高分多模衛星構型與總體布局設計及驗證

王騰 范立佳 楊文濤 祖家國 張國斌 羅文波 張玲

(1 中國空間技術研究院遙感衛星總體部,北京 100094) (2 北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

隨著遙感衛星的發展，分辨率的提升和觀測范圍的增大一直是各國航天工程人員不斷追求的目標。相機口徑的提升，可提高衛星空間分辨能力[1]；軌道提升、視場增大可以擴大地面觀測范圍。大幅提高衛星快速姿態機動能力，也可使衛星觀測范圍增大、重訪周期縮短。受到國外世界觀測(WorldView)系列衛星啟發[2]，我國在“十二五”期間進行了相關敏捷衛星平臺的攻關，攻克了相關的關鍵技術。“十三五”期間，以中型敏捷遙感衛星公用平臺為基礎的高分多模衛星獲得立項。高分多模衛星主要任務是對地球表面進行0.5 m全色和2 m多光譜的遙感成像觀測，具有多種敏捷成像模式、長壽命、高數據率圖像傳輸等特點。衛星分辨率高，要配置大口徑相機，需解決大口徑相機與平臺適配問題[3-6]。衛星觀測范圍大、重訪周期短，依賴于敏捷成像實現，需提高敏捷機動能力。衛星動中成像，圖像幾何定位精度高，需解決在軌光軸穩定性等問題。

本文衛星采用中型敏捷遙感衛星公用平臺，充分繼承了平臺構型特點。針對高分多模衛星任務需求，分析其對構型與總體布局的要求，從構型和總體布局出發，給出了相關要求的技術解決途徑，并完成相關的技術驗證。分析試驗、在軌表現等結果均表明：衛星平臺構型與總體布局，滿足衛星任務對構型布局的要求，實現了衛星相關任務指標。

1 任務分析

高分多模衛星作為一顆中型敏捷衛星，其任務特點明確，即：高分辨率、敏捷成像、高圖像定位精度。從衛星任務衍生出對平臺構型與總體布局的設計要求。

1)高分辨率要求需要衛星配備更強大的相機

為了實現高分辨率，高分多模衛星主相機主鏡口徑達到1 m，焦距達到10 m。大尺寸規模的相機占據星上較大空間，直接影響衛星構型，相機安裝適配對布局設計挑戰大，同時需考慮相機電纜、散熱面、遮光罩等的布局和總裝操作相關問題。

2)敏捷成像需要衛星具備高機動能力

為了提高敏捷成像能力，需要提高衛星姿態機動能力，一方面配置大力矩的驅動裝置，另一方面減小整星轉動慣量規模。敏捷成像帶來衛星姿態的大幅度變化，也對星上天線等敏感器指向提出更高適應性要求，影響敏感器的布局設計。

3)高圖像定位精度需要衛星保證相機光軸穩定性

為了實現高圖像定位精度，對光軸穩定性提出更高要求。光軸穩定性包括兩方面，即相機光軸自身在軌的穩定性和對相機光軸(整星)指向測量的準確性。相機光軸自身穩定性，受平臺的影響包括平臺結構的熱變形影響，平臺機構部件等轉動帶來的擾動影響。對相機光軸(整星)指向測量的要求提高，一方面提高測量裝置的測量精度，高分多模衛星配置3臺甚高精度星敏感器；另一方面分析測量裝置與相機光軸關系夾角變化的影響因素。

同時，因衛星研制周期短，構型與總體布局設計需考慮模塊化、并行研制的設計思路；考慮總裝測試操作便捷，易于實現。

2 構型與總體布局設計

高分多模衛星構型與總體布局設計包含兩大部分內容，即平臺的構型與布局設計和載荷布局設計。下文分別從這兩部分展開介紹。

2.1 平臺構型與布局設計

衛星包括平臺+太陽翼+載荷。其中，平臺主截面為1400 mm×1400 mm的矩形，采用兩艙設計，上艙為設備艙，下艙為服務艙。主載荷位于設備艙頂部。配置兩副二維二次高剛度太陽翼位于平臺兩側。衛星采取縱軸對地飛行姿態。平臺模塊化構成見圖1。

圖1 平臺模塊化構成Fig.1 Platform modular structure

平臺采用緊湊化、模塊化的布局設計。兩艙結構采用“框梁+箱板”的結構型式。傳力形式簡單，易于實現結構高剛度設計；兩艙接口簡單，易于實現模塊化設計，并行總裝。電子學設備采取外掛布局設計，針對電源等分系統設備分區布局，易于實現電纜優化設計，設備總裝測試操作可達性好。服務艙底部布置對天面測控天線等指向性要求設備。考慮敏捷機動姿態變化，雙導航天線布局采取偏置一定角度，并對稱布局。

推進模塊位于服務艙頂部，充分利用了艙內空間。采用組元推進系統，通過配置不同容量貯箱，可以使用不同的軌道維持和軌道控制要求。作為獨立模塊，可提前進行管路焊接，與整星主線并行開展，大大縮短研制周期。

控制力矩陀螺(CMG)群作為獨立模塊，易于實現整體隔振。CMG群位于服務艙內部，充分利用服務艙艙內空間。同時CMG群遠離主載荷，通過延長傳遞路徑可降低擾動對載荷影響。CMG支架采用“五棱錐”形式，與服務艙四立柱通過隔振裝置連接，實現整體隔振，提高微振動抑制效率[7]。通過以上設計方案，充分利用星體空間將星體慣量壓至最小。

衛星配置二維二次可展開高剛度太陽翼[8]，提高整星剛度，降低慣量。太陽翼采取并聯方式，單翼三塊板，單翼面積達到約8 m2。并聯太陽翼有效縮短太陽翼質心與衛星距離，減小整星慣量。太陽翼單板采用加厚鋁蜂窩夾芯設計，提高單板剛度。根鉸、板鉸采用高剛度設計，提高了太陽翼展開后剛度。

星箭接口采用四點解鎖，延續主承力結構傳力簡單理念。采用四點爆炸螺栓連接衛星與運載火箭，實施簡單，解鎖分離可靠。

從平臺方面看，衛星構型與布局設計具有多個創新點。

1)平臺模塊化設計

中型敏捷遙感衛星公用平臺實現了平臺模塊化設計。設備艙、服務艙、推進模塊、CMG模塊、太陽翼模塊等尺寸合理、接口簡單，可獨立總裝，并行開展，縮短研制周期。

2)并聯隔振的理念和實現

CMG群的集成化布局，使并聯隔振的理念得以實現。同時具有總裝操作簡單、測試便捷的優勢。

3)高剛度+小慣量的平臺結構布局

四立柱+艙板的結構布局，實現了傳力簡單、高剛度的平臺設計。艙內設備緊湊化布局，滿足設備分區要求，設備外掛易于總裝測試實施。

2.2 載荷平臺一體化設計

從整星對光軸穩定性、小慣量的設計要求，以及總裝測試操作可達性的需求，圍繞高分辨率相機為核心進行一體化設計。考慮緊湊化布局，增加遮光罩的設備安裝功能，完成圍繞相機遮光罩的一體化設計，見圖2。

圖2 以高分辨率相機為核心的一體化設計Fig.2 Integrated design centered on high-resolution camera

1)圍繞高分辨率相機的一體化設計

高分辨率相機通過相機柔性適配裝置安裝在設備艙上。相機與平臺載荷適配結構間設計有相機柔性適配裝置，實現對衛星平臺在軌熱變形釋放、在軌微振動抑制的作用。

為滿足星敏感器與相機間高穩定安裝關系要求，星敏感器與相機采用一體化構型及安裝方式，星敏感器通過支架直接安裝在相機主承力框上，最大程度減小相機與星敏感器間結構路徑，見圖3；星敏感器支架和相機主體采用狀態一致的機熱一體化設計，提高支架與相機、星敏感器兩個安裝面之間穩定性，保證星敏感器-相機光軸夾角的在軌穩定性。

圖3 星敏-相機一體化構型示意圖Fig.3 Schematic diagram of the integrated configuration of the star sensor and camera

為了減小整星轉動慣量，相機采用下沉式安裝設計。充分利用平臺空間，主相機電纜分束從設備艙內引出。

主相機設計有獨立散熱面，散熱面安裝在相機防護罩上。散熱面與相機間通過熱管進行傳遞熱量。

2)多用途相機防護罩設計

傳統相機遮光罩只具備為相機消除外雜光影響的作用。考慮整星緊湊化布局，充分利用對天面空間，高分多模衛星防護罩增加設備安裝功能，為相關設備提供安裝基礎(見圖4)。

圖4 多用途相機防護罩Fig.4 Multi-purpose camera protective cover

相機防護罩與平臺直接安裝，與相機共基準，保證了為相機消除外雜光功能的同軸要求。大氣同步校正儀、數傳天線布局設計，完成對地指向范圍要求。寬波束測控天線布局設計，保證其波束角范圍內無遮擋。相機散熱面布局，完成主相機的散熱等要求，縮短熱管長度，方便總裝測試操作。

中繼天線取消展開臂，充分利用衛星敏捷機動特性輔助跟蹤高軌衛星，完成中繼傳輸，降低整星結構重量與慣量代價。多用途遮光罩完成了多設備安裝與整星減慣量設計要求。

從載荷布局看，載荷-平臺一體化的布局設計也具有多個創新點。

1)載荷-平臺的高穩定性匹配設計

相機-星敏組合體布局，為實現整星圖像定位精度實現奠定基礎。相機與平臺安裝發射鎖定-在軌解鎖，降低平臺對相機的在軌熱穩定性影響。實現相機與遮光罩獨立設計，降低遮光罩在軌擾動對相機光軸影響。

2)多用途遮光罩理念的引入

多用途遮光罩充分利用星上空間，為天線、大氣校正儀等對地指向要求設備提供安裝基礎；為相機提供良好空間環境；為相機提供雜光抑制功能；不與相機直接安裝，減小在軌結構變形對相機光軸影響等。

3)中繼天線的小慣量布局實現

針對敏捷需求，中繼數傳工作模式采用整星機動+天線轉動實現。取消傳統衛星為了中繼可見而采用的天線展開臂，可以有效降低整星慣量，提高整星剛度。

3 設計驗證

根據衛星任務要求和構型布局設計原則，經過系統層面優化迭代得到高分多模衛星的構型與總體布局設計。衛星在軌狀態如圖5所示。通過模擬仿真與試驗驗證等手段，對衛星整個構型與總體布局設計進行了全方位多階段的驗證。針對衛星構型布局特點，重點介紹對小慣量、平臺靜力和振動環境等方面的驗證情況。

圖5 衛星在軌狀態Fig.5 Satellite in orbit

1)小慣量驗證

通過質量特性預計、結合實測數據的綜合計算結果，實現衛星在軌慣量小于3900 kg·m2的目標。整星在軌測試衛星敏捷機動特性滿足設計要求，也驗證了整星小慣量的設計。

2)平臺靜力和振動環境驗證

主承力柱作為整星的主要傳力部件，平臺通過了主承力柱的局部強度試驗。

平臺整星靜力試驗，考核了結構在發射和起吊載荷下的強度。整星通過3 t承載試驗，并通過超載試驗，表明：平臺結構承載能力具有擴展33%的潛力。

為驗證平臺主結構剛度特性和動強度特性，分別針對光學載荷、SAR載荷的不同載荷，空箱、滿箱的不同狀態，星箭耦合振動的不同狀態，質量在3 t～3.5 t的不同狀態等多種組合進行了整星振動及噪聲試驗，試驗表明：基頻及動力學響應均滿足設計要求。

高分多模衛星正樣結構通過了驗收級振動試驗，并經過了運載火箭發射段的力學環境考核，在軌工作一切正常。

3)CMG模塊驗證

CMG群采用先進行模塊級測試，后整星起吊對接，測試操作可達性好。

平臺振動試驗針對CMG模塊不同安裝方式進行了動力學驗證，試驗表明：CMG模塊動力響應滿足設計要求。

CMG模塊隨整星參加了驗收級振動試驗，并經過了運載火箭發射段的力學環境考核，在軌工作一切正常。

4)二維二次太陽翼展開驗證

太陽翼經過了多次地面驗證，安裝操作性好，展開時間滿足小于25 s要求，同步性滿足小于1 s要求，展開剛度滿足大于2.3 Hz要求，展開沖擊彎矩小于200 N·m，發射載荷下基板強度安全裕度大于1，展開狀態下的應變和彎矩校核均大于1。

太陽翼經過運載火箭發射段的力學環境考核，并順利展開工作，設計得到有效驗證。

5)陀螺安裝驗證

衛星兩個三浮陀螺與光纖陀螺采用共基準安裝，操作開敞性好，驗收級試驗最大響應3.79gn，遠小于單機驗收條件。衛星入軌后，陀螺工作正常，安裝得到進一步驗證。

6)導航天線安裝的驗證

針對敏捷機動需求，導航天線采用傾斜安裝、同時工作方案，兩部天線觀測的導航衛星可送至一臺導航接受機中融合處理，增加可用星數，可提高定位精度。經過仿真、內外場試驗以及在軌測試，此種雙天線布局在此類衛星布局和敏捷姿態指向條件下可有效提高定位精度。

7)載荷適配結構驗證

載荷適配結構經過地面和主動段力學環境考核，低頻振動測點測得最大響應為0.73gn。微振動響應在CMG模塊→立柱→載荷適配結構→柔性組件→相機傳遞過程中明顯逐級衰減，傳遞到相機的響應已為噪聲級。

8)星敏+相機一體化穩定性驗證

針對星敏相機的一體化設計，進行了穩定性分析預示，星敏-相機組合體的試驗驗證，并根據在軌測試相關結果，驗證相機星敏光軸變化不確定性小于0.8。

9)載荷一體化結構+電性驗證

高分多模一體化結構試驗表明：橫向一階固有頻率14 Hz，縱向一階固有頻率42 Hz，扭轉28 Hz，滿足運載要求。載荷一體化的局部響應滿足設計要求，得到有效驗證。初樣電性驗證平臺通過各個階段的測試，通用平臺設計得到有效驗證，易于操作，可適用遙感衛星平臺部分通用測試。

10)設備布局的熱設計驗證

針對衛星高分相機、CMG群、電源控制器等大功率設備的散熱需求，開展散熱通道、散熱面等布局設計。經過地面整星熱試驗、在軌飛行狀態下行數據判讀，衛星相關熱設計得到有效驗證。

11)星箭4點連接的分離驗證

高分多模衛星采用四點解鎖星箭接口。衛星在平臺設計等各個階段進行了多次多狀態的對接分離驗證表明：星箭接口匹配，分離正常。衛星發射后，通過監視相機及在軌遙測判讀，星箭分離正常，滿足各項指標要求。

4 結束語

圍繞高分辨率、敏捷成像、高圖像定位精度等任務需求，本文給出了高分多模衛星的構型布局設計理念、技術特點及驗證情況，特別是平臺的模塊化緊湊化設計、圍繞載荷的一體化布局設計等，為衛星突破敏捷機動成像技術奠定基礎。衛星布局很好地滿足了系統總體及載荷、平臺等分系統的任務要求。衛星構型充分繼承了中型敏捷遙感衛星公用平臺。高分多模衛星的成功發射及在軌穩定運行是對中型敏捷遙感衛星公用平臺構型布局設計的全方位驗證。平臺的模塊化設計、簡捷的傳力和結構設計、總裝實施的便捷性、四點式星箭接口、對載荷機械接口的適應性得到了有效驗證。衛星成功首飛將促進中敏平臺構型布局設計理念的推廣。