中型敏捷遙感衛星公用平臺方案特點與應用

于龍江 高陽 張國斌 楊國巍 楊文濤 郝修來 陳虎

(中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094)

航天器通常由有效載荷和平臺組成。其中：有效載荷是直接面向航天器應用的，是航天器任務的核心，是隨著航天器任務的不同而變化的部分。平臺是指由航天器的全部服務系統組成、保障有效載荷正常工作的組合體。而公用平臺是可以支持多種任務、保障有效載荷正常工作、由航天器全部服務系統構成的組合體。公用平臺概念的核心是多任務、多有效載荷的支持能力，既能滿足一定范圍內的有效載荷支持需求，又具有一定的穩定性、獨立性、型譜化等特點，是面向大任務量航天器研制需求，實現資源集約、降本增效的必由之路[1-2]。

隨著遙感衛星研制任務量的快速增長、任務難度的不斷增大，遙感衛星研制公司在研制周期、衛星性能、研制成本方面均面臨著巨大壓力。高性能、高可靠、靈活適應的遙感公用平臺成為企業發展的核心競爭力[3]。國際上主要的遙感衛星研制公司均具有系列化衛星平臺，例如阿斯特留姆(Astrium)公司的“低軌星”(LEOSTAR)系列平臺、“天文星”(Astrosat)系列平臺、斯波特-MK(SPOT-MK)系列平臺、“歐洲極軌”(PPF)平臺，泰雷茲-阿萊尼亞航天公司的“海神”(Proteus)平臺、“多應用可重構”(PRIMA)平臺，美國鮑爾宇航技術公司的鮑爾可重構-2000(BCP-2000)平臺、鮑爾可重構-4000/5000(BCP-4000/5000)平臺，洛馬空間系統公司的“洛馬900”(LM900)平臺等。

中國空間技術研究院作為我國航天器設計、制造的龍頭企業，在各個領域的系列化公用平臺建設方面均開展了大量工作[4]，形成了“東方紅”通信衛星平臺系列[5]、CAST小衛星平臺系列及“資源”大中型遙感衛星平臺系列。中型敏捷遙感衛星公用平臺(簡稱“中型敏捷平臺”)，隸屬于“資源”大中型遙感衛星平臺系列。中型敏捷平臺于2013年6月批復立項，2014年2月轉入初樣，2016年10月完成研制。在平臺開發過程中，重點形成了8個方面的先進能力，開發出一批高性能升級換代單機產品，突破了4項核心技術，系統開展并完成了8年壽命設計驗證工作，平臺核心能力達到國際先進水平，能夠滿足我國2030年前相關遙感衛星研制任務需求。

1 中型敏捷平臺研制目標

基于對世界先進遙感衛星平臺技術和能力發展的分析，結合我國中長期遙感衛星發展規劃，中型敏捷平臺的研制目標是：提升我國遙感衛星平臺能力，滿足我國未來遙感衛星技術發展需求，使我國遙感衛星平臺性能達到或接近國際先進水平，促進和帶動遙感衛星研制管理模式轉變。具體包括：完成中型敏捷平臺開發，使以敏捷機動為代表的平臺技術能力達到國際先進水平；突破敏捷姿態機動控制技術、高定位精度平臺支撐技術、先進空間數據系統技術、微振動抑制技術4項核心技術，全面提升遙感衛星平臺核心能力；建立遙感衛星公用平臺通用產品體系，推動遙感衛星平臺產品狀態的統一；完成平臺系統級8年壽命的設計分析，完成關鍵單機8年壽命的設計、分析并開展試驗驗證；在工程項目的研制流程、管理流程、工藝流程上進行創新，以適應基于公用平臺的衛星研制的新模式。

在具體的方案設計與技術路線選擇上，要求中型敏捷平臺開發堅持先進性、通用性、覆蓋性、經濟性原則，貫徹國產化要求。先進性表現為平臺研制各項指標與美國BCP-5000平臺相當，相對于原有遙感衛星平臺在能力上有大幅提升。通用性表現為建立統一的單機產品體系，實現單機產品技術狀態統一、能夠在不同衛星間通用。覆蓋性表現為平臺實現功能靈活配置能力、多有效載荷適應能力，滿足各類衛星應用需求。經濟性表現為研究建立基于公用平臺的遙感衛星研制模式，促進未來應用中型敏捷平臺的遙感衛星在研制效率、成本、周期上得到優化提升。

2 中型敏捷平臺方案特點

從國際發展趨勢來看，遙感衛星平臺通常表現出很強的“柔性”，以適應各類任務需求。具體表現為：遙感衛星平臺主體技術狀態(主體結構形式、推進系統等)基本固定，而電子學系統、姿態控制系統等均可以根據任務需求進行靈活配置。例如，美國鮑爾宇航技術公司BCP-5000平臺開發于21世紀初期，采用模塊化設計架構，電子設備模塊可以靈活替換、增加或刪減。BCP-5000平臺采用控制力矩陀螺(CMG)作為姿態控制執行機構，大幅提高衛星的姿態機動速度及沿復雜規劃曲線進行姿態機動控制的能力，用于“世界觀測”(WorldView)系列衛星，姿態機動角速度可達4.5(°)/s，角加速度可達2.5(°)/s2，支持衛星實現最高0.3 m空間分辨率、6.5 m無控制點幾何定位精度，成為世界商業遙感衛星、敏捷成像衛星的典范。歐洲PRIMA平臺結構為四棱柱體系，分為服務艙、載荷艙兩大部分，數據系統和電接口標準化、易集成，電子設備可以靈活配置，已應用于系列化軍民光學、微波遙感衛星。

中型敏捷平臺定位于服務具有高敏捷機動能力、復雜工作模式需求的各類低軌光學、微波遙感探測任務，同樣采用了模塊化設計方式(見圖1)，具有良好的功能適應性和接口適應性，適用于各類光學載荷、微波載荷承載任務。平臺采用“框梁+箱板”的結構形式，各艙段實現模塊化設計并具有很好的可擴展性，采用綜合電子、全調節母線、3軸穩定控制、單組元推進、高剛度小慣量設計、大力矩輸出姿態控制等技術體制，具有極高的姿態控制精度、極強的姿態機動能力和自主任務管理能力、自主健康管理能力。平臺整星承載能力3500 kg，光學載荷承載能力1000 kg，合成孔徑雷達(SAR)載荷承載能力1500 kg，載荷供電能力1500～2500 W，峰值供電能力12 000 W，姿態機動速度達到25°/20 s，支持各類敏捷成像工作模式，設計壽命達到8年。單機產品100%國產，并新研一批高集成度、輕小型化、先進單機產品，全面實現遙感衛星平臺核心產品的升級換代。中型敏捷平臺各項指標與美國鮑爾宇航技術公司BCP-5000平臺相當，達到國際先進水平，詳見表1。

圖1 中型敏捷平臺模塊組成Fig.1 Module composition of ZY2000 Platform

表1 中型敏捷平臺技術參數Table 1 Technical parameters of ZY2000 Platform

中型敏捷平臺具有以下技術特點。

(1)國際先進的敏捷機動控制技術。中型敏捷平臺支持高分辨率遙感衛星實現姿態機動并穩定時間25°/20 s，40°/25 s。其實現途徑包括：改進的姿態規劃和控制算法，實現快速機動快速穩定、高平穩主動推掃；先進的控制部件，包括大量程三浮陀螺、甚高精度星敏感器、125 N·m·s控制力矩陀螺等。衛星一軌內可成像目標數量由5個提高到35個以上，并可以實現多條帶拼幅、多角度成像、主動推掃(動中成像)等成像模式[6-7]。

(2)10 m以內的定位精度支持技術。中型敏捷平臺支持高分辨率遙感衛星實現無控制點10 m定位精度。其實現途徑包括：配置1″甚高精度星敏感器實現高精度定姿；配置雙頻雙模導航定位接收機，實現事后0.2 m高定軌精度；成像系統與測姿系統之間進行結構高穩定一體化設計；整星實現20 μs高時統精度。

(3)通用化星載數據系統技術。中型敏捷平臺遵循空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)、歐洲航天標準合作組織(ECSS)等國際標準，在星地鏈路、星載鏈路、數據服務體系等方面構建了分層、開放的體系架構和標準接口規范，接口協議全部符合國際標準，星上各類智能終端可以靈活接入，衛星數據管理能力大幅提升。以此為基礎，實現了一套自主任務管理、自主健康管理技術體系，大幅提升衛星的智能化水平和使用效能。

(4)高效率任務規劃和管理技術。中型敏捷平臺的任務管理模式相比傳統遙感衛星平臺進行了徹底更新，由“指令驅動”模式升級為“元任務驅動”模式，自主任務管理能力提高一個等級。通過星地一體化的任務規劃與任務管理，實現了星上自主進行元任務解析與執行的運行模式，大幅降低了用戶任務操作的復雜性。衛星每天執行任務數量由60個左右提高至240個以上。

(5)高效的電能獲取與管理技術。中型敏捷平臺采用高剛度太陽翼+鋰離子蓄電池+全分散供電的供配電體制，其優勢在于：效率、集成度高，供配電分系統質量由傳統遙感衛星平臺的350 kg減至185 kg(均含太陽翼)；充電、分流、放電保護功能增強，供配電鏈路安全性大幅提升。

(6)整體式高效微振動抑制技術。中型敏捷平臺采用整體式減隔振技術，由全新研制的并聯隔振裝置構成CMG群整體隔振系統，實現對CMG群微振動的有效抑制。其突破了微動隔振器產品設計、工藝制造、試驗測試等十余項技術，具有隔振效率高、承載能力強的突出特點。

(7)模塊化、標準化結構技術。中型敏捷平臺采用全新的基于“四立柱”的結構形式，與通常的“承力筒”結構形式完全不同。它具有以下特點：模塊化，結構由各個獨立模塊組成，可以靈活組裝、并行集成測試；敏捷性，結構構型集中緊湊、空間利用率高，整體慣量小；便捷性，設備外掛安裝，開敞性好，操作簡便；低成本，主體結構均為機加件，研制成本低、周期短。中型敏捷平臺典型光學衛星和典型SAR衛星示意，見圖2和圖3。

圖2 中型敏捷平臺典型光學衛星示意Fig.2 A typical optical satellite based on ZY2000 Platform

圖3 中型敏捷平臺典型SAR衛星示意Fig.3 A typical SAR satellite based on ZY2000 Platform

(8)長壽命設計與驗證技術。中型敏捷平臺是我國首個系統開展8年壽命設計與驗證的低軌遙感衛星平臺。按照系統、分系統、單機3個層次，壽命設計分析、壽命試驗、壽命建模、壽命評價4個方面，全面開展長壽命設計與驗證工作，實現了8年壽命指標閉環驗證，并形成衛星壽命工作規范，支持后續遙感衛星長壽命工作的開展與長壽命工作成果的應用[8-9]。

3 研制成果與應用效益

2013年6月，中型敏捷平臺項目獲得國務院批準正式立項。項目團隊經過歷時40個月的研制攻關，全面完成了中型敏捷平臺的開發工作，取得了豐富的研制成果，并直接應用于首發星及同期開展研制的軍民相關衛星中，取得了廣泛的應用效益。

(1)完成平臺主體模塊化結構的開發與驗證，實現良好的任務適用性。在方案階段，研制了原理驗證結構試驗星，驗證了平臺新型“四立柱式”主結構的剛度、動強度特性；驗證了整星3000 kg、頂置光學載荷的承載能力；驗證了整星3500 kg、側置SAR載荷的承載能力。在初樣階段，針對典型光學衛星狀態研制了結構星，并完成鑒定級力學試驗考核(見圖4)；研制了熱控星，完成了整星熱平衡試驗考核(見圖5)。

圖4 初樣結構星振動試驗Fig.4 Vibration test of structure satellite prototype

圖5 初樣熱控星熱平衡試驗Fig.5 Thermal balance test of thermal satellite prototype

(2)完成通用電性驗證平臺(見圖6)的開發和使用，服務于后續衛星。通用電性驗證平臺是在中型敏捷平臺開發中提出的新概念，定義為遙感衛星系統級電性能測試的通用化測試平臺。其作用包括：用于對中型敏捷平臺電性能的測試驗證；成為遙感領域公用平臺性能升級、維護的主要驗證載體；為后續遙感衛星開展系統級電性能測試驗證提供支撐。中型敏捷平臺研制過程中，完成了遙感領域通用電性驗證平臺的研制，并對平臺電性能進行了全面的測試驗證。通用電性驗證平臺的研制和使用，可以使各衛星不必單獨研制完整的電性星，極大的節約成本；同時，各類單機產品僅需要進行一次完整的功能性能測試，其測試結果就可以直接應用于各個相關衛星，減少了大量的重復性測試工作；通用電性平臺提高了地面測試設備、測試程序的規范性及測試文件的通用性，提高了衛星電性能測試的效率。

圖6 通用電性驗證平臺Fig.6 Generalized electronical test platform

(3)實現敏捷機動、數據系統等共性核心技術的共享與推廣應用。中型敏捷平臺研制過程中突破了敏捷機動控制、高定位精度、先進數據系統、微振動抑制4項核心技術(見圖7和圖8)，并全面實現了8年壽命技術，這些技術均已經在同期的軍民遙感衛星上得到了應用。例如：主動推掃“動中成像”技術解決了超高分辨率光學衛星曝光時間不足的問題；雙頻GPS/北斗精密定軌技術、大量程高動態定姿技術及高結構穩定性技術，用于多顆遙感衛星，有效保障定位精度指標的實現；多顆高分辨率遙感衛星均采用基于微動隔振器的并聯隔振技術，實現對平臺高頻擾振的有效隔離，保障有效載荷成像質量。

圖8 高定位精度結構穩定性試驗Fig.8 Structure stability test of high positioning accuracy

(4)多種技術手段協同創新、聯合應用，實現了系統的好用易用。中型敏捷平臺以采用基于CCSDS和ECSS標準的數據系統為基礎，實現星地一體的高效任務規劃和自主任務管理、自主健康管理。衛星能夠根據地面上注的元任務序列，自主完成各分系統動作規劃(包括姿態機動過程規劃)，生成指令序列、自動執行，并對執行過程和結果進行監控，極大提高了衛星成像的靈活性，確保復雜任務的高效便捷實現，同時提高衛星任務運行過程的安全性。低軌遙感衛星過境時地面可視弧段很短，中型敏捷平臺設計并實現了自主健康管理技術，具備單機級、分系統級、系統級等不同層級的健康管理能力，衛星可以基于各分系統和重要單機的有效信息進行健康判斷、決策和處置，并向地面提供整星健康管理的事件報告，極大提升衛星在軌運行的穩定性。

(5)實現全新一代平臺高性能單機產品的開發和推廣應用。中型敏捷平臺研制過程中共新研33類高性能、輕小型化、智能化單機產品，實現遙感衛星平臺產品體系的統一升級換代，主要包括甚高精度星敏感器、大量程三浮陀螺組件、125 N·m·s控制力矩陀螺等11類高性能控制單機，系統管理單元、數據接口單元等2類數管核心單機，數字化統一S頻段(USB)應答機、一體化擴頻應答機、雙頻雙模導航定位接收機等7類測控核心單機，高剛度太陽翼、鋰離子蓄電池、電源控制器等5類供配電單機，以及并聯隔振裝置、智能型控溫儀等單機。單機產品貫徹高集成度、輕量化、模塊化的設計理念[10]，提高功能密度比；實現了單機種類與數量大幅減少，平臺典型配置的電子/機電類產品由傳統遙感衛星平臺的80類左右減少為50類左右；實現了平臺質量減小，由傳統遙感衛星平臺的1500～1600 kg減少至1000～1200 kg。新研單機按照“詳細設計統一審定、產保要求統一實施、技術狀態統一控制、研制試驗統一開展、鑒定產品統籌投產”的原則，統一完成了鑒定產品研制及鑒定試驗，確保滿足遙感衛星使用要求，實現通用化。新研單機產品在同期及后續的多個軍民衛星中得到廣泛使用，保障了“十二五”、“十三五”高性能遙感衛星研制任務的順利實施，并節省了大量研制經費。

(6)建立起基于公用平臺的遙感衛星研制模式。以中型敏捷平臺開發為契機，開展了遙感衛星研制模式的創新。對傳統的預研階段和方案階段進行了整合，充分利用公用平臺的產品、技術，提高衛星早期設計的細化程度，避免不必要的設計迭代與反復。對傳統的初樣階段設計驗證工作進行了優化，充分利用電性驗證平臺及數字化設計分析工具，主要圍繞有效載荷開展電性能測試驗證，減少重復驗證工作；同時使用通用的單機產品規范、接口數據單(IDS)，避免平臺專門定制產品，減少產品技術狀態變化、重復設計帶來的成本和進度的浪費。研制模式轉變和流程優化，可以大幅節約經費、時間成本，促進預研成果直接應用于衛星。將傳統衛星的3～5年背景預研與方案設計壓縮到1.5～2年；將初樣階段平臺驗證工作省去，節約至少6個月。

4 結束語

中型敏捷平臺的研制開發，對我國遙感衛星追趕國際先進水平、保障后續任務發展有著非常重要的作用。其有效載荷適應能力強、敏捷姿態機動能力強、時空基準測量精度高、結構穩定性高、星載數據系統先進、自主管理功能先進，并在多顆遙感衛星上應用。首發星高分多模衛星于2020年7月成功發射，其他在軌及在研衛星包括高分辨率SAR試驗衛星、高分辨率紅外衛星、高精度激光測量衛星等。同時，在中型敏捷平臺開發中，系統開展了平臺各級產品技術狀態統一管理工作，推出一批升級換代單機產品；在通用電性驗證平臺建設、產品投產和使用統籌、衛星研制流程優化等方面進行了實踐，產生了多類仿真、試驗、測試工具，積累了豐富經驗；提高了遙感衛星研制水平和效能，促進了遙感衛星研制模式轉變，為我國遙感衛星又好又快發展作出了貢獻。