高性價(jià)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(jī)制開展的航天活動(dòng)，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(dòng)下，全球即將進(jìn)入新太空時(shí)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(yàn)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(jìn)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(jì)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(jià)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(xiàng)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(xiàng)目，這預(yù)示著滿足消費(fèi)級應(yīng)用的純商業(yè)模式可能實(shí)現(xiàn)，商業(yè)宇航時(shí)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(bào)周期長等特點(diǎn)，是對所有參與商業(yè)航天的企業(yè)的長期考驗(yàn)。在航天軍工企業(yè)商業(yè)轉(zhuǎn)型過程中，高性價(jià)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(jià)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(shí)間、經(jīng)費(fèi)投入、長期摸索及大膽創(chuàng)新才能實(shí)現(xiàn)。

2 高性價(jià)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(jì)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(jì)研制。單機(jī)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(shí)現(xiàn)模塊化和開放化。以標(biāo)準(zhǔn)模塊化的單機(jī)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)整星的功能，以開放式的構(gòu)架實(shí)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(diǎn)，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(yàn)。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(diǎn)包括：篩選、加速壽命試驗(yàn)技術(shù)、抗輻照加固技術(shù)、系統(tǒng)容錯(cuò)技術(shù) 。

高性價(jià)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(gè)單機(jī)設(shè)備進(jìn)行模塊化板卡綜合集成，形成一體化綜合電子單機(jī)，大大提高了星載電子系統(tǒng)的功能密度，有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用星座的部署應(yīng)用，降低成本。研究重點(diǎn)：一體化綜合電子軟硬件架構(gòu)、模塊化功能板卡設(shè)計(jì)、機(jī)熱一體化設(shè)計(jì)。

星載軟件通用虛擬驗(yàn)證技術(shù)

星載軟件通用虛擬驗(yàn)證技術(shù)旨在利用純軟件的虛擬環(huán)境，模擬運(yùn)行星載嵌入式軟件，無需硬件即可對嵌入式軟件進(jìn)行測試與驗(yàn)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(diǎn)：虛擬驗(yàn)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(jià)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(jià)值和用戶體驗(yàn)，涵蓋天地一體，更為精細(xì)、全面、真實(shí)、量化的效能評估技術(shù)。研究重點(diǎn)：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(yùn)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(diǎn)：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(yùn)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(shí)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(dòng)化客戶服務(wù)。

可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)

基于可重構(gòu)計(jì)算實(shí)現(xiàn)功能軟件化、硬件通用化，便于批產(chǎn)制造；同時(shí)，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(diǎn)：可重構(gòu)星載系統(tǒng)架構(gòu)、基于FPGA的可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)、可重構(gòu)軟件技術(shù)。

高性能并行計(jì)算技術(shù)

基于工業(yè)并行流水線計(jì)算架構(gòu)及其軟件體系，采取冗余、容錯(cuò)措施，研究星載高性能計(jì)算解決方案，提升星上實(shí)時(shí)處理能力，為實(shí)現(xiàn)星載大數(shù)據(jù)自動(dòng)處理和智能信息提取應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。研究重點(diǎn)：定制化深度流水線計(jì)算架構(gòu)、工業(yè)高性能并行計(jì)算容錯(cuò)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(dòng)化生產(chǎn)線，從單機(jī)產(chǎn)品、整星兩個(gè)層面構(gòu)建衛(wèi)星工廠制造模式，實(shí)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(diǎn)：單機(jī)產(chǎn)品采取模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、易組裝、支持自動(dòng)化測試等設(shè)計(jì)措施，并批量投產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)貨架化；整星工程通過借鑒其他行業(yè)，如飛機(jī)、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)?；a(chǎn)需求的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)：優(yōu)選COTS產(chǎn)品，輔以系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)、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(jì)，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(cuò)。

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

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

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

3 高性價(jià)比技術(shù)體系實(shí)踐探索

深圳東方紅通過開拓一號、脈沖星試驗(yàn)衛(wèi)星兩型三星，對高性價(jià)比商業(yè)微小衛(wèi)星的研制理念進(jìn)行了實(shí)踐探索，驗(yàn)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(jià)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(yùn)載火箭一箭二十星發(fā)射。發(fā)射至今，在軌運(yùn)行2年，圓滿完成各項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)，運(yùn)行穩(wěn)定，無常駐故障，無失效設(shè)備。脈沖星試驗(yàn)衛(wèi)星基于COTS產(chǎn)品體系，歷時(shí)10個(gè)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(shí)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(jìn)入擴(kuò)展試驗(yàn)階段。

開拓一號和脈沖星試驗(yàn)衛(wèi)星在系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)、自主管理等方面進(jìn)行了實(shí)踐探索。在系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)方面，采取了完備的異常診斷及處理措施，彌補(bǔ)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(yùn)行穩(wěn)定。在自主管理方面，驗(yàn)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(jī)在軌應(yīng)用情況

開拓一號和脈沖星試驗(yàn)衛(wèi)星星載機(jī)基于PC104標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)計(jì)算機(jī)現(xiàn)貨板卡研制，采用雙機(jī)冷備冗余，輔以EDAC，通過容錯(cuò)設(shè)計(jì)確保了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全。

衛(wèi)星平臺的系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)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(yàn)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(gè)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(yàn)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(jìn)實(shí)現(xiàn)了空間應(yīng)用。在軌主要缺點(diǎn)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(jì)裕度，確保了衛(wèi)星壽命期間的能源可靠保障。

工業(yè)相機(jī)在軌應(yīng)用情況

開拓一號A星搭載工業(yè)相機(jī)現(xiàn)貨產(chǎn)品開展了在軌驗(yàn)證試驗(yàn)。在軌試驗(yàn)2年；開機(jī)試驗(yàn)300余次，成像1900多幅；驗(yàn)證了工業(yè)相機(jī)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(jìn)高性價(jià)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(jìn)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(shí)代的到來做好準(zhǔn)備。

4 結(jié)束語

通過探索和實(shí)踐，基于COTS產(chǎn)品體系的高性價(jià)比技術(shù)體系使對成本投入敏感的商業(yè)航天項(xiàng)目實(shí)施成為可能。高性價(jià)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(jì)劃的實(shí)施中，將得以充分實(shí)踐驗(yàn)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(dòng)力。