+ 王曉海

（空間電子信息技術(shù)研究院 空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

即插即用衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)研究進(jìn)展（上）

+ 王曉海

（空間電子信息技術(shù)研究院 空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

本文首先介紹了航天即插即用的基本概念及衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)即插即用的優(yōu)越性，闡述了國(guó)外衛(wèi)星即插即用技術(shù)的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)探討分析了即插即用衛(wèi)星的構(gòu)成及關(guān)鍵技術(shù)。

即插即用技術(shù) 分離模塊F6計(jì)劃 PnPSat衛(wèi)星

1 前言

為保障未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中能及時(shí)補(bǔ)充和維護(hù)失效軍用衛(wèi)星，美國(guó)啟動(dòng)了作戰(zhàn)及時(shí)響應(yīng)空間（ORS）計(jì)劃，通過(guò)快速裝配、集成和測(cè)試（AIT），部署小型低成本衛(wèi)星，完成響應(yīng)性的開(kāi)發(fā)，提升或補(bǔ)充空間力量，增強(qiáng)利用空間和控制空間能力。因此，支持衛(wèi)星的快速組裝及模塊的在軌更換成為未來(lái)天基平臺(tái)發(fā)展的一個(gè)主要方向。此外，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，太空系統(tǒng)100%都會(huì)受到令人震驚的超限成本的懲罰，究其原因，主要是其復(fù)雜性帶來(lái)的損失和耗費(fèi)。為此，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室（Air Force Research Laboratory，AFRL）提出如何通過(guò)技術(shù)手段來(lái)有效減小或降低航天系統(tǒng)的復(fù)雜程度，并且更為快捷、迅速方便的生產(chǎn)制造出航天系統(tǒng)的研究課題。

具體應(yīng)用什么技術(shù)，采取何種方式能夠?qū)崿F(xiàn)航天系統(tǒng)的快速搭建組裝是探索的主題和重點(diǎn)。2004年，科學(xué)家們從地面設(shè)備采用的技術(shù)中獲得啟發(fā)：例如生產(chǎn)一臺(tái)計(jì)算機(jī)，可以非常簡(jiǎn)單也十分迅速的將各個(gè)部件拼接集成，不需要重新編寫(xiě)程序或修改硬件；對(duì)于基于網(wǎng)絡(luò)的可升級(jí)系統(tǒng)，數(shù)千臺(tái)分布式的服務(wù)器不僅能夠準(zhǔn)確無(wú)誤的傳遞服務(wù)信息，同時(shí)能夠保證硬件和軟件不斷的升級(jí)更新。

上述事例的內(nèi)涵即就是早已在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用多年，至今已非常成熟的即插即用技術(shù)。

2 即插即用衛(wèi)星技術(shù)

即插即用技術(shù)（Plug-and-play，PnP）原是一項(xiàng)用于自動(dòng)處理PC機(jī)硬件設(shè)備安裝的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使得硬件設(shè)備的安裝大大簡(jiǎn)化，無(wú)須再做跳線，也不必使用軟件配置程序。

即插即用衛(wèi)星是指具有開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)和接口，能夠?qū)Σ考M(jìn)行自我描述，自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)配置的模塊化衛(wèi)星。系統(tǒng)集成可以得到簡(jiǎn)化并且能夠自動(dòng)測(cè)試。國(guó)外即插即用衛(wèi)星概念是1999年由美國(guó)國(guó)防部在ORS計(jì)劃中首次提出，空軍實(shí)驗(yàn)（AFRL）在2006年9月開(kāi)始概念研究，2008年實(shí)現(xiàn)用于飛行試驗(yàn)的工程樣機(jī)，目前正在研制階段。下圖1是研制的即插即用衛(wèi)星及各部件裝配位置示意圖。即插即用有效載荷是即插即用衛(wèi)星中的核心，其具體概念尚無(wú)統(tǒng)一明確定義，但基本思想是指應(yīng)用航天即插即用技術(shù)的有效載荷。

航天即插即用技術(shù)（Space Plug-and-playAvionics（SPA））是目前研究的熱點(diǎn)技術(shù)，核心思想是將基于智能機(jī)器協(xié)商接口和集成總線的陸地即插即用（PnP）技術(shù)經(jīng)擴(kuò)展改造用于航天器。SPA支撐技術(shù)主要包括系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)（SiP）、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)（MEMS）、多功能結(jié)構(gòu)技術(shù)（MFS）、軟件無(wú)線電技術(shù)（SDR）、可重構(gòu)系統(tǒng)技術(shù)（RSTC）、基于FPGA的可重配置計(jì)算原理以及自適應(yīng)多重布線（AWM）、自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（SONT）、高性能傳感器的FPGA公共前端處理器以及實(shí)現(xiàn)高性能在軌計(jì)算（HPCOO）的融合處理器網(wǎng)格型陣列網(wǎng)絡(luò)等。

SiP（System in Package，系統(tǒng)級(jí)封裝）技術(shù)，是指將多個(gè)具有不同功能的有源組件與無(wú)源組件組合在同一封裝中，成為可提供多種功能的單顆標(biāo)準(zhǔn)封裝組件，形成一個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)。

MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)是微電子技術(shù)的拓寬和延伸，它將微電子技術(shù)和精密機(jī)械加工技術(shù)相互融合,構(gòu)建成為機(jī)電一體的系統(tǒng)。具體來(lái)說(shuō)，微機(jī)電系統(tǒng)是專指外形輪廓尺寸在毫米量級(jí)以下，構(gòu)成它的機(jī)械零件和半導(dǎo)體元器件尺寸在微米至納米量級(jí)（10-6～10-9m），可對(duì)聲、光、熱、磁、運(yùn)動(dòng)等自然信息進(jìn)行感知、識(shí)別、控制和處理的微型機(jī)電裝置。它是正在飛速發(fā)展的微米和納米技術(shù)的一項(xiàng)十分重要的成果。它將微型電機(jī)、微型電路、微型傳感器、微型執(zhí)行器等微型裝置和器件集成在硅片上，不僅能搜集、處理與發(fā)送信息或指令，還能按照所獲取的信息自主或根據(jù)外部指令采取行動(dòng)。

MFS（Multi-Functional Structure，多功能結(jié)構(gòu)）技術(shù)是以微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路以及高密度互聯(lián)（HDI）、表面安裝技術(shù)（SMT）等新方法、新工藝為基礎(chǔ)，將電子線路及其支架、外殼、電連接器、傳輸電纜，結(jié)構(gòu)封裝、熱控等輔助部件集成為一體，進(jìn)行最大限度嵌入結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料中，并使有源電子線路與機(jī)械表面直接接觸的新型電子設(shè)備結(jié)構(gòu)。

SDR（Software Defined Radio，軟件無(wú)線電）技術(shù)是近幾年來(lái)提出的一種實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的新概念和體制。它的核心是將寬帶A/D和D/A變換器盡可能靠近天線，而電臺(tái)功能盡可能地采用軟件進(jìn)行定義。軟件無(wú)線電把硬件作為無(wú)線通信的基本平臺(tái)，對(duì)于無(wú)線通信功能盡可能用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣，無(wú)線通信系統(tǒng)具有很好的通用性、靈活性，使系統(tǒng)互聯(lián)和升級(jí)變得非常方便。

3 衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)即插即用的優(yōu)越性

3.1 降低衛(wèi)星系統(tǒng)研制成本

因?yàn)閷?shí)現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)即插即用的前提先決條件就是首先要將整體衛(wèi)星系統(tǒng)的一些功能性設(shè)備單獨(dú)分離出來(lái)，形成一個(gè)獨(dú)立的功能模塊，從而靈活地為其他的某一個(gè)系統(tǒng)或者多個(gè)系統(tǒng)服務(wù)。由于每個(gè)功能模塊都可以進(jìn)行獨(dú)立的生產(chǎn)，因此隨著發(fā)展的逐步深入，功能模塊可以進(jìn)行大批量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，由此可以帶來(lái)衛(wèi)星系統(tǒng)的成本大幅度降低。在整體式衛(wèi)星中，由于平臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)與有效載荷封裝在一個(gè)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體內(nèi)，因此各種設(shè)備的安裝位置，布線會(huì)隨著每個(gè)衛(wèi)星的要求不同而各不相同，因此其成本難以降低。并且，衛(wèi)星即插即用采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，具有統(tǒng)一的機(jī)械、電氣接口，所以具有更加靈活的發(fā)射策略，可以選擇搭載發(fā)射、星簇發(fā)射或者小運(yùn)載單獨(dú)發(fā)射等多種模式，可以有效降低衛(wèi)星發(fā)射成本。

圖1 即插即用衛(wèi)星及各部件裝配位置示意圖

3.2 降低衛(wèi)星系統(tǒng)的復(fù)雜性

在傳統(tǒng)的衛(wèi)星中，由于各種分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在同一個(gè)整體內(nèi)交織在一起，在研制流程中往往會(huì)產(chǎn)生“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的效果。若某一分系統(tǒng)的研制受到阻礙，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)衛(wèi)星的研制周期加長(zhǎng)。在整體衛(wèi)星研制中，不僅要進(jìn)行分系統(tǒng)級(jí)的內(nèi)部測(cè)試，還需要在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行整體的測(cè)試，防止出現(xiàn)不同設(shè)備在工作時(shí)與其他設(shè)備發(fā)生結(jié)構(gòu)共振耦合、散熱影響以及電磁兼容性方面的問(wèn)題。

各功能模塊在研制過(guò)程中都會(huì)遵守統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，包括無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、能量交換接口、以及在軌交會(huì)對(duì)接用的機(jī)械接口。每個(gè)模塊在研制中只要符合接口標(biāo)準(zhǔn)的要求就可以接入系統(tǒng)，而無(wú)須進(jìn)行大的系統(tǒng)測(cè)試。在這種情況下，每個(gè)模塊的研制僅相當(dāng)于原先整體式衛(wèi)星的分系統(tǒng)研制，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜程度。每個(gè)模塊都可以進(jìn)行獨(dú)立研制，彼此互不干擾，因此可以用并行工程的流程管理方法大大加快航天器系統(tǒng)的研制進(jìn)度。

3.3 提高衛(wèi)星系統(tǒng)的靈活性

即插即用技術(shù)將給空間系統(tǒng)帶來(lái)巨大的使用靈活性，這種靈活性表現(xiàn)在4個(gè)方面，分別是：可擴(kuò)展性、可改進(jìn)性、可維持性和可適應(yīng)性。

在空間系統(tǒng)的即插即用技術(shù)框架下，所有的衛(wèi)星模塊都只提供原來(lái)整體衛(wèi)星一部分的功能，而這些模塊又通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線能量傳輸技術(shù)等手段相互聯(lián)系，相互作用，因此在某一個(gè)空間系統(tǒng)的功能種類及能力無(wú)法滿足任務(wù)要求的情況下，可以通過(guò)補(bǔ)充模塊納入編隊(duì)的方式很容易地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能力的擴(kuò)展。在即插即用技術(shù)體系下，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的技術(shù)手段增加系統(tǒng)的功能種類及系統(tǒng)容量。

即插即用技術(shù)框架給空間系統(tǒng)的改進(jìn)提供了非常好的靈活特性，由于一些功能獨(dú)立成模塊。因此在系統(tǒng)改進(jìn)方面，每個(gè)模塊都可以進(jìn)行獨(dú)立的改進(jìn)。例如電源模塊，隨著基礎(chǔ)物理和材料工藝的不斷改進(jìn)，未來(lái)會(huì)不斷涌現(xiàn)出新型太陽(yáng)能電池片，提高光電轉(zhuǎn)換效率，會(huì)不斷出現(xiàn)容量更高的蓄電池，也會(huì)出現(xiàn)效率更高的星間無(wú)線能量傳輸手段。在即插即用技術(shù)框架下，我們無(wú)須去等待整體衛(wèi)星的那種漫長(zhǎng)的研制周期，僅在能源模塊這一層級(jí)上，不斷推陳出新。以“小步快跑”的策略，試驗(yàn)新型空間能源系統(tǒng)，使得新的空間能源技術(shù)不斷得到在軌驗(yàn)證。而存儲(chǔ)/通信模塊可以在存儲(chǔ)器容量、傳輸碼速率、傳輸保密性（例如量子通信技術(shù)）、天線傳輸效率、先進(jìn)的信息傳輸技術(shù)（例如激光數(shù)傳）等方面進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。光學(xué)有效載荷模塊可以不斷在地面分辨率、地面幅寬、地面目標(biāo)定位精度等方面進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)等等。

空間系統(tǒng)的可維持性方面，即插即用技術(shù)也同樣具有很大的優(yōu)勢(shì)。即便在完全正常條件下，太陽(yáng)電池板也會(huì)在太陽(yáng)輻射的持續(xù)作用下逐步產(chǎn)生性能退化，以致在設(shè)計(jì)整體式衛(wèi)星的能源系統(tǒng)的時(shí)候，需要考慮太陽(yáng)電池陣在衛(wèi)星壽命末期所能提供的電力，并以此為約束，分配衛(wèi)星各分系統(tǒng)的能源長(zhǎng)期功率。換言之，若衛(wèi)星持續(xù)使用下去，太陽(yáng)電池板的效率會(huì)繼續(xù)降低，以至于無(wú)法滿足衛(wèi)星正常使用的要求——即系統(tǒng)壽命的終結(jié)。而在分離異構(gòu)的空間系統(tǒng)中，只需要為系統(tǒng)增加/替換一個(gè)新的能源模塊，就可以使空間系統(tǒng)繼續(xù)使用下去。通過(guò)這種方式就可以將能源系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)壽命的約束消除。另外，衛(wèi)星在軌工作過(guò)程中，隨時(shí)有可能出現(xiàn)各種意外，可能威脅衛(wèi)星的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，若采用傳統(tǒng)的整體式衛(wèi)星架構(gòu)，則衛(wèi)星的主計(jì)算機(jī)的地位無(wú)可替代，一旦受損就可能導(dǎo)致任務(wù)失敗。但在分離異構(gòu)系統(tǒng)上，計(jì)算機(jī)可以獨(dú)立成模塊，若出現(xiàn)不可逆的損壞情況下，只需補(bǔ)發(fā)一個(gè)計(jì)算機(jī)模塊就可以重構(gòu)衛(wèi)星系統(tǒng)。

分離異構(gòu)技術(shù)給空間系統(tǒng)的適應(yīng)性帶來(lái)革命性變化，使得航天器通過(guò)簡(jiǎn)單的組合，就形成任何功能的系統(tǒng)。星上計(jì)算機(jī)在完成數(shù)字化革命以后，已經(jīng)使得航天器具有很大的應(yīng)用靈活性，例如人們可以通過(guò)修改衛(wèi)星的指令碼，就可以將衛(wèi)星從一個(gè)用戶手中轉(zhuǎn)交給另一個(gè)用戶，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的在軌交易。今天人們使用最為廣泛的通信衛(wèi)星，世界上已經(jīng)有過(guò)很多次成功的在軌交易記錄。但是傳統(tǒng)的整體式衛(wèi)星不管怎樣修改軟件，其衛(wèi)星的各種硬件已經(jīng)被結(jié)構(gòu)綁定在了一起，注定了其基本功能不可能被改變的事實(shí)。而在分離異構(gòu)技術(shù)體系下，平臺(tái)服務(wù)模塊可以為各種有效載荷進(jìn)行服務(wù)，通過(guò)各種模塊自主或者非自主的變軌機(jī)動(dòng)，在另外的軌道上重新組成編隊(duì)，可以完成在軌系統(tǒng)重組，甚至可以執(zhí)行全新的任務(wù)，擁有全新的有效載荷。這樣系統(tǒng)的適應(yīng)性就大大地提高了。

3.4 提高衛(wèi)星系統(tǒng)的魯棒性

衛(wèi)星系統(tǒng)的魯棒性表現(xiàn)在其完成任務(wù)的可靠性及系統(tǒng)生存性方面。

任務(wù)可靠性方面，采用即插即用技術(shù)的衛(wèi)星系統(tǒng)任務(wù)可靠性模型是網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)模型，執(zhí)行同一任務(wù)的星群系統(tǒng)可以配置多個(gè)有效載荷模塊，每個(gè)載荷模塊都可以利用多個(gè)能源模塊、計(jì)算/控制模塊、存儲(chǔ)/數(shù)傳模塊為其提供服務(wù)，任何一個(gè)單獨(dú)的模塊出現(xiàn)問(wèn)題，都能夠很容易地找到替代其作用的模塊，不會(huì)因一個(gè)模塊的故障影響到整個(gè)系統(tǒng)，導(dǎo)致整個(gè)衛(wèi)星無(wú)法工作。而整體式衛(wèi)星一旦某個(gè)分系統(tǒng)出現(xiàn)功能喪失，就可能造成整個(gè)衛(wèi)星任務(wù)的失敗。

系統(tǒng)生存性方面，主要反映的是在對(duì)抗環(huán)境中，系統(tǒng)抗打擊的能力，即插即用技術(shù)由于模塊眾多，使得敵方很難通過(guò)一次撞擊摧毀整個(gè)系統(tǒng)，此外在分離異構(gòu)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的情況下，會(huì)在編隊(duì)衛(wèi)星內(nèi)存在大量冗余模塊——有些是系統(tǒng)升級(jí)后被替換掉的模塊，有些是為了確保任務(wù)可靠性而增加的功能模塊。必要時(shí)可利用冗余模塊起到分散注意力，或者起到“舍卒保車(chē)”的作用。

圖2 即插即用衛(wèi)星實(shí)物外觀（左圖：未測(cè)試，右圖：測(cè)試中）及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（中圖）

4 即插即用衛(wèi)星系統(tǒng)基本構(gòu)成

4.1 能量?jī)?chǔ)存模塊（Energy Storage Module，ESM）

ESM是太陽(yáng)能電池陣總線，電池組與PnP衛(wèi)星主電源總線間的通用接口模塊。它能為未來(lái)PnP衛(wèi)星可能用到的任何電池組技術(shù)提供電荷控制。ESM通過(guò)一套標(biāo)準(zhǔn)接口連接兩個(gè)總線與電池組，并提供電源路由切換控制，可以選擇電池組或者主電源總線。ESM與ASIM共同為PnP衛(wèi)星SPA網(wǎng)絡(luò)其余部分提供通信和數(shù)據(jù)接口。ESM本質(zhì)是一個(gè)“聰明”的即插即用電池組。

4.2 太陽(yáng)電池陣控制器（Solar Array Controller， SAC）

SAC能夠適應(yīng)多種太陽(yáng)能電池陣技術(shù)，通過(guò)一連串混合器結(jié)構(gòu)多達(dá)六個(gè)交換陣列線路支持許多單獨(dú)陣列。SAC經(jīng)由一個(gè)采用PWM調(diào)制能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)陣列動(dòng)力分配裝置精密控制的交換通道，提供交換串到PnP太陽(yáng)能電池陣總線。SAC連同必須的ASIM用于與PnP動(dòng)力子系統(tǒng)其余組成部分連接，允許指揮控制也允許健康和狀態(tài)數(shù)據(jù)報(bào)告。

4.3 傳感器接口模塊（Applique Sensor Interface Module，ASIM）

ASIM用于將合法部件連接至SPA網(wǎng)絡(luò)中，它主要有兩個(gè)功能：為PnP衛(wèi)星補(bǔ)充附加部件及負(fù)責(zé)管理；為SPA網(wǎng)絡(luò)提供標(biāo)準(zhǔn)的即插即用接口。ASIM可使不滿足SPA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的非SPA部件通過(guò)它間接連入SPA網(wǎng)絡(luò)，從而能夠像標(biāo)準(zhǔn)SPA部件一樣有效工作運(yùn)轉(zhuǎn)。ASIM是一塊小的電路板，它集成了許多功能簡(jiǎn)單的部件組裝形成標(biāo)準(zhǔn)的SPA設(shè)備，包括有許多類似FPGA的數(shù)字部件，如微處理器，USB接口及與旁路測(cè)試和時(shí)間同步接口相關(guān)的有關(guān)狀態(tài)機(jī)。