納型衛(wèi)星研制關(guān)鍵技術(shù)

(清華大學精密儀器系，北京 100084)

納型衛(wèi)星泛指質(zhì)量為10千克級的航天器，最早的發(fā)射可追溯到20世紀50年代[1-2]。近年來，微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的蓬勃發(fā)展極大地推動了航天器微型化與高度集成的進程，而納型衛(wèi)星因其體積功耗小、研發(fā)快捷、應(yīng)用靈活等優(yōu)勢，展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景[3-4]。當前，納型衛(wèi)星不但在空間態(tài)勢感知、遙感監(jiān)測、測控通信、科學探測和新技術(shù)試驗中發(fā)揮著重要的作用，而且已經(jīng)從單星應(yīng)用向多元化、高性能、分布式空間系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展[5-6]。因此，以微型化技術(shù)和智能技術(shù)為核心，以輕量化、低成本與高性能為特征的納型衛(wèi)星，是目前航天技術(shù)發(fā)展的重要方向之一[7]。

國內(nèi)外相繼開展了大量微納型衛(wèi)星研制和在軌試驗，例如“同步定位、執(zhí)行、重定向試驗衛(wèi)星”(SPHERES)[8]、“無線電探索者”(RAX)衛(wèi)星[9]、“教育衛(wèi)星”(EduSAT)[10]、“迷你衛(wèi)星”(FITSAT)[11]及納星1號(NS-1)，取得了眾多理論和實踐成果。2015年，長征六號首飛的“一箭二十星”項目，是我國微納型衛(wèi)星試驗的里程碑事件，將工業(yè)部門、商業(yè)公司及高校等多家單位研制的衛(wèi)星成功送入軌道。隨后的長征十一號運載火箭實現(xiàn)了快速響應(yīng)發(fā)射，同樣搭載了納型衛(wèi)星。包括西北工業(yè)大學、哈爾濱工業(yè)大學等多所高校參與的QB50計劃，是一項全球性的納型衛(wèi)星研發(fā)活動，再次推動了國內(nèi)納型衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展。

納型衛(wèi)星具有突出的性能優(yōu)勢和組網(wǎng)的巨大潛力，在航天活動中發(fā)揮著不可替代的作用，具有極高的戰(zhàn)略意義[12-13]。但是，其低成本研制與長期可靠運行之間構(gòu)成了一對矛盾；微型化的迫切需求與現(xiàn)有空間光機電部組件/分系統(tǒng)的體積功耗水平相互制約；同時，納型衛(wèi)星的資源限制與遙感、通信、導航等高性能載荷應(yīng)用[14]之間形成了掣肘。針對上述3項工程問題，本文對多學科優(yōu)化和總體架構(gòu)設(shè)計、微機電部件原理和研制以及高性能空間載荷應(yīng)用的3個層次進行分析，提出利用多學科優(yōu)化結(jié)合模塊化設(shè)計的低成本衛(wèi)星研制方法，配合最小系統(tǒng)與即插即用架構(gòu)，提高衛(wèi)星在軌運行的可靠性；通過自主研制基于微機電系統(tǒng)技術(shù)的星上器/部件，實現(xiàn)在納型衛(wèi)星平臺上的在軌驗證與應(yīng)用；針對微納型衛(wèi)星在空間任務(wù)中的相對測量及對地遙感等需求，進行了新型有效載荷的設(shè)計及研究。相關(guān)研究成果通過成功研制的納星2號(NS-2)得到驗證，并在吉林1號衛(wèi)星星座、珠海1號衛(wèi)星星座等80余顆商業(yè)衛(wèi)星，以及探月工程、高分專項等10余個航天器上進行了批量化應(yīng)用。

1 基于多學科優(yōu)化的納型衛(wèi)星平臺研制

相比而言，納型衛(wèi)星在體積、質(zhì)量、功耗、成本等方面存在苛刻約束，需要面對長期高性能在軌工作的挑戰(zhàn)。為解決這一問題，在設(shè)計過程中，要打破傳統(tǒng)衛(wèi)星分系統(tǒng)式的設(shè)計建造模式，采用涵蓋力、熱、光、電、磁和空間輻照等的多學科綜合優(yōu)化手段。結(jié)合納型衛(wèi)星多使用高性能商用器件，以提高系統(tǒng)性能、功能密度和降低成本，以及在軌運行時通常以短時高性能需求為主的基本特點，提出了一種全時運行基本功能高可靠和任務(wù)期間擴展功能高性能的優(yōu)化設(shè)計方法，建立了以最小系統(tǒng)為核心，以即插即用為手段的納型衛(wèi)星平臺開放型、擴展式設(shè)計理念，見圖1。

注：PCB為印制電路板。

圖1 基于最小系統(tǒng)的衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)

Fig.1 Satellite architecture based on the minimum system

本文搭建了航天器分布式設(shè)計優(yōu)化環(huán)境系統(tǒng)(SDIDE)，利用通用多學科優(yōu)化設(shè)計環(huán)境iSIGHT集成各學科分析工具，如STK、Matlab、UG NX、I-DEAS、ANSYS等軟件(如圖2[15]所示)。將不同學科的設(shè)計工具集成起來協(xié)同工作，通過設(shè)計過程的自動化來縮短研制周期，系統(tǒng)在設(shè)計方案自動尋優(yōu)的過程中同時也提高了設(shè)計質(zhì)量。

圖2 SDIDE系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 System structure of SDIDE

構(gòu)建基于體裝太陽電池陣及供配電、遙測遙控和射頻一體化的高可靠標準化的最小系統(tǒng)，以擺脫衛(wèi)星系統(tǒng)對姿態(tài)控制、熱控制等的過分依賴，保證其在衛(wèi)星全生命周期的高可靠工作。在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，衛(wèi)星可擴展高性能星務(wù)、姿態(tài)軌道控制、有效載荷等分系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)不再是單純追求以高等級器件保證系統(tǒng)的高可靠性，而是以任務(wù)需求為牽引，通過系統(tǒng)級冗余設(shè)計和故障可恢復設(shè)計保障高性能任務(wù)的執(zhí)行。衛(wèi)星發(fā)射入軌后，先進行最小系統(tǒng)的遙測遙控，確認正常工作后，再開啟星上計算機、姿態(tài)軌道控制與有效載荷等分系統(tǒng)完成任務(wù)。當衛(wèi)星運行出現(xiàn)故障時，則退回最小系統(tǒng)并重新進入衛(wèi)星啟動的初始化步驟。這樣的設(shè)計簡化了測試流程，提高了系統(tǒng)的魯棒性。

為實現(xiàn)衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，使設(shè)計流程更為平滑，并與多學科優(yōu)化方法充分結(jié)合，提出一種基于即插即用技術(shù)的方法，可實現(xiàn)由能源單元、遙測遙控單元及射頻單元組成的高可靠最小系統(tǒng)。突破傳統(tǒng)通信通道“一對一”的數(shù)據(jù)傳輸模式，采用通信設(shè)備上電自舉識別方法，建立穩(wěn)定的“一對多”拓撲結(jié)構(gòu)的物理層到系統(tǒng)層鏈路。該方法在NS-2納型衛(wèi)星任務(wù)中完成在軌試驗，實現(xiàn)了硬件接口、衛(wèi)星功能部件級的即插即用，有效保證了綜合電子系統(tǒng)的應(yīng)用靈活性和可擴展性，滿足快速研制和空間任務(wù)快速響應(yīng)的需求，能促進納型衛(wèi)星的標準化設(shè)計和開發(fā)建造。

基于高可靠最小系統(tǒng)的即插即用衛(wèi)星平臺，以微機電部件實現(xiàn)微型化高性能的系統(tǒng)擴展，如加入姿態(tài)軌道測量與控制分系統(tǒng)、有效載荷分系統(tǒng)等，在納型衛(wèi)星上實現(xiàn)角秒級的姿態(tài)測量和0.05(°)/s的三軸穩(wěn)定控制，能確保在納型衛(wèi)星上完成遙感、通信、空間攻防等系列高性能任務(wù)，并為編隊飛行、分布式遙感、全球覆蓋等戰(zhàn)略性任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

基于多學科優(yōu)化研制的NS-2納型衛(wèi)星(見圖3[16])，于2015年發(fā)射并成功開展了多項新技術(shù)試驗，在軌運行時間超過了2年。

圖3 NS-2納型衛(wèi)星Fig.3 NS-2 nanosatellite

2 面向空間應(yīng)用的高性能微機電器/部件技術(shù)

納型衛(wèi)星平臺要求搭載的器件體積小、質(zhì)量輕、功耗低，以MEMS器件為代表的微機電技術(shù)的應(yīng)用，為航天活動提供了新的可能。針對空間光學敏感器、慣性敏感器及MEMS開關(guān)等典型微機電器/部件，開展原理研究、樣機試制與搭載測試，成功實現(xiàn)在軌應(yīng)用。

2.1 空間高性能低功耗MEMS陀螺

本文設(shè)計一種帶應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的MEMS陀螺，結(jié)合特有的熱平衡設(shè)計及振動隔離技術(shù)，相比傳統(tǒng)陀螺耐受振動和沖擊影響的能力提高了30倍，同時能有效降低慣性測量系統(tǒng)的串擾噪聲；提出了基于IP核的全數(shù)字化測控硅基MEMS陀螺技術(shù)，相比模擬電路溫度穩(wěn)定性提高一個數(shù)量級以上，可實現(xiàn)高性能的內(nèi)部復雜控制算法，針對該陀螺研究的標度因數(shù)自補償技術(shù)，可使標度因數(shù)全溫變化減小到0.1%[17]。上述設(shè)計面向空間熱應(yīng)力、發(fā)射高沖擊、標定高精度等衛(wèi)星平臺對MEMS陀螺的需求開展，相比常規(guī)產(chǎn)品更具有在軌應(yīng)用潛力。

圖4 硅基MEMS陀螺樣機及在軌測試曲線

2.2 MEMS扭擺諧振式磁強計

本文提出并實現(xiàn)了一種新的具有對稱式結(jié)構(gòu)及多層線圈的高靈敏度扭擺諧振式磁強計，通過折疊梁結(jié)構(gòu)、雙層激勵線圈等設(shè)計提高了系統(tǒng)靈敏度及品質(zhì)因數(shù)(Q值)。研制時突破了基于系統(tǒng)集成的雙層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)工藝，采用聚酰亞胺作為絕緣層，解決了硅-玻璃鍵合后淀積氮化硅等一系列工藝難題?；诓顒与娙莘糯?、高頻信號調(diào)制及同步解調(diào)原理，研制完成高精度信號檢測電路；基于自激振蕩和線圈反饋的雙重閉環(huán)，實現(xiàn)大諧振頻率范圍內(nèi)的鎖頻驅(qū)動，以減小靈敏度溫漂，提高線性度和穩(wěn)定性，降低功耗。

圖5[18]為研制的MEMS磁強計工程樣片，基于此樣片研制了MEMS磁強計工程樣機，質(zhì)量44 g，體積42 mm×42 mm×20 mm，功耗0.35 W。圖6(a)[19]為樣機地面測試曲線，測試結(jié)果顯示：磁場分辨率優(yōu)于30 nT，量程大于30 μT，靈敏度優(yōu)于400 mV/μT。該樣機成功在NS-2納型衛(wèi)星上開展了搭載試驗，與星上姿態(tài)控制系統(tǒng)中的商用磁強計測量數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果表明，變化趨勢一致(見圖6(b))，相關(guān)度達0.996 6，功能滿足空間應(yīng)用要求。

圖5 MEMS磁強計結(jié)構(gòu)及樣片F(xiàn)ig.5 Structure and sample of MEMS magnetometer

注：APS為主動像素傳感器。圖6 MEMS磁強計樣機測試結(jié)果Fig.6 Test results of MEMS magnetometer prototype

2.3 高性能納/皮型光學敏感器

高精度的光學姿態(tài)測量技術(shù)是衛(wèi)星提升性能的核心和關(guān)鍵，決定著衛(wèi)星的能力和技術(shù)水平。太陽敏感器、星敏感器等傳統(tǒng)光學姿態(tài)敏感器體積尺寸比較大，很難在納型衛(wèi)星上應(yīng)用。針對光學成像視場和分辨率相互制約的難題，本文提出在單一感光探測器(感光邊長為ld)上實現(xiàn)多視場(FOV)n編碼復用的高精度大視場成像原理，設(shè)計集256個視場編碼孔徑(掩膜層相鄰視場的間距為dm，單個視場寬度為lm)與16 384個目標成像孔徑于一體的MEMS光線調(diào)制與目標識別方法(見圖7[20])，解決了120°大視場角下空間目標角秒級定位的難題；針對空間多目標高分辨率成像與高更新率讀出無法兼容的難題，提出一種卷簾式多目標成像與姿態(tài)測量方法(見圖8)，通過每顆恒星在探測器上的成像位置和時間(xk，yk，Tk)的關(guān)系來進行姿態(tài)遞推，每當獲取第k+1個星點，即獲得了第k+1個觀測矢量wk+1及其對應(yīng)恒星的參考矢量vk+1，再結(jié)合上一個(第k個)星點所獲取的姿態(tài)四元數(shù)及角速率的信息狀態(tài)(Kk/k，wk)，實現(xiàn)最優(yōu)的當前姿態(tài)和角速率狀態(tài)的估計(Kk+1/k+1，wk+1)，從而達到姿態(tài)測量更新率提升10倍以上(1000 Hz)。研制的太陽敏感器和星敏感器(見圖9)質(zhì)量皆小于100 g，精度均能達到角秒水平。

注：n為視場編號；lpattern為光線調(diào)制器上孔徑區(qū)域的總長度；h為光線調(diào)制器與圖像探測器的距離。

圖7 MEMS光線調(diào)制與目標識別方法原理

Fig.7 Principle of MEME light modulation and target identification method

圖9 原理實現(xiàn)與產(chǎn)品應(yīng)用Fig.9 Principle implementations and production applications

2.4 低功耗高可靠空間應(yīng)用MEMS開關(guān)

作為電氣系統(tǒng)中最基本的一類重要器件，開關(guān)在各類航天器，特別是衛(wèi)星系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的功能和作用。MEMS開關(guān)，尤其是靜電驅(qū)動MEMS開關(guān)優(yōu)異的性能，能夠很好地滿足衛(wèi)星平臺與載荷等各分系統(tǒng)模塊對大量開關(guān)器件提出的體積小、質(zhì)量輕、功耗低和可靠性等需求。本文通過拓撲優(yōu)化等方法對MEMS開關(guān)器件的驅(qū)動電極進行綜合優(yōu)化設(shè)計，提高其驅(qū)動力，研制了具有驅(qū)動力增強特性的靜電驅(qū)動MEMS開關(guān)器件，解決了衛(wèi)星總線標準電壓無法可靠驅(qū)動MEMS開關(guān)的難題；同時，通過低剛度微結(jié)構(gòu)緩沖MEMS開關(guān)的機械彈跳，可基本消除開關(guān)電極觸點的機械彈跳對其電學性能的負面影響。研制的MEMS開關(guān)器件結(jié)構(gòu)及樣片如圖10[21]所示，封裝后質(zhì)量為3 g，驅(qū)動功耗為0.1 nW，斷開電阻優(yōu)于100 GΩ，耐壓指標優(yōu)于28 V。在額定電流100 mA時，其電學壽命超過了10萬次(見圖11[22])。

圖10 MEMS開關(guān)器件結(jié)構(gòu)及樣片F(xiàn)ig.10 Structure and sample of MEMS switch

圖11 MEMS開關(guān)100 mA工作電流壽命測試曲線Fig.11 Lifetime test curve of MEMS switch under working current of 100mA

3 適用于納型衛(wèi)星平臺搭載的有效載荷技術(shù)

3.1 空間MEMS掃描鏡

針對空間目標探測的應(yīng)用需求，本文提出一種雙壓電差分驅(qū)動杠桿式MEMS掃描鏡結(jié)構(gòu)(如圖12[23]所示)，通過并聯(lián)電感阻抗匹配降低雙頻驅(qū)動壓電陶瓷功耗的方法，實現(xiàn)MEMS掃描鏡在不高于5 V驅(qū)動電壓下的大掃描角驅(qū)動。針對微型二維掃描鏡扭轉(zhuǎn)和彎曲運動角度測量耦合問題，建立微型二維掃描鏡在二維運動時柔性梁的力學分析模型，提出一種基于壓阻傳感器的偏轉(zhuǎn)角解耦測量方法，分別實現(xiàn)微型二維掃描鏡在扭轉(zhuǎn)和彎曲2個方向上偏轉(zhuǎn)角的高精度測量。針對高應(yīng)力、循環(huán)載荷的諧振式MEMS掃描鏡疲勞失效問題，設(shè)計一種光楔式放大MEMS掃描鏡光學掃描角的封裝結(jié)構(gòu)，在同樣光學掃描角情況下，可有效降低掃描鏡機械擺角，從而降低器件實際工作應(yīng)力，有利于提高MEMS掃描鏡的壽命。

基于MEMS掃描鏡，設(shè)計一種微型化的激光掃描探測系統(tǒng)(如圖13所示)，采用粗精測尺相結(jié)合的相位式激光測距法，實現(xiàn)對空間非合作目標的方位與距離的探測與測量。研制的微型掃描探測系統(tǒng)樣機質(zhì)量313 g，功耗2.85 W。其測試及分析表明：掃描角度達41.2°×41.0°，角度測量精度最高可優(yōu)于0.1°，1 km以內(nèi)測距精度達3.1 m。

圖12 杠桿式MEMS掃描鏡結(jié)構(gòu)及樣機Fig.12 Structure and prototype of lever MEMS scanning mirror

圖13 微型掃描探測系統(tǒng)樣機Fig.13 Prototype of micro scanning detection system

3.2 一體化智能載荷

面向納型衛(wèi)星光學遙感等任務(wù)需求，本文提出微納光學姿態(tài)敏感器與遙感相機一體化的智能載荷技術(shù)(見圖14)。利用十二等星的提取識別和亞秒級恒星探測與姿態(tài)測量技術(shù)，開展星敏感器與遙感相機同時星空成像與在軌定位試驗。

圖14 星敏感器與遙感相機同時星空成像識別技術(shù)及一體化標定Fig.14 Imaging identification technology and integrated calibration based on star of star sensor and remote sensing camera

在傳統(tǒng)的應(yīng)用中，多采用星敏感器姿態(tài)測量與相機地面靶標場測試相結(jié)合的標定方式。地面靶標場受到地理位置、大氣環(huán)境的影響比較嚴重，同時，衛(wèi)星也需要進行側(cè)擺機動等測試，測試時間少，效果很難得到保證。本文通過對在軌飛行過程中智能載荷的工作特點進行分析，發(fā)現(xiàn)利用衛(wèi)星的姿態(tài)調(diào)整，使星敏感器和遙感相機同時對背景星空成像，可實現(xiàn)兩者的一體化背景星空的內(nèi)外方元素自主標定。通過理論分析和試驗驗證，成功實現(xiàn)了遙感成像系統(tǒng)焦距、主點、畸變等的亞角秒級自標定，以及遙感相機自身與星敏感器的外方元素角秒級互標定，解決了長期以來一直無法擺脫地面靶標系統(tǒng)的難題，使納型遙感成像系統(tǒng)的定位水平提升了1個數(shù)量級，達到10米級水平。

4 結(jié)束語

本文利用微機電系統(tǒng)、集成電路等領(lǐng)域的最新成果以及設(shè)計理念與方法，通過研究新型微型化功能器/部件，探索以MEMS技術(shù)為代表的微納型技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。同時，自主發(fā)展以納型衛(wèi)星為代表的微型航天器及其應(yīng)用技術(shù)，開展納型衛(wèi)星的設(shè)計、制造、測試技術(shù)研究。針對資源嚴重受限條件下納型衛(wèi)星高性能應(yīng)用需求，基于低功耗高性能微機電器/部件，開展基于多學科優(yōu)化的納型衛(wèi)星平臺研制，并實現(xiàn)了在軌高效運行，為納型衛(wèi)星的高集成度和輕量化打下基礎(chǔ)，推動了納型衛(wèi)星走上遙感成像、通信導航等高精度主戰(zhàn)場的進程。