微小衛星電子載荷技術發展趨勢探討

+ 曹廣平　中國西南電子技術研究所

微小衛星電子載荷技術發展趨勢探討

+ 曹廣平中國西南電子技術研究所

人造衛星的發展經歷了從單一功能小衛星向多功能大衛星發展，再到各種專用小衛星、微小衛星皮納衛星。現代小衛星是隨著電子技術發展而飛速發展起來的，其功能、性能與早期小衛星有著本質區別。

衛星載荷是衛星最為重要的組成部分，它決定著衛星規模、軌道需求、所形成的能力。從技術發展角度，平臺與載荷又是相互推動、相互促進的關系，近幾十年微小衛星發展如火如荼，大量國家機構、學校、企業甚至個人進入到這一行業，在衛星設計理念和思路、工程實現技術乃至設計流程都發生了變化。本文重點關注微小衛星發展對衛星電子類載荷技術帶來影響和所形成的特點。

一、微小衛星發展特點

1. 微小衛星產業生態環境變化

在過去，衛星總是與高端應用聯系在一起的，微小衛星的發展將有望改變這一狀況，微小衛星正在經歷與無人機相似的發展歷史。我們來看無人機的發展歷程，一開始無人機出現在科幻電影中，隨后美國等大力發展，作為偵察、無人作戰平臺等尖端武器裝備，如在阿富汗、敘利亞等沖突中大放異彩的“全球鷹”、“捕食者”；但是，一項新技術的出現，誰也壟斷不了它的用途，隨著技術成熟、成本降低，先進軍事技術的民用用途不斷被開發，無人機用于邊海防巡邏、災害勘察、電力巡線、農業作業等已經非常平常；中國出現了一家堪稱可與蘋果相比的公司“大疆科技”，它甚至將無人機發展為一種消費類電子產品，可廣泛用于航拍、活動表演、短途運送輕小物品等；民用產業化又帶動軍事應用，對于戰場戰術偵察，無人機提供了更多應用模式，美軍用單兵投擲式無人機提供戰場偵察和短時通信。

從無人機的發展歷史分析，其經歷了從高端小眾市場到大眾消費產品的過程；我們判斷微小衛星產業發展也應該有以下兩點趨勢。

1)微小衛星系統的體量必然急劇擴大。雖然不能像無人機一樣普及，但越來越多的組織和企業參與到微小衛星研發、更多企業參與運營和提供服務將是必然趨勢，如美國太空探索技術公司(SpaceX)首席執行官伊隆·馬斯克提出打造一個由700顆微型衛星組成的低成本衛星網絡，以便為全球提供無線網絡服務。

2)微小衛星產業門檻降低，多產業間界線模糊。隨著航空技術發展、臨近空間技術發展，類似功能的任務使命在多種平臺都能實現，在某些應用領域微小衛星可能與無人機、臨近空間飛行器同臺競爭，航天與航空、甚至航天電子與消費電子產業的界限越來越模糊，如美軍大力發展的單兵戰場偵察裝備，戰場偵察不再依賴于航天偵察，單兵無人機可提供實時戰場圖像偵察，并利用消費電子產品實現戰場通信和態勢感知。

因此，微小衛星必須考慮面向大眾市場，必須以面向大眾市場的思路引領設計理念。

2. 微小衛星發展現狀與趨勢

NASA在1997年開始啟動X2000計劃，主要發展空間電子設備微電子技術，美空軍研究實驗室一直從事衛星系統即插即用前沿技術的研究，推進太空即插即用航電(SPA)標準；ESA以Surrey大學為代表發展芯片衛星；器件公司不斷推出MEMS技術和3D封裝器件，為微小衛星發展奠定基礎。

微小衛星技術發展出現不同熱點，一是微／納技術發展，支撐衛星進一步小型化，皮、納衛星甚至飛衛星出現，美國康奈爾大學畢業生通過眾籌網kickstarter發起的KickSat項目，準備發射以立方體母衛星攜帶的104顆5 g重芯片衛星，號稱5 g的衛星功能已經超過人類歷史的第一顆衛星，這是公開報道的最小衛星記錄，遺憾的是2014年5月母衛星并未完成人軌和拋撒子衛星過程，后再入大氣層并燒毀。

微小衛星另一熱點是向工程實用化發展，需求牽引和技術推動的共同作用，微小衛星技術開始進入實用化階段。但目前實用化的微小衛星工程系統總體還是偏少，應用最成熟的主要在以下幾個方面。

對地遙感小衛星，已經形成了系列光學、多光譜成像衛星。英國薩瑞公司(SSTL)主導構建了世界上第一個商業性質遙感小衛星星座——全球災害監測星座；美國Skybox公司2013年發射了它的第一顆商用遙感小衛星，軌道高度為450 km，單星質量91 kg，實現了幅寬400 km、分辨率1 m的成像能力；美國猶他州立大學開展折疊展開反射面技術研究，可在5 kg衛星上實現1 m分辨率；各國也正在積極著手解決星載SAR成像雷達的輕量化問題，有望在100kg量級內解決微波遙感成像問題。

衛星通信方面，美國軌道通信(Orbcomm)公司第二代“軌道通信”衛星(OG一2)單星質量僅150 kg，除常規通信轉發器載荷，還增加了“自動識別系統”(AIS)，用于海上交通管理；軍事通信方面，美國戰術衛星(TacSat一4)正式投入使用，該衛星質量450 kg，運行軌道為傾斜橢圓軌道，裝載了高頻(UHF)頻段通信、AIS終端和DSCS接收載荷；2012年，美陸軍空間與導彈防御司令部(SMDC)技術中心研發并試驗了搭載有數據接收和戰場短報文通信載荷的作戰應用納衛星(SMCD—ONE)，2015年計劃再繼續發射3顆該型衛星。

微小衛星因其體積小、易隱身、機動靈活、成本低等特點，在空間對抗領域可以大展身手，各國都在發展相關技術，限于其用途敏感性，少有報道或報道語焉不詳。

從微小衛星發展趨勢看，衛星性能不斷提升，不斷顛覆傳統設計思路和理念，應用領域越來越廣闊，代表了航天技術發展的前沿和方向。

3. 微小衛星工程應用面臨的技術挑戰

在過去一二十年，雖然微小衛星技術研究的開展分外熱烈，但微小衛星應用仍以試驗為主，大量在驗證平臺本身的技術，一些載荷功能試驗也是有選擇性的，選擇了對平臺要求還不太高的一些項目進行驗證。但是，近年來微小衛星領域技術逐步向業務化發展，針對具體的應用，微小衛星需要考慮的因素要多得多。相對于傳統衛星，微小衛星具有單星成本低、研制周期短、設計更靈活等特點，但也意味著性能水平降低不可避免，為實現具有實用功能性能的系統，一般需要采取微小衛星組網構成系統的方式，衛星組網帶來技術和成本上的新壓力，在系統方案設計中綜合考慮任務需求、衛星成本、星座部署、系統運行支持等全系統要素。

從技術方面，微小衛星進入工程應用首先需要解決以下幾個方面的問題。

(1)高功能密度

“麻雀雖小，五臟俱全”，微小衛星平臺的基本功能并不因為小而進行裁剪，需要在更小的空間、更嚴格的約束條件下實現常規衛星需要實現的功能，要以全新的思路實現傳統的衛星設計的結構、電源、熱控、姿軌控、測控、數據管理等功能。

(2)寬適應性

發展微小衛星平臺的重要目的是為開發功能各異的各種應用衛星，需要衛星與各種任務載荷實現簡單、良好匹配，通過建立微小衛星體系結構和信息交換標準，實現任務、功能、資源統一調度管理，載荷能夠“即插即用”，從而使衛星具有更寬的適應性。

(3)成本控制

低成本是微小衛星最重要的特點和核心競爭力，要實現微小衛星的低成本，需要從衛星設計、研制、測試、發射、維護使用等環節考慮成本控制，必須在一體綜合化設計、COTS器件使用、簡化研制及測試流程、通用化應用技術等方面開展工作。

(4)開發周期

“快”應該是微小衛星的又一項特點，為實現縮短開發周期，必須要突破傳統衛星項目研發模式，實行“統一標準規范、開放任務、并行開發”，采取“產業化”思路建立微小衛星研制隊伍序列，優化衛星產品研制流程、測試流程、試驗流程，標準數據規范，快速應用。

二、微小衛星載荷發展趨勢與思路

微小衛星載荷的設計理念、思路、技術途徑都與傳統衛星載荷不同，我們從微小衛星相對傳統衛星對載荷需求變化人手，總結微小衛星載荷特點。

1. 微小衛星電子載荷相對傳統載荷的需求變化

為適應微小衛星任務定位、與微小衛星平臺良好配合，衛星載荷必須適應新的需求，歸納微小衛星電子載荷的需求，相對傳統衛星電子載荷呈現以下變化。

(1)功能定義更自由

傳統衛星有著相對固定的用戶，一般從項目論證開始，載荷的功能性能是固定的；微小衛星面對大眾用戶，定制化服務興起，需要提供一種更為靈活的功能結構，能適應不斷增長的差異化需求。

(2)模塊化

為實現并行研發、提高設計效率，簡化裝配、測試過程，微小衛星載荷必須改變傳統衛星載荷“從平臺到分系統再到單機”的設計思路，美國提出“空間飛行器即插即用電子設備”(SPA)作為小衛星解決快速集成、快速測試的關鍵技術，具有廣泛借鑒意義；要實現“即插即用”，可采取整星模塊化的體系結構，通過系列化規范硬件平臺、標準通信協議、系統資源管控軟件，實現衛星和載荷動態功能加載及資源配置重構。

(3)微型化和低功耗

為解決微小衛星體積和重量的限制，載荷必須進行微小型化；同時，微小衛星一般不可能配置大面積太陽能電池陣面，星上能源供給能力比較受限，要求實現載荷的低功耗設計；因此，載荷需要采用微系統、微組裝、低功耗設計等技術。

(4)電磁兼容性

電磁兼容性是微小衛星電子載荷面臨的又一難點，其難度主要由幾方面造成：小型化要求取消獨立單機外殼，屏蔽性能下降；設備間距縮小，設備間通過總線大量信息交換，傳輸路徑給系統的電磁兼容性帶來巨大壓力。立體衛星中電子設備往往以“裸板”形式疊裝，電磁兼容性設計難度大大增加；為滿足系統兼容性要求，必須從減小輻射水平、提高抗干擾水平、阻斷傳播路徑多方面采取措施。

(5)技術要求和可靠性水平

這是微小衛星相對傳統衛星對載荷要求可能降低的條目，由于微小衛星多數是單一功能衛星，國外提出了以20%成本滿足80%需求的設計思想，以降低技術難度、降低壽命要求。電氣指標和可靠性要求較低使星載產品進入門檻降低，大量使用COTS器件，鼓勵研制模式轉變、加快載荷研制速度、優化測試流程。這一變化將對航天工業體系產生深刻影響。

2. 微小衛星電子載荷技術發展趨勢

微小衛星載荷需求的變化推動載荷技術選擇性發展，未來微小衛星電子載荷技術應該呈現以下趨勢。

(1)平臺載荷一體化

電子系統綜合是微小衛星上最有條件開展和效果最明顯的工作，電子系統綜合將使衛星平臺和電子載荷的界線消失，而以星載計算機為管理核心，以星上總線方式連接各類星載電子設備，傳統衛星的各分系統、單機都不再獨立存在，而是以一個RT掛接在總線上，實行資源共享機制，為平臺和載荷提供統一的信息管理、數據處理、傳輸、服務，構建微小衛星的信息中樞，實現平臺載荷一體化。

(2)硬件微型化

衛星微小化的前提是星載設備的小型化。因為空間應用特殊環境和可靠性要求，長期以來，星用元器件電性能參數、集成度等落后于商用器件，同時星載設備需要考慮更多的環境防護、容錯、冗余等措施，衛星產品的硬件往往更“笨拙厚重”；這顯然不能適應微小衛星要求。隨著微小衛星壽命等要求降低，放寬了星載電子設備設計約束條件，將允許更多使用COTS器件、更多采用低壓、低功耗工藝的器件和微電子、微機電、微納材料等新型器件和材料，星載設備硬件微型化成為可能，如MCM工藝使電路部件的體積數十倍縮小，各種MEMS傳感器和電子器件的出現，其體積縮小數百倍；ASIC、SoC出現，一片電路可代替原來若干塊通用電路板的功能。電路微型化將是微小衛星技術發展的永恒主題。

(3)載荷功能軟件化

衛星任務的多樣性、對衛星載荷的功能和性能提出了各種很高的要求，如果按照傳統方式以硬件為主導的設計方式，微小衛星難以適應這千差萬別的狀態，更無從談起平臺載荷一體化，為適應平臺載荷一體化設計，需要載荷功能軟件化，在硬件平臺能力支撐下，盡量用軟件來完成大多數任務功能，從而更好解決并行開發、同步測試、即插即用、支持動態更新等內能力。但是，當軟件的作用越來越重要，對系統產生的影響也越來越重大，就需要對軟件體系結構、設計方法和模式進行研究。

(4)接口標準化

載荷接口標準化是衛星標準化和快速應用的前提，接口標準化分為物理接口和數據接口，物理接口需要開展大體系的包容性設計和統一標準，技術上相對簡單，難度更多體現在管理；數據接口標準化將減少載荷之間、載荷與平臺設備之間接口的設計與協調的時間，簡化天地對接程序，大大簡化研制流程，縮短研制周期；提高載荷模塊互換性，降低星務管理的復雜度；方便地面數據接收系統設計，為統一地面應用系統創造條件。數據接口標準化代表了微小衛星載荷發展的一種技術趨勢，需要開展星載電子設備通信協議研究，為物理層、數據鏈路層、應用服務層定義標準。

3. 微小衛星電子偵察載荷發展趨勢

根據微小衛星載荷技術發展趨勢，結合到航天電子偵察的特點，微小衛星電子偵察載荷發展和工程出現了一些具體思路和想法。

圖1　

圖2　

圖3　

微小衛星平臺與電子偵察載荷體系結構采用一體化設計，取消分系統和單機概念，平臺電子設備和偵察載荷設備都變化為符合相關規范的標準板卡，如圖l所示，以現場總線組成控制網絡，以高速數據總線實現數據信息交換，實現星上設備即插即用，建立的SPA標準。

按照一體化設計思想，偵察載荷的硬件組成框圖變為圖2所示，電路都盡量模塊化，方便實現不同功能的重組。

經過四十余年的持續發展，以硅集成電路為代表的固態電子學技術發生了難以置信的爆炸性的進展，在半導體微電子器件、光電子／光子器件及微電子機械系統(MEMS)／納電子機械系統(NEMS)等各類器件分別取得驚人發展，為硬件微型化提供了大量新的手段和方法，美國率先提出了開發芯片級集成微系統(chip scale integration micro systems)新概念。對微小衛星載荷，射頻電路將采用MMIC、硅基芯片濾波器、MEMS濾波器等器件，使用MCM、LTCC、SIP等封裝技術，可使射頻部件的體積降為數十分之一，功耗也將大大減小，天線則可采用超材料，尺寸減小到λ/10之內；處理電路將采用SIP、TSV(Through—Silicon—Via)等3D封裝技術和SoC片上系統技術；隨著技術進一步發展，未來3D打印的功能部件也將出現。

未來偵察載荷將提供一個開放的平臺，分層分級的軟件開發架構，支持用戶二次開發和軟件功能更新在該軟件體系結構下，用戶層對用戶和系統設計人員開放，可以實現工程集成定義和在軌應用升級。微小衛星接口標準化建議充分繼承現有技術成果，控制總線可以采用CAN總線，數據總線采用PCIe或Rapidio，ESA推出了Spacewire，但相對成本太高。

基于網絡技術、在統一標準、集中管理、分散研制、快速集成，在商業運營、提供服務的設計思路指導下，微小衛星可以在電子偵察領域發揮很好作用，具有較廣闊的市場，但考慮微小衛星組網技術發展現狀、實時相對測控精度水平，偵察體制信號處理的要求，在體制選擇上有所側重，微小衛星優先發展以信號偵察和星座為主，并可在民用目標數據服務方面重點發展。

三 結束語

通過對微小衛星特點、發展趨勢分析，可以確信，在平臺載荷一體化設計思路引導下，隨著微電子、微機械、計算機、通信傳輸、材料等技術領域的不斷突破，采取軟件化架構和電子設備接口標準，微小衛星開發將更加方便快捷，衛星市場更加廣闊。

注：出自《2015年小衛星技術交流會論文集》。