细胞卫星体系的关键技术及启示

杨南基，黄献龙，王玉峰，张朴真

细胞卫星体系的关键技术及启示

杨南基1，黄献龙2，王玉峰1，张朴真3

（1. 北京控制工程研究所，北京 100190；2. 中国空间技术研究院，北京 100094；3. 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

细胞卫星是美国国防先进研究计划局的“凤凰计划”中重点验证的新概念。文章介绍了细胞卫星的概念、发展现状和技术特点，归纳了细胞卫星体系的关键技术，如复杂约束条件下的建模技术、多细胞卫星分散布置的控制技术等，为我国未来低成本、智能化、模块化航天器的发展提供借鉴。

细胞卫星；模块化；协同控制

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0 引言

1960年至今，卫星平台的形式和内部组成基本上没有发生改变。无论是哈勃太空望远镜、大型地球静止轨道卫星或者是立方体纳卫星，均采用主系统和分系统的组合方法［1］。即使通过改变部件或分系统的大小来适应任务需求的情形，也是采用这样的组合方法，如电源、推进、姿轨控等分系统。在卫星研制过程中，尽管减小卫星质量可以减少成本，但通常是以降低卫星性能为代价。美国提出了低成本、高性能和模块化的“细胞卫星”（cellularized satellite building blocks）的概念，通过细胞卫星的聚集来解决质量大小对卫星性能的束缚［2］。

细胞卫星是指一种应用细胞化和形态学重构概念的新型卫星结构，大小与皮卫星或者纳卫星相近，形态多种多样［3］。它是借鉴生物学中多细胞有机体的特点，将卫星看成是多个细胞卫星的集合体，每个细胞卫星不必具有整个卫星系统的全部功能，可以是一个简单的功能模块、独立分系统、多个分系统的组合，甚至是一个具备与其他细胞卫星进行聚集黏附的小卫星［4］。

细胞卫星技术主要沿袭了小卫星平台技术的发展路径，包括模块化、小型化等技术。本文在介绍细胞卫星模块化发展思路的基础上，着重对细胞卫星关键技术进行分析，旨在为我国的模块化航天器设计提供借鉴。

1 细胞卫星的发展及研究现状

2011年10月，美国国防先进研究计划局（DARPA）首次提出了“凤凰计划”，即从GGEO废弃卫星上拆解下通信天线并加以重新利用，为美军提供更经济、更持续的天基通信服务。基于美国长期发展的各项空间操控技术，该计划又提出了一系列新概念技术，其中“细胞卫星”是新概念技术验证的重点［5］，概念图如图1所示，通过细胞卫星的聚集可以组合形成新的、质量更大的卫星。22013年9月，DDARPA提出了细胞卫星建模方法，并开展了与“凤凰计划”相关的姿态控制系统研究。“凤凰计划”首次飞行试验将验证分别具有姿控能力（动量控制）和射频转发能力的两种单一功能的细胞卫星。20013年，DARRPA根据细胞卫星项目需求分别选择了不同的公司开展研究工作。劳拉空间系统公司（Sppace Systemms/Loral）将重点研究细胞卫星的大小、质量、搭载发射等总体问题；国际通信卫星公司（Intelsat）将研究细胞卫星的接口；极光飞行科学公司（Auroraa Flight Scieences）负责细胞卫星的设计与集成，并对原理样机进行试验，其设计的细胞卫星模块见表1［6］；麻省理工学院（MIIT）将提供控制设计经验和微推进器技术；喷气推进实验室（JPL）负责相关计算软件的开发与测试等，其提出的细胞卫星聚合案例如图2所示。

图1　细胞卫星组合概念图Fig. 1Aggregation cooncept of cellullarized satellite building blockks

图2　JPL提出的细胞卫星聚合案例Fig. 2 Casse of an aggregaated cellularizedd satellite buildding blocck system preseented by JPL

表1　极光飞行科学公司设计的细胞卫星及模块Taable 1 Cellularrized satellite bbuilding blocksand modules designed by Aurora Fliight Sciences

德国宇航局（DLR）正在推进卫星智能模块在轨组装项目，试图将传统卫星平台拆分为若干个独立的细胞卫星，使之成为标准的模块，再将这些模块组装起来形成一个完整的系统。在轨服务系统的可操作性与可行性是DLR关注的重点［5，7］。图3是IBOOSS（卫星智能模块在轨组装项目）在轨工作概念图。

图3　IBOSS项目概念图FFig. 3 The agggregation conceept of Intelligennt Building Blocksfor On-orbit Saatellite Servicinng （IBOSS）elemennts

航天器的“细胞化”不是简单分割传统航天器功能，而是通过分割有助于提升航天器功能，并降低成本。例如：根据空间科学探测的需求，哈勃太空望远镜主镜的直径要求10 m，但受限于火箭的运载能力，其直径仅为2.4 m；对于这种情形，细胞卫星将发挥重要的作用，可以在轨重构成一个大孔径的望远镜。加州理工学院、NAASA以及英国萨瑞大学正在联合开展细胞卫星最优成像任务（AAReSTT）的可行性研究（如图4所示）［8］。

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

2 细胞卫星体系关键技术

2.1复杂约束条件下的建模技术

为了使细胞卫星在有限的条件下发挥最大作用，需要建立合理的指标体系及评价模型，提出高效的设计方法，即采用不确定性多学科设计优化方法，对全寿命周期的成本、收益以及系统稳健性和灵活性进行综合评价和设计优化［9］。

1）根据任务类型与任务需求，确定尺寸、质量和功率等相关的约束与性能指标参数，研究如何有效构建细胞卫星，以及研究细胞卫星之间的协同方式与策略，最终确定细胞卫星的最优搭配组合。

2）通过细胞卫星的数量、类型以及性能等来评估最终组装的卫星系统的能力，对比分析不同的细胞卫星搭配组合的方案，分析不同组合的性能，建立合理的指标体系与评价模型。

3）研究如何最大限度地发挥细胞卫星的作用，进而提出使用最少的细胞卫星完成某种特定功能的解决方案。

4）研究单细胞卫星的自主任务规划与响应等技术能力。

美国JJPL采用系统建模语言（SYSML）对细胞卫星进行设计和分类，然后以卫星功能与属性为应用函数进行建模，通过假定一些条件作为约束来降低分析过程的复杂性，再将任务需求分类作为细胞卫星类型选择和设计的约束参数，通过复杂系统的自动寻优，寻找既满足任务需求又满足利益最大化要求的细胞卫星系统结构。建模技术中还包括细胞卫星系统的拓扑优化、智能化管理技术及细胞卫星之间的连接、共享和约束关系等方面，这些方面又涉及感知、静电黏附、基于局部信息的推送等多项技术。

2.2细胞卫星的拓扑结构

对细胞卫星的拓扑结构进行设计，关乎整个航天器系统逻辑架构的合理性和在该种技术体制下系统扩展能力等问题。目前国际上有许多学者对这种体系结构的设计提出了两种构想：一是基于具有等级节点特性而设计的树状结构；另一种是基于平等节点特性而设计的网络结构。树状结构具有节点寻址方式简单、执行地面指令迅速有效的优点；网络结构则具有面对复杂环境适应性强、生存能力强、执行命令的资源消耗少的优点。多数学者都倾向于将两种基本结构进行优势结合，在考虑命令执行的效率、生存力、执行指令的资源优化等方面寻求最佳平衡点。

在细胞卫星的拓扑结构设计中，需要兼顾各种不同细胞卫星的节点需求，并兼顾组合系统未来的扩容发展的需求。在网络节点达到一定规模的条件下依然可以保证指令执行的效率。对系统需求的定义、指令执行的效能评估等尚需进行系统分析和设计，并借用计算机仿真分析，模拟不同节点数量条件下的系统响应能力和系统鲁棒性。MIT的Ricchardson等根据分离模块式航天器的灵活性特点，提出用面向灵活性设计方法来开展分离模块式航天器系统设计，以获得对不确定运行环境具有高价值响应的系统拓扑结构，并总结了可用于开展面对灵活性设计的各种方法［110］。佐治亚理工大学的Braathwaite等面向探索尽可能多的分离模块式航天器拓扑结构、分析量化各种拓扑结构的经济性以及开展价值中心分析等需求，综合了各种模型、组合分析、连续-离散优化、多目标分析优化等技术，开发了拓扑结构综合工具GT-FAST，并将其应用于空间拓扑结构设计的探索［11］。文献表明，细胞卫星的可重构要求采用新的系统拓扑结构设计优化方法，如借鉴分离模块式航天器的拓扑结构，国外正在深入开展相关方面研究。

2.3细胞卫星集散式供电技术［6］

供电技术是细胞卫星实现长期在轨工作必须解决的关键问题。DARPA曾考虑了多种细胞卫星供电方案，包括可展开太阳电池阵、嵌入式太阳电池阵、无线能量传输（WPT）及有线传输方案。其中，可展开太阳电池阵面积较大，细胞卫星安装到天线馈源处后可能对天线造成阻挡；而星上嵌入式太阳电池阵不能提供足够多的电力：因此这两个方案很快被排除。无线能量传输方案的设想是能量服务卫星通过激光将能量传输给细胞卫星。激光能量传输技术包括高效、高光束质量的激光发射器技术、高效激光-电能转换器件技术等，实现难度很大，当前技术水平离空间应用还有较大差距。初步研究发现，面积为10 cm2（设想的细胞卫星侧面面积）的转换器的WPT装置在1 m距离处的能量传输功率仅为1 W，与射频转发细胞卫星6 W的电力需求相差甚大。因此，WPT方案也被排除。目前重点研究集散式有线电力传输方案。

集散式供电方案由一种可集中式发电、分散式配电的中枢细胞卫星实现，该卫星一端与可展开太阳电池阵连接实现储能，另一端通过多个导电伸缩杆与细胞卫星连接以向其供电，具体方案正在进一步研究中。

2.4多细胞卫星结构分布式协同控制技术

多个细胞卫星构成的系统控制比传统卫星控制更困难，多细胞卫星构成的大卫星可能会导致非完整状态观测、系统不确定性等问题，因此其分布式协同控制非常重要，是保证后续工作开展的前提。对于多细胞卫星组成的大卫星，其状态保持、姿态轨道机动协同控制至关重要，要求把每一颗姿轨控细胞卫星的位置控制器和姿态控制器看作一个局部控制事件，而每个局部控制事件的控制策略必须相互协同以保证整个系统的稳定性和全局收敛性［12-13］。目前的研究方法是从航天器姿态与轨道控制的角度设计一种鲁棒自适应协同控制器，该控制器容许细胞卫星存在转动惯量不确定及空间摄动干扰等因素，利用细胞卫星间的无线通信将不确定性因素和空间摄动干扰等作为整体分析，利用滑模控制思想分别为细胞卫星系统设计鲁棒自适应控制器，给出细胞卫星协同控制策略，并在约束条件下进行优化分析，系统解决细胞卫星的姿态控制与稳定、轨道机动与保持、姿轨耦合控制等方面的鲁棒自主协同控制问题。其中，控制策略分为姿态控制和轨道控制：姿态控制包括一段时间内参与控制的细胞卫星，每个细胞卫星分配多大力矩，怎么运动才能达到相应的姿态；轨道控制应考虑一些细胞卫星不具有轨道保持功能情况下的轨道机动与保持。同时，细胞卫星系统可能在运行期间发生位置和功能的变换，导致质量特性的变化，所以要在飞行之前制定模块位置和功能的变换、推力器安装的位置以及何时工作等详细的飞行方案。

2.5多细胞卫星分散式布置于非合作目标的协同控制技术

细胞卫星分散式布置黏附在废弃卫星或者空间碎片等非合作目标上，黏附后废弃卫星的质量特性会发生改变，若安装了具有姿轨控功能的细胞卫星但其推力方向不沿轴向，或者由于约束限制使得细胞卫星被黏附在部分方位而缺乏对轴向的控制能力，则非合作目标会存在自旋失稳［14-15］。因此，采用细胞卫星抓捕空间碎片或失效卫星存在较大的技术难度和复杂性，并有可能造成目标的物理性破坏。为解决上述问题，需要研究细胞卫星质量特性在线辨识技术，推力方向不沿轴向或缺乏对某方向的控制能力下的控制技术，推力方向不经过目标质心下对非合作目标的被动变轨控制，利用细胞卫星对非合作目标进行消旋和拖曳变轨的控制技术。

具体讲，在质量特性辨识方面，可由动量轮或者磁力矩器细胞卫星产生一个激励，由陀螺数据等预测以实现质心的标定等，研究推力方向不沿轴向或者不过质心对整个系统控制的影响，同时分析推力器方向无法满足控制要求时的控制策略。

2.6细胞卫星间高精度相对测量技术

细胞卫星为了共同完成任务或实现重组，需要进行集结控制等。这些控制是以细胞卫星间相对状态测量信息为基础。用于星间相对状态测量的主要手段有GPS载波相位差分（CDGPS）测量、基于航天器间无线电的测量和基于光学的测量等。无线电测量具有测量覆盖率高、可同时进行测量和通信等优点，便于实现相对状态测量、时间同步、频率同步和信息交互的一体化设计。与星间无线电测量方法相比，基于光学的测量方法能够提供高精度的角度测量信息，特别适合相对姿态确定精度要求高的任务。同时，基于光学的测量方法还具有抗干扰能力强、灵活性和适应性强等特点。

目前的主要研究方向是光纤飞秒激光器，通过合理的压电反馈结构设计，保证kHz锁定带宽下的激光器重复频率可调谐，可以输出脉冲宽度100～200 fs、平均功率100 mW、重复频率150 MHz的高稳定性飞秒激光脉冲，作为距离测量的飞秒激光光源。图5为基于飞秒激光脉冲的星间高精度绝对距离测量装置［16］，其左半部分为激光器结构示意图。在此基础上，利用平衡光学互相关技术提供反馈信号控制激光器谐振腔的腔长，调谐飞秒激光脉冲间隔，精确锁定参考脉冲与目标反射脉冲到达时间，将脉冲间隔的整数倍锁定到目标反射脉冲的飞行时间，进而获得高分辨率的飞行时间信息和待测距离信息，实现对百米远振动目标的百纳米精度、毫秒更新时间的实时距离测量，测距方案如图5右半部分所示。

图5　基于飞秒激光脉冲的星间高精度绝对距离测量Fig. 5 High precision absolute distance between the satellite measurements based on the femtosecond laser pulse

3 启示

综上所述，通过对细胞卫星的介绍和关键技术的分析，可以得到以下启示：

1）细胞卫星代表了航天器发展的新形态

现代航天器长寿命、高稳定度、高精度、多任务的性能要求，必然导致航天器结构的大型化，采用细胞卫星分布式/分离式的航天器组装技术可以满足大型化需求。不仅如此，细胞卫星还可多次发射，在轨组装，很大程度上突破了运载系统对航天器构型的限制；通过对失效模块的在轨更换、升级，可延长航天器的使用寿命，并保证有效载荷的先进性。

细胞卫星技术将成为航天器发展的新形态。功能“细胞”的不断增加，将构成近地空间中的星群网络，极大地降低未来航天器研发成本和系统更新成本，有助于提高航天器系统的任务可靠性。

我国运载系统的能力与航天强国的发展目标尚有差距，采取细胞卫星的概念，积极开发模块化在轨组装技术，为我国在现有的运载能力条件下实现重型、超重型卫星的在轨应用，提供了新的发展思路。

2）细胞卫星代表了快速响应装备的新思路

目前，世界主要航天强国都在积极发展快速响应空间装备。细胞卫星具有模块化生产、即插即用的优势，可以根据具体的任务需要选择某些功能模块，满足快速响应装备要求的结构重组性、应用时效性、功能针对性的需求。

4 结束语

细胞卫星系统代表了低成本、智能化、模块化、标准化、小型化和高性能的未来航天器发展理念，将会推动在轨服务技术向功能化、实用化发展，促进空间碎片清除、在轨救援、卫星升级等向工程化迈进，对于未来我国空间资源的可持续利用有重要意义。目前国外的相关研究尚在初级阶段，虽然国内研究尚少，但差距并不明显，应尽早开展对细胞卫星的调研，理清发展思路，结合目前的型号任务开展预先研究，实现航天器设计与应用的跨越式发展。

（References）

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（编辑：许京媛）

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

杨南基（1991—），女，硕士研究生，研究方向为导航、制导与控制；E-mail：ynj1122@163.com。黄献龙（1969—），男，研究员，研究方向为航天器控制系统设计、航天智能控制。