精致微納衛星設計與實踐

張偉 彭攀 沈朱泉 施偉璜 徐云東

(上海衛星工程研究所，上海 200240)

在商業航天市場蓬勃發展的背景下，微納衛星憑借其高功能密度，高性價比特點，通過規模化組網應用，發揮越來越大的作用，微納衛星批量化制造將成為必然趨勢。然而，目前對微納衛星的設計理念主要繼承于傳統產業，以面向單星制造為主，衛星集成過程相對復雜，對于批量化制造需求有一定的不適應性。同時，傳統對衛星的評價單純以衛星技術指標為標準，忽略了微納衛星高集成度、低制造成本所帶來的綜合優勢，無法全面的對微納衛星的市場競爭力進行評估[1-2]。隨著微電子、微機械等技術的快速進步，中國對于微納衛星的研究已取得新進展，由早期的“大衛星小型化”設計提升為“集成化、模塊化”設計[3-5]，衛星制造工藝和工序也不斷進行改進[6-8]。

本文面向商業航天市場微納衛星批量化設計制造需要，提出了一種精致微納衛星設計理念，從理念上對衛星設計流程進行變革，突破了傳統衛星各大系統劃分，將衛星分為綜合電子、姿軌控、電源和有效載荷4個功能模塊，通過“配置精簡化、結構虛擬化、功能軟件化”的設計方法，在實現模塊級集成的基礎上，進行整星二度集成化設計，有效提升了衛星的總裝、測試與試驗(AIT)效率，滿足微納衛星批量生產及市場競爭需要。同時，本文面向商業市場提出了微納衛星效費比評價體系，以微納衛星質量承載比、功率承載比和通信密度比這3個影響衛星應用效能的關鍵技術指標為關鍵因素，綜合衛星制造成本，對衛星的效費比進行評價，從而較為全面的對微納衛星的市場競爭力進行評估。

1 設計理念

傳統衛星由姿軌控、結構與機構、測控、電源、熱控、推進、綜合電子、有效載荷等分系統組成，整星以單機為單位進行集成，AIT過程較為復雜，通常適合單星研制任務。為實現快速設計、集成測試和批量化生產等要求，本文提出了精致微納衛星設計理念，該設計主要分為3個層次(見圖1)：①單機標準化。為滿足商業化微納衛星快速響應、低成本要求，基于商業貨架式產品建立通用化、標準化產品庫，以滿足微納衛星領域，高精度遙感、移動通信、數據采集轉發、科學試驗等典型衛星應用需求；②系統模塊化。以有效載荷為中心，對整星進行一體化設計，并形成對綜合電子模塊、姿軌控模塊、電源模塊和有效載荷模塊4個核心組成的需求，基于標準化單機，以模塊為單位，進行首度集成、測試；③整星二度集成化，基于4個組成模塊，進行快速總裝、集成及測試，最終完成整星研制。

圖1 精致微納衛星設計理念

1.1 單機標準化

實現單機標準化的關鍵是定義標準的單機接口和自適應的數據通信協議。根據接口需求，將單機接口類型分為低速總線通信接口、高速數據通信接口和電源接口，標準化單機接口類型和標準見表1。低速總線通信接口主要用于單機遙控指令和遙測數據傳輸，一般速率要求不高，可選用CAN2.0等串行通信總線；高速數據通信接口主要用于業務數據傳輸，根據業務數據量的大小，可選用中低速率的低電壓配電系統(LVDS)等接口和高速率的TLK2711等接口；電源總線接口主要用于單機供電，整星設計電源總線[9]，由單機根據指令，完成開關機操作，電源母線分為+12 V和+28 V兩種，分別用于小功率衛星平臺和大功率衛星平臺。

表1 標準化單機接口表

衛星通信接口采用自適應技術[10]，對衛星信息流進行統一規劃，形成標準協議規范。根據協議規范要求，綜合電子設置星載計算機為數據通信的主節點，星載計算機對各個模塊進行自動檢測和自動配置，從而實現各臺單機的高度自適應，滿足單機產品配置的靈活拓展。

1.2 系統模塊化

相較傳統衛星設計，精致微納衛星設計以有效載荷為中心，對整星進行一體化設計，根據學科及研制單位的特點，將衛星分成綜合電子模塊、姿軌控模塊、電源模塊和有效載荷模塊4個部分。對于整星的指標分解，將原先分配給分系統的應用性能指標直接分配給相應模塊，將原先分配給單機的力學、熱學指標及提出的接口要求，轉變為對模塊的熱學、結構設計要求。精致微納衛星以模塊為單位，進行首度集成、測試。衛星系統模塊化組成如圖2所示。

圖2 系統模塊化示意圖Fig.2 Modulated system

在衛星4個模塊中，綜合電子模塊是整星信息中樞，集成了星載計算機、測控應答機、數傳發射機、全球定位系統/北斗(GPS/BD)接收機、衛星大容量數據存儲等功能，負責衛星星務管理、姿軌控軟件運行、遙控、遙測、導航定位、數據管理、星地交互等任務；電源模塊是整星能源中樞，集成了電源控制器、蓄電池組和太陽電池陣功能，負責太陽能接收、能源存儲和補充、為其它模塊或單機提供配電等任務；姿軌控模塊集成了星敏感器、陀螺、飛輪、磁力矩器、推進產品等功能，負責衛星姿態測量、初始姿態控制、穩態控制、姿態應急與重補和軌道保持等任務；載荷模塊可包括遙感載荷、通信載荷、科學試驗載荷等多種類型，以導航增強載荷為例，載荷模塊包含了導航增強收發設備、天線等。精致衛星4個模塊如圖3所示。

圖3 精致微納衛星模塊組成圖Fig.3 Modules of exquisite micro-nano satellite

1.3 整星二度集成化

整星基于4個模塊進行二度集成。一方面，衛星的裝配僅需完成4個模塊間的機械接口安裝，以及典型接口的互聯，極大簡化了衛星裝配流程；另一方面，整星以4個模塊為基礎進行綜合電測試，取消了桌面聯試過程，有效簡化了測試環節，縮短了測試周期。精致衛星二度集成化過程如圖4所示。

圖4 整星二度集成化示意圖

2 設計方法

精致微納衛星的設計方法主要包括配置精簡化、結構虛擬化和功能軟件化3個方面。商業微納衛星低成本、輕量化設計需求決定了其無法沿用傳統通過單機冗余來提高衛星可靠性的方法，配置精簡化設計主要通過衛星功能退化方法來增強衛星在軌應用的魯棒性和容錯性；結構虛擬化設計是對整星結構的分布式設計，通過電纜預埋等手段，實現了衛星模塊級集成，為整星二度集成化設計奠定了基礎，同時該設計方法是衛星模塊級儲備的關鍵；衛星功能軟件化是以軟件為核心對衛星功能進行定義，將衛星應用任務需求直接轉化為對衛星軟件的技術輸入，實現了微納衛星設計的高度智能化。

2.1 配置精簡化

單機冗余是傳統衛星提高可靠性的常用手段，然而大量的單機冗余一方面增加了衛星質量、功耗的開銷；另一方面提高了衛星的制造成本。本文提出一種配置精簡化的設計方法，即衛星硬件配置最小化，通過系統功能冗余替代單機備份，簡化衛星配置。以常態下三軸對地穩定姿態控制系統為例(見表2)，正常情況下依靠星敏感器、磁強計/磁場表和陀螺確定姿態，依靠飛輪控制執行，并依靠磁力矩器進行卸載；當星敏感器出現故障情況下，可利用磁強計/磁場表和陀螺進行定姿；當星敏感器和陀螺出現異常的情況下，依靠磁強計/磁場表和太陽角計確定姿態；當星敏感器、陀螺和飛輪出現異常的情況下，衛星只能依靠磁力矩器控制執行。對于模式3和模式4，衛星已轉入對日定向模式，可利用衛星相對地球運動過程中的特定視場或特定波束，繼續發揮載荷的業務效能。在衛星單機發生異常的情況下，衛星通過系統功能工作模式的調整，發揮衛星當前模式下最大工作效能，以實現最大性價比。

表2 姿控模塊功能冗余對照表

2.2 結構虛擬化

基于整星力學需求，對整星結構進行分布式設計，由各個模塊面向單機機械接口，分別進行結構設計。結構板采用機電一體化設計，將電纜網、接插件等預埋入蜂窩夾層板，形成標準化機械接口，機、電一體化結構板示意如圖5所示。基于分布式結構設計、機電一體化結構設計，極大簡化了衛星電纜網設計，簡化了衛星裝配過程，降低了衛星工藝操作過程質量發生概率。

基于預埋式衛星結構板，各個模塊進行模塊級集成，并完成模塊級電測試、力學環境試驗和熱學等環境試驗，可實現衛星產品模塊級儲備，為微納衛星快速響應、規模化應用提供了可能性。

圖5 機電一體化結構板示意圖Fig.5 Mechatronic structural board

2.3 功能軟件化

圖6 軟件定義衛星架構Fig.6 Software defined satellite architecture

衛星功能軟件化主要表現為減少硬件投入，擴展軟件功能，提升整星智能化程度。精致微納衛星基于實時嵌入式操作系統建立了面向多任務的軟件定義衛星架構，如圖6所示，以軟件為核心對衛星功能進行定義，將衛星應用任務需求直接轉化為對衛星軟件的技術輸入。一方面，通過預設軟件接口對星載軟件功能進行配置，包括配置輸入軌道條件、任務規劃、飛行程序、衛星工作模式、載荷程控作業等參數信息，由星務軟件自動生成符合設計要求的任務層及應用層配置；另一方面，通過星務軟件自動識別基于標準化信息接口設計單機產品，自主完成數據通信及基本功能測試。通過面向多任務的軟件定義衛星架構，將傳統衛星研制過程中，衛星軟件設計、硬件接口調試、部分系統測試過程，改變為對衛星軟件的配置過程，是對整星設計的高度智能化。面向多任務的軟件定義衛星架構主要分為任務層、應用層、系統層、硬件層、配置模塊層。各層之間采用標準接口，便于層間的信息交換、軟件模塊的移植和重用、系統功能的增強和擴充[11]。軟件模塊對上實現功能的封裝和隔離，對下通過調用下層構件組裝其應有功能，實現層次化設計。軟件通過構件的形式封裝成相對獨立的功能，采用不同的構件實現系統軟件業務。軟件模塊具有標準接口，通過在調用時配置相應的參數完成規定的功能。

3 設計實踐

“精致微納技術試驗衛星”，是精致微納衛星設計理念與方法的首顆驗證星，采用精致系列綜合型衛星平臺。衛星任務是進行低軌導航增強技術驗證，同時裝載了進口先進船舶自動識別(AIS)載荷。“精致微納技術試驗衛星”于2017年11月15日凌晨由CZ-4C(Y21)運載火箭在太原衛星發射中心搭載發射入軌，截至目前，衛星工況穩定，載荷工作正常。衛星構型如圖7所示。

圖7 “精致微納技術試驗衛星”構型Fig.7 Exquisite Micro-nano Technology Experiment Satellite configuration

“精致微納技術試驗衛星”系統構成如圖8所示。衛星由綜合電子模塊、電源模塊、姿軌控模塊和有效載荷模塊組成。其中，綜電模塊包括星載計算機、測控應答機、GPS/BD、數傳發射機、大容量存儲等，電源模塊包括太陽電池陣、電源控制器、蓄電池組，姿軌控模塊包括星敏感器、微型陀螺、磁強計、三軸微飛輪、太陽角計、磁力矩器等。模塊內部組件經過統一模塊接口與外部總線相連。各模塊掛接在電源總線及遙控、遙測數據總線上，載荷模塊與綜電模塊直連，傳輸業務數據。經過整星二度集成設計的衛星系統間信號及電源耦合關系明顯降低。基于自適應控制的高精度微納衛星控制算法和線性霍爾傳感器的飛輪控制技術，解決了微納衛星高精度問題。

衛星主要技術參數見表3，衛星整星質量38.9 kg，最大輸出功率150 W，姿態穩定度0.003(°)/s，在國內外同類型衛星中處于先進水平；衛星導航增強載荷地面定位精度達30 cm，收斂時間為5 min，相較傳統導航系統定位精度提高了一個數量級，為實現實時厘米級定位精度奠定了理論及實踐基礎；衛星AIS載荷平均每天可識別2萬艘船舶或10萬條消息，填補了我國在天基AIS數據服務領域的空白，衛星AIS數據源穩定，已例行向我國軍隊、政府及商業用戶提供數據服務。

圖8 “精致微納技術試驗衛星”系統構成圖Fig.8 Diagram of Exquisite Micro-nano Technology Experiment Satellite system composition

名稱參數應用技術指標 導航增強 地面定位精度30cm,收斂時間5min(簡寫為30cm@5min)AIS載荷 每天識別2萬艘船舶或10萬條消息 衛星技術指標整星功耗 100W@10min/軌;50W@長期 輸出功率 最大150W,功率承載比2整星質量 38.9kg,質量承載比0.56姿態控制 三軸穩定,零動量控制姿態控制精度 測量精度≤0.05° (3?) 指向精度≤0.1°(3?) 穩定度≤0.003(°)/s(3?) 電源 9～13.5V母線,20Ah鋰離子蓄電池 太陽翼 三結砷化鎵,0.96m2,±120°擺動 設計壽命 12個月

4 評價體系與技術對比

4.1 評價體系

傳統對衛星的評價是單純以衛星技術指標為標準，應用于微納衛星領域時，片面地強調技術指標，忽略了微納衛星高集成度、低制造成本所帶來的市場綜合優勢，無法直接應用于微納衛星市場競爭力的比較。本文提出了一種面向商業市場的微納衛星效費比的評價體系，通過結合衛星的應用效能和制造成本，對衛星的效費比進行評價，較為全面地對微納衛星的市場競爭力進行評估。本評價體系所適用的微納衛星領域作為商業航天產業中成熟度最高也是競爭最為激烈的業務領域，具備如下兩項顯著的特點。

(1)面向商業市場應用的微納衛星，盈利是其根本目的。在壓縮成本的同時提升效益，實現費用效益比的最小化，方能確保產品的核心競爭地位。

(2)在業務效能上，微納衛星星座與傳統大衛星相比有顯著優勢。通過大量衛星的星座組網，可實現系統的擴展和重構，可在顯著提升系統可靠和穩定度同時，靈活的適應各類應用任務的需求。

綜合以上因素，提出了商業微納衛星的評價指標體系(見表4)。

表4 商業微納衛星指標評價體系

該評價體系考慮的指標包括業務性能、可用性、運行管理、成本等，均為評價商業微納衛星的通用指標，與具體項目無關，因此具有通用性。通過系統性全方位的分析，可評價項目的發展潛力和市場價值，幫助企業制定適宜的產品定位和推廣策略，有助于構建整個微納衛星行業的良性發展局面。

在此指標體系基礎上，為綜合反映商業微納衛星的總體水平，引入全生命周期的效費比 (RIO)模型表示

(1)

全周期系統效益由單星業務性能、可用性及系統運行能力來表征。平臺可用性的提升，可以成倍的提升單星的業務性能，因此此處用乘積體現綜合效益。在此基礎上，單星組成星座系統后的效益，首先應是所有單星的疊加，衛星數量用N表示；而微納衛星星座系統的優勢是能在系統網絡化構架的基礎上成指數級的提升數據采集和處理能力，同時能在單星異常的情況下通過系統優化和重構，確保系統業務穩定性，發揮系統效益。因此，此處通過疊加系數k，來體現系統自動化網絡化的運行管理能力對系統性能的指數級提升量級。

效費比函數給出了商業微納衛星評價的基礎模型，采用關鍵因子分析法，通過凝練其核心影響因素，并進行定量分析，從而實現不同衛星項目的對比評價。對于一個既定項目，成本已通過合同限定(即C恒定)，因此如何利用已有成本創造最大效益成為企業的戰略重心。衛星的效益體現為系統效益與單星效益的疊加，單星效益可包含載荷效益和平臺效益。由于同一個項目中，衛星顆數、載荷的業務能力已在用戶需求中加以限定(即O恒定、p1恒定)，因此單星效益提升主要體現在平臺效益。通過將關鍵影響因子提煉后可以得出，在典型三軸穩定的中高精度姿態穩定控制系統中，平臺效益可以通過以下3項關鍵因子進行表征。

(1)質量承載比：

(2)

式中：ML為最大承載質量，MP為衛星除載荷部分質量。

(2)功率承載比：

(3)

式中：PL為最大承載功耗，PP為衛星除載荷部分功耗。

(3)通信密度比：

(4)

式中：CL為衛星最大數據傳輸速率，MP為衛星除載荷部分質量。

通過關鍵因子分析法，商業微納衛星效費比評價函數可簡化為

R∝(RB,RP,RC)

即：

(5)

結合衛星設計特點，精致微納衛星主要分為基本型、高功率型、高精度型和綜合型，根據RIO模型，提出精致系列衛星指標體系(見表5)，以滿足不同類型的市場應用需求。

表5 精致系列衛星技術指標體系

4.2 技術對比

以精致系列高精度型平臺為例，對比薩瑞公司同級別、相近應用衛星平臺SSTL-X50。SSTL-X50整星質量150 kg時達到最大承載質量45 kg，此時最大承載功耗85 W，衛星平臺長期功耗80 W，最大數傳速率500 Mbit/s。兩者質量相當，同為三軸穩定姿態控制系統，姿控精度及穩定度處于同一量級，因此符合RIO評價前提，具有可比性。通過RIO模型分析結果見表6，精致系列高精度型衛星各參數均優于SSTL-X50平臺[12]，其中質量承載比、功率承載比明顯優于SSTL-X50平臺。通信密度比基本相當。因此，精致高精度型平臺可以滿足更大質量、更大功率載荷應用需求，從而使精致高精度型衛星的通信密度比更加優于SSTL-X50平臺。

表6 精致系列高精度型與SSTL-X50指標比對

5 結束語

為契合商業航天快速發展的市場形勢，滿足微納衛星標準化、批量化制造要求，本文提出了“單機標準化、系統模塊化、整星二度集成化”的精致微納衛星設計理念和“配置精簡化、結構虛擬化、功能軟件化”的設計方法，成功實踐了“高承載、高精度、高速率、高功率衛星設計”。提出的面向商業市場的微納衛星效費比評價體系，綜合微納衛星高集成度、低制造成本優勢，更全面、客觀地對微納衛星進行評價。精致微納衛星的設計以商業市場應用為導向，升級設計理念，改進設計方法，為傳統衛星的高集成、高功能密度發展提供了新的思路，為新形勢下微納衛星設計技術的變革探索了新的方向。