BSS－702系列平臺低成本設計分析及啟示

楊軍 周志成 李峰 裴勝偉

（中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094）

BSS－702系列平臺低成本設計分析及啟示

楊軍 周志成 李峰 裴勝偉

（中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094）

美國波音衛星系統－702（BSS－702）系列平臺采用分艙模塊化設計、電推進輔助變軌和全電推進等技術，有效降低了通信衛星系統的研制與發射成本，是目前國際上單路轉發器價格最低的通信衛星平臺。文章從發射服務、地面運行維護、總體設計，以及分系統與單機等方面，分析了BSS－702系列平臺實現低成本的主要途徑，并給出了針對我國下一代大型地球同步軌道衛星平臺低成本設計的建議。

波音衛星系統－702系列平臺；低成本設計；分艙模塊化；電推進

1 引言

我國下一代的大型地球同步軌道衛星平臺是我國未來20年地球同步軌道衛星的主力平臺，同時也將承擔著我國參與國際商業通信衛星市場競爭的重任。作為市場競爭的核心因素，成本是衛星贏得市場競爭的主要因素，根據國際制造業全生命周期成本模型，方案階段的設計決定了產品80%以上的成本［1］，因此，在我國下一代衛星平臺開發之初，研究降低衛星研制成本的途徑，對后續平臺的開發與衛星的研制有著重要意義。

波音衛星系統－702（BSS－702）系列平臺是美國波音公司地球同步軌道的主力衛星平臺系列，包括BSS－702、BSS－702HP、BSS－702MP、BSS－702GEM及BSS－702SP等。其中：BSS－702SP平臺是針對約500kg有效載荷推出的全電推進平臺，而其余平臺主要面向有效載荷質量在600～1300kg的中大型通信衛星需求，用戶主要為商業及政府用戶。BSS－702系列平臺由休斯公司從20世紀90年代初開始開發，第1顆基于BSS－702平臺的衛星在1999年發射成功，2002年隨休斯公司的衛星業務整體轉入波音公司。經歷了約15年的不斷改進，BSS－702系列平臺已經成為國際通信衛星平臺領域最先進的衛星平臺之一，其在國際通信衛星市場上的占有量僅次于勞拉公司的LS－1300平臺，而單路轉發器成本則遠低于LS－1300平臺。BSS－702系列平臺在成本控制方面堪稱典范，基于該平臺的通信衛星每路轉發器成本遠低于市場平均價格，已成為參與市場競爭的有力武器。因此，參考BSS－702系列平臺低成本設計思路與研制模式，將為我國降低通信衛星研制成本提供有益的參考。

本文首先介紹了典型衛星通信系統價格的主要組成，并比較了國際主要通信衛星供應商衛星平臺的成本，然后從衛星的發射服務、地面運行維護、總體設計、分系統與單機幾個方面，重點分析了BSS－702系列平臺低成本設計與具體實施途徑，最后歸納了對我國下一代大型地球同步軌道衛星平臺低成本設計的啟示。

2 典型衛星通信系統成本組成分析

按照國際通信衛星的研制慣例，衛星通信系統的成本主要由地面段與端到端衛星通信系統組成［23］。對于大多數商業通信衛星合同，如果運營商不是首次采購通信衛星，一般不須要采購地面段。因此，衛星通信系統合同中成本一般包括運行維護、保險、通信衛星系統及發射服務4個部分，各部分占衛星通信系統成本比例如表1所示［2－3］。在通信衛星系統成本中，通信衛星平臺成本占的比例最大，為45.0%，有效載荷成本占35.0%，系統集成成本占20.0%。通信衛星平臺成本主要包含平臺各分系統研制與總體設計、測試與總裝等成本，具體組成及比例如表2所示［2－3］。

對國際主流衛星平臺的價格進行對比可以發現：基于BSS－702平臺的單路轉發器成本不到300萬美元［2］，如表3所示。BSS－702系列平臺價格遠低于其他衛星平臺，約為其他主流衛星平臺平均價格的50%。價格優勢使得波音公司成為了國際通信衛星領域最具競爭力的制造商。

表1 衛星通信系統成本組成及比例Table 1 Cost compositions and their proportions of satellite communications system

表2 通信衛星平臺成本組成及比例（含電推進分系統）Table 2 Cost compositions and their proportions of communications satellite platform（with electric propulsion subsystem）

表3 國際主流衛星平臺價格比較Table 3 Price comparison of international mainstream satellite platforms

3 BSS－702系列平臺低成本設計特點及實現途徑分析

為了實現低成本設計，波音公司在BSS－702系列平臺上采用的革新性技術包括：首次采用離子電推力器，首次采用徹底的分艙模塊化設計，首次采用電推進＋化學推進混合變軌技術，首次采用電推進在軌位置保持與動量輪角動量卸載技術，首次提出并實施全電推進技術。此外，針對衛星的單機與部組件設計，波音公司也采用了具有特色的措施，如選用低成本的結構部組件等。上述新技術推動了地球同步軌道衛星平臺的發展，也大幅降低了BSS－702系列平臺的成本，提高了其國際競爭力。下文結合衛星系統的成本組成，從衛星的發射服務、地面運行維護、總體設計、分系統及單機等方面對BSS－702系列平臺的低成本設計進行分析。

3.1 衛星發射服務

發射服務的成本占衛星通信系統成本的34.2%左右，是衛星通信系統成本組成的主要部分；此外，電推進分系統成本在整個衛星平臺成本組成中排第2位，約為1000萬美元，（約占衛星平臺成本的15%），對衛星成本有著較大的影響，且可以用化學推進替代。因此，結合平臺變軌策略優化設計，針對運載火箭能力優化平臺的承載能力，可有效降低衛星系統的成本，提升平臺的競爭能力。在國際商業衛星發射市場上，俄羅斯天頂－3和質子－M運載火箭的發射服務價格一直具有較大的競爭優勢，結合以上兩種運載火箭及有效載荷需求，波音公司在BSS－702平臺的基礎上推出了包括BSS－702MP平臺、BSS－702HP平臺及BSS－702GEM平臺在內的平臺系列，在有效拓展平臺能力的基礎上，保持了衛星系統的成本優勢。以上衛星平臺的設計思路如下。

（1）BSS－702平臺針對800～1000kg有效載荷質量（約60～80路轉發器）衛星設計，采用化學推進入軌、電推進在軌位置保持；

（2）BSS－702MP平臺針對600～800kg等較小有效載荷質量（約60路轉發器）衛星設計，充分發揮天頂－3、質子－M運載火箭的低成本優勢與大承載能力優勢，不采用電推進；

（3）BSS－702HP平臺針對1000～1300kg等較大有效載荷質量（約80～110路轉發器）衛星設計，在充分利用天頂－3、質子－M運載火箭低成本優勢的基礎上，使用如圖1所示的電推進地球同步轉移軌道（GTO）輔助變軌，以及電推進在軌位置保持與動量輪卸載，在不增加運載火箭成本的基礎上，大幅提高平臺的承載能力；

（4）BSS－702GEM平臺針對帶有大型可展開天線衛星設計，不配置電推進分系統，采用全化學推進入軌與在軌位置保持。

除了上述衛星平臺外，波音公司還推出了全球第一個全電推進衛星平臺—BSS－702SP。該平臺取消雙組元化學推進系統，采用全電推進實現變軌和位置保持等任務，有效降低了衛星的發射質量（不超過2000kg），氙氣加注量可達400kg，可承載約500kg的有效載荷。由于發射質量變小，BSS－702SP平臺可采用獵鷹－9或阿里安－5運載火箭進行“一箭雙星”發射，從而大幅節省發射成本。其中：獵鷹－9可實現2顆BSS－702SP平臺衛星“一箭雙星”發射；阿里安－5可實現BSS－702SP平臺衛星搭配另一顆大型通信衛星進行“一箭雙星”發射。

BSS－702系列平臺典型衛星的變軌策略與有效載荷質量關系如表4［4］所示，采用化學推進與電推進聯合變軌如圖1所示。

表4 BSS－702系列平臺典型衛星的變軌策略與衛星有效載荷質量的關系Table 4 Relationship between orbit transfer strategy and payload mass for typical BSS－702serial platform satellites

圖1 采用化學推進與電推進混合變軌示意Fig.1 Sketch of orbit transfer with chemical propulsion and electric propulsion

3.2 地面運行維護

地面運行維護也是影響衛星成本的重要因素，約占衛星系統成本的12.5%。它的一項主要任務是完成地面測控。由于BSS－702系列平臺可以采用電推進輔助變軌，導致衛星的變軌時間大幅增加，如果按照常規的地面測控方式，將使地面測控的成本劇增。此外，由于BSS－702系列平臺采用電推進在軌位置保持策略，電推進幾乎每天均要進行位置保持點火，如果按照傳統方式在位置保持前進行測軌，將會使地面測控工作量與成本大幅增加。針對上述地面運行維護難點，BSS－702系列平臺采用了如下措施。

（1）電推進變軌段：由于對軌道精度要求較低，衛星采用長壽命、高精度陀螺獲得相對姿態參考數據；采用星敏感器獲得慣性坐標系下的姿態參考數據；采用高精度時鐘、星敏感器、地球敏感器及電推力器作用下的軌道動力方程外推結果作為軌道數據。以上數據作為電推進軌道轉移段的自動變軌控制數據。

（2）在軌位置保持段：衛星利用通信信道傳輸日常測軌數據，在地面使用軌道動力學軟件監控衛星的軌道數據。以14天為周期計算位置保持點火時刻、點火時長，并上傳至衛星，以此減少地面測控工作量與成本，14天周期內的位置保持操作由衛星自動執行［5－6］。

通過上述措施，有效減少了采用電推力器進行變軌或者位置保持的BSS－702系列平臺衛星對地面測控系統的壓力，降低了運營商的成本開支。

3.3 衛星總體設計

衛星總體設計對于衛星成本有著重大影響，直接關系到衛星的研制周期，以及與之對應的生產、總裝、測試工作量。其中，生產、總裝、測試的成本與周期密切相關，主要體現在人員、設備的占用上［7－8］。為縮短研制周期，減少對設備與人員的占用，降低衛星成本，BSS－702系列平臺從平臺總體設計、分系統設計、布局設計等幾個方面進行優化，有效減少了總裝與測試占用的時間。

BSS－702系列平臺采用徹底的分艙模塊化設計思路，即將載荷艙（通信艙）與推進服務艙進行相對徹底的分離。包括化學推力器、太陽翼在內的所有服務設備，均布置在推進服務艙，而將包括天線在內的所有有效載荷設備布置在載荷艙。衛星的總裝也非常簡單，僅用4組螺栓和6個電連接器就可以完成三艙對接，如圖2所示。這一設計思路，有效提升了衛星的并行設計、生產與測試的能力，縮短了衛星的研制周期［5］。

圖2 BSS－702平臺各組成模塊Fig.2 Modules of BSS－702platform

推進服務艙又進一步分為推進模塊和服務艙模塊，以減少各功能模塊間的接口耦合，提高衛星生產、部裝與總裝的開放性。在總裝過程中，推進模塊單獨總裝、焊接、檢漏，而服務艙模塊也可以單獨進行聯試，有效縮短了總裝與測試時間［5］。

3.4 分系統與單機

BSS－702系列平臺的分系統與單機設計也貫徹了其成本優先、綜合優化的理念，具體如下。

1）充分優化工藝，減少人工成本

BSS－702系列平臺采用眾多創新的思路來簡化分系統與單機的裝配、生產工藝，以有效降低成本。在化學、電推進管路布局中，創造性地采用星體外部布置推進的管路（見圖2（b）），有效地簡化了管路鋪設、檢漏及出廠前電爆管等的安裝，在管路出現泄漏等問題時也極易更換。在太陽翼裝配中，為了簡化太陽翼的總裝，在太陽翼壓緊點的設計上采用不同于其他衛星的三向、單向壓緊點組合設計方法，有效降低了太陽翼設計、加工、總裝定位的難度（見圖3）。在對接環的設計中，沒有采用整體加工的整體式結構，而是采用簡單零件的鉚接結構（見圖4），僅在對接面進行少量的高精度加工，縮短了加工的時間，減少了對大型機床的占用，降低了對大型熱處理爐的需求。此外，整體設計使鉚接部位僅受剪力，鉚接結構的受力最優［5］。

圖3 太陽翼壓緊點Fig.3 Hold－down points of solar array

圖4 BSS－702對接環Fig.4 Docking ring of BSS－702

2）優化分系統配置，提高平臺設備的使用效益

BSS－702系列平臺對系統可靠性進行優化分配，充分利用現有配置提升能力。BSS－702平臺配置電推進進行衛星南北、東西位置保持，而化學推力器用于轉移軌道姿態控制及位置保持備份。采用電推進進行南北位置保持，取消了傳統的南北推力器；由于電推進進行東西位置保持的能力較弱，保留了東西位置保持化學推力器。考慮到在特定的定點位置平經度漂移方向固定，僅保留一個方向的10N推力器［9］。因此，BSS－702平臺僅配置了10臺化學推力器，其中4臺22N推力器布置在衛星背地板（如圖5中A1～A4所示），4臺10N推力器布置在衛星東板（如圖5中E1～E4所示），2臺10N推力器布置在衛星西板（如圖5中W1～W2所示），遠少于泰雷茲－阿萊尼亞公司與阿斯特里姆公司聯合開發的“阿爾法”（Alphabus）平臺16臺的配置［5］。BSS－702MP平臺、BSS－702HP平臺與BSS－702GEM平臺的推力器布局繼承了BSS－702平臺。

BSS－702系列平臺在電推進與化學推進的使用上也獨具特色，設計中充分挖掘了電推進的能力，有效提升了平臺的效益。在地球靜止軌道（GEO）段不使用化學推進，可以有效簡化推進劑貯箱的管理裝置，降低貯箱的制造成本［5］；變軌段采用4臺22N推力器實現大的控制裕度［5］，減少了對4個并聯貯箱不平衡排放的需求，簡化了熱控設計與推進劑測量需求。

在供配電分系統的設計上也采用創新的思路，提高系統的用電效率，降低設計復雜度。充分考慮平臺的用電特征與單機的需求，針對平臺設備用電量穩定且為低電壓的特點，專門配置了30V和50V的低壓半調節母線，降低了設備復雜度、成本及變壓損耗；充分利用蓄電池的能力，與太陽翼一起實現對電推進的聯合供電，減少對太陽電池的需求［5］，降低太陽翼的成本。

圖5 化學推力器布局Fig.5 Configuration of chemical thrusters

3）選擇低成本原材料

在衛星的結構設計上，采用低成本材料與結構設計。減少高成本、難加工鈦合金的使用量，盡量使用更加便宜的鋁合金，如氙氣瓶、氦氣瓶的內襯材料均為鋁合金，以減少材料成本；針對使用量少、強度要求高的大直徑螺釘，使用高強度的合金鋼材料，如桁架接頭間連接、桁架與對接框之間的連接螺栓，不使用鈦螺釘。針對一些次級結構，選用低成本的玻璃鋼復合材料，如饋源支架、電推力器支架等［5］。

4 對我國下一代衛星平臺開發的啟示

通過對BSS－702系列平臺低成本設計特點與具體措施的分析，提出我國下一代地球同步軌道公用衛星平臺設計思路的建議如下。

（1）系統策劃，作好成本分析。衛星平臺的設計決定其成本，必須在衛星平臺研制初期系統地調研衛星系統的成本構成與變化趨勢，結合不同使用需求確定平臺發展的型譜規劃、技術狀態與技術路線，特別是新型運載火箭、新型入軌方式對衛星成本的影響分析，以實現又好又快發展。

（2）深入發掘電推進應用潛力，提高平臺能力，降低應用成本。BSS－702系列平臺通過引入電推進技術，改變了傳統的地球同步軌道轉移及在軌位置保持的方式，進而改變了地球同步軌道衛星平臺的技術發展方向，大幅降低了BSS－702系列平臺成本。在我國未來衛星平臺的開發中，應深入研究電推進應用對衛星能力與成本的影響，將電推進的效益發揮到最大。

（3）從設計源頭進行成本控制，盡量采用低成本材料與工藝。我國當前衛星設計與研制的成本意識相對薄弱，而產品的成本絕大部分源于設計，因此在衛星平臺的設計階段就應有意識地加強低成本設計，簡化生產工藝，選用低成本原材料，優化總裝與測試流程，減少對人員與設備的占用。

（4）結合未來需求，設計靈活的應用模式，實現平臺效益的最大化。BSS－702系列平臺的系列化設計，簡化了后續平臺的設計與驗證，從而降低了平臺后續的應用成本。衛星平臺的開發或者升級需要一系列的設計與驗證，在新衛星平臺設計之初要盡量覆蓋未來可能的需求，使用技術手段增強平臺應用的靈活性，以減少在衛星平臺應用階段的修改而發生的成本。

（References）

［1］Blanchard B S.Design and manage to life－cycle cost［M］.Oregon：M／A Press，1978

［2］Henri Y.Brief overview of space market［R／OL］.［2014－12－20］.http：／／www.itu.int／en／ITU－R／space／presentations／SpaceMarket.pdf.Acessoem：13.out.2011

［3］Perter B.Europeans vow to check Boeing advantage in all－electric Sats［N］.Space News，2012－05－14（4）

［4］Gunter Dirk Krebs.Hughes／Boeing：HS－702／BSS－702，HS－GEM／BSS－GEM（geomobile）［EB／OL］.［2014－12－20］.http：／／space.skyrocket.de／doc＿sat／hs－702.htm

［5］Hughes Space Information System Company.Asia Pacific mobile telecommunication satellite primary review［R］.Hughes，Chicago：Hughes Space Information System Company，1996

［6］Boeing Satellite Systems.XIPS：the latest thrust in propulsion technology［EB／OL］.［2014－12－20］.http：／／www.boeing.com／defense－space／space／bss／factsheets／xips／xips.html

［7］李衛娜，潘燕華.復雜產品制造業成本控制模型初探［J］.江蘇科技大學學報（自然科學版），2006，20（5）：90－94 Li Weina，Pan Yanhua.Preliminary exploration for cost control model of complex product industries［J］.Journal of Jiangsu University of Science and Technology，2006，20（5）：90－94（in Chinese）

［8］孫玉甫.人力資產定價［M］.上海：立信會計出版社，2005：46－56，143－146 Sun Yufu.Human assets pricing［M］.Shanghai：Lixin Press，2005：46－56，143－146（in Chinese）

［9］John R Beattie.XIPS keeps satellites on track［J］.The Industrial Physicist，1998，4（2）：24－26

（編輯：夏光）

Analysis on Low－cost Design of BSS－702Serial Platform and Its Instruction

YANG Jun ZHOU Zhicheng LI Feng PEI Shengwei
（Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

Series of new technologies are adopted in American BSS－702serial platform，such as modularization，both orbit transfer and station keeping using XIPS electric propulsion technology.These technologies make BSS－702serial platform the lowest cost per transponder communication satellite platform by reducing the cost of the platform efficiently.In terms of launching service，ground operation，system design，and subsystem and unit product design，this paper introduces the approaches to reduce the cost of BSS－702，and puts forward suggestion for the development of China’s next generation big earth synchronous orbit communications satellite platform with low cost.

BSS－702serial platform；low－cost design；modularization；electric propulsion

V474

：ADOI：10.3969／j.issn.1673－8748.2016.01.019

2014－12－25；

：2015－04－10

楊軍，男，碩士，高級工程師，從事衛星總體設計工作。Email：yangjun1＠cast.cn。