「小型地球靜止軌道」（SmallGEO）平台是歐洲航天局（ESA）通過設立專項計劃，歷時十餘年組織產業界自主研發的新型衛星公用平台，主要面向小型GEO 軌道通信衛星市場，以補全歐洲衛星製造領域的型譜空白，提升技術水平及產業競爭力。歐洲已於2017 年1 月成功發射基於該平台研製的首顆衛星：西班牙衛星-36W-1（Hispasat-36W-1）。
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設計理念與定位
（1）模塊化設計理念，實施並行AIT 流程，提升研製效率
SmallGEO 平台採用了模塊化設計理念，按此理念設計出的衛星將由平台模塊與載荷模塊兩部分組成，其中平台模塊細分為核心平台模塊和推進模塊，載荷模塊則細分為轉發器模塊與天線模塊。
具體來看：核心平台模塊主要負責太空飛行器供配電、在軌數據處理、遙測/ 控服務、姿態與軌道控制等關鍵服務功能，該模塊的太陽翼支持1 塊、3 塊和5 塊板的靈活配置，蓄電池也具備空間尺寸可調節典型SmallGEO 衛星模塊化分解結構能力，從而保證了平台良好的可擴展性。推進模塊通過化學推進分系統支持GTO 至GEO 的軌道轉移操作，並通過電推進分系統支持在軌位置捕獲與保持。轉發器模塊包括南/ 北板的載荷散熱器以及對地面內板結構，最大可支持40 路轉發器以及2.3 ～ 2.5W的載荷散熱能力。天線模塊由單獨安裝在對地面上的固定裝置以及東、西兩側的支撐臂組成，支持最大的天線口徑為2.3m。
典型SmallGEO衛星模塊化分解結構
採用這種模塊化設計優點明顯：天線/ 對地面與轉發器模塊分置、單獨集成，確保載荷快速裝配；採用標準化接口，確保載荷與平台並行總裝、集成、測試，提升研製效率，縮短衛星的交付周期。
（2）靈活平台配置，支持多類型衛星任務，拓展應用範圍
SmallGEO平台的主要目標領域為GEO通信衛星，但模塊化設計也保證了其無需對平台進行大的調整，即可根據用戶需求靈活改裝為對地觀測、氣象衛星等不同任務的衛星。具體來看，SmallGEO 在設計上考慮了三種平台變型版本。
1）SmallGEO FAST型配置版本。作為主力平台產品，面向通信衛星領域，發射質量最高達3500kg，採用混合式的推進系統，載荷質量最高450kg，每個太陽翼由3 塊帆板拼接而成，載荷供電功率5kW，可搭載多達32 路轉發器，支持從L到Ka的工作頻段，設計壽命15 年。
2）SmallGEO FLEX 型配置版本。作為高承載比平台版本，採用全電推進方式，發射質量最高達3500kg，載荷質量最高900kg，每個太陽翼由5塊帆板拼接而成，載荷供電功率10kW，可搭載多達60路轉發器，支持從L到Ka的工作頻段，設計壽命15年。如今該版本的首發星任務已單獨列為ARTES―33項目，仍處於工程研製階段。
3）SmallGEO EO型配置版本。作為對地觀測任務版本，發射質量最高達3800kg，採用雙組元化學推進系統，載荷質量最高650kg，由於對地觀測任務的功率需求並不高，所以單個太陽翼僅含一塊帆板，供電功率1.35kW，支持Ka和S頻段數據傳輸，設計壽命超過10年。
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分系統設計情況
（1）結構分系統
SmallGEO 平台採用中央承力筒結構，如前所述分為4 個艙段，太陽翼收攏狀態下的標準外形尺寸為2.3m×1.9m×2.5m。雙組元推進劑儲罐置於筒內，氙氣與氦氣貯罐沿承力筒對稱布置，並儘可能地貼緊筒外壁，以最小化質心偏移。液體遠地點發動機（LAE）安裝於運載火箭適配器上，8 副10N 的反作用控制推力器（RCT）安裝於背地板上。8 副電推進系統推力器成對安裝在東西與南北隔板的4 個交叉托架上，推力方向沿對地矢量對稱分布。
轉發器艙呈Π字形結構，由對地板、南/ 北板以及對應儀器設備構成，低噪放大器、功率放大器以及輸入、輸出多工器等均布置南北板上。對地板上還安裝有天線模塊的支撐結構。
（2）熱控分系統
熱控分系統主要由散熱器、多層組件（MLI）和熱管組成，主要採用無源工作方式，僅在任務執行過程中載荷停止運行的情況下，對敏感組件（如蓄電池以及氣態氙儲罐等）進行有源加熱。
（3）推進分系統
推進分系統作為SmallGEO 平台單獨的一個模塊，主要由化學和電推進兩部分組成。化學推進分系統由EADS-S4000-12 型液體遠地點發動機以及4 主/4 備EADS-S-10-18 型反作用控制推力器組成。其中，遠地點發動機推力達420N，比沖318s；反應控制推力器推力達10N，比沖大於287s。推進劑存儲於中央承力筒內軸向依次放置的兩個700L 容積的儲罐中，最高可容納1300kg的液體燃料，正常工作狀態下可在軌道轉移時提供1500m/s 的速度矢量。
電推進分系統執行軌道轉移之外所有的軌道控制和動量輪卸載任務（在軌位置保持，姿態調整，轉移至「墓地」軌道等），由2套完全冗餘的子系統構成，每個子系統由1個電源處理單元、1個外部電推力器選擇單元和4 台SPT-100 霍爾推力器組成。霍爾推力器直接安裝於星體，沒有矢量調節機構，推力方向不可調節。
電推力器在空間分布上採用三維對稱構型，與俄羅斯「快訊」（Express）、「亞馬爾」（Yamal）等衛星類似。在這種構型下，每台電推力器工作都能同時產生法向和切向速度，不產生徑向速度。整個壽命周期內星體質心變化不超出推力方向構成的平面所包圍的區域，始終能保證電推力器點火時能產生卸載力矩。三維對稱構型與矩形構型相比，所用的電推力器數量多了1 倍，但不需要矢量調節機構，降低了複雜度，推力只在切向和法向存在分量，位置保持控制中的耦合影響減弱，姿態軌道控制耦合作用較小；同時由於該構型下電推力器推力方向不通過質心，點火過程中的干擾力矩較大。
（4）姿軌控分系統
SmallGEO平台採用三軸穩定姿態控制方式，主要利用反作用輪與星敏感器控制姿態，同時利用電推進系統執行在軌位置保持，正常工作狀態下反作用輪角動量的管理僅依靠電推進系統完成，這也成為姿軌控系統的一個技術特點。但值得一提的是，安全模式下並不啟用電推進系統，而是依靠冷氣系統進行調節。
另一個技術特點是採用了基於有源像素傳感器（APS）的星敏感器設備，並採用了互補金屬氧化物半導體（CMOS）圖像傳感器、具備隨機窗口讀取能力同時支持單片專用集成電路（ASIC）集成方式，與傳統的電荷耦合器件（CCD）星敏設備相比，功耗更低、接口更加簡化、體積更小，同時抗輻射性更強。
最後，SmallGEO平台還載有一個阿斯特留姆公司研製的GNSS 接收機，將驗證利用GPS 信號在36000km 高度實現衛星定位功能，質量達3.9kg，功率消耗10W，尺寸為272mm×284mm×92mm，預計實現的定位精度可達150m。
（5）供配電分系統
SmallGEO平台的太陽翼由阿斯特留姆公司研製，主要基於歐洲星-3000（Eurostar-3000）以及Alphabus平台上所採用的設備研製而成。大部分電子元件已經在歐洲研製的多顆通信衛星和伽利略衛星上得到廣泛驗證。
單塊帆板的基本尺寸為2730mm×2216mm，僅就基本型配置而言，展開後寬度達到9m，6塊帆板能夠提供50V的母線電壓，在壽命初期可為平台提供6.5kW 功率，載荷供電功率最大為5kW，到壽命末期，載荷供電功率僅3.5kW。
（6）數據處理分系統
在軌數據處理分系統主要通過傳輸和處理指令、獲取傳感器信息以及其他數據等對單個分系統進行控制，採用晶片系統（SoC）設計理念，融合了LEON、MIL-STD-1553B 數據標準、遙測IP 內核等新技術。這使得星上數據管理系統（OBDH）得以實現軟體獨立的遙測與遙控能力，執行S/C 任務。OBDH 系統包括了一個內部全冗餘式的衛星管理單元，執行數據處理任務以及平台功率分配任務。
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平台性能對比分析
總的來說，歐洲航天局打造SmallGEO平台的主要目標是打破美國在小型GEO 軌道通信衛星製造領域的壟斷地位，但2000年以後的統計結果顯示，俄羅斯與印度等航天大國的對應平台表現也相當突出，占據較多的市場份額。與此同時，英國薩里衛星技術有限公司（SSTL）也在空客防務與航天公司的支持下，計劃研製同級別的「地球靜止軌道小衛星平台- 轉移軌道版本」（GMP-T）平台產品。
（1）多型號並存競爭激烈
總體來看，在核心技術指標方面，除印度的I-2000平台與歐美差距較大以外，餘下平台的性能差別都在較小區間範圍。SmallGEO平台在載荷承載能力方面表現一般，略高於均值水平的420kg，與採用直接發射入軌方式的Express-1000相比仍存在一定差距；在載荷供電功率方面，單翼三塊帆板的FAST 型配置可提供5kW 的供電能力，而美國和俄羅斯的平台最高可達5.5kW；設計壽命方面，各型平台基本都可達到15 年。
同質化的技術性能表現，也決定了未來商業市場競爭的激烈性。而且就目前來看，即便是SmallGEO旨在力保的歐洲市場，在GMP-T平台投入使用後，格局發展也存在疑問，該平台已經獲得歐洲通信衛星公司（Eutelsat）的支持，將於2018年發射「量子」（Quantum）衛星，未來歐洲將面臨同領域兩款同型平台的競爭。
（2）研製周期為最大問題
毫無疑問，對於市場和用戶而言，除技術性能之外，快速交付能力是評價製造商研製水平的重要指標。當前其他各型平台中，交付最快的為GEOStar-2平台，在24個月左右，俄羅斯、印度的交付周期相對較長，一般都在30 個月以上。但單從首發星任務來看，SmallGEO目前真正的交付速度不容樂觀（受各種因素影響已超過7年），雖然按照目前官方公布的計劃，其研製周期將在未來力爭壓縮至36月，但這種交付周期在如今敏感性極高的商業市場中，毫無疑問將成為制約其競爭的最大弊端。
另一方面，截至目前為止，SmallGEO平台尚未真正獲得一顆商業通信衛星領域的國際訂單，仍主要依靠歐洲航天局的項目支持，後續已確定的任務中，無一例外都來自於歐洲航天局或歐洲本土運營商，其中最大的訂單為6 顆歐洲第三代氣象衛星。因而，從短期情況分析來看，爭取歐洲政府機構及衛星運營商的支持，是破解SmallGEO發展問題的必選途徑。
來源：《國際太空》2019年第7期
作者：王熹微、李博
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