欧洲SmallGEO平台发展分析

王熹微 李博 （ 中国空间技术研究院， 北京空间科技信息研究所）

近年来，随着卫星技术快速演进、单星能力快速增长、市场需求趋多样化，国外静止轨道通信卫星领域正在经历深度调整，牵引卫星制造商在平台型谱上做出新的布局和调整，新兴制造商的不断涌入，进一步加剧了竞争。“小型地球静止轨道”（SmallGEO）平台是欧洲航天局（ESA）通过设立专项计划，历时十余年组织产业界自主研发的新型卫星公用平台，主要面向小型GEO轨道通信卫星市场，以补全欧洲卫星制造领域的型谱空白，提升技术水平及产业竞争力。欧洲已于2017年1月成功发射基于该平台研制的首颗卫星―西班牙卫星―36W―1（Hispasat―36W―1）。

1 发展背景

SmallGEO平台的主承包商是欧洲第三大卫星制造商—德国不莱梅轨道高技术系统股份公司（OHB），但该公司在Hispasat-36W-1任务之前从未研制过GEO轨道卫星，未曾涉足商业通信卫星制造市场。2004年，德国公布新一代军事通信卫星的项目招标计划，该公司与泰雷兹公司（Thales）联合参与竞标，提出基于一种“小型地球静止轨道卫星”（LittleGEOs）平台理念的卫星方案。虽然该合同最终授予了阿斯特留姆公司（Astrium），但OHB开展的小型GEO平台自主研发工作（称之为LUX计划）却未因此停止，并积极争取其最大的用户与资金来源——德国政府机构的支持。

彼时的德国航天工业整体竞争力薄弱，GEO轨道通信卫星六大制造商中仅有的两家欧洲公司总部均位于法国，德国本土卫星制造商主要承担小型卫星、分系统的研制工作。如果不主导发展GEO轨道卫星，德国航天工业将“面临失去一项必备能力的风险”。在此背景下，2005年，LUX计划得到德国航天局的正式认可，并获其资金支持，推动进行平台概念的初步设计。而后，为了筹措更多资金、帮助OHB公司打开欧洲市场，德国航天局将目光转向欧洲航天局，开始寻求欧洲国家的广泛财力与任务支持。

2005年12月，在德国柏林举办的欧洲航天局部长级会议上正式确定，在欧洲卫星通信重大专项工程——“通信系统预先研究”（ARTES）中，新增名为“小型地球静止轨道卫星倡议”（ARTES-11）子项目，基于LUX计划的前期研究成果，研制SmallGEO新型卫星公用平台。项目以德国OHB公司为主导，包括瑞典、瑞士、卢森堡、奥地利、芬兰、丹麦和西班牙多家卫星制造商与运营商加入。

2 实施思路

公私合营拓展融资渠道，有效降低平台研制风险

在资金筹措方面，SmallGEO项目主要依靠欧洲各国政府机构的合力支持。项目的前身LUX计划最初由OHB公司自主投入研发，但很快得到德国航天局3200万欧元的资金支持，于2005年底顺利完成A阶段的初步概念评审。2006年起，项目正式转入欧洲航天局的ARTES计划，获得更大规模的资助。

ARTES计划为SmallGEO项目打开了更宽的资金渠道。该计划采用“公私合营”的经费筹措方式，公用经费来自19个参与国政府，从欧洲航天局年度预算中统一分配和支出，具体根据项目的技术成熟度、市场潜力与进度等不同，提供差异化的资助比例：对处于技术研发初期阶段，商业或技术风险较高的创新性项目，资助比例可达100%；对主要涉及新技术或新工艺，且最终产品具有明确市场潜力的项目，资助比例最高75%。SmallGEO平台各个阶段的发展均获得了欧洲航天局不同程度的资金支持，大大降低了OHB公司投入巨资开展自主研制的风险，为项目顺利实施提供了财力保障。

广泛继承已有产品成果，积极开发试验新型技术

SmallGEO平台的研制工作由OHB系统公司主导，多家欧洲知名航天企业参与其中。在技术发展策略方面，项目一方面利用多方的技术实力加快研制速度，同时根据任务目标，积极试验新型技术。

具体来看，SmallGEO平台在多个重要单机部件上采用了欧洲航天工业界已有的技术成果，如电推进系统压力调节装置和推力器指向机构方面的研制很大程度上受益于与欧洲航天局首个月球探测器任务用于先进技术研究的小型任务-1（SMART-1），太阳翼基于已经得到验证的欧洲之星-3000平台以及阿尔法平台（Alphabus）上的同类产品研制。同时，为了实现“小型化、低成本、高性能”的目标，SmallGEO项目也积极推动各参与方的新技术研发，如在平台数据管理分系统方面，加速了欧洲航天局“狮”（LEON）系列片上系统（SoC）微处理器软核架构的开发与验证，在推进分系统方面，促进了法国斯奈克玛公司（Snecma）以及泰雷兹公司等在霍尔效应电推力器（HET）以及高效率多级等离子体电推进系统（HEMPT）等领域的技术与产品发展。这种策略，既保证了平台的可靠性与研制效率，又提升了平台的技术先进度，为加快其参与市场竞争和拓展“适用期”打下了良好的基础。

SmallGEO平台的资助计划

3 平台设计

设计理念与定位

（1）模块化设计理念，实施并行AIT流程，提升研制效率

SmallGEO平台采用了模块化设计理念，按此理念设计出的卫星将由平台模块与载荷模块两部分组成，其中平台模块细分为核心平台模块和推进模块，载荷模块则细分为转发器模块与天线模块。

典型SmallGEO卫星模块化分解结构

具体来看：①核心平台模块主要负责航天器供配电、在轨数据处理、遥测/控服务、姿态与轨道控制等关键服务功能，该模块的太阳翼支持1块、3块和5块板的灵活配置，蓄电池也具备空间尺寸可调节能力，从而保证了平台良好的可扩展性。②推进模块通过化学推进分系统支持GTO至GEO的轨道转移操作，并通过电推进分系统支持在轨位置捕获与保持。③转发器模块包括南/北板的载荷散热器以及对地面内板结构，最大可支持40路转发器以及2.3～2.5W的载荷散热能力。④天线模块由单独安装在对地面上的固定装置以及东、西两侧的支撑臂组成，支持最大的天线口径为2.3m。

采用这种模块化设计优点明显：①天线/对地面与转发器模块分置、单独集成，确保载荷快速装配；②采用标准化接口，确保载荷与平台并行总装、集成、测试，提升研制效率，缩短卫星的交付周期。

（2）灵活平台配置，支持多类型卫星任务，拓展应用范围

SmallGEO平台的主要目标领域为GEO通信卫星，但模块化设计也保证了其无需对平台进行大的调整，即可根据用户需求灵活改装为对地观测、气象卫星等不同任务的卫星。具体来看，SmallGEO在设计上考虑了三种平台变型版本。

1）SmallGEO FAST型配置版本。作为主力平台产品，面向通信卫星领域，发射质量最高达3500kg，采用混合式的推进系统，载荷质量最高450kg，每个太阳翼由3块帆板拼接而成，载荷供电功率5kW，可搭载多达32路转发器，支持从L到Ka的工作频段，设计寿命15年。

2）SmallGEO FLEX型配置版本。作为高承载比平台版本，采用全电推进方式，发射质量最高达3500kg，载荷质量最高900kg，每个太阳翼由5块帆板拼接而成，载荷供电功率10kW，可搭载多达60路转发器，支持从L到Ka的工作频段，设计寿命15年。如今该版本的首发星任务已单独列为ARTES 33项目，仍处于工程研制阶段。

3）SmallGEO EO型配置版本。作为对地观测任务版本，发射质量最高达3800kg，采用双组元化学推进系统，载荷质量最高650kg，由于对地观测任务的功率需求并不高，所以单个太阳翼仅含一块帆板，供电功率1.35kW，支持Ka和S频段数据传输，设计寿命超过10年。

分系统设计情况

（1）结构分系统

SmallGEO平台采用中央承力筒结构，如前所述分为4个舱段，太阳翼收拢状态下的标准外形尺寸为2.3m×1.9m×2.5m。双组元推进剂储罐置于筒内，氙气与氦气贮罐沿承力筒对称布置，并尽可能地贴紧筒外壁，以最小化质心偏移。液体远地点发动机（LAE）安装于运载火箭适配器上，8副10N的反作用控制推力器（RCT）安装于背地板上。8副电推进系统推力器成对安装在东西与南北隔板的4个交叉托架上，推力方向沿对地矢量对称分布。

转发器舱呈Π字形结构，由对地板、南/北板以及对应仪器设备构成，低噪放大器、功率放大器以及输入、输出多工器等均布置南北板上。对地板上还安装有天线模块的支撑结构。

（2）热控分系统

热控分系统主要由散热器、多层组件（MLI）和热管组成，主要采用无源工作方式，仅在任务执行过程中载荷停止运行的情况下，对敏感组件（如蓄电池以及气态氙储罐等）进行有源加热。

（3）推进分系统

推进分系统作为SmallGEO平台单独的一个模块，主要由化学和电推进两部分组成。

化学推进分系统由EADS-S4000-12型液体远地点发动机以及4主/4备EADS-S-10-18型反作用控制推力器组成。其中，远地点发动机推力达420N，比冲318s；反应控制推力器推力达10N，比冲大于287s。推进剂存储于中央承力筒内轴向依次放置的两个700L容积的储罐中，最高可容纳1300kg的液体燃料，正常工作状态下可在轨道转移时提供1500m/s的速度矢量。

电推进分系统执行轨道转移之外所有的轨道控制和动量轮卸载任务（在轨位置保持，姿态调整，转移至墓地轨道等），由2套完全冗余的子系统构成，每个子系统由1个电源处理单元、1个外部电推力器选择单元和4台SPT-100霍尔推力器组成。霍尔推力器直接安装于星体，没有矢量调节机构，推力方向不可调节。

电推力器在空间分布上采用三维对称构型，与俄罗斯“快讯”（Express）、“亚马尔”（Yamal）等卫星类似。在这种构型下，每台电推力器工作都能同时产生法向和切向速度，不产生径向速度。整个寿命周期内星体质心变化不超出推力方向构成的平面所包围的区域，始终能保证电推力器点火时能产生卸载力矩。三维对称构型与矩形构型相比，所用的电推力器数量多了1倍，但不需要矢量调节机构，降低了复杂度，推力只在切向和法向存在分量，位置保持控制中的耦合影响减弱，姿态轨道控制耦合作用较小；同时由于该构型下电推力器推力方向不通过质心，点火过程中的干扰力矩较大。

（4）姿轨控分系统

SmallGEO平台采用三轴稳定姿态控制方式，主要利用反作用轮与星敏感器控制姿态，同时利用电推进系统执行在轨位置保持，正常工作状态下反作用轮角动量的管理仅依靠电推进系统完成，这也成为姿轨控系统的一个技术特点。但值得一提的是，安全模式下并不启用电推进系统，而是依靠冷气系统进行调节。

另一个技术特点是采用了基于有源像素传感器（APS）的星敏感器设备，并采用了互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器、具备随机窗口读取能力同时支持单片专用集成电路（ASIC）集成方式，与传统的电荷耦合器件（CCD）星敏设备相比，功耗更低、接口更加简化、体积更小，同时抗辐射性更强。

最后，SmallGEO平台还载有一个阿斯特留姆公司研制的GNSS接收机，将验证利用GPS信号在36000km高度实现卫星定位功能，质量达3.9kg，功率消耗10W，尺寸为272mm×284mm×92mm，预计实现的定位精度可达150m。

（5）供配电分系统

SmallGEO平台的太阳翼由阿斯特留姆公司研制，主要基于欧洲星-3000（Eurostar-3000）以及Alphabus平台上所采用的设备研制而成。大部分电子元件已经在欧洲研制的多颗通信卫星和伽利略卫星上得到广泛验证。

单块帆板的基本尺寸为2730mm×2216mm，仅就基本型配置而言，展开后宽度达到9m，6块帆板能够提供50V的母线电压，在寿命初期可为平台提供6.5kW功率，载荷供电功率最大为5kW，到寿命末期，载荷供电功率仅3.5kW。

（6）数据处理分系统

在轨数据处理分系统主要通过传输和处理指令、获取传感器信息以及其他数据等对单个分系统进行控制，采用芯片系统（SoC）设计理念，融合了LEON、MIL-STD-1553B数据标准、遥测IP内核等新技术。这使得星上数据管理系统（OBDH）得以实现软件独立的遥测与遥控能力，执行S/C任务。OBDH系统包括了一个内部全冗余式的卫星管理单元，执行数据处理任务以及平台功率分配任务。平台性能对比分析

总的来说，欧洲航天局打造SmallGEO平台的主要目标是打破美国在小型GEO轨道通信卫星制造领域的垄断地位，但2000年以后的统计结果显示，俄罗斯与印度等航天大国的对应平台表现也相当突出，占据较多的市场份额。与此同时，英国萨里卫星技术有限公司（SSTL）也在空客防务与航天公司的支持下，计划研制同级别的“地球静止轨道小卫星平台-转移轨道版本”（GMP-T）平台产品。

（1）多型号并存竞争激烈

总体来看，在核心技术指标方面，除印度的I-2000平台与欧美差距较大以外，余下平台的性能差别都在较小区间范围。SmallGEO平台在载荷承载能力方面表现一般，略高于均值水平的420kg，与采用直接发射入轨方式的Express-1000相比仍存在一定差距；在载荷供电功率方面，单翼三块帆板的FAST型配置可提供5kW的供电能力，而美国和俄罗斯的平台最高可达5.5kW；设计寿命方面，各型平台基本都可达到15年。

同质化的技术性能表现，也决定了未来商业市场竞争的激烈性。而且就目前来看，即便是SmallGEO旨在力保的欧洲市场，在GMP-T平台投入使用后，格局发展也存在疑问，该平台已经获得欧洲通信卫星公司（Eutelsat）的支持，将于2018年发射“量子”（Quantum）卫星，未来欧洲将面临同领域两款同型平台的竞争。

国外主要中小型GEO卫星平台对比

（2）研制周期为最大问题

毫无疑问，对于市场和用户而言，除技术性能之外，快速交付能力是评价制造商研制水平的重要指标。当前其他各型平台中，交付最快的为GEOStar-2平台，在24个月左右，俄罗斯、印度的交付周期相对较长，一般都在30个月以上。但单从首发星任务来看，SmallGEO目前真正的交付速度不容乐观（受各种因素影响已超过7年），虽然按照目前官方公布的计划，其研制周期将在未来力争压缩至36月，但这种交付周期在如今敏感性极高的商业市场中，毫无疑问将成为制约其竞争的最大弊端。

另一方面，截至目前为止，SmallGEO平台尚未真正获得一颗商业通信卫星领域的国际订单，仍主要依靠欧洲航天局的项目支持，后续已确定的任务中，无一例外都来自于欧洲航天局或欧洲本土运营商，其中最大的订单为6颗欧洲第三代气象卫星。因而，从短期情况分析来看，争取欧洲政府机构及卫星运营商的支持，是破解SmallGEO发展问题的必选途径。

4 启示

欧洲新平台的正式启用，将加大国际市场同类竞争难度

SmallGEO平台的正式投入使用，势必改变小型GEO通信卫星制造市场的竞争格局。该市场整体规模虽然不大，但门槛相对较低，已成为具备一定研制实力的航天国家进军GEO卫星制造领域的突破口，目前的参与者不仅包括美国、欧洲、俄罗斯、印度、日本等主要航天国家，以色列、阿根廷等新兴国家也已相继研制成功相应系统，竞争态势激烈。如前所述，SmallGEO以及后续GMP-T等新型平台在关键技术性能上将达到国际先进水平，在欧洲各级政府不断加大政策扶持、ARTES框架促成运营商与制造商联合的背景之下，未来国际竞争环境将更加严峻。

利用重大专项工程契机，快速培育航天工业的新兴能力

在SmallGEO项目的发起、融资、研制和应用过程中，欧洲通信卫星领域的重大专项ARTES计划起到了巨大的推进作用。欧洲航天局在ARTES计划中主要通过多样化的资金筹措渠道、强有力的合作洽谈机制、继承式的技术研发验证以及全方位的产业推广应用，为欧洲航天工业界打造了一个创新项目的孵化平台，鼓励各国的航天企业进行大胆的技术创新与产品尝试，逐步形成了政府企业良性互动、全产业链协同共进的产业格局，不但成功催生了SmallGEO以及Alphabus超大型平台等一批核心产品，也将OHB公司为代表的一批企业培育成为国际通信卫星市场的新兴力量，有效提升欧洲航天工业竞争力。

卫星市场需求发生剧烈变革，中型平台的预期波动性增大

最后，值得注意的是，随着近年来卫星研制与应用技术的不断演进，通信卫星制造市场也在发生剧烈变革，运营商对平台承载能力需求呈现出新的特点。笔者统计并对比了1999-2008年与2009-2018年两个十年间全球发射的通信卫星质量变化，大、小“两极化”态势明显。5t以上的大型和超大型通信卫星数量增幅达337%，占所有发射通信卫星比例也从8.1%快速增长至25.9%，1t以下的小型通信卫星数量增幅也达95.6%，占比也从30.5%增长至43.7%。

而中小型（1～3t）和中大型（3～5t）卫星占比出现显著萎缩，发射卫星数量则分别下滑了34.3%和29.8%。受此影响，主流通信卫星制造商的平台型谱布局也在发生变化，面向批量化的通信小卫星研制和面向下一代高性能、高价值GEO卫星研制已成为主要的着力点，中型平台的角色定位不断下调。这种市场预期的波动性，对SmallGEO平台的后续发展将产生不可忽视的影响。