第2章 小微卫星工程系统概论

2.1 小微卫星的航天任务工程系统

2.1.1 航天任务工程系统

2.1.1.1 航天任务工程系统的定义和组成

航天任务是指人类探索、开发和利用太空以及地球以外的天体的活动。航天任务工程系统是为了完成航天任务所建立的工程系统。它包括：航天器（卫星）系统、运载系统、发射场系统、测控地面系统和地面应用系统5项下级工程系统。习惯上把航天任务工程系统称为大系统。图2-1-1所示为一般的航天任务工程系统的组成。

2.1.1.2 航天器（卫星）工程系统

航天器（卫星）工程系统是对航天器（人造卫星）进行设计、生产和维护的工程系统，是航天任务工程系统的下一层次的重要系统之一。从系统工程观点来说，航天器（卫星）工程系统，除航天器本身（卫星本体+有效载荷）外，还应该包含航天器的环境。这就是说，航天器的设计和运行离不开它所在的环境范围。这个环境与地面的情况完全不一样。这就突显完成一项航天任务是很复杂、特别，而困难的。

2.1.1.3 小微卫星航天任务工程系统

小微卫星航天任务工程系统是一种特定的航天器工程系统。它以小的体积、轻的重量、低的成本、能急速完成特定的航天任务为特征。它包含小微卫星本身及其运行和发射的轨道环境。将小微卫星产品与它的运行环境紧紧联系在一起，对于它的设计、制造和运行是很重要的，关系到航天任务的完成或失败。

为了实现小微卫星的这些特征，“快、好、省”地完成小微卫星的航天任务，小微卫星的发射入轨多数采用搭载方式，故它的航天任务工程系统组成结构稍有变化，与图2-1-1不同，可以用图2-1-2来表示。其中上边的虚框归并于主星的航天任务工程系统之中，但小微卫星也必须遵守其发射和运行轨道的约束条件。每当它发射成功，入轨后就与上边虚框中的工程系统无关了。因此，小微卫星航天任务工程系统必须具有独立进行在轨测控和运行管理的能力。除非出现事故，可以请求主星的航天任务工程系统协助救援。这样，小微卫星航天任务工程系统的应用子系统应该具有适度的对在轨小微卫星进行简易测控的能力，以适应其方便应用运行的需要。下边虚框中的工程系统是搭载小微卫星的部分。

应该注意到，在设计小微卫星航天任务工程系统时，需要把除小微卫星外的其他航天任务工程系统的部分作为约束条件进行（外部）环境设计。因此，它的外部环境设计内容还包括：对航天任务工程系统中其他各系统的选择、小微卫星航天任务工程系统对航天任务工程系统中其他系统的适应性设计、通信链路设计和各种接口技术协调等。这是小微卫星设计的第一步，也是极重要的一步。它决定了设计是否可能完成，关系到研制任务的成败。因此，在进行小微卫星设计前，首先要厘清小微卫星系统与这些外部界面的关系，并且以文件形式固定下来，严格遵循，一般情况下不许变动。

从图2-1-2中的下边虚框还可看出小微卫星航天任务工程系统的开发流程。首先需要开发星上应用载荷设备，选择适当的小微卫星平台“预制模块”，即插即用组装成小微卫星平台，再将有效载荷内嵌入该平台，完成小微卫星的快速设计和组装。同时选择搭载星，即时发射即时入轨和应用。这就是说，用“预制模块”构建共享式小微卫星平台是一种加快小微卫星生产和应用的方法。在传统卫星研制中，为了降低卫星的复杂性，根据技术功能要求，将卫星整体分解为许多分系统，分别研制开发，然后将它们组装形成卫星整体。当时人们对卫星制造不熟悉，所属各分系统运转不透明，为了降低整星的复杂度，这样做是合情合理的。经过五六十年的卫星开发和经验积累，人们已经对卫星各分系统的基本情况比较清楚，为此，将卫星按卫星产品生产过程来分解、形成“预制模块”，即时组装成卫星整体，以便更加“快、好、省”地生产卫星。将卫星分解成“预制板”式的模块（如前面板、后面板、阳面板、背日板、顶板、对地板、中隔板等），除对地板模块留给有效载荷配装外，其他各预制板提前制成和测试，入库置入“货架”上备用。这样做使卫星制造的复杂性提前解决，一旦定购计划和载荷设备到达现场，经过简单的小微卫星模块选择和配置设计，马上就可以完成定制装配无误。本章将讲述关于小微卫星的“预制板”方式“星体”制造的技术。它使得小微卫星制造实现即插即用、软件定制、批量生产。这种小微卫星制造技术沿袭了小卫星星务系统的设计制造理念，故称之为星务小卫星技术，它既是一类“可软件定义”，又是一类“即插即用”的小卫星设计制造技术。

2.1.2 小微卫星的航天任务的特点

2.1.2.1 轨道空间环境中利弊并存

航天任务工程是利用航天器（卫星）在轨道上的不同空间特性完成各种航天任务，并达到特定的目的，满足用户的需求。目前常用的空间特性有：①实现全球空间覆盖；②处于大气层外；③失重环境；④超真空环境；⑤对空间环境现状近距离直接检测；⑥利用太空资源等。这些特性对于完成航天任务来说利弊并存。

例如：利用卫星在轨道上运行时，具有全球实时或分时大面积覆盖能力，可实现卫星通信、导航、气象、侦察和对地遥感任务。又如：利用卫星在空间具有微重力和高真空的特性，建立空间材料加工工业和科学试验。再如：利用跳出大气层的特性，完成更清楚的天文观测，探索宇宙。这些特性反映出轨道空间有益的一面。更详细的内容见2.4节“小微卫星在航天任务中可承担的角色”。

同时也应该看到有害的一面，它们造成了航天任务的另外一些特点。例如：空间辐射环境对星上电子设备的损伤，可造成航天任务的失败。又如：真空热交换困难，造成星上设备工作性能降低等。关于轨道空间特性对完成航天任务的不利一面，详见第3章内容。

2.1.2.2 航天任务风险高

由于卫星在轨运行时，设备元器件处于真空环境之下，无大气层的保护，需要承受空间粒子的强辐照损伤，导热困难，故要求有良好的温度控制。另外，卫星升空过程中，火箭运载的振动要求卫星承受较强的力学冲击。同时，由于卫星内部空间有限，总重量有限，设备供电受限，这些都表明卫星及其所载设备的生存和工作的环境是十分恶劣的。因此，研制卫星的要求是很高的，风险也是很大的。

在出现事故后，检查、维修、更换部件都是很困难的，甚至是不可能的。有时一点小错误或故障，就会造成全星报废、任务失败，开发的代价很高。

2.1.2.3 航天任务成本高

由于难度大、风险高，并且在轨维修困难或不可能，故航天任务工程的成本是很高的，只有在地面和航空中不能实现时，才会采用航天任务工程来实现特定的任务目标。或者在地面和航空中能实现，但是成本高，此时也可采用航天任务工程来实现特定的任务目标。例如，在地面也可实现通信和广播，但是对于远距离、大面积范围的通信和广播，特别是在人烟稀少的偏远地区进行通信，成本很高，不如卫星通信。

2.1.2.4 航天器（卫星）设计制造复杂

一般来说，航天器（卫星）工程系统本身就是一种复杂的、自动化的工程系统，再加上它要在轨道上苛刻的、复杂的环境内长期、自主、少维修或不维修地运行，这就加大了它的设计、制造的复杂性和困难。

另外，航天任务的基本目标来源于用户给出的任务描述。由于对任务在轨运行环境很生疏，具体参数较难把握，用户的要求在一般情况下是定性的描述，不是十分明确。定性要求存在歧义性。在总体设计过程中，需要一次又一次地回到这一基本目标，纠正主观判断，检查每个过程中进行的工作与初始目标是否一致。这就表明在总体设计过程中，需要用户与设计双方反复协调、交换认识、统一概念、达成一致。这个协调过程是很复杂的，艰难漫长，但也是很重要的。它关系到任务的成败，不可小视。这样，主、客观条件都带来航天器工程系统设计制造的复杂性。由于在轨的具体状况及参数不确定，要求卫星自主管理具有较强的自适应能力，有适当的智能水准，通过在轨观察、学习调整管理策略，建立星上人工智能等级的自动化系统。当然，也可以借助星地通信，形成星上开放的自动化系统，建立星地联合专家系统。

2.1.2.5 利用星务技术降低风险、成本和复杂性

如何利用创新的技术，降低小微卫星设计制造的风险、成本和复杂性，并提升它的轨性能和寿命，是新一代小微卫星技术研究的热点。本书借助星务系统的理念，推广到整个小微卫星，形成一种新型的小微卫星。基于内嵌式技术和星上网技术，本书构造了星上设备统一硬件平台架构，使它具有即插即用和可软件定义的双重特性。20多年星务系统的实践证明，它已经在一定程度上解决了星地专家协作设计和管理的技术，开辟了星地专家联合工作的途径，也有一定能力进行自主管理和控制，但这些途径和能力还需要推广到整星，并加以提升。形成一整套星上人工智能系统与星地专家协同系统的组合，才是应对卫星设计复杂、制造成本和风险高的最好方法。

另外，采用工业生产方式进行卫星流程再造，可以降低小微卫星的生产成本和提高出厂速度。具体办法详见后面章节的内容。

2.1.3 小微卫星的航天任务的目标

航天任务工程系统是一个人造系统，所以它的建造一定是有目的的、有目标的。航天任务的目标可以归纳成如下几类：

（1）基本目标，即航天任务的主要目标。基本目标是利用卫星在轨的某一空间特性实现相应的技术要求。它来源于用户给出的任务描述。由于空间情况的不确定性，用户的描述一般是定性的。在总体设计过程中，需要反复地回归到这一基本目标，检查每个阶段中进行的工作与初始目标是否一致，并且不断将这一描述具体化、数量化。在卫星研制过程中，必须保证达到这一基本目标。基本目标通常是比较固定的。

（2）附带目标。为了增加效益，在航天主要任务外，往往增加搭载项目。这种搭载项目的从属目标很多，在有些情况下也很重要。例如：在应用卫星上增加环境探测仪器，对卫星轨道空间环境进行探测，这对卫星的安全保障是很有好处的。当然，提出一些附带的任务，需要增加一些从属目标，这些目标经常变动，也带来设计和制造的复杂性。

（3）基本航天任务外的协作目标。卫星完成基本任务后，可能处于闲置无用状态。如果卫星在轨还有生存能力的话，为了进一步发挥其作用，最好可以将其改装为其他可利用的卫星，实现“一星多用”。特别是有些航天任务的运行时期的要求是比较短暂的。在轨生存的卫星，以协作工作方式暂时停止原来的主任务，支援应急任务，这是一个好想法。譬如，将卫星作为数据链通道，传送紧迫信息或其他数据。这种设计思想可以形成天基协作力量。为此，总体设计时必须预设一些特殊的目标，在不影响主任务实现的条件下，准备一些硬件设备和软件控制算法。这种“协作支援”的想法已经在轨实现过，如调用对地观测卫星到应急区域照相等。