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【国际太空】高性价比商业微小卫星研制探索

时间:2018年03月19日 信息来源:国际太空 点击: 【字体:

1 商业航天市场态势分析

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商业航天是按市场化机制开展的航天活动,在新兴技术持续突破、“太空+互联网”跨界融合、新兴航天企业蓬勃发展、商业资本涌入的促动下,全球即将进入新太空时代。


随着航天技术的发展,微小卫星业务应用日趋成熟。对比2013年前后数据,微小卫星技术试验应用占比从55%降为20%,而对遥感、通信等领域业务应用占比由12%增长为52%。微小卫星已成为商业航天应用的重要一环。


近几年商业航天发展急剧升温,主要源于:技术进步使得宇航产品研制难度和成本大幅下降,成本和产能趋近商业应用需求。以互联网经济为代表的信息产业发展,使得宇航产品商业应用前景日渐清晰。卫星系统性价比提升+广泛的商业应用前景,使得基于大规模星座组网的商业航天应用成为可能,为商业航天系统的发展提供了巨大的想象空间。


目前来看,国家行业需求仍然是商业卫星市场需求主体。随着OneWeb星座等项目的出现,国际上开始出现真正由商业资本投资、面向商业用途,甚至是大众用户的宇航项目,这预示着满足消费级应用的纯商业模式可能实现,商业宇航时代或将真正到来!


宇航产业固有的技术门槛高、资金投入大、投资回报周期长等特点,是对所有参与商业航天的企业的长期考验。在航天军工企业商业转型过程中,高性价比研制途径将是企业面向商业市场的必然追求。高性价比作为商业航天发展的必要条件,涵盖技术、管理诸多要素,是复杂系统的创新工程,需要大量的时间、经费投入、长期摸索及大胆创新才能实现。


2  高性价比微小卫星技术体系

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模块化体系构架

借鉴工业(汽车等)领域的优秀设计生产理念,以模块化开放式的体系构架完成微小卫星的设计研制。单机产品接口及规格逐渐走向标准化,卫星系统体系构架逐渐实现模块化和开放化。以标准模块化的单机产品实现整星的功能,以开放式的构架实现整星的批量化快速集成与测试。


商业现货产品空间应用技术

商业现货(COTS)产品具有成本低、标准化、批次一致性好、产量大、可获得性好等优点,国内外宇航企业在COTS产品空间应用方面已经取得了丰硕的成果及经验。COTS产品空间应用的主要局限在于空间环境适应性,研究重点包括:筛选、加速寿命试验技术、抗辐照加固技术、系统容错技术。


高集成度一体化综合电子技术

高集成度一体化综合电子技术,将传统分立式星务、控制、测控、数传、电源、GNSS等多个单机设备进行模块化板卡综合集成,形成一体化综合电子单机,大大提高了星载电子系统的功能密度,有利于实现大规模商用星座的部署应用,降低成本。研究重点:一体化综合电子软硬件架构、模块化功能板卡设计、机热一体化设计。


星载软件通用虚拟验证技术

星载软件通用虚拟验证技术旨在利用纯软件的虚拟环境,模拟运行星载嵌入式软件,无需硬件即可对嵌入式软件进行测试与验证,支持软硬件并行开发,大幅降低成本、缩短周期。研究重点:虚拟验证系统通用框架、虚拟处理器及外设技术、虚拟测试调度管理技术、分布式多软件协同虚拟测试技术。


体系效能仿真评估技术

体系效能仿真评估是建设高性价比商业卫星系统的首要环节,其不再局限于传统卫星系统功能性能评估,而是直接面向商业应用价值和用户体验,涵盖天地一体,更为精细、全面、真实、量化的效能评估技术。研究重点:精细化多星系统建模、大规模星座仿真架构、任务规划优化算法、应用环境建模、效能量化评估方法。


智能自主管理技术

面对商业大规模星座组网系统,传统卫星运控模式负荷巨大,难以适应需求,需采用智能自主管理技术,通过星地协同解决这一瓶颈。研究重点:智能自主任务规划技术、星间智能协同控制技术、星座级故障智能诊断与系统重构、星地协同智能任务分配技术、地面智能自主运控技术。最终目标是基于星座级智能自主管理技术,实现用户需求预订、任务规划、信息获取、数据处理、数据产品分发等全流程、端到端自动化客户服务。


可重构计算技术

基于可重构计算实现功能软件化、硬件通用化,便于批产制造;同时,易于星座系统在轨功能重构、升级,提升商业服务能力。研究重点:可重构星载系统架构、基于FPGA的可重构计算技术、可重构软件技术。


高性能并行计算技术

基于工业并行流水线计算架构及其软件体系,采取冗余、容错措施,研究星载高性能计算解决方案,提升星上实时处理能力,为实现星载大数据自动处理和智能信息提取应用奠定基础。研究重点:定制化深度流水线计算架构、工业高性能并行计算容错技术。


卫星工厂

面向大规模商业星座建设需求,为了提升卫星制造产能,保证质量稳定性,降低成本,借鉴工业自动化生产线,从单机产品、整星两个层面构建卫星工厂制造模式,实现大批量生产,将是未来商业微小卫星制造的重要形态。研究重点:单机产品采取模块化、标准化、易组装、支持自动化测试等设计措施,并批量投产,实现货架化;整星工程通过借鉴其他行业,如飞机、汽车的流水线生产理念,形成生产线。


卫星工厂理念

管理思路:精雕细琢的工艺品管理-->批量重复生产、特性高度一致的工业产品管理。

标准:符合商业化、规模化生产需求的企业标准。

设计:优选COTS产品,辅以系统容错设计、配套产品体系货架化、标准化、系列化(不定制)、“面向批量生产”的优化设计,而非单一性能优化。

器件:充分应用工业级器件,重在批量采购、板级筛选、系统容错。

生产:自动化,保证批量产品/ 整星品质一致性。

测试与试验:单机和系统两级应用自动化测试与抽样试验方法、关注生产线的稳定性,而非单个产品状态。

从商业微小卫星设计水平、产能需求,及现有工业自动化能力来看,建立完全自动化的卫星工厂生产线仍待时日,但建立类似飞机制造的半自动微小卫星批量生产线,则是现实可期的。


3 高性价比技术体系实践探索

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深圳东方红通过开拓一号、脉冲星试验卫星两型三星,对高性价比商业微小卫星的研制理念进行了实践探索,验证了COTS产品空间应用技术路线,打造了适应多种应用需求、成熟完备的高性价比微小卫星产品体系。开拓一号于2 0 1 5年9月2 0日,由CZ-6运载火箭一箭二十星发射。发射至今,在轨运行2年,圆满完成各项试验任务,运行稳定,无常驻故障,无失效设备。脉冲星试验卫星基于COTS产品体系,历时10个月完成研制,于2016年11月10日发射,已获得蟹状星云(Crab)脉冲星轮廓,以及低流量脉冲星观测数据,圆满实现了任务目标,并公开发布了探测数据,目前进入扩展试验阶段。

开拓一号和脉冲星试验卫星在系统容错设计、自主管理等方面进行了实践探索。在系统容错设计方面,采取了完备的异常诊断及处理措施,弥补了COTS产品在单粒子环境适应性方面的不足,确保了系统运行稳定。在自主管理方面,验证了自主测控、自主指令生成等技术,简化了星地操控接口,提升了卫星自主能力。

工业星载机在轨应用情况

开拓一号和脉冲星试验卫星星载机基于PC104标准工业计算机现货板卡研制,采用双机冷备冗余,辅以EDAC,通过容错设计确保了系统运行稳定、安全。

工业锂电池在轨应用情况

开拓一号和脉冲星试验卫星蓄电池采用18650工业标准单体成组。在轨2年,7个串联组之间最大电压差异小于0.02V,表现出了极佳的一致性。此外,地面循环寿命试验已突破1万次循环。

工业硅电池片在轨应用情况

开拓一号A星的太阳电池阵采用工业硅基太阳电池片成组,通过镀膜及焊接工艺改进实现了空间应用。在轨主要缺点是效率较低(初期约13%),且衰减较快,2年衰减了约35%。卫星通过合理的设计裕度,确保了卫星寿命期间的能源可靠保障。

工业相机在轨应用情况

开拓一号A星搭载工业相机现货产品开展了在轨验证试验。在轨试验2年;开机试验300余次,成像1900多幅;验证了工业相机空间应用可行性。COTS产品以其极佳的一致性、便利的可获得性,以及良好的在轨表现,证明了COTS产品空间应用潜力。后续将持续推进高性价比技术体系研究,着力提升COTS产品空间应用、智能自主管理等专业技术水平,进一步丰富产品体系,研究COTS产品长寿命应用的技术可行性,为迎接商业航天时代的到来做好准备。


4 结束语

通过探索和实践,基于COTS产品体系的高性价比技术体系使对成本投入敏感的商业航天项目实施成为可能。高性价比技术体系和产品体系在未来的通信、遥感为代表的商业星座计划的实施中,将得以充分实践验证。针对星座自主管理、工业化批生产模式等技术还需不断探索,为批量化、星座式微小卫星商业航天发展提供技术动力。



(作者:佚名)
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