歐洲SmallGEO平臺發(fā)展分析

王熹微 李博 （ 中國空間技術(shù)研究院， 北京空間科技信息研究所）

近年來，隨著衛(wèi)星技術(shù)快速演進(jìn)、單星能力快速增長、市場需求趨多樣化，國外靜止軌道通信衛(wèi)星領(lǐng)域正在經(jīng)歷深度調(diào)整，牽引衛(wèi)星制造商在平臺型譜上做出新的布局和調(diào)整，新興制造商的不斷涌入，進(jìn)一步加劇了競爭。“小型地球靜止軌道”（SmallGEO）平臺是歐洲航天局（ESA）通過設(shè)立專項計劃，歷時十余年組織產(chǎn)業(yè)界自主研發(fā)的新型衛(wèi)星公用平臺，主要面向小型GEO軌道通信衛(wèi)星市場，以補(bǔ)全歐洲衛(wèi)星制造領(lǐng)域的型譜空白，提升技術(shù)水平及產(chǎn)業(yè)競爭力。歐洲已于2017年1月成功發(fā)射基于該平臺研制的首顆衛(wèi)星―西班牙衛(wèi)星―36W―1（Hispasat―36W―1）。

1 發(fā)展背景

SmallGEO平臺的主承包商是歐洲第三大衛(wèi)星制造商—德國不萊梅軌道高技術(shù)系統(tǒng)股份公司（OHB），但該公司在Hispasat-36W-1任務(wù)之前從未研制過GEO軌道衛(wèi)星，未曾涉足商業(yè)通信衛(wèi)星制造市場。2004年，德國公布新一代軍事通信衛(wèi)星的項目招標(biāo)計劃，該公司與泰雷茲公司（Thales）聯(lián)合參與競標(biāo)，提出基于一種“小型地球靜止軌道衛(wèi)星”（LittleGEOs）平臺理念的衛(wèi)星方案。雖然該合同最終授予了阿斯特留姆公司（Astrium），但OHB開展的小型GEO平臺自主研發(fā)工作（稱之為LUX計劃）卻未因此停止，并積極爭取其最大的用戶與資金來源——德國政府機(jī)構(gòu)的支持。

彼時的德國航天工業(yè)整體競爭力薄弱，GEO軌道通信衛(wèi)星六大制造商中僅有的兩家歐洲公司總部均位于法國，德國本土衛(wèi)星制造商主要承擔(dān)小型衛(wèi)星、分系統(tǒng)的研制工作。如果不主導(dǎo)發(fā)展GEO軌道衛(wèi)星，德國航天工業(yè)將“面臨失去一項必備能力的風(fēng)險”。在此背景下，2005年，LUX計劃得到德國航天局的正式認(rèn)可，并獲其資金支持，推動進(jìn)行平臺概念的初步設(shè)計。而后，為了籌措更多資金、幫助OHB公司打開歐洲市場，德國航天局將目光轉(zhuǎn)向歐洲航天局，開始尋求歐洲國家的廣泛財力與任務(wù)支持。

2005年12月，在德國柏林舉辦的歐洲航天局部長級會議上正式確定，在歐洲衛(wèi)星通信重大專項工程——“通信系統(tǒng)預(yù)先研究”（ARTES）中，新增名為“小型地球靜止軌道衛(wèi)星倡議”（ARTES-11）子項目，基于LUX計劃的前期研究成果，研制SmallGEO新型衛(wèi)星公用平臺。項目以德國OHB公司為主導(dǎo)，包括瑞典、瑞士、盧森堡、奧地利、芬蘭、丹麥和西班牙多家衛(wèi)星制造商與運營商加入。

2 實施思路

公私合營拓展融資渠道，有效降低平臺研制風(fēng)險

在資金籌措方面，SmallGEO項目主要依靠歐洲各國政府機(jī)構(gòu)的合力支持。項目的前身LUX計劃最初由OHB公司自主投入研發(fā)，但很快得到德國航天局3200萬歐元的資金支持，于2005年底順利完成A階段的初步概念評審。2006年起，項目正式轉(zhuǎn)入歐洲航天局的ARTES計劃，獲得更大規(guī)模的資助。

ARTES計劃為SmallGEO項目打開了更寬的資金渠道。該計劃采用“公私合營”的經(jīng)費籌措方式，公用經(jīng)費來自19個參與國政府，從歐洲航天局年度預(yù)算中統(tǒng)一分配和支出，具體根據(jù)項目的技術(shù)成熟度、市場潛力與進(jìn)度等不同，提供差異化的資助比例：對處于技術(shù)研發(fā)初期階段，商業(yè)或技術(shù)風(fēng)險較高的創(chuàng)新性項目，資助比例可達(dá)100%；對主要涉及新技術(shù)或新工藝，且最終產(chǎn)品具有明確市場潛力的項目，資助比例最高75%。SmallGEO平臺各個階段的發(fā)展均獲得了歐洲航天局不同程度的資金支持，大大降低了OHB公司投入巨資開展自主研制的風(fēng)險，為項目順利實施提供了財力保障。

廣泛繼承已有產(chǎn)品成果，積極開發(fā)試驗新型技術(shù)

SmallGEO平臺的研制工作由OHB系統(tǒng)公司主導(dǎo)，多家歐洲知名航天企業(yè)參與其中。在技術(shù)發(fā)展策略方面，項目一方面利用多方的技術(shù)實力加快研制速度，同時根據(jù)任務(wù)目標(biāo)，積極試驗新型技術(shù)。

具體來看，SmallGEO平臺在多個重要單機(jī)部件上采用了歐洲航天工業(yè)界已有的技術(shù)成果，如電推進(jìn)系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)裝置和推力器指向機(jī)構(gòu)方面的研制很大程度上受益于與歐洲航天局首個月球探測器任務(wù)用于先進(jìn)技術(shù)研究的小型任務(wù)-1（SMART-1），太陽翼基于已經(jīng)得到驗證的歐洲之星-3000平臺以及阿爾法平臺（Alphabus）上的同類產(chǎn)品研制。同時，為了實現(xiàn)“小型化、低成本、高性能”的目標(biāo)，SmallGEO項目也積極推動各參與方的新技術(shù)研發(fā)，如在平臺數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)方面，加速了歐洲航天局“獅”（LEON）系列片上系統(tǒng)（SoC）微處理器軟核架構(gòu)的開發(fā)與驗證，在推進(jìn)分系統(tǒng)方面，促進(jìn)了法國斯奈克瑪公司（Snecma）以及泰雷茲公司等在霍爾效應(yīng)電推力器（HET）以及高效率多級等離子體電推進(jìn)系統(tǒng)（HEMPT）等領(lǐng)域的技術(shù)與產(chǎn)品發(fā)展。這種策略，既保證了平臺的可靠性與研制效率，又提升了平臺的技術(shù)先進(jìn)度，為加快其參與市場競爭和拓展“適用期”打下了良好的基礎(chǔ)。

SmallGEO平臺的資助計劃

3 平臺設(shè)計

設(shè)計理念與定位

（1）模塊化設(shè)計理念，實施并行AIT流程，提升研制效率

SmallGEO平臺采用了模塊化設(shè)計理念，按此理念設(shè)計出的衛(wèi)星將由平臺模塊與載荷模塊兩部分組成，其中平臺模塊細(xì)分為核心平臺模塊和推進(jìn)模塊，載荷模塊則細(xì)分為轉(zhuǎn)發(fā)器模塊與天線模塊。

典型SmallGEO衛(wèi)星模塊化分解結(jié)構(gòu)

具體來看：①核心平臺模塊主要負(fù)責(zé)航天器供配電、在軌數(shù)據(jù)處理、遙測/控服務(wù)、姿態(tài)與軌道控制等關(guān)鍵服務(wù)功能，該模塊的太陽翼支持1塊、3塊和5塊板的靈活配置，蓄電池也具備空間尺寸可調(diào)節(jié)能力，從而保證了平臺良好的可擴(kuò)展性。②推進(jìn)模塊通過化學(xué)推進(jìn)分系統(tǒng)支持GTO至GEO的軌道轉(zhuǎn)移操作，并通過電推進(jìn)分系統(tǒng)支持在軌位置捕獲與保持。③轉(zhuǎn)發(fā)器模塊包括南/北板的載荷散熱器以及對地面內(nèi)板結(jié)構(gòu)，最大可支持40路轉(zhuǎn)發(fā)器以及2.3～2.5W的載荷散熱能力。④天線模塊由單獨安裝在對地面上的固定裝置以及東、西兩側(cè)的支撐臂組成，支持最大的天線口徑為2.3m。

采用這種模塊化設(shè)計優(yōu)點明顯：①天線/對地面與轉(zhuǎn)發(fā)器模塊分置、單獨集成，確保載荷快速裝配；②采用標(biāo)準(zhǔn)化接口，確保載荷與平臺并行總裝、集成、測試，提升研制效率，縮短衛(wèi)星的交付周期。

（2）靈活平臺配置，支持多類型衛(wèi)星任務(wù)，拓展應(yīng)用范圍

SmallGEO平臺的主要目標(biāo)領(lǐng)域為GEO通信衛(wèi)星，但模塊化設(shè)計也保證了其無需對平臺進(jìn)行大的調(diào)整，即可根據(jù)用戶需求靈活改裝為對地觀測、氣象衛(wèi)星等不同任務(wù)的衛(wèi)星。具體來看，SmallGEO在設(shè)計上考慮了三種平臺變型版本。

1）SmallGEO FAST型配置版本。作為主力平臺產(chǎn)品，面向通信衛(wèi)星領(lǐng)域，發(fā)射質(zhì)量最高達(dá)3500kg，采用混合式的推進(jìn)系統(tǒng)，載荷質(zhì)量最高450kg，每個太陽翼由3塊帆板拼接而成，載荷供電功率5kW，可搭載多達(dá)32路轉(zhuǎn)發(fā)器，支持從L到Ka的工作頻段，設(shè)計壽命15年。

2）SmallGEO FLEX型配置版本。作為高承載比平臺版本，采用全電推進(jìn)方式，發(fā)射質(zhì)量最高達(dá)3500kg，載荷質(zhì)量最高900kg，每個太陽翼由5塊帆板拼接而成，載荷供電功率10kW，可搭載多達(dá)60路轉(zhuǎn)發(fā)器，支持從L到Ka的工作頻段，設(shè)計壽命15年。如今該版本的首發(fā)星任務(wù)已單獨列為ARTES 33項目，仍處于工程研制階段。

3）SmallGEO EO型配置版本。作為對地觀測任務(wù)版本，發(fā)射質(zhì)量最高達(dá)3800kg，采用雙組元化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)，載荷質(zhì)量最高650kg，由于對地觀測任務(wù)的功率需求并不高，所以單個太陽翼僅含一塊帆板，供電功率1.35kW，支持Ka和S頻段數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計壽命超過10年。

分系統(tǒng)設(shè)計情況

（1）結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)

SmallGEO平臺采用中央承力筒結(jié)構(gòu)，如前所述分為4個艙段，太陽翼收攏狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸為2.3m×1.9m×2.5m。雙組元推進(jìn)劑儲罐置于筒內(nèi)，氙氣與氦氣貯罐沿承力筒對稱布置，并盡可能地貼緊筒外壁，以最小化質(zhì)心偏移。液體遠(yuǎn)地點發(fā)動機(jī)（LAE）安裝于運載火箭適配器上，8副10N的反作用控制推力器（RCT）安裝于背地板上。8副電推進(jìn)系統(tǒng)推力器成對安裝在東西與南北隔板的4個交叉托架上，推力方向沿對地矢量對稱分布。

轉(zhuǎn)發(fā)器艙呈Π字形結(jié)構(gòu)，由對地板、南/北板以及對應(yīng)儀器設(shè)備構(gòu)成，低噪放大器、功率放大器以及輸入、輸出多工器等均布置南北板上。對地板上還安裝有天線模塊的支撐結(jié)構(gòu)。

（2）熱控分系統(tǒng)

熱控分系統(tǒng)主要由散熱器、多層組件（MLI）和熱管組成，主要采用無源工作方式，僅在任務(wù)執(zhí)行過程中載荷停止運行的情況下，對敏感組件（如蓄電池以及氣態(tài)氙儲罐等）進(jìn)行有源加熱。

（3）推進(jìn)分系統(tǒng)

推進(jìn)分系統(tǒng)作為SmallGEO平臺單獨的一個模塊，主要由化學(xué)和電推進(jìn)兩部分組成。

化學(xué)推進(jìn)分系統(tǒng)由EADS-S4000-12型液體遠(yuǎn)地點發(fā)動機(jī)以及4主/4備EADS-S-10-18型反作用控制推力器組成。其中，遠(yuǎn)地點發(fā)動機(jī)推力達(dá)420N，比沖318s；反應(yīng)控制推力器推力達(dá)10N，比沖大于287s。推進(jìn)劑存儲于中央承力筒內(nèi)軸向依次放置的兩個700L容積的儲罐中，最高可容納1300kg的液體燃料，正常工作狀態(tài)下可在軌道轉(zhuǎn)移時提供1500m/s的速度矢量。

電推進(jìn)分系統(tǒng)執(zhí)行軌道轉(zhuǎn)移之外所有的軌道控制和動量輪卸載任務(wù)（在軌位置保持，姿態(tài)調(diào)整，轉(zhuǎn)移至墓地軌道等），由2套完全冗余的子系統(tǒng)構(gòu)成，每個子系統(tǒng)由1個電源處理單元、1個外部電推力器選擇單元和4臺SPT-100霍爾推力器組成。霍爾推力器直接安裝于星體，沒有矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，推力方向不可調(diào)節(jié)。

電推力器在空間分布上采用三維對稱構(gòu)型，與俄羅斯“快訊”（Express）、“亞馬爾”（Yamal）等衛(wèi)星類似。在這種構(gòu)型下，每臺電推力器工作都能同時產(chǎn)生法向和切向速度，不產(chǎn)生徑向速度。整個壽命周期內(nèi)星體質(zhì)心變化不超出推力方向構(gòu)成的平面所包圍的區(qū)域，始終能保證電推力器點火時能產(chǎn)生卸載力矩。三維對稱構(gòu)型與矩形構(gòu)型相比，所用的電推力器數(shù)量多了1倍，但不需要矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，降低了復(fù)雜度，推力只在切向和法向存在分量，位置保持控制中的耦合影響減弱，姿態(tài)軌道控制耦合作用較??；同時由于該構(gòu)型下電推力器推力方向不通過質(zhì)心，點火過程中的干擾力矩較大。

（4）姿軌控分系統(tǒng)

SmallGEO平臺采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制方式，主要利用反作用輪與星敏感器控制姿態(tài)，同時利用電推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行在軌位置保持，正常工作狀態(tài)下反作用輪角動量的管理僅依靠電推進(jìn)系統(tǒng)完成，這也成為姿軌控系統(tǒng)的一個技術(shù)特點。但值得一提的是，安全模式下并不啟用電推進(jìn)系統(tǒng)，而是依靠冷氣系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

另一個技術(shù)特點是采用了基于有源像素傳感器（APS）的星敏感器設(shè)備，并采用了互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）圖像傳感器、具備隨機(jī)窗口讀取能力同時支持單片專用集成電路（ASIC）集成方式，與傳統(tǒng)的電荷耦合器件（CCD）星敏設(shè)備相比，功耗更低、接口更加簡化、體積更小，同時抗輻射性更強(qiáng)。

最后，SmallGEO平臺還載有一個阿斯特留姆公司研制的GNSS接收機(jī)，將驗證利用GPS信號在36000km高度實現(xiàn)衛(wèi)星定位功能，質(zhì)量達(dá)3.9kg，功率消耗10W，尺寸為272mm×284mm×92mm，預(yù)計實現(xiàn)的定位精度可達(dá)150m。

（5）供配電分系統(tǒng)

SmallGEO平臺的太陽翼由阿斯特留姆公司研制，主要基于歐洲星-3000（Eurostar-3000）以及Alphabus平臺上所采用的設(shè)備研制而成。大部分電子元件已經(jīng)在歐洲研制的多顆通信衛(wèi)星和伽利略衛(wèi)星上得到廣泛驗證。

單塊帆板的基本尺寸為2730mm×2216mm，僅就基本型配置而言，展開后寬度達(dá)到9m，6塊帆板能夠提供50V的母線電壓，在壽命初期可為平臺提供6.5kW功率，載荷供電功率最大為5kW，到壽命末期，載荷供電功率僅3.5kW。

（6）數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)

在軌數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)主要通過傳輸和處理指令、獲取傳感器信息以及其他數(shù)據(jù)等對單個分系統(tǒng)進(jìn)行控制，采用芯片系統(tǒng)（SoC）設(shè)計理念，融合了LEON、MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、遙測IP內(nèi)核等新技術(shù)。這使得星上數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（OBDH）得以實現(xiàn)軟件獨立的遙測與遙控能力，執(zhí)行S/C任務(wù)。OBDH系統(tǒng)包括了一個內(nèi)部全冗余式的衛(wèi)星管理單元，執(zhí)行數(shù)據(jù)處理任務(wù)以及平臺功率分配任務(wù)。平臺性能對比分析

總的來說，歐洲航天局打造SmallGEO平臺的主要目標(biāo)是打破美國在小型GEO軌道通信衛(wèi)星制造領(lǐng)域的壟斷地位，但2000年以后的統(tǒng)計結(jié)果顯示，俄羅斯與印度等航天大國的對應(yīng)平臺表現(xiàn)也相當(dāng)突出，占據(jù)較多的市場份額。與此同時，英國薩里衛(wèi)星技術(shù)有限公司（SSTL）也在空客防務(wù)與航天公司的支持下，計劃研制同級別的“地球靜止軌道小衛(wèi)星平臺-轉(zhuǎn)移軌道版本”（GMP-T）平臺產(chǎn)品。

（1）多型號并存競爭激烈

總體來看，在核心技術(shù)指標(biāo)方面，除印度的I-2000平臺與歐美差距較大以外，余下平臺的性能差別都在較小區(qū)間范圍。SmallGEO平臺在載荷承載能力方面表現(xiàn)一般，略高于均值水平的420kg，與采用直接發(fā)射入軌方式的Express-1000相比仍存在一定差距；在載荷供電功率方面，單翼三塊帆板的FAST型配置可提供5kW的供電能力，而美國和俄羅斯的平臺最高可達(dá)5.5kW；設(shè)計壽命方面，各型平臺基本都可達(dá)到15年。

同質(zhì)化的技術(shù)性能表現(xiàn)，也決定了未來商業(yè)市場競爭的激烈性。而且就目前來看，即便是SmallGEO旨在力保的歐洲市場，在GMP-T平臺投入使用后，格局發(fā)展也存在疑問，該平臺已經(jīng)獲得歐洲通信衛(wèi)星公司（Eutelsat）的支持，將于2018年發(fā)射“量子”（Quantum）衛(wèi)星，未來歐洲將面臨同領(lǐng)域兩款同型平臺的競爭。

國外主要中小型GEO衛(wèi)星平臺對比

（2）研制周期為最大問題

毫無疑問，對于市場和用戶而言，除技術(shù)性能之外，快速交付能力是評價制造商研制水平的重要指標(biāo)。當(dāng)前其他各型平臺中，交付最快的為GEOStar-2平臺，在24個月左右，俄羅斯、印度的交付周期相對較長，一般都在30個月以上。但單從首發(fā)星任務(wù)來看，SmallGEO目前真正的交付速度不容樂觀（受各種因素影響已超過7年），雖然按照目前官方公布的計劃，其研制周期將在未來力爭壓縮至36月，但這種交付周期在如今敏感性極高的商業(yè)市場中，毫無疑問將成為制約其競爭的最大弊端。

另一方面，截至目前為止，SmallGEO平臺尚未真正獲得一顆商業(yè)通信衛(wèi)星領(lǐng)域的國際訂單，仍主要依靠歐洲航天局的項目支持，后續(xù)已確定的任務(wù)中，無一例外都來自于歐洲航天局或歐洲本土運營商，其中最大的訂單為6顆歐洲第三代氣象衛(wèi)星。因而，從短期情況分析來看，爭取歐洲政府機(jī)構(gòu)及衛(wèi)星運營商的支持，是破解SmallGEO發(fā)展問題的必選途徑。

4 啟示

歐洲新平臺的正式啟用，將加大國際市場同類競爭難度

SmallGEO平臺的正式投入使用，勢必改變小型GEO通信衛(wèi)星制造市場的競爭格局。該市場整體規(guī)模雖然不大，但門檻相對較低，已成為具備一定研制實力的航天國家進(jìn)軍GEO衛(wèi)星制造領(lǐng)域的突破口，目前的參與者不僅包括美國、歐洲、俄羅斯、印度、日本等主要航天國家，以色列、阿根廷等新興國家也已相繼研制成功相應(yīng)系統(tǒng)，競爭態(tài)勢激烈。如前所述，SmallGEO以及后續(xù)GMP-T等新型平臺在關(guān)鍵技術(shù)性能上將達(dá)到國際先進(jìn)水平，在歐洲各級政府不斷加大政策扶持、ARTES框架促成運營商與制造商聯(lián)合的背景之下，未來國際競爭環(huán)境將更加嚴(yán)峻。

利用重大專項工程契機(jī)，快速培育航天工業(yè)的新興能力

在SmallGEO項目的發(fā)起、融資、研制和應(yīng)用過程中，歐洲通信衛(wèi)星領(lǐng)域的重大專項ARTES計劃起到了巨大的推進(jìn)作用。歐洲航天局在ARTES計劃中主要通過多樣化的資金籌措渠道、強(qiáng)有力的合作洽談機(jī)制、繼承式的技術(shù)研發(fā)驗證以及全方位的產(chǎn)業(yè)推廣應(yīng)用，為歐洲航天工業(yè)界打造了一個創(chuàng)新項目的孵化平臺，鼓勵各國的航天企業(yè)進(jìn)行大膽的技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)品嘗試，逐步形成了政府企業(yè)良性互動、全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同共進(jìn)的產(chǎn)業(yè)格局，不但成功催生了SmallGEO以及Alphabus超大型平臺等一批核心產(chǎn)品，也將OHB公司為代表的一批企業(yè)培育成為國際通信衛(wèi)星市場的新興力量，有效提升歐洲航天工業(yè)競爭力。

衛(wèi)星市場需求發(fā)生劇烈變革，中型平臺的預(yù)期波動性增大

最后，值得注意的是，隨著近年來衛(wèi)星研制與應(yīng)用技術(shù)的不斷演進(jìn)，通信衛(wèi)星制造市場也在發(fā)生劇烈變革，運營商對平臺承載能力需求呈現(xiàn)出新的特點。筆者統(tǒng)計并對比了1999-2008年與2009-2018年兩個十年間全球發(fā)射的通信衛(wèi)星質(zhì)量變化，大、小“兩極化”態(tài)勢明顯。5t以上的大型和超大型通信衛(wèi)星數(shù)量增幅達(dá)337%，占所有發(fā)射通信衛(wèi)星比例也從8.1%快速增長至25.9%，1t以下的小型通信衛(wèi)星數(shù)量增幅也達(dá)95.6%，占比也從30.5%增長至43.7%。

而中小型（1～3t）和中大型（3～5t）衛(wèi)星占比出現(xiàn)顯著萎縮，發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量則分別下滑了34.3%和29.8%。受此影響，主流通信衛(wèi)星制造商的平臺型譜布局也在發(fā)生變化，面向批量化的通信小衛(wèi)星研制和面向下一代高性能、高價值GEO衛(wèi)星研制已成為主要的著力點，中型平臺的角色定位不斷下調(diào)。這種市場預(yù)期的波動性，對SmallGEO平臺的后續(xù)發(fā)展將產(chǎn)生不可忽視的影響。