即插即用衛星系統技術研究進展（上）

+ 王曉海

（空間電子信息技術研究院 空間微波技術重點實驗室）

即插即用衛星系統技術研究進展（上）

+ 王曉海

（空間電子信息技術研究院 空間微波技術重點實驗室）

本文首先介紹了航天即插即用的基本概念及衛星系統實現即插即用的優越性，闡述了國外衛星即插即用技術的研究現狀，重點探討分析了即插即用衛星的構成及關鍵技術。

即插即用技術 分離模塊F6計劃 PnPSat衛星

1 前言

為保障未來戰爭中能及時補充和維護失效軍用衛星，美國啟動了作戰及時響應空間（ORS）計劃，通過快速裝配、集成和測試（AIT），部署小型低成本衛星，完成響應性的開發，提升或補充空間力量，增強利用空間和控制空間能力。因此，支持衛星的快速組裝及模塊的在軌更換成為未來天基平臺發展的一個主要方向。此外，通過研究發現，太空系統100%都會受到令人震驚的超限成本的懲罰，究其原因，主要是其復雜性帶來的損失和耗費。為此，美國空軍實驗室（Air Force Research Laboratory，AFRL）提出如何通過技術手段來有效減小或降低航天系統的復雜程度，并且更為快捷、迅速方便的生產制造出航天系統的研究課題。

具體應用什么技術，采取何種方式能夠實現航天系統的快速搭建組裝是探索的主題和重點。2004年，科學家們從地面設備采用的技術中獲得啟發：例如生產一臺計算機，可以非常簡單也十分迅速的將各個部件拼接集成，不需要重新編寫程序或修改硬件；對于基于網絡的可升級系統，數千臺分布式的服務器不僅能夠準確無誤的傳遞服務信息，同時能夠保證硬件和軟件不斷的升級更新。

上述事例的內涵即就是早已在計算機系統應用多年，至今已非常成熟的即插即用技術。

2 即插即用衛星技術

即插即用技術（Plug-and-play，PnP）原是一項用于自動處理PC機硬件設備安裝的工業標準，使得硬件設備的安裝大大簡化，無須再做跳線，也不必使用軟件配置程序。

即插即用衛星是指具有開放標準和接口，能夠對部件進行自我描述，自動進行系統配置的模塊化衛星。系統集成可以得到簡化并且能夠自動測試。國外即插即用衛星概念是1999年由美國國防部在ORS計劃中首次提出，空軍實驗（AFRL）在2006年9月開始概念研究，2008年實現用于飛行試驗的工程樣機，目前正在研制階段。下圖1是研制的即插即用衛星及各部件裝配位置示意圖。即插即用有效載荷是即插即用衛星中的核心，其具體概念尚無統一明確定義，但基本思想是指應用航天即插即用技術的有效載荷。

航天即插即用技術（Space Plug-and-playAvionics（SPA））是目前研究的熱點技術，核心思想是將基于智能機器協商接口和集成總線的陸地即插即用（PnP）技術經擴展改造用于航天器。SPA支撐技術主要包括系統級封裝技術（SiP）、微機電系統技術（MEMS）、多功能結構技術（MFS）、軟件無線電技術（SDR）、可重構系統技術（RSTC）、基于FPGA的可重配置計算原理以及自適應多重布線（AWM）、自組織網絡技術（SONT）、高性能傳感器的FPGA公共前端處理器以及實現高性能在軌計算（HPCOO）的融合處理器網格型陣列網絡等。

SiP（System in Package，系統級封裝）技術，是指將多個具有不同功能的有源組件與無源組件組合在同一封裝中，成為可提供多種功能的單顆標準封裝組件，形成一個系統或子系統。

MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微機電系統）技術是微電子技術的拓寬和延伸，它將微電子技術和精密機械加工技術相互融合,構建成為機電一體的系統。具體來說，微機電系統是專指外形輪廓尺寸在毫米量級以下，構成它的機械零件和半導體元器件尺寸在微米至納米量級（10-6～10-9m），可對聲、光、熱、磁、運動等自然信息進行感知、識別、控制和處理的微型機電裝置。它是正在飛速發展的微米和納米技術的一項十分重要的成果。它將微型電機、微型電路、微型傳感器、微型執行器等微型裝置和器件集成在硅片上，不僅能搜集、處理與發送信息或指令，還能按照所獲取的信息自主或根據外部指令采取行動。

MFS（Multi-Functional Structure，多功能結構）技術是以微電子技術、大規模集成電路、超大規模集成電路以及高密度互聯（HDI）、表面安裝技術（SMT）等新方法、新工藝為基礎，將電子線路及其支架、外殼、電連接器、傳輸電纜，結構封裝、熱控等輔助部件集成為一體，進行最大限度嵌入結構的復合材料中，并使有源電子線路與機械表面直接接觸的新型電子設備結構。

SDR（Software Defined Radio，軟件無線電）技術是近幾年來提出的一種實現無線通信的新概念和體制。它的核心是將寬帶A/D和D/A變換器盡可能靠近天線，而電臺功能盡可能地采用軟件進行定義。軟件無線電把硬件作為無線通信的基本平臺，對于無線通信功能盡可能用軟件來實現。這樣，無線通信系統具有很好的通用性、靈活性，使系統互聯和升級變得非常方便。

3 衛星系統實現即插即用的優越性

3.1 降低衛星系統研制成本

因為實現衛星系統即插即用的前提先決條件就是首先要將整體衛星系統的一些功能性設備單獨分離出來，形成一個獨立的功能模塊，從而靈活地為其他的某一個系統或者多個系統服務。由于每個功能模塊都可以進行獨立的生產，因此隨著發展的逐步深入，功能模塊可以進行大批量標準化生產，由此可以帶來衛星系統的成本大幅度降低。在整體式衛星中，由于平臺服務系統與有效載荷封裝在一個衛星結構體內，因此各種設備的安裝位置，布線會隨著每個衛星的要求不同而各不相同，因此其成本難以降低。并且，衛星即插即用采用標準化設計，具有統一的機械、電氣接口，所以具有更加靈活的發射策略，可以選擇搭載發射、星簇發射或者小運載單獨發射等多種模式，可以有效降低衛星發射成本。

圖1 即插即用衛星及各部件裝配位置示意圖

3.2 降低衛星系統的復雜性

在傳統的衛星中，由于各種分系統的設計在同一個整體內交織在一起，在研制流程中往往會產生“牽一發而動全身”的效果。若某一分系統的研制受到阻礙，就會導致整個衛星的研制周期加長。在整體衛星研制中，不僅要進行分系統級的內部測試，還需要在整個系統內進行整體的測試，防止出現不同設備在工作時與其他設備發生結構共振耦合、散熱影響以及電磁兼容性方面的問題。

各功能模塊在研制過程中都會遵守統一的接口標準，包括無線網絡協議、能量交換接口、以及在軌交會對接用的機械接口。每個模塊在研制中只要符合接口標準的要求就可以接入系統，而無須進行大的系統測試。在這種情況下，每個模塊的研制僅相當于原先整體式衛星的分系統研制，大大降低了系統復雜程度。每個模塊都可以進行獨立研制，彼此互不干擾，因此可以用并行工程的流程管理方法大大加快航天器系統的研制進度。

3.3 提高衛星系統的靈活性

即插即用技術將給空間系統帶來巨大的使用靈活性，這種靈活性表現在4個方面，分別是：可擴展性、可改進性、可維持性和可適應性。

在空間系統的即插即用技術框架下，所有的衛星模塊都只提供原來整體衛星一部分的功能，而這些模塊又通過無線網絡技術、無線能量傳輸技術等手段相互聯系，相互作用，因此在某一個空間系統的功能種類及能力無法滿足任務要求的情況下，可以通過補充模塊納入編隊的方式很容易地實現系統能力的擴展。在即插即用技術體系下，可以通過簡單的技術手段增加系統的功能種類及系統容量。

即插即用技術框架給空間系統的改進提供了非常好的靈活特性，由于一些功能獨立成模塊。因此在系統改進方面，每個模塊都可以進行獨立的改進。例如電源模塊，隨著基礎物理和材料工藝的不斷改進，未來會不斷涌現出新型太陽能電池片，提高光電轉換效率，會不斷出現容量更高的蓄電池，也會出現效率更高的星間無線能量傳輸手段。在即插即用技術框架下，我們無須去等待整體衛星的那種漫長的研制周期，僅在能源模塊這一層級上，不斷推陳出新。以“小步快跑”的策略，試驗新型空間能源系統，使得新的空間能源技術不斷得到在軌驗證。而存儲/通信模塊可以在存儲器容量、傳輸碼速率、傳輸保密性（例如量子通信技術）、天線傳輸效率、先進的信息傳輸技術（例如激光數傳）等方面進行持續改進。光學有效載荷模塊可以不斷在地面分辨率、地面幅寬、地面目標定位精度等方面進行持續改進等等。

空間系統的可維持性方面，即插即用技術也同樣具有很大的優勢。即便在完全正常條件下，太陽電池板也會在太陽輻射的持續作用下逐步產生性能退化，以致在設計整體式衛星的能源系統的時候，需要考慮太陽電池陣在衛星壽命末期所能提供的電力，并以此為約束，分配衛星各分系統的能源長期功率。換言之，若衛星持續使用下去，太陽電池板的效率會繼續降低，以至于無法滿足衛星正常使用的要求——即系統壽命的終結。而在分離異構的空間系統中，只需要為系統增加/替換一個新的能源模塊，就可以使空間系統繼續使用下去。通過這種方式就可以將能源系統對系統壽命的約束消除。另外，衛星在軌工作過程中，隨時有可能出現各種意外，可能威脅衛星的計算機系統，若采用傳統的整體式衛星架構，則衛星的主計算機的地位無可替代，一旦受損就可能導致任務失敗。但在分離異構系統上，計算機可以獨立成模塊，若出現不可逆的損壞情況下，只需補發一個計算機模塊就可以重構衛星系統。

分離異構技術給空間系統的適應性帶來革命性變化，使得航天器通過簡單的組合，就形成任何功能的系統。星上計算機在完成數字化革命以后，已經使得航天器具有很大的應用靈活性，例如人們可以通過修改衛星的指令碼，就可以將衛星從一個用戶手中轉交給另一個用戶，實現衛星的在軌交易。今天人們使用最為廣泛的通信衛星，世界上已經有過很多次成功的在軌交易記錄。但是傳統的整體式衛星不管怎樣修改軟件，其衛星的各種硬件已經被結構綁定在了一起，注定了其基本功能不可能被改變的事實。而在分離異構技術體系下，平臺服務模塊可以為各種有效載荷進行服務，通過各種模塊自主或者非自主的變軌機動，在另外的軌道上重新組成編隊，可以完成在軌系統重組，甚至可以執行全新的任務，擁有全新的有效載荷。這樣系統的適應性就大大地提高了。

3.4 提高衛星系統的魯棒性

衛星系統的魯棒性表現在其完成任務的可靠性及系統生存性方面。

任務可靠性方面，采用即插即用技術的衛星系統任務可靠性模型是網絡多節點模型，執行同一任務的星群系統可以配置多個有效載荷模塊，每個載荷模塊都可以利用多個能源模塊、計算/控制模塊、存儲/數傳模塊為其提供服務，任何一個單獨的模塊出現問題，都能夠很容易地找到替代其作用的模塊，不會因一個模塊的故障影響到整個系統，導致整個衛星無法工作。而整體式衛星一旦某個分系統出現功能喪失，就可能造成整個衛星任務的失敗。

系統生存性方面，主要反映的是在對抗環境中，系統抗打擊的能力，即插即用技術由于模塊眾多，使得敵方很難通過一次撞擊摧毀整個系統，此外在分離異構系統長期運行的情況下，會在編隊衛星內存在大量冗余模塊——有些是系統升級后被替換掉的模塊，有些是為了確保任務可靠性而增加的功能模塊。必要時可利用冗余模塊起到分散注意力，或者起到“舍卒保車”的作用。

圖2 即插即用衛星實物外觀（左圖：未測試，右圖：測試中）及其內部結構（中圖）

4 即插即用衛星系統基本構成

4.1 能量儲存模塊（Energy Storage Module，ESM）

ESM是太陽能電池陣總線，電池組與PnP衛星主電源總線間的通用接口模塊。它能為未來PnP衛星可能用到的任何電池組技術提供電荷控制。ESM通過一套標準接口連接兩個總線與電池組，并提供電源路由切換控制，可以選擇電池組或者主電源總線。ESM與ASIM共同為PnP衛星SPA網絡其余部分提供通信和數據接口。ESM本質是一個“聰明”的即插即用電池組。

4.2 太陽電池陣控制器（Solar Array Controller， SAC）

SAC能夠適應多種太陽能電池陣技術，通過一連串混合器結構多達六個交換陣列線路支持許多單獨陣列。SAC經由一個采用PWM調制能夠實現對陣列動力分配裝置精密控制的交換通道，提供交換串到PnP太陽能電池陣總線。SAC連同必須的ASIM用于與PnP動力子系統其余組成部分連接，允許指揮控制也允許健康和狀態數據報告。

4.3 傳感器接口模塊（Applique Sensor Interface Module，ASIM）

ASIM用于將合法部件連接至SPA網絡中，它主要有兩個功能：為PnP衛星補充附加部件及負責管理；為SPA網絡提供標準的即插即用接口。ASIM可使不滿足SPA技術標準要求的非SPA部件通過它間接連入SPA網絡，從而能夠像標準SPA部件一樣有效工作運轉。ASIM是一塊小的電路板，它集成了許多功能簡單的部件組裝形成標準的SPA設備，包括有許多類似FPGA的數字部件，如微處理器，USB接口及與旁路測試和時間同步接口相關的有關狀態機。