微纳卫星试验矩阵设计方法技术

本发明专利技术公开了一种微纳卫星试验矩阵设计方法，该方法先定微纳卫星项目特性和设计特性要素，再选择微纳卫星试验验证策略，然后根据微纳卫星的试验对象，结合微纳卫星项目特性和设计特性要素以及整星试验基线，设计出相应系统级和组件级产品的试验矩阵。与现有技术相比，本发明专利技术的方法对于一颗微纳卫星最多可有效节约试验时间、试验经费80％以上。

Design Method of Microsatellite Test Matrix

The invention discloses a design method of micro-nano satellite test matrix. The method first determines the characteristics and design characteristics of micro-nano satellite projects, and then chooses the verification strategy of micro-nano satellite tests. Then, according to the test objects of micro-nano satellite, combined with the characteristics of micro-nano satellite projects and design characteristics and the whole satellite test baseline, the corresponding system-level and component-level product test matrices are designed. Compared with the prior art, the method of the present invention can effectively save up to 80% of the test time and the test cost for a micro-nano satellite.

【技术实现步骤摘要】
微纳卫星试验矩阵设计方法
本专利技术属于卫星工程设计
，具体来说，涉及一种考虑多种约束条件下的微纳卫星试验矩阵设计方法。
技术介绍
微纳卫星是近年来快速发展的新一代卫星，也是航天器技术发展的重要方向之一，在对地观测、通信、新技术验证、科学试验等领域具有广泛的应用前景，已显示出良好的技术、经济和军事价值。微纳卫星是指整星质量在100kg～1kg之间，采用开放式体系结构和标准接口规范，大量应用COTS器件、工业技术和微小型化产品等创新设计理念和技术开发的一类卫星。微纳卫星具有功能密度高、智能化、成本低廉、研制周期短、可批量化生产测试等特点，具备机动灵活发射、星群自主运行、大规模装备、星群协同应用、能灵活重构和系统健壮性较强等应用优势。与传统卫星一样，微纳卫星在全寿命周期内将面临复杂环境及效应的考验，因此亦需要结合任务特点和卫星技术状态，有针对性地开展有效的试验。对传统卫星的研制而言，为了确保卫星的长寿命和高可靠的要求，需要投入大量的经费和时间，其中包括不菲的试验开销。微纳卫星如果仍然采用传统卫星试验模式，将与其低成本和快速交付的目标不匹配。试验是保证微纳卫星任务可靠性的重要手段之一。若干统计数据表明(GregoryFD,JeanFC,JosephHS.Statisticalreliabilityanalysisofsatellitesbymasscategory:Doesspacecraftsizematter？[J]ActaAstronautica,2010(67):584–595)，微纳卫星与传统大型/中型卫星相比在入轨初期有较高的失效率，很大一部分原因就在于试验验证(即最后的质量控制)没做好，缺乏规范、系统的试验验证保证产品的任务可靠性。尽管微纳卫星大量使用COTS产品，但这并不意味着微纳卫星在轨寿命无法保证，事实上很多微纳卫星却能够在轨运行5年或更长时间。微纳卫星的设计或制造缺陷可以在发射前的试验验证过程中以早期失效的形式表现出来，因此通过试验验证能够有效预防早期失效。一旦卫星通过了初期失效阶段将会极大增加长期在轨的几率,保证利用COTS产品建造的微纳卫星满足任务要求。作为全球微纳卫星
的先驱，迄今萨瑞公司已经发射了超过40颗卫星，近10年任务成功率为100％。通过分析萨瑞公司发展轨迹可以发现，它之所以能如此成功离不开持续的技术创新和高效的质量控制，包括以COTS产品的高性能保证卫星可靠性；积极开展商用技术空间化地面验证，通过高效的试验、检验确保产品质量；针对关键技术或产品择机开展在轨飞行试验等(SweetingM.N.pushingthecapabilitiesofsmallsatellites[R].Nano-satelliteSymposiumNagoya,Japan,11October,2012)。试验矩阵设计是微纳卫星试验总体的重要工作项目之一。微纳卫星的研制采用开放式体系结构和标准接口规范，大量应用COTS技术，具有成本低廉、研制周期短、可批量化生产测试等特点，可以机动灵活发射、大规模装备、成星群协同应用。但是较高的入轨初期失效率限制了微纳卫星应用价值的充分发挥。如果合理的设计微纳卫星试验矩阵，在保证微纳卫星任务可靠性的前提下还保有低成本、快速试验的优势，成为开展微纳卫星试验矩阵设计工作的一大难点。试验矩阵一旦确定，就决定了一颗微纳卫星所必须开展的全部系统级、组件级试验项目，相应的整体试验经费和周期也随之大致确定，其重要性不言而喻。综合考虑微纳卫星承受的风险等级、微纳卫星部署方式、微纳卫星发射方式、微纳卫星通用技术特点、微纳卫星承制方技术实力、环境试验与可靠性试验效能、试验经费和周期等多种约束条件，创造性提出的一种多制约条件下微纳试验矩阵设计方法，可用于微纳卫星总体单位开展微纳试验设计工作，制定整体试验验证策略，确定系统级、组件级试验项目，制定试验剪裁策略等。
技术实现思路
为此，本专利技术综合考虑了微纳卫星项目承受风险等级、微纳卫星部署方式、微纳卫星发射方式、微纳卫星通用技术特点、微纳卫星承制方技术实力、环境试验与可靠性试验效能、试验经费和周期等多种约束条件，提出了一种多制约条件下微纳试验矩阵设计方法，给出用微纳卫星通用试验矩阵，在该试验基础上进行适当剪裁，可以实现微纳卫星低成本、快速试验和确保卫星任务可靠性三者之间的平衡。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：微纳卫星试验矩阵设计方法，包括以下步骤：1)确定微纳卫星项目特性和设计特性要素确定微纳卫星的微纳项目特性要素，微纳项目特性要素主要包括卫星质量/体积、轨道、项目经费、交付时间、系统更新时间即到下一代卫星发射的时间、研制方规模、研制方的基础设施、组件采购、制造工艺和材料、外协方能力、测试、发射安全性和危险性控制、卫星处置的安全性和危险性、从交付到发射的时间、发射方式、运行持续性、运行方式；确定微纳卫星的微纳项目设计特性要素，项目设计特性要素主要包括接口、设计寿命、可靠性计算、卫星持续工作能力、任务成功要求、单点故障、故障减缓、从发射到运行的时间、零件选择、辐射设计余量、电子零件安装、零件数量、出气限制、污染控制、材料选择、碎片减缓、线缆、电源控制组件、太阳电池阵、电池、指令和数据处理、遥测数据率、任务数据率、无线发射机、天线、展开、结构、分离机构、分离开关、热特性、姿态控制、微振动、推进、EMC；2)选择微纳卫星试验验证策略根据微纳卫星类型，选择微纳卫星试验验证策略，微纳卫星类型为单颗卫星、一系列卫星或一个星座卫星，对于单颗卫星，要经历QT+AT(鉴定试验+验收试验)或PFT(准鉴定试验)；对于一系列卫星，将跳过一些QT，尤其是组件级的QT；对于相同一个星座的卫星，在第一颗卫星经过QT之后，剩余的卫星在仅经历AT之后就将发射；3)设计微纳卫星试验矩阵根据微纳卫星的试验对象，结合微纳卫星项目特性和设计特性要素以及试验基线，设计出相应产品的试验矩阵；其中，试验对象主要包括整星和组件级产品。进一步地，发射方式包括搭载发射或小型火箭发射。进一步地，姿态控制方式为主动或被动方式。本专利技术的方法，与现有技术相比，一颗微纳卫星最多可有效节约试验时间、试验经费80％以上。附图说明图1是本专利技术的微纳卫星试验矩阵设计流程图。图2是简化同心球热分析模型。图3是常压与真空温度对比。图4是不同特征长度下热真空与热循环导致的温度差。图5是不同外壳半径下两种试验导致的温度差(300K)。图6是热真空与热循环导致的两种试验温度差。图7是热传导对两种试验温度差的影响。图8是特征长度对两种试验温度差的影响。图9是特征尺度分别减半对两种试验温度差的影响。图10是300K时特征长度比对两种试验温度差的影响。图11是273K时特征长度比对两种试验温度差的影响。图12是253K时特征长度比对两种试验温度差的影响。具体实施方式以下参照附图1对本专利技术的一种微纳卫星试验矩阵设计方法进行详细说明，但该描述仅仅示例性的，并不旨在对本专利技术的保护范围进行任何限制。1)微纳卫星项目特性和设计特性要素选择本实施方式在进行微纳卫星试验验证策略选择、试验项目选择时，需要考虑的微纳项目特性要素主要包括卫星质量/体积、轨道、项目经费、交付时间、系统更新时间(到下一代卫星发射的时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.微纳卫星试验矩阵设计方法，包括以下步骤：1)确定微纳卫星项目特性和设计特性要素确定微纳卫星的微纳项目特性要素，微纳项目特性要素主要包括卫星质量/体积、轨道、项目经费、交付时间、系统更新时间即到下一代卫星发射的时间、研制方规模、研制方的基础设施、组件采购、制造工艺和材料、外协方能力、测试、发射安全性和危险性控制、卫星处置的安全性和危险性、从交付到发射的时间、发射方式、运行持续性、运行方式；确定微纳卫星的微纳项目设计特性要素，项目设计特性要素主要包括接口、设计寿命、可靠性计算、卫星持续工作能力、任务成功要求、单点故障、故障减缓、从发射到运行的时间、零件选择、辐射设计余量、电子零件安装、零件数量、出气限制、污染控制、材料选择、碎片减缓、线缆、电源控制组件、太阳电池阵、电池、指令和数据处理、遥测数据率、任务数据率、无线发射机、天线、展开、结构、分离机构、分离开关、热特性、姿态控制、微振动、推进、EMC；2)选择微纳卫星试验验证策略根据微纳卫星类型，选择微纳卫星试验验证策略，微纳卫星类型为单颗卫星、一系列卫星或一个星座卫星，对于单颗卫星，要经历QT+AT(鉴定试验+验收试验)或PFT(准鉴定试验)；对于一系列卫星，将跳过一些QT，尤其是组件级的QT；对于相同一个星座的卫星，在第一颗卫星经过QT之后，剩余的卫星在仅经历AT之后就将发射；3)设计微纳卫星试验矩阵根据微纳卫星的试验对象，结合微纳卫星项目特性和设计特性要素以及试验基线，设计出相应产品的试验矩阵；其中，试验对象主要包括整星和组件级产品。...

【技术特征摘要】
1.微纳卫星试验矩阵设计方法，包括以下步骤：1)确定微纳卫星项目特性和设计特性要素确定微纳卫星的微纳项目特性要素，微纳项目特性要素主要包括卫星质量/体积、轨道、项目经费、交付时间、系统更新时间即到下一代卫星发射的时间、研制方规模、研制方的基础设施、组件采购、制造工艺和材料、外协方能力、测试、发射安全性和危险性控制、卫星处置的安全性和危险性、从交付到发射的时间、发射方式、运行持续性、运行方式；确定微纳卫星的微纳项目设计特性要素，项目设计特性要素主要包括接口、设计寿命、可靠性计算、卫星持续工作能力、任务成功要求、单点故障、故障减缓、从发射到运行的时间、零件选择、辐射设计余量、电子零件安装、零件数量、出气限制、污染控制、材料选择、碎片减缓、线缆、电源控制组件、太阳电池阵、电池、指令和数据处理、遥测数据率、任务数据率、...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓宁，杨勇，王晶，樊世超，李西园，刘明辉，尚永红，张立伟，周原，黄首清，李涛，于兆吉，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11