美國即插即用衛星應用對小衛星綜合電子發展的啟示

顧常青 李一 田宏存 （山東航天電子技術研究所）

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美國即插即用衛星應用對小衛星綜合電子發展的啟示

顧常青 李一 田宏存 （山東航天電子技術研究所）

Enlightenment of U.S. Plug and Play Satellite Application on Small Satellite Integrated Electronics

當前，國內航空綜合電子系統已取代聯邦電子系統，基本實現了標準化、開放式體系結構、通用化等特點。相比航空領域成熟的綜合化電子系統，小衛星電子系統在技術路線統一、系統綜合、信息共享上還有較大差距。綜合化的電子系統使得電子系統的技術風險容易控制，系統配置更加靈活，信息融合共享更加方便，更有利于系統的智能化發展。目前，國內小衛星電子系統還處于各分系統獨立，比較簡潔的電子系統架構，有待進一步發展研究。

1　引言

隨著技術的發展，航空及宇航電子系統已經逐漸告別了長研制周期、長生產周期的模式。經過調研，美國已經開展了即插即用衛星的研制計劃。2006年，美國空軍研究實驗室（AFRL）發起了“即插即用衛星”(PnPSat)計劃，旨在研制一個基于即插即用模塊化的快速響應衛星平臺。即插即用衛星可以快速建造，通過按鈕工具流根據任務需求自動生成部件清單，快速甚至自動生產。

美國“作戰響應空間”（ORS）計劃提出3個層次的作戰能力：一是利用已發射或即將發射的空間系統，通過優化應用，改進或修正，提供快速響應的空間效果，響應時間按天計算。二是利用現場準備的能力，快速集成、測試，發射小型低成本空間系統，響應時間按數天到數周計算。三是快速研發新的系統來滿足聯合作戰的需求，周期為1年。

2015年前，“作戰響應空間”計劃目標是第二層次的能力提升，提出6天發射衛星的目標，這與傳統的研制周期數年差別巨大，必須有新的思想才能實現，于是產生了“即插即用衛星”的概念。

美國“即插即用衛星”由美國空軍研究實驗室研制，對其定義了接口標準化和模塊化兩個核心概念。接口標準化是指提供一個開放的接口標準，指導不同的團隊開展具有統一接口標準的硬件和軟件開發。這些組件構成了組件庫，以被選用。模塊化表示即插即用模塊通用化，滿足快速集成和測試。

“即插即用衛星”的主要特點是：能夠實現識別接入組件并進行動態監視和配置，大大簡化微型組件的組裝、集成和測試。衛星設計任務已簡化為選取硬件組件、自主飛行的軟件模塊列表清單以及3D建造軟件生成的組裝說明（用于衛星平臺和有效載荷的組裝測試）。

國內衛星研制領域也在緊隨國際衛星研制的模式，開始采用綜合電子系統研制方法和理念進行系統設計。目前，國內通信新平臺和導航二期衛星平臺均采用了綜合電子系統設計方法，試驗衛星已經發射成功。經過綜合電子化設計后，這2個衛星平臺的整星平臺電子設備總裝時間由原來的1年以上縮短為0.5年。綜合模塊化電子體系架構為縮短研制、生產、測試周期提供有力支撐，也為系統性能提升提供了較好的技術基礎。

美國“即插即用衛星”計劃

產品貨架化、標準化、模塊化、開放式架構、信息融合等先進特點，使得綜合電子系統在航空航天等領域大規模采用，這些特點也同樣適用于我國小衛星綜合電子系統。小衛星電子系統的綜合化也是發展趨勢。

2　 綜合電子內涵及特征

綜合電子源于航空的綜合模塊化航電系統，是電子系統的大腦和神經系統，可以高效、智能地開展電子系統任務管理，減少人為干預。通過對系統功能的整合、資源的合理配置和信息綜合利用，提高電子系統的自主工作能力和面向任務與用戶的綜合服務能力。通過合理規劃系統信息流優化體系結構，增加信息橫向交互的能力和電子系統并行處理的能力等來提高電子系統服務的能力。

綜合電子系統是以專業模塊智能化為基礎，以綜合化為目標。綜合化主要指統籌共享、優化配置公共資源，包括能源流和信息流，提高系統可靠性的重要特征是應對資源緊密耦合帶來的可靠性問題，采取的措施是故障隔離和分區保護。

綜合電子特點

應用綜合電子系統可以達到提高產品性價比的目的，包括減少成本、體積、質量以及功耗，產品成熟度持續提高可重用的標準化模塊，可擴展的開放式體系結構，實現小衛星的智能化水平等，對小衛星的用戶具有巨大的吸引力。

3　綜合電子設計方法

硬件綜合

硬件綜合是指標準模塊層次的綜合，符合相應規范的電氣規范、結構構型。整合分系統，將各種功能的電子設備，經過系統級的梳理，統一技術路線、設計理念，形成標準化模塊，按系統需求綜合。在綜合電子架構理念下進行小衛星電子系統的硬件梳理，綜合形成小衛星綜合電子系統架構。支撐小衛星硬件綜合的技術有以下幾點：

1）制定標準模塊的規范。在標準模塊定型前，規范就應起到技術狀態的約束作用，主要是內外接口電氣規范、構型、通信協議等的標準規范，在技術狀態定型后，規范就應即行公開頒布。

制定規范的單位應把標準化放在首位，從始至終應遵循編寫規范，該規范要適用不同小衛星系統對綜合電子模塊的需求。小衛星電子系統的批產性質決定其技術狀態，一旦定型，應頒布相應的規范狀態和標準，技術狀態不應輕易修改。

2）標準化模塊定型。定型后的產品應稱之為“商用貨架產品”，目的是解決原分系統下設備重復定制的問題，最重要的特點是滿足不同小衛星用戶的需求，選擇一定種類及其數量的模塊，組合后就可以適用不同小衛星用戶的需求。可以形成批量化生產的模塊單元，可組批生產、組批調試、組批測試、組批貯存，單模塊隨整機進行環境試驗，不再獨立各種試驗，減少了費用和人員的投入。小衛星批產的性質正與上述特點相符。

標準模塊還應有一種重要的特點，即內、外接口電氣協議完全適應規范，綜合電子模塊的技術狀態的更改，只要不涉及公共接口，不影響其他模塊的技術狀態，避免了傳統系統中動一發而牽全身的局面。標準模塊規范中公共部分的定義盡可能松耦合（耦合的前提下保證寬松性）來增加開放性、擴展性，也可以減少故障擴散，增加可靠性。

3）開放式的體系架構。隨著國家對小衛星市場的開放，低價化是小衛星電子系統追求的重要目標，競爭是低價化的方法之一。標準模塊規范公布后，為之配套的生產單位應嚴格按照規范的要求研制和生產，在開放的體系建立后，供應方均可按照標準進行供貨。在規范的指導下鼓勵多單位參與競爭，以達到降低成本，競爭的同時會帶來技術持續進步，以及成本降低的效果。綜合電子這一特點為放開小衛星市場提供了技術保障基礎。

4）系統減重。綜合電子發展的初衷一個重要的目的是減重減小體積，有兩個途經可實現：減少模塊數量的配置，減少單模塊的質量和體積。要達到該目的必須應用先進的制造技術，例如，高性能芯片的應用、可靠的結構構型、微電子技術的應用。小衛星電子系統對體積、質量的敏感性更加強烈，綜合電子化更加有利于小衛星電子系統的發展。

微電子技術主要是指專用集成電路（ASIC）及封裝技術的應用，如多芯片組件（MCM）、系統級封裝（SIP）技術。微電子技術有利于減輕質量、減小體積，同時也有利于知識產權的保護。開放式的體系架構，勢必帶來競爭的局面，使用微電子技術也是保護單位的核心產權的重要手段之一。

5）盡可能將傳統電子設備模塊化。綜合電子系統由于統一了技術發展路線和技術思想，具備權威部門發布的技術規范，技術狀態控制到位等諸多優點，應盡可能把更多的傳統電子設備納入綜合電子體系中，如：控推系統單機、測量系統單機等，同時還要不斷開發新的標準模塊，只有綜合電子系統“龐大”（龐大并不是指過分集中）起來，小衛星系統的技術路線才能統一、可控。

硬件綜合化將為小衛星系統技術路線統一打開局面，將原有的獨立分系統及單機納入一個技術體系。將功能單機進行標準化、模塊化，采用標準共享的數據通道，能源通道。硬件的綜合化有利于實現小衛星電子系統的批生產、批測試、批儲存，達到即插即用、快速組裝的目標。

信息綜合

信息綜合是指設備內或系統中數據流的優化、共享，符合規范中數據通信協議等。支撐信息綜合的技術有以下幾點：

1）自頂向下的信息流規劃及設計，清晰地定義了綜合電子系統中信息流的規范、標準、協議，標準的信息流更利于系統集成。目前，小衛星綜合電子信息處理設備最多兩級：接口單元和高性能計算機，而且可根據小衛星的需求合并高性能計算機。綜合電子系統明確了接口單元的信息處理任務，總線網絡的數據負荷，高性能計算機信息管理功能。

2）打破了傳統分系統的概念，消除了信息獨享、資源浪費弊病。例如，衛星上熱控分系統與數管分系統在相同的測溫點，仍需各自重復設置溫度傳感器，各自為政；而綜合電子系統，使用了一個傳感器能夠為熱控、數管、供配電等任務提供信息。統籌規劃綜合電子系統對傳感器、執行器、受動器的信息管理，目的是信息融合、統一，避免硬件資源分散、重復開發，同時對小衛星系統減重有利。

3）減少了原分系統計算機配置數量，改變了分系統計算機級層太多、信息傳遞需逐級分發處理，處理效率低的缺點。綜合電子統一由一個高性能計算機完成接口單元綜合后的信息處理任務，直接對小衛星的資源和任務進行管理。這也對小衛星減輕質量、降低功耗有好處，同時提高了信息處理的效率，使小衛星系統更敏捷，自主管理能力提高。

4）綜合電子接口單元各標準模塊智能化，信息本地化，模塊間信息共享。各個模塊完成本模塊內部的數據處理。例如：測控功能可以大幅度地減少傳統分系統中直接遙測、直接遙控的數量，簡化測控電纜網。模塊智能化并不是增加計算機數量，而是根據需求研制適用的微型化、低功耗芯片，完成功能模塊的基本信息管理。

進行信息化融合的小衛星電子系統將更有利于其本身智能化的發展，實現小衛星的自主運行、自主任務規劃和自主健康監測及管理。

4　綜合電子應用優勢

技術體系清晰

采用綜合電子架構的系統技術體系更加清晰，統一的技術路線，整合了系統的信息資源、硬件資源。資源經過整合優化后，有利于實現標準模塊化、產品貨架化，也有利于系統的組合、組裝、測試。經過統籌優化的資源模塊化后，更有利于技術的升級換代，信息的綜合共享為系統的智能化提升提供了有力基礎，綜合電子技術體系的應用也將為小衛星電子系統帶來系統的優化，技術體系統一，軟硬件信息融合，智能化的提升。

綜合電子系統技術優勢

經濟效益明顯

（1）研發生產成本降低

采用模塊化綜合電子理念設計后，技術體系的可升級、可擴展、產品化等特點，使得整星的研發費用大大降低，使用原來研發模式每研制一顆星，即使功能相近也要進行一次研發流程。采用綜合電子化的研發模式將技術體系統一后，技術狀態相對固化，可以減少重復的單機及整星的鑒定階段研制流程。后續平臺升級只需更新相關功能模塊進行升級，因此衛星研發成本降低。模塊化后電子架構很容易做到產品化，從模塊到整星都可以進行批產，可帶來原材料、器件、組件的批量采購，批量投產，生產成本降低。

（2）系統架構優化帶來了效益

采用綜合電子系統架構后，資源的優化、技術割據的化解、產品標準化和貨架化等大大提高了經濟效益。以東方紅－3B平臺為例，綜合電子接口單元共集成了東方紅－4平臺13臺設備，且I/O接口擴容1倍左右，質量減少約40kg，發射費按1萬美元/千克計算，節省發射費用約260萬人民幣，東方紅－4平臺可裝載45臺轉發器，東方紅－3B平臺裝載120臺轉發器，每臺轉發器平臺投資成本，東方紅－3B平臺比東方紅－4平臺低181萬元，總價節省4525萬元人民幣。

技術進步帶來的效益

以手機為例，智能手機功能多，性能強大，但其價格已趨于原來的基本功能機，一些智能機價格已經低于1000元，其性能、功能是原來功能機的數倍。小衛星采用綜合電子架構設計后，也將有效提升衛星電子系統性能、減小體積，大大提升經濟效益，其高性能必將帶來其他功能性的開發，附加效益得到提高。另外，快速研發、快速組裝生產、快速測試以及即插即用的技術也從側面反映出經濟效益的提升。

快速響應特性突出

如前文所述，即插即用衛星就是最典型的案例，美國為保障未來戰爭及“作戰響應空間”計劃，通過快速部署“即插即用衛星”，增強快速響應達到快速控制空間能力，體現響應快速的重要性。綜合電子系統優化后的模塊化、標準化和貨架化能夠明顯縮短研發周期，具有整星生產組裝測試快捷，發射響應迅速等特點，這些特點是小衛星競爭力的重要體現，也是各用戶方的強烈需求。

5　結束語

綜合電子系統可以有效地整合電子系統，有利于提升系統的性能，更利于系統功能的升級換代。在綜合電子概念下，電子系統可以帶動整個系統的設計優化，性能提升，可靠性提高，成本降低，集成度提高。在綜合電子系統框架下，飛行器將從生產到應用，具有快速響應、高性能、高可靠性等特點。快速性、批產性以及技術的升級等要求，使得小衛星產品采用綜合電子系統化架構研制生產具有更加獨特的優勢。因此，在我國小衛星電子系統大范圍采用綜合電子體系架構設計是未來發展的大趨勢。

王曉宇/本文編輯