即插即用卫星系统技术研究进展（上）

+ 王晓海

（空间电子信息技术研究院 空间微波技术重点实验室）

即插即用卫星系统技术研究进展（上）

+ 王晓海

（空间电子信息技术研究院 空间微波技术重点实验室）

本文首先介绍了航天即插即用的基本概念及卫星系统实现即插即用的优越性，阐述了国外卫星即插即用技术的研究现状，重点探讨分析了即插即用卫星的构成及关键技术。

即插即用技术 分离模块F6计划 PnPSat卫星

1 前言

为保障未来战争中能及时补充和维护失效军用卫星，美国启动了作战及时响应空间（ORS）计划，通过快速装配、集成和测试（AIT），部署小型低成本卫星，完成响应性的开发，提升或补充空间力量，增强利用空间和控制空间能力。因此，支持卫星的快速组装及模块的在轨更换成为未来天基平台发展的一个主要方向。此外，通过研究发现，太空系统100%都会受到令人震惊的超限成本的惩罚，究其原因，主要是其复杂性带来的损失和耗费。为此，美国空军实验室（Air Force Research Laboratory，AFRL）提出如何通过技术手段来有效减小或降低航天系统的复杂程度，并且更为快捷、迅速方便的生产制造出航天系统的研究课题。

具体应用什么技术，采取何种方式能够实现航天系统的快速搭建组装是探索的主题和重点。2004年，科学家们从地面设备采用的技术中获得启发：例如生产一台计算机，可以非常简单也十分迅速的将各个部件拼接集成，不需要重新编写程序或修改硬件；对于基于网络的可升级系统，数千台分布式的服务器不仅能够准确无误的传递服务信息，同时能够保证硬件和软件不断的升级更新。

上述事例的内涵即就是早已在计算机系统应用多年，至今已非常成熟的即插即用技术。

2 即插即用卫星技术

即插即用技术（Plug-and-play，PnP）原是一项用于自动处理PC机硬件设备安装的工业标准，使得硬件设备的安装大大简化，无须再做跳线，也不必使用软件配置程序。

即插即用卫星是指具有开放标准和接口，能够对部件进行自我描述，自动进行系统配置的模块化卫星。系统集成可以得到简化并且能够自动测试。国外即插即用卫星概念是1999年由美国国防部在ORS计划中首次提出，空军实验（AFRL）在2006年9月开始概念研究，2008年实现用于飞行试验的工程样机，目前正在研制阶段。下图1是研制的即插即用卫星及各部件装配位置示意图。即插即用有效载荷是即插即用卫星中的核心，其具体概念尚无统一明确定义，但基本思想是指应用航天即插即用技术的有效载荷。

航天即插即用技术（Space Plug-and-playAvionics（SPA））是目前研究的热点技术，核心思想是将基于智能机器协商接口和集成总线的陆地即插即用（PnP）技术经扩展改造用于航天器。SPA支撑技术主要包括系统级封装技术（SiP）、微机电系统技术（MEMS）、多功能结构技术（MFS）、软件无线电技术（SDR）、可重构系统技术（RSTC）、基于FPGA的可重配置计算原理以及自适应多重布线（AWM）、自组织网络技术（SONT）、高性能传感器的FPGA公共前端处理器以及实现高性能在轨计算（HPCOO）的融合处理器网格型阵列网络等。

SiP（System in Package，系统级封装）技术，是指将多个具有不同功能的有源组件与无源组件组合在同一封装中，成为可提供多种功能的单颗标准封装组件，形成一个系统或子系统。

MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微机电系统）技术是微电子技术的拓宽和延伸，它将微电子技术和精密机械加工技术相互融合,构建成为机电一体的系统。具体来说，微机电系统是专指外形轮廓尺寸在毫米量级以下，构成它的机械零件和半导体元器件尺寸在微米至纳米量级（10-6～10-9m），可对声、光、热、磁、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型机电装置。它是正在飞速发展的微米和纳米技术的一项十分重要的成果。它将微型电机、微型电路、微型传感器、微型执行器等微型装置和器件集成在硅片上，不仅能搜集、处理与发送信息或指令，还能按照所获取的信息自主或根据外部指令采取行动。

MFS（Multi-Functional Structure，多功能结构）技术是以微电子技术、大规模集成电路、超大规模集成电路以及高密度互联（HDI）、表面安装技术（SMT）等新方法、新工艺为基础，将电子线路及其支架、外壳、电连接器、传输电缆，结构封装、热控等辅助部件集成为一体，进行最大限度嵌入结构的复合材料中，并使有源电子线路与机械表面直接接触的新型电子设备结构。

SDR（Software Defined Radio，软件无线电）技术是近几年来提出的一种实现无线通信的新概念和体制。它的核心是将宽带A/D和D/A变换器尽可能靠近天线，而电台功能尽可能地采用软件进行定义。软件无线电把硬件作为无线通信的基本平台，对于无线通信功能尽可能用软件来实现。这样，无线通信系统具有很好的通用性、灵活性，使系统互联和升级变得非常方便。

3 卫星系统实现即插即用的优越性

3.1 降低卫星系统研制成本

因为实现卫星系统即插即用的前提先决条件就是首先要将整体卫星系统的一些功能性设备单独分离出来，形成一个独立的功能模块，从而灵活地为其他的某一个系统或者多个系统服务。由于每个功能模块都可以进行独立的生产，因此随着发展的逐步深入，功能模块可以进行大批量标准化生产，由此可以带来卫星系统的成本大幅度降低。在整体式卫星中，由于平台服务系统与有效载荷封装在一个卫星结构体内，因此各种设备的安装位置，布线会随着每个卫星的要求不同而各不相同，因此其成本难以降低。并且，卫星即插即用采用标准化设计，具有统一的机械、电气接口，所以具有更加灵活的发射策略，可以选择搭载发射、星簇发射或者小运载单独发射等多种模式，可以有效降低卫星发射成本。

图1 即插即用卫星及各部件装配位置示意图

3.2 降低卫星系统的复杂性

在传统的卫星中，由于各种分系统的设计在同一个整体内交织在一起，在研制流程中往往会产生“牵一发而动全身”的效果。若某一分系统的研制受到阻碍，就会导致整个卫星的研制周期加长。在整体卫星研制中，不仅要进行分系统级的内部测试，还需要在整个系统内进行整体的测试，防止出现不同设备在工作时与其他设备发生结构共振耦合、散热影响以及电磁兼容性方面的问题。

各功能模块在研制过程中都会遵守统一的接口标准，包括无线网络协议、能量交换接口、以及在轨交会对接用的机械接口。每个模块在研制中只要符合接口标准的要求就可以接入系统，而无须进行大的系统测试。在这种情况下，每个模块的研制仅相当于原先整体式卫星的分系统研制，大大降低了系统复杂程度。每个模块都可以进行独立研制，彼此互不干扰，因此可以用并行工程的流程管理方法大大加快航天器系统的研制进度。

3.3 提高卫星系统的灵活性

即插即用技术将给空间系统带来巨大的使用灵活性，这种灵活性表现在4个方面，分别是：可扩展性、可改进性、可维持性和可适应性。

在空间系统的即插即用技术框架下，所有的卫星模块都只提供原来整体卫星一部分的功能，而这些模块又通过无线网络技术、无线能量传输技术等手段相互联系，相互作用，因此在某一个空间系统的功能种类及能力无法满足任务要求的情况下，可以通过补充模块纳入编队的方式很容易地实现系统能力的扩展。在即插即用技术体系下，可以通过简单的技术手段增加系统的功能种类及系统容量。

即插即用技术框架给空间系统的改进提供了非常好的灵活特性，由于一些功能独立成模块。因此在系统改进方面，每个模块都可以进行独立的改进。例如电源模块，随着基础物理和材料工艺的不断改进，未来会不断涌现出新型太阳能电池片，提高光电转换效率，会不断出现容量更高的蓄电池，也会出现效率更高的星间无线能量传输手段。在即插即用技术框架下，我们无须去等待整体卫星的那种漫长的研制周期，仅在能源模块这一层级上，不断推陈出新。以“小步快跑”的策略，试验新型空间能源系统，使得新的空间能源技术不断得到在轨验证。而存储/通信模块可以在存储器容量、传输码速率、传输保密性（例如量子通信技术）、天线传输效率、先进的信息传输技术（例如激光数传）等方面进行持续改进。光学有效载荷模块可以不断在地面分辨率、地面幅宽、地面目标定位精度等方面进行持续改进等等。

空间系统的可维持性方面，即插即用技术也同样具有很大的优势。即便在完全正常条件下，太阳电池板也会在太阳辐射的持续作用下逐步产生性能退化，以致在设计整体式卫星的能源系统的时候，需要考虑太阳电池阵在卫星寿命末期所能提供的电力，并以此为约束，分配卫星各分系统的能源长期功率。换言之，若卫星持续使用下去，太阳电池板的效率会继续降低，以至于无法满足卫星正常使用的要求——即系统寿命的终结。而在分离异构的空间系统中，只需要为系统增加/替换一个新的能源模块，就可以使空间系统继续使用下去。通过这种方式就可以将能源系统对系统寿命的约束消除。另外，卫星在轨工作过程中，随时有可能出现各种意外，可能威胁卫星的计算机系统，若采用传统的整体式卫星架构，则卫星的主计算机的地位无可替代，一旦受损就可能导致任务失败。但在分离异构系统上，计算机可以独立成模块，若出现不可逆的损坏情况下，只需补发一个计算机模块就可以重构卫星系统。

分离异构技术给空间系统的适应性带来革命性变化，使得航天器通过简单的组合，就形成任何功能的系统。星上计算机在完成数字化革命以后，已经使得航天器具有很大的应用灵活性，例如人们可以通过修改卫星的指令码，就可以将卫星从一个用户手中转交给另一个用户，实现卫星的在轨交易。今天人们使用最为广泛的通信卫星，世界上已经有过很多次成功的在轨交易记录。但是传统的整体式卫星不管怎样修改软件，其卫星的各种硬件已经被结构绑定在了一起，注定了其基本功能不可能被改变的事实。而在分离异构技术体系下，平台服务模块可以为各种有效载荷进行服务，通过各种模块自主或者非自主的变轨机动，在另外的轨道上重新组成编队，可以完成在轨系统重组，甚至可以执行全新的任务，拥有全新的有效载荷。这样系统的适应性就大大地提高了。

3.4 提高卫星系统的鲁棒性

卫星系统的鲁棒性表现在其完成任务的可靠性及系统生存性方面。

任务可靠性方面，采用即插即用技术的卫星系统任务可靠性模型是网络多节点模型，执行同一任务的星群系统可以配置多个有效载荷模块，每个载荷模块都可以利用多个能源模块、计算/控制模块、存储/数传模块为其提供服务，任何一个单独的模块出现问题，都能够很容易地找到替代其作用的模块，不会因一个模块的故障影响到整个系统，导致整个卫星无法工作。而整体式卫星一旦某个分系统出现功能丧失，就可能造成整个卫星任务的失败。

系统生存性方面，主要反映的是在对抗环境中，系统抗打击的能力，即插即用技术由于模块众多，使得敌方很难通过一次撞击摧毁整个系统，此外在分离异构系统长期运行的情况下，会在编队卫星内存在大量冗余模块——有些是系统升级后被替换掉的模块，有些是为了确保任务可靠性而增加的功能模块。必要时可利用冗余模块起到分散注意力，或者起到“舍卒保車”的作用。

图2 即插即用卫星实物外观（左图：未测试，右图：测试中）及其内部结构（中图）

4 即插即用卫星系统基本构成

4.1 能量储存模块（Energy Storage Module，ESM）

ESM是太阳能电池阵总线，电池组与PnP卫星主电源总线间的通用接口模块。它能为未来PnP卫星可能用到的任何电池组技术提供电荷控制。ESM通过一套标准接口连接两个总线与电池组，并提供电源路由切换控制，可以选择电池组或者主电源总线。ESM与ASIM共同为PnP卫星SPA网络其余部分提供通信和数据接口。ESM本质是一个“聪明”的即插即用电池组。

4.2 太阳电池阵控制器（Solar Array Controller， SAC）

SAC能够适应多种太阳能电池阵技术，通过一连串混合器结构多达六个交换阵列线路支持许多单独阵列。SAC经由一个采用PWM调制能够实现对阵列动力分配装置精密控制的交换通道，提供交换串到PnP太阳能电池阵总线。SAC连同必须的ASIM用于与PnP动力子系统其余组成部分连接，允许指挥控制也允许健康和状态数据报告。

4.3 传感器接口模块（Applique Sensor Interface Module，ASIM）

ASIM用于将合法部件连接至SPA网络中，它主要有两个功能：为PnP卫星补充附加部件及负责管理；为SPA网络提供标准的即插即用接口。ASIM可使不满足SPA技术标准要求的非SPA部件通过它间接连入SPA网络，从而能够像标准SPA部件一样有效工作运转。ASIM是一块小的电路板，它集成了许多功能简单的部件组装形成标准的SPA设备，包括有许多类似FPGA的数字部件，如微处理器，USB接口及与旁路测试和时间同步接口相关的有关状态机。