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1、 即插即用卫星系统技术研究进展（下） 王晓海 中国航天科技集团公司五院五零四研究所5 国外即插即用卫星研究现状从1999年“太空快速响应作战（ORS）”概念的提出至今的十年时间里。美国在该领域取得了许多进展，但仍存在挑战。因为大多数举措还只处于启动阶段。要成功实现ORS计划仍然有很大的困难。为实现该计划，许多新的概念被提出，包括标准化航天器平台、模块化载荷、虚拟卫星、星簇、在轨服务等。未来通过对这些概念技术的应用与探索，可保证系统快速地研制、生产与组装。5.1 F6-PnPSat美国国防先进研究计划局正是为了验证上述理念而投资发展F6计划，并将其作为“太空快速响应作战”计划的一个重要组成部分。
2、DARPA计划分4个阶段实施F6计划：第阶段进行卫星系统的概念设计，在轨动力学研究，设计项目框架，此外，合同承包团队还将开发基于硬件在回路的试验台，以对分离模块航天器的任务进行软件模拟；第阶段完成系统的详细设计，完成卫星各功能模块的软硬件开发；第阶段完成功能模块的研制，进行系统集成和地面模拟试验验证；第阶段发射功能模块，组成卫星网络，进行在轨演示验证。PnPSat-1的实现已经证明采用SPA技术可以有效减小航天器装配和集成组建所需的时间，目前采用下一代SPA技术的PnPSat-2的工作已经开始。5.2 Pleiades项目Pleiades项目为轨道科学公司联合IBM公司、JPL喷气推进实验室开
3、展的分离模块航天器系统研究项目。Pleiades的任务场景假定为近地轨道科学探测，有效载荷为3个光电（EO）成像仪，每个成像仪可单独工作，也可共同配合成像以增强科学探测能力。Pleiades系统架构最大的好处就是将3个光电成像仪的研制解耦，分期部署，快速发射开展任务。Pleiades系统包含5个225kg的模块（Atlas系列）和2个75kg模块（Pleione系列）。各模块具备单独发射入轨的能力，包含同传统航天器平台一样的姿控、能量管理、热管理、安全模式电子设备、推进、测控等子系统这些最低配置。系统各有效载荷将共享2套TDRSS测控系统，2个固态存储器，2套高带宽数据下传系统，2套高性能任务
4、数据处理系统。通过模块间软硬件的功能冗余保证系统的可用资源。6 即插即用卫星系统关键技术6.1 集群导航控制技术随着分布式卫星编队飞行的发展，编队飞行控制技术已经逐渐成熟。在编队飞行的控制和测量精度的要求上，实现分离模块编队飞行要比实现分布式卫星编队飞行要低。F6计划的设计目标是实现自主、安全、自防护编队导航，具有虚拟对接和队形变换的功能，在部分模块失效和遭受敌方攻击时，系统具有快速重构编队的能力。模块航天器在集群飞行状态下的控制问题以航天器相对动力学方程为基础，与编队飞行控制有共同点，可以在航天器编队飞行控制的基础上开展。但是，同分布式卫星群和编队飞行卫星相比，分离模块异构集群的控制问题面临
5、多方面的挑战。普林斯顿卫星公司的Joseph Mueller归纳了集群航天器轨道控制的主要问题：首先，集群中的模块并非都具有轨道保持与控制能力，这是对集群或构型保持控制策略的挑战；其次，在集群分散的情况下，控制是采用精密保持、松散保持，将极大影响控制的代价，需要建立合适的任务分析模型；第三，集群控制将受到传感器系统和通信网络作用范围的约束；第四，模块航天器的异构特性将导致特别的相对摄动力，如大气阻力、太阳光压摄动的差异，从而增加集群轨道运动分析的复杂性；第五，导航不确定性的影响。6.2 网络通信处理技术网络化技术的目标是使“分离模块航天器”构成一个自组织网络，具有高可靠性和高可用性，同时还具备
6、即插即用的特性。此外，还需要发展标准化的网络化技术软件和硬件接口，使数据包和多种标准航天器组件在进入网络时可进行唯一的地址标识。随着空间网络节点的逐渐增加，传统卫星中采用的频分多址、空分多址技术将逐渐难以满足日益增长的空间网络节点的通信需求，目前在民用通信业务领域广泛采用的码分多址等先进的网络寻址技术将进入航天应用领域。随着军事对抗技术的升级，通信手段的安全性也需要不断升级。这其中不仅包括信息的加密技术，跳频通信技术，还包括在卫星遭受到电磁攻击、物理攻击条件下的星间信息链路防护设计。6.3 无线能源传输技术无线能源传输技术是F6概念中一项很重要的基础技术，这项技术的意义在于可以将传统卫星中的能
7、源分系统独立出来，形成一个独立的模块，通过无线能量传输的技术为星群中的其他模块提供能源服务。激光能量传输技术虽然很早就被提出了，但一直处于概念研究和论证阶段，直到比较晚些时候，国际上才对利用激光作为能量载体的无线能量传输技术进行试验验证。激光方向性强、能量集中，利用激光可以携带大量的能量，可以用较小的发射功率实现较远距离的输电。有关研究选择激光的优势在于所需的传输和接收设备是微波所需的110，并且不存在干扰通信卫星的风险。利用激光进行能量传输，因为其具有能量集中，能流密度高的特点，因此激光能量的接收端设备可以尽量减小体积和重量。此外，地球大气对于可见光谱段和近红外谱段的电磁波具有较高的透过率。
8、因此选择用于进行能量传输的激光应集中在可见光和近红外谱段。目前通常采用的激光器是钇铝石榴石晶体激光器或者二极管激光器，其中二极管激光器是电-光转换效率最高的激光器。6.4 空间交会对接技术空间交会对接技术（Rendezvous and Docking，简称RVD）是发展空间技术的关键途径。它包括两部分相互衔接的空间操作，即空间交会和空间对接。所谓交会是指跟踪航天器与目标航天器在轨道上按预定要求相互接近的过程，即两个航天器通过轨道参数的协调在同一时间到达同一空间位置的过程。而对接则为在交会的基础上，通过专门的对接装置将其结构上连成一个整体。航天器交会对接技术是航天领域一项非常复杂且难度很大的工作
9、。随着航天技术尤其是载人航天技术的发展，空间交会对接技术也得到了迅速发展和广泛的应用。它是一种当在太空中执行向其它航天器提供在轨服务（如补充物资、燃料加注、更换轨道替换单元等）、完成大型结构在轨组装以及回收空间产品等任务时所必不可少的技术。可以说，交会对接技术己成为当前和今后一段时期内进行空间探索必须首先要解决的一个关键问题。自主交会对接技术是分离异构卫星技术中的重要基础技术，它的成熟应用可使姿轨控分系统从卫星中分离出来，形成独立的模块，当其他模块需要调整姿态或者轨道机动时，姿轨控模块可以与目标模块实施对接，利用自身较强的机动变轨能力为其他模块进行服务。6.5 分布式计算技术分布式计算是一门计
10、算机科学，用于研究如何把一个大型任务分成许多小的部分，然后把这些部分分配给许多计算单元进行处理，最后再把计算结果综合起来得到最终的结果。在F6计划中，分布式计算技术需要具备可扩充性、自适应性和容错性能，能够保证当在轨运行的部分模块失效时，剩余模块仍然能够“保持生存”（Keep Alive），直到替换模块插入后恢复系统功能。“保持生存”主要是指两个方面：一是保持电力供应和安全的热防护；二是能够接收命令，同时把状态数据传送给其他模块。7 结语即插即用很好地贯彻了“通用化、系列化、模块化”的航天标准化设计准则，使微小卫星可以在短时间内设计和研制完成，通过快速测试后即可以完成按需发射，有效满足快速航天
11、任务需求。未来即插即用技术将按照从低级到高级、从简单到复杂的规律，发展成“星与星”之间的即插即用。就是在实现卫星内部综合电子系统的基础上可以将即插即用关系扩展到卫星编队或者“自由飞”系统中，使得单个卫星可以方便地“无线即插即用”到卫星群落中。参考文献1Frederick A.Slane、AdrianJ.HookeSpacePlugand Play Avionics Standards：Progress，Problems and a View of the Future 2007 Conference and Exhibit 2007-29122Don Fronterhouse、JimLyke、
12、Steve Achramowicz Plug-and-PlaySatellite（PnPSat）2007Conference and Exhibit2007-29143Jim Lyke Space-Plug-and-Play Avionics（SPA）：A Three 来自www.lW5u.coMYear Progress Report 2007 Conference and Exhibit 2007-29284Jeffrey E Naff Quick-Turn Finite Element Analysisfor Plug-and-Play Satellite Structures2007-
13、35L.J.Hansen、P.Graven、D.Fogle、J.Lyke The Feasibility of Applying Plug-and-Play Conceptsto Spacecraft Guidance、Navigati on and Control Systemsto Meetthe Challenges of Future Responsive Missions 2008 International ESA Conference on Guidance、Navigation & Control Systems6MauriceMartin、DonFronterhouse、Ji
14、m Lyke The Implementation of a Plug-and-Play Satellite Bus 20087WayneC.Boncyk Revolutionary Design Meets Spacecraft Reality：Lessons Learnedin Developinga PnPSat Power System Aerospace Conference，2009 IEEE8ChristopherJ.McNutt、Robert Vick、Harry Whiting、JamesLykeModularNanosatellitesPlug-and-Play（PnP）C
15、ubeSat 20097th Responsive Space Conference9Anthony Lai Next Generation Pl来自www.Lw5U.coMugand Play RadiationTolerant Avionics 20094th International Conferenceon Recent Advances in Space Technologies10Paul Graven、Ksenia Kolcio and Yegor Plam Implementationofa Plug-and-Play Attitude Determination and C
16、ontrol Systemon PnPS at 2009 IEEE11MichaelD.Trottier Accurate Dynamic Response Predictions of Plug-and-Play SatelliteI12杨希祥、张为华卫星公用舱模块化及其即插即用技术研究2008年航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛2008年10月13尤政、田贺祥、李滨微小卫星综合电子系统中的即插即用技术清华大学学报（自然科学版）2009年第11期14郝大功、芦小宇、卢栋美国即插即用卫星分析与研究科技和产业2011年第9期pp143-14515王兴龙、董云峰即插即用模块化卫星体系结构研究航天器工程20
