黃海，趙旭瑞，孫亮，陳珅艷

北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100191

由于具有重量輕、體積小、發(fā)射方式靈活、研制周期短、成本低等優(yōu)勢(shì)，微小衛(wèi)星受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注，這類衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量近年快速增加[1]。亞太大學(xué)生小衛(wèi)星(Student Small Satellite，SSS)項(xiàng)目是由亞太空間合作組織(Asian-Pacific Space Cooperation Organization，APSCO)發(fā)起的旨在提升各成員衛(wèi)星研發(fā)與應(yīng)用能力及空間技術(shù)教育水平的項(xiàng)目，也是中國(guó)國(guó)家航天局“一帶一路”國(guó)際化空間發(fā)展倡議中的重點(diǎn)項(xiàng)目，被列入《2016中國(guó)的航天》白皮書。

APSCO SSS項(xiàng)目由1顆30 kg微衛(wèi)星(SSS-1)和2顆3U立方星(SSS-2A/2B)組成，共同完成包括新型展開機(jī)構(gòu)在軌展開、對(duì)地成像、星間通信等多項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)，三星在軌運(yùn)行狀態(tài)如圖1所示。該項(xiàng)目由北京航空航天大學(xué)(北航)作為牽頭大學(xué)(Leading University)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外成員國(guó)大學(xué)團(tuán)隊(duì)實(shí)施研發(fā)，北航團(tuán)隊(duì)還負(fù)責(zé)其中微衛(wèi)星SSS-1的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、主要分系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研制及最后的總裝集成，此外還負(fù)責(zé)為3顆衛(wèi)星落實(shí)了頻點(diǎn)申報(bào)、運(yùn)載火箭搭載及發(fā)射許可等事宜。SSS項(xiàng)目衛(wèi)星于2021年10月14日成功發(fā)射，它開創(chuàng)了中外大學(xué)開展小衛(wèi)星國(guó)際合作研發(fā)的先例。

SSS-1衛(wèi)星(圖2)目前已運(yùn)行在高度為517 km的太陽(yáng)同步晨昏軌道超過(guò)半年，健康狀況良好，已基本完成了預(yù)先設(shè)定的全部技術(shù)試驗(yàn)任務(wù)。本文將從總體角度對(duì)SSS-1衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)和在軌試驗(yàn)進(jìn)行介紹，包括有效載荷與平臺(tái)。

1 有效載荷及功能

SSS-1衛(wèi)星共配置6個(gè)有效載荷，分別為盤繞式伸展臂、空間相機(jī)、對(duì)地遙感相機(jī)、ADS-B接收系統(tǒng)、星間通信設(shè)備和電推進(jìn)器離軌裝置。其中，盤繞式伸展臂和電推進(jìn)器離軌裝置完全由北航團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)研發(fā)，其余載荷則由北航與合作單位協(xié)同研發(fā)。盤繞式伸展臂具有大柔性、高展開收攏比的特點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)首個(gè)在軌驗(yàn)證的被動(dòng)式盤繞展開機(jī)構(gòu)；電推進(jìn)裝置具有高比沖、變推力和集成化的特點(diǎn)，是國(guó)際上首個(gè)容性儲(chǔ)電單臺(tái)自中和電噴霧推力器的在軌試驗(yàn)。

1) 盤繞式伸展臂

盤繞式伸展臂是一種伸展壓縮比可達(dá)20∶1或以上的空間伸展機(jī)構(gòu)，通常裝載于很短小的空間內(nèi)，入軌后展開。它既可用于衛(wèi)星的姿態(tài)指向和穩(wěn)定，也可用于將某些靈敏裝置或敏感器外伸到遠(yuǎn)離衛(wèi)星本體的位置，以減少本體電磁特性對(duì)這些敏感設(shè)備的影響。北航自主研制的盤繞式伸展臂是SSS-1衛(wèi)星的關(guān)鍵在軌驗(yàn)證載荷，主要由伸展臂本體和鎖緊釋放機(jī)構(gòu)組成。鎖緊釋放機(jī)構(gòu)又包含3個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(拔銷器、旋轉(zhuǎn)阻尼器和編碼器)和2個(gè)控制設(shè)備(展開控制器和編碼器接口轉(zhuǎn)換模塊)。

所設(shè)計(jì)的盤繞式伸展臂是一種采用拉索展開的三角形截面鉸接式伸展臂，由縱桿、橫桿、對(duì)角加勁索以及鉸接頭組成(圖3)，總重量小于0.8 kg，總長(zhǎng)度為2 m，展開收攏比達(dá)20∶1。伸展臂縱桿在軸向約束消失后，其內(nèi)部應(yīng)變能轉(zhuǎn)換為軸向動(dòng)能，在對(duì)角加勁索作用下沿橫桿軸線方向?qū)ζ洚a(chǎn)生壓縮作用，而橫桿沿其軸向產(chǎn)生壓扭變形同時(shí)由于設(shè)計(jì)的幾何關(guān)系將縱桿移動(dòng)。隨著縱桿的伸直，橫桿變形減小并利用自身應(yīng)變能將縱桿推回至盤繞半徑處。

鎖緊釋放機(jī)構(gòu)可在發(fā)射階段將收攏的盤繞式伸展臂鎖緊在衛(wèi)星內(nèi)部，如圖4所示。衛(wèi)星入軌后，機(jī)構(gòu)解鎖，釋放伸展臂，特殊的構(gòu)型和阻力拉索設(shè)計(jì)可保證其穩(wěn)定地逐層展開[2-3]。

2) 空間相機(jī)

空間相機(jī)的基本任務(wù)是拍照記錄盤繞式伸展臂的展開全過(guò)程。它安裝在伸展臂根部附近，光軸朝著整星坐標(biāo)系的-Z軸，即伸展臂的展開方向。盤繞式伸展臂展開后，空間相機(jī)還將進(jìn)一步完成對(duì)其余空間目標(biāo)(如：月球)成像的拓展任務(wù)?？臻g相機(jī)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 空間相機(jī)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)Table 1 Main specifications of space camera

3) 對(duì)地遙感相機(jī)

對(duì)地遙感相機(jī)(圖5)是SSS-1衛(wèi)星獲取地表圖像的遙感成像設(shè)備。對(duì)地相機(jī)的分辨率為50 m，采用IMX252傳感器，成像波段為400～680 μm，曝光時(shí)間范圍為100 μs～30 ms。

4) ADS-B接收系統(tǒng)

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B)是目前全球采用的一項(xiàng)新的空中交通管理技術(shù)，采用此系統(tǒng)的民用航空器通過(guò)1090ES數(shù)據(jù)鏈以一定周期自動(dòng)向外廣播本機(jī)的屬性、狀態(tài)信息、位置信息，這些ADS-B信號(hào)被地面空管系統(tǒng)接收，用以監(jiān)控航空器、安全管理航線；被空中的飛機(jī)接收，則可實(shí)現(xiàn)相互監(jiān)視，避免碰撞[4]。

SSS-1衛(wèi)星上搭載的星基ADS-B接收系統(tǒng)(圖6)由一個(gè)接收機(jī)和一個(gè)接收天線組成。ADS-B信號(hào)頻點(diǎn)為1 090 MHz±1 MHz，使用脈沖編碼調(diào)制方式將碼元調(diào)制到射頻，脈沖寬度為0.5 μs，消息塊總長(zhǎng)為140 μs。該星載ADS-B接收系統(tǒng)被用于試驗(yàn)對(duì)航空器發(fā)射的ADS-B信號(hào)的空間接收。此外， ADS-B信號(hào)在不同方向上的差異性，也為探索新的衛(wèi)星定姿方法提供了基礎(chǔ)[5]。

5) 星間通信設(shè)備

星間通信設(shè)備主要用于試驗(yàn)SSS-1衛(wèi)星和SSS-2A衛(wèi)星間的數(shù)據(jù)傳輸和組網(wǎng)通信。2星各裝載了1臺(tái)相同的星間通信設(shè)備，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了低功耗和輕量化，尺寸滿足PC/104標(biāo)準(zhǔn)。星間通信機(jī)主要由射頻前端、模速轉(zhuǎn)換、調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理、電源及接口電路組成。星間通信設(shè)備的通信距離可保持在500 km以內(nèi)，發(fā)射功率500 mW。

6) 電推進(jìn)裝置

北航自主研制的電噴霧推力器(圖7)設(shè)計(jì)用作SSS-1衛(wèi)星的離軌裝置。這是一種以液態(tài)推進(jìn)劑作為工質(zhì)的新型靜電式推進(jìn)裝置。液體工質(zhì)在電場(chǎng)的作用下霧化形成帶電液滴并被加速產(chǎn)生推力，其推力范圍在微牛至百微牛量級(jí)。電噴霧推進(jìn)涉及滲流物理學(xué)、噴霧機(jī)理、電化學(xué)及場(chǎng)發(fā)射效應(yīng)等多門學(xué)科領(lǐng)域的研究，是國(guó)際上空間推進(jìn)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和前沿，具有功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、控制靈活、可靠性高等特點(diǎn)，為微納衛(wèi)星等航天器的主動(dòng)變軌、姿態(tài)控制等需求提供了新的解決方案。為此，SSS-1衛(wèi)星也將此裝置作為重要的在軌試驗(yàn)載荷。

2 平臺(tái)組成及功能

衛(wèi)星平臺(tái)即衛(wèi)星上除有效載荷外的其他部分，是衛(wèi)星任務(wù)的保障系統(tǒng)。SSS-1衛(wèi)星由6個(gè)分系統(tǒng)組成，分別是結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、姿控分系統(tǒng)、星務(wù)分系統(tǒng)、測(cè)控?cái)?shù)傳分系統(tǒng)以及電源分系統(tǒng)?？傮w及各分系統(tǒng)指標(biāo)如表2所示。

表2 衛(wèi)星平臺(tái)指標(biāo)Table 2 Specifications of satellite platform

1) 結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)是支承衛(wèi)星有效載荷及其他分系統(tǒng)的骨架，具有提供整星構(gòu)型、提供安裝空間以及保護(hù)星內(nèi)設(shè)備的作用[6-7]。

SSS-1衛(wèi)星采用框架箱板式結(jié)構(gòu)(圖8)，安裝板與承力板一體化設(shè)計(jì)，最大化提高了材料利用率。±X、±Y以及±Z面的6個(gè)基板決定了整星的外部構(gòu)型，4根L型角梁3個(gè)橫向安裝板分布在星體內(nèi)部，對(duì)整星剛度進(jìn)行加強(qiáng)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法在詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程中引入，以減小結(jié)構(gòu)重量[8-10]。

2) 熱控分系統(tǒng)

熱控分系統(tǒng)的任務(wù)是通過(guò)各種主被動(dòng)控制方法，控制星上各處的溫度在要求的范圍內(nèi)，保障所有星載設(shè)備的正常工作，完成整星任務(wù)[11]。

SSS-1衛(wèi)星采用被動(dòng)為主、主動(dòng)為輔的熱控制策略。多層隔熱材料(MLI)包覆在星體外表面(除散熱面)，將衛(wèi)星在軌運(yùn)行中外熱流變化對(duì)星內(nèi)的溫度的影響降到最低。圖9所示為衛(wèi)星頂面MLI包覆情況；星體內(nèi)部部組件表面進(jìn)行發(fā)黑處理，增強(qiáng)輻射熱交換，盡可能保證星內(nèi)設(shè)備溫度的均勻性；同時(shí)，針對(duì)蓄電池、空間相機(jī)等對(duì)溫度敏感的關(guān)鍵器件，采用電加熱主動(dòng)熱控設(shè)計(jì)，保證其溫度需求。

3) 姿控分系統(tǒng)

姿控分系統(tǒng)由敏感器、控制器以及作動(dòng)器組成，基本任務(wù)是融合各種敏感器信息確定衛(wèi)星姿態(tài)，并根據(jù)控制目標(biāo)利用作動(dòng)器對(duì)姿態(tài)進(jìn)行控制，保障衛(wèi)星的指向要求，配合載荷完成任務(wù)[12]。

SSS-1衛(wèi)星姿控分系統(tǒng)硬件配置如圖10所示，其中敏感器包括1個(gè)三軸磁強(qiáng)計(jì)、2個(gè)太陽(yáng)敏感器(熱備份)和2個(gè)陀螺(冷備份)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括1個(gè)磁力矩器(含X、Y、Z共3條磁棒)和3個(gè)動(dòng)量輪；姿態(tài)控制單元的功能由姿控計(jì)算機(jī)(ACU)實(shí)現(xiàn)。圖11為SSS-1衛(wèi)星姿控分系統(tǒng)硬件連接圖。值得注意的是，盤繞式伸展臂的存在使得SSS-1衛(wèi)星的姿態(tài)確定與控制有著一定的特殊性，北航團(tuán)隊(duì)也對(duì)相關(guān)算法進(jìn)行了深入的研究[13-17]。

SSS-1衛(wèi)星在軌運(yùn)行過(guò)程中，姿控分系統(tǒng)主要分為4種工作模式，分別為太陽(yáng)捕獲模式(SAM)、對(duì)日定向模式(SPM)、對(duì)地定向模式(EPM)和安全模式(SBM)。各模式的基本情況如表3所示。

4) 星務(wù)分系統(tǒng)

星務(wù)分系統(tǒng)主要指星務(wù)計(jì)算機(jī)及其軟件，是衛(wèi)星的“大腦”，負(fù)責(zé)與各分系統(tǒng)進(jìn)行信息交換并進(jìn)行處理，完成星時(shí)管理、設(shè)備管理、飛行時(shí)序管理以及故障識(shí)別等功能[18]。

SSS-1衛(wèi)星星務(wù)計(jì)算機(jī)(圖12)包括主機(jī)與備機(jī)，為雙機(jī)冗余結(jié)構(gòu)。2臺(tái)單機(jī)電路完全相同，同一時(shí)間只用一臺(tái)計(jì)算機(jī)工作。計(jì)算機(jī)上配備CPU軟件及FPGA軟件，CPU軟件將平臺(tái)的對(duì)外接口進(jìn)行統(tǒng)一定義，用戶在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)形成應(yīng)用軟件；FPGA軟件則用來(lái)實(shí)現(xiàn)CPU工作狀態(tài)檢測(cè)、時(shí)鐘管理以及遙測(cè)數(shù)據(jù)下傳等功能。

5) 電源分系統(tǒng)

電源分系統(tǒng)是衛(wèi)星上產(chǎn)生、儲(chǔ)存、調(diào)節(jié)、變換以及分配電能的系統(tǒng)，其主要任務(wù)是向衛(wèi)星提供各個(gè)飛行階段所需要的能源，以保證衛(wèi)星平臺(tái)與有效載荷的正常工作[19]。

SSS-1衛(wèi)星的電源分系統(tǒng)包括太陽(yáng)能電池陣、蓄電池組以及能源控制器3部分(圖13)。太陽(yáng)能電池陣采用體裝式三結(jié)砷化鎵電池片，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能；蓄電池組選用18650電池，可進(jìn)行能量存儲(chǔ)，在衛(wèi)星進(jìn)入陰影區(qū)或者太陽(yáng)電池陣提供功率不足時(shí)為系統(tǒng)供電；能源控制器是衛(wèi)星能源調(diào)節(jié)與控制設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)電池陣工作狀態(tài)控制、蓄電池充放電管理、二次電源變換以及功率分配等功能。

6) 測(cè)控?cái)?shù)傳分系統(tǒng)

測(cè)控?cái)?shù)傳分系統(tǒng)是衛(wèi)星上與地面通信的系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙測(cè)信息下傳、地面遙控指令接收以及有效載荷數(shù)據(jù)下傳等功能[20]。

SSS-1衛(wèi)星的測(cè)控?cái)?shù)傳分系統(tǒng)由UV應(yīng)答機(jī)、S數(shù)傳機(jī)、UHF天線、VHF天線以及S天線組成(圖14)。UV應(yīng)答機(jī)承擔(dān)遙測(cè)遙控功能，其中，VHF頻段用于上行遙控指令，UHF頻段用于下行遙測(cè)數(shù)據(jù)；S波段數(shù)傳機(jī)通信頻率較高，有著更好的數(shù)據(jù)傳輸效率，用來(lái)傳輸星上有效載荷的大量數(shù)據(jù)。UHF/VHF波段以及S波段的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收均由相應(yīng)的天線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 在軌試驗(yàn)

SSS-1衛(wèi)星搭載發(fā)射進(jìn)入預(yù)定軌道后，順利建立了天地測(cè)控鏈路，遙測(cè)信息顯示：衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)良好，供配電正常、姿態(tài)穩(wěn)定、數(shù)傳通道暢通。在此基礎(chǔ)上，各項(xiàng)載荷任務(wù)均按照預(yù)定計(jì)劃進(jìn)行了在軌驗(yàn)證工作。

3.1 平臺(tái)健康狀況

衛(wèi)星在入軌后，平臺(tái)狀況得到持續(xù)監(jiān)測(cè)，顯示衛(wèi)星平臺(tái)一切正常。下面以電源分系統(tǒng)和熱控分系統(tǒng)為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明衛(wèi)星平臺(tái)的健康情況。圖15為SSS-1衛(wèi)星母線電壓及蓄電池組電壓在半年內(nèi)的變化曲線，顯示即使在能源狀況最差的冬至日(2021年12月21日)附近，衛(wèi)星母線電壓也處在安全電壓之上(11 V)，可保證平臺(tái)的正常工作；圖16為星上2個(gè)關(guān)鍵設(shè)備的在軌溫度變化曲線，從中可知在半年周期內(nèi)，設(shè)備溫度均在許用范圍內(nèi)合理波動(dòng)，熱控分系統(tǒng)工作正常。

3.2 盤繞式伸展臂與空間相機(jī)

2021年10月16日18時(shí)21分，在地面指令的控制下盤繞式伸展臂解鎖展開，遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示展開過(guò)程一切正常，約30 s后盤繞式伸展臂展開長(zhǎng)度達(dá)到預(yù)定2 m長(zhǎng)度。在盤繞式伸展臂展開過(guò)程中，空間相機(jī)每隔2.5 s對(duì)展開過(guò)程進(jìn)行拍照記錄。18時(shí)24分，經(jīng)衛(wèi)星星務(wù)分系統(tǒng)判讀，盤繞式伸展臂處于完全展開狀態(tài)。10月17日6時(shí)17分，盤繞式伸展臂完全展開的圖像經(jīng)S數(shù)傳機(jī)傳至地面，這意味著此次盤繞式伸展臂在軌試驗(yàn)工作取得圓滿成功。展開試驗(yàn)成功后，后續(xù)擇機(jī)下傳了空間相機(jī)的全部10幅圖像(圖17)，完整記錄了盤繞式伸展臂在軌展開的整個(gè)過(guò)程。

3.3 ADS-B接收系統(tǒng)

2021年11月下旬，SSS-1衛(wèi)星完成了有效載荷ADS-B的在軌功能試驗(yàn)。在試驗(yàn)中使用地面站上行遙控指令啟動(dòng)星載ADS-B，遙測(cè)信息顯示星基ADS-B接收并存儲(chǔ)了多條航班信息數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)S波段數(shù)傳機(jī)傳輸?shù)絊地面站，解碼后得到衛(wèi)星過(guò)境時(shí)收到的航班信息(圖18)，這標(biāo)志著星基ADS-B在軌驗(yàn)證任務(wù)取得圓滿成功。

3.4 星間通信

2021年12月上旬，SSS-1衛(wèi)星完成了星間通信載荷的在軌驗(yàn)證任務(wù)。當(dāng)SSS-1衛(wèi)星和SSS-2A衛(wèi)星過(guò)境時(shí)，北京航空航天大學(xué)地面站和上海交通大學(xué)地面站分別上行遙控指令開啟星間通信載荷，SSS-1衛(wèi)星每隔8 s發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，同時(shí)接收由SSS-2A衛(wèi)星發(fā)出的通信數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)至S波段數(shù)傳機(jī)內(nèi)，遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示信息存儲(chǔ)條數(shù)不斷增加(圖19)，這標(biāo)志著SSS-1衛(wèi)星與SSS-2A衛(wèi)星的星間通信任務(wù)取得成功。

3.5 對(duì)地遙感相機(jī)

2022年3月起，SSS-1衛(wèi)星開始開展對(duì)地相機(jī)遙感成像的功能驗(yàn)證工作。北航團(tuán)隊(duì)在春分點(diǎn)前后上行了程控指令，控制衛(wèi)星在南極洲附近海域執(zhí)行對(duì)地成像工作，成像點(diǎn)位置為西經(jīng)101°、南緯75°，具體拍照時(shí)間為3月21日6：50(北京時(shí)間)，此時(shí)太陽(yáng)高度角為7.5°，滿足成像要求。遙感成像圖和成像位置如圖20和圖21所示。遙感圖像的成功回傳與解碼標(biāo)志著對(duì)地相機(jī)的功能驗(yàn)證工作取得圓滿成功。

4 衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)評(píng)估

SSS-1衛(wèi)星的設(shè)計(jì)、研制和在軌試驗(yàn)中，涉及了多項(xiàng)獨(dú)特的創(chuàng)新技術(shù)，結(jié)合衛(wèi)星在軌試驗(yàn)驗(yàn)證，可對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)估。

1) 盤繞式伸展臂的鎖緊釋放和展開控制

SSS-1衛(wèi)星盤繞式伸展臂的鎖緊與釋放，采用了以記憶合金為驅(qū)動(dòng)力的拔銷器設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，無(wú)火工品，因此解鎖沖擊小。發(fā)射狀態(tài)下，銷子伸出，通過(guò)鎖緊連桿保證盤繞式伸展臂處于收攏鎖緊狀態(tài)；衛(wèi)星入軌后，拔銷器通電儲(chǔ)能至20 J，銷子收縮從而實(shí)現(xiàn)解鎖釋放。同時(shí)，為使盤繞式伸展臂解鎖后能平穩(wěn)受控展開，采用了一根高強(qiáng)度柔性繩索來(lái)控制其展開運(yùn)動(dòng)。繩索一端固定在伸展臂頂端，另一端連接旋轉(zhuǎn)阻尼器以限制展開速度，并保證展開過(guò)程平穩(wěn)。

在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示，盤繞式伸展臂收到指令后迅速完成解鎖，并且按預(yù)定要求逐層展開，在大約30 s左右時(shí)間，即實(shí)現(xiàn)了2 m伸展臂的完全展開，整個(gè)過(guò)程十分平穩(wěn)順利。由于處于在軌失重狀態(tài)，展開時(shí)間比地面稍快(地面完成展開需約45 s時(shí)間)，此結(jié)果也符合預(yù)計(jì)。上述在軌試驗(yàn)和遙測(cè)數(shù)據(jù)，說(shuō)明SSS-1采用的盤繞式伸展臂鎖緊釋放和展開控制技術(shù)非常成功。

2) 柔性桁架連接航天器姿態(tài)控制

SSS-1衛(wèi)星的盤繞式伸展臂是一種柔性桁架，剛度較低，容易發(fā)生彎曲及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，從而對(duì)整星姿態(tài)產(chǎn)生干擾。針對(duì)SSS-1衛(wèi)星柔性桁架連接的特點(diǎn)，姿控系統(tǒng)采用“剛體-撓性體-剛體”構(gòu)型的衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤模型，通過(guò)引入撓性振動(dòng)項(xiàng)的方式將伸展臂的彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)考慮其中，并在此基礎(chǔ)上形成了基于非線性補(bǔ)償器的魯棒控制算法[15-16]。

在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示，衛(wèi)星長(zhǎng)期處于對(duì)日定向模式(SPM)，姿態(tài)精度≤0.02°，姿態(tài)穩(wěn)定度≤0.01(°)/s，遠(yuǎn)超原有要求。上述在軌數(shù)據(jù)說(shuō)明SSS-1衛(wèi)星的姿控算法及硬件系統(tǒng)可以有效考慮柔性桁架的振動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)高精度控制。此外，SSS-1衛(wèi)星的姿控計(jì)算機(jī)內(nèi)部預(yù)留了程序上注模塊，為后續(xù)多種姿控算法的空間驗(yàn)證提供了試驗(yàn)平臺(tái)。

3) 復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化

SSS-1衛(wèi)星載荷數(shù)目眾多且各設(shè)備技術(shù)狀態(tài)復(fù)雜(由國(guó)際合作項(xiàng)目的特點(diǎn)決定)，而結(jié)構(gòu)系統(tǒng)重量預(yù)算極其有限。在這種情況下，SSS-1衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用二級(jí)多點(diǎn)近似優(yōu)化方法，完成了主承力底板構(gòu)型優(yōu)化、箱板加筋布局優(yōu)化等工作，極大地減輕了結(jié)構(gòu)重量[8-10]。

SSS-1衛(wèi)星入軌后，遙測(cè)參數(shù)顯示各設(shè)備均正常工作，表明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)經(jīng)受住了運(yùn)載主動(dòng)飛行段惡劣力學(xué)環(huán)境的考核，保護(hù)了星內(nèi)設(shè)備免遭破壞。此外，SSS-1衛(wèi)星共裝載6個(gè)有效載荷，功能密度極高。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)根據(jù)各載荷的接口需求逐一進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)，尤其是與盤繞式伸展臂進(jìn)行了耦合設(shè)計(jì)。在軌試驗(yàn)表明，所有載荷均正常工作，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與有效性。

4) 星間通信與基于wifi頻段的數(shù)傳

SSS-1衛(wèi)星裝載了低功耗、輕量化的星間通信機(jī)，由于搭載于同一運(yùn)載，它與一起發(fā)射的SSS-2A保持了2個(gè)多月的較近距離編隊(duì)飛行，利用此有利條件，成功實(shí)現(xiàn)了SSS-1和SSS-2A的在軌星間通信，這對(duì)于微小衛(wèi)星而言是極具挑戰(zhàn)的試驗(yàn)，說(shuō)明本項(xiàng)目的星間通信試驗(yàn)設(shè)計(jì)十分巧妙。另外值得一提的是，本次星間通信試驗(yàn)的采用了wifi信號(hào)頻段，同時(shí)SSS-1衛(wèi)星還采用此頻段進(jìn)行星地?cái)?shù)據(jù)/圖像傳輸，這一頻段易受到地面wifi信號(hào)的干擾，但在軌衛(wèi)星間的通信和圖像星地?cái)?shù)傳的都得到了成功，這項(xiàng)試驗(yàn)為小衛(wèi)星和技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸嘗試擴(kuò)展了新的頻段。

5) 電推進(jìn)試驗(yàn)

SSS-1衛(wèi)星的電推進(jìn)裝置目前已完成點(diǎn)火自檢工作。在軌數(shù)據(jù)顯示，設(shè)備開機(jī)后，電壓、電流以及占空比等相關(guān)遙測(cè)參數(shù)均顯示正常，體現(xiàn)了電推進(jìn)裝置良好的工作狀態(tài)。另外，在電推進(jìn)器點(diǎn)火瞬間，動(dòng)量輪轉(zhuǎn)速產(chǎn)生明顯跳變，也側(cè)面驗(yàn)證了微小推力的產(chǎn)生，為后續(xù)的推力測(cè)定試驗(yàn)打下了良好基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

SSS項(xiàng)目是寫入《2016中國(guó)的航天》白皮書的重要國(guó)際航天合作項(xiàng)目，SSS-1衛(wèi)星的成功發(fā)射和在軌運(yùn)行是APSCO各成員國(guó)通力合作的成果，起到了亞太地區(qū)空間技術(shù)合作的紐帶作用；同時(shí)SSS-1也是一顆旨在航天人才培養(yǎng)的學(xué)生衛(wèi)星，展示了北京航空航天大學(xué)在亞太地區(qū)國(guó)際空間科學(xué)與技術(shù)教育領(lǐng)域的引領(lǐng)作用。SSS-1衛(wèi)星研制過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外學(xué)生承擔(dān)了大量的工作，積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)和案例，后續(xù)可望形成更完善航天科技教育體系，以服務(wù)于國(guó)內(nèi)外航天人才的培養(yǎng)，進(jìn)一步促進(jìn)亞太地區(qū)空間科學(xué)和技術(shù)的合作。