楊南基，黃獻龍，王玉峰，張樸真

細胞衛(wèi)星體系的關鍵技術及啟示

楊南基1，黃獻龍2，王玉峰1，張樸真3

（1. 北京控制工程研究所，北京 100190；2. 中國空間技術研究院，北京 100094；3. 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

細胞衛(wèi)星是美國國防先進研究計劃局的“鳳凰計劃”中重點驗證的新概念。文章介紹了細胞衛(wèi)星的概念、發(fā)展現狀和技術特點，歸納了細胞衛(wèi)星體系的關鍵技術，如復雜約束條件下的建模技術、多細胞衛(wèi)星分散布置的控制技術等，為我國未來低成本、智能化、模塊化航天器的發(fā)展提供借鑒。

細胞衛(wèi)星；模塊化；協同控制

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0 引言

1960年至今，衛(wèi)星平臺的形式和內部組成基本上沒有發(fā)生改變。無論是哈勃太空望遠鏡、大型地球靜止軌道衛(wèi)星或者是立方體納衛(wèi)星，均采用主系統和分系統的組合方法［1］。即使通過改變部件或分系統的大小來適應任務需求的情形，也是采用這樣的組合方法，如電源、推進、姿軌控等分系統。在衛(wèi)星研制過程中，盡管減小衛(wèi)星質量可以減少成本，但通常是以降低衛(wèi)星性能為代價。美國提出了低成本、高性能和模塊化的“細胞衛(wèi)星”（cellularized satellite building blocks）的概念，通過細胞衛(wèi)星的聚集來解決質量大小對衛(wèi)星性能的束縛［2］。

細胞衛(wèi)星是指一種應用細胞化和形態(tài)學重構概念的新型衛(wèi)星結構，大小與皮衛(wèi)星或者納衛(wèi)星相近，形態(tài)多種多樣［3］。它是借鑒生物學中多細胞有機體的特點，將衛(wèi)星看成是多個細胞衛(wèi)星的集合體，每個細胞衛(wèi)星不必具有整個衛(wèi)星系統的全部功能，可以是一個簡單的功能模塊、獨立分系統、多個分系統的組合，甚至是一個具備與其他細胞衛(wèi)星進行聚集黏附的小衛(wèi)星［4］。

細胞衛(wèi)星技術主要沿襲了小衛(wèi)星平臺技術的發(fā)展路徑，包括模塊化、小型化等技術。本文在介紹細胞衛(wèi)星模塊化發(fā)展思路的基礎上，著重對細胞衛(wèi)星關鍵技術進行分析，旨在為我國的模塊化航天器設計提供借鑒。

1 細胞衛(wèi)星的發(fā)展及研究現狀

2011年10月，美國國防先進研究計劃局（DARPA）首次提出了“鳳凰計劃”，即從GGEO廢棄衛(wèi)星上拆解下通信天線并加以重新利用，為美軍提供更經濟、更持續(xù)的天基通信服務?；诿绹L期發(fā)展的各項空間操控技術，該計劃又提出了一系列新概念技術，其中“細胞衛(wèi)星”是新概念技術驗證的重點［5］，概念圖如圖1所示，通過細胞衛(wèi)星的聚集可以組合形成新的、質量更大的衛(wèi)星。22013年9月，DDARPA提出了細胞衛(wèi)星建模方法，并開展了與“鳳凰計劃”相關的姿態(tài)控制系統研究。“鳳凰計劃”首次飛行試驗將驗證分別具有姿控能力（動量控制）和射頻轉發(fā)能力的兩種單一功能的細胞衛(wèi)星。20013年，DARRPA根據細胞衛(wèi)星項目需求分別選擇了不同的公司開展研究工作。勞拉空間系統公司（Sppace Systemms/Loral）將重點研究細胞衛(wèi)星的大小、質量、搭載發(fā)射等總體問題；國際通信衛(wèi)星公司（Intelsat）將研究細胞衛(wèi)星的接口；極光飛行科學公司（Auroraa Flight Scieences）負責細胞衛(wèi)星的設計與集成，并對原理樣機進行試驗，其設計的細胞衛(wèi)星模塊見表1［6］；麻省理工學院（MIIT）將提供控制設計經驗和微推進器技術；噴氣推進實驗室（JPL）負責相關計算軟件的開發(fā)與測試等，其提出的細胞衛(wèi)星聚合案例如圖2所示。

圖1　細胞衛(wèi)星組合概念圖Fig. 1Aggregation cooncept of cellullarized satellite building blockks

圖2　JPL提出的細胞衛(wèi)星聚合案例Fig. 2 Casse of an aggregaated cellularizedd satellite buildding blocck system preseented by JPL

表1　極光飛行科學公司設計的細胞衛(wèi)星及模塊Taable 1 Cellularrized satellite bbuilding blocksand modules designed by Aurora Fliight Sciences

德國宇航局（DLR）正在推進衛(wèi)星智能模塊在軌組裝項目，試圖將傳統衛(wèi)星平臺拆分為若干個獨立的細胞衛(wèi)星，使之成為標準的模塊，再將這些模塊組裝起來形成一個完整的系統。在軌服務系統的可操作性與可行性是DLR關注的重點［5，7］。圖3是IBOOSS（衛(wèi)星智能模塊在軌組裝項目）在軌工作概念圖。

圖3　IBOSS項目概念圖FFig. 3 The agggregation conceept of Intelligennt Building Blocksfor On-orbit Saatellite Servicinng （IBOSS）elemennts

航天器的“細胞化”不是簡單分割傳統航天器功能，而是通過分割有助于提升航天器功能，并降低成本。例如：根據空間科學探測的需求，哈勃太空望遠鏡主鏡的直徑要求10 m，但受限于火箭的運載能力，其直徑僅為2.4 m；對于這種情形，細胞衛(wèi)星將發(fā)揮重要的作用，可以在軌重構成一個大孔徑的望遠鏡。加州理工學院、NAASA以及英國薩瑞大學正在聯合開展細胞衛(wèi)星最優(yōu)成像任務（AAReSTT）的可行性研究（如圖4所示）［8］。

圖4　AAAResT概念圖Fig. 4 Thee concept of Auutonomous Asseembly of a Recoonfiguurable Space Tellescope project （AAReST）

2 細胞衛(wèi)星體系關鍵技術

2.1復雜約束條件下的建模技術

為了使細胞衛(wèi)星在有限的條件下發(fā)揮最大作用，需要建立合理的指標體系及評價模型，提出高效的設計方法，即采用不確定性多學科設計優(yōu)化方法，對全壽命周期的成本、收益以及系統穩(wěn)健性和靈活性進行綜合評價和設計優(yōu)化［9］。

1）根據任務類型與任務需求，確定尺寸、質量和功率等相關的約束與性能指標參數，研究如何有效構建細胞衛(wèi)星，以及研究細胞衛(wèi)星之間的協同方式與策略，最終確定細胞衛(wèi)星的最優(yōu)搭配組合。

2）通過細胞衛(wèi)星的數量、類型以及性能等來評估最終組裝的衛(wèi)星系統的能力，對比分析不同的細胞衛(wèi)星搭配組合的方案，分析不同組合的性能，建立合理的指標體系與評價模型。

3）研究如何最大限度地發(fā)揮細胞衛(wèi)星的作用，進而提出使用最少的細胞衛(wèi)星完成某種特定功能的解決方案。

4）研究單細胞衛(wèi)星的自主任務規(guī)劃與響應等技術能力。

美國JJPL采用系統建模語言（SYSML）對細胞衛(wèi)星進行設計和分類，然后以衛(wèi)星功能與屬性為應用函數進行建模，通過假定一些條件作為約束來降低分析過程的復雜性，再將任務需求分類作為細胞衛(wèi)星類型選擇和設計的約束參數，通過復雜系統的自動尋優(yōu)，尋找既滿足任務需求又滿足利益最大化要求的細胞衛(wèi)星系統結構。建模技術中還包括細胞衛(wèi)星系統的拓撲優(yōu)化、智能化管理技術及細胞衛(wèi)星之間的連接、共享和約束關系等方面，這些方面又涉及感知、靜電黏附、基于局部信息的推送等多項技術。

2.2細胞衛(wèi)星的拓撲結構

對細胞衛(wèi)星的拓撲結構進行設計，關乎整個航天器系統邏輯架構的合理性和在該種技術體制下系統擴展能力等問題。目前國際上有許多學者對這種體系結構的設計提出了兩種構想：一是基于具有等級節(jié)點特性而設計的樹狀結構；另一種是基于平等節(jié)點特性而設計的網絡結構。樹狀結構具有節(jié)點尋址方式簡單、執(zhí)行地面指令迅速有效的優(yōu)點；網絡結構則具有面對復雜環(huán)境適應性強、生存能力強、執(zhí)行命令的資源消耗少的優(yōu)點。多數學者都傾向于將兩種基本結構進行優(yōu)勢結合，在考慮命令執(zhí)行的效率、生存力、執(zhí)行指令的資源優(yōu)化等方面尋求最佳平衡點。

在細胞衛(wèi)星的拓撲結構設計中，需要兼顧各種不同細胞衛(wèi)星的節(jié)點需求，并兼顧組合系統未來的擴容發(fā)展的需求。在網絡節(jié)點達到一定規(guī)模的條件下依然可以保證指令執(zhí)行的效率。對系統需求的定義、指令執(zhí)行的效能評估等尚需進行系統分析和設計，并借用計算機仿真分析，模擬不同節(jié)點數量條件下的系統響應能力和系統魯棒性。MIT的Ricchardson等根據分離模塊式航天器的靈活性特點，提出用面向靈活性設計方法來開展分離模塊式航天器系統設計，以獲得對不確定運行環(huán)境具有高價值響應的系統拓撲結構，并總結了可用于開展面對靈活性設計的各種方法［110］。佐治亞理工大學的Braathwaite等面向探索盡可能多的分離模塊式航天器拓撲結構、分析量化各種拓撲結構的經濟性以及開展價值中心分析等需求，綜合了各種模型、組合分析、連續(xù)-離散優(yōu)化、多目標分析優(yōu)化等技術，開發(fā)了拓撲結構綜合工具GT-FAST，并將其應用于空間拓撲結構設計的探索［11］。文獻表明，細胞衛(wèi)星的可重構要求采用新的系統拓撲結構設計優(yōu)化方法，如借鑒分離模塊式航天器的拓撲結構，國外正在深入開展相關方面研究。

2.3細胞衛(wèi)星集散式供電技術［6］

供電技術是細胞衛(wèi)星實現長期在軌工作必須解決的關鍵問題。DARPA曾考慮了多種細胞衛(wèi)星供電方案，包括可展開太陽電池陣、嵌入式太陽電池陣、無線能量傳輸（WPT）及有線傳輸方案。其中，可展開太陽電池陣面積較大，細胞衛(wèi)星安裝到天線饋源處后可能對天線造成阻擋；而星上嵌入式太陽電池陣不能提供足夠多的電力：因此這兩個方案很快被排除。無線能量傳輸方案的設想是能量服務衛(wèi)星通過激光將能量傳輸給細胞衛(wèi)星。激光能量傳輸技術包括高效、高光束質量的激光發(fā)射器技術、高效激光-電能轉換器件技術等，實現難度很大，當前技術水平離空間應用還有較大差距。初步研究發(fā)現，面積為10 cm2（設想的細胞衛(wèi)星側面面積）的轉換器的WPT裝置在1 m距離處的能量傳輸功率僅為1 W，與射頻轉發(fā)細胞衛(wèi)星6 W的電力需求相差甚大。因此，WPT方案也被排除。目前重點研究集散式有線電力傳輸方案。

集散式供電方案由一種可集中式發(fā)電、分散式配電的中樞細胞衛(wèi)星實現，該衛(wèi)星一端與可展開太陽電池陣連接實現儲能，另一端通過多個導電伸縮桿與細胞衛(wèi)星連接以向其供電，具體方案正在進一步研究中。

2.4多細胞衛(wèi)星結構分布式協同控制技術

多個細胞衛(wèi)星構成的系統控制比傳統衛(wèi)星控制更困難，多細胞衛(wèi)星構成的大衛(wèi)星可能會導致非完整狀態(tài)觀測、系統不確定性等問題，因此其分布式協同控制非常重要，是保證后續(xù)工作開展的前提。對于多細胞衛(wèi)星組成的大衛(wèi)星，其狀態(tài)保持、姿態(tài)軌道機動協同控制至關重要，要求把每一顆姿軌控細胞衛(wèi)星的位置控制器和姿態(tài)控制器看作一個局部控制事件，而每個局部控制事件的控制策略必須相互協同以保證整個系統的穩(wěn)定性和全局收斂性［12-13］。目前的研究方法是從航天器姿態(tài)與軌道控制的角度設計一種魯棒自適應協同控制器，該控制器容許細胞衛(wèi)星存在轉動慣量不確定及空間攝動干擾等因素，利用細胞衛(wèi)星間的無線通信將不確定性因素和空間攝動干擾等作為整體分析，利用滑?？刂扑枷敕謩e為細胞衛(wèi)星系統設計魯棒自適應控制器，給出細胞衛(wèi)星協同控制策略，并在約束條件下進行優(yōu)化分析，系統解決細胞衛(wèi)星的姿態(tài)控制與穩(wěn)定、軌道機動與保持、姿軌耦合控制等方面的魯棒自主協同控制問題。其中，控制策略分為姿態(tài)控制和軌道控制：姿態(tài)控制包括一段時間內參與控制的細胞衛(wèi)星，每個細胞衛(wèi)星分配多大力矩，怎么運動才能達到相應的姿態(tài)；軌道控制應考慮一些細胞衛(wèi)星不具有軌道保持功能情況下的軌道機動與保持。同時，細胞衛(wèi)星系統可能在運行期間發(fā)生位置和功能的變換，導致質量特性的變化，所以要在飛行之前制定模塊位置和功能的變換、推力器安裝的位置以及何時工作等詳細的飛行方案。

2.5多細胞衛(wèi)星分散式布置于非合作目標的協同控制技術

細胞衛(wèi)星分散式布置黏附在廢棄衛(wèi)星或者空間碎片等非合作目標上，黏附后廢棄衛(wèi)星的質量特性會發(fā)生改變，若安裝了具有姿軌控功能的細胞衛(wèi)星但其推力方向不沿軸向，或者由于約束限制使得細胞衛(wèi)星被黏附在部分方位而缺乏對軸向的控制能力，則非合作目標會存在自旋失穩(wěn)［14-15］。因此，采用細胞衛(wèi)星抓捕空間碎片或失效衛(wèi)星存在較大的技術難度和復雜性，并有可能造成目標的物理性破壞。為解決上述問題，需要研究細胞衛(wèi)星質量特性在線辨識技術，推力方向不沿軸向或缺乏對某方向的控制能力下的控制技術，推力方向不經過目標質心下對非合作目標的被動變軌控制，利用細胞衛(wèi)星對非合作目標進行消旋和拖曳變軌的控制技術。

具體講，在質量特性辨識方面，可由動量輪或者磁力矩器細胞衛(wèi)星產生一個激勵，由陀螺數據等預測以實現質心的標定等，研究推力方向不沿軸向或者不過質心對整個系統控制的影響，同時分析推力器方向無法滿足控制要求時的控制策略。

2.6細胞衛(wèi)星間高精度相對測量技術

細胞衛(wèi)星為了共同完成任務或實現重組，需要進行集結控制等。這些控制是以細胞衛(wèi)星間相對狀態(tài)測量信息為基礎。用于星間相對狀態(tài)測量的主要手段有GPS載波相位差分（CDGPS）測量、基于航天器間無線電的測量和基于光學的測量等。無線電測量具有測量覆蓋率高、可同時進行測量和通信等優(yōu)點，便于實現相對狀態(tài)測量、時間同步、頻率同步和信息交互的一體化設計。與星間無線電測量方法相比，基于光學的測量方法能夠提供高精度的角度測量信息，特別適合相對姿態(tài)確定精度要求高的任務。同時，基于光學的測量方法還具有抗干擾能力強、靈活性和適應性強等特點。

目前的主要研究方向是光纖飛秒激光器，通過合理的壓電反饋結構設計，保證kHz鎖定帶寬下的激光器重復頻率可調諧，可以輸出脈沖寬度100～200 fs、平均功率100 mW、重復頻率150 MHz的高穩(wěn)定性飛秒激光脈沖，作為距離測量的飛秒激光光源。圖5為基于飛秒激光脈沖的星間高精度絕對距離測量裝置［16］，其左半部分為激光器結構示意圖。在此基礎上，利用平衡光學互相關技術提供反饋信號控制激光器諧振腔的腔長，調諧飛秒激光脈沖間隔，精確鎖定參考脈沖與目標反射脈沖到達時間，將脈沖間隔的整數倍鎖定到目標反射脈沖的飛行時間，進而獲得高分辨率的飛行時間信息和待測距離信息，實現對百米遠振動目標的百納米精度、毫秒更新時間的實時距離測量，測距方案如圖5右半部分所示。

圖5　基于飛秒激光脈沖的星間高精度絕對距離測量Fig. 5 High precision absolute distance between the satellite measurements based on the femtosecond laser pulse

3 啟示

綜上所述，通過對細胞衛(wèi)星的介紹和關鍵技術的分析，可以得到以下啟示：

1）細胞衛(wèi)星代表了航天器發(fā)展的新形態(tài)

現代航天器長壽命、高穩(wěn)定度、高精度、多任務的性能要求，必然導致航天器結構的大型化，采用細胞衛(wèi)星分布式/分離式的航天器組裝技術可以滿足大型化需求。不僅如此，細胞衛(wèi)星還可多次發(fā)射，在軌組裝，很大程度上突破了運載系統對航天器構型的限制；通過對失效模塊的在軌更換、升級，可延長航天器的使用壽命，并保證有效載荷的先進性。

細胞衛(wèi)星技術將成為航天器發(fā)展的新形態(tài)。功能“細胞”的不斷增加，將構成近地空間中的星群網絡，極大地降低未來航天器研發(fā)成本和系統更新成本，有助于提高航天器系統的任務可靠性。

我國運載系統的能力與航天強國的發(fā)展目標尚有差距，采取細胞衛(wèi)星的概念，積極開發(fā)模塊化在軌組裝技術，為我國在現有的運載能力條件下實現重型、超重型衛(wèi)星的在軌應用，提供了新的發(fā)展思路。

2）細胞衛(wèi)星代表了快速響應裝備的新思路

目前，世界主要航天強國都在積極發(fā)展快速響應空間裝備。細胞衛(wèi)星具有模塊化生產、即插即用的優(yōu)勢，可以根據具體的任務需要選擇某些功能模塊，滿足快速響應裝備要求的結構重組性、應用時效性、功能針對性的需求。

4 結束語

細胞衛(wèi)星系統代表了低成本、智能化、模塊化、標準化、小型化和高性能的未來航天器發(fā)展理念，將會推動在軌服務技術向功能化、實用化發(fā)展，促進空間碎片清除、在軌救援、衛(wèi)星升級等向工程化邁進，對于未來我國空間資源的可持續(xù)利用有重要意義。目前國外的相關研究尚在初級階段，雖然國內研究尚少，但差距并不明顯，應盡早開展對細胞衛(wèi)星的調研，理清發(fā)展思路，結合目前的型號任務開展預先研究，實現航天器設計與應用的跨越式發(fā)展。

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（編輯：許京媛）

Key technologies of cellularized satellite building block system and its enlightenment

Yang Nanji1， Huang Xianlong2， Wang Yufeng1， Zhang Puzhen3
（1. Beijing Institute of Control Engineering， Beijing 100190， China；2. Chinese Academy of Space Technology， Beijing 100094， China；3. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering， Beijing 100094， China）

The idea of cellularized satellite building blocks is an important concept in the Phoenix project launched by the DARPA. In this paper， the concept and the development status of cellularized satellite building blocks are discussed， and the key technologies of the cellularized satellite building blocks system are summarized， such as the modeling techniques under the complex constraint conditions， the structural distributed collaborative control techniques，and the control of the dispersed cellularized satellite building blocks system. The paper may provide references for the development of cost-saving modularized spacecraft with intelligent capability in China.

cellularized satellite building blocks； modularization； cooperative control

V423.9

A

1673-1379（2015）04-0434-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2015.04.018

2015-02-12；

2015-07-17

楊南基（1991—），女，碩士研究生，研究方向為導航、制導與控制；E-mail：ynj1122@163.com。黃獻龍（1969—），男，研究員，研究方向為航天器控制系統設計、航天智能控制。