面向低軌巨型星座的載荷托管技術發展趨勢及展望

劉培 徐加友 汪伊婕 韓鳴迪 賀文正（上海衛星工程研究所）

低軌巨型衛星星座具有全球網絡覆蓋、通信低時延等優勢，被視為改變衛星行業發展的重要技術。隨著該技術的不斷發展和普及，載荷托管技術以為各種應用提供高速、大容量和低延遲的通信服務脫穎而出，為各個行業提供了新的技術選擇。本文首先對天基載荷托管技術的發展現狀進行闡述，并分析了面向低軌巨型星座的載荷托管發展挑戰，從3個設計角度對面向低軌巨型星座的載荷托管技術方向進行了分析，最后，對該技術發展趨勢及研究現狀進行了總結展望。

1 引言

低軌巨型星座具有廣覆蓋、高重訪、低時延等能力優勢，近年來，以“星鏈”（Starlink）、“一網”（OneWeb）等為代表的低軌星座系統建設驗證了低軌巨型星座建設的工程可行性，將成為通信、導航、遙感各類衛星系統的未來建設方向[1]。

載荷托管技術是一種圍繞衛星載荷的自主控制和智能化運行的技術，它通過將數據處理、存儲與傳輸等功能嵌入到衛星系統中，并實現對載荷的遠程監測與控制，使得衛星能夠高效、穩定地運行，更好地滿足用戶需求。載荷托管技術的特點主要包括自主化、智能化、高度集成化和遠程控制能力。

載荷托管技術在現代空間技術領域具有重要的研發意義和應用價值。它可以幫助衛星系統實現智能化運營和自我修復，增強其適應性和魯棒性；同時也可以為各行業提供更加安全、便捷、快速的數據通信和信息化服務，促進社會經濟的可持續發展。通過載荷托管的形式，借助低軌巨型星座建設窗口，可實現更高效、更經濟的通、導、遙天基能力生成，從而加快天基基礎設施產業發展。

2 天基載荷托管的發展現狀

自20世紀60年代以來，世界各航天國家便開始利用衛星的多余能力來搭載額外的有效載荷，以做到物盡其用，用最少的錢辦更多的事。例如：美國國家航空航天局（NASA）早在20世紀70年代就開始了低軌衛星通信系統的研究工作[2]，并在不斷改進和完善中，逐漸形成了一套完整的載荷托管技術體系。但過去的“搭載”更多的是以小型試驗載荷的空間試驗驗證為目的，對本身的軌道、時機要求不高。近幾年來，國外掀起了新的商業載荷搭載熱潮，又稱之為“托管有效載荷”，提供業務服務[3]。天基載荷托管技術的發展現狀呈現出智能化、集成化、遠程控制、精準化和廣泛應用等特點。本文以“銥星”（Iridium）、“巴托洛梅奧”（Bartolomeo）和“星盾”（Starshield）為例，對天基載荷托管的現狀進行了研究。

“銥星”

以新一代“銥星”載荷搭載為例，“銥星”星座中的每顆衛星都為有效載荷預留有50kg的搭載質量，限制載荷體積為30cm×40cm×70cm，平均功率為50W（最高達200W），數據速率可達1Mbit/s。“銥星”星座系統與多方達成合作，為艾瑞恩公司（Aireon）提供基于天基航空監視業務的次級載荷空間，并且在2015年開始發射的共計72顆在軌衛星中全部安裝Aireon廣播式自動相關監視（ADS-B）接收機。接收機將采用AppStar有效載荷平臺，可接收來自飛機的ADS-B數據，并經由ADS-B地面站提供給空中導航服務供應商，服務響應時間可縮減至2s以內，從而實現完整覆蓋全球的近實時、高頻率、高精度的飛機位置監視。除此之外，據相關報道稱，星座中至少22顆“銥星”搭載了天基殺傷評估系統（SKA）載荷，58顆搭載了船舶跟蹤載荷，從而構成了一個天基、海基殺傷評估系統，這些評估系統將用于美國軍方。

此外，銥星公司還推出了“銥星”PRIME供應平臺，負責寄宿有效載荷總體方案設計。可承擔有效載荷質量為265kg，輸出均值功率650W（峰值1100W），數據速率為17Mbit/s。“銥星”PRIME平臺利用“銥星”星座及其運行模式實現商業盈利，借助于星際鏈路和全球地面系統可提供基于多種有效載荷的雙向控制與數據傳輸業務。“銥星”PRIME設計中除去了不必要的L頻段用戶通信，而將可搭載有效載荷的能力進一步提升。

“巴托洛梅奧”

Bartolomeo載荷搭載平臺

除新一代“銥星”外，與“國際空間站”（ISS）的歐洲哥倫布模塊相連的Bartolomeo平臺同樣提供載荷搭載功能。這一平臺由空客公司（Airbus）資助，在歐洲航天局（ESA）的支持下運營，該平臺最多可托管12個不同的載荷，為它們提供電源并將數據傳輸回地面。從小到3U的有效載荷開始，空客公司就在Bartolomeo上將有效載荷作為一站式服務承載在主機上，包括有效載荷的準備工作，發射和安裝服務以及后續的操作和數據傳輸，并提供了可選的返回地球方面的技術支持。它不僅可用于對地觀測，在環境與氣候研究、機器人技術、材料科學、天體物理，以及空間新技術測試等方面也有廣闊前景。該平臺同目前國際上提供有效載荷設施的其他空間站，如NASA的“設備承載子系統”（ELCS），歐洲的哥倫布外部有效載荷設施（COL-EPF），日本的實驗艙外部暴露平臺（JEM-EF）和納諾拉克斯公司（NanoRack）外部平臺（NREP）相比，優勢主要在于該平臺提供了同其他空間站水平相近的載荷搭載能力，且可為有效載荷提供多達800W的電力消耗，此外，該平臺還可以為其有效載荷提供主動冷卻能力，并可選擇加壓發射還是不加壓發射，返回地球還是不返回地球。在觀看條件、供電和數據傳輸方面具有很強的競爭力。

“星盾”

2022年12月2日，SpaceX公司正式發布了名為“星盾”的衛星互聯網星座項目。“星盾”計劃所提出的載荷托管功能，相較于傳統載荷搭載，不僅可以大幅節省衛星采購費用，還具有加速天基能力交付、增強軍事航天力量彈性和強化工業基礎穩定性等優點。“星鏈”作為當前最大規模的商業衛星星座，本身具有平臺功率裕度足、載荷搭載能力強的優勢，并且其更新迭代速度快，發射任務頻率高，制造發射成本低，已經具備成為全功能載荷托管衛星平臺的條件。在“星鏈”基礎上衍生出的“星盾”不僅繼承“星鏈”的上述優勢，還在數據安全、載荷兼容、互聯互通等方面獲得進一步加強。SpaceX公司承諾，“星盾”衛星將在“星鏈”的基礎上使用額外的高度可靠的加密算法來托管機密有效載荷，并對重要數據進行安全處理；同時，為了滿足不同的任務要求，衛星能夠集成各種有效載荷，為用戶提供多種功能選擇。

3 天基載荷托管發展挑戰

隨著低軌巨型星座的快速發展，載荷搭載的需求從簡單的在軌驗證向全球部署、商業應用發展，對衛星平臺的要求也從原來的單星重量、空間功耗、遙測資源定制設計向批量化、航班化載荷承載的按需托管轉變，將面臨以下挑戰。

1）在傳統衛星研制模式中，因為投資渠道、研制單位、應用任務不一，因此可能造成硬件設備規格的不統一，而硬件接口的不統一導致了軟件開發難度增大，衛星難以實現按需靈活托管。

2）由于軟硬件體系架構上的不同，衛星軟件難以在不同平臺上通用，每顆衛星都需要研發專屬的星載軟件，即便是其中具有相同功能和接口特點的共性軟件，都需要重新正向設計，難以實現柔性復用，大幅提高研制周期和成本。

3）按照傳統衛星設計規范，接口關系發生變化時，與硬件相關的軟件發生任何修改，均需重新反復測試。因此，即便是相同的目標環境，之前經過驗證的硬件或軟件仍需耗費大量時間重新考核試驗。

4 天基載荷托管技術方向

針對低軌巨型星座的載荷托管，將面臨載荷重量大、數量多、平臺發射周期與載荷研制不匹配等問題，可以通過模塊化解耦劃分、自適應總線架構設計、可擴展兼容設計等手段，構建靈活可擴展的載荷托管架構[4]。

功能模塊化設計

將托管載荷設計成有某種確定功能的半自律性的典型通用獨立單元。它可以通過即插即用標準接口衛星平臺相連。

功能模塊在結構和功能上保持著相對獨立性，能夠獨立完成某項特定的任務。它的結構都封裝在功能模塊內部，對外保持封閉性，只存在數據上的通信。功能模塊具有自描述的屬性，能夠對內部封裝的信息進行自我描述。

接口標準化設計

將托管載荷設計成帶有統一、標準的即插即用接口，能夠方便地進行組裝和測試。即插即用標準接口的主要作用是將功能模塊封裝成一個即插即用設備，使所有功能模塊組成一個自組織網絡，實現功能模塊的網絡即插即用。模塊化的即插即用標準接口主要包括機械接口、電源接口、數據接口和熱控接口，其各自作用如下：

1）機械接口。其在功能模塊和結構面板之間提供合適的連接機構，使功能模塊能夠快捷、方便地連接到結構面板上，允許系統快速組裝和折卸。承受和傳遞衛星上的所有載荷，為功能模塊提供所需的剛性支撐條件，保證功能模塊安裝的牢靠。提供統一、通用的機械接口標準，包括接口形狀、緊固件等，方便不同的功能模塊組裝。

2）電源接口。它是傳遞電源各能量的界面。其作用是通過與電源總線的連接，按負載的要求對電能進行變換并將電能輸送給各模塊，以對各模塊進行配電。在電源接口設計中，電源接口電路必須滿足與電源總線阻抗匹配、絕緣和屏蔽等要求，對高頻信號，還應規定容許的損失和干擾，使接口電路能為模塊提供穩定、足夠的電源，維持模塊的正常工作。電源接口的設計要對自身攜帶電源和電源模塊統一供電這兩種方式進行研究，并對這兩種連接方式下的電連接方式進行分析設計。

3）數據接口。它采用統一、通用的數據接口標準，包括數據類型、幀格式、接口函數等，方便功能模塊傳遞數據。只將功能模塊的接口與星上信息網絡控制設備相連，從而簡化部件之間的復雜聯系。

4）熱控接口。它是對模塊的溫度進行控制、調節的界面，是使模塊能保持合適的工作溫度，保證模塊處于正常工作環境的重要部件。根據熱控技術的主要手段和發展，為了盡可能減少熱控模塊對航天器整體性能造成很大的影響，一般要求模塊能夠自主控制。在熱控接口的設計中需要充分考慮各熱控措施的可用性、工藝性、空間穩定性、經濟性、可靠性等因素。

自主接入設計

標準化模塊在系統總線上的即插即用功能是靠身份自動識別來實現的。身份自動識別指在智能節點接入總線后，星載主機能夠根據節點發布的數據幀識別出該部件，并完成相應的管理操作。航天器器上設備自動身份識別技術包括即插即用標準化模塊設計技術、自動識別方法及相應軟件體系結構和傳輸協議設計等。標準化模塊設計技術已在通用模塊設計中解決，自動識別方法則是靠衛星中心計算機提供設備管理程序，接收功能模塊發送的自動識別幀，從而管理掛在總線上的各種智能設備。

自動識別數據幀由幀頭、幀類型、幀長度、設備標識、聲明信息、備用字節和幀尾組成，是新加入設備和主機間通信的唯一幀格式，幀中包含部件的唯一標識和描述信息等。其中，聲明信息包括提供的服務、所需資源和驅動程序等，提供的服務指該部件能夠提供給外部的服務，如提供何種數據等信息。所需資源描述部件運行需要的環境資源，包括采集太陽信息或地球信息等。驅動程序描述部件運行需要的驅動程序信息，包括驅動程序號等信息。

5 結束語

針對低軌巨型衛星星座空間覆蓋范圍廣、目標重訪周期短、傳輸延遲低、生存能力強、部署靈活、衛星數量多的特點，為滿足“通導遙一體化”、加速天基能力交付、增強國家航天力量彈性、強化工業基礎穩定性和降低成本等需求，在低軌巨型星座的衛星平臺上托管載荷是必由之路[5]。由于不需要研制整星，不僅大幅節約成本，縮短研制時間，更由于分散部署的載荷，可充分利用低軌巨型星座的發展窗口，顯著增強國家天基力量的魯棒性。