國外低成本衛星技術研究

張召才 （北京空間科技信息研究所）

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國外低成本衛星技術研究

張召才 （北京空間科技信息研究所）

技術先進性和成本經濟性是衡量空間系統建設綜合效益的關鍵指標。針對航天項目投入高、周期長、風險大等特點，有效平衡性能與成本間的矛盾關系，發展高性價比的低成本衛星是各國長期以來的關注熱點。政府管理部門關注低成本衛星技術，意圖優化預算投入；衛星研制部門研究低成本衛星技術，旨在追求效益最大化。

1　低成本衛星內涵辨析

當前，低成本衛星仍是相對概念，一般由工業界和學術界以“低成本”（Low Cost）、“較低成本”（Lower Cost）或“降低成本”（Cost Reduction）等概指。國外研究界一般認為，低成本衛星是指全壽命周期成本顯著低于同類衛星平均成本的衛星。每個衛星任務都有其特定的任務需求、項目管理和指南要求，這些要素決定了衛星應具備的功能及其實現途徑。不同衛星的任務有效載荷顯著不同，其性能指標也具有較大差異。因此，國外研究界認為，無法用定量化的方式定義低成本衛星，但基于數理統計分析方法可以對比確定屬于低成本范疇的衛星項目。總結這些滿足低成本條件的衛星項目研制期間所采用的技術手段，即可認為采用這些手段能比傳統手段更有效地降低衛星成本。

低成本衛星是全壽命周期概念

必須從衛星項目的整個壽命周期視角降低任務成本，包括項目的概念研究階段、項目定義階段、設計階段、研制階段和運行階段。降低任務要求、引入創新技術、優化發射選擇、創新運營模式都是發展低成本衛星的重要手段。

低成本衛星是價格和性能的綜合作用結果

低成本衛星不以追逐絕對的低價格為最高優先級，而是聚焦發展高性價比衛星，要充分發揮比較優勢，為空間任務提供高性價比實現途徑。低成本往往意味著低要求，但發展低成本衛星不等同于要以完全犧牲衛星可靠性和衛星功能為前提，其核心目的應是以較低成本發展利用空間技術。

低成本衛星不等同于小衛星

盡管小衛星相較傳統大衛星的研制成本和發射成本更低，但實際上小衛星低成本更多是依靠輕量化、小型化及對發射能力需求更低實現的。低成本衛星的關鍵則是降低任務需求，以高性價比的方式發展滿足功能需求的衛星系統。因此，低成本衛星不等同于小衛星，中大型衛星也可以是低成本衛星。

2　國外降低衛星成本典型案例

實施有效的衛星成本管理，避免成本過度上漲是發展可持續航天能力的關鍵。降低衛星成本需從項目決策層面到項目執行層面，再到技術研制層面一體貫行。美國政府、Microcosm咨詢公司、薩瑞衛星技術有限公司（SSTL，以下簡稱薩瑞公司）和泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）等均進行了相關研究，并采取了必要措施以降低衛星成本。

2016年開始發射的美國“下一代銥星”

美國政府從工程技術、競爭力和商業三個層面提出降低衛星成本的技術途徑

為了有效解決航天任務“拖進度、漲成本、降能力”問題，美國國家情報辦公室于2011年12月面向美國工業界和學術界發布了“信息征詢書”（RFI），征集低成本衛星技術途徑和備選方案。美國國家情報辦公室征詢結果表明，低成本衛星可從工程技術、競爭力和商業三個層面實現，其中標準化、通用化、模塊化設計是工業界關注的焦點。據此，美國國家情報辦公室啟動了“空間通用模塊化架構”（SUMO）項目，重點提高衛星部組件通用化水平，以實現降低衛星成本和引入模塊化概念鼓勵創新的目標。

1）工程技術手段。包括：支持即插即用（PnP）設計的標準化電子接口；通用化部件，滿足多種應用需求；模塊化平臺設計；通用測試和鑒定要求；可升級體系架構；技術升級與創新。

2）競爭力手段。包括：基于全局標準而不是用戶產品調整目標；調整國際武器貿易條例（ITAR），去除不必要的限制約束；政府保持全球航天領導者地位；政府和工業界聯盟，創造雙贏機會。

3）商業與合同方面的手段。包括：創建可預測的、穩定的政府規劃周期；有效載荷搭載；充分使用商業服務、能力和基礎設施；資源共享—軟件庫，開發工具、開發技術和開發信息；資源共享—軌道和頻率資源；風險容忍文化；避免需求變化，保持需求的穩定性；項目管理和監管穩定；優化投資，與工業界利益保持一致；批量購買，實現采購方和供應方雙贏；盡可能鼓勵使用固定價格合同的方式；協調標準化和資源共享，并保護公司私有技術、發展戰略和交易等秘密信息。

英國薩瑞公司從六個方面踐行低成本衛星發展理念

薩瑞公司通過優化組織管理、改進衛星設計、形成了獨特的低成本衛星研制文化。薩瑞公司自20世紀70年代成立之初，就以快速建造低成本小衛星為目的。按照以大衛星20%的成本和40%的研制周期獲得80%性能的設計思想，采用降低技術難度、降低壽命要求、降低進入門檻等方式，促進了新型研制模式的出現，通過大量使用商用現貨部件、快速非連續制造、研制和測試流程優化，降低了衛星成本。

1）小型團隊，集同工作。高效精簡和扁平化架構的研制管理團隊是薩瑞公司保持較高工作效率、降低人力成本的重要舉措；管理、設計、制造和運行部門在同一地點進行可以顯著降低成本。

2）減少分包商的數量，保持完整的“內部能力”。發展從衛星總體到分系統再到部組件級的研制能力，避免轉包商所帶來的制約與依賴，將減少正式接口文件和合同協商，從而提高生產效率。

3）廣泛使用商用現貨產品，控制部件成本。在可能情況下，優先使用商業或工業部件。在商業或工業部件可用的情況下，該方法可以避免航天級部件的高成本，減少交付周期、避免出口許可證及部件研制的重復等問題。

4）采用靈活性設計。衛星設計采用在軌重構的方式，可以通過冗余將風險控制在一定范圍。多年的經驗證明，軟件上傳的功能至關重要，可以避免一些預想不到的情況發生。

5）采用分布式計算機和測控系統。通過大量的處理器節點，可以分散系統的復雜性，可以減少對一臺星載計算機的依賴。

6）自主在軌運行。地面站和衛星自主運行意味著在進行常規運行時，地面站可處于無人值守狀態；高度自主的小衛星技術以及先進的地面站技術，極大降低了衛星的維護成本，從而有效降低了任務的綜合成本。

英國薩瑞公司的“新型合成孔徑雷達衛星”

3　低成本衛星關鍵技術

低成本衛星是全壽命周期概念，需要創新的系統解決方案和關鍵技術作支撐。本研究重點從衛星平臺設計和組裝、集成與測試（AI&T）兩個方面分析低成本衛星關鍵技術。

模塊化衛星平臺技術

模塊化平臺是低成本衛星的關鍵技術。模塊化平臺技術盡量將技術上的升級、新功能的增加限制在某個模塊上。當需要進行技術升級或需要增加新功能時，只需升級局部模塊而不用對整個系統進行大的變動。采用模塊化設計還能簡化衛星系統組裝、集成與測試過程，大大減少保障人員和保障設備，進而降低成本費用。美國諾格公司發展的 “鷹”（Eagle）系列平臺、波音公司“幻影鳳凰”（Phantom Phoenix）系列平臺、薩瑞公司“靜止軌道迷你衛星平臺”（GMP）和“日本電氣公司下一代星”（NEXTAR）平臺等均是典型的模塊化衛星平臺。

“日本電氣公司下一代星”平臺是由日本電氣公司（NEC）研制的新一代模塊化平臺，平臺各功能艙在物理結構上獨立設計，在功能架構上基于SpaceWire標準聯接，可細分為數據處理、姿態軌道控制和任務控制三層網絡。這種物理結構分離、功能聯接一體的模塊化平臺架構，使得“日本電氣公司下一代星”平臺能夠快速適應不同任務需求，僅做有限的局部修改即可支持可見光、高光譜、紅外和雷達等不同的對地觀測任務，形成對不同對地觀測任務的通用支持能力，降低了平臺“裁剪”成本?！叭毡倦姎夤鞠乱淮恰逼脚_星載計算機硬件標準完全一致，各部組件也具有相同定義的接口管腳，這種接口標準化設計使得基于“日本電氣公司下一代星”平臺的衛星部組件通用化程度和可替換性大幅提高，減少了備用部組件數量，降低衛星研制和測試保障費用。

采用“日本電氣公司下一代星”模塊化平臺的先進地球觀測衛星-1

空間即插即用技術網絡架構

美國宇航公司（Aerospace）對采用模塊化衛星平臺帶來的經濟效益進行了研究分析。該公司廣泛采樣軍事和民用衛星市場訂單數據，利用回歸分析模型研究得出：大量使用模塊化衛星平臺有助于降低衛星成本，研發模塊化衛星平臺投入的經費在9年內即可獲得效益回報。長遠看，研制并使用模塊化衛星平臺技術，衛星成本總節省額高達188億美元，占比約為29%。

快速組裝、集成與測試技術

空間即插即用（SPA）技術是系統快速組裝、集成與測試的基礎，能夠實現識別接入組件并進行動態監測和配置，能夠大大減少衛星系統設計、組裝、集成與測試各個環節的特殊需求，從而縮短項目周期。

空間即插即用技術是美國國防部和空軍研究實驗室（AFRL）為推動發展快速響應能力而聯合推進的關鍵技術?？臻g即插即用技術初期聚焦快速即插即用技術，發展快速響應能力。隨著技術不斷成熟，空間即插即用概念已被歐洲、日本等航天發達國家接受，并成為縮短衛星研制周期、發展快速組裝、集成與測試能力、降低衛星成本的重要技術途徑。歐洲發展了支持空間即插即用技術的SpireWire總線標準；瑞典與美國空軍研究實驗室合作研究納衛星即插即用架構（NAPA）；日本也基于SpaceWire標準研制了支持空間即插即用的新一代模塊化快速響應平臺。

衛星數據模型軟件體系架構

對于硬件，空間即插即用定義了組件與平臺結構的機械接口標準，設計人員可在集成一次結構板（ISP）上自由選取標準化連接觸點的位置，這些觸點能夠提供電源動力或空間即插即用設備接口。對于軟件，衛星數據模型（SDM）負責飛行軟件的集成，原理上與集成一次結構板類似，確保各種應用能夠根據需要選擇軟件和硬件組件。衛星數據模型集成在分布式星載計算機的多個CPU節點上，具有空間即插即用軟硬件的自檢測能力，主要負責管理硬件設備和上層服務。

空間即插即用技術在縮短衛星研制周期、降低成本方面具有重要優勢。為驗證空間即插即用技術應用效能，美軍作戰響應空間（ORS）辦公室在2009年利用即插即用衛星-1（PnPSat-1）完成了3種不同構形的6次組裝、集成與測試。6次裝配測試的平均時間是5h，標準偏差是3h。這種偏差主要是由裝配人員的培訓和技能水平決定，而不是衛星構形的變化引起的。完成衛星測試和任務模擬的時間平均約為14.5h，標準偏差為0.3h。就經濟方面考慮，單個大型軍事衛星的成本一般約為1億美元，如果采用成熟的空間即插即用技術則可在人力成本方面節省800萬美元。對單個技術試驗或科學衛星而言，相對傳統建造方式花費的3700萬美元，采用空間即插即用技術可節省約500萬美元。

4　結束語

低成本衛星是平衡成本預算和能力需求的重要手段，是可持續發展利用空間技術的有效途徑。要改變傳統的“面向任務”設計，牢固樹立“面向成本”設計理念，圍繞衛星任務需求，充分考慮經濟因素，對可實現任務目標的各個方案進行權衡分析。研究表明，創新管理模式，采用模塊化平臺設計和快速組裝、集成與測試技術，是實現技術和商業雙贏、達成降低衛星成本發展目標的重要手段。

祁首冰/本文編輯

Study on Foreign Low Cost Satellite Technologies