高性價比商業(yè)微小衛(wèi)星研制探索

胡戈鋒 薛力軍 （深圳航天東方紅海特衛(wèi)星有限公司）

1 商業(yè)航天市場態(tài)勢分析

商業(yè)航天是按市場化機制開展的航天活動，在新興技術(shù)持續(xù)突破、“太空+互聯(lián)網(wǎng)”跨界融合、新興航天企業(yè)蓬勃發(fā)展、商業(yè)資本涌入的促動下，全球即將進入新太空時代。

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，微小衛(wèi)星業(yè)務(wù)應(yīng)用日趨成熟。對比2013年前后數(shù)據(jù)，微小衛(wèi)星技術(shù)試驗應(yīng)用占比從55%降為20%，而對遙感、通信等領(lǐng)域業(yè)務(wù)應(yīng)用占比由12%增長為52%。微小衛(wèi)星已成為商業(yè)航天應(yīng)用的重要一環(huán)。

近幾年商業(yè)航天發(fā)展急劇升溫，主要源于：技術(shù)進步使得宇航產(chǎn)品研制難度和成本大幅下降，成本和產(chǎn)能趨近商業(yè)應(yīng)用需求。以互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟為代表的信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展，使得宇航產(chǎn)品商業(yè)應(yīng)用前景日漸清晰。

衛(wèi)星系統(tǒng)性價比提升+廣泛的商業(yè)應(yīng)用前景，使得基于大規(guī)模星座組網(wǎng)的商業(yè)航天應(yīng)用成為可能，為商業(yè)航天系統(tǒng)的發(fā)展提供了巨大的想象空間。

目前來看，國家行業(yè)需求仍然是商業(yè)衛(wèi)星市場需求主體。隨著OneWeb星座等項目的出現(xiàn)，國際上開始出現(xiàn)真正由商業(yè)資本投資、面向商業(yè)用途，甚至是大眾用戶的宇航項目，這預(yù)示著滿足消費級應(yīng)用的純商業(yè)模式可能實現(xiàn)，商業(yè)宇航時代或?qū)⒄嬲絹恚?/p>

宇航產(chǎn)業(yè)固有的技術(shù)門檻高、資金投入大、投資回報周期長等特點，是對所有參與商業(yè)航天的企業(yè)的長期考驗。在航天軍工企業(yè)商業(yè)轉(zhuǎn)型過程中，高性價比研制途徑將是企業(yè)面向商業(yè)市場的必然追求。高性價比作為商業(yè)航天發(fā)展的必要條件，涵蓋技術(shù)、管理諸多要素，是復(fù)雜系統(tǒng)的創(chuàng)新工程，需要大量的時間、經(jīng)費投入、長期摸索及大膽創(chuàng)新才能實現(xiàn)。

2 高性價比微小衛(wèi)星技術(shù)體系

模塊化體系構(gòu)架

借鑒工業(yè)（汽車等）領(lǐng)域的優(yōu)秀設(shè)計生產(chǎn)理念，以模塊化開放式的體系構(gòu)架完成微小衛(wèi)星的設(shè)計研制。單機產(chǎn)品接口及規(guī)格逐漸走向標(biāo)準(zhǔn)化，衛(wèi)星系統(tǒng)體系構(gòu)架逐漸實現(xiàn)模塊化和開放化。以標(biāo)準(zhǔn)模塊化的單機產(chǎn)品實現(xiàn)整星的功能，以開放式的構(gòu)架實現(xiàn)整星的批量化快速集成與測試。

商業(yè) 現(xiàn)貨產(chǎn)品空間應(yīng)用技術(shù)

商業(yè)現(xiàn)貨（COTS）產(chǎn)品具有成本低、標(biāo)準(zhǔn)化、批次一致性好、產(chǎn)量大、可獲得性好等優(yōu)點，國內(nèi)外宇航企業(yè)在COTS產(chǎn)品空間應(yīng)用方面已經(jīng)取得了豐碩的成果及經(jīng)驗。COTS產(chǎn)品空間應(yīng)用的主要局限在于空間環(huán)境適應(yīng)性，研究重點包括：篩選、加速壽命試驗技術(shù)、抗輻照加固技術(shù)、系統(tǒng)容錯技術(shù) 。

高性價比技術(shù)體系

高集 成度一體化綜合電子技術(shù)

高集成度一體化綜合電子技術(shù)，將傳統(tǒng)分立式星務(wù)、控制、測控、數(shù)傳、電源、GNSS等多個單機設(shè)備進行模塊化板卡綜合集成，形成一體化綜合電子單機，大大提高了星載電子系統(tǒng)的功能密度，有利于實現(xiàn)大規(guī)模商用星座的部署應(yīng)用，降低成本。研究重點：一體化綜合電子軟硬件架構(gòu)、模塊化功能板卡設(shè)計、機熱一體化設(shè)計。

星載軟件通用虛擬驗證技術(shù)

星載軟件通用虛擬驗證技術(shù)旨在利用純軟件的虛擬環(huán)境，模擬運行星載嵌入式軟件，無需硬件即可對嵌入式軟件進行測試與驗證，支持軟硬件并行開發(fā)，大幅降低成本、縮短周期。研究重點：虛擬驗證系統(tǒng)通用框架、虛擬處理器及外設(shè)技術(shù)、虛擬測試調(diào)度管理技術(shù)、分布式多軟件協(xié)同虛擬測試技術(shù)。

體系效能仿真評估技術(shù)

體系效能仿真評估是建設(shè)高性價比商業(yè)衛(wèi)星系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，其不再局限于傳統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)功能性能評估，而是直接面向商業(yè)應(yīng)用價值和用戶體驗，涵蓋天地一體，更為精細(xì)、全面、真實、量化的效能評估技術(shù)。研究重點：精細(xì)化多星系統(tǒng)建模、大規(guī)模星座仿真架構(gòu)、任務(wù)規(guī)劃優(yōu)化算法、應(yīng)用環(huán)境建模、效能量化評估方法。

智能自主管理技術(shù)

面對商業(yè)大規(guī)模星座組網(wǎng)系統(tǒng)，傳統(tǒng)衛(wèi)星運控模式負(fù)荷巨大，難以適應(yīng)需求，需采用智能自主管理技術(shù)，通過星地協(xié)同解決這一瓶頸。研究重點：智能自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)、星間智能協(xié)同控制技術(shù)、星座級故障智能診斷與系統(tǒng)重構(gòu)、星地協(xié)同智能任務(wù)分配技術(shù)、地面智能自主運控技術(shù)。最終目標(biāo)是基于星座級智能自主管理技術(shù)，實現(xiàn)用戶需求預(yù)訂、任務(wù)規(guī)劃、信息獲取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)產(chǎn)品分發(fā)等全流程、端到端自動化客戶服務(wù)。

可重構(gòu)計算技術(shù)

基于可重構(gòu)計算實現(xiàn)功能軟件化、硬件通用化，便于批產(chǎn)制造；同時，易于星座系統(tǒng)在軌功能重構(gòu)、升級，提升商業(yè)服務(wù)能力。研究重點：可重構(gòu)星載系統(tǒng)架構(gòu)、基于FPGA的可重構(gòu)計算技術(shù)、可重構(gòu)軟件技術(shù)。

高性能并行計算技術(shù)

基于工業(yè)并行流水線計算架構(gòu)及其軟件體系，采取冗余、容錯措施，研究星載高性能計算解決方案，提升星上實時處理能力，為實現(xiàn)星載大數(shù)據(jù)自動處理和智能信息提取應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。研究重點：定制化深度流水線計算架構(gòu)、工業(yè)高性能并行計算容錯技術(shù)。

衛(wèi)星工廠

面向大規(guī)模商業(yè)星座建設(shè)需求，為了提升衛(wèi)星制造產(chǎn)能，保證質(zhì)量穩(wěn)定性，降低成本，借鑒工業(yè)自動化生產(chǎn)線，從單機產(chǎn)品、整星兩個層面構(gòu)建衛(wèi)星工廠制造模式，實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，將是未來商業(yè)微小衛(wèi)星制造的重要形態(tài)。研究重點：單機產(chǎn)品采取模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、易組裝、支持自動化測試等設(shè)計措施，并批量投產(chǎn)，實現(xiàn)貨架化；整星工程通過借鑒其他行業(yè)，如飛機、汽車的流水線生產(chǎn)理念，形成生產(chǎn)線。

衛(wèi)星工廠理念

管理思路：精雕細(xì)琢的工藝品管理-->批量重復(fù)生產(chǎn)、特性高度一致的工業(yè)產(chǎn)品管理。

標(biāo)準(zhǔn)：符合商業(yè)化、規(guī)模化生產(chǎn)需求的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計：優(yōu)選COTS產(chǎn)品，輔以系統(tǒng)容錯設(shè)計、配套產(chǎn)品體系貨架化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化（不定制）、“面向批量生產(chǎn)”的優(yōu)化設(shè)計，而非單一性能優(yōu)化。

器件：充分應(yīng)用工業(yè)級器件，重在批量采購、板級篩選、系統(tǒng)容錯。

生產(chǎn)：自動化，保證批量產(chǎn)品/整星品質(zhì)一致性。

測試與試驗：單機和系統(tǒng)兩級應(yīng)用自動化測試與抽樣試驗方法、關(guān)注生產(chǎn)線的穩(wěn)定性，而非單個產(chǎn)品狀態(tài)。

從商業(yè)微小衛(wèi)星設(shè)計水平、產(chǎn)能需求，及現(xiàn)有工業(yè)自動化能力來看，建立完全自動化的衛(wèi)星工廠生產(chǎn)線仍待時日，但建立類似飛機制造的半自動微小衛(wèi)星批量生產(chǎn)線，則是現(xiàn)實可期的。

3 高性價比技術(shù)體系實踐探索

深圳東方紅通過開拓一號、脈沖星試驗衛(wèi)星兩型三星，對高性價比商業(yè)微小衛(wèi)星的研制理念進行了實踐探索，驗證了COTS產(chǎn)品空間應(yīng)用技術(shù)路線，打造了適應(yīng)多種應(yīng)用需求、成熟完備的高性價比微小衛(wèi)星產(chǎn)品體系。開拓一號于2015年9月20日，由CZ-6運載火箭一箭二十星發(fā)射。發(fā)射至今，在軌運行2年，圓滿完成各項試驗任務(wù)，運行穩(wěn)定，無常駐故障，無失效設(shè)備。脈沖星試驗衛(wèi)星基于COTS產(chǎn)品體系，歷時10個月完成研制，于2016年11月10日發(fā)射，已獲得蟹狀星云（Crab）脈沖星輪廓，以及低流量脈沖星觀測數(shù)據(jù)，圓滿實現(xiàn)了任務(wù)目標(biāo)，并公開發(fā)布了探測數(shù)據(jù)，目前進入擴展試驗階段。

開拓一號和脈沖星試驗衛(wèi)星在系統(tǒng)容錯設(shè)計、自主管理等方面進行了實踐探索。在系統(tǒng)容錯設(shè)計方面，采取了完備的異常診斷及處理措施，彌補了COTS產(chǎn)品在單粒子環(huán)境適應(yīng)性方面的不足，確保了系統(tǒng)運行穩(wěn)定。在自主管理方面，驗證了自主測控、自主指令生成等技術(shù)，簡化了星地操控接口，提升了衛(wèi)星自主能力。

工業(yè)星載機在軌應(yīng)用情況

開拓一號和脈沖星試驗衛(wèi)星星載機基于PC104標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)計算機現(xiàn)貨板卡研制，采用雙機冷備冗余，輔以EDAC，通過容錯設(shè)計確保了系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全。

衛(wèi)星平臺的系統(tǒng)容錯設(shè)計應(yīng)用情況

工業(yè)鋰電池在軌應(yīng)用情況

開拓一號和脈沖星試驗衛(wèi)星蓄電池采用18650工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)單體成組。在軌2年，7個串聯(lián)組之間最大電壓差異小于0．02V，表現(xiàn)出了極佳的一致性。此外，地面循環(huán)壽命試驗已突破1萬次循環(huán)。

工業(yè)硅電池片在軌應(yīng)用情況

開拓一號A星的太陽電池陣采用工業(yè)硅基太陽電池片成組，通過鍍膜及焊接工藝改進實現(xiàn)了空間應(yīng)用。在軌主要缺點是效率較低（初期約13%），且衰減較快，2年衰減了約35%。衛(wèi)星通過合理的設(shè)計裕度，確保了衛(wèi)星壽命期間的能源可靠保障。

工業(yè)相機在軌應(yīng)用情況

開拓一號A星搭載工業(yè)相機現(xiàn)貨產(chǎn)品開展了在軌驗證試驗。在軌試驗2年；開機試驗300余次，成像1900多幅；驗證了工業(yè)相機空間應(yīng)用可行性。

COTS產(chǎn)品以其極佳的一致性、便利的可獲得性，以及良好的在軌表現(xiàn)，證明了COTS產(chǎn)品空間應(yīng)用潛力。后續(xù)將持續(xù)推進高性價比技術(shù)體系研究，著力提升COTS產(chǎn)品空間應(yīng)用、智能自主管理等專業(yè)技術(shù)水平，進一步豐富產(chǎn)品體系，研究COTS產(chǎn)品長壽命應(yīng)用的技術(shù)可行性，為迎接商業(yè)航天時代的到來做好準(zhǔn)備。

4 結(jié)束語

通過探索和實踐，基于COTS產(chǎn)品體系的高性價比技術(shù)體系使對成本投入敏感的商業(yè)航天項目實施成為可能。高性價比技術(shù)體系和產(chǎn)品體系在未來的通信、遙感為代表的商業(yè)星座計劃的實施中，將得以充分實踐驗證。針對星座自主管理、工業(yè)化批生產(chǎn)模式等技術(shù)還需不斷探索，為批量化、星座是微小衛(wèi)星商業(yè)航天發(fā)展提供技術(shù)動力。