美國即插即用衛(wèi)星的發(fā)展

張鵬（中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部）

即插即用是美國“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”（ORS）計劃下提出的航天器設(shè)計研制概念，主要針對降低航天器研制成本、縮短研制周期越來越旺盛的需求。經(jīng)過數(shù)年的研究，美國軍方已經(jīng)取得了顯著進展，找到了實現(xiàn)航天器即插即用的解決方案，建立相關(guān)標準，并完成了演示驗證衛(wèi)星的研制。這一系列進展向全球展示了即插即用航天器的廣闊前景與發(fā)展?jié)摿Γ瑢θ蚝教旒夹g(shù)的發(fā)展產(chǎn)生變革性影響。

1 即插即用衛(wèi)星的意義

長期以來，美國的空間體系的建設(shè)重點都是大型空間系統(tǒng)。這些系統(tǒng)具備先進技術(shù)能力，但往往動輒數(shù)十億美元、耗時數(shù)年才能完成，成為困擾美國軍方空間項目采辦的突出問題。與此同時，全球部署的美軍作戰(zhàn)部隊對空間系統(tǒng)能力支持需求快速增長，特別是面向特定用戶、特定應(yīng)用的戰(zhàn)術(shù)需求快速增長，不但需要“量身定制”的空間能力、還對項目采辦周期、成本等方面提出新的要求。為此，美國提出“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”計劃，重點發(fā)展具備快速響應(yīng)、降低成本、面向戰(zhàn)術(shù)特點的小衛(wèi)星，成為大型空間系統(tǒng)的有效補充和增強。

“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”計劃提出構(gòu)建由三個層次構(gòu)成的作戰(zhàn)能力：第一層次是利用已發(fā)射或?qū)l(fā)射的空間系統(tǒng)，通過優(yōu)化應(yīng)用、改進或修正，提供快速響應(yīng)的空間效果，響應(yīng)時間按天計算；第二層次是利用現(xiàn)場準備的能力，快速集成、測試、發(fā)射小型低成本空間系統(tǒng)，響應(yīng)時間數(shù)天到數(shù)周；第三層次是快速研發(fā)新的系統(tǒng)來滿足聯(lián)合作戰(zhàn)需求，響應(yīng)時間數(shù)月到1年。2015年前，“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”計劃的發(fā)展目標是實現(xiàn)第二層次的能力，提出用6天研制出1顆衛(wèi)星的發(fā)展目標，這與傳統(tǒng)的耗時數(shù)年的研制周期相比差別巨大，必須采用新的思路和方式才可能實現(xiàn)。即插即用可以大大縮短航天器設(shè)計、研制和測試周期，是實現(xiàn)6天研制衛(wèi)星的關(guān)鍵保障之一。

另一方面，美軍負責(zé)航天領(lǐng)域的研究部門通過分析得出，衛(wèi)星研制成本的85%是人力成本，如果衛(wèi)星組件能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用，類似個人計算機的USB設(shè)備，具有自描述和自檢測能力，將顯著降低衛(wèi)星項目設(shè)計、制造、測試和運行過程中的人力資源需求，從而達到降低衛(wèi)星項目成本的目的。這也是“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”開展即插即用研究的另一個重要原因。

2 即插即用衛(wèi)星的特點

什么是即插即用衛(wèi)星

在“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”計劃牽引支持下，過去數(shù)年時間里，美國空軍研究實驗室（AFRL）開展了即插即用衛(wèi)星的研究工作。首先美國空軍研究實驗室在針對6天內(nèi)完成需求響應(yīng)到地面交付衛(wèi)星過程，對衛(wèi)星設(shè)計、研制、集成、測試全過程進行了研究和分析，對大幅縮短研制周期，降低研制成本的各方面制約因素進行了分析和研究，認為只有通過簡化接口的方式才能實現(xiàn)預(yù)期目標，包括機械接口、電接口和軟件接口。

美國空軍研究實驗室將即插即用衛(wèi)星定義：一種采用開放式標準和接口，使用自識別部組件，具有系統(tǒng)自動配置功能的模塊化衛(wèi)星。這種衛(wèi)星具有兩個核心概念：

接口標準：提供一種開放的接口標準，指導(dǎo)不同的團隊開展具有統(tǒng)一接口標準的軟件和硬件研發(fā)。這些組件將構(gòu)成“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”體系的組件庫，供“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”衛(wèi)星任務(wù)設(shè)計工作選用。

模塊化：機械連接和組件功能是模塊化的兩大要素，通過快速設(shè)計工具，實現(xiàn)組件在帶有機械連接網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)板上拔插，協(xié)助設(shè)計人員滿足衛(wèi)星質(zhì)量、熱控、功率以及特殊約束的要求。這些采用即插即用標準的機械接口和電接口確保各組件能夠在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板上快速集成和測試。

即插即用衛(wèi)星的發(fā)展歷程

2004年，美國空軍研究實驗室開展空間即插即用電子學(xué)標準研究，用開放式的標準接口替代專用的用戶接口。不同的研發(fā)團隊按照空間即插即用電子學(xué)標準，可以開發(fā)相互兼容的軟硬件設(shè)備。可以說空間即插即用電子學(xué)標準是實現(xiàn)即插即用衛(wèi)星的基礎(chǔ)。

以空間即插即用電子學(xué)的相關(guān)研究成果為基礎(chǔ)，2006年美國空軍研究實驗室開展了就叫“即插即用衛(wèi)星”（PnPSat）的演示驗證項目。該項目先后研制發(fā)展了即插即用衛(wèi)星－1（PnPSat－1）和即插即用衛(wèi)星－2兩顆驗證衛(wèi)星。即插即用衛(wèi)星－1衛(wèi)星采用SPA-S（SPA-Spaceware）接口標準，主要用于驗證快速研發(fā)、集成和測試的可行性。衛(wèi)星呈立方體構(gòu)型，尺寸51cm×51cm×61.2cm，整星質(zhì)量180kg。即插即用衛(wèi)星－1曾計劃在2008年的一次快速響應(yīng)發(fā)射由獵鷹－1（Falcon－1）火箭發(fā)射，但是由于即插即用衛(wèi)星－1沒有在兩周的要求時間內(nèi)完成準備，而被迫放棄。目前已沒有發(fā)射計劃。

即插即用衛(wèi)星－2采用第二代空間即插即用電子學(xué)組件，針對“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”任務(wù)需求，驗證在較低成本限制下，開展平臺研制。

即插即用衛(wèi)星的主要特點

即插即用衛(wèi)星系統(tǒng)集成過程中，即插即用技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)識別接入組件并進行動態(tài)監(jiān)測和配置，大大簡化衛(wèi)星組件的組裝、集成和測試。

對于硬件，主要使用集成一次結(jié)構(gòu)板（ISP），該結(jié)構(gòu)板上集成有SPA-S數(shù)據(jù)路由器和PowerHub芯片，各種組件將集成到集成一次結(jié)構(gòu)板上。多塊的模塊化集成一次結(jié)構(gòu)板構(gòu)成板組，形成一種“模塊”，從而實現(xiàn)用戶所需要的多樣化結(jié)構(gòu)性快速重組能力。空間即插即用電子學(xué)定義了組件與平臺結(jié)構(gòu)的機械接口標準，設(shè)計人員可以在結(jié)構(gòu)板上自由選取標準化連接觸點的位置，這些觸點能夠提供電源動力或空間即插即用電子學(xué)設(shè)備端口。在集成一次結(jié)構(gòu)板之間的設(shè)有數(shù)據(jù)連接線，確保將多個集成一次結(jié)構(gòu)板集成為一個網(wǎng)絡(luò)化的板組。

集成一次結(jié)構(gòu)板內(nèi)外部設(shè)計

集成一次結(jié)構(gòu)板連接和組件連接

在集成一次結(jié)構(gòu)板上，設(shè)有多個5cm×5cm的組件連接網(wǎng)格，每個網(wǎng)格含有一個空間即插即用電子學(xué)組件電接口觸點，這種觸點在集成一次結(jié)構(gòu)板的正反面都可以設(shè)置，且集成一次結(jié)構(gòu)板可根據(jù)衛(wèi)星尺寸進行縮放。以即插即用衛(wèi)星為例，其為立方體構(gòu)型，共有6個集成一次結(jié)構(gòu)板，每個集成一次結(jié)構(gòu)板上設(shè)置8個空間即插即用電子學(xué)標準觸點。一般情況下，小衛(wèi)星組件不超過30個，這樣就為組件的使用和結(jié)構(gòu)布局調(diào)整帶來了很好的靈活性。

對于軟件，衛(wèi)星數(shù)據(jù)模型（SDM）負責(zé)飛行軟件的集成，原理上與集成一次結(jié)構(gòu)板類似，確保各種應(yīng)用能夠根據(jù)需要選擇軟件和硬件組件。衛(wèi)星數(shù)據(jù)模型集成在分布式星載計算機的多個CPU節(jié)點上，具有空間即插即用電子學(xué)軟硬件的自檢測能力，與個人計算機識別和配置USB組件和外圍設(shè)備相似，主要負責(zé)管理硬件設(shè)備和上層服務(wù)。這種自檢測能力為空間系統(tǒng)的快速組裝或重構(gòu)提供了新的方式。每個空間即插即用電子學(xué)組件都建立一個被稱為“可擴展轉(zhuǎn)換器電子數(shù)據(jù)單”（xTEDS）的可擴展標記語言的表述數(shù)據(jù)單。在這種模式下，衛(wèi)星數(shù)據(jù)模型對下層硬件具備很高的屏蔽性，對于系統(tǒng)、子系統(tǒng)等上層設(shè)計人員而言，不必區(qū)分每個“可擴展轉(zhuǎn)換器電子數(shù)據(jù)單”文件來自成熟組件、在研組件還是軟件服務(wù)，只需根據(jù)這些“可擴展轉(zhuǎn)換器電子數(shù)據(jù)單”文件描述進行上層軟件設(shè)計和仿真測試，從而突破常規(guī)設(shè)計模式，大大縮短軟件設(shè)計開發(fā)時間、降低人力成本需求。

3 即插即用衛(wèi)星的設(shè)計研制

在即插即用技術(shù)支撐下，衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計、組裝、集成和測試各個環(huán)節(jié)的特殊需求大大減少，項目周期縮短，系統(tǒng)響應(yīng)能力顯著增強。

衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計

在任務(wù)設(shè)計過程中，衛(wèi)星任務(wù)設(shè)計工具（MSDT）將用戶需求轉(zhuǎn)化為包含硬件組件、軌道設(shè)計和任務(wù)操作的列表清單和自主飛行軟件模塊列表清單。其中前者的列表清單作為衛(wèi)星3D建造軟件工具的輸入，來確定衛(wèi)星硬件組件的衛(wèi)星集成一次結(jié)構(gòu)板上的布置構(gòu)型，確保熱控、功率、質(zhì)量以及組件自身約束條件要求。這些部署好的組件與衛(wèi)星任務(wù)設(shè)計工具確定的自主飛行軟件模塊將在飛行軟件閉環(huán)工具（FSWIL）中進行集成仿真，向用戶提供仿真結(jié)果和系統(tǒng)性能指標，協(xié)助用戶確認設(shè)計符合任務(wù)需求。盡管特定衛(wèi)星任務(wù)的性能能夠通過有效載荷、動力存儲與生成、姿態(tài)控制、軟件、通信、推進等子系統(tǒng)模塊化來優(yōu)化，但是空間即插即用電子學(xué)的接口和體系實現(xiàn)了組件級別的模塊化，支持幾乎全部系統(tǒng)的重構(gòu)。

即插即用衛(wèi)星（右）內(nèi)部組件布局對比

采用即插即用技術(shù)開展衛(wèi)星快速AIT流程

衛(wèi)星平臺組裝和測試

衛(wèi)星任務(wù)設(shè)計工具選取的硬件組件、自主飛行軟件模塊列表清單以及3D建造軟件生成的組裝說明，將用于衛(wèi)星平臺的組裝和測試。首先進行的是集成一次結(jié)構(gòu)板的連接組裝；第二步是按設(shè)計完成集成一次結(jié)構(gòu)板內(nèi)側(cè)組件組裝（衛(wèi)星內(nèi)部組件）；第三步，將集成一次結(jié)構(gòu)板折起，形成衛(wèi)星結(jié)構(gòu)基本構(gòu)型，完成集成一次結(jié)構(gòu)板外側(cè)組件組裝（衛(wèi)星外部組件，如太陽電池陣、太陽敏感器、天線）；第四步，將組裝好的衛(wèi)星平臺接入硬件閉環(huán)仿真地面支持設(shè)備（HWIL GSE）中，進行組件功能測試（CFT）。在測試過程中，如果發(fā)現(xiàn)某一組件有問題，該組件將被替換。

有效載荷組裝和測試

衛(wèi)星任務(wù)設(shè)計工具選取的硬件組件、自主飛行軟件模塊列表清單以及3D建造軟件生成的組裝說明，將用于有效載荷的組裝和測試。首先進行敏感器組件組裝，以對地觀測衛(wèi)星相機為例，望遠鏡、控制反射鏡以及相機配套儀器，星跟蹤器和有效載荷管理單元（IMUs），將被集成到一個穩(wěn)定的飛行光具座上。之后相機將接入硬件閉環(huán)仿真地面支持設(shè)備中，進行飛行前光學(xué)校準和初步信號驗證。對于“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”第二層次任務(wù)，其他相機和信號校準工作將在衛(wèi)星入軌測試調(diào)試階段進行。

衛(wèi)星系統(tǒng)集成和測試

總體上，即插即用技術(shù)為航天器設(shè)計研制產(chǎn)生了重要推動作用。盡管即插即用衛(wèi)星項目并沒有完全解決衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計和研制的復(fù)雜性問題，從某種意義上即插即用衛(wèi)星是一種模塊化和復(fù)雜性的綜合體，只是將復(fù)雜的系統(tǒng)連接隱藏到結(jié)構(gòu)板中。但即插即用衛(wèi)星已經(jīng)在航天器即插即用發(fā)展中邁出至關(guān)重要的一步，這不僅是技術(shù)上的進步，更是發(fā)展思路和設(shè)計理念上的變化，蘊藏著巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊前景。