹配的批量生產、快速發射部署的設計理念與研制策略。包括多星設計規范與產品體系的統一、測試試驗流程的優化與協同、工裝及測試設備的集約配套、包裝與運輸策略等。

(3)小衛星空間管控策略與空間碎片管理要相適應。衛星數量的增多勢必帶來空間衛星運行環境質的變化。隨著空間碎片不斷增加,如果不采取任何空間碎片主動減緩和移除措施,未來在LEO區域將可能發生碎片鏈式撞擊效應(Kessler災難),近地空間將徹底不可用[14]。微納衛星普遍不具備軌道調整能力,成千上萬小、微、納衛星的發射如果無序發射,勢必加速低軌衛星運行環境惡化,迫切需要國際性管控與國內有序發展的緊密結合。

(4)商業化發射與測控政策還需進一步明確。目前微小衛星成本在持續降低,部分項目衛星研制費用低于運載火箭研制費用,一定程度上制約了微小衛星的發展。國內已出現大量衛星商業測控公司,但是無純粹的商業發射場。海上發射可降低發射費用,但發射的保障體系如何適應商業化,運載火箭、衛星燃料的管控及運輸標準等還缺乏一定的支撐和國際政策研究。

5 結束語

現代小衛星的發展立足于自主創新,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。

現代小衛星促進了衛星的應用,拉近了與大眾的距離。小衛星發展改變了傳統設計與生產理念,需要全行業關注和投入,不同部門自身獨有的特點很容易引入新的衛星設計理念,大范圍的小衛星研制活動有利于降低大眾對航天的認知門檻,有利于航天產品的深化應用,進一步促進航天技術的健康發展。