即插即用衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)研究進(jìn)展（下）

+ 王曉海 中國航天科技集團(tuán)公司五院五零四研究所

即插即用衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)研究進(jìn)展（下）

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5　國外即插即用衛(wèi)星研究現(xiàn)狀

從1999年“太空快速響應(yīng)作戰(zhàn)（ORS）”概念的提出至今的十年時間里。美國在該領(lǐng)域取得了許多進(jìn)展，但仍存在挑戰(zhàn)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)舉措還只處于啟動階段。要成功實(shí)現(xiàn)ORS計(jì)劃仍然有很大的困難。為實(shí)現(xiàn)該計(jì)劃，許多新的概念被提出，包括標(biāo)準(zhǔn)化航天器平臺、模塊化載荷、虛擬衛(wèi)星、星簇、在軌服務(wù)等。未來通過對這些概念技術(shù)的應(yīng)用與探索，可保證系統(tǒng)快速地研制、生產(chǎn)與組裝。

5.1F6-PnPSat

美國國防先進(jìn)研究計(jì)劃局正是為了驗(yàn)證上述理念而投資發(fā)展F6計(jì)劃，并將其作為“太空快速響應(yīng)作戰(zhàn)”計(jì)劃的一個重要組成部分。

圖1　F6系統(tǒng)星座示意圖

圖2　F6系統(tǒng)星座示意圖

DARPA計(jì)劃分4個階段實(shí)施F6計(jì)劃：第Ⅰ階段進(jìn)行衛(wèi)星系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)，在軌動力學(xué)研究，設(shè)計(jì)項(xiàng)目框架，此外，合同承包團(tuán)隊(duì)還將開發(fā)基于硬件在回路的試驗(yàn)臺，以對分離模塊航天器的任務(wù)進(jìn)行軟件模擬；第Ⅱ階段完成系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，完成衛(wèi)星各功能模塊的軟硬件開發(fā)；第Ⅲ階段完成功能模塊的研制，進(jìn)行系統(tǒng)集成和地面模擬試驗(yàn)驗(yàn)證；第Ⅳ階段發(fā)射功能模塊，組成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行在軌演示驗(yàn)證。

PnPSat-1的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)證明采用SPA技術(shù)可以有效減小航天器裝配和集成組建所需的時間，目前采用下一代SPA技術(shù)的PnPSat-2的工作已經(jīng)開始。

5.2Pleiades項(xiàng)目

Pleiades項(xiàng)目為軌道科學(xué)公司聯(lián)合IBM公司、JPL噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開展的分離模塊航天器系統(tǒng)研究項(xiàng)目。Pleiades的任務(wù)場景假定為近地軌道科學(xué)探測，有效載荷為3個光電（EO）成像儀，每個成像儀可單獨(dú)工作，也可共同配合成像以增強(qiáng)科學(xué)探測能力。

Pleiades系統(tǒng)架構(gòu)最大的好處就是將3個光電成像儀的研制解耦，分期部署，快速發(fā)射開展任務(wù)。Pleiades系統(tǒng)包含5個225kg的模塊（Atlas系列）和2個75kg模塊（Pleione系列）。各模塊具備單獨(dú)發(fā)射入軌的能力，包含同傳統(tǒng)航天器平臺一樣的姿控、能量管理、熱管理、安全模式電子設(shè)備、推進(jìn)、測控等子系統(tǒng)這些最低配置。

系統(tǒng)各有效載荷將共享2套TDRSS測控系統(tǒng)，2個固態(tài)存儲器，2套高帶寬數(shù)據(jù)下傳系統(tǒng)，2套高性能任務(wù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。通過模塊間軟硬件的功能冗余保證系統(tǒng)的可用資源。

圖3　PnPSat結(jié)構(gòu)1

6　即插即用衛(wèi)星系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

6.1集群導(dǎo)航控制技術(shù)

隨著分布式衛(wèi)星編隊(duì)飛行的發(fā)展，編隊(duì)飛行控制技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟。在編隊(duì)飛行的控制和測量精度的要求上，實(shí)現(xiàn)分離模塊編隊(duì)飛行要比實(shí)現(xiàn)分布式衛(wèi)星編隊(duì)飛行要低。F6計(jì)劃的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)自主、安全、自防護(hù)編隊(duì)導(dǎo)航，具有虛擬對接和隊(duì)形變換的功能，在部分模塊失效和遭受敵方攻擊時，系統(tǒng)具有快速重構(gòu)編隊(duì)的能力。

模塊航天器在集群飛行狀態(tài)下的控制問題以航天器相對動力學(xué)方程為基礎(chǔ)，與編隊(duì)飛行控制有共同點(diǎn)，可以在航天器編隊(duì)飛行控制的基礎(chǔ)上開展。但是，同分布式衛(wèi)星群和編隊(duì)飛行衛(wèi)星相比，分離模塊異構(gòu)集群的控制問題面臨多方面的挑戰(zhàn)。普林斯頓衛(wèi)星公司的Joseph Mueller歸納了集群航天器軌道控制的主要問題：首先，集群中的模塊并非都具有軌道保持與控制能力，這是對集群或構(gòu)型保持控制策略的挑戰(zhàn)；其次，在集群分散的情況下，控制是采用精密保持、松散保持，將極大影響控制的代價，需要建立合適的任務(wù)分析模型；第三，集群控制將受到傳感器系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)作用范圍的約束；第四，模塊航天器的異構(gòu)特性將導(dǎo)致特別的相對攝動力，如大氣阻力、太陽光壓攝動的差異，從而增加集群軌道運(yùn)動分析的復(fù)雜性；第五，導(dǎo)航不確定性的影響。

6.2網(wǎng)絡(luò)通信處理技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的目標(biāo)是使“分離模塊航天器”構(gòu)成一個自組織網(wǎng)絡(luò)，具有高可靠性和高可用性，同時還具備即插即用的特性。此外，還需要發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)軟件和硬件接口，使數(shù)據(jù)包和多種標(biāo)準(zhǔn)航天器組件在進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時可進(jìn)行唯一的地址標(biāo)識。

隨著空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的逐漸增加，傳統(tǒng)衛(wèi)星中采用的頻分多址、空分多址技術(shù)將逐漸難以滿足日益增長的空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信需求，目前在民用通信業(yè)務(wù)領(lǐng)域廣泛采用的碼分多址等先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)尋址技術(shù)將進(jìn)入航天應(yīng)用領(lǐng)域。

隨著軍事對抗技術(shù)的升級，通信手段的安全性也需要不斷升級。這其中不僅包括信息的加密技術(shù)，跳頻通信技術(shù)，還包括在衛(wèi)星遭受到電磁攻擊、物理攻擊條件下的星間信息鏈路防護(hù)設(shè)計(jì)。

6.3無線能源傳輸技術(shù)

無線能源傳輸技術(shù)是F6概念中一項(xiàng)很重要的基礎(chǔ)技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的意義在于可以將傳統(tǒng)衛(wèi)星中的能源分系統(tǒng)獨(dú)立出來，形成一個獨(dú)立的模塊，通過無線能量傳輸?shù)募夹g(shù)為星群中的其他模塊提供能源服務(wù)。

激光能量傳輸技術(shù)雖然很早就被提出了，但一直處于概念研究和論證階段，直到比較晚些時候，國際上才對利用激光作為能量載體的無線能量傳輸技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。激光方向性強(qiáng)、能量集中，利用激光可以攜帶大量的能量，可以用較小的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的輸電。有關(guān)研究選擇激光的優(yōu)勢在于.所需的傳輸和接收設(shè)備是微波所需的1/10，并且不存在干擾通信衛(wèi)星的風(fēng)險。

利用激光進(jìn)行能量傳輸，因?yàn)槠渚哂心芰考?，能流密度高的特點(diǎn)，因此激光能量的接收端設(shè)備可以盡量減小體積和重量。此外，地球大氣對于可見光譜段和近紅外譜段的電磁波具有較高的透過率。因此選擇用于進(jìn)行能量傳輸?shù)募す鈶?yīng)集中在可見光和近紅外譜段。目前通常采用的激光器是釔鋁石榴石晶體激光器或者二極管激光器，其中二極管激光器是電-光轉(zhuǎn)換效率最高的激光器。

6.4空間交會對接技術(shù)

空間交會對接技術(shù)（Rendezvous and Docking，簡稱RVD）是發(fā)展空間技術(shù)的關(guān)鍵途徑。它包括兩部分相互銜接的空間操作，即空間交會和空間對接。所謂交會是指跟蹤航天器與目標(biāo)航天器在軌道上按預(yù)定要求相互接近的過程，即兩個航天器通過軌道參數(shù)的協(xié)調(diào)在同一時間到達(dá)同一空間位置的過程。而對接則為在交會的基礎(chǔ)上，通過專門的對接裝置將其結(jié)構(gòu)上連成一個整體。

航天器交會對接技術(shù)是航天領(lǐng)域一項(xiàng)非常復(fù)雜且難度很大的工作。隨著航天技術(shù)尤其是載人航天技術(shù)的發(fā)展，空間交會對接技術(shù)也得到了迅速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。它是一種當(dāng)在太空中執(zhí)行向其它航天器提供在軌服務(wù)（如補(bǔ)充物資、燃料加注、更換軌道替換單元等）、完成大型結(jié)構(gòu)在軌組裝以及回收空間產(chǎn)品等任務(wù)時所必不可少的技術(shù)?？梢哉f，交會對接技術(shù)己成為當(dāng)前和今后一段時期內(nèi)進(jìn)行空間探索必須首先要解決的一個關(guān)鍵問題。

圖4　SPA1

自主交會對接技術(shù)是分離異構(gòu)衛(wèi)星技術(shù)中的重要基礎(chǔ)技術(shù)，它的成熟應(yīng)用可使姿軌控分系統(tǒng)從衛(wèi)星中分離出來，形成獨(dú)立的模塊，當(dāng)其他模塊需要調(diào)整姿態(tài)或者軌道機(jī)動時，姿軌控模塊可以與目標(biāo)模塊實(shí)施對接，利用自身較強(qiáng)的機(jī)動變軌能力為其他模塊進(jìn)行服務(wù)。

6.5分布式計(jì)算技術(shù)

分布式計(jì)算是一門計(jì)算機(jī)科學(xué)，用于研究如何把一個大型任務(wù)分成許多小的部分，然后把這些部分分配給許多計(jì)算單元進(jìn)行處理，最后再把計(jì)算結(jié)果綜合起來得到最終的結(jié)果。在F6計(jì)劃中，分布式計(jì)算技術(shù)需要具備可擴(kuò)充性、自適應(yīng)性和容錯性能，能夠保證當(dāng)在軌運(yùn)行的部分模塊失效時，剩余模塊仍然能夠“保持生存”（Keep Alive），直到替換模塊插入后恢復(fù)系統(tǒng)功能?！氨３稚妗敝饕侵竷蓚€方面：一是保持電力供應(yīng)和安全的熱防護(hù)；二是能夠接收命令，同時把狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送給其他模塊。

7　結(jié)語

即插即用很好地貫徹了“通用化、系列化、模塊化”的航天標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，使微小衛(wèi)星可以在短時間內(nèi)設(shè)計(jì)和研制完成，通過快速測試后即可以完成按需發(fā)射，有效滿足快速航天任務(wù)需求。未來即插即用技術(shù)將按照從低級到高級、從簡單到復(fù)雜的規(guī)律，發(fā)展成“星與星”之間的即插即用。就是在實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星內(nèi)部綜合電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上可以將即插即用關(guān)系擴(kuò)展到衛(wèi)星編隊(duì)或者“自由飛”系統(tǒng)中，使得單個衛(wèi)星可以方便地“無線即插即用”到衛(wèi)星群落中。

圖5　PnP Satellites

［1］ Frederick A.Slane、Adrian J. Hooke Space Plug and Play Avionics Standards：Progress，

Problems and a View of the Future 2007 Conference and Exhibit 2007-2912

［2］ D o n F r o n t e r h o u s e、J i m L y k e、S t e v e Achramowicz Plug-and-Play Satellite（PnPSat）

2007 Conference and Exhibit 2007-2914

［3］ Jim Lyke Space-Plug-and-Play Avionics（SPA）：A Three Year Progress Report

2007 Conference and Exhibit 2007-2928

［4］ Jeffrey E Naff Quick-Turn Finite Element Analysis for Plug-and-Play Satellite Structures 2007-3

［5］ L.J.H a n s e n、P.G r a v e n、D.F o g l e、J.Lyke The Feasibility of Applying Plug-and-Play

Concepts to Spacecraft Guidance、Navigati on and Control Systems to Meet the Challenges of Future Responsive Missions 2008 International ESA Conference on Guidance、Navigation & Control Systems

［6］ Maurice Martin、Don Fronterhouse、Jim Lyke The Implementation of a Plug-and-Play Satellite Bus 2008

［7］ Wayne C.Boncyk Revolutionary Design Meets Spacecraft Reality：Lessons Learned in Developing a PnPSat Power System Aerospace Conference，2009 IEEE

［8］ Christopher J. McNutt、Robert Vick、Harry Whiting、James Lyke Modular Nano satellites—Plug-and-Play（PnP）CubeSat 2009 7thResponsive Space Conference

［9］ Anthony Lai Next Generation Plug and Play Radiation Tolerant Avionics 2009 4th International Conference on Recent Advances in Space Technologies

［10］ Paul Graven、Ksenia Kolcio and Yegor Plam Implementation of a Plug-and-Play Attitude Determination and Control System on PnPSat 2009IEEE

［11］ Michael D.Trottier Accurate Dynamic Response Predictions of Plug-and-Play Satellite I

［12］ 楊希祥、張為華 衛(wèi)星公用艙模塊化及其即插即用技術(shù)研究 2008年航空宇航科學(xué)與技術(shù)全國博士生學(xué)術(shù)論壇 2008年10月

［13］ 尤政、田賀祥、李濱 微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)中的即插即用技術(shù) 《清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》2009年第11期

［14］ 郝大功、蘆小宇、盧棟 美國即插即用衛(wèi)星分析與研究 《科技和產(chǎn)業(yè)》2011年第9期 pp143-145

［15］ 王興龍、董云峰 即插即用模塊化衛(wèi)星體系結(jié)構(gòu)研究 《航天器工程》2012年第5期 pp124-129

［16］ 汪立萍、蔡亞梅、陳利玲 即插即用技術(shù)與PnPSat-1衛(wèi)星解析 《空間電子技術(shù)》 2013 年第2期 pp105-108

［17］ 陳園、王明東、李新洪 模塊化衛(wèi)星即插即用電子系統(tǒng)研究 《國外電子測量技術(shù)》2013年第32卷 第8期 pp5-9

［18］ 張鵬 美國即插即用衛(wèi)星發(fā)展 《國際太空》2014年第6期 pp30-33