于龍江 高陽 張國斌 楊國巍 楊文濤 郝修來 陳虎

(中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

航天器通常由有效載荷和平臺組成。其中：有效載荷是直接面向航天器應(yīng)用的，是航天器任務(wù)的核心，是隨著航天器任務(wù)的不同而變化的部分。平臺是指由航天器的全部服務(wù)系統(tǒng)組成、保障有效載荷正常工作的組合體。而公用平臺是可以支持多種任務(wù)、保障有效載荷正常工作、由航天器全部服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成的組合體。公用平臺概念的核心是多任務(wù)、多有效載荷的支持能力，既能滿足一定范圍內(nèi)的有效載荷支持需求，又具有一定的穩(wěn)定性、獨立性、型譜化等特點，是面向大任務(wù)量航天器研制需求，實現(xiàn)資源集約、降本增效的必由之路[1-2]。

隨著遙感衛(wèi)星研制任務(wù)量的快速增長、任務(wù)難度的不斷增大，遙感衛(wèi)星研制公司在研制周期、衛(wèi)星性能、研制成本方面均面臨著巨大壓力。高性能、高可靠、靈活適應(yīng)的遙感公用平臺成為企業(yè)發(fā)展的核心競爭力[3]。國際上主要的遙感衛(wèi)星研制公司均具有系列化衛(wèi)星平臺，例如阿斯特留姆(Astrium)公司的“低軌星”(LEOSTAR)系列平臺、“天文星”(Astrosat)系列平臺、斯波特-MK(SPOT-MK)系列平臺、“歐洲極軌”(PPF)平臺，泰雷茲-阿萊尼亞航天公司的“海神”(Proteus)平臺、“多應(yīng)用可重構(gòu)”(PRIMA)平臺，美國鮑爾宇航技術(shù)公司的鮑爾可重構(gòu)-2000(BCP-2000)平臺、鮑爾可重構(gòu)-4000/5000(BCP-4000/5000)平臺，洛馬空間系統(tǒng)公司的“洛馬900”(LM900)平臺等。

中國空間技術(shù)研究院作為我國航天器設(shè)計、制造的龍頭企業(yè)，在各個領(lǐng)域的系列化公用平臺建設(shè)方面均開展了大量工作[4]，形成了“東方紅”通信衛(wèi)星平臺系列[5]、CAST小衛(wèi)星平臺系列及“資源”大中型遙感衛(wèi)星平臺系列。中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(簡稱“中型敏捷平臺”)，隸屬于“資源”大中型遙感衛(wèi)星平臺系列。中型敏捷平臺于2013年6月批復(fù)立項，2014年2月轉(zhuǎn)入初樣，2016年10月完成研制。在平臺開發(fā)過程中，重點形成了8個方面的先進能力，開發(fā)出一批高性能升級換代單機產(chǎn)品，突破了4項核心技術(shù)，系統(tǒng)開展并完成了8年壽命設(shè)計驗證工作，平臺核心能力達到國際先進水平，能夠滿足我國2030年前相關(guān)遙感衛(wèi)星研制任務(wù)需求。

1 中型敏捷平臺研制目標

基于對世界先進遙感衛(wèi)星平臺技術(shù)和能力發(fā)展的分析，結(jié)合我國中長期遙感衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃，中型敏捷平臺的研制目標是：提升我國遙感衛(wèi)星平臺能力，滿足我國未來遙感衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展需求，使我國遙感衛(wèi)星平臺性能達到或接近國際先進水平，促進和帶動遙感衛(wèi)星研制管理模式轉(zhuǎn)變。具體包括：完成中型敏捷平臺開發(fā)，使以敏捷機動為代表的平臺技術(shù)能力達到國際先進水平；突破敏捷姿態(tài)機動控制技術(shù)、高定位精度平臺支撐技術(shù)、先進空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)技術(shù)、微振動抑制技術(shù)4項核心技術(shù)，全面提升遙感衛(wèi)星平臺核心能力；建立遙感衛(wèi)星公用平臺通用產(chǎn)品體系，推動遙感衛(wèi)星平臺產(chǎn)品狀態(tài)的統(tǒng)一；完成平臺系統(tǒng)級8年壽命的設(shè)計分析，完成關(guān)鍵單機8年壽命的設(shè)計、分析并開展試驗驗證；在工程項目的研制流程、管理流程、工藝流程上進行創(chuàng)新，以適應(yīng)基于公用平臺的衛(wèi)星研制的新模式。

在具體的方案設(shè)計與技術(shù)路線選擇上，要求中型敏捷平臺開發(fā)堅持先進性、通用性、覆蓋性、經(jīng)濟性原則，貫徹國產(chǎn)化要求。先進性表現(xiàn)為平臺研制各項指標與美國BCP-5000平臺相當，相對于原有遙感衛(wèi)星平臺在能力上有大幅提升。通用性表現(xiàn)為建立統(tǒng)一的單機產(chǎn)品體系，實現(xiàn)單機產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)統(tǒng)一、能夠在不同衛(wèi)星間通用。覆蓋性表現(xiàn)為平臺實現(xiàn)功能靈活配置能力、多有效載荷適應(yīng)能力，滿足各類衛(wèi)星應(yīng)用需求。經(jīng)濟性表現(xiàn)為研究建立基于公用平臺的遙感衛(wèi)星研制模式，促進未來應(yīng)用中型敏捷平臺的遙感衛(wèi)星在研制效率、成本、周期上得到優(yōu)化提升。

2 中型敏捷平臺方案特點

從國際發(fā)展趨勢來看，遙感衛(wèi)星平臺通常表現(xiàn)出很強的“柔性”，以適應(yīng)各類任務(wù)需求。具體表現(xiàn)為：遙感衛(wèi)星平臺主體技術(shù)狀態(tài)(主體結(jié)構(gòu)形式、推進系統(tǒng)等)基本固定，而電子學(xué)系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)等均可以根據(jù)任務(wù)需求進行靈活配置。例如，美國鮑爾宇航技術(shù)公司BCP-5000平臺開發(fā)于21世紀初期，采用模塊化設(shè)計架構(gòu)，電子設(shè)備模塊可以靈活替換、增加或刪減。BCP-5000平臺采用控制力矩陀螺(CMG)作為姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)，大幅提高衛(wèi)星的姿態(tài)機動速度及沿復(fù)雜規(guī)劃曲線進行姿態(tài)機動控制的能力，用于“世界觀測”(WorldView)系列衛(wèi)星，姿態(tài)機動角速度可達4.5(°)/s，角加速度可達2.5(°)/s2，支持衛(wèi)星實現(xiàn)最高0.3 m空間分辨率、6.5 m無控制點幾何定位精度，成為世界商業(yè)遙感衛(wèi)星、敏捷成像衛(wèi)星的典范。歐洲PRIMA平臺結(jié)構(gòu)為四棱柱體系，分為服務(wù)艙、載荷艙兩大部分，數(shù)據(jù)系統(tǒng)和電接口標準化、易集成，電子設(shè)備可以靈活配置，已應(yīng)用于系列化軍民光學(xué)、微波遙感衛(wèi)星。

中型敏捷平臺定位于服務(wù)具有高敏捷機動能力、復(fù)雜工作模式需求的各類低軌光學(xué)、微波遙感探測任務(wù)，同樣采用了模塊化設(shè)計方式(見圖1)，具有良好的功能適應(yīng)性和接口適應(yīng)性，適用于各類光學(xué)載荷、微波載荷承載任務(wù)。平臺采用“框梁+箱板”的結(jié)構(gòu)形式，各艙段實現(xiàn)模塊化設(shè)計并具有很好的可擴展性，采用綜合電子、全調(diào)節(jié)母線、3軸穩(wěn)定控制、單組元推進、高剛度小慣量設(shè)計、大力矩輸出姿態(tài)控制等技術(shù)體制，具有極高的姿態(tài)控制精度、極強的姿態(tài)機動能力和自主任務(wù)管理能力、自主健康管理能力。平臺整星承載能力3500 kg，光學(xué)載荷承載能力1000 kg，合成孔徑雷達(SAR)載荷承載能力1500 kg，載荷供電能力1500～2500 W，峰值供電能力12 000 W，姿態(tài)機動速度達到25°/20 s，支持各類敏捷成像工作模式，設(shè)計壽命達到8年。單機產(chǎn)品100%國產(chǎn)，并新研一批高集成度、輕小型化、先進單機產(chǎn)品，全面實現(xiàn)遙感衛(wèi)星平臺核心產(chǎn)品的升級換代。中型敏捷平臺各項指標與美國鮑爾宇航技術(shù)公司BCP-5000平臺相當，達到國際先進水平，詳見表1。

圖1 中型敏捷平臺模塊組成Fig.1 Module composition of ZY2000 Platform

表1 中型敏捷平臺技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of ZY2000 Platform

中型敏捷平臺具有以下技術(shù)特點。

(1)國際先進的敏捷機動控制技術(shù)。中型敏捷平臺支持高分辨率遙感衛(wèi)星實現(xiàn)姿態(tài)機動并穩(wěn)定時間25°/20 s，40°/25 s。其實現(xiàn)途徑包括：改進的姿態(tài)規(guī)劃和控制算法，實現(xiàn)快速機動快速穩(wěn)定、高平穩(wěn)主動推掃；先進的控制部件，包括大量程三浮陀螺、甚高精度星敏感器、125 N·m·s控制力矩陀螺等。衛(wèi)星一軌內(nèi)可成像目標數(shù)量由5個提高到35個以上，并可以實現(xiàn)多條帶拼幅、多角度成像、主動推掃(動中成像)等成像模式[6-7]。

(2)10 m以內(nèi)的定位精度支持技術(shù)。中型敏捷平臺支持高分辨率遙感衛(wèi)星實現(xiàn)無控制點10 m定位精度。其實現(xiàn)途徑包括：配置1″甚高精度星敏感器實現(xiàn)高精度定姿；配置雙頻雙模導(dǎo)航定位接收機，實現(xiàn)事后0.2 m高定軌精度；成像系統(tǒng)與測姿系統(tǒng)之間進行結(jié)構(gòu)高穩(wěn)定一體化設(shè)計；整星實現(xiàn)20 μs高時統(tǒng)精度。

(3)通用化星載數(shù)據(jù)系統(tǒng)技術(shù)。中型敏捷平臺遵循空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)、歐洲航天標準合作組織(ECSS)等國際標準，在星地鏈路、星載鏈路、數(shù)據(jù)服務(wù)體系等方面構(gòu)建了分層、開放的體系架構(gòu)和標準接口規(guī)范，接口協(xié)議全部符合國際標準，星上各類智能終端可以靈活接入，衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理能力大幅提升。以此為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了一套自主任務(wù)管理、自主健康管理技術(shù)體系，大幅提升衛(wèi)星的智能化水平和使用效能。

(4)高效率任務(wù)規(guī)劃和管理技術(shù)。中型敏捷平臺的任務(wù)管理模式相比傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星平臺進行了徹底更新，由“指令驅(qū)動”模式升級為“元任務(wù)驅(qū)動”模式，自主任務(wù)管理能力提高一個等級。通過星地一體化的任務(wù)規(guī)劃與任務(wù)管理，實現(xiàn)了星上自主進行元任務(wù)解析與執(zhí)行的運行模式，大幅降低了用戶任務(wù)操作的復(fù)雜性。衛(wèi)星每天執(zhí)行任務(wù)數(shù)量由60個左右提高至240個以上。

(5)高效的電能獲取與管理技術(shù)。中型敏捷平臺采用高剛度太陽翼+鋰離子蓄電池+全分散供電的供配電體制，其優(yōu)勢在于：效率、集成度高，供配電分系統(tǒng)質(zhì)量由傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星平臺的350 kg減至185 kg(均含太陽翼)；充電、分流、放電保護功能增強，供配電鏈路安全性大幅提升。

(6)整體式高效微振動抑制技術(shù)。中型敏捷平臺采用整體式減隔振技術(shù)，由全新研制的并聯(lián)隔振裝置構(gòu)成CMG群整體隔振系統(tǒng)，實現(xiàn)對CMG群微振動的有效抑制。其突破了微動隔振器產(chǎn)品設(shè)計、工藝制造、試驗測試等十余項技術(shù)，具有隔振效率高、承載能力強的突出特點。

(7)模塊化、標準化結(jié)構(gòu)技術(shù)。中型敏捷平臺采用全新的基于“四立柱”的結(jié)構(gòu)形式，與通常的“承力筒”結(jié)構(gòu)形式完全不同。它具有以下特點：模塊化，結(jié)構(gòu)由各個獨立模塊組成，可以靈活組裝、并行集成測試；敏捷性，結(jié)構(gòu)構(gòu)型集中緊湊、空間利用率高，整體慣量??；便捷性，設(shè)備外掛安裝，開敞性好，操作簡便；低成本，主體結(jié)構(gòu)均為機加件，研制成本低、周期短。中型敏捷平臺典型光學(xué)衛(wèi)星和典型SAR衛(wèi)星示意，見圖2和圖3。

圖2 中型敏捷平臺典型光學(xué)衛(wèi)星示意Fig.2 A typical optical satellite based on ZY2000 Platform

圖3 中型敏捷平臺典型SAR衛(wèi)星示意Fig.3 A typical SAR satellite based on ZY2000 Platform

(8)長壽命設(shè)計與驗證技術(shù)。中型敏捷平臺是我國首個系統(tǒng)開展8年壽命設(shè)計與驗證的低軌遙感衛(wèi)星平臺。按照系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機3個層次，壽命設(shè)計分析、壽命試驗、壽命建模、壽命評價4個方面，全面開展長壽命設(shè)計與驗證工作，實現(xiàn)了8年壽命指標閉環(huán)驗證，并形成衛(wèi)星壽命工作規(guī)范，支持后續(xù)遙感衛(wèi)星長壽命工作的開展與長壽命工作成果的應(yīng)用[8-9]。

3 研制成果與應(yīng)用效益

2013年6月，中型敏捷平臺項目獲得國務(wù)院批準正式立項。項目團隊經(jīng)過歷時40個月的研制攻關(guān)，全面完成了中型敏捷平臺的開發(fā)工作，取得了豐富的研制成果，并直接應(yīng)用于首發(fā)星及同期開展研制的軍民相關(guān)衛(wèi)星中，取得了廣泛的應(yīng)用效益。

(1)完成平臺主體模塊化結(jié)構(gòu)的開發(fā)與驗證，實現(xiàn)良好的任務(wù)適用性。在方案階段，研制了原理驗證結(jié)構(gòu)試驗星，驗證了平臺新型“四立柱式”主結(jié)構(gòu)的剛度、動強度特性；驗證了整星3000 kg、頂置光學(xué)載荷的承載能力；驗證了整星3500 kg、側(cè)置SAR載荷的承載能力。在初樣階段，針對典型光學(xué)衛(wèi)星狀態(tài)研制了結(jié)構(gòu)星，并完成鑒定級力學(xué)試驗考核(見圖4)；研制了熱控星，完成了整星熱平衡試驗考核(見圖5)。

圖4 初樣結(jié)構(gòu)星振動試驗Fig.4 Vibration test of structure satellite prototype

圖5 初樣熱控星熱平衡試驗Fig.5 Thermal balance test of thermal satellite prototype

(2)完成通用電性驗證平臺(見圖6)的開發(fā)和使用，服務(wù)于后續(xù)衛(wèi)星。通用電性驗證平臺是在中型敏捷平臺開發(fā)中提出的新概念，定義為遙感衛(wèi)星系統(tǒng)級電性能測試的通用化測試平臺。其作用包括：用于對中型敏捷平臺電性能的測試驗證；成為遙感領(lǐng)域公用平臺性能升級、維護的主要驗證載體；為后續(xù)遙感衛(wèi)星開展系統(tǒng)級電性能測試驗證提供支撐。中型敏捷平臺研制過程中，完成了遙感領(lǐng)域通用電性驗證平臺的研制，并對平臺電性能進行了全面的測試驗證。通用電性驗證平臺的研制和使用，可以使各衛(wèi)星不必單獨研制完整的電性星，極大的節(jié)約成本；同時，各類單機產(chǎn)品僅需要進行一次完整的功能性能測試，其測試結(jié)果就可以直接應(yīng)用于各個相關(guān)衛(wèi)星，減少了大量的重復(fù)性測試工作；通用電性平臺提高了地面測試設(shè)備、測試程序的規(guī)范性及測試文件的通用性，提高了衛(wèi)星電性能測試的效率。

圖6 通用電性驗證平臺Fig.6 Generalized electronical test platform

(3)實現(xiàn)敏捷機動、數(shù)據(jù)系統(tǒng)等共性核心技術(shù)的共享與推廣應(yīng)用。中型敏捷平臺研制過程中突破了敏捷機動控制、高定位精度、先進數(shù)據(jù)系統(tǒng)、微振動抑制4項核心技術(shù)(見圖7和圖8)，并全面實現(xiàn)了8年壽命技術(shù)，這些技術(shù)均已經(jīng)在同期的軍民遙感衛(wèi)星上得到了應(yīng)用。例如：主動推掃“動中成像”技術(shù)解決了超高分辨率光學(xué)衛(wèi)星曝光時間不足的問題；雙頻GPS/北斗精密定軌技術(shù)、大量程高動態(tài)定姿技術(shù)及高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性技術(shù)，用于多顆遙感衛(wèi)星，有效保障定位精度指標的實現(xiàn)；多顆高分辨率遙感衛(wèi)星均采用基于微動隔振器的并聯(lián)隔振技術(shù)，實現(xiàn)對平臺高頻擾振的有效隔離，保障有效載荷成像質(zhì)量。

圖8 高定位精度結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性試驗Fig.8 Structure stability test of high positioning accuracy

(4)多種技術(shù)手段協(xié)同創(chuàng)新、聯(lián)合應(yīng)用，實現(xiàn)了系統(tǒng)的好用易用。中型敏捷平臺以采用基于CCSDS和ECSS標準的數(shù)據(jù)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)星地一體的高效任務(wù)規(guī)劃和自主任務(wù)管理、自主健康管理。衛(wèi)星能夠根據(jù)地面上注的元任務(wù)序列，自主完成各分系統(tǒng)動作規(guī)劃(包括姿態(tài)機動過程規(guī)劃)，生成指令序列、自動執(zhí)行，并對執(zhí)行過程和結(jié)果進行監(jiān)控，極大提高了衛(wèi)星成像的靈活性，確保復(fù)雜任務(wù)的高效便捷實現(xiàn)，同時提高衛(wèi)星任務(wù)運行過程的安全性。低軌遙感衛(wèi)星過境時地面可視弧段很短，中型敏捷平臺設(shè)計并實現(xiàn)了自主健康管理技術(shù)，具備單機級、分系統(tǒng)級、系統(tǒng)級等不同層級的健康管理能力，衛(wèi)星可以基于各分系統(tǒng)和重要單機的有效信息進行健康判斷、決策和處置，并向地面提供整星健康管理的事件報告，極大提升衛(wèi)星在軌運行的穩(wěn)定性。

(5)實現(xiàn)全新一代平臺高性能單機產(chǎn)品的開發(fā)和推廣應(yīng)用。中型敏捷平臺研制過程中共新研33類高性能、輕小型化、智能化單機產(chǎn)品，實現(xiàn)遙感衛(wèi)星平臺產(chǎn)品體系的統(tǒng)一升級換代，主要包括甚高精度星敏感器、大量程三浮陀螺組件、125 N·m·s控制力矩陀螺等11類高性能控制單機，系統(tǒng)管理單元、數(shù)據(jù)接口單元等2類數(shù)管核心單機，數(shù)字化統(tǒng)一S頻段(USB)應(yīng)答機、一體化擴頻應(yīng)答機、雙頻雙模導(dǎo)航定位接收機等7類測控核心單機，高剛度太陽翼、鋰離子蓄電池、電源控制器等5類供配電單機，以及并聯(lián)隔振裝置、智能型控溫儀等單機。單機產(chǎn)品貫徹高集成度、輕量化、模塊化的設(shè)計理念[10]，提高功能密度比；實現(xiàn)了單機種類與數(shù)量大幅減少，平臺典型配置的電子/機電類產(chǎn)品由傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星平臺的80類左右減少為50類左右；實現(xiàn)了平臺質(zhì)量減小，由傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星平臺的1500～1600 kg減少至1000～1200 kg。新研單機按照“詳細設(shè)計統(tǒng)一審定、產(chǎn)保要求統(tǒng)一實施、技術(shù)狀態(tài)統(tǒng)一控制、研制試驗統(tǒng)一開展、鑒定產(chǎn)品統(tǒng)籌投產(chǎn)”的原則，統(tǒng)一完成了鑒定產(chǎn)品研制及鑒定試驗，確保滿足遙感衛(wèi)星使用要求，實現(xiàn)通用化。新研單機產(chǎn)品在同期及后續(xù)的多個軍民衛(wèi)星中得到廣泛使用，保障了“十二五”、“十三五”高性能遙感衛(wèi)星研制任務(wù)的順利實施，并節(jié)省了大量研制經(jīng)費。

(6)建立起基于公用平臺的遙感衛(wèi)星研制模式。以中型敏捷平臺開發(fā)為契機，開展了遙感衛(wèi)星研制模式的創(chuàng)新。對傳統(tǒng)的預(yù)研階段和方案階段進行了整合，充分利用公用平臺的產(chǎn)品、技術(shù)，提高衛(wèi)星早期設(shè)計的細化程度，避免不必要的設(shè)計迭代與反復(fù)。對傳統(tǒng)的初樣階段設(shè)計驗證工作進行了優(yōu)化，充分利用電性驗證平臺及數(shù)字化設(shè)計分析工具，主要圍繞有效載荷開展電性能測試驗證，減少重復(fù)驗證工作；同時使用通用的單機產(chǎn)品規(guī)范、接口數(shù)據(jù)單(IDS)，避免平臺專門定制產(chǎn)品，減少產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)變化、重復(fù)設(shè)計帶來的成本和進度的浪費。研制模式轉(zhuǎn)變和流程優(yōu)化，可以大幅節(jié)約經(jīng)費、時間成本，促進預(yù)研成果直接應(yīng)用于衛(wèi)星。將傳統(tǒng)衛(wèi)星的3～5年背景預(yù)研與方案設(shè)計壓縮到1.5～2年；將初樣階段平臺驗證工作省去，節(jié)約至少6個月。

4 結(jié)束語

中型敏捷平臺的研制開發(fā)，對我國遙感衛(wèi)星追趕國際先進水平、保障后續(xù)任務(wù)發(fā)展有著非常重要的作用。其有效載荷適應(yīng)能力強、敏捷姿態(tài)機動能力強、時空基準測量精度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高、星載數(shù)據(jù)系統(tǒng)先進、自主管理功能先進，并在多顆遙感衛(wèi)星上應(yīng)用。首發(fā)星高分多模衛(wèi)星于2020年7月成功發(fā)射，其他在軌及在研衛(wèi)星包括高分辨率SAR試驗衛(wèi)星、高分辨率紅外衛(wèi)星、高精度激光測量衛(wèi)星等。同時，在中型敏捷平臺開發(fā)中，系統(tǒng)開展了平臺各級產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)統(tǒng)一管理工作，推出一批升級換代單機產(chǎn)品；在通用電性驗證平臺建設(shè)、產(chǎn)品投產(chǎn)和使用統(tǒng)籌、衛(wèi)星研制流程優(yōu)化等方面進行了實踐，產(chǎn)生了多類仿真、試驗、測試工具，積累了豐富經(jīng)驗；提高了遙感衛(wèi)星研制水平和效能，促進了遙感衛(wèi)星研制模式轉(zhuǎn)變，為我國遙感衛(wèi)星又好又快發(fā)展作出了貢獻。