衛星的案例
衛星制造商THALES將粉末床3D打印用于衛星支架量產
衛星輕量化和點陣結構的應用領域，我國毫不遜色。例如中國空間技術研究院（北京空間飛行器總體設計部/501部），在3D打印方面已經擁有多年的經驗，形成了面向增材制造技術的設計方法，結合設計及增材制造技術的特點，進行全新的衛星設計。
來源：3D科學谷
案例分享 | Tyvak 納米衛星系統公司通過 MSC Apex 讓衛星減重 5 – 10%
Tyvak 納米衛星系統公司是 Terran Orbital 公司旗下的公司，專門從事航天器開發、發射服務以及在軌運行，提供用于重要的民事、國防及商業飛行任務的納米衛星和微小衛星，涵蓋近地軌道、地球同步軌道及地外軌道的各種飛行任務應用。自公司成立以來，Tyvak已開發出大量的納米衛星和微小衛星。Terran Orbital 品牌已完成超過 75 個全程飛行任務，并且在全球范圍內發射了超過 215 顆小型衛星。
圖.RainCube 飛行系統以及展開的太陽能電池板和雷達天線。
挑戰
設計、制造納米衛星是一個周密、復雜的過程。對 Tyvak 客戶來說，低廉的發射成本是主要的誘因。由于設計質量是發射成本的關鍵，Tyvak 工程師需要盡最大努力減輕衛星質量。在技術層面上，確保衛星結構能夠在大量的發射場景和環境中可靠地工作至關重要。為實現這一目標，Tyvak 采用虛擬樣機來開展其研發工作。然而，為能讓衛星減重，Tyvak 意識到需要在相同的時間里對更多的設計變量進行研究。因此，Tyvak 非常愿意采用新型、高效率的CAE工具來建立他們的有限元（FE）模型。
Tyvak的目標是縮短非常耗時的設計周期。這個過程從現有的幾何模型開始，通常包括簡化幾何，去除不必要的特征，并創建一個高質量的網格模型。在對新設計的性能進行驗證時，需要分配材料、施加約束和載荷并最終進行解算。在這個工作流程中，大部分的時間都花費在簡化 CAD 幾何體以及創建可提供準確仿真結果的網格上。這就需要充分利用 Tyvak 現有的工具和方法來建立可供使用的有限元模型。
展開 案例分享 | Tyvak 納米衛星系統公司通過 MSC Apex 讓衛星減重 5 – 10%
Tyvak 納米衛星系統公司是 Terran Orbital 公司旗下的公司，專門從事航天器開發、發射服務以及在軌運行，提供用于重要的民事、國防及商業飛行任務的納米衛星和微小衛星，涵蓋近地軌道、地球同步軌道及地外軌道的各種飛行任務應用。自公司成立以來，Tyvak已開發出大量的納米衛星和微小衛星。Terran Orbital 品牌已完成超過 75 個全程飛行任務，并且在全球范圍內發射了超過 215 顆小型衛星。
圖.RainCube 飛行系統以及展開的太陽能電池板和雷達天線。
挑戰
設計、制造納米衛星是一個周密、復雜的過程。對 Tyvak 客戶來說，低廉的發射成本是主要的誘因。由于設計質量是發射成本的關鍵，Tyvak 工程師需要盡最大努力減輕衛星質量。在技術層面上，確保衛星結構能夠在大量的發射場景和環境中可靠地工作至關重要。為實現這一目標，Tyvak 采用虛擬樣機來開展其研發工作。然而，為能讓衛星減重，Tyvak 意識到需要在相同的時間里對更多的設計變量進行研究。因此，Tyvak 非常愿意采用新型、高效率的CAE工具來建立他們的有限元（FE）模型。
Tyvak的目標是縮短非常耗時的設計周期。這個過程從現有的幾何模型開始，通常包括簡化幾何，去除不必要的特征，并創建一個高質量的網格模型。在對新設計的性能進行驗證時，需要分配材料、施加約束和載荷并最終進行解算。在這個工作流程中，大部分的時間都花費在簡化 CAD 幾何體以及創建可提供準確仿真結果的網格上。這就需要充分利用 Tyvak 現有的工具和方法來建立可供使用的有限元模型。
展開 基于MBSE的衛星工程(4)
(3)經濟和社會發展對衛星應用需求的迅速擴大,也促進了以小衛星為基礎的星座系統開發。
(4)高技術條件下的現代戰爭對發展小衛星提出了迫切的需求。
(5)科學實驗和新技術驗證都需要通過發展小衛星來實現。
(6)提高發射頻度、降低風險的需要。
2017年7月14日，拜科努爾成功發射斯圖加特大學研制的一顆名為“飛行筆記本電腦”的110公斤微小衛星（網絡圖）
在小衛星發展的基礎上，由于微小型化技術的快速發展，更進一步促進了小衛星向微小型化發展。美國航宇局將小衛星定義500kg以下。英國薩瑞大學還進一步將100kg～500kg的衛星稱為微小衛星(MINISAT)，10kg～100kg的衛星稱為微型衛星(MICROSAT)，10kg以下的衛星稱為納米衛星(NANOSAT)。納米衛星還稱固態衛星、硅微衛星，其自身通常無法獨立完成空間任務,需要依賴分布式的星座或網絡才能實現其功能。
用重量(或者尺寸、經費)來定義和分類現代小衛星具有清晰和直觀的優點,但卻無法闡述現代小衛星的特點,尤其是它與傳統小衛星的區別。因此，現又提出用功能密度(衛星分系統單位重量的功能)進行分類的方法，但這種方法又難于直觀給出小衛星的概念。因此,嚴格來講，現代小衛星又是衛星技術發展進步的一種表述。
02
微小衛星
Mini Satellite
不同于傳統大衛星的運載火箭定制專用發射，微小衛星的發射模式更加靈活。
展開 
平流層偽衛星來了：德國航空航天中心研發替代衛星的平流層無人機
地球觀測和全球通信——這兩個詞立刻讓人想起衛星。建造這些衛星并將它們送入軌道的費用很高，而且在任務結束時，它們的殘骸有時會留下來成為空間碎片。然而，飛機或直升機也不是完成這些任務的理想選擇。他們的部署受到時間和地點因素的限制，并且飛行高度依賴于天氣。
近日來自德國德國航空太空中心的一個研究小組正在研究和開發一種無人駕駛的太陽能平流層飛機，這種飛機結合了航天和航空的優勢，將用于未來的科學實驗。
Alpha HAP 設計研究(圖片來源: DLR)
德國航空航天中心的研究人員將他們的技術運營商命名為 HAP alpha。“ HAP 代表‘高空平臺’,”來自德國航空航天中心飛行系統研究所的 Florian Nikodem 解釋說。“它們通常是太陽能平臺，常駐在海拔20公里的平流層下部。”
在這個高度，他們飛行遠高于民用空中交通空域，甚至天氣因素都不需考慮。只要有足夠的太陽能，它們可以部署在任何地方，并且根據它們的有效載荷，可以用于各種任務。一旦到達平流層下部，它們不受天氣影響，也不受任務持續時間的影響，因為飛船上沒有乘員。這就是它們區別于傳統飛機的地方。
高空平臺(HAP) alpha 重36公斤，有效載荷能力為5公斤，翼展27米，預計飛行高度為20公里。HAP 項目于2018年啟動，第一次飛行計劃在2022年底進行。該平臺可以同時應用于民用和軍事領域。
“阿爾法”高空平臺無人機，預計將飛行到20公里的高度
高空平臺重36公斤，有效載荷5公斤，翼展27米，預計飛行高度20公里
與飛機和非地球靜止衛星不同，平流層通信衛星可以永久駐扎在任何地點。與載人飛機不同，它們是自動操作的——就像衛星一樣。
展開 衛星測控系統簡介
衛星測控體系已經逐漸成熟，測控設備價格的逐步降低，使得商業化運營的衛星測控公司逐漸出現并發展起來。
多衛星任務（MSM）應用的增長源于微衛星、納米衛星和立方星的日益快速普及，以及批量化、標準化的生產線建立。
長空所指，有我護航
微小衛星測控分系統
測控(Telemetry,Tracking and Control,TT&C)系統是小衛星架構中一個不可或缺的分
系統，TT&C提供了遙測、遙控、測距、測速、跟蹤等基本業務。測控系統不僅起著
保障衛星正常工作，管理衛星狀態的功能，同時也是地面站觀察和維護小衛星運行狀態
的唯一途徑。
其主要功能如下：
（1）監視衛星通信平臺上各個子系統的性能，并將這些監視數據發往地面衛星控制
中心，為地面站工作人員分析判斷衛星是否運行正常提供數據參考。
（2）提供地面站跟蹤的信號源，地面衛星測控中心通過測量發射信號和接收信號之
間的相位差，確定地面站與衛星之間的距離以及兩者的相對運動速度。
（3）接收地面測控中心根據遙測和跟蹤數據發現星上分系統參數出現偏差或故障發
送的指令，進而調整衛星的在軌運行姿態與運行軌跡。
圖1 測控任務業務流程
目前統一S波段（USB）、擴頻等測控體系常應用在大型衛星通信系統[26]。
展開 基于MBSE的衛星工程(5)
空間自主納星集群飛行和地理定位任務
由以色列理工學院主導、并得到以色列航天工業公司支持的“空間自主納星集群飛行和地理定位任務”（Space Autonomous Mission for Swarming andGeo-Locating Nanosatellites——SAMSON），旨在演示多顆衛星的長期自主編隊飛行。該任務將使用3顆基于立方星標準平臺研發的3U立方星。每顆衛星上都將配備冷氣推進系統、原子鐘、星間通信系統以及可展開太陽能電池板。這3顆衛星將被發射到半長軸、偏心率、傾角相同的；軌道，并形成一個衛星集群，衛星間的相對距離從最近的100m到最遠的250km。其中1顆星將被指定為“領航者”，其他2顆星將作為“跟隨者”。“跟隨者”可根據“領航者”的運動狀態，對運行軌道進行修正，以滿足相對距離約束。另外，地面控制中心可下達指令從而實現衛星間的角色轉換。
利用納米衛星進行群集和地理定位的空間自主任務(SAMSON：Space Autonomous Mission for Swarming and Geolocation with Nanosatellites)
地球觀測應用的新趨勢是使用一套低成本、簡單和研制時間短的衛星。以12顆立方體衛星作為成像節點的群任務，此外還提出了集線式微衛星來完成對地觀測任務，稱為分塊成像衛星群(FIC：Fractionated Imaging Satellite Cluster)。該建議的最大問題在于成像節點衛星和一顆集線器衛星之間使用光通信鏈路來傳輸大量成像數據。
SAMSON將包括三顆基于立方體衛星標準建造的納米衛星。
展開 國外數字孿生衛星技術發展概述
來源：高端裝備產業研究中心 作者：太陽谷
前言：衛星行業處于航天創新的前沿，隨著越來越多的太空科技公司進入衛星市場(其中尤以商業近地軌道星座為主)，該行業正在經歷快速的數字化轉型。作為資本與技術密集型行業，其數字化轉型的關鍵正是數字孿生技術。
全球衛星產業發展
目前，全球太空業務不斷發展壯大，商業衛星行業繼續占據主導地位。2022年6月29日，美國衛星工業協會(SIA)發布第25份衛星行業年度狀況報告，報告顯示2021年全球航天經濟整體收入3860億美元，其中衛星產業收入2790億美元、占比72%，較2020年增長3%。該行業主要領域2021年收入概況如下：
衛星制造業收入137億美元，相比2020年增長12%;
衛星發射業收入57億美元,相比2020年增長8%;
衛星服務業收入1180億美元,比上一年增長0.4%;
地面設備制造業收入1420億美元,比上一年增長5%。
2021年全球衛星產業收入概況
數字孿生技術
隨著衛星產業的不斷擴張，數字化、網絡化、智能化、服務化轉型正成為衛星市場的發展熱潮，數字孿生技術已成為衛星領域數字化戰略的關鍵。該技術重要性不在于數字孿生體的創建，而在于利用數字孿生體創造更多的價值。通過數字孿生技術，可以監控物理實體的性能、優化維護、提供生命周期數據以改進設計等。
數字孿生概念
數字孿生技術需要將各種來源的信息和不同的接口相結合，在一個框架中集成不同子系統的實時數據、歷史數據和模擬數據。因此需要穩定的傳感器和可靠的數據傳輸技術來確保獲取所有相關數據。當前云計算和人工智能極大程度上促進了數字孿生技術的發展，云計算有助于進行數據處理，人工智能有助于進行高級分析并提供預測能力。
展開 基于MBSE的衛星設計(2)
發射成本的不斷降低、可重復使用火箭的發展推動當今的衛星行業掀起新的變革。
小衛星數字化設計
根據衛星質量，通常將小于1000kg的衛星稱為廣義的小衛星，500~1000kg的稱為小衛星，100~500kg的稱為微小衛星，10~100kg的稱為顯微衛星，小于10kg的稱為納米衛星。與大衛星相比，小衛星具有先進、快速、低廉、可靠等特點。小衛星不只是簡單意義上的質量輕，而是高度集成化技術和自動化技術的應用，伴隨著計算機的迅速發展，逐步實現了星上控制與處理計算機小型化。通常，小衛星可在不到1年內實現設計、制造、發射、在軌運行的全過程。發射一顆小衛星包括發射價格在內約3000萬人民幣，不僅價格低廉，而且風險小，一般小衛星壽命在10年以上。
1997年，我國的“現代小衛星”開拓了一種與過去不同的衛星內部業務管理的方法，創建了一個新的衛星平臺服務系統，稱為“小衛星星務系統”。它實現了衛星的信息共享和星內業務的統一管理。它使衛星設計從頂層開始，用四個標準文檔規范了全星設備之間的信息接口，用它們來約束星上設備的設計、制造、驗收、環境試驗和在軌運行的操控。
展開 衛星遙感探測原理與數據應用
遙感衛星 (Remote Sensing Satellite )用作外層空間遙感平臺的人造衛星。用衛星作為平臺的遙感技術稱為衛星遙感。通常，遙感衛星可在軌道上運行數年。衛星軌道可根據需要來確定。遙感衛星能在規定的時間內覆蓋整個地球或指定的任何區域，當沿地球同步軌道運行時，它能連續地對地球表面某指定地域進行遙感。所有的遙感衛星都需要有遙感衛星地面站，從遙感集市平臺獲得的衛星數據可監測到農業、林業、海洋、國土、環保、氣象等情況，遙感衛星主要有氣象衛星、陸地衛星和海洋衛星三種類型。
氣象衛星遙感探測原理
在地球大氣系統中各自然表面以及大氣本身的輻射過程是一個十分復雜的問題，它涉及到各輻射源的特性和物體和氣體的吸收、發射、透射、目標物反射、粒子散射和透射等諸多方面的特性。地球大氣系統作為一個整體，它一方面要接受入射的太陽輻射，另一方面又要反射太陽輻射和以其自身的溫度發射紅外輻射。在它的視場范圍內測量到輻射主要有:
1) 地表、云層發出的紅外輻射，將衛星在大氣窗通道測量的輻射轉換成圖象就得紅外云圖。
2)大氣中吸收氣體發射的紅外輻射，由衛星測量到的大氣氣體發射的輻射，就可反演獲取大氣的有關參數，如選取CO2 發射的輻射可以得到大氣垂直溫度，由H2O 發射的輻射可以得到水汽分布。
3)地面、云面反射的大氣向下的紅外輻射，由于在紅外波段衛星測量的地面反射大氣輻射很小，可以忽略不計。
4) 地面和云面反射太陽輻射，衛星在可見光-近紅外譜段測量的輻射就獲取可見光云圖。
5）大氣分子、氣溶膠等對太陽輻射的散射輻射，根據衛星測量的大氣分子、氣溶膠的后向散射輻射可以獲取大氣分子、氣溶膠的分布。
展開 衛星測控科普之無線電測控技術概述
衛星無線電測控
自1957年第一顆人造地球衛星成功發射以來，空間技術成為發展最為迅速的技術學科之一，并推動了經濟和軍事的巨大進展、空間飛行器無線電測控作為空間技術的基礎技術在飛行器發展的歷程中具有不可替代的作用。因為衛星在隨著運載火箭發射空后，人們在地面要及時了解衛星運行軌道及衛星各分系統的工作情況和各種工程參數，同時還要在地面對衛星飛行軌道、姿態以及各分系統工作狀態進行控制。由于衛星通常是通過無線電信道來完成測控信息的傳遞任務，因此稱之為衛星（或空間飛行器）無線電測控。
衛星無線電測控包括：跟蹤測軌、遙測；遙控（英文是Tracking Telemetry and command 簡稱TTC或TT&C）跟蹤測軌是指地面站能跟蹤衛星并測出其飛行軌道。遙測顧名思義是遠距離測量，是將衛星上的各種信息（被測物理量）變成電信號、并以無線電載波的形式傳到地面接收站，經接收，解調處理后還原成各種信息，為人們提供飛行中衛星的各種工作狀態和數據。同樣的意義，遙控為遠距離控制、其作用方向正好與遙測相反，是將地面上的各種信息（其中主要是對衛星的各種控制量）以電信號的形式調制無線電載波，向衛星發射，衛星接收解調后，按地面要求對衛星有關分系統進行控制或者將信息提供星上有關分系統進行處理、比對，接受或衛星的情況決定其工作程序。
衛星跟蹤測軌則與遙測、遙控不同，衛星跟蹤測軌分為光學如無線電兩種，光學是在地面上依靠光學跟蹤經緯儀。激光測距儀等光學手段進行跟蹤測軌、目前衛星較少采用（常作為輔助手段）。衛星跟蹤測軌則以無線電跟蹤測軌為主，它是測量衛星與地面站之間的角度（方位角、俯仰角）、距離、相對速度、其本身也是一個無線電信息傳輸系統、不過無線電波所攜帶的信息是衛星位置，速度的信息。
展開 
基于MBSE的衛星工程(3)
基于MBSE的衛星工程(3)
相關衍生概念辨析
01
衛星工程
Satellite Project
包括衛星總體設計、衛星有效載荷技術、衛星結構和機構、衛星姿態控制和軌道控制、衛星推進技術、衛星熱控制、衛星測控和星載數據管理、衛星電源、衛星返回技術、衛星總裝、衛星地面測試、衛星環境模擬試驗、衛星可靠性技術、衛星CAD、典型衛星應用系統及衛星工程管理等。
展開 衛星發動機長什么樣？
2015年3月，獵鷹9火箭發射了兩顆全電推進的通信衛星，圖為上下兩顆衛星在發射前的組裝狀態。
所謂全電推進，就是衛星不再擁有化學發動機和化學燃料，衛星重量可降低40%以上，其帶來的好處不言而喻。比如從發射成本來說，如果說以前的地球靜止衛星，一枚火箭只能發射一枚衛星的話，那么在采取全電推進后，衛星重量得以大幅下降，那么就能同時發射兩顆衛星了，發射成本瞬間降一半！
在軌高度3.6萬公里的那些靜止軌道上的衛星，它們為了維持在軌15年左右，還有就是其通過自身動力從轉移軌道提升到靜止軌道時，會消耗大量燃料。因此，這些衛星有超過一半的重量都是由推進劑帶來的。
衛星壽命越長經濟效益越好，而現階段衛星的壽命絕大部分只取決于一個因素：你帶了多少推進劑。
而離子推力器的優勢就是可以大幅降低衛星重量，并延長在軌時間。當然，它同時也要付出代價。例如，若使用化學發動機，那么衛星從發射到定點就位只要一周或兩周時間，但使用全電推進的話，此過程將耗費4到9個月，可謂龜速。不過，對于在軌十幾年的通信衛星來說，犧牲五六個月的時間是可以接受的。
圖源：Jacobon
外行看熱鬧，內行看門道。不少小國家也能造衛星，甚至具有發射能力。然而，相同軌道高度和重量的衛星，我在軌18年，你在軌6年，這就是差距，而這種差距，很大的原因是由衛星上的推進系統決定的。
展開 3D打印衛星越來越火，生產更快、成本更降
南極熊導讀：隨著增材制造技術的進步，衛星上的3D打印部件的數量正在增加。衛星工廠正在接受這項技術，以降低成本，加快生產功能越來越強大的航天器。這些進展正在為衛星能夠在軌道上打印零件的未來鋪平道路，但離3D打印整個衛星還有多遠呢？
這是一個棘手的問題，尤其是因為衛星上的零件數量因大小和復雜性而有很大不同，從簡單的基礎結構到復雜的半導體。
△3D打印使多個波導合并成一個單元，便于系統集成并優化了重量。資料來源：Swissto12
增材制造專家Swissto12公司的首席執行官Emile de Rijk說："立方體衛星的部件數量可能是幾百個，而大型衛星的部件數量可能是幾萬個到幾十萬個，如剛剛發射的價值100億美元的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡。但就在五年前，3D打印結構的使用在很大程度上是實驗性的，只有極少數的部件在特殊飛行測試任務中才會應用。"
△由SWISSto12 3D打印的航空航天零件。圖片來自SWISSto12
但是現在，幾乎所有建造的衛星都多多少少會有一些3D打印部件，盡管大多數仍然是相對簡單的機械支架系統，用于保持航天器的結構。
△2018年發射的Hispasat 30W-6衛星的天線塔由200多個增材制造部件組成。資料來源：Maxar Technologies
對于Maxar Technologies來說，增材制造部件已經成為建造的所有衛星的標準，在2020年約占典型航天器中部件的三分之一。
展開 衛星設計，請從MBSE開始
衛星設計，請從MBSE開始
01. 背景
隨著太空時代的迅速發展，創新技術也開始在太空可持續性和服務于偏遠地區的太空應用中占有一席之地。這些技術已經逐步應用在在正在進行的太空探索項目、微型衛星和天文觀測方面的快速發展。軍、民、商更感興趣的是衛星通信、廣播和通過近地軌道衛星星座提供的互聯網服務。可以更好地為軍事行動、信息交互、通信交流、情報收發等提供更好地支撐，近地軌道（LEO：Low Earth Orbit）由于其提供全球覆蓋和較低延遲的獨特特性，正在成為幾乎所有衛星星座的宿主。
由于LEO正被成千上萬的衛星網絡(如Starlink和OneWeb)組成的星座所占據，這些衛星網絡的設計及其數據管理使星座變得更加設計復雜，成本昂貴、管理困難。為了將太空應用的優勢提供給仍然無法獲得互聯網服務的偏遠和農村地區，新的方法可以提供降低成本的措施。
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