小卫星总装技术发展历程与展望

张名毅 邱增帅 马双庆 丁勤 苏文 张志坚

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

随着小卫星技术的迅猛发展，小卫星生产模式已从单星手工研制发展到多星批量化并行生产，卫星研制数量的增加不只是简单的量变，更是能力建设和管理创新实现跨越式发展的写照。作为小卫星研制的最后一环，小卫星总装技术[1-3]在不断升级，很好地适应了小卫星研制任务逐年增加的需求，实现小卫星的产量和质量双保证。本文系统回顾小卫星总装技术发展历程，对小卫星总装技术早期状况、发展现状以及未来规划进行系统阐述，并结合小卫星任务的发展趋势，展望小卫星总装技术未来的发展规划。

1 小卫星总装技术发展历程

实践五号卫星成功发射开启了现代小卫星研制的序幕，并奠定了技术、管理和人才基础。早期小卫星总装采用单星研制模式组织生产，研制周期较长。这个阶段主要是对相应的基础设施进行了配备，具备了小卫星研制生产所需的总装硬件条件，初步建设了小卫星总装工艺设计、总装设施、专业技术检测等条件，能够满足小卫星总装任务需要。随着小卫星任务数量增加，小卫星总装逐渐进入多星并行研制模式，多名装配人员完成3～5颗小卫星的总装工作，最初的单星手工作业研制模式，从效率和过程管理、质量管理等方面均已经无法满足需求。计算机辅助工艺设计(CAPP)的应用，实现了从手工编制工艺到计算机辅助编制，提升了工艺编制效率和数据的共享效率，保证了数据的准确性。地面机械支持设备(MGSE)设计投产时考虑各种卫星间的通用性，并基本建成了多个型谱的专用设备设施，保障了多星并行研制的需求。单星研制阶段、多星并行研制尚未发展到航天器产品生产阶段，存在研制周期长、过程管理以手工记录和纸质文件为主，虽满足了当时的小卫星研制任务需求，但生产效率和过程管理方式亟待改善。

当前阶段，成组小卫星数量增长显著，逐渐进入了成组小卫星研制模式。该模式根据多星并行研制阶段的工艺设计和总装实施方法已无法满足小卫星研制对质量和效率需求的现状，重点考虑成组小卫星的研制需求，利用数字化、信息化技术，开发了设计总装生产全要素、全流程的自动化、数字化工具，实现了过程管理和质量管理的信息化、数字化，缩短了设计周期，提高了现场指导可视性，最终完成并行组批小卫星的研制。组批小卫星研制模式在多星并行研制模式的基础上，逐渐向产品生产模式发展，当前阶段，小卫星总装技术包含了研制和产品生产的特点，总装技术开始向自动化、数字化发展，大幅地提高了小卫星研制效率和过程管理能力。

近年来，国内外掀起微纳卫星热潮，涌现了大批微纳卫星及其组成的星座。面对微纳卫星星座数十颗乃至上千颗卫星的需求，现有的小卫星总装研制模式难以满足批量化生产的需求。为满足小卫星批量化生产需求，将整个小卫星生产划分为多个相对独立的生产单元，并在小卫星数字化模型的基础上，结合先进的智能制造技术，通过开展物料设备智能储存和流转，舱段及系统级自动装配集成，一体化的自动测试，高效智能化检测，适应批量化的大型试验和智能故障分析处理等先进技术研究,提升小卫星的批产能力。

小卫星总装技术发展经历了早期的单星研制模式、多星并行研制模式、成组小卫星研制模式，未来将发展为批量化生产模式。根据各阶段研制任务的特点，配备了相应的总装装配和方法，满足了各阶段小卫星总装任务的需求。

2 小卫星总装技术发展现状

随着小卫星业务的快速增长，原工艺设计和总装实施的效率较低，难以满足小卫星并行组批同步研制的需求。当前对总装过程除了效率和质量的控制要求，对小卫星总装过程也需要进行有效管理。为适应小卫星研制任务形势的变化，利用日趋成熟的信息化、自动化技术，实现了工艺设计数字化、数据管理信息化、总装设备自动化，并依托当前迅速发展的智能制造技术，逐步将小卫星总装生产模式从手工作业向自动化和智能化升级，有效保障了小卫星研制的平稳有序开展。

2.1 工艺设计数字化

传统以纸质文件为主的工艺设计方式存在设计过程主观性强、文件传递效率低、查询不便、管理难度大等问题[4]，已无法满足目前多星并行研制的需求。在数字化技术迅猛发展的情况下，小卫星工艺设计模式已实现数字化升级，主要包括：小卫星工艺性仿真验证技术、小卫星三维工艺设计系统技术、基于增强现实(AR)的小卫星线缆辅助装配系统技术。

1)小卫星工艺性仿真验证技术

针对小卫星的总装特点，开发小卫星总装工艺性仿真验证系统，进行小卫星结构、单机设备、车间环境等的数字化建模，形成小卫星总装工位数字化模型。基于小卫星总装数字化模型，实现小卫星总装全流程仿真，分析设备安装过程、小卫星安装环境等可能存在的干涉等条件限制，提前对小卫星总装流程进行规划和改进，实现小卫星总装流程最优化。将工艺仿真分析过程提前到小卫星方案阶段，根据仿真结果对设计的总装可行性提出合理化改进建议。

2)小卫星三维工艺设计技术

小卫星三维工艺设计系统(见图1)，以三维模型为基础，实现基于三维模型的自动化、快速设计数据传递和生产流程的快速仿真，构建总装三维工艺数据库，通过三维工艺表达、集成、参数化等技术，将工艺方法库、工艺流程库和总装工艺三维模型进行整合，实现工艺方法库和工艺流程库的便捷调用和维护，实现基于模型参数的三维工艺编制和管理，全面打通设计到工艺再到总装现场的快捷高效信息链路，满足小卫星快、好、省的研制要求。

图1 三维工艺设计系统

3)基于AR的小卫星线缆辅助装配技术

基于AR的小卫星线缆辅助装配系统是在计算机视觉和三维环境感知技术的基础上，系统在线感知线缆装配操作现场多元信息，向操作人员输出虚实融合的电缆布线工艺引导信息，实现原来的基于文字和图片的二维工艺文件无法表达的走线要求和关键环节自动检验和数据记录。系统根据线缆实际装配路径，对线缆模型进行更新，形成基于真实路径的电缆数字化模型。

2.2 数据管理信息化

总装过程需要大量数据支撑，又会产生大量的过程和结果数据，传统纸质记录、统计、保存的方法效率低，严重影响总装效率[5]。针对以上问题，开发了小卫星信息化管控系统，对小卫星总装过程产生的涉及人、机、料、法、环、测的全过程数据进行管理，确保数据受控、可追溯。

小卫星信息化管控系统是整个总装过程的控制中枢，该系统具备总装生产工艺管理、产品验收、总装状态实时记录反馈、关键检验点和质量全程控制、计划和资源准时化调配等功能，通过信息化手段提高了小卫星研制过程信息的管理效率，能够利用手持终端，记录、实时拍照、同步上传。实现小卫星全生产周期自动化、可视化、智能化管控及全过程数字化状态控制；实现总装全过程无纸化，质量信息电子化。

数据管理系统(见图2)现场通过移动设备(手持、电子称量、电子智能测量、定制平板电脑等)对总装、测试与试验(AIT)数据进行获取，通过有线或者离线数据同步等手段将数据同步到系统后台，系统后台对数据进行分析汇总处理。整个项目集成了多种硬件系统，减少了大量现场人工手工录入数据的工作，增加了系统自动数据对比及分析报表功能。提高了结果分析的输出效率。数据管理系统集成先进的自动化智能化管控设备及管理方法，尤其是在小卫星状态控制、质量控制和仪器设备条码管控功能方面通过先进的技术手段，提升过程控制能力和工作效率，通过应用小卫星数据管理系统，过程质量数据采集录入效率大幅度提升，解放总装人员，整星工作效率显著提高。总装过程检验信息录入更加规范，实现了小卫星总装质量的全流程监控。

图2 数据管理系统数据处理过程

2.3 总装工具自动化

小卫星总装阶段按先后顺序可划分为产品验收、总装实施、总装检测3个环节，针对这3个环节的总装工具，目前均进行了自动化升级。

1)自动化验收检验系统

小卫星总装前需对各分系统的设备、直属件、线缆、辅料进行验收检验。主要检验项目包括机械接口、电接口、外观状态、线缆状态等，原手工检验方法检测效率低、检测精度差，且存在大量不可检或易错检的项目，已经无法满足当前小卫星研制的需求。为适应新形势下的小卫星研制需求，针对产品验收检验环节，开发了如下自动化验收检验系统。

(1)自动化电缆测试系统：实现了一次插拔即可完成电缆网检测，替代了原单针检测的电缆验收模式，有效防止了错检、漏检，大幅度提高了检验效率。

(2)多功能星上设备智能检测系统：利用机器视觉、听觉、模式识别、深度学习等技术，实现星载设备机械接口、电接口、质量等特征的一体化快速检测。实现检验、入库一步完成，同时检验过程关键特征保留图像，检测过程可追溯。其中机械接口的检测界面如图3所示，包含机械接口状态监视，平面度、孔径、孔径测量，测量误差分析等功能。

图3 卫星单机设备机械接口检测

自动化验收检验系统的研制和应用不仅提高了检测效率和检测准确率，同时将原来的不可检项目变成可检、易检，增加了验收检验环节的覆盖面，减小了有缺陷设备上星的可能性，有效提高了小卫星的总装可靠性。

2)自动化总装实施设备

总装实施是将各分系统设备组装成整星的过程，是小卫星总装阶段的核心环节，涉及热控实施、设备安装、电缆网铺设、太阳翼对接等多个工序。随着小卫星任务的快速增加，原人工总装实施模式存在效率低、质量一致性差等问题，无法满足小卫星研制需求。为提高总装实施效率，保证总装质量一致性，开展了自动化总装实施装备的研制。

(1)多层大料自动化铺设设备：将1张多层大料铺设工时由4人2 h减少到2人10 min，效率提高了12倍，实现铺设平整度高、零错层、零废料，铺设效率和铺设质量显著提高。

(2)太阳翼自动对接系统：可实现对小卫星星体空间6个自由度的自动调整，提升太阳翼装配工艺技术，提高装配的自动化水平，提升与改进装配方法对提高操作效率，增强装配可靠性、操作性。

针对总装实施环节中耗费大量人工的工序，研制了自动化总装实施设备，如姿态自动调整设备(见图4)，将总装实施效率和质量大幅提高，确保在小卫星研制任务不断增加的情况下保质保期实现小卫星交付。

图4 姿态自动调整设备

3)自动化总装检测装备

总装检测是小卫星总装阶段检测小卫星的各项特性是否符合设计要求的过程，主要包括设备安装精度检测质量特性检测、漏率检测。总装检测在一个总装周期中需反复多次进行，消耗大量人工和总装周期，尤其在当前小卫星研制任务越来越多的情况下，人工总装检测方法已经无法满足需求。为提高总装检测效率，缩短小卫星总装周期，开展了自动化总装检测系统的研制。

(1)自动化精测系统：小卫星自动化精测系统集成了经纬仪自动准直模块、测量数据自动解算模块、坐标系换算模块、反算规划模块、人工辅助模块、测量数据管理模块等功能模块，实现了小卫星重要设备安装姿态的高精度快速测量与姿态矩阵解算，数据自动保存。显著提升了精测效率和精度(见图5)。

图5 自动化精测系统

(2)一体化快速质测系统：针对小卫星和微小卫星主要产品，分别研制了基于三坐标转换的自动质测系统和质量特性一体化检测系统。将质测过程简化成了一次操作即可完成，提升了测试精度、测试效率和测试的安全性。

(3)高效检漏系统：检漏系统自动化升级包括自动化充排气系统，实现了小卫星推进系统充放气过程中温度、压力的实时自动监测和控制；自动化真空检漏系统，包括自动化真空抽气系统、自动真空容器大门、自动化漏率定标系统、自动化检漏数据采集系统。自动化检漏系统的应用显著地提高了检漏效率，解放了人工，增强了检漏过程的可信度。

总装检测装备的自动化升级使小卫星总装检测效率大大提升，降低了劳动强度，缩减了小卫星总装周期，有效保障了小卫星多星并行研制。

3 小卫星总装技术展望

新一代卫星星座如SpaceX、波音等多个公司的星座数量都达到数百颗甚至成千上万颗量级，这对小卫星的设计理念、生产方式等都带来了巨大挑战。小卫星将进入卫星批量化生产模式，该模式包含了4个方面的变革：模块化设计、智能化生产、快速AIT、优化供应链[6-8]。为适应这4个方面的变革，需要开展基于智能装配单元的小卫星快速集成技术研究；开发可视化流程规划模型的三维工艺系统和小卫星AIT大数据管控系统；研究小卫星智能建模与健康诊断技术、自动化快速总装检测技术、基于系统布局规划的智能工厂虚拟重构技术；构建基于物联网大数据驱动的多源信息感知孪生仿真平台。通过这些技术和系统的开发，未来小卫星逐步实现批量快速集成，研制过程数字化、工艺精益化、过程管控信息化、设备自动化、生产敏捷化，提高研制效率，降低研制成本。提升航天装备制造水平、缩短与欧美领先者的差距、提高我国航天工业核心竞争力，形成涵盖小卫星产品全生命周期工艺、制造、管理的小卫星柔性智能高效AIT生产线。

小卫星批量化生产模式基于柔性化生产线，针对批量化生产特点，将整个小卫星生产划分为多个相对独立的生产单元，并在小卫星数字化模型的基础上，结合先进的智能制造技术，通过开展物料设备智能储存和流转，舱段及系统级自动装配集成，一体化的自动测试，高效智能化检测，适应批量化的大型试验和智能故障分析处理等先进技术研究,提升小卫星的批产能力。小卫星柔性化生产线建设未来需解决以下6项关键技术，包括信息化存储物流技术、快速总装集成技术、一体化测试技术、智能化总装检测技术、批量化大型试验技术、故障分析处理技术。

1)信息化存储物流技术

信息化存储物流技术是小卫星柔性化生产线的重要组成之一，贯穿生产线的始终，是小卫星批产化有效运作的关键。涵盖单机及物料存储、出入库、配送，整星技术区流转和存储等诸多环节。可根据数字化模型中的装入件物料清单(BOM)信息自动生成完整的单机产品、标准件、辅材配套，利用自动化立体货柜和物料控制网络系统对单机及物料进行存储并根据配套方案及时、自动调取设备及物料[9]。

2) 快速总装集成技术

快速总装集成技术通过分析及处理上游传递下来的三维设计及三维工艺信息，利用可视化三维模型中的设计信息链路和标准工艺信息库，依托单元化生产、机械人(臂)、柔性制造等数字化技术，完成小卫星单元化产品、单机设备、舱板、舱段等不同层级的智能化、快速总装集成，并将装配检验信息自动收集、整理、分析和反馈[10]。

3)一体化测试技术

小卫星一体化通用集成测试技术将原来不同设备、不同的总线形式进行统一，将原来所有设备统一为同一种总线形式。对于不同厂家的不同仪器，将设备功能模块化，使用模块化的产品统一接口。突破传统的“设备组成系统”理念，采用“板卡集成系统”的方式，从设备级到板卡级转变，不仅仅是“量”的变化，更是“质”的变化。“量”意味着系统体积有了很大的改观，系统不再庞大、笨重；“质”代表着测试设备更加灵活、简单，不繁杂。

4)智能化总装检测技术

智能化总装检测技术为小卫星的批产研制周期提供了有力保障。总装检测包括精度检测、质量特性测试和漏率检测3个方面的内容，其中自动化精度检测技术可实现小卫星不同总装阶段精测任务的快速执行，其系统构成如图6所示；自动化质量特性测试系统可一站式实现小卫星的质量特性获取和自动配平；漏率检测满足多星并行漏率检测需求。采用智能化总装检测技术的系统根据研制要求穿插在小卫星生产流程中，实现与总装流程、大型试验流程无缝对接。

图6 自动化精测系统组成

5)批量化大型试验技术

针对小卫星批量化生产的特点，利用全周期大数据技术，收集、分析整星全周期各项试验大数据，根据分析结果合理优化批生产模式下的试验流程及项目，缩短大型试验工作周期。针对设计验证和工艺验证的不同，对首发星和批量装备星试验内容和试验项目进行分析，部分小卫星进行抽检试验，缩短试验周期。

6)故障分析处理技术

故障分析处理技术基于智能故障判读系统，智能故障判读系统有故障模式分类、故障模式表示、故障模式管理、故障诊断模型、故障预测技术，并能进行知识更新，通过数据挖掘技术和测试过程建模技术建立故障模式库，具备故障争端和处理能力，直接快速响应小卫星批产流程中的异常现象，提高小卫星批量化生产的可靠性、安全性和生产效率。

4 结束语

本文系统总结了小卫星总装技术的发展历程，始终秉承航天务实和科学的发展思路，单星任务时采用纯手工作业，多星并行时开始借助计算机技术，成组研制时大量应用自动化和数字化技术各阶段的总装技术均能满足小卫星研制的需求，保障小卫星按时高质量交付。对未来大量星座小卫星的生产需求背景进行了介绍：原小卫星研制模式从生产效率、质量管理、过程管理等各个方面均无法满足要求，利用柔性生产线进行规模化生产是未来小卫星总装技术发展的方向。小卫星总装技术的发展是航天技术发展的一个典型代表，其技术和方案可以为其他航天器生产、研制提供参考。