BSS－702系列平台低成本设计分析及启示

杨军 周志成 李峰 裴胜伟

（中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094）

BSS－702系列平台低成本设计分析及启示

杨军 周志成 李峰 裴胜伟

（中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094）

美国波音卫星系统－702（BSS－702）系列平台采用分舱模块化设计、电推进辅助变轨和全电推进等技术，有效降低了通信卫星系统的研制与发射成本，是目前国际上单路转发器价格最低的通信卫星平台。文章从发射服务、地面运行维护、总体设计，以及分系统与单机等方面，分析了BSS－702系列平台实现低成本的主要途径，并给出了针对我国下一代大型地球同步轨道卫星平台低成本设计的建议。

波音卫星系统－702系列平台；低成本设计；分舱模块化；电推进

1 引言

我国下一代的大型地球同步轨道卫星平台是我国未来20年地球同步轨道卫星的主力平台，同时也将承担着我国参与国际商业通信卫星市场竞争的重任。作为市场竞争的核心因素，成本是卫星赢得市场竞争的主要因素，根据国际制造业全生命周期成本模型，方案阶段的设计决定了产品80%以上的成本［1］，因此，在我国下一代卫星平台开发之初，研究降低卫星研制成本的途径，对后续平台的开发与卫星的研制有着重要意义。

波音卫星系统－702（BSS－702）系列平台是美国波音公司地球同步轨道的主力卫星平台系列，包括BSS－702、BSS－702HP、BSS－702MP、BSS－702GEM及BSS－702SP等。其中：BSS－702SP平台是针对约500kg有效载荷推出的全电推进平台，而其余平台主要面向有效载荷质量在600～1300kg的中大型通信卫星需求，用户主要为商业及政府用户。BSS－702系列平台由休斯公司从20世纪90年代初开始开发，第1颗基于BSS－702平台的卫星在1999年发射成功，2002年随休斯公司的卫星业务整体转入波音公司。经历了约15年的不断改进，BSS－702系列平台已经成为国际通信卫星平台领域最先进的卫星平台之一，其在国际通信卫星市场上的占有量仅次于劳拉公司的LS－1300平台，而单路转发器成本则远低于LS－1300平台。BSS－702系列平台在成本控制方面堪称典范，基于该平台的通信卫星每路转发器成本远低于市场平均价格，已成为参与市场竞争的有力武器。因此，参考BSS－702系列平台低成本设计思路与研制模式，将为我国降低通信卫星研制成本提供有益的参考。

本文首先介绍了典型卫星通信系统价格的主要组成，并比较了国际主要通信卫星供应商卫星平台的成本，然后从卫星的发射服务、地面运行维护、总体设计、分系统与单机几个方面，重点分析了BSS－702系列平台低成本设计与具体实施途径，最后归纳了对我国下一代大型地球同步轨道卫星平台低成本设计的启示。

2 典型卫星通信系统成本组成分析

按照国际通信卫星的研制惯例，卫星通信系统的成本主要由地面段与端到端卫星通信系统组成［23］。对于大多数商业通信卫星合同，如果运营商不是首次采购通信卫星，一般不须要采购地面段。因此，卫星通信系统合同中成本一般包括运行维护、保险、通信卫星系统及发射服务4个部分，各部分占卫星通信系统成本比例如表1所示［2－3］。在通信卫星系统成本中，通信卫星平台成本占的比例最大，为45.0%，有效载荷成本占35.0%，系统集成成本占20.0%。通信卫星平台成本主要包含平台各分系统研制与总体设计、测试与总装等成本，具体组成及比例如表2所示［2－3］。

对国际主流卫星平台的价格进行对比可以发现：基于BSS－702平台的单路转发器成本不到300万美元［2］，如表3所示。BSS－702系列平台价格远低于其他卫星平台，约为其他主流卫星平台平均价格的50%。价格优势使得波音公司成为了国际通信卫星领域最具竞争力的制造商。

表1 卫星通信系统成本组成及比例Table 1 Cost compositions and their proportions of satellite communications system

表2 通信卫星平台成本组成及比例（含电推进分系统）Table 2 Cost compositions and their proportions of communications satellite platform（with electric propulsion subsystem）

表3 国际主流卫星平台价格比较Table 3 Price comparison of international mainstream satellite platforms

3 BSS－702系列平台低成本设计特点及实现途径分析

为了实现低成本设计，波音公司在BSS－702系列平台上采用的革新性技术包括：首次采用离子电推力器，首次采用彻底的分舱模块化设计，首次采用电推进＋化学推进混合变轨技术，首次采用电推进在轨位置保持与动量轮角动量卸载技术，首次提出并实施全电推进技术。此外，针对卫星的单机与部组件设计，波音公司也采用了具有特色的措施，如选用低成本的结构部组件等。上述新技术推动了地球同步轨道卫星平台的发展，也大幅降低了BSS－702系列平台的成本，提高了其国际竞争力。下文结合卫星系统的成本组成，从卫星的发射服务、地面运行维护、总体设计、分系统及单机等方面对BSS－702系列平台的低成本设计进行分析。

3.1 卫星发射服务

发射服务的成本占卫星通信系统成本的34.2%左右，是卫星通信系统成本组成的主要部分；此外，电推进分系统成本在整个卫星平台成本组成中排第2位，约为1000万美元，（约占卫星平台成本的15%），对卫星成本有着较大的影响，且可以用化学推进替代。因此，结合平台变轨策略优化设计，针对运载火箭能力优化平台的承载能力，可有效降低卫星系统的成本，提升平台的竞争能力。在国际商业卫星发射市场上，俄罗斯天顶－3和质子－M运载火箭的发射服务价格一直具有较大的竞争优势，结合以上两种运载火箭及有效载荷需求，波音公司在BSS－702平台的基础上推出了包括BSS－702MP平台、BSS－702HP平台及BSS－702GEM平台在内的平台系列，在有效拓展平台能力的基础上，保持了卫星系统的成本优势。以上卫星平台的设计思路如下。

（1）BSS－702平台针对800～1000kg有效载荷质量（约60～80路转发器）卫星设计，采用化学推进入轨、电推进在轨位置保持；

（2）BSS－702MP平台针对600～800kg等较小有效载荷质量（约60路转发器）卫星设计，充分发挥天顶－3、质子－M运载火箭的低成本优势与大承载能力优势，不采用电推进；

（3）BSS－702HP平台针对1000～1300kg等较大有效载荷质量（约80～110路转发器）卫星设计，在充分利用天顶－3、质子－M运载火箭低成本优势的基础上，使用如图1所示的电推进地球同步转移轨道（GTO）辅助变轨，以及电推进在轨位置保持与动量轮卸载，在不增加运载火箭成本的基础上，大幅提高平台的承载能力；

（4）BSS－702GEM平台针对带有大型可展开天线卫星设计，不配置电推进分系统，采用全化学推进入轨与在轨位置保持。

除了上述卫星平台外，波音公司还推出了全球第一个全电推进卫星平台—BSS－702SP。该平台取消双组元化学推进系统，采用全电推进实现变轨和位置保持等任务，有效降低了卫星的发射质量（不超过2000kg），氙气加注量可达400kg，可承载约500kg的有效载荷。由于发射质量变小，BSS－702SP平台可采用猎鹰－9或阿里安－5运载火箭进行“一箭双星”发射，从而大幅节省发射成本。其中：猎鹰－9可实现2颗BSS－702SP平台卫星“一箭双星”发射；阿里安－5可实现BSS－702SP平台卫星搭配另一颗大型通信卫星进行“一箭双星”发射。

BSS－702系列平台典型卫星的变轨策略与有效载荷质量关系如表4［4］所示，采用化学推进与电推进联合变轨如图1所示。

表4 BSS－702系列平台典型卫星的变轨策略与卫星有效载荷质量的关系Table 4 Relationship between orbit transfer strategy and payload mass for typical BSS－702serial platform satellites

图1 采用化学推进与电推进混合变轨示意Fig.1 Sketch of orbit transfer with chemical propulsion and electric propulsion

3.2 地面运行维护

地面运行维护也是影响卫星成本的重要因素，约占卫星系统成本的12.5%。它的一项主要任务是完成地面测控。由于BSS－702系列平台可以采用电推进辅助变轨，导致卫星的变轨时间大幅增加，如果按照常规的地面测控方式，将使地面测控的成本剧增。此外，由于BSS－702系列平台采用电推进在轨位置保持策略，电推进几乎每天均要进行位置保持点火，如果按照传统方式在位置保持前进行测轨，将会使地面测控工作量与成本大幅增加。针对上述地面运行维护难点，BSS－702系列平台采用了如下措施。

（1）电推进变轨段：由于对轨道精度要求较低，卫星采用长寿命、高精度陀螺获得相对姿态参考数据；采用星敏感器获得惯性坐标系下的姿态参考数据；采用高精度时钟、星敏感器、地球敏感器及电推力器作用下的轨道动力方程外推结果作为轨道数据。以上数据作为电推进轨道转移段的自动变轨控制数据。

（2）在轨位置保持段：卫星利用通信信道传输日常测轨数据，在地面使用轨道动力学软件监控卫星的轨道数据。以14天为周期计算位置保持点火时刻、点火时长，并上传至卫星，以此减少地面测控工作量与成本，14天周期内的位置保持操作由卫星自动执行［5－6］。

通过上述措施，有效减少了采用电推力器进行变轨或者位置保持的BSS－702系列平台卫星对地面测控系统的压力，降低了运营商的成本开支。

3.3 卫星总体设计

卫星总体设计对于卫星成本有着重大影响，直接关系到卫星的研制周期，以及与之对应的生产、总装、测试工作量。其中，生产、总装、测试的成本与周期密切相关，主要体现在人员、设备的占用上［7－8］。为缩短研制周期，减少对设备与人员的占用，降低卫星成本，BSS－702系列平台从平台总体设计、分系统设计、布局设计等几个方面进行优化，有效减少了总装与测试占用的时间。

BSS－702系列平台采用彻底的分舱模块化设计思路，即将载荷舱（通信舱）与推进服务舱进行相对彻底的分离。包括化学推力器、太阳翼在内的所有服务设备，均布置在推进服务舱，而将包括天线在内的所有有效载荷设备布置在载荷舱。卫星的总装也非常简单，仅用4组螺栓和6个电连接器就可以完成三舱对接，如图2所示。这一设计思路，有效提升了卫星的并行设计、生产与测试的能力，缩短了卫星的研制周期［5］。

图2 BSS－702平台各组成模块Fig.2 Modules of BSS－702platform

推进服务舱又进一步分为推进模块和服务舱模块，以减少各功能模块间的接口耦合，提高卫星生产、部装与总装的开放性。在总装过程中，推进模块单独总装、焊接、检漏，而服务舱模块也可以单独进行联试，有效缩短了总装与测试时间［5］。

3.4 分系统与单机

BSS－702系列平台的分系统与单机设计也贯彻了其成本优先、综合优化的理念，具体如下。

1）充分优化工艺，减少人工成本

BSS－702系列平台采用众多创新的思路来简化分系统与单机的装配、生产工艺，以有效降低成本。在化学、电推进管路布局中，创造性地采用星体外部布置推进的管路（见图2（b）），有效地简化了管路铺设、检漏及出厂前电爆管等的安装，在管路出现泄漏等问题时也极易更换。在太阳翼装配中，为了简化太阳翼的总装，在太阳翼压紧点的设计上采用不同于其他卫星的三向、单向压紧点组合设计方法，有效降低了太阳翼设计、加工、总装定位的难度（见图3）。在对接环的设计中，没有采用整体加工的整体式结构，而是采用简单零件的铆接结构（见图4），仅在对接面进行少量的高精度加工，缩短了加工的时间，减少了对大型机床的占用，降低了对大型热处理炉的需求。此外，整体设计使铆接部位仅受剪力，铆接结构的受力最优［5］。

图3 太阳翼压紧点Fig.3 Hold－down points of solar array

图4 BSS－702对接环Fig.4 Docking ring of BSS－702

2）优化分系统配置，提高平台设备的使用效益

BSS－702系列平台对系统可靠性进行优化分配，充分利用现有配置提升能力。BSS－702平台配置电推进进行卫星南北、东西位置保持，而化学推力器用于转移轨道姿态控制及位置保持备份。采用电推进进行南北位置保持，取消了传统的南北推力器；由于电推进进行东西位置保持的能力较弱，保留了东西位置保持化学推力器。考虑到在特定的定点位置平经度漂移方向固定，仅保留一个方向的10N推力器［9］。因此，BSS－702平台仅配置了10台化学推力器，其中4台22N推力器布置在卫星背地板（如图5中A1～A4所示），4台10N推力器布置在卫星东板（如图5中E1～E4所示），2台10N推力器布置在卫星西板（如图5中W1～W2所示），远少于泰雷兹－阿莱尼亚公司与阿斯特里姆公司联合开发的“阿尔法”（Alphabus）平台16台的配置［5］。BSS－702MP平台、BSS－702HP平台与BSS－702GEM平台的推力器布局继承了BSS－702平台。

BSS－702系列平台在电推进与化学推进的使用上也独具特色，设计中充分挖掘了电推进的能力，有效提升了平台的效益。在地球静止轨道（GEO）段不使用化学推进，可以有效简化推进剂贮箱的管理装置，降低贮箱的制造成本［5］；变轨段采用4台22N推力器实现大的控制裕度［5］，减少了对4个并联贮箱不平衡排放的需求，简化了热控设计与推进剂测量需求。

在供配电分系统的设计上也采用创新的思路，提高系统的用电效率，降低设计复杂度。充分考虑平台的用电特征与单机的需求，针对平台设备用电量稳定且为低电压的特点，专门配置了30V和50V的低压半调节母线，降低了设备复杂度、成本及变压损耗；充分利用蓄电池的能力，与太阳翼一起实现对电推进的联合供电，减少对太阳电池的需求［5］，降低太阳翼的成本。

图5 化学推力器布局Fig.5 Configuration of chemical thrusters

3）选择低成本原材料

在卫星的结构设计上，采用低成本材料与结构设计。减少高成本、难加工钛合金的使用量，尽量使用更加便宜的铝合金，如氙气瓶、氦气瓶的内衬材料均为铝合金，以减少材料成本；针对使用量少、强度要求高的大直径螺钉，使用高强度的合金钢材料，如桁架接头间连接、桁架与对接框之间的连接螺栓，不使用钛螺钉。针对一些次级结构，选用低成本的玻璃钢复合材料，如馈源支架、电推力器支架等［5］。

4 对我国下一代卫星平台开发的启示

通过对BSS－702系列平台低成本设计特点与具体措施的分析，提出我国下一代地球同步轨道公用卫星平台设计思路的建议如下。

（1）系统策划，作好成本分析。卫星平台的设计决定其成本，必须在卫星平台研制初期系统地调研卫星系统的成本构成与变化趋势，结合不同使用需求确定平台发展的型谱规划、技术状态与技术路线，特别是新型运载火箭、新型入轨方式对卫星成本的影响分析，以实现又好又快发展。

（2）深入发掘电推进应用潜力，提高平台能力，降低应用成本。BSS－702系列平台通过引入电推进技术，改变了传统的地球同步轨道转移及在轨位置保持的方式，进而改变了地球同步轨道卫星平台的技术发展方向，大幅降低了BSS－702系列平台成本。在我国未来卫星平台的开发中，应深入研究电推进应用对卫星能力与成本的影响，将电推进的效益发挥到最大。

（3）从设计源头进行成本控制，尽量采用低成本材料与工艺。我国当前卫星设计与研制的成本意识相对薄弱，而产品的成本绝大部分源于设计，因此在卫星平台的设计阶段就应有意识地加强低成本设计，简化生产工艺，选用低成本原材料，优化总装与测试流程，减少对人员与设备的占用。

（4）结合未来需求，设计灵活的应用模式，实现平台效益的最大化。BSS－702系列平台的系列化设计，简化了后续平台的设计与验证，从而降低了平台后续的应用成本。卫星平台的开发或者升级需要一系列的设计与验证，在新卫星平台设计之初要尽量覆盖未来可能的需求，使用技术手段增强平台应用的灵活性，以减少在卫星平台应用阶段的修改而发生的成本。

（References）

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［8］孙玉甫.人力资产定价［M］.上海：立信会计出版社，2005：46－56，143－146 Sun Yufu.Human assets pricing［M］.Shanghai：Lixin Press，2005：46－56，143－146（in Chinese）

［9］John R Beattie.XIPS keeps satellites on track［J］.The Industrial Physicist，1998，4（2）：24－26

（编辑：夏光）

Analysis on Low－cost Design of BSS－702Serial Platform and Its Instruction

YANG Jun ZHOU Zhicheng LI Feng PEI Shengwei
（Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

Series of new technologies are adopted in American BSS－702serial platform，such as modularization，both orbit transfer and station keeping using XIPS electric propulsion technology.These technologies make BSS－702serial platform the lowest cost per transponder communication satellite platform by reducing the cost of the platform efficiently.In terms of launching service，ground operation，system design，and subsystem and unit product design，this paper introduces the approaches to reduce the cost of BSS－702，and puts forward suggestion for the development of China’s next generation big earth synchronous orbit communications satellite platform with low cost.

BSS－702serial platform；low－cost design；modularization；electric propulsion

V474

：ADOI：10.3969／j.issn.1673－8748.2016.01.019

2014－12－25；

：2015－04－10

杨军，男，硕士，高级工程师，从事卫星总体设计工作。Email：yangjun1＠cast.cn。