模塊化可重構空間系統研究

龐羽佳　李　志　陳新龍　張志民　黃劍斌（錢學森空間技術實驗室，北京 100094）

模塊化可重構空間系統研究

龐羽佳李志陳新龍張志民黃劍斌
（錢學森空間技術實驗室，北京 100094）

模塊化可重構空間系統由多個外形尺寸相同的模塊組成，具有組織方式靈活、維修操作方便、適應性強等優點，可有效提高空間系統的可維修性，降低空間系統建設成本，滿足空間應用的多任務需求。文章對國外模塊化可重構空間系統的發展情況進行了介紹，如日本“可重構空間系統”（RSS）、應用“超級機器人”（SuperBot）和應用衛星模塊（Satlet）的美國模塊化可重構空間系統。針對我國模塊化可重構空間系統的發展，建議首先發展模塊化異構系統，采用分布式與集中式相結合的控制方法。

模塊化可重構空間系統；“可重構空間系統”；“超級機器人”；衛星模塊；“衛星智能模塊在軌組裝”項目

1　引言

傳統的航天器具有固定構型，須根據特定任務需求預先設定功能，在軌運行時其結構、功能、運行方式等很少發生變化。但隨著人類對空間探索的逐漸深入，以及空間系統活動任務的日益多樣化，空間系統要具有對未知環境更強的適應性和更靈活的應用方式。模塊化可重構系統是一種能根據任務需要，重新組合自身構型的系統，它是在研究模塊化機器人的基礎上發展起來的，其主要思想是利用一些尺寸和功能可互換的模塊，像搭積木似地組合成特定構型。這種組合不僅包括機械重構，還包括控制系統（電子硬件、控制算法、軟件等）的重構，模塊本身就是一個集通信、控制、驅動、傳動一體化的單元［1］。模塊化可重構空間系統是模塊化可重構系統的空間應用，由多個同構模塊（各模塊功能均相同）或異構模塊（各模塊功能不同）組成，能夠根據工作環境和任務要求進行自重構改變構型，并采用合適的運動方式滿足空間任務要求。

從21世紀初開始，日本、美國、德國等國家均對模塊化可重構空間系統進行了大量研究，提出了“可重構空間系統”（Reconfigurable Space System，RSS）、應用“超級機器人”（Super Bot）的模塊化可重構空間系統、應用衛星模塊（Satlet）的模塊化可重構空間系統和“衛星智能模塊在軌組裝項目”（intelligent Building Blocks for On-orbit Satellite Servicing，iBOSS）等概念，并針對行星表面探測、在軌維護等典型應用進行了研究。2015年12月，美國Nova Wurks公司基于Satlet技術研發的“高度集成化衛星”（Hyper Integrated Satellite，HISat）已發射至“國際空間站”（ISS），用于對Satlet在軌組裝及部署技術進行在軌驗證［2］。本文主要研究了國外模塊化可重構空間系統的發展情況，并對系統特點和技術特點進行了總結，針對我國模塊化可重構空間系統的研究提出了建議。

2　國外發展情況

2.1日本REE

2005年，日本東京大學提出了RSS概念。RSS由“細胞衛星”（Cellular Satellite，CellSat）和“在軌服務機器人”（Orbital Servicing Robots，OSR）組成，如圖1所示。CellSat實現遙感、通信等功能，由多個類似于積木的細胞單元組成，具有可重構的體系架構。細胞單元比傳統的“模塊”更小，可以是由模塊拆分成的更小功能單元，具有CPU、電池、通信單元等的功能，再組合到一起實現特定的功能。CellSat的細胞化設計具有更高的靈活性，細胞單元界限清晰，且具有便于機器人操作的接口，可以比傳統的模塊化衛星具有更多的配置方式。OSR用于在軌服務和維修維護，包括CellSat集成、CellSat分解、燃料加注和CellSat重構。構建各類不同功能CellSat和進行在軌維修維護所需的資源（如燃料和特需的儀器設備），周期性地由地面送往OSR。組裝完成的CellSat由OSR送到太空執行任務，任務完成后可由OSR回收，因而能循環使用。故障CellSat和已消耗不可重復利用的細胞單元，由OSR負責進行離軌操作送入大氣層燒毀，不會形成空間碎片。RSS可持續更新CellSat的燃料、設備和結構，使CellSat處于最新狀態，并可隨時根據用戶需求進行在軌構建，因此具有靈活性、可持續性和可重用性的特點［3］。

CellSat的細胞單元（見圖2）為邊長60mm的立方體，內部都包含符合各自功能的器件和電路。6個面具有同樣的結構和接口，因此對其進行操作時不必區分方向。細胞單元的每一面均可與其他細胞單元進行機械連接，由OSR使用連接器插頭（Connector-pin）進行插入和旋轉2項簡單操作完成（見圖3），在連接的同時完成細胞單元間的供電與通信連接。圖4給出了細胞單元構建對地觀測CellSat的示意。

圖1　“可重構空間系統”示意Fig.1　Schematic drawing of RSS

圖2　細胞單元外觀Fig.2　CellSat unit

圖3　連接器插頭與連接步驟示意Fig.3　Connector-pin and connection operation

圖4　對地觀測CellSat示意Fig.4　CellSat for earth-observation

2.2應用Euper Bot機器人的美國模塊化可重構空間系統

Super Bot是美國南加州大學和美國其他大學共同研究的一種新型自重構模塊化機器人，美國航空航天局（NASA）、美國國防部先進研究計劃局（DARPA）等機構都曾對其進行資助。該項目的目標是為NASA太空探測所需的不同機器人任務和功能提供一種有效、成本可負擔、基于模塊化和自重構的解決方案。Super Bot由多個模塊組成，每個模塊有3個關節，中間的關節可正反2個方向連續旋轉，其余2個端部關節每個可旋轉±90o。Super Bot模塊可以像萬向節一樣動作，可在沒有外部輔助的情況下動態改變自身形狀、進行移動并改變運動方向。SuperBot由多個模塊可以組成不同構型，可進行多模態運動（見圖5），每個模態可適應不同環境類型、速度、能源效率等特征。通過多模態運動，可以實現蛇形、昆蟲、蜘蛛、毛蟲等多種運動形式。同時，采用基于激素的自適應分布式同步控制方法，使得模塊可以用一種類似于激素的信息來與其他模塊合作，從而能夠完成運動和自重構的任務［4-8］。

夏威夷大學對Super Bot機器人在NASA月球探測中的任務和功能進行了應用研究和設想，提出了3種月球表面應用方式（如圖6～8所示）［9］。

1）多用途月球探測器

在月球漫游車上設置最多120個SuperBot模塊和一些特殊工具，在有人或無人參與的情況下重復使用這些模塊組成多用途月球探測器（Multi-Use Lunar Explorer，MULE），進行各種月球表面地質和資源自主探測。模塊的自重構能力是順利完成任務的關鍵，在不同的任務階段，要求Super Bot模塊以多種組合方式完成相應任務需求。圖6為月球漫游車上的SuperBot模塊執行月球表面探測任務的設想。

圖5　SuperBot機器人完成的運動形式Fig.5　Motion types of SuperBot

2）小型移動探測系統

由8～10個SuperBot模塊組成小型移動探測系統（Mini-Mobile Investigation System，Mini-MIS），其中包含具有特殊功能的科學探測模塊或另外附加專用模塊進行月球表面移動探測。其運動形式可模仿蜘蛛、蜈蚣、蛇等生物，每25～100m布置一臺探測或分析儀器，可利用大量SuperBot模塊組成多個Mini-MIS完成大面積探測。在進行通信聯絡時，Super Bot模塊還可自變形為通信天線與基地進行通信。Mini-MIS的不同應用構型設想如圖7所示。

3）生活環境作業與維修系統

未來可利用Super Bot模塊組成生活環境作業與維修系統（Habitat Operations and Maintenance System，HOMS），代替航天員出艙進行月球表面作業。最多可由150個Super Bot模塊互聯并攜帶攝像機、鏟子等多種工具完成環境視察、采樣、運輸、加注等各類任務。圖8為Super Bot模塊進行貨物運輸和氧氣罐泄漏監測應用設想。

圖6　SuperBot模塊執行月球表面探測任務Fig.6　Lunar surface exploration mission by using SuperBots

圖7　小型移動探測系統的不同應用構型Fig.7　Application configurations of Mini-MIS

圖8　用于貨物運輸和氧氣罐泄漏監測的生活環境作業與維修系統Fig.8　HOMS of cargo carrier and oxygen tank leak inspection by using Super Bots

2.3應用Eatlet的美國模塊化可重構空間系統

為降低衛星成本，但又不影響其可靠性、分辨率、數據率等性能，DAPRA提出研制Satlet。Satlet是衛星的基本結構單元，通過軟硬件集成即可獲得一顆具有完整功能的衛星。2011年底，DARPA啟動“鳳凰”計劃，目的是開發一個在軌操控平臺，可拆解棄置軌道中失效衛星的有用部件（如天線），并將這些部件與若干衛星模塊重新組成新衛星加以利用。這些模塊就是Satlet，用于組成高度集成的模塊化衛星，再與失效衛星的天線重組形成新衛星［10-11］，如圖9所示。

圖9　Satlet與失效衛星天線進行重組Fig.9　Recombination of Satlets and antenna of disabled satellite

Satlet可用來構建平臺和載荷，但大多數情況下，Satlet是作為平臺的組成部分使用。一顆完整的衛星通常具備一系列功能，如電能生成與儲存、姿態控制、定位控制、數據處理、接收指令等。而1個Satlet只完成一項或幾項功能，當多個Satlet集成在一起后，可以組成衛星平臺，為有效載荷和任務執行提供所需的功能支持。例如:一顆衛星可以使用100個Satlet作為電源，而每個Satlet作為一個小電池，只須要提供整顆衛星所需電能的1%。由Satlet組成衛星，需要互聯的不僅是結構、通信、數據、電源、熱控，還要具有結構穩定性、可操作性和感知功能。其最大的價值在于可用Satlet像“搭積木”一樣構建不同的幾何形狀，使衛星對于不同的外形要求和任務操作具有更靈活的適應性，如圖10所示。

由Satlet集成的空間系統性能，可通過Satlet的數量和類型，以及單個Satlet的可靠性來衡量。在失效衛星天線重利用的試驗設計中，假設A代表與失效天線進行連接的載荷連接Satlet；S代表平臺Satlet，用于提供系統運行支持；P代表能源Satlet，用來收集和分發系統所需的能量。這些Satlet組合構成具有全新結構的衛星，見圖11。在這顆集成衛星中，Satlet的配置方式對衛星可靠性的影響見表1。

表1　Eatlet的配置方式對衛星可靠性的影響Table1　Influence of Eatlets deployment on satellite reliability

圖10　Satlet集成概念Fig.10　Assembly of Satlets

圖11　Satlet組成衛星示例Fig.11　An example of Satlets to compose satellite

以表1中平臺Satlelt為例，說明平臺Satlet個數與衛星可靠性的關系。

（1）當單個平臺Satlet的1年壽命生存概率為0.92、5年壽命生存概率為0.65時，衛星1年壽命和5年壽命的可靠性隨著試驗中平臺Satlet個數的增多而增加，但在試驗平臺Satlet個數達到32（任務成功所需最少平臺Satlet個數的2倍）后，衛星1年壽命的可靠性不再隨著平臺Satlet個數的增加而增加。

（2）當單個平臺Satlet的1年壽命生存概率由0.92提高到0.95、5年壽命生存概率由0.65提高到0.85時，由32個平臺Satlet組成的衛星與由40個平臺Satlet組成的衛星有著相同的5年壽命生存概率（0.944），即單個平臺Satlet生存概率提高后，達到相同的衛星可靠性，所需平臺Satlet個數可相應減少。

2015年12月，美國開展了“鳳凰”計劃中Satlet技術的首次在軌演示試驗，稱為“衛星模塊初始任務驗證及經驗”（Satlet Initial-Mission Proofs and Lessons，SIMPL）試驗（見圖12）。SIMPL包括8個基本組件:6個高度集成化衛星HISat和2個太陽電池陣。此外，SIMPL還攜帶光電成像設備，以及美國海軍學院實驗室的業余衛星通信有效載荷——自動位置報告系統（Automatic Position Reporting System，APRS）無線電通信轉發器。整星在“國際空間站”上裝配，在軌運行后用于驗證Satlet快速設計、制造、在軌組裝以及支持任何尺寸及質量載荷的能力。

基于Satlet技術研發的HISat是低成本、模塊化、高度集成的衛星，由美國NovaWurks公司聯合NanoRacks MicroSat公司共同研發，每顆質量約為6.8kg，具有基本的衛星功能，例如供電、運行控制等，并配備有必要的傳感器。HISats將在2016年夏季在“國際空間站”上被釋放至近地軌道，擬在2017年中期運行于地球靜止軌道，用于驗證HISat適用于各種軌道和客戶。

Satlet由于體積和質量小，受發射限制較小，入軌后通過在軌釋放系統和空間機械臂操作，可集成為大型或超大型空間系統，且可靈活根據用戶需求和空間任務需要在軌動態組織新的構型，并方便進行軟硬件升級和維修維護。由多個Satlets與結構組件在軌組成的大型空間系統應用平臺，可常駐空間并根據需要與不同功能有效載荷集成，以滿足多樣化的空間應用需求。地面應用方也只要發送有效載荷入軌，通過與空間系統應用平臺集成來實現功能［12］。圖13為幾種基于Satlet的空間系統概念圖。

圖12　SIMPL示意Fig.12　Schematic drawing of SIMPL

圖13　基于Satlet的空間系統概念圖Fig.13　Conceptual Satlet-based space systems

2.4德國iBOEE項目

德國柏林工業大學等機構在德國航空航天研究院（DLR）的支持下，開展了iBOSS項目的研究。該項目的重點在于將傳統衛星平臺分解為多個相同的建造積木（Building Block），每個建造積木包含特定功能，采取標準化設計，由空間機械臂完成在軌組裝，集成為所需的空間系統。可操作性和可實現性對在軌服務系統來說至關重要，也是DLR在進行該項目研究中采取的主要原則。建造積木具有相同的立方體外形結構，設計中力圖降低單個積木的復雜性、質量和體積，并提供機器人友好型操作接口，可支持在軌組裝與重構［11］，如圖14所示。

3　模塊化可重構空間系統的特點及關鍵技術

圖14　建造積木及其集成的iBOSS空間系統Fig.14　Building block and iBOSS space system

模塊化可重構空間系統的模塊組合靈活多變，系統規模、應用方式通過改變模塊數量或更換相應功能模塊即可實現；模塊可批量化生產，大大降低應用成本；模塊體積質量較小方便攜帶，在軌維修維護方便；在非結構化環境應用（如行星表面探測中），可通過智能控制重構系統結構和功能，極大地提高系統的魯棒性和適用性，滿足空間應用的多任務需求。根據前文的分析，可總結出模塊化可重構空間系統的特點和關鍵技術如下。

1）系統特點

（1）適應性，可以靈活地改變自身的構型，適應非結構化的環境和動態變化的工作任務要求。

（2）魯棒性，可以自動感知有問題的模塊，并采取其他備用或在用模塊代替故障模塊繼續執行任務［］。

（3）可擴展性，可以方便地連接與分離，系統規模的大小和功能可以根據需要進行自由擴展。

2）關鍵技術

（1）模塊化可重構空間系統通常由一種或者多種功能相同或相異的模塊組成，因此各模塊應具有標準的機械、電氣接口。

（2）模塊化可重構空間系統可在無人或有人參與的情況下自主變換構型和功能，以適應不同的環境和任務需求，因此要解決智能化控制技術。

（3）模塊化可重構系統空間在應用中應解決可重構系統模塊連接與粘附技術、模塊微推進及組合推進技術、多模塊協同運動規劃及控制技術、多模塊供電技術、可重構修復技術及空間多模塊轉發通信技術等。

4　建議

模塊化可重構空間系統組織方式靈活、控制機制智能、運動形式變化多樣、維修操作方便，特別適用于未知的、不確定的和非結構化的環境，可有效提高空間系統可維修性水平，降低空間系統建設成本，在行星表面探測、軍事偵察、空間維修維護等應用中具有廣闊前景。目前，國外提出了多種模塊化自重構空間系統的空間應用構想，但對其組織結構、運行方式等還缺乏系統、深入的研究，總體上仍處于系統概念與方案研究階段，少數處于關鍵技術演示驗證階段。我國對模塊化可重構空間系統的研究剛剛起步，針對目前的研究，提出建議如下。

（1）提高對模塊化可重構空間系統技術發展趨勢和應用前景的重視，積極安排和部署模塊化可重構空間系統發展，及時開展與航天器密切結合的模塊化可重構技術研究。

（2）以模塊化可重構空間系統化設計技術為基礎，結合地面模塊化可重構機器人技術，借鑒微納衛星設計經驗，大力拓展空間系統的模塊化應用，針對空間環境特點和任務應用需求，對可重構系統模塊進行針對性設計，提高系統多樣化應用能力和可維修維護性。

（3）模塊化同構系統的所有模塊軟硬件完全相同，模塊之間的區別在于所處的位置以及在任務中所承擔的角色不同。同構系統可以顯著降低建設成本，模塊的互換性很強，維修和更換模塊都較容易，但設計能滿足多種要求的模塊及其功能化齊全的軟件難度較大。異構系統則由不同種類和功能的模塊組成，設計難度較同構模塊小，但系統重構與維護難度增大。我國在開展相關研究時，建議首先對模塊化異構系統進行研究，降低模塊設計難度，對模塊化可重構系統相關技術進行探索實踐后，逐步推進模塊化同構系統研究進程。

（4）在進行模塊化可重構空間系統控制方法研究時，應考慮采用分布式與集中式相結合的方式。在任務單一、模塊數量少、通信距離短的條件下，采用集中式控制方式，進行高效率統一規劃和組織。在非結構環境或任務多變、模塊數量較多、通信距離遠等條件下，采用分布式控制方式，充分發揮各模塊單元的主動性，由智能化協同控制算法協同控制多模塊共同完成既定任務。

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（編輯：夏光）

Research on Modular Reconfigurable Space System

PANG Yujia LI Zhi CHEN Xinlong ZHANG Zhimin HUANG Jianbin
（Qian Xuesen Laboratory of Space Technology，Beijing 100094，China）

Modular reconfigurable space system is composed of multiple modules which have the same figure and size.It has the advantages of flexible organization，convenient on-orbit maintenance and excellent adaptability.Modular reconfigurable space system will improve the space maintenance technology，reduce the construction cost，and satisfy the multi-task requirements in space applications.The development situations of modular reconfigurable space system are introduced，such as RSS（Reconfigurable Space System），the modular reconfigurable space system adopting Super Bots or Satlets.Some suggestions on developing Chinese modular reconfigurable space system are put forward that modular heterogeneous system with combinative mode of distributed and centralized control should be developed in preference.

modular reconfigurable space system；RSS（Reconfigurable Space System）；Super Bot；Satlet；iBOSS（intelligent Building Blocks for On-orbit Satellite Servicing）project

V423.4

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.03.016

2015-10-08；

2016-03-01

國家高技術研究發展計劃（863計劃）（2015AA7046302）

龐羽佳，女，碩士，研究方向為在軌維修維護系統設計。Email：pangyujia@qxslab.cn。