2.3 小微卫星工程及其进展
2.3.1 小微卫星工程
人造卫星是在地球大气层以外的宇宙空间执行探索、开发或利用太空的人造飞行器。它的出现使人类的活动范围由地球大气层扩大到广阔无垠的宇宙空间，引起了人类认识自然和改造自然能力的飞跃，对社会经济、军事、科学技术的发展产生了重大影响。人造卫星必须与运载火箭、航天测控通信网、航天器发射场设施以及地面应用系统等相互配合、协调工作，共同组成航天工程系统，完成航天任务。卫星工程是卫星本体设计、制造、试验、发射、运行、管理和应用的综合性工程技术。它不仅要在地面完成卫星的设计、制造、试验和支持卫星的发射，还要提供卫星在轨运行和维护的支持。
人造卫星工程技术可分为有效载荷技术和卫星平台技术。有效载荷技术包括卫星对地通信、导航、成像遥感（可见光、红外、合成孔径雷达等）、电子遥感（侦收地面雷达或通信信号）、卫星测绘、卫星探测等技术。卫星探测技术包括地球物理、空间环境、天文和行星等的探测技术。平台技术包括卫星结构与机构、卫星热控制、卫星姿态与轨道控制和推进、卫星测控（遥测、遥控和轨道测量）、星上电源、卫星运行任务调度和数据管理等技术。基于这些技术的分类，为了降低整星研制的复杂程度，传统卫星被划分成相应的各类分系统进行独自的开发、研制，然后组合在一起形成卫星产品。这就表明人造卫星的基本组成包括星上的结构分系统、热控制分系统、姿态控制分系统、推进分系统、测控分系统、遥测分系统、遥控分系统、程控分系统、电源分系统、供配电分系统、载荷分系统、数传分系统等。
小微卫星工程包含于卫星工程之中，属于其中一类特定的工程，具有自身的一系列特点。正是由于这些特殊性，小微卫星的设计制造和应用运用方法与常规卫星有一些差异。本节简单讲述小微卫星的一些发展。
2.3.2 小微卫星的发展
卫星的有效载荷是完成特定航天任务的仪器设备，是卫星的核心。卫星公用平台的功能可简要地概括为：支撑有效载荷，使有效载荷处于预定的轨道，保持有效载荷要求的指向，维持有效载荷的工作温度，向有效载荷提供电源，向有效载荷提供信息服务（包括遥测和遥控指令，数据处理、传输和存储）。
2.3.2.1 卫星平台的发展
卫星是一个复杂的系统，包含许多要素，即有许多分系统。虽然这是事物发展过程中的必然，但这也带来卫星制造和使用的复杂度，影响到卫星的广泛应用。为了简化卫星研制、降低成本和推广卫星使用，现代小卫星采用集成化技术，将许多分系统虚拟化，从而带来小卫星的制造批量化、应用去复杂化。
应该强调一点，“分系统虚拟化”不是指分系统不存在了，这是一种误解。其实分系统实实在在地存在着，不仅存在，而且还要加强其功能和效应。譬如，在小卫星中，遥测分系统作为“箱体”形式的硬件是不存在了，但是，遥测分系统的“信息实体”依旧存在。信息也是一种客观存在，它充满于全星整体结构之内，充满于全星整个运行周期之中。遥测分系统的前端传感器依旧存在，只是合并于集成化的统一硬件设备（MEU）之中。遥测分系统的后端遥测发射机也是存在的，只是合并于通信机之内。遥控、程控和其他虚拟分系统，在小微卫星中同样存在，也应该重视。它们是卫星正常运行的信息驱动力和保障条件。“分系统虚拟化”是小卫星设计制造的一大特点，它不仅带来了小卫星制造中的集成技术、批量生产、即插即用，也引发了小卫星应用中的多路径冗错、相互支援应急、可软件定义。
现将小卫星平台的组成分系统和可能的发展简单地分述如下。
1．结构与机构分系统
结构分系统用于支承和固定卫星上的各种仪器设备，使它们构成一个整体，以承受地面运输、运载发射和在轨运行时的各种力学环境（振动、过载、冲击、噪声）和运输环境。结构形式主要有整体结构、密封舱结构、公用舱结构、有效载荷舱结构和展开结构。卫星的结构大多采用铝、镁、钛等轻合金和碳纤维复合材料等建造。对卫星结构的基本要求是重量轻、可靠性高、成本低等，通常用结构质量比，即结构重量占卫星总重的比例来衡量卫星结构设计和制造水平。机构的可靠性要求极高，关系到卫星的成败。机构装置包括太阳电池阵的展开、天线的展开、各舱段的分离、外来物体的对接等。
应该看到，传统卫星的结构分系统对卫星完成固定支撑作用，但不灵活。这里说的“不灵活”是指，它将星内产品封装于一体，在轨时不易或不能拆分，不能移出原有的部件，也不能添加新的部件。这样，增补部件和传送物体、形成星上有形体之间的动作流动，是不易甚至不能实现的。如果结构系统配合星上其他控管系统能实现“有形体之间的动作流动”，不仅可以扩大卫星的功能，而且可以实施、更换损坏的部件，延长卫星的寿命。
对于小卫星结构分系统的另一设想是，制造标准的“星壳”。它是卫星的外壳，在其中可以内嵌许多星上部件、设备。用预制的星壳制造小卫星，实现结构分系统的即插即用、批量化生产。
2．热控制分系统
热控制分系统用来保障星上各种仪器设备在复杂的环境中处于允许的温度范围内。热控制分为被动热控制和主动热控制两类。热控制的措施主要有表面处理（抛光、镀金或喷刷热控涂层），包敷多层隔热材料，使用旋转盘、相变材料、百叶窗、热管和电加热器等。
如果将热控制分系统的设计思路提升至整星层级，可以形成另一种新的设计方法，如全星隔热和废热利用并举。全星热环境设计包括两项任务：其一是拉平全星温度，其二是利用星内与空间的温差发电维持星内温度要求。这就是说，热控制的目的是星内温度管理，又是废热发电利用。这样，星体外层用隔热的近似封闭体组成、内部用导热材料和热管拉平温度，在星体阴面加装温差发电设备，控制发电保障星内热环境。
为了实现这样新的热控制设计方法，人们希望小卫星结构采用标准的“星壳”制造方法。另外，借用星壳储热也是一种值得探索的办法。
3．电源分系统和供配电分系统
电源分系统用来为卫星的所有仪器设备提供所需的电能，现代卫星大多采用太阳能电池和蓄电池联合供电系统。
星体内的余热可以发电，另外，太阳能帆板背面的条件也可以用来提升发电的效率。利用帆板背面在日照区的温升余热可以发电，同时降低太阳能电池帆板的温度，也可以提升太阳能电池的发电效率。这样可以取得一举两得的效果，同时也可形成多元化电源系统，既用太阳光能发电，也用太阳热能发电，还用星体废热发电。当然，废热发电是有限的，但在应急条件下，这对小卫星渡过难关十分重要，对延长卫星寿命、确保卫星安全也是一个很有好处的措施。
供配电分系统用来管理星上各设备的用电，分配和平衡全星用电，并保障全星用电的安全。供配电分系统是全星能量流的管理设备，提升其智能水平是很重要的。仿照小卫星的星务系统构建思路：在供配电分系统中，类似管理执行单元，建立一个能源管理执行单元（Power Management Execution），它既可以对全星能源分配进行优化，又可以集成星上的电源开关，有益于小星体建造和运行环境。过去卫星的用电管理依赖遥测遥控，没有独立的自主系统，不利于用电安全。为了提升在轨运行的安全性，建议将信息管理执行单元扩展，建立能源管理执行单元。它一方面加强了星上供配电的安全性，又分散了星上信息网的拥挤，还可形成星上信息网和供电网的相互支援。
4．姿态控制分系统
姿态控制分系统用来保持或改变卫星的运行姿态。常用的姿态控制方式有重力梯度稳定、自旋稳定和三轴稳定。姿态控制分系统由姿态传感器、执行机构和控制器三部分组成。由于它们划分明确，实施模块化、软件化、集成化和综合化是比较容易的。可以建立一个通用的姿态控制系统平台，它是由计算机加相应的传感器和执行机构等外设组成的计算机系统。这就是说，姿态控制分系统可以直接仿照个人计算机（PC），形成即插即用和可软件定义的设备，即虚拟姿态控制分系统。
要建立一个虚拟姿态控制分系统，最好能归纳出一个较为灵活、适应面广的控制方法，特别是仿人的逻辑控制算法。
5．轨道控制系统
轨道控制系统用来保持或改变卫星的运行轨道。轨道控制往往与姿态控制配合，它们常常构成卫星的姿轨控制分系统。轨道控制的关键是轨道测量，目前小卫星多用外源性方法，即用GPS、北斗、GLONASS等全球卫星定位系统的测时和测距功能进行导航，但也应备有外推计算程序，以便在暂时丢掉导航星时作为应急使用。
6．遥测分系统
遥测分系统由传感器、调制器和发射机组成，用于测量星上设备的工作和环境状态，并向地面发送卫星的各种仪器设备的工程参数（工作电压、电流、温度等）和其他参数（环境参数和姿态参数等）。目前，在小卫星中，遥测分系统已经变成虚拟分系统了，作为“箱体型”的单独实体设备不在，但是它的传感器和发射机部分均归并到集成后统一的设备之中。
7．遥控分系统
遥控分系统一般由接收机、译码器和执行开关组成，用来接收地面测控站发来的遥控指令，并将其传送给有关系统执行。遥控执行部分可以嵌入被控设备，也可以集中在一起。它们用于接通或断开设备的供电、设备工作状态的切换等。如同遥测分系统一样，在小卫星中，遥控分系统也已变成虚拟分系统，并且功能有所扩大。它不仅进行单纯的指令控制，而增补了带数据的指令控制、数据传送、数据注入。
8．应答机（通信）分系统
卫星的遥测、遥控分系统是无线电的遥测、遥控分系统。它们自带无线电发射机、接收机。为了方便星上设备的制造，专业分工，将无线电发射机和接收机集成在一台设备中，构建应答机（通信）分系统，并且将无线电跟踪信标机也集成进来。信标机和应答机不断发出信号，以便地球测控站跟踪卫星并测量其轨道位置和速度。这样，无线电的遥测、遥控分系统的无线电发射机、接收机和跟踪分系统的信标机三者集成组成了应答机（通信）分系统。
9．程控分系统
对于小卫星来说，为了方便在轨运行管理，需要建立程序控制。小卫星星务系统的程序控制可分成两类。其一为时间程序控制，即以时间为序进行控制；其二为事件程序控制，即以安排的事件顺序进行控制。如同遥测、遥控分系统一样，在小卫星中，程控分系统也是虚拟分系统。
遥测、遥控和程控是建立星、地两个专家系统的桥梁。在轨卫星专家系统和地面专家组的结合需要它们。提升它们的能力是小卫星设计制造的重要任务。它们的灵活性和通用性能够发挥出有效载荷的效益，使得地面应用者获得更多有用的信息，使小卫星任务能够应对多种复杂的、变化的飞行环境。
各类空间飞行器根据其飞行任务的不同，尚需不同功能的专用系统，如返回型卫星有回收系统，载人飞行器有乘员系统和环境控制与生命保障系统以及交会与对接系统等。另外，根据飞行任务，有些分系统有时又集成为统一的新分系统。例如：在小卫星中遥测、遥控、程控、数据管理、时统分系统等，集成为星务分系统。应该说，分系统的划分只是卫星总体设计中的一种工具，用于明细卫星设计的复杂性，突显解决问题的方法。本书阐述小微卫星平台，从生产角度出发，将其划分为：星体分系统和星务分系统，旨在从硬件和软件双方划分。因为小微卫星硬件平台比较清晰，按总体任务设计要求采购、配置，或选用预制板组装。软件根据采购部件提供的驱动程序和按总体任务设计要求研制的应用程序，进行组装生成。所以，依据小微卫星制造过程来划分分系统是有益于生产的。小微卫星按星体、星务分系统标准制造，然后配装需要的有效载荷设备，经过软件再定义和测试，快速形成出厂的卫星产品。
2.3.2.2 有效载荷的发展
有效载荷是直接执行卫星特定任务的分系统，种类很多，执行不同飞行任务的卫星装有不同的专用有效载荷。例如：科学探测卫星的天文望远镜、粒子探测器、质子探测仪、电子探测仪、磁强计、γ射线仪；对地观测卫星的各种遥感器（有可见光相机、红外相机、合成孔径雷达、微波辐射计等）；气象卫星的多通道高分辨率扫描辐射计、高分辨率红外分光计；通信和广播卫星的通信转发器和天线；导航卫星的高稳定度的原子钟、无线电信标机；导弹预警卫星的红外探测器、电视摄像机及电子处理设备；电子侦察卫星的侦收对方地面雷达与通信信息的大型天线和侦收处理电子设备；照相侦察卫星的高分辨率详查相机；用于空间作战的反卫星武器（如激光武器、微波武器、粒子束武器、动能武器）等。单一用途的卫星装有一种类型的有效载荷，多用途卫星装有几种类型的有效载荷。
装有几种类型的有效载荷的卫星，其除表明卫星平台能力强之外，对于小卫星而言还有另一层意思。它表明：有些航天任务生命周期短，只需几天或几周就结束了，那么卫星余下的寿命如何利用？这就是“卫星在轨改装、重构”的问题。另外，如果发生突然事件，能否利用在轨卫星改装、重构、应急支援？1999年，我国发射的“实践五号”小卫星就装配了两套有效载荷。首先，在卫星正常运行前10天启动“空间流体科学试验”。卫星作为“空间无人试验室”，应用遥控科学的手段，配合地面应用专家组完成低重力下的流体科学试验任务，仅用几天的时间。随后，经过卫星在轨的工作任务变更和软件再定义，启动由8台设备构建的“空间环境监测系统”，它就变成了一颗科学探测卫星。“实践五号”小卫星证明了，一颗卫星是可以作为两颗卫星来使用的，可以在轨重定义、变更、改造、升级。
在传统卫星研制过程中，一般将有效载荷与卫星平台一起研制。这限制了平台的通用性、标准化，难以降低成本和确保可靠性，同时也不易实现有效载荷即插即用。如果仿效“交通工具”，设计生产若干标准卫星平台，一旦有效载荷生产完成，选择合适的卫星平台，则可即时立项，即时装配，即时发射，即时入轨，即时应用。将平台和有效载荷的连接方式，从“紧耦合状态”变成“松耦合状态”，这对卫星应用方、制造方和国家都是有利的，可以大大提高卫星应用的广度、提高卫星应用的速度。