蔣　虎，胡海鷹

(1.上海微小衛(wèi)星工程中心,上海 201203;2.中科院上海高等研究院,上海 201203)

分布式可重構(gòu)空間系統(tǒng)及其應(yīng)用

蔣虎1,2，胡海鷹1,2

(1.上海微小衛(wèi)星工程中心,上海 201203;2.中科院上海高等研究院,上海 201203)

摘要：對(duì)當(dāng)前空間系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行了簡(jiǎn)要回顧,就國(guó)內(nèi)、外對(duì)分布式可重構(gòu)空間系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)行了介紹和初步分析,最后，對(duì)該系統(tǒng)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：分布式;可重構(gòu);空間系統(tǒng)平臺(tái)

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.020

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼： A

文章編號(hào)：號(hào)： 1008-9268(2015)03-0077-03

收稿日期：2015-03-26

作者簡(jiǎn)介

Abstract:The present spaceborne systems are briefly reviewed in this paper, for example, IRIDIUM, GLOBALSTAR, HUBBLE, GNSS. Fractionated, flexible spaceborne system is one of the most promising systems to be deployed in the future. Both domestic and foreign researches on this topic are generally explored. Fractionated, flexible spaceborne system is expected to play a key role in space missions.

0引言

隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展,人們可以通過(guò)多樣化的空間平臺(tái)開(kāi)展各自的空間活動(dòng),達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。比如美國(guó)采用空間站方式開(kāi)展對(duì)地觀測(cè);通過(guò)IRIDIUM、GLOBALSTAR等低地球軌道衛(wèi)星星座,進(jìn)行衛(wèi)星語(yǔ)音通信服務(wù)及短數(shù)據(jù)通信服務(wù);利用天基Hubble望遠(yuǎn)鏡開(kāi)展遙遠(yuǎn)星系觀測(cè),對(duì)宇宙起源開(kāi)展探索;利用GEO衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信、電視實(shí)況轉(zhuǎn)播;利用GPS衛(wèi)星星座開(kāi)展全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)[1];利用衛(wèi)星編隊(duì)飛行實(shí)現(xiàn)一顆大衛(wèi)星的功能及任務(wù)[2];利用深空探測(cè)器,開(kāi)展對(duì)深空目標(biāo)的探測(cè)工作等。隨著空間觀測(cè)載荷呈現(xiàn)多樣化的趨勢(shì),迫切需要開(kāi)發(fā)一種能夠適應(yīng)多載荷應(yīng)用需求的空間系統(tǒng)平臺(tái)。分布式可重構(gòu)空間系統(tǒng)就是可以滿足這種發(fā)展趨勢(shì)的平臺(tái)之一。目前,該技術(shù)已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)、外空間系統(tǒng)設(shè)計(jì)部門(mén)的廣泛關(guān)注,已進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)規(guī)劃,并在不久的將來(lái)進(jìn)行在軌功能驗(yàn)證試驗(yàn)。

1分布式可重構(gòu)空間系統(tǒng)

2007年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)將分布式模塊概念遴選為正式研究項(xiàng)目,并提出了開(kāi)發(fā)“F6系統(tǒng)”計(jì)劃(Future, Fast, Flexible, Fractionated, Free-Flying Spacecraft United by Information Exchange)[3],如圖1和圖2 所示。這是一種典型的分布式可重構(gòu)空間系統(tǒng)的原型。F6系統(tǒng)將驗(yàn)證這樣的一種衛(wèi)星系統(tǒng)框架的可行性及優(yōu)越性:這種衛(wèi)星架構(gòu)由一組通過(guò)無(wú)線互聯(lián)的功能模塊群組成, 它們可以相互共享資源及充分利用模塊群內(nèi)其他資源;該模塊群具有一顆傳統(tǒng)的整星所具有的功能。這種衛(wèi)星架構(gòu)可以增強(qiáng)空間系統(tǒng)的適應(yīng)性及生存性，同時(shí)可以縮短開(kāi)發(fā)周期及降低進(jìn)入美國(guó)空間安全工業(yè)領(lǐng)域的門(mén)檻。F6項(xiàng)目是以開(kāi)放式接口標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)為依據(jù)，從基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議stack的無(wú)線鏈路物理層，包括實(shí)時(shí)資源共享中間層和模塊群飛行邏輯，這樣就形成了空間“全球共同體”這種相互依賴性將使得所有參與者的彼此安全態(tài)勢(shì)得到了加強(qiáng)。項(xiàng)目主要目標(biāo)之一是將支撐和開(kāi)發(fā)未來(lái)分布式空間系統(tǒng)的開(kāi)放式接口標(biāo)準(zhǔn)在業(yè)界頒布。

圖1　F6系統(tǒng)模塊群空間分布設(shè)想圖[3]

圖2　F6系統(tǒng)模塊群網(wǎng)絡(luò)設(shè)想圖[3]

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聯(lián)系人： 蔣 虎 E-mail: hh9999ca@163.com

本項(xiàng)目將于2014-2015年左右進(jìn)行分布式可重構(gòu)衛(wèi)星系統(tǒng)的關(guān)鍵功能特性的在軌驗(yàn)證工作。技術(shù)目標(biāo)及項(xiàng)目計(jì)劃將圍繞為數(shù)不多的功能在軌驗(yàn)證試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行。項(xiàng)目成功的衡量標(biāo)準(zhǔn)是:設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)預(yù)期到的體系架構(gòu)中最具風(fēng)險(xiǎn)的功能特性的演示驗(yàn)證任務(wù)是否圓滿完成。 演示驗(yàn)證試驗(yàn)將在LEO衛(wèi)星上進(jìn)行為期約6個(gè)月，接著將開(kāi)展為期18個(gè)月的剩余幾項(xiàng)功能的演示驗(yàn)證。功能演示具體如下:

1) 半自動(dòng)模塊群及模塊群網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期維持功能;向模塊群及模塊群網(wǎng)絡(luò)中添加和移開(kāi)功能模塊能力。

2) 經(jīng)由模塊群網(wǎng)絡(luò)確保多層安全域內(nèi)多載荷之間或用戶之間資源實(shí)時(shí)共享功能。

3) 模塊群網(wǎng)絡(luò)性能降級(jí)或系統(tǒng)部件失效時(shí)，通過(guò)自動(dòng)重構(gòu)模塊群來(lái)確保系統(tǒng)安全及飛行任務(wù)臨界狀態(tài)下的基本性能。

4) 構(gòu)成模塊群的各模塊在空間分散、重新聚集的半自動(dòng)機(jī)動(dòng)能力,以便躲避空間碎片之類的潛在威脅。

F6系統(tǒng)項(xiàng)目架構(gòu)及技術(shù)途徑的總目標(biāo)是通過(guò)多個(gè)分散的系列性的努力工作來(lái)對(duì)上述所列舉的功能進(jìn)行在軌演示驗(yàn)證。在項(xiàng)目進(jìn)程中,將開(kāi)發(fā)兩個(gè)關(guān)鍵產(chǎn)品。其中之一是FDK (F6 Developer’s Kit),它包括一組開(kāi)放代碼的接口標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議、性能及相應(yīng)的參考實(shí)現(xiàn)方法,這些對(duì)于那些計(jì)劃全面參與F6分布式系統(tǒng)新模塊開(kāi)發(fā)的,但目前還沒(méi)有與F6執(zhí)行方簽定任何合作協(xié)議的團(tuán)體來(lái)說(shuō)是必需的。另外一個(gè)產(chǎn)品是F6TP(F6 Technology Package),它是下列技術(shù)過(guò)程的物理實(shí)現(xiàn):無(wú)線連接、盒式切換或路由、控制協(xié)議層和資源共享的加密、用來(lái)將現(xiàn)有飛行器平臺(tái)納入分布式模塊群的飛行軟件。本質(zhì)上說(shuō),F6TP是FDK的硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

F6系統(tǒng)項(xiàng)目將通過(guò)一系列資助獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃來(lái)公開(kāi)征求系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案。首批規(guī)劃中的征求方案以接口定義、算法及軟件開(kāi)發(fā)為主,這將是FDK的組成部分。主要涉及以下技術(shù)領(lǐng)域:

1) 可適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具:開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工具,用來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)的可適應(yīng)性進(jìn)行合適定量化設(shè)計(jì)。

2) 模塊間無(wú)線通信:開(kāi)發(fā)第1層和第2層的無(wú)線通信方案,用于在軌模塊飛行器之間的通信。

3) 信息框架:開(kāi)發(fā)一種信息架構(gòu),用于經(jīng)由天基無(wú)線鏈路的第3到第7層設(shè)計(jì);并通過(guò)多條下行通路傳遞到地面段,支持動(dòng)態(tài)路由或切換,實(shí)時(shí)資源共享和飛行任務(wù)計(jì)劃制定,容錯(cuò)處理,多層級(jí)信息保障方案。

4) 模塊群飛行: 開(kāi)展第7層應(yīng)用開(kāi)發(fā),用于防碰撞的多體群飛行,高效相對(duì)導(dǎo)航,地面站相對(duì)凝視,模塊群重構(gòu)(包含防御性快速機(jī)動(dòng))。

2008年,由上海微小衛(wèi)星工程中心研制的神舟七號(hào)飛船伴隨衛(wèi)星成功地進(jìn)行了伴隨飛行關(guān)鍵技術(shù)的在軌驗(yàn)證[4]:比如對(duì)神舟七號(hào)飛船的光學(xué)成像技術(shù)、對(duì)軌道艙的繞飛技術(shù)、多指向的姿態(tài)控制技術(shù)、高效鋰離子電池等關(guān)鍵技術(shù)。該試驗(yàn)為國(guó)內(nèi)開(kāi)展編隊(duì)衛(wèi)星飛行積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)。對(duì)分布式可重構(gòu)衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)攻關(guān)具有一定的借鑒價(jià)值。近幾年中國(guó)國(guó)家民用863計(jì)劃啟動(dòng)的“分布式可重構(gòu)衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)(一期)”正是為滿足目前國(guó)內(nèi)用戶多樣化需求而設(shè)計(jì)的技術(shù)之一[5]。

該計(jì)劃的目標(biāo)是:瞄準(zhǔn)我國(guó)空間科學(xué)研究以及天基遙感和環(huán)境監(jiān)測(cè)等的應(yīng)用需求將突破分布式可重構(gòu)衛(wèi)星系統(tǒng)核心技術(shù)進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，完成系統(tǒng)樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)、演示,并形成技術(shù)先進(jìn)、應(yīng)用靈活、可支持多類重大應(yīng)用需求的天基平臺(tái)。

該計(jì)劃涉及如下關(guān)鍵技術(shù):

1) 分布式可重構(gòu)衛(wèi)星系統(tǒng)框架體系研究

主要包括:系統(tǒng)的模塊化功能分解和模塊定義;分布式可重構(gòu)衛(wèi)星系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和論證;功能模塊航天器方案設(shè)計(jì)和論證;開(kāi)展系統(tǒng)仿真。

2) 基于分布式可重構(gòu)衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)的天基應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主要包括:分布式可重構(gòu)天基應(yīng)用系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì);多載荷集成技術(shù);綜合應(yīng)用方法研究;系統(tǒng)仿真和評(píng)估。

3) 模塊群智能自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

主要包括:模塊航天器自組織網(wǎng)絡(luò)理論、方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù);空間自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)框架、協(xié)議、接口規(guī)范;模塊航天器自適應(yīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì);微型化網(wǎng)絡(luò)組件樣機(jī)研制及其試驗(yàn)。

4) 模塊航天器間無(wú)線能量傳輸技術(shù)

主要包括:模塊航天器間無(wú)線能量傳輸機(jī)理、作用方法和實(shí)現(xiàn)手段研究;無(wú)線能量傳輸管理方法研究;研制原理樣機(jī),進(jìn)行地面驗(yàn)證試驗(yàn)和評(píng)估。

5) 模塊航天器集群內(nèi)測(cè)量、導(dǎo)航和控制技術(shù)

主要包括:模塊航天器集群內(nèi)部相對(duì)、絕對(duì)姿態(tài)、位置、軌道測(cè)量和控制技術(shù);系統(tǒng)整體狀態(tài)確定方法和控制方法;星載GNSS技術(shù);多源數(shù)據(jù)融合和智能自主控制方法;研制原理樣機(jī),并進(jìn)行測(cè)試和實(shí)驗(yàn)。

6) 模塊航天器自主編隊(duì)飛行與重構(gòu)技術(shù)

主要包括:自主編隊(duì)飛行動(dòng)力學(xué)模型與控制方法;模塊航天器分散和集結(jié)控制方法;自主編隊(duì)管理;導(dǎo)航信息的共享和傳遞技術(shù);分布式檢測(cè)信息交互方案;嵌入式健康診斷、告警及管理方法;系統(tǒng)編隊(duì)飛行方案設(shè)計(jì);完成地面驗(yàn)證試驗(yàn)。

如圖3所示,國(guó)內(nèi)地面驗(yàn)證試驗(yàn)的可行又經(jīng)濟(jì)的方案是采用懸浮氣球或飛艇進(jìn)行分布式可重構(gòu)衛(wèi)星系統(tǒng)功能地面驗(yàn)證試驗(yàn)。這將為我國(guó)開(kāi)展分布式可重構(gòu)空間系統(tǒng)功能在軌驗(yàn)證試驗(yàn)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

圖3　國(guó)內(nèi)開(kāi)展地面驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)想圖

2結(jié)束語(yǔ)

隨著地面信息技術(shù)的日益成熟,天基信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、區(qū)域?qū)Ш郊夹g(shù)可望在分布式可重構(gòu)衛(wèi)星系統(tǒng)中得到充分發(fā)揮。分布式可重構(gòu)空間系統(tǒng)平臺(tái)的成功構(gòu)筑將是空間技術(shù)發(fā)展史上的重要里程碑之一。它將進(jìn)一步降低執(zhí)行空間飛行任務(wù)的成本、增強(qiáng)空間平臺(tái)規(guī)避空間碎片的靈活性。為人類獲取更多的空間信息資源提供又一種服務(wù)平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉穎.分布式SAR運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)雷達(dá)陣列誤差估計(jì)方法研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2007.

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[3]DARPA. Applications (SALTI) System F6-Future, fast, flexible, fractionated free-flying spacecraft united by information exchange[EB/OL].http://www.darpa.mil/tto/programs/index.html.

[4]陳宏宇,朱振才,周依林,等,神舟七號(hào)微小衛(wèi)星伴隨飛行技術(shù)試驗(yàn)[J].空間科學(xué)科學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(3):319-325.

[5]科學(xué)技術(shù)部信息中心.國(guó)家科技計(jì)劃申報(bào)中心[EB/OL].http://program.most.gov.cn.

蔣虎(1969-),男,博士,研究員,現(xiàn)主要研究領(lǐng)域?yàn)槿蛐l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其應(yīng)用、衛(wèi)星軌道分析與設(shè)計(jì)、衛(wèi)星總體技術(shù)。

胡海鷹(1977-),男,博士,副研究員,現(xiàn)主要研究領(lǐng)域?yàn)轱w行器總體技術(shù)。

Fractionated, Flexible, Spaceborne Systems and Their Applications

JIANG Hu1,2,HU Haiying1,2

(1.ShanghaiEngineeringCenterforMicrosatellites,Shanghai201203,China;

2.ShanghaiAdvancedResearchInstitute,Shanghai201203,China)

Key words: Fractionated system; flexible system; spaceborne platform