國(guó)外低成本衛(wèi)星技術(shù)研究的論文

國(guó)外低成本衛(wèi)星技術(shù)研究的論文

　　1 低成本衛(wèi)星內(nèi)涵辨析

　　當(dāng)前，低成本衛(wèi)星仍是相對(duì)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(guó)外研究界一般認(rèn)為，低成本衛(wèi)星是指全壽命周期成本顯著低于同類(lèi)衛(wèi)星平均成本的衛(wèi)星。每個(gè)衛(wèi)星任務(wù)都有其特定的任務(wù)需求、項(xiàng)目管理和指南要求，這些要素決定了衛(wèi)星應(yīng)具備的功能及其實(shí)現(xiàn)途徑。不同衛(wèi)星的任務(wù)有效載荷顯著不同，其性能指標(biāo)也具有較大差異。因此，國(guó)外研究界認(rèn)為，無(wú)法用定量化的方式定義低成本衛(wèi)星，但基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法可以對(duì)比確定屬于低成本范疇的衛(wèi)星項(xiàng)目�？偨Y(jié)這些滿(mǎn)足低成本條件的衛(wèi)星項(xiàng)目研制期間所采用的技術(shù)手段，即可認(rèn)為采用這些手段能比傳統(tǒng)手段更有效地降低衛(wèi)星成本。

　　低成本衛(wèi)星是全壽命周期概念

　　必須從衛(wèi)星項(xiàng)目的整個(gè)壽命周期視角降低任務(wù)成本，包括項(xiàng)目的概念研究階段、項(xiàng)目定義階段、設(shè)計(jì)階段、研制階段和運(yùn)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(yùn)營(yíng)模式都是發(fā)展低成本衛(wèi)星的重要手段。

　　低成本衛(wèi)星是價(jià)格和性能的綜合作用結(jié)果

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

　　低成本衛(wèi)星不等同于小衛(wèi)星

　　盡管小衛(wèi)星相較傳統(tǒng)大衛(wèi)星的研制成本和發(fā)射成本更低，但實(shí)際上小衛(wèi)星低成本更多是依靠輕量化、小型化及對(duì)發(fā)射能力需求更低實(shí)現(xiàn)的。低成本衛(wèi)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?jié)M足功能需求的衛(wèi)星系統(tǒng)。因此，低成本衛(wèi)星不等同于小衛(wèi)星，中大型衛(wèi)星也可以是低成本衛(wèi)星。

　　2 國(guó)外降低衛(wèi)星成本典型案例

　　實(shí)施有效的衛(wèi)星成本管理，避免成本過(guò)度上漲是發(fā)展可持續(xù)航天能力的關(guān)鍵。降低衛(wèi)星成本需從項(xiàng)目決策層面到項(xiàng)目執(zhí)行層面，再到技術(shù)研制層面一體貫行。美國(guó)政府、Microcosm咨詢(xún)公司、薩瑞衛(wèi)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(wèi)星成本。

　　美國(guó)政府從工程技術(shù)、競(jìng)爭(zhēng)力和商業(yè)三個(gè)層面提出降低衛(wèi)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(guó)國(guó)家情報(bào)辦公室于2011年12月面向美國(guó)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(wèi)星技術(shù)途徑和備選方案。美國(guó)國(guó)家情報(bào)辦公室征詢(xún)結(jié)果表明，低成本衛(wèi)星可從工程技術(shù)、競(jìng)爭(zhēng)力和商業(yè)三個(gè)層面實(shí)現(xiàn)，其中標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)是工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。據(jù)此，美國(guó)國(guó)家情報(bào)辦公室啟動(dòng)了“空間通用模塊化架構(gòu)”(SUMO)項(xiàng)目，重點(diǎn)提高衛(wèi)星部組件通用化水平，以實(shí)現(xiàn)降低衛(wèi)星成本和引入模塊化概念鼓勵(lì)創(chuàng)新的目標(biāo)。

　　1 ) 工程技術(shù)手段。包括： 支持即插即用(PnP)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化電子接口;通用化部件，滿(mǎn)足多種應(yīng)用需求;模塊化平臺(tái)設(shè)計(jì);通用測(cè)試和鑒定要求;可升級(jí)體系架構(gòu);技術(shù)升級(jí)與創(chuàng)新。

　　2 ) 競(jìng)爭(zhēng)力手段。包括： 基于全局標(biāo)準(zhǔn)而不是用戶(hù)產(chǎn)品調(diào)整目標(biāo); 調(diào)整國(guó)際武器貿(mào)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(dǎo)者地位;政府和工業(yè)界聯(lián)盟，創(chuàng)造雙贏機(jī)會(huì)。

　　3)商業(yè)與合同方面的.手段。包括：創(chuàng)建可預(yù)測(cè)的、穩(wěn)定的政府規(guī)劃周期;有效載荷搭載;充分使用商業(yè)服務(wù)、能力和基礎(chǔ)設(shè)施;資源共享—軟件庫(kù)，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(xiǎn)容忍文化;避免需求變化，保持需求的穩(wěn)定性;項(xiàng)目管理和監(jiān)管穩(wěn)定;優(yōu)化投資，與工業(yè)界利益保持一致;批量購(gòu)買(mǎi)，實(shí)現(xiàn)采購(gòu)方和供應(yīng)方雙贏;盡可能鼓勵(lì)使用固定價(jià)格合同的方式;協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)化和資源共享，并保護(hù)公司私有技術(shù)、發(fā)展戰(zhàn)略和交易等秘密信息。

　　英國(guó)薩瑞公司從六個(gè)方面踐行低成本衛(wèi)星發(fā)展理念

　　薩瑞公司通過(guò)優(yōu)化組織管理、改進(jìn)衛(wèi)星設(shè)計(jì)、形成了獨(dú)特的低成本衛(wèi)星研制文化。薩瑞公司自20世紀(jì)70年代成立之初，就以快速建造低成本小衛(wèi)星為目的。按照以大衛(wèi)星20%的成本和40%的研制周期獲得80%性能的設(shè)計(jì)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(xiàn)，通過(guò)大量使用商用現(xiàn)貨部件、快速非連續(xù)制造、研制和測(cè)試流程優(yōu)化，降低了衛(wèi)星成本。

　　1)小型團(tuán)隊(duì)，集同工作。高效精簡(jiǎn)和扁平化架構(gòu)的研制管理團(tuán)隊(duì)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(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行部門(mén)在同一地點(diǎn)進(jìn)行可以顯著降低成本。

　　2)減少分包商的數(shù)量，保持完整的“內(nèi)部能力”。發(fā)展從衛(wèi)星總體到分系統(tǒng)再到部組件級(jí)的研制能力，避免轉(zhuǎn)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(xiàn)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(jí)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(fù)等問(wèn)題。

　　4)采用靈活性設(shè)計(jì)。衛(wèi)星設(shè)計(jì)采用在軌重構(gòu)的方式，可以通過(guò)冗余將風(fēng)險(xiǎn)控制在一定范圍。多年的經(jīng)驗(yàn)證明，軟件上傳的功能至關(guān)重要，可以避免一些預(yù)想不到的情況發(fā)生。

　　5)采用分布式計(jì)算機(jī)和測(cè)控系統(tǒng)。通過(guò)大量的處理器節(jié)點(diǎn)，可以分散系統(tǒng)的復(fù)雜性，可以減少對(duì)一臺(tái)星載計(jì)算機(jī)的依賴(lài)。

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

　　3 低成本衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)

　　低成本衛(wèi)星是全壽命周期概念，需要?jiǎng)?chuàng)新的系統(tǒng)解決方案和關(guān)鍵技術(shù)作支撐。本研究重點(diǎn)從衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)和組裝、集成與測(cè)試(AI&T)兩個(gè)方面分析低成本衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)。

　　模塊化衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)

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

　　“日本電氣公司下一代星”平臺(tái)是由日本電氣公司(NEC)研制的新一代模塊化平臺(tái)，平臺(tái)各功能艙在物理結(jié)構(gòu)上獨(dú)立設(shè)計(jì)，在功能架構(gòu)上基于SpaceWire標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接，可細(xì)分為數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)分離、功能聯(lián)接一體的模塊化平臺(tái)架構(gòu)，使得“日本電氣公司下一代星”平臺(tái)能夠快速適應(yīng)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(dá)等不同的對(duì)地觀測(cè)任務(wù)，形成對(duì)不同對(duì)地觀測(cè)任務(wù)的通用支持能力，降低了平臺(tái)“裁剪”成本�！叭毡倦姎夤�司下一代星”平臺(tái)星載計(jì)算機(jī)硬件標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)使得基于“日本電氣公司下一代星”平臺(tái)的衛(wèi)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(shù)量，降低衛(wèi)星研制和測(cè)試保障費(fèi)用。

　　美國(guó)宇航公司(Aerospace)對(duì)采用模塊化衛(wèi)星平臺(tái)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了研究分析。該公司廣泛采樣軍事和民用衛(wèi)星市場(chǎng)訂單數(shù)據(jù)，利用回歸分析模型研究得出：大量使用模塊化衛(wèi)星平臺(tái)有助于降低衛(wèi)星成本，研發(fā)模塊化衛(wèi)星平臺(tái)投入的經(jīng)費(fèi)在9年內(nèi)即可獲得效益回報(bào)。長(zhǎng)遠(yuǎn)看，研制并使用模塊化衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)，衛(wèi)星成本總節(jié)省額高達(dá)188億美元，占比約為29%。

　　快速組裝、集成與測(cè)試技術(shù)

　　空間即插即用(SPA)技術(shù)是系統(tǒng)快速組裝、集成與測(cè)試的基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)識(shí)別接入組件并進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和配置，能夠大大減少衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組裝、集成與測(cè)試各個(gè)環(huán)節(jié)的特殊需求，從而縮短項(xiàng)目周期。

　　空間即插即用技術(shù)是美國(guó)和空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)為推動(dòng)發(fā)展快速響應(yīng)能力而聯(lián)合推進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)。空間即插即用技術(shù)初期聚焦快速即插即用技術(shù)，發(fā)展快速響應(yīng)能力。隨著技術(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(dá)國(guó)家接受，并成為縮短衛(wèi)星研制周期、發(fā)展快速組裝、集成與測(cè)試能力、降低衛(wèi)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(biāo)準(zhǔn);瑞典與美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室合作研究納衛(wèi)星即插即用架構(gòu)(NAPA);日本也基于SpaceWire標(biāo)準(zhǔn)研制了支持空間即插即用的新一代模塊化快速響應(yīng)平臺(tái)。

　　對(duì)于硬件，空間即插即用定義了組件與平臺(tái)結(jié)構(gòu)的機(jī)械接口標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員可在集成一次結(jié)構(gòu)板(ISP)上自由選取標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備接口。對(duì)于軟件，衛(wèi)星數(shù)據(jù)模型(SDM)負(fù)責(zé)飛行軟件的集成，原理上與集成一次結(jié)構(gòu)板類(lèi)似，確保各種應(yīng)用能夠根據(jù)需要選擇軟件和硬件組件。衛(wèi)星數(shù)據(jù)模型集成在分布式星載計(jì)算機(jī)的多個(gè)CPU節(jié)點(diǎn)上，具有空間即插即用軟硬件的自檢測(cè)能力，主要負(fù)責(zé)管理硬件設(shè)備和上層服務(wù)。

　　空間即插即用技術(shù)在縮短衛(wèi)星研制周期、降低成本方面具有重要優(yōu)勢(shì)。為驗(yàn)證空間即插即用技術(shù)應(yīng)用效能，美軍作戰(zhàn)響應(yīng)空間(ORS)辦公室在2009年利用即插即用衛(wèi)星-1(PnPSat-1)完成了3種不同構(gòu)形的6次組裝、集成與測(cè)試。6次裝配測(cè)試的平均時(shí)間是5h，標(biāo)準(zhǔn)偏差是3h。這種偏差主要是由裝配人員的培訓(xùn)和技能水平?jīng)Q定，而不是衛(wèi)星構(gòu)形的變化引起的。完成衛(wèi)星測(cè)試和任務(wù)模擬的時(shí)間平均約為14.5h，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.3h。就經(jīng)濟(jì)方面考慮，單個(gè)大型軍事衛(wèi)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(jié)省800萬(wàn)美元。對(duì)單個(gè)技術(shù)試驗(yàn)或科學(xué)衛(wèi)星而言，相對(duì)傳統(tǒng)建造方式花費(fèi)的3700萬(wàn)美元，采用空間即插即用技術(shù)可節(jié)省約500萬(wàn)美元。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　低成本衛(wèi)星是平衡成本預(yù)算和能力需求的重要手段，是可持續(xù)發(fā)展利用空間技術(shù)的有效途徑。要改變傳統(tǒng)的“面向任務(wù)”設(shè)計(jì)，牢固樹(shù)立“面向成本”設(shè)計(jì)理念，圍繞衛(wèi)星任務(wù)需求，充分考慮經(jīng)濟(jì)因素，對(duì)可實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)的各個(gè)方案進(jìn)行權(quán)衡分析。研究表明，創(chuàng)新管理模式，采用模塊化平臺(tái)設(shè)計(jì)和快速組裝、集成與測(cè)試技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)技術(shù)和商業(yè)雙贏、達(dá)成降低衛(wèi)星成本發(fā)展目標(biāo)的重要手段。

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