即插即用衛(wèi)星系統(tǒng)技術研究進展（下）

+ 王曉海 中國航天科技集團公司五院五零四研究所

即插即用衛(wèi)星系統(tǒng)技術研究進展（下）

+ 王曉海 中國航天科技集團公司五院五零四研究所

5　國外即插即用衛(wèi)星研究現(xiàn)狀

從1999年“太空快速響應作戰(zhàn)（ORS）”概念的提出至今的十年時間里。美國在該領域取得了許多進展，但仍存在挑戰(zhàn)。因為大多數(shù)舉措還只處于啟動階段。要成功實現(xiàn)ORS計劃仍然有很大的困難。為實現(xiàn)該計劃，許多新的概念被提出，包括標準化航天器平臺、模塊化載荷、虛擬衛(wèi)星、星簇、在軌服務等。未來通過對這些概念技術的應用與探索，可保證系統(tǒng)快速地研制、生產與組裝。

5.1F6-PnPSat

美國國防先進研究計劃局正是為了驗證上述理念而投資發(fā)展F6計劃，并將其作為“太空快速響應作戰(zhàn)”計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計劃分4個階段實施F6計劃：第Ⅰ階段進行衛(wèi)星系統(tǒng)的概念設計，在軌動力學研究，設計項目框架，此外，合同承包團隊還將開發(fā)基于硬件在回路的試驗臺，以對分離模塊航天器的任務進行軟件模擬；第Ⅱ階段完成系統(tǒng)的詳細設計，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，進行系統(tǒng)集成和地面模擬試驗驗證；第Ⅳ階段發(fā)射功能模塊，組成衛(wèi)星網絡，進行在軌演示驗證。

PnPSat-1的實現(xiàn)已經證明采用SPA技術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技術的PnPSat-2的工作已經開始。

5.2Pleiades項目

Pleiades項目為軌道科學公司聯(lián)合IBM公司、JPL噴氣推進實驗室開展的分離模塊航天器系統(tǒng)研究項目。Pleiades的任務場景假定為近地軌道科學探測，有效載荷為3個光電（EO）成像儀，每個成像儀可單獨工作，也可共同配合成像以增強科學探測能力。

Pleiades系統(tǒng)架構最大的好處就是將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。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、安全模式電子設備、推進、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結構1

6　即插即用衛(wèi)星系統(tǒng)關鍵技術

6.1集群導航控制技術

隨著分布式衛(wèi)星編隊飛行的發(fā)展，編隊飛行控制技術已經逐漸成熟。在編隊飛行的控制和測量精度的要求上，實現(xiàn)分離模塊編隊飛行要比實現(xiàn)分布式衛(wèi)星編隊飛行要低。F6計劃的設計目標是實現(xiàn)自主、安全、自防護編隊導航，具有虛擬對接和隊形變換的功能，在部分模塊失效和遭受敵方攻擊時，系統(tǒng)具有快速重構編隊的能力。

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方程為基礎，與編隊飛行控制有共同點，可以在航天器編隊飛行控制的基礎上開展。但是，同分布式衛(wèi)星群和編隊飛行衛(wèi)星相比，分離模塊異構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分析模型；第三，集群控制將受到傳感器系統(tǒng)和通信網絡作用范圍的約束；第四，模塊航天器的異構特性將導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動分析的復雜性；第五，導航不確定性的影響。

6.2網絡通信處理技術

網絡化技術的目標是使“分離模塊航天器”構成一個自組織網絡，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)展標準化的網絡化技術軟件和硬件接口，使數(shù)據(jù)包和多種標準航天器組件在進入網絡時可進行唯一的地址標識。

隨著空間網絡節(jié)點的逐漸增加，傳統(tǒng)衛(wèi)星中采用的頻分多址、空分多址技術將逐漸難以滿足日益增長的空間網絡節(jié)點的通信需求，目前在民用通信業(yè)務領域廣泛采用的碼分多址等先進的網絡尋址技術將進入航天應用領域。

隨著軍事對抗技術的升級，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，跳頻通信技術，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設計。

6.3無線能源傳輸技術

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

激光能量傳輸技術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進行試驗驗證。激光方向性強、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)射功率實現(xiàn)較遠距離的輸電。有關研究選擇激光的優(yōu)勢在于.所需的傳輸和接收設備是微波所需的1/10，并且不存在干擾通信衛(wèi)星的風險。

利用激光進行能量傳輸，因為其具有能量集中，能流密度高的特點，因此激光能量的接收端設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。因此選擇用于進行能量傳輸?shù)募す鈶性诳梢姽夂徒t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-光轉換效率最高的激光器。

6.4空間交會對接技術

空間交會對接技術（Rendezvous and Docking，簡稱RVD）是發(fā)展空間技術的關鍵途徑。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航天器在軌道上按預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)調在同一時間到達同一空間位置的過程。而對接則為在交會的基礎上，通過專門的對接裝置將其結構上連成一個整體。

航天器交會對接技術是航天領域一項非常復雜且難度很大的工作。隨著航天技術尤其是載人航天技術的發(fā)展，空間交會對接技術也得到了迅速發(fā)展和廣泛的應用。它是一種當在太空中執(zhí)行向其它航天器提供在軌服務（如補充物資、燃料加注、更換軌道替換單元等）、完成大型結構在軌組裝以及回收空間產品等任務時所必不可少的技術。可以說，交會對接技術己成為當前和今后一段時期內進行空間探索必須首先要解決的一個關鍵問題。

圖4　SPA1

自主交會對接技術是分離異構衛(wèi)星技術中的重要基礎技術，它的成熟應用可使姿軌控分系統(tǒng)從衛(wèi)星中分離出來，形成獨立的模塊，當其他模塊需要調整姿態(tài)或者軌道機動時，姿軌控模塊可以與目標模塊實施對接，利用自身較強的機動變軌能力為其他模塊進行服務。

6.5分布式計算技術

分布式計算是一門計算機科學，用于研究如何把一個大型任務分成許多小的部分，然后把這些部分分配給許多計算單元進行處理，最后再把計算結果綜合起來得到最終的結果。在F6計劃中，分布式計算技術需要具備可擴充性、自適應性和容錯性能，能夠保證當在軌運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系統(tǒng)功能。“保持生存”主要是指兩個方面：一是保持電力供應和安全的熱防護；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　結語

即插即用很好地貫徹了“通用化、系列化、模塊化”的航天標準化設計準則，使微小衛(wèi)星可以在短時間內設計和研制完成，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需求。未來即插即用技術將按照從低級到高級、從簡單到復雜的規(guī)律，發(fā)展成“星與星”之間的即插即用。就是在實現(xiàn)衛(wèi)星內部綜合電子系統(tǒng)的基礎上可以將即插即用關系擴展到衛(wèi)星編隊或者“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研究 2008年航空宇航科學與技術全國博士生學術論壇 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 《清華大學學報（自然科學版）》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)星體系結構研究 《航天器工程》2012年第5期 pp124-129

［16］ 汪立萍、蔡亞梅、陳利玲 即插即用技術與PnPSat-1衛(wèi)星解析 《空間電子技術》 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》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