祖家國 吳艷華 楊巖 李壩清 郭崇嶺 藺宇輝 孫德偉 田景峰 王光遠(yuǎn)

（1 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

（2 北京空間機電研究所 北京 100094）

0 引言

目前遙感衛(wèi)星研制向更高使用效能方向大力轉(zhuǎn)型，衛(wèi)星提升性能指標(biāo)以及增大載荷規(guī)模的需求越來越迫切。傳統(tǒng)研制模式中，平臺與載荷在構(gòu)型布局上基于接口界面開展設(shè)計，發(fā)射段抗惡劣力學(xué)環(huán)境、在軌微振動以及在軌光機熱等各專業(yè)仿真分析耦合程度不深，但是隨著整星和載荷規(guī)模增大，必須尋求更加精細(xì)化、集約化的設(shè)計方法支撐遙感衛(wèi)星總體研制[1-2]，平臺載荷一體化設(shè)計是解決該問題的重要手段[3]。近年來，國內(nèi)外各類遙感衛(wèi)星的研制均在不同程度上采用一體化設(shè)計的方法，同時也涌現(xiàn)出各種觀點。本文從一體化設(shè)計概念出發(fā)，深入探討平臺載荷一體化設(shè)計的層級劃分，對比國內(nèi)外遙感衛(wèi)星一體化設(shè)計現(xiàn)狀，明確清晰了遙感衛(wèi)星平臺載荷一體化設(shè)計的任務(wù)目標(biāo)，可為后續(xù)遙感衛(wèi)星平臺載荷一體化研制提供借鑒。

1 一體化設(shè)計理念

一體化設(shè)計方法是指一種以產(chǎn)品總體功能性能最優(yōu)為目標(biāo)，整體考慮設(shè)計生產(chǎn)全過程各環(huán)節(jié)，綜合調(diào)度產(chǎn)品研制隊伍，以產(chǎn)品模型信息為載體的設(shè)計方法[4-5]。具體落地到遙感衛(wèi)星研制領(lǐng)域，平臺載荷一體化設(shè)計方法包括廣義上和狹義上的一體化設(shè)計。廣義上的平臺載荷一體化設(shè)計是為整體提升功能密度而在技術(shù)體制、工作模式上的一體化，形成圍繞敏捷成像、立體測繪、高分辨率成像等方面能力提升，以及光機結(jié)構(gòu)超穩(wěn)定、主被動減振隔振、高精度目標(biāo)定位、在軌圖像校正等方面提升衛(wèi)星整體總體方案。狹義上的平臺載荷一體化設(shè)計則是指平臺與載荷突破簡單固化的技術(shù)界面和分工，從光、機、電、熱各專業(yè)開展的多層次、多維度的綜合設(shè)計思想和設(shè)計方法，其內(nèi)容涉及衛(wèi)星與載荷結(jié)構(gòu)功能一體化、一體化構(gòu)型布局、一體化振動抑制、一體化熱設(shè)計、一體化時空基準(zhǔn)、一體化光機電熱集成等[3,6]，外部表征為平臺與載荷之間突破單一、簡化的技術(shù)界面，雙方深入對方設(shè)計核心，形成多專業(yè)的綜合接口，其設(shè)計內(nèi)涵如圖1所示。

基于狹義一體化設(shè)計內(nèi)涵定義，結(jié)合平臺標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展以及遙感衛(wèi)星效能提升的目標(biāo)，當(dāng)前平臺載荷一體化設(shè)計主要形成兩個設(shè)計理念，一是以遙感衛(wèi)星效能提升為目標(biāo)，圍繞有效載荷光學(xué)設(shè)計的一體化設(shè)計理念，二是基于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的平臺載荷一體化設(shè)計理念。

圍繞載荷的一體化設(shè)計理念：圍繞載荷光學(xué)設(shè)計開展載荷結(jié)構(gòu)和平臺結(jié)構(gòu)布局，以光學(xué)有效載荷性能指標(biāo)為核心開展整星光、機、電、熱各學(xué)科功能性能驗證，設(shè)計的起點是光學(xué)設(shè)計，設(shè)計驗證的終點是光學(xué)指標(biāo)。

基于平臺的一體化設(shè)計理念：圍繞平臺機、電、熱、控制等能力，對平臺開展標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化設(shè)計。圍繞載荷在系統(tǒng)性關(guān)鍵問題上進(jìn)行平臺載荷一體化設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)[7]。

要強調(diào)的是兩種技術(shù)路線都是一體化設(shè)計，一體化設(shè)計與平臺模塊化設(shè)計并非對立關(guān)系，關(guān)鍵在按需設(shè)計，當(dāng)遙感衛(wèi)星功能性能指標(biāo)設(shè)計空間較大時，基于平臺設(shè)計可以極大地降低時間成本和經(jīng)濟(jì)成本。當(dāng)設(shè)計空間被壓縮，基于平臺的設(shè)計無法滿足指標(biāo)要求時，可以采用圍繞載荷開展設(shè)計。

2 對設(shè)計層級的認(rèn)識

按照平臺載荷一體化設(shè)計技術(shù)發(fā)展路線和實現(xiàn)的目標(biāo)來看，大體上可以分為3個層級，如圖2所示。

圖2 遙感衛(wèi)星平臺載荷一體化設(shè)計3個層級Fig.2 The three levels of remote sensing satellite’s IDDP

第一層級，基于接口的一體化設(shè)計：雙方具備清晰明確的結(jié)構(gòu)、熱控和電子學(xué)接口界面，通過雙方協(xié)商，可以實現(xiàn)部分結(jié)構(gòu)功能的一體化設(shè)計。例如一體化遮光罩設(shè)計，一體化承力結(jié)構(gòu)設(shè)計等，雙方設(shè)計獨立性強，協(xié)調(diào)簡單，效率高，其一體化設(shè)計思想主要體現(xiàn)在部分功能設(shè)計既可作為載荷功能實現(xiàn)載體，也可以作為平臺功能實現(xiàn)載體。

第二層級，基于模型協(xié)同的一體化設(shè)計：平臺與載荷共享一個信息模型，雙方對平臺與載荷的功能性能有一定的了解，可以就整星傳力路徑、力學(xué)性能、指向以及光學(xué)性能各項指標(biāo)開展部分規(guī)劃，由于模型共享，可以一定程度上壓縮整星規(guī)模，減少質(zhì)量、體積、功耗及成本，但是雙方設(shè)計還未完全做到融入對方，從功能性能方面還未實現(xiàn)一體化。其一體化設(shè)計思想主要體現(xiàn)在模型共享，結(jié)構(gòu)空間最大化利用，雙方設(shè)計模型界面模糊，已經(jīng)基本沒有平臺和載荷的嚴(yán)格界面劃分，功能性能有一定整體統(tǒng)籌規(guī)劃。

第三層級，基于功能性能指標(biāo)最優(yōu)的一體化設(shè)計：在模型協(xié)同設(shè)計發(fā)展到一定階段以后，雙方設(shè)計能力相互影響相互滲透，光、機、電、熱各專業(yè)的總體設(shè)計全盤考慮形成最優(yōu)整星方案，實現(xiàn)功能性能指標(biāo)最優(yōu)。這也是平臺載荷一體化設(shè)計的最終目標(biāo)和最高層級。

以上層級與層級之間沒有明確的界限劃分，通常是為滿足遙感衛(wèi)星設(shè)計目標(biāo)，由系統(tǒng)需要自發(fā)完成的迭代。平臺與載荷設(shè)計在指標(biāo)要求不高，設(shè)計綜合較低時，完全基于機械接口、電接口以及熱接口等條件下就可以完成整星設(shè)計，生產(chǎn)制造調(diào)試也完全獨立，雙方獨立性好，接口界面清晰簡單，研制效率高。隨著指標(biāo)要求增加，光學(xué)有效載荷口徑增大，首先從結(jié)構(gòu)布局上對一體化設(shè)計提出了要求，這時結(jié)構(gòu)功能一體化被提上了日程，例如遮光罩的設(shè)計、星敏感器的安裝布局，經(jīng)過雙方接口的協(xié)商，通過基于接口的一體化設(shè)計，仍然可以滿足指標(biāo)要求，這是第一層級的基于接口的一體化設(shè)計。隨著指標(biāo)要求持續(xù)增加，雙方需要在布局上交互的內(nèi)容越來越多，同時力學(xué)性能、指向抖動、光學(xué)熱變形分析的平臺載荷之間相互影響也越來越深，并成為了設(shè)計的主要矛盾，基于接口的一體化設(shè)計無論是在效率上還是指標(biāo)符合性方面都在降低，需要上升至第二層級的一體化設(shè)計，即基于模型協(xié)同的一體化設(shè)計，在此階段的核心技術(shù)手段是“模型協(xié)同”，無論是構(gòu)型布局的問題，還是光、機、電、熱各專業(yè)功能性能問題均以模型協(xié)同來解決，平臺與載荷共享同一個信息模型，雙方協(xié)同開展設(shè)計。當(dāng)各自經(jīng)驗總結(jié)積累，設(shè)計人員和設(shè)計技術(shù)水平上升到一定程度，一體化設(shè)計就進(jìn)入了第三個層次——基于功能性能最優(yōu)的平臺載荷一體化設(shè)計，此時無論是光、機、電、熱哪個專業(yè)的總體設(shè)計均需全盤考慮整星指標(biāo)最優(yōu)，從整星層面實現(xiàn)光學(xué)指標(biāo)分解和驗證，同時綜合考慮傳力路徑、力熱穩(wěn)定性、控制信息傳遞等問題，不再具有平臺和載荷的概念，整星設(shè)計融為一體。

對于中小型遙感衛(wèi)星，設(shè)計指標(biāo)要求不高，整星體積和功能要求單一，研制進(jìn)度快，平臺與載荷獨立開展設(shè)計，僅有部分設(shè)計功能需要開展一體化設(shè)計，比如星敏感器的安裝、遮光罩的設(shè)計、承力結(jié)構(gòu)的設(shè)計等，可以采用基于接口的一體化設(shè)計，目標(biāo)是遙感衛(wèi)星整星輕小型化設(shè)計，使整星結(jié)構(gòu)緊湊，實現(xiàn)較小轉(zhuǎn)動慣量，并能降低結(jié)構(gòu)振動對成像品質(zhì)的影響。對于大中型遙感衛(wèi)星，無論是空間布局還是力熱性能要求都比較苛刻的情況下，酌情開展基于模型協(xié)同的一體化研制，設(shè)計階段通過定義共享信息模型，協(xié)同布局并基于共享模型開展力熱功能性能分析，生產(chǎn)制造階段雙方共同完成整機裝配裝調(diào)，目標(biāo)是圍繞核心的有效載荷，進(jìn)行構(gòu)形、布局和熱設(shè)計，盡可能減少衛(wèi)星質(zhì)量、體積、功耗以及成本；隨著雙方協(xié)同深入，對遙感衛(wèi)星光、機、電、熱各專業(yè)的綜合集成理解越來越深入，逐步實現(xiàn)大中型遙感衛(wèi)星的一體化設(shè)計，整星系統(tǒng)層級統(tǒng)籌設(shè)計和分解指標(biāo)，發(fā)揮有效載荷的最大效能，使產(chǎn)品不斷向集約化、智能化方向發(fā)展。

3 國內(nèi)外實踐

3.1 國外

國外平臺載荷一體化設(shè)計起步較早，到目前為止主要形成了以World View系列衛(wèi)星為代表的基于接口的一體化設(shè)計、以Geo Eye系列衛(wèi)星為代表的基于模型協(xié)同一體化設(shè)計、以哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）和詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）為代表的功能性能一體化設(shè)計等 3種模式。無論哪種模式，均充分應(yīng)用了一體化設(shè)計思想，以光學(xué)遙感器為核心，從系統(tǒng)頂層對整星傳力路徑、結(jié)構(gòu)布局、振動抑制、敏捷機動性等各方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，大大減輕了衛(wèi)星整體質(zhì)量和慣量。

（1）以World View系列衛(wèi)星為代表的基于接口的平臺載荷一體化設(shè)計

美國分別于2007年和2009年發(fā)射了World View-1、World View-2兩顆高分辨率商業(yè)衛(wèi)星[8]。為了滿足商業(yè)衛(wèi)星的輕、小、快、精等應(yīng)用要求，在結(jié)構(gòu)布局上采用光學(xué)遙感器嵌入衛(wèi)星平臺，在嵌入部分采用桁架結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星平臺進(jìn)行接口連接[7]。從一體化設(shè)計理念上來說，World View系列衛(wèi)星屬于基于平臺的一體化設(shè)計。從一體化設(shè)計層級來說屬于基于接口的一體化設(shè)計，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

——整星的平臺和載荷之間擁有嚴(yán)格的接口界面，雙方在規(guī)定的布局空間和力熱接口環(huán)境下開展研制；

——結(jié)構(gòu)布局方面，載荷嵌入平臺內(nèi)部，減小了整星規(guī)模[9]；

——傳力路徑設(shè)計方面，載荷與平臺采用鏤空桁架結(jié)構(gòu)連接，桁架結(jié)構(gòu)即可作為遙感器光學(xué)設(shè)計的承力結(jié)構(gòu)，又可抑制平臺在軌振動[10-12]，減小結(jié)構(gòu)變形和溫控對載荷的不利影響；

——遮光罩即可為遙感器光學(xué)系統(tǒng)消除雜光，也可以作為星敏感器和光纖陀螺姿態(tài)測量設(shè)備的安裝承力結(jié)構(gòu)，這樣可以保證姿態(tài)測量的基準(zhǔn)與光學(xué)遙感器的成像基準(zhǔn)很好地統(tǒng)一，同時縮短姿態(tài)測量與載荷成像坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換誤差傳遞鏈[13-14]，提高了衛(wèi)星的定位精度。

（2）以Geo Eye系列衛(wèi)星為代表的基于模型協(xié)同的平臺載荷一體化設(shè)計模式

Geo Eye-1衛(wèi)星是美國于2008年發(fā)射的全色分辨率達(dá)到0.25m的商業(yè)衛(wèi)星，從設(shè)計理念上來說，該系列衛(wèi)星沒有采用成熟的衛(wèi)星平臺，屬于圍繞載荷的一體化設(shè)計，從一體化設(shè)計層級來說屬于基于模型協(xié)同的一體化設(shè)計，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

——整星沒有平臺和載荷清晰接口界面，二者相互融合，結(jié)構(gòu)緊湊；

——結(jié)構(gòu)布局方面，以遙感器承力結(jié)構(gòu)作為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)主體，光學(xué)遙感器的鏡筒支撐光學(xué)元件的同時作為衛(wèi)星系統(tǒng)元件的安裝面[15-16]；

——整星從傳力路徑、力學(xué)性能、指向以及光學(xué)性能各項指標(biāo)開展了部分規(guī)劃，在一定程度上壓縮了整星規(guī)模，但是還沒有做到完全融為一體，從功能性能上實現(xiàn)一體化。

（3）以HST和JWST為代表的功能性能一體化設(shè)計

HST是美國1990年發(fā)射的太空望遠(yuǎn)鏡，JWST預(yù)計2020年發(fā)射。作為兩個超大口徑的空間光學(xué)遙感衛(wèi)星，HST平臺載荷模塊化設(shè)計為它的5次在軌維修奠定了基礎(chǔ)，JWST主鏡采用了分塊設(shè)計及空間可展開設(shè)計，以滿足發(fā)射條件，其惡劣的在軌條件對整星光機電熱一體化設(shè)計提出了苛刻的要求。從設(shè)計理念上來說HST和JWST兩個系列的遙感衛(wèi)星均屬于圍繞載荷的一體化設(shè)計。從層級來說，二者代表的是世界上屬于基于功能性能指標(biāo)最優(yōu)的一體化設(shè)計，以JWST為例其功能性能一體化技術(shù)主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

——采用在線加工檢測一體化技術(shù)，主鏡直徑2.4m，質(zhì)量900kg，拋光約30nm的加工精度[17]。

——搭建了一個貫穿整個項目的通用平臺，采用IBM Rational Rose Real-time開放式標(biāo)準(zhǔn)軟件完成系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)軟件一體化設(shè)計[18]。

——主鏡的分塊設(shè)計和整星空間可展開設(shè)計實現(xiàn)展開與發(fā)射狀態(tài)功能布局最優(yōu)（展開尺寸為6.1m×6.6m×14.626m，折疊后尺寸為10.661m×4.472m）[19]。其展開過程如圖3所示，地面裝配與發(fā)射過程中次鏡與次鏡支撐處于折疊狀態(tài)；在軌后，首先通過機構(gòu)展開次鏡支撐，次鏡進(jìn)入預(yù)定位姿后，依次鎖定次鏡支撐、旋轉(zhuǎn)調(diào)整主鏡位姿并鎖定主鏡，完成整星的空間展開過程。

圖3 JWST展開過程Fig.3 JWST deployment process

——可折疊遮陽板可展開成為一個網(wǎng)球場大小的遮光板，屏蔽太陽光和地球反射光，為光學(xué)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電子學(xué)系統(tǒng)提供–233℃的工作環(huán)境溫度，實現(xiàn)整星光、機、熱一體化設(shè)計[20]。JWST遮光罩溫區(qū)示意如圖4所示，遮陽板包括5層隔熱板，光學(xué)系統(tǒng)（OTE）和綜合科學(xué)儀器艙（ISIM）從構(gòu)型布局上就被動制冷至低溫環(huán)境，3個溫區(qū)控制分別實現(xiàn)制冷、冷區(qū)控溫和環(huán)境控溫，充分保證了光學(xué)系統(tǒng)和綜合科學(xué)儀器艙的工作環(huán)境溫度。

圖4 JWST溫區(qū)示意Fig.4 JWST temperature zone schematic

綜上所述，無論是哪種層級的平臺載荷一體化研制均圍繞光學(xué)遙感器的成像品質(zhì)和成像能力，以平臺機、電、熱、控制性能最優(yōu)為目標(biāo)，衛(wèi)星的功能更加完備、成像性能指標(biāo)和衛(wèi)星快速姿態(tài)機動能力不斷提升，是目前國外光學(xué)遙感衛(wèi)星發(fā)展的主要趨勢[21-22]。

3.2 國內(nèi)

國內(nèi)遙感衛(wèi)星平臺載荷一體化設(shè)計主要以基于接口的一體化設(shè)計為主。如某高分遙感衛(wèi)星的星敏感器直接安裝在光學(xué)遙感器主承力板上；光學(xué)遙感器通過一體化支撐結(jié)構(gòu)安裝在平臺上方；采用獨立遮光罩設(shè)計，遮光罩為光學(xué)遙感器提供消雜光能力；測控天線安裝在光學(xué)遙感器遮光罩上；星敏散熱板安裝在星敏感器支架上；光學(xué)遙感器散熱板安裝在平臺上方。某敏捷遙感衛(wèi)星也采取了多項平臺載荷一體化設(shè)計措施，包括：動中成像工作模式設(shè)計；星敏感器直接安裝在光學(xué)遙感器主承力板上；采用獨立遮光罩設(shè)計，遮光罩為光學(xué)遙感器提供消雜光能力；測控天線、數(shù)傳天線、星敏散熱板和視頻相機等安裝在光學(xué)遙感器遮光罩上。國內(nèi)某型號遙感衛(wèi)星一體化設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 國內(nèi)某遙感衛(wèi)星一體化設(shè)計結(jié)構(gòu)Fig.5 An integrated structure design of a remote sensing satellite in China

4 結(jié)束語

發(fā)展遙感衛(wèi)星平臺載荷一體化設(shè)計技術(shù)，應(yīng)當(dāng)以平臺載荷一體化設(shè)計的層級和遙感衛(wèi)星研制任務(wù)類型相結(jié)合，針對不同的任務(wù)類型和指標(biāo)要求，開展不同層級的一體化研制，即按需設(shè)計。

1）針對時間緊、技術(shù)成熟、各項指標(biāo)均完全滿足要求的研制任務(wù)，應(yīng)以降低成本為目標(biāo)，采用基于接口的一體化設(shè)計，對現(xiàn)有成熟技術(shù)不斷總結(jié)積累迭代，形成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、產(chǎn)品化的遙感衛(wèi)星，以達(dá)到成本低、效率高的目的。

2）針對研制難度大，口徑、質(zhì)量、成像性能和成像品質(zhì)等各項指標(biāo)要求均很高的情況下，采用基于模型協(xié)同的一體化研制模式，以遙感器光學(xué)性能為核心，從最終圖像時間分辨率和幾何品質(zhì)出發(fā)，進(jìn)行整星光、機、電、熱各專業(yè)協(xié)同設(shè)計。

3）基于模型協(xié)同一體化設(shè)計技術(shù)的發(fā)展和認(rèn)識，結(jié)合研制任務(wù)和指標(biāo)要求，逐步積累遙感衛(wèi)星功能性能一體化設(shè)計能力。

遙感衛(wèi)星的平臺載荷一體化設(shè)計技術(shù)是遙感衛(wèi)星總體設(shè)計最頂層的系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)的一體化設(shè)計水平相較于國外的先進(jìn)水平還有較大的差距。為實現(xiàn)整星最優(yōu)的一體化設(shè)計，我們需要在設(shè)計模式上，針對不同研制任務(wù)，采取不同的一體化研制模式，通過長期相互滲透，逐步提升平臺與載荷雙方設(shè)計能力，形成以效能提升為目的的遙感衛(wèi)星的整體設(shè)計思路，實現(xiàn)整星功能性能最優(yōu)。