2.5 小微卫星总体设计

图2-5-1所示为小微卫星总体部的工作内容。它一般分成三个阶段：卫星总体设计阶段、卫星生产阶段、卫星在轨服务阶段。本章重点阐述总体设计。后续章节分别阐述卫星生产和在轨服务的关键工作内容。

卫星总体设计是利用关于卫星的现有知识，按照用户要求和环境约束，规划卫星总体方案和划分各分系统的技术指标。现有知识可分为两大类，其一是元知识，其二是专门的卫星领域知识。本章剩余部分基于“系统科学”，简述卫星总体设计的元知识。本书后续各章，将分别简述卫星领域的关键知识，特别是关于小微卫星领域进展的一些知识。

2.5.1 小微卫星是一个复杂系统

小微卫星是一个复杂的系统。根据几十年的实践，对这样的系统进行总体设计（系统设计），需要对系统的特性有所了解，要用系统科学的思维方法思考问题，并用系统工程方法来指导设计，以使小微卫星系统总体设计最优化，克服盲目性，避免错误。这样才能使小微卫星研制在实现预期目标的前提下，降低研制成本、缩短研制周期，取得成功。本章首先结合小微卫星实况简要介绍系统科学方面的基本知识。

2.5.1.1 系统的定义

系统是由相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的若干要素组成，在一定的环境约束下，具有特定整体性质或功能的集合体。系统具有如下内涵（图2-5-2）：

（1）系统是由两个以上要素组成的整体；

（2）要素之间是相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的；

（3）系统是有层次的，如果系统是处在某一个层次上，系统中所包含的各要素就处于下一个层次（称为分系统、子系统），系统及其有关的外部系统集合构成上一个层次（称为大系统、父系统），掌管大系统的设计者也称为“设计总体”；

（4）与系统有关联的、处于同一层次的外部系统称为“环境”，系统受环境的约束，并在其约束下发挥其所赋予的功能；

（5）系统具有的整体性质或功能，都是在一定环境约束下产生的。

小微卫星系统是由有效载荷、结构支撑、电源供给、温度控制、姿态控制、轨道推进、无线通信和星务管理等分系统组成的。在各分系统下，还可分为若干子系统，例如：星务分系统下有遥测、遥控、程控、星上网、安全保护、时间管理和数据处理等子系统。在卫星系统上一层有卫星工程大系统，该工程大系统由小微卫星、运载火箭、发射场、地面测控中心和地面应用系统等组成。与卫星系统同处一层的有空间热真空环境、失重环境、空间辐射环境和发射过程的力学环境等。

应该注意到，现代小卫星的集成化，不是不分系统，而是根据科学技术的进步重新划分分系统的界面和“表现”的形式，旨在加强各分系统的能力和提升总体的性能。从我国卫星发展历史可知，早期卫星研制过程中，遥测分系统和姿控分系统对整星测试的进度影响最大，甚至使某些卫星的初样测试超过一年都不能通过。其原因是各分系统的界面划分失误，从而带来系统层次混乱，将下层分系统的矛盾引入上层。小卫星星务系统的集成化，应严格遵循系统科学的理论，分清总体和分系统、星务主机和下位机的层次。在整星级的舞台上，“卫星总体”是表现的主角，各分系统只是配角，所以，就其本质来说，“集成化”不只是删减系统的某些部分，而是要厘清系统的层次关系。关系清晰了，冗余就删除了，系统就简单了，运转就可靠了。

2.5.1.2 系统的分类

按系统形成的原因，可把系统分为自然系统和人工系统。如果组成要素完全是自然物，该系统称为自然系统，由人类按一定目的组建和研制而成的系统，称为人工系统。小微卫星系统是一个人工系统，构建它是有目的的，在2.1.3节中已经提到。

按系统要素形态，可把系统分为实体系统和概念（虚拟）系统。实体系统是以实体存在的系统，概念系统是抽象的、非实体的系统，也称为虚拟系统。无论是概念系统还是实体系统，其都具有特定整体性质或功能。在星务系统中，基于数字化和集成化，将原有的实体分系统虚拟化，形成虚拟设备，用软件技术代替部分实体的存在，旨在提升小微卫星的性能。

按系统与环境的关系，可把系统分为开放系统和封闭系统。开放系统是与外界环境有物质、能量、信息等交换的系统。封闭系统与外界环境没有这样的关系。封闭系统是相对而言的，没有绝对的封闭系统，所以，绝大多数系统都是开放系统。小微卫星系统也是一个开放系统，它与外界有能量和信息的交换，在有些情况下也有物质的交换。应该特别强调一点，小微卫星系统也是一个人工系统，建造它是有目的的。因此，小微卫星系统与地面的应用专家组或用户之间的信息交换是特别重要的，其可实现构建小微卫星的目的和获取最大的效益。同时，优化星地信息交换，对提高其性能和生存能力也是有益的。

按系统的构成，可把系统分为简单系统和复杂系统。构成系统的分系统较少，且分系统构成又较为简单的系统称为简单系统；相反，组成较为复杂的系统称为复杂系统。简单系统与复杂系统也是相对而言的。复杂系统不等于庞大系统。虽然集成化带来了小微卫星硬件简单化，但也增加了软件的复杂化。从外表形状看，小微卫星系统是一个小型系统，但它依然还是一个复杂系统。

按系统与时间的依赖关系，可将其分为动态系统和静态系统。系统特性的一些因素随时间变化，称为动态系统。系统参数不随时间变化，固定不变，称为静态系统。静态系统与动态系统也是相对的。实际上，绝对的静态系统是没有的。

按系统的规模，系统可分为大、中、小型系统。小卫星集成化技术使小卫星越来越小，成为小型的复杂系统。

由上述内容可知，小微卫星系统是一个人工的、实体的、开放的、复杂的、动态的、小型的系统。其中部分分系统还可以是虚拟的，旨在减小其规模，降低其复杂性。无论自然系统还是人工系统，它们都是客观存在的，它们都具有一定的、共同的性质和特征。注意：虚拟系统也是客观存在的，它有客观的信息交换和相关的功能。不能从字面上片面地理解“虚拟”二字。

2.5.1.3 系统的基本特性

从系统的定义可知，系统的基本特性有集合性、层次性、相关性、目的性、动态性和适应性。这些基本特性可统称为系统性。

1．集合性

所谓集合性是指，系统是相互区别的各要素的集合，而且各要素都服从实现整体最优目标的需要。系统的集合性是系统的最基本的性质。在这里各要素的集合有四层含义。第一层含义是各要素有序地集合在一起，而不是机械地、杂乱地相加；第二层含义是各要素之间相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用；第三层含义是系统的各要素都服从实现整体目标的需要；第四层含义是系统的整体功能大于各部分功能的总和。小微卫星的各分系统、部件形成集合体也具有这四层含义。它由相互区别的各分系统集合而成。同样，这些子集合也是一些有序的组合，而非机械相加。已经生产的各个分系统设备放在总装厂房不能称为小微卫星，只有按照要求组装好，并且经过测试合格后才能称为小微卫星，更严格地说是待发的小微卫星。只有发射到预定的轨道，并能正常工作才能称为小微卫星。这样，在轨运转的小微卫星的实用价值要比各个分系统的价值总和大得多。各分系统都服从实现小微卫星航天任务整体目标的需要，各司其职，相互支持，有序运转。这就是“有序集成、紧密相连、服从全局、整体大于部分”的集合性。

集合性表明卫星各要素的工作要有序地、无冲突地进行。

2．层次性

所谓层次性是指，一个整体系统由下一层次的若干分系统（要素）组成，该分系统又由再下一层次的若干子系统（元素）组成。系统、分系统、子系统之间存在纵/横向的上、下关系，平行关系和交叉关系。例如，小微卫星的星务分系统下面有遥测、遥控、程控、星上网、时统、安全保护和数据处理等子系统。在这些子系统之间，存在横向关系，如遥测、遥控相互配合，提升遥控动作的正确性，构成星地大回路控制能力和可控遥测等。它们与上层或下层的其他系统也存在纵/横向关系，如遥测发射机和遥控接收机与跟踪应答机共用。而遥测参数、遥控指令与各个分系统有横向关系。无线通信分系统与大系统的地面测控中心有上、下关系。星上的备份单机与相应的分系统和大系统的地面测控中心有交叉关系。

层次性表明卫星各要素的工作要听命于卫星总体的调令。

3．相关性

所谓相关性是指，系统各元素之间是相互关联、相互作用的，即系统的任一元素的变化都会影响其他元素完成任务。卫星推进分系统的任务是为卫星改变轨道提供推力，为卫星调整姿态提供力矩。但是，如果推进分系统的性能变差，则卫星寿命将会缩短；若推进剂出现泄漏，将会使上述任务不能完成，直至卫星不能工作，寿命终止。例如，热控分系统的作用是控制各个分系统仪器和设备的正常工作温度。如果其中某个热控部件损坏，譬如热管损坏，将导致发热仪器温度偏高，不发热仪器温度偏低，严重时会使仪器设备损坏。又如，姿控分系统的作用是保证卫星处于正常的指向。如果出现错误的指向，卫星在照相时就会丢失目标；在变轨时就会偏离正道，甚至陨落。

4．目的性

所谓目的性是指，对人工形成的整个系统而言，都是以完成某种功能作用为目的，即有确定的目标。例如，对地遥感卫星系统是以获得陆地或海洋遥感信息，提供相关部门应用为目标的。导航定位卫星是以为各种活动对象（如飞机、车辆、轮船、火箭、巡航导弹、人员等）提供导航定位为目标的。自然形成的系统可以表现出一定的特性。自然形成的系统也是有目标或规律的，如能量最小化原则。小微卫星的目的见2.1.3节。

5．动态性

所谓动态性是指，系统不仅作为状态而存在，而且具有时间性程序，即系统元素间的联系是随时间变化的。例如，有的小卫星遥测发射机仅在过境地面站时才开机发送下行遥测信号。卫星推进分系统只有在调整轨道或姿态时才工作，每次工作时，各种阀门也按照一定的时间顺序启动。再如，一次电源的蓄电池只有在卫星进入地球阴影或在太阳能电池供电不足时才工作。

6．适应性

所谓适应性是指，系统具有适应外界环境变化的能力。所谓环境，是指系统的外部条件，也就是外部对系统有影响、有作用的诸因素的集合。对于某个特定的系统来说，其他系统也是它的环境。例如，航天器工程大系统中的运载火箭、发射中心、测控中心、地面应用中心都是卫星的环境，对卫星产生约束，卫星要能适应它们。环境除了更高一级、更大范围的系统外，还有其他外界环境，例如力学环境、空间热真空环境、失重环境、各种辐射环境以及国家和国际有关规定的约束。

2.5.1.4 系统工程的基本概念

应用系统的思想，应用定性和定量的系统方法，应用计算机和人工智能等技术，来处理复杂系统问题，统称为系统工程。引入系统工程是为了更好地达到系统目标，从系统整体出发，对系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机制等进行合理的规划、开发、设计、制造、试验、实施。传统的工程技术是运用自然科学和技术来解决工程产品的设计和制造问题，而现代化大型复杂的工程系统的开发，除了要运用自然科学和技术外，还需要应用系统工程知识。

这里要指出的是，应对系统工程与工程系统加以区别。

（卫星）工程系统是指一项具体的（卫星）工程项目，其工程技术包括光、机、电、热、力学等多种学科和结构，电源、热控、测控、姿态与轨道控制、推进、各种有效载荷以及各种环境模拟试验等多种专业技术。对于（卫星）系统工程而言，它包括人力资源、研究发展、规划、计划、设计、生产、试验、质量保证、物资器材、试验设施、经费、安全保卫等组织和管理的内容。

（卫星）工程项目是一个复杂的系统，包含广泛的技术领域。在现代，为了解决复杂性的困难，采用“系统”的思想和方法进行操控。这样就引入了（卫星）工程项目的两师系统：总设计师和总指挥。前者着力于工程设计，后者解决工程活动中全部过程的工程技术。这就是说，两师系统起源于系统的基本特性。为了处理复杂的系统，实施系统工程，组成两师系统。

2.5.2 小微卫星总体工作的基本方法

小微卫星既然是一个复杂的系统，它的设计、制造、运行管理和维护就要遵循系统科学总结出来的一系列规则。

首先，系统科学的思维方式主要体现在复杂的、多方面多目标的、动态的思维观，所以卫星总体设计思维的基本观念是根据系统的性质、系统科学思维的观念和卫星工程实践总结出来的。卫星总体设计者掌握和应用这些思维的基本观念，设计思想就会变得更加先进、更加富有创造性、更加聪明；设计思路就会更加开阔、更加深入、更加完善；应对设计中的动态问题时就会更加灵活、更具适应性、更有条理。卫星总体设计思维方式可以归纳为8个基本观点：①不忘记目的，不丢失方向；②统一调度、相互协调、融合一致；③整体优先，局部让位；④可靠性是前提；⑤时间就是价值；⑥继承是基础，创新促发展；⑦综合是小微卫星的创新突破点；⑧注重生产效益，加强成本估算。

同时，提出总体设计执行的7项具体工作方法：①巡视与反馈的方法；②协商调整的方法；③团结协作的方法；④两师系统并行方法；⑤状态冻结的工作方法；⑥按程序开展方法；⑦试验验证方法。

此外，还提出小微卫星的总体设计中的几项关键元技术：①内嵌式技术；②要素封装技术；③各类网络技术；④虚拟化技术；⑤关键芯片技术。

本节简要归纳了小微卫星总体设计的基本（系统）观点、具体的工作方法和基本（元）技术，以便在设计过程中有清晰的思路、正确的方法、好用的工具。

2.5.2.1 总体工作的思维方式

卫星总体设计者要训练并全面掌握一些基本的思维方式或观念，在总体设计中灵活运用它们，就会很好地解决卫星工程中的总体方案设计、接口设计、研制要求、技术协调、综合测试、环境试验、发射运行和在轨管理等方面所遇到的各种问题，可以使卫星研制达到整体最优。这些总体设计的基本思维方式可以归纳成如下几个方面：

（1）不忘目的，不丢失方向。

小微卫星是一个人造系统，具有某种目的，要达到既定的目标，就会制定特定的指标和功能。这就是说，以用户的使用要求为目的，使卫星具有相应的指标和功能。总体设计者在整个小微卫星研制过程中，要始终把握这一既定的目的、指标和功能，不得产生偏离。为此，总体设计者不仅要在小微卫星开始整体设计时使小微卫星系统达到这个目标，而且要在整个卫星研制过程中控制和协调卫星各个分系统，使其满足这些功能和性能指标。同时，还必须预测和准备在轨运行事故发生时的对策，以便确保在全寿命期内都能达到这个目的，不丢失这个方向。

（2）统一调度、相互协调、融合一致。

小微卫星是一个复杂的系统，有众多设备，它们相互关联，分层构建。各个设备又都与其存在的环境息息相关。总体设计者在总体设计中要立足于层次之间的规则，满足大系统和各种环境约束条件，设计出系统的总体方案。设计系统的层次结构和各层次之间关系，同时，分解和制定下级分系统的功能和指标，并协调各分系统之间的接口关系（包括机、电、热、光等关系）。

要使星上设备都正常有序运行，总体设计者必须周密考虑各种环境的约束条件，设计出优良的小微卫星，并在整个设计过程中控制和协调小微卫星的功能以及各个分系统的性能指标和接口参数，使其相互协调、融合一致。同时，必须设计好一个星上的“总调度”，借助它在轨运行时使众多设备相互协调、融合一致。这就是说，在设计阶段，由总体设计者统一调度、协调、合作；在在轨飞行阶段，由星务系统代理“总调度”者，确保星上设备相互支撑，平稳、无竞争地工作。星务系统是“天上的”卫星总体部，形成卫星的“虚拟总体部”。正如王希季院士所说：星务分系统不是一般的分系统，它是“总体级”的分系统。这表明，在地面卫星设计制造阶段和在轨卫星飞行工作阶段，都有卫星总体部的存在，需要它进行统一、协调、融合。总体部统一调度是系统科学的要求，在地面设计和在轨运行期间都需要遵循。

（3）整体优先，局部让位。

整体最优的观念是由系统的集合性决定的。它表示在小微卫星研制工程项目中，要从整星全局出发，而不能只从一个分系统的局部出发。各个局部以最小的代价达到整体最优，保证全星系统最佳功能的发挥。由此可知，在处理研制中的问题时，一定要始终贯彻整体最优的观念，处理好局部服从全局的关系。局部分系统研制人员不可一味追求过高的电性能指标，而忽略总体的质量（重量）、安全、成本及周期的约束，这是不符合整体最优观念的。

小微卫星实施集成化，就是从这个整体最优观念出发的。为了整体优化，有必要牺牲局部的完整性，即为了整体的集成，需要对局部进行拆分、剥离。

（4）可靠性是前提。

小微卫星总体设计的原则是，在保证整星达到预期的可靠性指标的前提下进行设计和评估。可靠性具有“一票否决权”。

可靠性定义为“产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力”。卫星是一种在空间轨道上高度自动化工作的工程项目，在其工作寿命期间是不进行维修的。或者说，卫星是按不可维修的工程项目进行设计的。因此，在卫星设计任务书上应有功能性指标、轨道寿命指标和可靠性指标的要求。卫星的可靠性指标应遵循卫星工程系统和卫星整体优化的原则，从实际出发，综合卫星的经济性、风险性、研制部门的技术基础和设计师队伍状况等因素，经过详细的分析计算，折中平衡后慎重提出。可靠性指标应该是一个既能保证卫星在工作寿命期间处于可执行规定任务状态，又在设计任务书规定条件下实际可以达到的指标。不必要的高指标必然影响卫星的经济性和延长研制周期，给整体优化带来副作用，这是设计师思想保守的一种表现。

应该强调，卫星产品的可靠性是设计出来的。对卫星可靠性有重要影响的设计准则为：在可以满足卫星的性能要求的情况下，尽可能采用技术成熟的、组成和结构简洁的、局部故障不致造成系统故障的和预测可靠性高的分系统、设备、部件和组件，以提高卫星的固有可靠性。按这几项准则设计的卫星，符合整体优化的设计原则，其可靠性的提高不是建立在系统的冗余化和技术的高要求的基础上。这样进行设计，不仅可以提高可靠性，还可以缩短卫星的研制周期和降低卫星的研制费用。卫星可靠性也是生产和管理出来的。依据图纸资料进行生产、进行严格的科学管理和按客观规律办事，对卫星可靠性的保证是很重要的。

（5）时间就是价值。

价值和时间之间有着紧密的联系。同一个系统在不同的时间里可能有不同的价值。因此，在工程系统开发中，对过时的产品或预料即将过时的产品，就不要再去开发。更重要的是，开发一项工程既要获得最高的价值，而所用的时间又不能太长，否则将失去它的价值，或者失去竞争力。小微卫星即插即用、快速出厂的要求是符合这一原则的。小微卫星低成本、方便快速更新换代、不追求过长寿命的要求也是符合这一原则的。对于小微卫星来说，时间特别重要，“时间就是价值”。

（6）继承是基础，创新促发展。

无论在自然科学方面，还是在社会科学方面，继承和创新的观念都是普遍的、永恒的。在整个系统开发过程中，人的创造力是最重要的。卫星工程属于技术范畴，在卫星系统研制中的创造力是指在继承的基础上，综合利用新的和现有的技术、工艺、材料等发展新的卫星系统，最终以最小的代价实现满足用户需求的、具有最佳功能的卫星工程系统。小微卫星的创新也是遵循这一原则的。继承是确保小微卫星可靠、低成本和快速研制的动因，创新是提升小微卫星性能和换代的手段。两者都很重要，要平衡处理。因此，要树立“继承与创新并举”的观念。

卫星系统是一个复杂的系统，在轨运行环境对卫星的生存而言相当恶劣，并且部件一旦损坏很难或不可能修复或改换，因此，继承成功的设计思想和部件是安全的办法。在卫星总体设计中，为了保证卫星的基本特性和提高效益，应大量采用原有（经过在轨运行）卫星的硬件和软件。这些卫星的硬件与软件的功能及环境适应性都经过了实际飞行考验。现在，研制一个新型卫星的周期很长，卫星发射和应用后，其结构、电源、姿态与轨道控制、推进、测控和热控等分系统形成的平台技术还可继续用于其他新研制的同类型卫星或规模相当的其他新卫星。此时，常把该平台称为公用平台。在卫星总体设计中，常把这种沿用成功考验过的部件、方法、软件、系统的方式称作继承。在卫星总体方案设计中，继承性是评价方案可行性的一个重要因素。现在，对新研制的卫星，在总体方案设计中继承成熟技术和产品的比例一般要求达到70%左右。否则，方案的可行性会受到质疑，甚至被认为是不可行的。

事物总是要前进的，要提升卫星的性能只有创新。利用公用平台研制的新卫星，为了适应新有效载荷的要求，公用平台必然要作适应性的修改。另外，人造地球卫星系统是一个复杂的系统，而且是20世纪50年代末发展起来的新技术，其技术和性能还需要不断地创新和提高。现代有许多新概念、新理论、新技术、新材料、新工艺不断涌现，为航天器的创新和发展提供了条件。这就要求航天器总体设计者不断地提高航天器的性能，并不断地开发航天器的新的应用领域。落后的技术和产品要逐渐被淘汰，取而代之的是新技术、新产品和新品种（新航天器）。

航天器系统的总体设计师一定要处理好继承和创新的关系。正确的处理方法就是尽量利用成熟的技术，确立新的总体方案，并且使各个局部以最小的代价达到系统整体最优，保证航天器系统最佳功能的发挥。

（7）综合是小微卫星的创新突破点。

在开发一项复杂的工程项目时，要找到主要因素和得到正确的结果，需要通过各种分析和综合。传统的工程技术中主要是用“分析”的方法，经过60余年卫星的开发，卫星技术已经较为成熟，卫星系统工程则特别突出“综合”的思考活动。通过综合，利用成熟的技术，建立新概念，确立新方案，揭示各组成部分之间的纵横交错的联系以及解决工程技术问题与环境之间的复杂关系。总之，通过综合，使开发的卫星工程项目先进、合理、可行和经济（达到系统最优）。所以，小微卫星总体设计的主要工作为综合。综合包括工程系统在技术上的综合、在与环境适配上的综合、在过程演变上的综合。综合是小微卫星的创新突破点：

①在技术上的综合，是指将多种学科和技术综合在一起，以建立最优方案。要考虑光、机、电、热、力学等多种学科和各个分系统的专业技术的综合，总体设计的主要任务正是完成这种综合，制定卫星的技术流程。小微卫星提倡机电热一体化设计、模块化、设备综合化，这些都是在技术上进行综合。

②在总体设计中，把环境当作约束条件，并使总体设计满足这些约束条件，满足与环境之间的适应性、协调性和经济性，实现与环境之间的综合。

③卫星工程系统与过程的综合。这一综合除了考虑技术之外，还要考虑工程的进度、质量和成本，从而制定计划流程、竞争策略和发展战略，实现与时间过程之间的综合。

（8）注重生产效益，加强成本估算。

卫星成本估算虽然主要由卫星研制管理部门的经费分析人员（经济师）负责进行，但这并不意味着卫星设计师只需要考虑技术问题，而对经费弃置不顾。事实上，技术与经济是一对矛盾的统一体。只考虑技术先进、性能优越，往往会导致研制费用过高、研制周期增长、经济效益不理想等问题。因此，应正确地认识和处理好技术与经济的关系，掌握必要的成本知识和估算成本的方法，在设计中会分析各种影响成本的因素并能针对薄弱环节提出改进措施。同时从提高产品功能和性能、降低产品成本这两个方面努力，最大限度地提高产品价值。这些对卫星设计师来讲绝不是可有可无的事情，而是其设计水平和业务素质的表现。因此，在任务书的提出过程中必然要进行成本估算和协调经费与技术性能之间的关系，以使任务提出方了解所需的投资是否在预计的限额和强度之内，决策是否投资进行研制。而在任务书的接收过程中需要估算和验证任务书规定的技术、经济指标的协调性。这对能否被选为研制单位有很大影响，特别在注重经济性的场合尤为重要。当完成设计任务时，研制单位应能就设计任务提出方十分关注的经费和工期问题给出比较确切的回答。从上述讨论可见，成本估算在卫星各设计阶段都占有重要地位，对卫星设计有重要影响。卫星设计师应重视经费问题，尽力得到一个费用低、工期短，又能很好地满足设计任务书规定技术指标的合理计划，论证在给定的经费和工期等约束条件下能否设计并制造出满足任务书规定的各项技术指标的产品。

现今卫星产品研制单位正逐步引入和实行竞争机制，故合理估算成本尤为重要。它关系到是否可以获得订单，获得订单后能否在完成任务的前提下有利润获得。

2.5.2.2 总体工作的具体执行方法

为了确保小微卫星设计的成功，按照系统工程的理论和上节所讲述的总体设计思维方式，提出如下具体工作执行方法：

1．巡视与反馈的工作方法

小微卫星总体设计是一个过程，包括外部条件的协调、内部划分和布局。在研制过程中，各个分系统的研制由于种种原因会有意或无意地偏离总体设计要求。此时，总体设计者要及时深入系统上、下，检出与卫星总目标的偏离（包括功能、性能指标和技术状态），用“向下巡视”的方式搜集和听取“向上反馈”，不断地通过分析和协调，消除与总目标的偏离，完善总体设计，使航天器设计达到既定目标，并达到整体最优。这是复杂系统研制过程中所采用的通常工作方法：“调查研究”的方法，也适用于小微卫星研制。同样，由于小微卫星工程比较成熟，巡视的力度可能较小，反馈的意见较少，但此方法不可丢弃，不能闭门造车。

2．协商调整的工作方法

在航天器研制过程中，总是会出现各种问题。在技术设计方面，可能会有不确定的、不正确的、不完全的、不详细的问题；在生产加工方面，可能会有超差、代料、污染等问题；在试验方面，可能会有仪器设备性能下降、结构损伤、欠试验、过试验等问题；在轨道运行方面，可能会有一些事故。因此，在研制过程中，总体设计者总是会面对一些内部（系统）和外部（分系统和大系统）的技术问题。这些问题不仅影响本身，其相关联系很多，影响因素很多，不能通过主观控制来解决，这就需要总体设计者在整个卫星研制过程中与分系统和大系统的设计人员不断地通过分析，经过协商调整来解决，以保证卫星总目标的最终实现。协商调整是解决小微卫星复杂性和整体优化的要求和办法。这是由小微卫星的系统性所决定的。小微卫星具有多要素、多层次、相互关联、“牵一发而动全身”的特点，只有协商调整才能合理解决相关问题。

3．团结协作的工作方法

开发一项航天器工程项目，需要不同的专业技术人员，需要多支专业技术队伍。这就要求每支队伍、每个专业技术人员具有良好的团结协作的精神，即需要良好的团队精神。在团队里和各团队之间，每个技术人员不仅要敬业，而且要团结，相互协作，相互支持，不怕吃亏。这一点对于总体设计人员尤其重要，因为他们的协作面很广。在系统工程队伍中，一个技术业务能力很强的人如果缺乏团结协作的精神，就会严重影响工程项目的进展。

4．两师系统并行工作方法

开发小微卫星工程项目的全过程是从规划开始，经预先研究，然后设计、制造、试验直到使用。这一研制过程可以划分成两个并行的运转过程。一个是运用自然规律（科学和技术）进行研制的过程；另一个是对工程进展的控制过程。前一过程是运用工程原理、技术、设备和工艺等开展工程项目的过程，其是由总设计师负责的技术过程。后一过程包括规划、组织、经费预算、掌握工程进度、控制工程质量、评估工程的效果等，亦称为管理过程，其是由总指挥负责的管理过程。这两个过程是相辅相成的，可以说，卫星研制“可行在技术、成效在管理”。对小微卫星总体设计者来说，既要在研制的技术过程中完成卫星设计总体任务，又要在制造过程中对卫星各个分系统的性能指标和接口参数进行控制和协调。两师指挥线分开，旨在加强技术工作的扎实和执行动作的严格。由于小微卫星工程比较成熟，两师系统也可以合并。

5．状态“冻结”的工作方法

由系统工程的阶段性可知，研制卫星系统，不仅要从规划开始，经过研究、设计、制造、试验、使用几个阶段，还要进行总体方案设计、分系统方案设计和各个分系统的仪器设备的详细设计。除此之外，详细设计还分为初样设计和正样设计两个阶段。在初样设计后出图制造，经鉴定试验合格后转入正样设计阶段。在研制进程中，总体设计中有些内容是由不确定到确定、由不正确到正确、由不完全到完全、由不详细到详细的。因此，随着工程的进展，要不断地修改和完善总体设计。

由于科学技术总是不断向前发展的，因此，在卫星研制过程中总是可以提出一些新的技术改进。但是，进行一项卫星工程，不能没完没了地修改，致使工程不能完成。为了保证研制进度，避免局部改善造成整体失调（影响其他分系统），根据阶段论原则，需在各阶段适时地将卫星的技术状态实行“冻结”，即无特殊情况不允许任何改动。如果此时必须改变技术状态，一定要慎重，并且要向总设计师提出申请更改，按规定程序审批后方可更改。更改前要全面分析必要性和后果，更改后还需要进行验证试验。

状态“冻结”也是解决小微卫星快速出厂、复杂性和整体优化的要求和办法。这也是“时间就是价值”的观点实现。状态“冻结”除了是实现系统工程的阶段性的需要，也是适应系统众多要素相互关联的需要。由于相互关联是一种“牵一发而动全身”的关系，所以在总体设计时，应尽早提出关联参数和约束并以文件形式固定下来，即状态“冻结”。环境属于外部条件，根据总体设计原则，“先外后里”，首先制定文本型规范，将其固定下来，指导后期工作。这也是技术状态“冻结”的一种方法。

6．按部就班、有序无冲突、按程序开展工作的方法

小微卫星研制的程序包括技术流程和计划流程，这是由其系统性和阶段性所决定的。程序要符合阶段性和系统性的规律，并且根据每个航天器项目的特点预先规划好，行动中程序不能丢弃、不能颠倒。如果违反这个程序就可能招致重大损失，其结果是“欲速则不达”，造成不必要的损失。我国卫星产品经过多年研制和发展已形成成熟的研制阶段和较好的研制技术流程。随着技术的不断发展，小微卫星虽可进一步优化和再造研制技术流程，但依旧要树立程序的观念，已确定的程序绝对不能颠倒。

7．试验验证方法

在系统工程中，无论是开发工程系统还是研究管理系统，要获得良好的结果，都要经过反复的实践、验证、总结，才能达到预定的目的。在卫星工程系统研制中，当不能用数学分析解决实际问题时，总是先提供假设或凭经验设计，然后，必须通过试验来验证。即使在产品进入批量生产时，也要通过验收试验来检验其质量品质。小微卫星是依托过去大量卫星的成功经验进行设计的，可以省略许多试验验证环节，但有新添的关键环节时应该进行补充验证，以确保万无一失。特别是对于新的电子器件，应该补做空间辐射环境试验。

试验验证一般有三方面。其一是检查试验，检查卫星及其设备的运行状态和相互配合过程，是否符合设计要求，是否达到了任务目标。其二是环境试验，即模拟在轨运行环境，检查卫星及其设备是否可经受其环境的考核。其三是稳定性试验，即在一个较长的时间内连续不间断地运行，尽量遍历在轨可能遭遇到的各种状况，用以检查设备和卫星的稳健性。对于小微卫星，一般执行持续72小时的考核。

2.5.2.3 总体设计中几项关键的元技术

除系统科学外，小微卫星总体设计中有几项关键的元技术：①内嵌式技术；②要素封装技术；③各类网络技术；④虚拟化技术；⑤关键芯片技术。它们的引入目的是简化小微卫星设计的复杂性和提升卫星的性能。基于这些元技术，能迅速地、方便地建造小微卫星。

2.5.3 总体部的设计工作：总体设计

卫星总体设计包括总体方案设计和总体综合设计两大部分。

2.5.3.1 总体方案设计的概念

卫星工程系统是一个相当复杂的系统。它与一个简单的工程产品开发过程大不相同。简单的产品都是由个体人员设计、制作的，而复杂的工程系统则需要许多掌握不同技能的人员联合设计和制作。因此，首先需要组织一小群总体设计人员进行总体设计。然后，分工进行各方面的详细设计、制作。最后，将各方制作的部分组合起来，形成复杂系统的最后整体。这个过程是应对复杂系统的需要，符合人的认识过程。人必须把复杂事物简单化，在认识许多简单事物的基础之上认识复杂事物。当然，总体设计人员过多也不好。过多的人员不容易统一，也是一种浪费。因此，要求总体人员的知识面要广、设计思路要宽。组织一个精干的“总体设计部”班子，是一个复杂系统研制成功的第一个关键。

从图2-5-1可见，一般卫星总体部的设计工作的内容分成三个部分。总体设计队伍根据卫星任务的要求先进行总体方案设计。然后，根据总体方案，进行要求分解和分系统组成划分，并向各个分系统分派各自的设计要求，分系统再进行各自的详细设计。最后，通过总体部的综合设计，把各个分系统设计内容综合成满足任务要求的卫星整体。只有这样才能保证各分系统能相互关联、相互作用、相互协调地工作，共同完成卫星的飞行任务要求，综合成一个优化的卫星工程系统。这是一种上下反复的“配合”设计过程。

经过数十年的卫星研制，人们积累了许多经验，上述传统卫星的建造流程也可以再造。其旨在缩短流程，快、好、省地生产小微卫星。目前，不少小微卫星研究过程中省去了从总体部下达到分系统的设计任务书过程，而直接在“货架”上选购通用产品，或直接指定现有的分系统和/或设备。这样做既加快了研制进度，又降低了成本，并保证了可靠性，因为选用的多为有在轨飞行经历的产品。这样一来，小微卫星的工作就集中于总体部内，形成“卫星工厂”。这是一种从上到下的“直接”设计过程，从而扩展了卫星总体部的工作范围和职责，其工作应该贯穿卫星整个生命周期的全部过程，从调查研究设计直到在轨运行维修。在小微卫星上设计“卫星总体部的代理”就是这个原因。用这个代理，可实现对卫星应用的支援，完成卫星制造与卫星应用的融合，进行卫星售后的服务。这个“卫星总体部的代理”就是现代小微卫星的“星务系统”。

对于任何一项复杂的工程系统设计，首先需要有一个事先的“设想”“谋划”或“方案”。由于卫星工程系统设计是一件复杂的技术工作，因此，要从技术上进行较全面的总体方案设计。总体设计在工程研制中起纲领性的作用。根据用户对所设计卫星的用途和性能要求，先进行总体方案设计，即设计这个卫星的系统组成；分析确定各个组成的分系统的性能要求；通过借鉴已有的经验和相应的试验，选择合适的卫星构形和尺寸；进行各个分系统仪器设备的布局设计；通过分析、计算和仿真验证卫星系统的性能。然后，在总体方案设计的基础上，对各个分系统提出详细设计要求。这样，各个分系统开始往下进行详细设计。此外，还要对总体方案设计是否先进和优化进行判断。只有这样才能保证各个分系统的详细设计和总体综合设计的系统完好性、正确性和协调性。最后，通过总体综合设计，把各个分系统综合成满足任务要求的、优化的卫星系统。图2-5-3所示为小微卫星总体设计内容示意。从中可见，卫星总体设计是在对卫星的功能和技术要求理解的基础之上，构建卫星的组成分系统，确定卫星的结构形状，完成星上设备布局，协调卫星的上、下、内、外关系，下达分系统的技术要求，实现卫星本身的技术参数等，最后产生卫星总体方案及一系列图纸和文件。

在总体方案设计中，不仅要考虑本身的技术要求，而且要考虑卫星运行的周边环境。因为卫星不仅是一项复杂的工程系统，而且卫星在轨的工作环境系统与一般的工程系统还有很多不同，因此，卫星工程系统更加特殊、更加复杂。这样，建立各分系统及其设备的工作环节约束条件也是总体设计的内容。当各分系统设计完后，汇总到卫星总体部后，再通过总体综合设计，把各个分系统综合成满足任务要求的、优化的航天器系统。

综合上述，由于卫星是一个复杂系统、工作环境与众不同、条件恶劣、有问题后不便甚至不能维修，所以对于它的设计和制造应特别慎重。整个设计有一个谨慎的、漫长的过程：总体方案概念性研究、总体方案设想、总体方案可行性论证、总体方案详细设计等。这样做的原因是，卫星工程系统复杂，因素很多，并且分层关联，许多因素又动态变化，前后交叉。对其只能从顶向下，一层一层地、有序地剖析了解。概念性研究就是忽略细节部分，集中考虑实现目的的路径，提出一个或几个设想方案。可行性论证是对设想方案进行分析，探明是否具有可实现性、实现的难度和代价。方案详细设计，就是深入细节考虑，使方案层层完善。另外，这种多层次的设计过程也适用于总体部与分系统之间的交互、协商；适用于总体部与用户之间的交流、融合；适用于总体部与上级航天任务大系统的总体部的会商、合作。这些过程是遵循系统科学理论的，也是符合多年卫星研制的实践经验的。

我国航天任务已经积累了多年的成功经验，小微卫星的总体方案设计可以加以继承。这样，小微卫星的总体方案设计阶段可以快速地穿过层层程序过程，迅速完成小微卫星工程系统总体方案设计，立即进入下一阶段：总体综合设计。从图2-5-3中可见，影响小微卫星总体设计阶段的进度的因素，一是等候分系统的设计，二是等候分系统的生产。如果分系统产品化、规格化、系列化，如同PC一样，有现成的“货架”产品供小微卫星集成商选用，这两个“等候”就可以剔除，生产速度可以加快。

2.5.3.2 总体方案设计的主要工作内容

1．构形设计

构形设计是对卫星的外形和尺寸、承力构件形式、总体布局、设备安装要求、质量特性以及与运载器和地面机械设备接口关系等进行设计和技术协调的过程。它的基本任务是把卫星各个分系统及其仪器设备组合成一个内部和外部空间尺寸协调、可保证卫星功能的实现、满足各分系统仪器设备安装要求、能经受运载火箭发射过程的力学环境、有利于卫星在轨热辐射和空间辐照的防护、方便卫星研制和有效载荷能力增长的卫星整体。可见，卫星的构形设计是卫星总体方案设计中一项重要的、全局性的设计工作，卫星的构形设计一旦完成，整个卫星基本上就具体化了。以后的有关设计，就要以此作为依据和要求，循序进行。完成构形设计，就为总体方案提供了可视的结果，给各个分系统提供了设计参数，给卫星总装提出了要求。因此，卫星的构形一定要按整体优化的原则，从设计任务书的要求出发，通过多种构形方案分析，比较选优得出。它是一个能保证航天任务实现的、能满足航天器各个分系统仪器设备安装要求的、能够适应各种环境的卫星图样，而且还要有利于今后具体卫星制造过程中的对照参考。

传统卫星经过构形设计后，卫星作为一个有形的实体就出现了。如果采用选择“星壳”的方式确定基本的构形，有可能加快小微卫星的设计，还有可能丰富构形设计的内容，实现卫星的机、热、电一体化。

卫星构形设计的内容主要如下：

（1）主承力构件设计。常用的主承力构件有中心承力筒、底板加桁架的杆系承力构件、箱板式承力构件。箱板式承力构件的结构设计简单，传力线路短，结构工艺简单，工艺质量容易保证，结构重量轻，总装工艺简单，地面吊装方便，容易配合有效载荷实现尺寸调整，生产周期较短，生产成本较低，容易实现模块化、系列化。当然，他只能承受较小的有效载荷，非常适合小微卫星的实际情况。因此，当前许多小微卫星都采用箱板式承力构件的结构设计。

（2）外形设计。根据卫星应用的不同，卫星的外形有很大的不同。我国返回式卫星的返回舱外形采用球锥形，小头朝前，弹道返回，保证返回舱姿态稳定，返回总加热量小，飞行时间短，回收点容易控制。因为无人，允许过载较大。自旋稳定卫星外形选择圆柱体，采用蜂窝夹层结构，容易整体制造。圆柱体结构具有工艺简单、精度高、质量好、重量轻、刚度好、内部空间大、有利于布置太阳能电池、电源能够得到稳定的最大的利用（由于卫星在自旋时，多面体星体的截面忽大忽小，因此，其所受到的太阳光能量也就忽大忽小）等优点，产品质量容易保证。当前许多小微卫星都采用立方体外形。其原因是它们都采用箱板式承力构件，适合小微卫星的应用及其尺寸变化。

卫星外形有时常包含有外伸部件：天线、太阳能电池帆板、探测器敏感头伸杆、推力器开口、姿态敏感器窗口、制冷器热辐射器板、相机遮光罩等。进行外形设计时需要分别给出卫星在整流罩内收拢状态的外貌示意图，在轨展开状态外貌示意图。卫星外伸部件布局的设计不要求对称，不需外观装饰，仅要求满足卫星构形设计的基本要求即可，以保证卫星功能的实现和自身功能的实现。

（3）内部设备总体布局。根据各分系统设计反馈的设备安装要求和总体布局需要，布局设备位置和安装方式。各种卫星的内部总体布局千差万别，与姿态稳定方案关系很大，与相互电/磁干扰和防辐射有关。

目前小微卫星多采用三轴稳定工作方式，对于三轴稳定卫星，内部设备布局应该减少各种干扰因素。干扰源有力学的、热学的、光学的、电磁的和化学的。卫星不同，各种干扰对卫星影响的严重程度也不尽相同。对于排除或减弱干扰到无害程度的工作，卫星构形能做出很大的贡献。总体布局不仅是将星上设备集于一体，还要使其在一起和谐地、无竞争地共同运行。其中，最主要的是保证有效载荷的定向要求。这就要求布局设计时，选好通过卫星质心的三轴坐标系，布局结果使这三个轴为惯性主轴，也就是使这三个轴的惯性积等于零。这样就可以避免或减少在轨道和姿态控制时所产生的干扰力矩。在布局敏感器时，要分析和保证敏感器的视场角，并提出安装精度要求，在布局推力器时，要保证获得尽量大的控制力矩，并提出安装精度要求。从而保证卫星三轴控制的良好控制性能。

（4）质量特性的计算。在外形设计和内部设备布局的基础上计算卫星整体的质心位置、转动惯量、惯性积等。当不满足参数要求时进行适当调整。总装完后，要进行测量。如果需要，可在相应位置放置加配平质量，以消除制造和总装引起的偏差。

（5）星体坐标系的确定。为了分析计算、测量，在构形设计中要确定卫星的坐标系。这个坐标系不仅总体构形设计需要，几乎各个分系统都需要。例如，在总体构形设计中对外伸部件的布局、内部仪器设备的布局、质量特性计算、轨道设计、航天器动力学分析、总装设计等都需要坐标系来协调，明确布局的位置、方位和精度；控制系统设计需要坐标系确定航天器的滚动、偏航和俯仰轴，控制系统的陀螺、动量轮等都有方位要求，推力器和敏感器的布局都有一定的方位和视场，而且有很高的精度要求；有效载荷多数要求对地并满足一定的视场要求，红外相机用的辐射制冷器要求不见太阳、地球和不受卫星遮挡；太阳电池阵要求有好的光照条件；结构系统的主承力构件的承力方向要与运载火箭推力方向一致。这些都与坐标定义相关，并且可以通过仪器设备进行精确测量，消除误差。

（6）此外，还有其他工作。例如：整体吊装的方案用来避免卫星研制出来而无法吊装的错误。卫星整体吊装的方案一般根据主承力构件方案来设计。采用箱板式设计方案的，可用吊底板的方案，因为这种构形设计的底板最强。又如：卫星停放的支撑位置利用航天器与运载火箭的对接框，因为这里强度高，也平稳。停放卫星要用专用支架车，以便移动。在专用支架车与卫星接触面要垫有毛毡，以防划伤卫星支撑位置。也有的卫星设计带翻转的支架，在卫星装配过程中使用。又如：运输卫星时必须将卫星放在专用包装箱内，包装箱要有减振及温度、湿度控制措施，并及时充入氮气，以免航天器设备氧化损伤。

2．确定分系统的组成，下达分系统任务书

确定卫星组成的分系统的过程如下。

（1）第一步，接受任务。

首先，需要有用户提出的任务要求。任务要求一般包括任务定义、技术指标、经费预算与研制周期4项内容。用户任务要求是航天器总体方案设计的目标，也是总体设计的依据和约束条件。

所谓“任务定义”，通俗地讲就是要干什么。它高度概括地表述卫星任务最基本的内容和功能要求。有些任务定义，除卫星本体外，还可以包括地面应用和业务管理系统、地面段的测控系统；有些定义规定在轨交付（即“交钥匙工程”）；此外，还要规定培训计划、评审计划、监造计划、技术转让计划等。

在确定任务定义后，要对卫星进一步提出具体的技术指标。卫星的技术指标的制定是一个复杂的过程，需要经过用户和卫星研制部门双方协同一致地制定，最后经用户同意再批准确定，并向卫星研制部门提出，即用户部门向卫星研制部门提出研制意向，卫星研制部门即可组织技术队伍开展任务分析，并与用户技术人员进行技术协调。

卫星研制经费与上述卫星任务定义和卫星使用技术指标密切相关。卫星研制方要根据卫星任务定义和技术指标，参照过去研制卫星所需经费的经验或市场价格（包括国际市场价格），对卫星研制费用和产品成本及利润进行估算。一个卫星的全寿命期的成本构成因素一般包括规划、研究、总体方案设计、初样阶段研制（包括总体综合设计、分系统详细设计、制造、测试、试验）、正样阶段研制、发射、在轨管理、最后废弃等过程中所发生的一切费用。这些成本包括全过程的硬件研制、软件研制、测试和试验设备（含研制成本、购置费或折旧费）等成本，此外还包括质好成本、人员工资以及系统工程中的各项管理费等。以上各项成本构成卫星研制成本。研制成本加利润构成航天器的研制费。如果研制发射成功，需要按照同样的图纸再生产若干个卫星，则所需要的费用（不含发射及以后的费用）为产品成本。产品成本加利润构成航天器的产品费。

卫星研制周期也与卫星的任务定义、技术指标、研制经费、承担研制单位所具备的条件以及研制策略（包括总体方案和研制过程中的各项管理）密切相关。如果卫星任务多而且复杂、技术指标要求高、关键技术项目多、研制经费较少（无法引进技术、外购或外协）、研制单位所具备的条件不足（技术人员水平低、经验少，单位的研制手段落后）、研制策略差（总体方案不合理、缺乏系统与方法、管理不先进）等，卫星研制周期自然就会延长。

（2）第二步，分析任务，确定总体技术指标。

在接到用户提出的卫星任务要求后，总体设计人员可开展任务分析，与用户技术人员一同讨论，理解用户的目的，明确用户任务的基本要求，制定具体的技术要求，提出双方协商一致的技术指标。经卫星用户方领导批准后，返回卫星研制方，再由卫星研制方找出完成任务的基本技术途径。这些基本技术途径包括轨道、有效载荷、卫星平台和大系统的选择和方案设想。此时的基本技术途径只是个概要的设计和分析，可供下一步总体设计参考。

以太阳同步轨道对地观测卫星为例，技术指标的主要内容有：卫星轨道高度、轨道机动要求、回归周期（或称重访周期）、相机地面分辨率、相机信噪比（SNR）、相机静态调制传递函数（MTF）、对地覆盖宽度、覆盖重叠率、姿态侧摆角度要求、姿态指向精度、姿态稳定度、数传发射EIRP、传输速率、数据存储容量、卫星寿命、卫星寿命末期的可靠性等。在任务分析中，用户使用技术指标大部分属于有效载荷。平台的技术指标是为保证有效载荷正常工作而设置的。

（3）第三步，确定组成的分系统——载荷系统、服务系统。

把总体技术指标分解到各分系统，形成各分系统的技术指标要求，下达各分系统的任务书。

3．形成总体方案文档

图2-5-4所示为小微卫星总体方案设计文档内容示意。其一般包括5个方面：

（1）卫星研制要求、技术指标和约束条件；

（2）卫星总体技术方案，另附分系统的方案；

（3）可靠性和安全性设计；

（4）制造中的关键技术及其突破情况；

（5）技术流程和计划流程。

当遇到熟悉的小微卫星设计时，也可从用户任务要求直接进入正样设计阶段，按图2-5-3中虚线所示路线实施。

2.5.3.3 总体综合设计

从图2-5-1可见，总体方案设计完成后，等候各分系统设计。当各分系统提供了必要的数据后，总体部开始总体综合设计，总体综合设计又分成初样设计和正样设计两个阶段。前者是为卫星初样产品而实施的工作，当该类卫星经验不足时，先生产一个试验性卫星，预先进行各项试验，摸索经验，提供正样卫星设计、生产，确保正样卫星发射上天能正确地工作。

对于小微卫星来说，因为已经有成熟的经验，不需要经历初样设计阶段，可以直接进入正样设计、生产。

为了快、好、省地制造小微卫星，进行卫星设计流程再造，不再有或少有分系统设计这一环节，而是直接选用既有“货架”产品或市场直接采购的产品。这样，各系统之间或各设备之间的适配性较差，不是定制的，标准之间也有差异。因此，综合设计就要更加谨慎。为了成功，小微卫星制造商在进行综合设计前，必须做好如下两件事情：

第一件事，是建立并不断完善小微卫星的产品库，以及对应产品的数据库。

如果按即插即用的方式制造小微卫星，形成标准化的星上设备产品就是必要的，建立“货架”产品也是必然的。“即插即用”方式生产，是批量生产，是现代工业化生产，是按标准生产。它与“定制”方式生产不同。过去常规卫星都是定制式的，根据任务书按流程进行卫星及其部件的全部设计、制造、试验、测试、发射、应用，过程漫长，耗费过大。小微卫星即插即用制造，企图省去部件制造这一费时又费成本的环节，而采用库房的“货架”产品或直接采购的市场产品。既然是工业化生产，是整星制造，它的输入就来自“货架”产品，建立完善的卫星用部件、材料库就很重要了，特别是卫星标配的设备产品库。

当然，“定制”是用户的需要，必须遵照执行，所以，开发星务小卫星时将“即插即用”与“定制需求”统一在一起。用“可软件定义”来实现用户的“定制”要求。而为了快、好、省地制造小微卫星，就用“即插即用”方式来实现。这就是说，星务小卫星是为了解决“快、好、省”制造和“定制式”制造的冲突需求而开发的一种小微卫星。

建立小微卫星制造产品库的任务如下：

（1）充实自己的“货架”产品，包括星壳、电源设备、姿轨控设备、通信设备、温控器材、带MEU的接插件等。这些是综合设计的基础。综合设计就是要利用它们来构建整个卫星。这样，仓库内的产品越丰富、越优秀，综合组成的卫星性能就越好、出厂速度就越快。利用“货架”产品组装卫星在我国也是有成功的案例的。“实践四号”卫星就是利用过去卫星剩下的备份产品，从仓库里搜集出来，经过综合设计建造的。该卫星投产快，应用迅速，在轨运行正常。

（2）详细掌握国内外市场上卫星用仪器、设备的动向，搜集资料，用以补充“货架”产品，或选择使用。选用时，要分析接入小微卫星的途径、方法和代价。购入后要经过筛选、测试和地面试用，并且完善入库仪器、设备的测试，筛选试验专用设备，以确保其性能和质量。同时，要完善相应的资料数据库。

（3）建立自己的星上产品标准条例，开发自己的专用星上“货架”产品，逐步完善和补足卫星用标配产品种类。

（4）设计、制作能灵活搭配不同设备协同工作的过渡连接器件。在星务系统中开发的管理执行单元MEU，就是从这个目的出发的。MEU旨在灵活地连接星上各设备的信息。本书介绍的电源管理执行单元MEUp，也是从这个目的出发的。MEUp的目的是灵活地连接星上各设备的供电及其管理。这两个单元实现小微卫星的“两条线”——信息管理总线和供电母线，提供了“即插即用”和“可软件定义”制造的可实现的物理基础。

星务系统、星务小卫星强调建立MEU和MEUp是由于多、快、好、省地制造小微卫星的需要。当今市场对小微卫星产品的需求呈现多样性、快速性的趋势，这就使卫星集成商的新产品开发面临着多样性需求与快速开发之间的矛盾。仓库预备和市场采购优质部件是好办法。对小微卫星的鲁棒性及可靠性的要求日益增加，当获得了性能好的星上部件后，将其综合成卫星整体，协同无冲突地运行关键就要依赖这个过渡连接器件。它的组合性强，过渡性好，易于使用，能保证快速、灵活、健壮、可靠、经济地让卫星整体运转起来。

第二件事，是建立在线仿真系统。

产品库内的产品就是把卫星整体分解为部分的实体。卫星综合设计和制造就是把这些部分重新结合为卫星整体的过程。这些产品是依据过去卫星的实践经验，把卫星整体分为各个部分，并分别加以考察，也经过一些卫星飞行的验证。但是它的性能分析是与环境条件相关的，转移到小微卫星上来也是需要再核查的。这就是说，在卫星综合设计过程中，根据产品库的数据文件，对综合的结果要进行仿真验证，以确保综合设计的正确性。仿真内容有：

（1）力学环境仿真；

（2）热真空环境仿真；

（3）在轨运行工作仿真。

2.5.4 小微卫星总体设计过程的流程再造

从上可见，卫星总体设计是一个很复杂的过程，要经过许多环节，涉及许多设计团队和协作厂商，并且需要反复多次才能确定下来。小微卫星基于过去的卫星设计经验，对总体设计进行了“流程再造”，借助积累的知识和成功的案例，在标准化产品库和数字仿真的基础上，回避了一些烦琐的环节，加快了设计过程，节省了设计经费，保证了设计的成功。

小微卫星总体设计过程分两个阶段。

2.5.4.1 总体设计的第一阶段：分析过程

第一阶段称为总体设计的分析过程，如图2-5-5所示。它的输入条件是用户的任务书。它的输出结果是卫星平台的技术要求。这个设计过程是，把希望实现的任务具体化、系统化，使其变成“可物理实现”的任务，确定物理实现的技术途径，制定实现的技术指标和功能要求。同时，这个设计过程还要厘清与上级大系统的关系，与运载器、发射场、地面测控站和地面应用系统的协调数据。另外，还要给出空间环境、运送环境的条件。最后，把这些汇总成卫星平台技术要求数据包。

总体设计部接到任务书后，首先对任务要求进行分析。在分析过程中，常常需要与任务书提交方多次协调，明确任务书的词汇含义，把握任务的目的，因为这些是卫星设计制造的终极目标、验收依据。接着进行轨道参数的选择。因为卫星在外层空间按照天体力学规律运行，实现空间任务，所以任务要求分析完成后，第一项工作就是选择轨道。轨道的类型是由任务要求决定的。小微卫星常用轨道类型及其应用范围如表2-5-1所示。轨道的选择直接影响卫星的总体方案和构形设计。例如，对地遥感卫星选用太阳同步轨道时，卫星的总体方案可得到全球覆盖，星体采用三轴稳定；卫星的构形设计一般采用立方体外加双太阳翼，并使卫星的有效载荷对地定向，太阳电池翼对日定向。反过来，航天器的方案又会对轨道设计提出一定的要求。例如，为了提高地面分辨率，要求轨道高度尽量小，遥感观察回归（重访）周期要求需要由轨道设计来实现。两者之间虽然需要进行权衡，但轨道选择是卫星顶层设计内容，是卫星总体（本体）方案设计的开始和后续工作的依据之一。

第二项工作就是分析有效载荷的性能。有效载荷的类型由航天任务确定。有效载荷类型繁多，如表2-5-2所示，大致可分为用于信息获取的遥感类、信息传输的通信类、信息基准的导航类和科学探测与技术试验类等几类有效载荷。遥感类有效载荷是指对地观测的各种遥感器，这些遥感器可以获得地面或大气的各种军用或民用信息。通信类有效载荷是指用于中继通信的转发器和天线，这类有效载荷可用于军用或民用卫星通信，也可用于遥感类航天器的信息对地传输。导航类有效载荷是指提供空间基准和时间基准信息的各种仪器和设备，这类有效载荷可用于卫星导航。科学探测与技术试验类有效载荷是指用于空间环境探测、天文观测和空间科学试验等的各种仪器和设备。

航天器有效载荷是航天器在轨完成航天使命的最重要的一个分系统。说它最重要，是因为有效载荷的功能和性能的品质将直接影响航天任务实现的品质。如同轨道选择一样，它是卫星顶层设计，是卫星总体（本体）方案设计的开始和后续工作的依据之一。

就总体设计而言，正确选择有效载荷、分析和协调有效载荷的功能和性能参数是至关重要的。合理地选择有效载荷，一方面可确定航天器完成航天任务的品质；另一方面影响航天器的总体方案和规模（包括重量、尺寸、功耗和寿命等），进而影响卫星工程系统（运载火箭、发射场、测控站和地面应用系统）的选择。因此，正确选择有效载荷、分析和协调有效载荷的各种功能和性能参数是航天器系统设计师的首要任务。由此可见，有效载荷的选择和性能分析是总体设计的顶层设计，其优劣将影响整个航天器的性能和用户最终应用质量。

传统卫星设计制造将有效载荷研制纳入卫星研制的流程之中，卫星型号与有效载荷捆绑得过紧。这样既影响有效载荷的开发，又影响卫星的研制。星务小卫星企图仿照汽车与乘客、房子与住户的模式，相互分离。预先制造好若干标准型号小微卫星备用，配置有效载荷后，即插即用。这种设想的依据是，小微卫星的有效载荷可以标准化。它们不外乎是相机、天线、块装设备。它们要求卫星为它们提供安装空间、对准地面、供电、环境保护、信息支援、运行管理、数据处理等。

第三项工作是分析空间环境的约束条件。这是厘清卫星设计制造的外围条件之一。空间环境条件由第一项工作（轨道选择）完全决定。关于空间环境对航天任务的利弊可详见第3章内容。它由卫星的环境规范文件确定，构成卫星设计的上层文件之一。选择、录用有效载荷和其他星上设备都需要按这些约束条件筛选，或特定加固、防护。

第四项工作是确定与上级大系统的协调关系以及其他约束条件，包括在轨应用的条件。这也是厘清卫星设计制造的外围条件之一，在卫星制造前一定要完成，并且要以文件形式确定下来，一般不能更改。除技术要求外，其他约束条件还有：研制经费、研制周期、国内国际条约规定等。

第五项工作是将上述分析工作的结果汇总形成卫星平台技术要求数据包。其实，总体设计的分析过程包括三个层次。其一是吃透用户的目的，厘清用户的要求，避免对任务书词汇的歧义理解。其二是进行顶层设计，确定达到用户目的的技术途径，选择轨道类型和有效载荷类型。其三是进行外围设计，确定与大系统之间的协调关系，规定空间环境的约束条件。最后将上述三个层次的设计内容汇总，形成卫星平台具体设计和制造的数据包。它是任务书的详细化、具体化、可物理实现化。它相当于传统卫星的总体方案过程。这样做可以扫清设计制造过程中前、后、上、下、内、外的关系，加快进度，确保成功。

2.5.4.2 总体设计的第二阶段：综合过程

第二阶段称为总体设计的综合过程，如图2-5-6所示。它的输入条件是总体设计第一阶段的结果：卫星平台技术要求数据包。根据这些要求数据，在卫星产品库和市场上筛选合适的产品及其相关数据，经过综合设计、仿真验证，形成可物理实现的卫星产品文档。它的输出结果是卫星的全部图纸和技术资料，基于它们可以进行卫星的总装、测试。

卫星总体设计的综合过程可以实现自动化设计。卫星平台技术要求数据包在数据总线上展开，由构形设计、分系统划分、在轨运行工况设计、轨道详细设计组成。分系统划分完后，要进行分系统设计和工作运行验证。

星务小卫星的分系统设计与常规卫星是不同的。它不是完整的分系统设计，而是部件选择、软件再定义和分系统综合构建，它的工作运行验证具有联合运行内容。它是基于成功的案例，以即插即用方式设计制造星上各分系统。这种构建分系统的方法基于原始产品“货架”和产品数据库。当然，有些缺少的分系统仍然需要按原有的方法进行设计，积累、丰富“货架”和数据库。同时，通过星务系统设计和验证各部件和各功能的“可软件定义”能力。

完成分系统设计、在轨运行工况设计和轨道详细设计后，进行总体方案数字仿真，考核在轨行为，验证用户要求是否实现。最后输出卫星全部图纸和技术资料，转入卫星总装生产、测试、出厂环节。

显然，实现星务小卫星的综合设计，需要原始产品库和资料数据库的支撑。有了这个数据库就能完成星务小卫星的综合设计的自动化。有了这个产品库就能实现星务小卫星的“即插即用”快速、批量生产。

由上可知，经过小微卫星流程再造后，一组有经验的总体部队伍能快速地进行卫星总体设计，推进快速组装、测试、出厂。