國外低成本衛星技術(shù)研究的論文

　　1 低成本衛星內涵辨析

　　當前，低成本衛星仍是相對概念，一般由工業(yè)界和學(xué)術(shù)界以“低成本”(Low Co s t)、“較低成本”(Lower Cost)或“降低成本”(CostReduction)等概指。國外研究界一般認為，低成本衛星是指全壽命周期成本顯著(zhù)低于同類(lèi)衛星平均成本的衛星。每個(gè)衛星任務(wù)都有其特定的任務(wù)需求、項目管理和指南要求，這些要素決定了衛星應具備的功能及其實(shí)現途徑。不同衛星的任務(wù)有效載荷顯著(zhù)不同，其性能指標也具有較大差異。因此，國外研究界認為，無(wú)法用定量化的方式定義低成本衛星，但基于數理統計分析方法可以對比確定屬于低成本范疇的衛星項目�？偨Y這些滿(mǎn)足低成本條件的衛星項目研制期間所采用的技術(shù)手段，即可認為采用這些手段能比傳統手段更有效地降低衛星成本。

　　低成本衛星是全壽命周期概念

　　必須從衛星項目的整個(gè)壽命周期視角降低任務(wù)成本，包括項目的概念研究階段、項目定義階段、設計階段、研制階段和運行階段。降低任務(wù)要求、引入創(chuàng )新技術(shù)、優(yōu)化發(fā)射選擇、創(chuàng )新運營(yíng)模式都是發(fā)展低成本衛星的重要手段。

　　低成本衛星是價(jià)格和性能的綜合作用結果

　　低成本衛星不以追逐絕對的低價(jià)格為最高優(yōu)先級，而是聚焦發(fā)展高性?xún)r(jià)比衛星，要充分發(fā)揮比較優(yōu)勢，為空間任務(wù)提供高性?xún)r(jià)比實(shí)現途徑。低成本往往意味著(zhù)低要求，但發(fā)展低成本衛星不等同于要以完全犧牲衛星可靠性和衛星功能為前提，其核心目的應是以較低成本發(fā)展利用空間技術(shù)。

　　低成本衛星不等同于小衛星

　　盡管小衛星相較傳統大衛星的研制成本和發(fā)射成本更低，但實(shí)際上小衛星低成本更多是依靠輕量化、小型化及對發(fā)射能力需求更低實(shí)現的。低成本衛星的關(guān)鍵則是降低任務(wù)需求，以高性?xún)r(jià)比的方式發(fā)展滿(mǎn)足功能需求的衛星系統。因此，低成本衛星不等同于小衛星，中大型衛星也可以是低成本衛星。

　　2 國外降低衛星成本典型案例

　　實(shí)施有效的衛星成本管理，避免成本過(guò)度上漲是發(fā)展可持續航天能力的關(guān)鍵。降低衛星成本需從項目決策層面到項目執行層面，再到技術(shù)研制層面一體貫行。美國政府、Microcosm咨詢(xún)公司、薩瑞衛星技術(shù)有限公司(SSTL，以下簡(jiǎn)稱(chēng)薩瑞公司)和泰雷茲-阿萊尼亞航天公司(TAS)等均進(jìn)行了相關(guān)研究，并采取了必要措施以降低衛星成本。

　　美國政府從工程技術(shù)、競爭力和商業(yè)三個(gè)層面提出降低衛星成本的技術(shù)途徑為了有效解決航天任務(wù)“拖進(jìn)度、漲成本、降能力”問(wèn)題，美國國家情報辦公室于2011年12月面向美國工業(yè)界和學(xué)術(shù)界發(fā)布了“信息征詢(xún)書(shū)”(RFI)，征集低成本衛星技術(shù)途徑和備選方案。美國國家情報辦公室征詢(xún)結果表明，低成本衛星可從工程技術(shù)、競爭力和商業(yè)三個(gè)層面實(shí)現，其中標準化、通用化、模塊化設計是工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。據此，美國國家情報辦公室啟動(dòng)了“空間通用模塊化架構”(SUMO)項目，重點(diǎn)提高衛星部組件通用化水平，以實(shí)現降低衛星成本和引入模塊化概念鼓勵創(chuàng )新的目標。

　　1 ) 工程技術(shù)手段。包括： 支持即插即用(PnP)設計的標準化電子接口;通用化部件，滿(mǎn)足多種應用需求;模塊化平臺設計;通用測試和鑒定要求;可升級體系架構;技術(shù)升級與創(chuàng )新。

　　2 ) 競爭力手段。包括： 基于全局標準而不是用戶(hù)產(chǎn)品調整目標; 調整國際武器貿易條例(ITAR)，去除不必要的限制約束;政府保持全球航天領(lǐng)導者地位;政府和工業(yè)界聯(lián)盟，創(chuàng )造雙贏(yíng)機會(huì )。

　　3)商業(yè)與合同方面的.手段。包括：創(chuàng )建可預測的、穩定的政府規劃周期;有效載荷搭載;充分使用商業(yè)服務(wù)、能力和基礎設施;資源共享—軟件庫，開(kāi)發(fā)工具、開(kāi)發(fā)技術(shù)和開(kāi)發(fā)信息;資源共享—軌道和頻率資源;風(fēng)險容忍文化;避免需求變化，保持需求的穩定性;項目管理和監管穩定;優(yōu)化投資，與工業(yè)界利益保持一致;批量購買(mǎi)，實(shí)現采購方和供應方雙贏(yíng);盡可能鼓勵使用固定價(jià)格合同的方式;協(xié)調標準化和資源共享，并保護公司私有技術(shù)、發(fā)展戰略和交易等秘密信息。

　　英國薩瑞公司從六個(gè)方面踐行低成本衛星發(fā)展理念

　　薩瑞公司通過(guò)優(yōu)化組織管理、改進(jìn)衛星設計、形成了獨特的低成本衛星研制文化。薩瑞公司自20世紀70年代成立之初，就以快速建造低成本小衛星為目的。按照以大衛星20%的成本和40%的研制周期獲得80%性能的設計思想，采用降低技術(shù)難度、降低壽命要求、降低進(jìn)入門(mén)檻等方式，促進(jìn)了新型研制模式的出現，通過(guò)大量使用商用現貨部件、快速非連續制造、研制和測試流程優(yōu)化，降低了衛星成本。

　　1)小型團隊，集同工作。高效精簡(jiǎn)和扁平化架構的研制管理團隊是薩瑞公司保持較高工作效率、降低人力成本的重要舉措;管理、設計、制造和運行部門(mén)在同一地點(diǎn)進(jìn)行可以顯著(zhù)降低成本。

　　2)減少分包商的數量，保持完整的“內部能力”。發(fā)展從衛星總體到分系統再到部組件級的研制能力，避免轉包商所帶來(lái)的制約與依賴(lài)，將減少正式接口文件和合同協(xié)商，從而提高生產(chǎn)效率。

　　3)廣泛使用商用現貨產(chǎn)品，控制部件成本。在可能情況下，優(yōu)先使用商業(yè)或工業(yè)部件。在商業(yè)或工業(yè)部件可用的情況下，該方法可以避免航天級部件的高成本，減少交付周期、避免出口許可證及部件研制的重復等問(wèn)題。

　　4)采用靈活性設計。衛星設計采用在軌重構的方式，可以通過(guò)冗余將風(fēng)險控制在一定范圍。多年的經(jīng)驗證明，軟件上傳的功能至關(guān)重要，可以避免一些預想不到的情況發(fā)生。

　　5)采用分布式計算機和測控系統。通過(guò)大量的處理器節點(diǎn)，可以分散系統的復雜性，可以減少對一臺星載計算機的依賴(lài)。

　　6)自主在軌運行。地面站和衛星自主運行意味著(zhù)在進(jìn)行常規運行時(shí)，地面站可處于無(wú)人值守狀態(tài);高度自主的小衛星技術(shù)以及先進(jìn)的地面站技術(shù)，極大降低了衛星的維護成本，從而有效降低了任務(wù)的綜合成本。

　　3 低成本衛星關(guān)鍵技術(shù)

　　低成本衛星是全壽命周期概念，需要創(chuàng )新的系統解決方案和關(guān)鍵技術(shù)作支撐。本研究重點(diǎn)從衛星平臺設計和組裝、集成與測試(AI&T)兩個(gè)方面分析低成本衛星關(guān)鍵技術(shù)。

　　模塊化衛星平臺技術(shù)

　　模塊化平臺是低成本衛星的關(guān)鍵技術(shù)。模塊化平臺技術(shù)盡量將技術(shù)上的升級、新功能的增加限制在某個(gè)模塊上。當需要進(jìn)行技術(shù)升級或需要增加新功能時(shí)，只需升級局部模塊而不用對整個(gè)系統進(jìn)行大的變動(dòng)。采用模塊化設計還能簡(jiǎn)化衛星系統組裝、集成與測試過(guò)程，大大減少保障人員和保障設備，進(jìn)而降低成本費用。美國諾格公司發(fā)展的 “鷹”(Eagle)系列平臺、波音公司“ 幻影鳳凰” ( P h a n t o mP h oe n i x)系列平臺、薩瑞公司“靜止軌道迷你衛星平臺”(GMP)和“日本電氣公司下一代星”(NEXTAR)平臺等均是典型的模塊化衛星平臺。

　　“日本電氣公司下一代星”平臺是由日本電氣公司(NEC)研制的新一代模塊化平臺，平臺各功能艙在物理結構上獨立設計，在功能架構上基于SpaceWire標準聯(lián)接，可細分為數據處理、姿態(tài)軌道控制和任務(wù)控制三層網(wǎng)絡(luò )。這種物理結構分離、功能聯(lián)接一體的模塊化平臺架構，使得“日本電氣公司下一代星”平臺能夠快速適應不同任務(wù)需求，僅做有限的局部修改即可支持可見(jiàn)光、高光譜、紅外和雷達等不同的對地觀(guān)測任務(wù)，形成對不同對地觀(guān)測任務(wù)的通用支持能力，降低了平臺“裁剪”成本�！叭毡倦姎夤�司下一代星”平臺星載計算機硬件標準完全一致，各部組件也具有相同定義的接口管腳，這種接口標準化設計使得基于“日本電氣公司下一代星”平臺的衛星部組件通用化程度和可替換性大幅提高，減少了備用部組件數量，降低衛星研制和測試保障費用。

　　美國宇航公司(Aerospace)對采用模塊化衛星平臺帶來(lái)的經(jīng)濟效益進(jìn)行了研究分析。該公司廣泛采樣軍事和民用衛星市場(chǎng)訂單數據，利用回歸分析模型研究得出：大量使用模塊化衛星平臺有助于降低衛星成本，研發(fā)模塊化衛星平臺投入的經(jīng)費在9年內即可獲得效益回報。長(cháng)遠看，研制并使用模塊化衛星平臺技術(shù)，衛星成本總節省額高達188億美元，占比約為29%。

　　快速組裝、集成與測試技術(shù)

　　空間即插即用(SPA)技術(shù)是系統快速組裝、集成與測試的基礎，能夠實(shí)現識別接入組件并進(jìn)行動(dòng)態(tài)監測和配置，能夠大大減少衛星系統設計、組裝、集成與測試各個(gè)環(huán)節的特殊需求，從而縮短項目周期。

　　空間即插即用技術(shù)是美國和空軍研究實(shí)驗室(AFRL)為推動(dòng)發(fā)展快速響應能力而聯(lián)合推進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)�？臻g即插即用技術(shù)初期聚焦快速即插即用技術(shù)，發(fā)展快速響應能力。隨著(zhù)技術(shù)不斷成熟，空間即插即用概念已被歐洲、日本等航天發(fā)達國家接受，并成為縮短衛星研制周期、發(fā)展快速組裝、集成與測試能力、降低衛星成本的重要技術(shù)途徑。歐洲發(fā)展了支持空間即插即用技術(shù)的SpireWire總線(xiàn)標準;瑞典與美國空軍研究實(shí)驗室合作研究納衛星即插即用架構(NAPA);日本也基于SpaceWire標準研制了支持空間即插即用的新一代模塊化快速響應平臺。

　　對于硬件，空間即插即用定義了組件與平臺結構的機械接口標準，設計人員可在集成一次結構板(ISP)上自由選取標準化連接觸點(diǎn)的位置，這些觸點(diǎn)能夠提供電源動(dòng)力或空間即插即用設備接口。對于軟件，衛星數據模型(SDM)負責飛行軟件的集成，原理上與集成一次結構板類(lèi)似，確保各種應用能夠根據需要選擇軟件和硬件組件。衛星數據模型集成在分布式星載計算機的多個(gè)CPU節點(diǎn)上，具有空間即插即用軟硬件的自檢測能力，主要負責管理硬件設備和上層服務(wù)。

　　空間即插即用技術(shù)在縮短衛星研制周期、降低成本方面具有重要優(yōu)勢。為驗證空間即插即用技術(shù)應用效能，美軍作戰響應空間(ORS)辦公室在2009年利用即插即用衛星-1(PnPSat-1)完成了3種不同構形的6次組裝、集成與測試。6次裝配測試的平均時(shí)間是5h，標準偏差是3h。這種偏差主要是由裝配人員的培訓和技能水平?jīng)Q定，而不是衛星構形的變化引起的。完成衛星測試和任務(wù)模擬的時(shí)間平均約為14.5h，標準偏差為0.3h。就經(jīng)濟方面考慮，單個(gè)大型軍事衛星的成本一般約為1億美元，如果采用成熟的空間即插即用技術(shù)則可在人力成本方面節省800萬(wàn)美元。對單個(gè)技術(shù)試驗或科學(xué)衛星而言，相對傳統建造方式花費的3700萬(wàn)美元，采用空間即插即用技術(shù)可節省約500萬(wàn)美元。

　　4 結束語(yǔ)

　　低成本衛星是平衡成本預算和能力需求的重要手段，是可持續發(fā)展利用空間技術(shù)的有效途徑。要改變傳統的“面向任務(wù)”設計，牢固樹(shù)立“面向成本”設計理念，圍繞衛星任務(wù)需求，充分考慮經(jīng)濟因素，對可實(shí)現任務(wù)目標的各個(gè)方案進(jìn)行權衡分析。研究表明，創(chuàng )新管理模式，采用模塊化平臺設計和快速組裝、集成與測試技術(shù)，是實(shí)現技術(shù)和商業(yè)雙贏(yíng)、達成降低衛星成本發(fā)展目標的重要手段。

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