《快速響應微小衛星設計》是作者及其團隊在微小衛星及空間快速響應領域二十余年研究成果的歸納總結.針對快速響應微小衛星“省、好、快”的發展趨勢，在快速任務設計與分析、衛星柔性化平臺及其模塊化快速集成、綜合電子系統重構、星載軟件構件化設計、高性能軌道與姿態控制、快速測試以及星箭一體化設計與網絡化應用等方面，提出了諸多設計理論與方法，原創性突出，并經過工程應用驗證，對于我國快速響應微小衛星的設計與工程實施具有重要的理論意義和應用價值。
目錄
第1章緒論1
1.1快速響應微小衛星的概念及其發展現狀1
1.1.1微小衛星及其技術特點1
1.1.2快速響應微小衛星的概念3
1.1.3快速響應微小衛星的發展現狀4
1.2快速響應微小衛星的技術特點12
參考文獻16
第2章快速響應微小衛星任務分析與設計17
2.1任務分析與設計流程18
2.1.1任務目標確定19
2.1.2任務要求和約束條件確定19
2.1.3影響任務設計與分析的主導因素19
2.1.4任務方案設計20
2.2快速響應微小衛星任務軌道設計與分析22
2.2.1任務軌道設計22
2.2.2任務軌道特性分析25
2.3衛星總體參數優化設計36
2.3.1衛星總體參數中運動因素對像移的影響36
2.3.2相對運動對線陣CCD成像質量的影響39
2.3.3衛星總體參數對線陣CCD成像質量的影響分析41
2.3.4衛星總體參數優化設計方法42
2.4任務方案評估47
2.4.1任務方案仿真評估系統48
2.4.2任務仿真評估的流程和實例51
參考文獻54
第3章快速響應微小衛星軌道與姿態控制方法56
3.1軌道維持控制方法56
3.1.1軌道衰減分析56
3.1.2軌道維持燃料消耗分析58
3.1.3軌道維持控制方法59
3.2軌道快速機動控制方法61
3.2.1正切脈沖推力軌道機動控制61
3.2.2脈沖推力星下點軌跡調整方法64
3.3高性能姿態確定及其濾波估計方法66
3.3.1衛星姿態運動學與動力學方程66
3.3.2衛星偽角速率高精度估計69
3.3.3基于粒子濾波的高精度姿態確定方法71
3.3.4衛星姿態確定系統的誤差標定75
3.4姿態大角度快速機動控制方法78
3.4.1姿態機動軌跡規劃方法79
3.4.2繞瞬時歐拉軸的姿態機動控制算法80
3.5目標跟蹤控制與機動過程中的高精度穩定控制方法85
3.5.1針對目標跟蹤的衛星運動學建模86
3.5.2目標跟蹤控制器設計87
3.5.3帶有干擾觀測器的目標跟蹤控制器設計89
3.5.4沿跡成像控制方法90
參考文獻92
第4章基于柔性化平臺的微小衛星一體化設計方法93
4.1柔性化平臺的概念及其體系結構93
4.1.1衛星平臺的柔性與柔性化平臺的概念93
4.1.2柔性化平臺的體系結構95
4.2可重構模塊智能核心單元及其設計方法101
4.2.1智能核心單元主要功能及接口設計101
4.2.2智能核心單元內部板卡設計102
4.2.3智能核心單元可靠性設計103
4.3公用模塊的劃分與確定104
4.3.1模塊劃分的準則和依據104
4.3.2基于接口的功能模塊劃分方法106
4.3.3模塊的系列化設計110
4.3.4模塊的接口設計111
4.3.5柔性化平臺公用模塊的劃分112
4.4模塊的標準化和即插即用設計方法117
4.4.1物理接口的標準化設計117
4.4.2電氣接口的標準化設計118
4.4.3軟件接口標準化設計121
4.4.4即插即用的信息網絡協議設計124
4.4.5非標準模塊的接口轉換方法130
4.5基于柔性化平臺的微小衛星一體化設計方法130
4.5.1基于優化配置的公用模塊選配方法131
4.5.2可重構模塊的重構配置方法134
4.6基于柔性化平臺的微小衛星快速集成方法139
4.6.1基于CAN總線的接口協議139
4.6.2即插即用模塊的自主識別和驅動方法143
4.6.3基于柔性化平臺的衛星快速研制流程156
參考文獻161
第5章柔性化平臺可重構綜合電子系統設計方法162
5.1綜合電子系統重構機理及其體系結構設計163
5.1.1電子系統硬件重構的原理及方法163
5.1.2FPGA資源規劃與可重構系統體系結構166
5.1.3可重構綜合電子系統的故障處理方法171
5.2可重構綜合電子系統快速重構與可靠性設計173
5.2.1基于混合遺傳算法的重構任務快速規劃173
5.2.2可重構綜合電子系統等壽命優化設計179
5.3可重構綜合電子系統的故障屏蔽與修復方法183
5.3.1空間環境對FPGA的影響分析183
5.3.2FPGA容錯有限狀態機設計186
5.3.3基于SAT問題的FPGA永久性故障修復191
5.4可重構綜合電子系統的實現方法196
5.4.1可重構綜合電子系統樣機及其性能測試方法196
5.4.2系統半物理仿真驗證202
5.5COTS器件可靠性應用的設計方法205
5.5.1空間環境對COTS器件的影響206
5.5.2COTS器件在衛星上應用的主要方法207
5.5.3COTS器件冗余網絡設計方法208
5.5.4針對單粒子閂鎖的斷電/再加電保護設計213
5.5.5COTS器件抗輻射加固的設計方法214
參考文獻217
第6章柔性化平臺構件化軟件及其設計方法219
6.1構件化軟件體系結構及其設計方法220
6.1.1構件化軟件的體系結構221
6.1.2構件化軟件的自適應與重構方法224
6.1.3即插即用的構件化軟件體系結構225
6.2構件化軟件總線設計230
6.2.1軟件總線中間件(QST)的概念231
6.2.2軟件總線中間件設計231
6.3柔性化平臺軟件的構件劃分方法247
6.3.1系統服務軟件的構件劃分247
6.3.2系統服務軟件構件設計256
6.3.3應用程序軟件構件設計264
6.4構件化軟件的動態鏈接與加載方法267
6.4.1軟件構件的動態鏈接方法268
6.4.2軟件構件的動態加載方法270
參考文獻272
第7章快速響應微小衛星快速測試方法273
7.1快速測試系統體系結構及其設計274
7.1.1快速響應微小衛星的測試要求及系統方案274
7.1.2快速測試系統體系結構設計279
7.2測試序列快速生成方法287
7.2.1基于TG時延離散Petri網模型的測試序列動態生成方法287
7.2.2測試序列優化方法293
7.3自動化測試軟件設計方法296
7.3.1圖形化測試序列生成方法296
7.3.2軟件協議配置方法303
7.3.3測試數據自主判讀方法305
7.3.4自動化測試軟件的應用實例307
7.4衛星在軌快速自主測試方法309
7.4.1在軌狀態自主確認與評估方法310
7.4.2衛星自激勵測試方法313
參考文獻314
第8章星箭一體化飛行器及其設計方法316
8.1星箭一體化飛行器的概念與特點317
8.1.1星箭一體化飛行器系統組成318
8.1.2星箭一體化飛行器的技術特點319
8.2星箭一體化設計方法322
8.2.1結構系統一體化設計方法323
8.2.2綜合電子系統一體化設計方法329
8.2.3軌道與姿態控制系統一體化設計方法333
8.2.4電源系統一體化設計方法335
8.2.5測控系統一體化設計方法339
8.2.6星箭一體化研制流程341
8.3星箭一體化飛行器全程制導與控制方法341
8.3.1柵格舵與側噴流聯合控制方法342
8.3.2大彈道偏差下的高精度制導控制方法345
8.3.3超低軌道飛行器高精度、高穩定度控制方法356
參考文獻357
第9章快速響應衛星網絡化應用359
9.1快速響應衛星網絡化應用的概念359
9.1.1衛星集群/星簇的概念359
9.1.2快速響應微小衛星網絡化應用模式363
9.2快速響應衛星網絡化應用方法365
9.2.1集群/星簇應用系統體系構架365
9.2.2集群/星簇系統網絡硬件層設計369
9.2.3集群衛星系統網絡的能量均衡方法371
9.2.4集群衛星系統網絡拓撲的最短路徑分析375
9.2.5集群/星簇系統構形設計與維持控制方法383
參考文獻386
索引387
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第1章 緒論
微小衛星是20世紀80年代末期隨著微電子、微機械、計算機、新材料等領域高新技術發展而興起的一類新型衛星，具有新技術含量大、功能密度高、研制周期短、成本低廉、應用靈活的特點。出現伊始，即以一種全新的理念成為航天領域最具活力的研究方向，成功應用于對地遙感、特種通信、空間環境探測以及空間科學試驗等諸多領域，成為軍用、民用衛星中的重要成員[1]。進入21世紀以來，伴隨各種新的設計理念、研制方法和應用模式的突破，微小衛星技術得到了迅猛發展。
現代戰爭和自然災害具有突發性和局域性的特點，即使龐大的空間系統也難以實現對事件突發區域的完全覆蓋，且耗資巨大；同時，隨著反衛星技術的不斷發展，空間系統越來越脆弱，極端戰爭情況下，面臨被摧毀的嚴重威脅。空間快速響應就是針對上述需求而提出的軍事航天領域的創新概念。
作為空間系統應急增強和被毀后快速重建的必備手段，空間快速響應就是針對突發事件快速構建應急空間系統，實現衛星的快速研制、快速發射和快速應用。微小衛星具有“快、好、省”的優勢，在空間快速響應領域具有不可替代的作用，已成為一類維護國家安全和保障經濟社會發展的重要航天系統。
1.1 快速響應微小衛星的概念及其發展現狀
1.1.1 微小衛星及其技術特點
關于微小衛星的分類國際上尚沒有統一的標準，目前國際上普遍認同的是英國薩瑞大學對500k-以下衛星給出的分類，它將衛星按照質量大小劃分為小衛星、微衛星、納衛星和皮衛星[2]，見表1-1。
表1-1 500k-以下衛星分類
本書將質量在25~500k之間的小衛星和微衛星統稱為微小衛星。它既可以單顆衛星應用實現一種或幾種特定功能，也可以通過組網、編隊或集群飛行等構成分布式衛星系統，實現大衛星的功能或完成單顆大衛星難以實現的空間任務。
區別與其他衛星，微小衛星具有鮮明的技術特點。
(1)功能密度高
微小衛星從設計方法上打破了傳統衛星分系統的概念，將衛星系統的功能(包括有效載荷)進行高度融合，通過星上資源和信息共享實現系統共用；同時采用硬件軟件化、軟件無線電等技術最大限度地發揮軟件的作用，從而顯著減少了系統的硬件冗余，提高了功能密度。
微小衛星在研制方法上采用圍繞有效載荷的一體化集成，通過整星系統優化，在保證系統性能和功能的前提下，可有效減少結構、電纜以及熱控等系統的質量，提高功能密度，通常情況下有效載荷比可達到40%以上[3]。
微小衛星所采用的部組件基于微電子、微機械、微處理器和新材料等領域的技術成果，利用多維集成技術和大規模集成電路的設計制造工藝，不僅能夠將機械部件像電子電路一樣進行集成，而且可以把傳感器、執行機構、微處理器以及其他電學和光學組件高度集成為一個機電一體化的微型系統，為微小衛星的高功能密度集成創造了條件。
(2)研制成本低
由于衛星運行環境特殊，入軌后一旦出現故障將很難進行在軌維護。因此，為提高系統的可靠性，在傳統衛星設計中大量應用高等級器件，并采用硬件的備份和冗余設計；在研制過程中需要研制電性星、初樣星、正樣星等進行的大量的地面試驗驗證，急劇增加了研制費用。同時，由于運載器的發射能力和衛星的需求很難匹配，一般來講運載能力要高于衛星發射的需求，造成運載能力的浪費，增加了發射費用。
傳統衛星的研制和發射費用高昂，使得衛星產品難以像飛機、汽車等產品那樣實現批量化，通常采用定制方式進行研制，所采用的部組件需要單獨設計生產，同時進行大量的測試與試驗，這也是衛星研制成本居高不下的主要根源。
雖然單顆微小衛星功能相對簡單，但多顆微小衛星協同工作同樣可以完成傳統大型衛星的復雜任務，更重要的是一旦某顆微小衛星出現故障，不至于使整個系統報廢，顯著降低了系統風險。因此，微小衛星可以采用創新的設計理念，大量應用低等級器件，通過系統資源和信息的共享與融合，簡化系統配置，降低研制成本。同時，通過采用數字化設計和虛擬試驗等手段，可以在設計階段及早發現系統的缺陷，簡化研制流程，節省試驗費用。另外微小衛星可以采用搭載或一箭多星的方式發射，也可以采用小型運載器發射，能夠充分挖掘和利用運載能力，顯著降低發射費用。
微小衛星研制和發射成本的降低，使得其批量化生產成為可能，航天產品的標準化、系列化和批量化，能夠從根本上改變衛星的定制模式，從而顯著降低研制成本。
(3)生產周期短
傳統衛星采用定制方式進行設計與研制，飛行任務確定后，需要進行任務分析與設計、方案論證與設計，然后進行部組件設計、研制、測試與試驗，繼而還要進行整星電性能聯試、初樣星設計、研制、測試與試驗、與工程系統對接試驗、正樣星設計、研制、測試與試驗以及發射場技術陣地和發射陣地的測試與發射準備等，研制周期長，遠遠不能適應微小衛星技術發展的需求。
在產品標準化、系列化、批量化的基礎上，微小衛星可以采用即插即用的方式進行快速集成(包括與有效載荷的快速匹配)，采用智能化測試方法進行快速測試，采用虛擬試驗與驗證性試驗相結合的方式代替大量的地面試驗，通過標準化接口靈活適應多種運載器和多種發射方式實現快速入軌，從而大大簡化研制流程，縮短研制周期。
(4)應用靈活性好
微小衛星重量輕、體積小，在軌機動性能好，通過軌道靈活機動可實現目標信息的快速獲取、空間在軌服務等應用；通過衛星姿態的快速敏捷機動以及快速穩定控制，能夠實現同軌的多點目標成像、條帶拼接成像、立體成像以及對同一目標的重復成像等應用。
通過組網、編隊和集群飛行等途徑，可顯著提高微小衛星系統的時間分辨率和覆蓋區域，是微小衛星的重要應用方式。通過快速、靈活、大規模部署及在軌重構，可大幅提高空間系統的生存能力和完成復雜空間任務的能力。多星、多任務和多模式的綜合應用，可形成新的工作體制和航天應用模式，實現單顆大衛星難以勝任的功能和性能。
(5)技術帶動性強
微小衛星是眾多領域高新技術成果的結晶，涉及微電子、微機械、高性能處理器、多功能材料與結構、高密度電源、新型空間動力、大容量數據存儲與傳輸、控制理論與方法、自動化測試、健康管理與自主控制以及新概念有效載荷等領域，為多學科的交叉融合與集成創新提供了重要平臺。同時，微小衛星的迅猛發展以及產業化進程的加快，必將有力地帶動這些領域技術的快速進步和發展。
微小衛星是航天領域新概念、新原理、新方法、新技術以及新的應用模式和技術體制進行空間飛行試驗驗證的重要載體，對于加速航天領域的新成果轉化應用，推動航天裝備建設具有極其重要的作用。
1.1.2 快速響應微小衛星的概念
快速響應微小衛星是21世紀剛剛興起的一類針對突發事件、具備空間信息快速支持能力的小型、廉價戰術應用衛星，具有快速研制、快速發射、快速應用的技術特點，充分體現了微小衛星“省、好、快”的技術特征，是微小衛星領域的重要發展方向。
快速響應微小衛星采用優化的研制流程實現快速研制。以衛星產品體系的標準化模塊為基線進行快速設計，以軟硬件即插即用的方式進行快速集成；采用自動化測試方法，提高測試效率，縮短測試時間；采用虛擬試驗和檢驗性試驗相結合的方法，精簡試驗矩陣，縮短試驗時間。
快速響應微小衛星通過標準化接口可適應多種運載和發射方式，通過簡化發射流程、采用狀態自主檢測的方法實現快速發射，特別是可以采用小運載車載機動發射。入軌后采用嵌入式自主測試方法，快速確認和建立衛星狀態，保證其第一軌即投入應用。
由于快速響應微小衛星主要針對突發事件提供信息保障，一般來講設計壽命較短，通常為幾個月，因此可以采用商用貨架產品(COTS)和低等級器件降低成本；同時，易于建立標準化產品體系，通過產品的批量化進一步降低研發成本。
快速響應微小衛星具備適應任意任務軌道的能力，可以針對突發事件的地點選擇低傾角軌道，實現第一軌即投入應用的目的，同時增加對目標的重復觀測次數(太陽同步軌道對同一目標的觀測次數最多為2次/天，而低傾角軌道的觀測次數可達到2~4次/天)。
快速響應微小衛星具有自主運行管理、自主任務規劃、在軌信息處理等功能以及姿態敏捷機動控制能力，以此實現多模式成像等復雜任務。由于這種高自主性，衛星運控管理簡單，可以實現一鍵式管理。
快速響應微小衛星具備星地和星間通信鏈路，以及星地數傳、中繼數傳等鏈路。對于在境外獲取的應急信息可通過中繼鏈路及時傳回國內或經過星上處理后直接傳給用戶；經過星上處理識別后的情報信息，也可直接發送至地面手持終端。信息多路徑有利于其接入天基信息網絡系統，實現信息快速高效應用。
快速響應微小衛星的地面應用系統除傳統地面站外，還可配備機動接收站實現信息的快速處理和分發；同時分布廣泛的地面移動終端和手持終端可直接接收衛星處理后的信息，實現點對點式的靈活應用[4]。
1.1.3 快速響應微小衛星的發展現狀
1.1.3.1 國外快速響應微小衛星的發展現狀
美國于2005年1月頒布軍事空間轉型政策，明確提出了快速響應空間(opera tionally responsive space，ORS)的概念，將快速響應空間技術作為航天領域的重要研究方向，其核心就是空間力量在戰術層面上如何支持地面作戰，要求在數小時之內就能夠發射快速響應衛星到指定的作戰區域。
ORS計劃將空間快速響應所需能力分為三個等級(如圖1-1所示)。
圖1-1 快速響應能力的等級劃分
第一等級為直接利用在軌衛星實現快速響應，響應時間為0.5~24小時；第二等級為通過已經存儲的衛星平臺、載荷、運載等實現快速響應，響應時間為1~14天；第三等級則是采用新技術研發衛星平臺和載荷實現快速響應，響應時間為3~12月。
根據快速響應的三級能力需求，ORS辦公室計劃分三個階段進行實施。第一階段的目標是通過戰術微小衛星彌補目前航天系統的情報、監視、偵察和通信能力的不足，同時逐步驗證相關核心技術；第二階段的目標是研制和部署模塊化微小衛星；第三階段目標是建立滿足快速響應作戰需求的新型航天系統。
ORS計劃是航天系統從戰略支持到戰術應用轉變的重要轉折點，概念自提出以來，已逐漸成為航天領域一個備受關注的焦點，美國陸續提出并實施了“戰術星”等一系列計劃用于先期的技術驗證[5]。
1.“戰術星”計劃
“戰術星”計劃(TacSat系列衛星計劃)于2001年提出，作為發展快速響應空間技術的先期行動，其主要目標是遵循2-8原則(即用常規衛星20%的成本獲取其80%性能的模式)，發展快速響應、低成本空間系統的能力，驗證快速研制、快速發射衛星的創新模式和機制，通過數顆快速響應微小衛星的空間飛行試驗，有步驟、系統地演示驗證快速響應空間的相關技術，以最終形成可以支援戰場作戰的實用型軍事產品(如圖1-2所示)。
圖1-2 TacSat-1~TacSat-4衛星構型圖
目前，戰術星計劃已完成TacSat-2/3/4的研制和飛行試驗，各衛星的主要性能見表1-2。
表1-2 TacSat系列微小衛星參數表
(1)TacSat-1衛星。作為一顆低分辨率光學成像微小衛星，其設計原理取自傳統衛星和無人機的功能和硬件設計。該衛星驗證的3個重要功能包括:①空中和空間設備的協作；②載荷的戰術控制和通過保密IP路由網絡(SIPRNET)的數據分發；③特殊信號情報系統技術。TacSat-1攜帶有分辨率分別為70m 和850m 的可見光和紅外成像儀兩個光學載荷。根據美國國防部的最初設想，一旦TacSat-1發射成功，地面部隊將可直接對星上遙感器發出指令，并通過SIPRNET獲得需要數據。但在實際發射中因多次運載火箭故障而推遲發射，直至后來發射的TacSat-2驗證了其需要驗證的部分技術，TacSat-1衛星的任務被迫終止。
(2)TacSat-2衛星。該衛星也稱為“聯合作戰空間演示1號”(Joint Warfihtin Space Demonst Rator1，JWSDR1)，是首顆實現在軌演示驗證的ORS衛星，于2006年12
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