模块化可重构空间系统研究

庞羽佳　李　志　陈新龙　张志民　黄剑斌（钱学森空间技术实验室，北京 100094）

模块化可重构空间系统研究

庞羽佳李志陈新龙张志民黄剑斌
（钱学森空间技术实验室，北京 100094）

模块化可重构空间系统由多个外形尺寸相同的模块组成，具有组织方式灵活、维修操作方便、适应性强等优点，可有效提高空间系统的可维修性，降低空间系统建设成本，满足空间应用的多任务需求。文章对国外模块化可重构空间系统的发展情况进行了介绍，如日本“可重构空间系统”（RSS）、应用“超级机器人”（SuperBot）和应用卫星模块（Satlet）的美国模块化可重构空间系统。针对我国模块化可重构空间系统的发展，建议首先发展模块化异构系统，采用分布式与集中式相结合的控制方法。

模块化可重构空间系统；“可重构空间系统”；“超级机器人”；卫星模块；“卫星智能模块在轨组装”项目

1　引言

传统的航天器具有固定构型，须根据特定任务需求预先设定功能，在轨运行时其结构、功能、运行方式等很少发生变化。但随着人类对空间探索的逐渐深入，以及空间系统活动任务的日益多样化，空间系统要具有对未知环境更强的适应性和更灵活的应用方式。模块化可重构系统是一种能根据任务需要，重新组合自身构型的系统，它是在研究模块化机器人的基础上发展起来的，其主要思想是利用一些尺寸和功能可互换的模块，像搭积木似地组合成特定构型。这种组合不仅包括机械重构，还包括控制系统（电子硬件、控制算法、软件等）的重构，模块本身就是一个集通信、控制、驱动、传动一体化的单元［1］。模块化可重构空间系统是模块化可重构系统的空间应用，由多个同构模块（各模块功能均相同）或异构模块（各模块功能不同）组成，能够根据工作环境和任务要求进行自重构改变构型，并采用合适的运动方式满足空间任务要求。

从21世纪初开始，日本、美国、德国等国家均对模块化可重构空间系统进行了大量研究，提出了“可重构空间系统”（Reconfigurable Space System，RSS）、应用“超级机器人”（Super Bot）的模块化可重构空间系统、应用卫星模块（Satlet）的模块化可重构空间系统和“卫星智能模块在轨组装项目”（intelligent Building Blocks for On-orbit Satellite Servicing，iBOSS）等概念，并针对行星表面探测、在轨维护等典型应用进行了研究。2015年12月，美国Nova Wurks公司基于Satlet技术研发的“高度集成化卫星”（Hyper Integrated Satellite，HISat）已发射至“国际空间站”（ISS），用于对Satlet在轨组装及部署技术进行在轨验证［2］。本文主要研究了国外模块化可重构空间系统的发展情况，并对系统特点和技术特点进行了总结，针对我国模块化可重构空间系统的研究提出了建议。

2　国外发展情况

2.1日本REE

2005年，日本东京大学提出了RSS概念。RSS由“细胞卫星”（Cellular Satellite，CellSat）和“在轨服务机器人”（Orbital Servicing Robots，OSR）组成，如图1所示。CellSat实现遥感、通信等功能，由多个类似于积木的细胞单元组成，具有可重构的体系架构。细胞单元比传统的“模块”更小，可以是由模块拆分成的更小功能单元，具有CPU、电池、通信单元等的功能，再组合到一起实现特定的功能。CellSat的细胞化设计具有更高的灵活性，细胞单元界限清晰，且具有便于机器人操作的接口，可以比传统的模块化卫星具有更多的配置方式。OSR用于在轨服务和维修维护，包括CellSat集成、CellSat分解、燃料加注和CellSat重构。构建各类不同功能CellSat和进行在轨维修维护所需的资源（如燃料和特需的仪器设备），周期性地由地面送往OSR。组装完成的CellSat由OSR送到太空执行任务，任务完成后可由OSR回收，因而能循环使用。故障CellSat和已消耗不可重复利用的细胞单元，由OSR负责进行离轨操作送入大气层烧毁，不会形成空间碎片。RSS可持续更新CellSat的燃料、设备和结构，使CellSat处于最新状态，并可随时根据用户需求进行在轨构建，因此具有灵活性、可持续性和可重用性的特点［3］。

CellSat的细胞单元（见图2）为边长60mm的立方体，内部都包含符合各自功能的器件和电路。6个面具有同样的结构和接口，因此对其进行操作时不必区分方向。细胞单元的每一面均可与其他细胞单元进行机械连接，由OSR使用连接器插头（Connector-pin）进行插入和旋转2项简单操作完成（见图3），在连接的同时完成细胞单元间的供电与通信连接。图4给出了细胞单元构建对地观测CellSat的示意。

图1　“可重构空间系统”示意Fig.1　Schematic drawing of RSS

图2　细胞单元外观Fig.2　CellSat unit

图3　连接器插头与连接步骤示意Fig.3　Connector-pin and connection operation

图4　对地观测CellSat示意Fig.4　CellSat for earth-observation

2.2应用Euper Bot机器人的美国模块化可重构空间系统

Super Bot是美国南加州大学和美国其他大学共同研究的一种新型自重构模块化机器人，美国航空航天局（NASA）、美国国防部先进研究计划局（DARPA）等机构都曾对其进行资助。该项目的目标是为NASA太空探测所需的不同机器人任务和功能提供一种有效、成本可负担、基于模块化和自重构的解决方案。Super Bot由多个模块组成，每个模块有3个关节，中间的关节可正反2个方向连续旋转，其余2个端部关节每个可旋转±90º。Super Bot模块可以像万向节一样动作，可在没有外部辅助的情况下动态改变自身形状、进行移动并改变运动方向。SuperBot由多个模块可以组成不同构型，可进行多模态运动（见图5），每个模态可适应不同环境类型、速度、能源效率等特征。通过多模态运动，可以实现蛇形、昆虫、蜘蛛、毛虫等多种运动形式。同时，采用基于激素的自适应分布式同步控制方法，使得模块可以用一种类似于激素的信息来与其他模块合作，从而能够完成运动和自重构的任务［4-8］。

夏威夷大学对Super Bot机器人在NASA月球探测中的任务和功能进行了应用研究和设想，提出了3种月球表面应用方式（如图6～8所示）［9］。

1）多用途月球探测器

在月球漫游车上设置最多120个SuperBot模块和一些特殊工具，在有人或无人参与的情况下重复使用这些模块组成多用途月球探测器（Multi-Use Lunar Explorer，MULE），进行各种月球表面地质和资源自主探测。模块的自重构能力是顺利完成任务的关键，在不同的任务阶段，要求Super Bot模块以多种组合方式完成相应任务需求。图6为月球漫游车上的SuperBot模块执行月球表面探测任务的设想。

图5　SuperBot机器人完成的运动形式Fig.5　Motion types of SuperBot

2）小型移动探测系统

由8～10个SuperBot模块组成小型移动探测系统（Mini-Mobile Investigation System，Mini-MIS），其中包含具有特殊功能的科学探测模块或另外附加专用模块进行月球表面移动探测。其运动形式可模仿蜘蛛、蜈蚣、蛇等生物，每25～100m布置一台探测或分析仪器，可利用大量SuperBot模块组成多个Mini-MIS完成大面积探测。在进行通信联络时，Super Bot模块还可自变形为通信天线与基地进行通信。Mini-MIS的不同应用构型设想如图7所示。

3）生活环境作业与维修系统

未来可利用Super Bot模块组成生活环境作业与维修系统（Habitat Operations and Maintenance System，HOMS），代替航天员出舱进行月球表面作业。最多可由150个Super Bot模块互联并携带摄像机、铲子等多种工具完成环境视察、采样、运输、加注等各类任务。图8为Super Bot模块进行货物运输和氧气罐泄漏监测应用设想。

图6　SuperBot模块执行月球表面探测任务Fig.6　Lunar surface exploration mission by using SuperBots

图7　小型移动探测系统的不同应用构型Fig.7　Application configurations of Mini-MIS

图8　用于货物运输和氧气罐泄漏监测的生活环境作业与维修系统Fig.8　HOMS of cargo carrier and oxygen tank leak inspection by using Super Bots

2.3应用Eatlet的美国模块化可重构空间系统

为降低卫星成本，但又不影响其可靠性、分辨率、数据率等性能，DAPRA提出研制Satlet。Satlet是卫星的基本结构单元，通过软硬件集成即可获得一颗具有完整功能的卫星。2011年底，DARPA启动“凤凰”计划，目的是开发一个在轨操控平台，可拆解弃置轨道中失效卫星的有用部件（如天线），并将这些部件与若干卫星模块重新组成新卫星加以利用。这些模块就是Satlet，用于组成高度集成的模块化卫星，再与失效卫星的天线重组形成新卫星［10-11］，如图9所示。

图9　Satlet与失效卫星天线进行重组Fig.9　Recombination of Satlets and antenna of disabled satellite

Satlet可用来构建平台和载荷，但大多数情况下，Satlet是作为平台的组成部分使用。一颗完整的卫星通常具备一系列功能，如电能生成与储存、姿态控制、定位控制、数据处理、接收指令等。而1个Satlet只完成一项或几项功能，当多个Satlet集成在一起后，可以组成卫星平台，为有效载荷和任务执行提供所需的功能支持。例如:一颗卫星可以使用100个Satlet作为电源，而每个Satlet作为一个小电池，只须要提供整颗卫星所需电能的1%。由Satlet组成卫星，需要互联的不仅是结构、通信、数据、电源、热控，还要具有结构稳定性、可操作性和感知功能。其最大的价值在于可用Satlet像“搭积木”一样构建不同的几何形状，使卫星对于不同的外形要求和任务操作具有更灵活的适应性，如图10所示。

由Satlet集成的空间系统性能，可通过Satlet的数量和类型，以及单个Satlet的可靠性来衡量。在失效卫星天线重利用的试验设计中，假设A代表与失效天线进行连接的载荷连接Satlet；S代表平台Satlet，用于提供系统运行支持；P代表能源Satlet，用来收集和分发系统所需的能量。这些Satlet组合构成具有全新结构的卫星，见图11。在这颗集成卫星中，Satlet的配置方式对卫星可靠性的影响见表1。

表1　Eatlet的配置方式对卫星可靠性的影响Table1　Influence of Eatlets deployment on satellite reliability

图10　Satlet集成概念Fig.10　Assembly of Satlets

图11　Satlet组成卫星示例Fig.11　An example of Satlets to compose satellite

以表1中平台Satlelt为例，说明平台Satlet个数与卫星可靠性的关系。

（1）当单个平台Satlet的1年寿命生存概率为0.92、5年寿命生存概率为0.65时，卫星1年寿命和5年寿命的可靠性随着试验中平台Satlet个数的增多而增加，但在试验平台Satlet个数达到32（任务成功所需最少平台Satlet个数的2倍）后，卫星1年寿命的可靠性不再随着平台Satlet个数的增加而增加。

（2）当单个平台Satlet的1年寿命生存概率由0.92提高到0.95、5年寿命生存概率由0.65提高到0.85时，由32个平台Satlet组成的卫星与由40个平台Satlet组成的卫星有着相同的5年寿命生存概率（0.944），即单个平台Satlet生存概率提高后，达到相同的卫星可靠性，所需平台Satlet个数可相应减少。

2015年12月，美国开展了“凤凰”计划中Satlet技术的首次在轨演示试验，称为“卫星模块初始任务验证及经验”（Satlet Initial-Mission Proofs and Lessons，SIMPL）试验（见图12）。SIMPL包括8个基本组件:6个高度集成化卫星HISat和2个太阳电池阵。此外，SIMPL还携带光电成像设备，以及美国海军学院实验室的业余卫星通信有效载荷——自动位置报告系统（Automatic Position Reporting System，APRS）无线电通信转发器。整星在“国际空间站”上装配，在轨运行后用于验证Satlet快速设计、制造、在轨组装以及支持任何尺寸及质量载荷的能力。

基于Satlet技术研发的HISat是低成本、模块化、高度集成的卫星，由美国NovaWurks公司联合NanoRacks MicroSat公司共同研发，每颗质量约为6.8kg，具有基本的卫星功能，例如供电、运行控制等，并配备有必要的传感器。HISats将在2016年夏季在“国际空间站”上被释放至近地轨道，拟在2017年中期运行于地球静止轨道，用于验证HISat适用于各种轨道和客户。

Satlet由于体积和质量小，受发射限制较小，入轨后通过在轨释放系统和空间机械臂操作，可集成为大型或超大型空间系统，且可灵活根据用户需求和空间任务需要在轨动态组织新的构型，并方便进行软硬件升级和维修维护。由多个Satlets与结构组件在轨组成的大型空间系统应用平台，可常驻空间并根据需要与不同功能有效载荷集成，以满足多样化的空间应用需求。地面应用方也只要发送有效载荷入轨，通过与空间系统应用平台集成来实现功能［12］。图13为几种基于Satlet的空间系统概念图。

图12　SIMPL示意Fig.12　Schematic drawing of SIMPL

图13　基于Satlet的空间系统概念图Fig.13　Conceptual Satlet-based space systems

2.4德国iBOEE项目

德国柏林工业大学等机构在德国航空航天研究院（DLR）的支持下，开展了iBOSS项目的研究。该项目的重点在于将传统卫星平台分解为多个相同的建造积木（Building Block），每个建造积木包含特定功能，采取标准化设计，由空间机械臂完成在轨组装，集成为所需的空间系统。可操作性和可实现性对在轨服务系统来说至关重要，也是DLR在进行该项目研究中采取的主要原则。建造积木具有相同的立方体外形结构，设计中力图降低单个积木的复杂性、质量和体积，并提供机器人友好型操作接口，可支持在轨组装与重构［11］，如图14所示。

3　模块化可重构空间系统的特点及关键技术

图14　建造积木及其集成的iBOSS空间系统Fig.14　Building block and iBOSS space system

模块化可重构空间系统的模块组合灵活多变，系统规模、应用方式通过改变模块数量或更换相应功能模块即可实现；模块可批量化生产，大大降低应用成本；模块体积质量较小方便携带，在轨维修维护方便；在非结构化环境应用（如行星表面探测中），可通过智能控制重构系统结构和功能，极大地提高系统的鲁棒性和适用性，满足空间应用的多任务需求。根据前文的分析，可总结出模块化可重构空间系统的特点和关键技术如下。

1）系统特点

（1）适应性，可以灵活地改变自身的构型，适应非结构化的环境和动态变化的工作任务要求。

（2）鲁棒性，可以自动感知有问题的模块，并采取其他备用或在用模块代替故障模块继续执行任务［］。

（3）可扩展性，可以方便地连接与分离，系统规模的大小和功能可以根据需要进行自由扩展。

2）关键技术

（1）模块化可重构空间系统通常由一种或者多种功能相同或相异的模块组成，因此各模块应具有标准的机械、电气接口。

（2）模块化可重构空间系统可在无人或有人参与的情况下自主变换构型和功能，以适应不同的环境和任务需求，因此要解决智能化控制技术。

（3）模块化可重构系统空间在应用中应解决可重构系统模块连接与粘附技术、模块微推进及组合推进技术、多模块协同运动规划及控制技术、多模块供电技术、可重构修复技术及空间多模块转发通信技术等。

4　建议

模块化可重构空间系统组织方式灵活、控制机制智能、运动形式变化多样、维修操作方便，特别适用于未知的、不确定的和非结构化的环境，可有效提高空间系统可维修性水平，降低空间系统建设成本，在行星表面探测、军事侦察、空间维修维护等应用中具有广阔前景。目前，国外提出了多种模块化自重构空间系统的空间应用构想，但对其组织结构、运行方式等还缺乏系统、深入的研究，总体上仍处于系统概念与方案研究阶段，少数处于关键技术演示验证阶段。我国对模块化可重构空间系统的研究刚刚起步，针对目前的研究，提出建议如下。

（1）提高对模块化可重构空间系统技术发展趋势和应用前景的重视，积极安排和部署模块化可重构空间系统发展，及时开展与航天器密切结合的模块化可重构技术研究。

（2）以模块化可重构空间系统化设计技术为基础，结合地面模块化可重构机器人技术，借鉴微纳卫星设计经验，大力拓展空间系统的模块化应用，针对空间环境特点和任务应用需求，对可重构系统模块进行针对性设计，提高系统多样化应用能力和可维修维护性。

（3）模块化同构系统的所有模块软硬件完全相同，模块之间的区别在于所处的位置以及在任务中所承担的角色不同。同构系统可以显著降低建设成本，模块的互换性很强，维修和更换模块都较容易，但设计能满足多种要求的模块及其功能化齐全的软件难度较大。异构系统则由不同种类和功能的模块组成，设计难度较同构模块小，但系统重构与维护难度增大。我国在开展相关研究时，建议首先对模块化异构系统进行研究，降低模块设计难度，对模块化可重构系统相关技术进行探索实践后，逐步推进模块化同构系统研究进程。

（4）在进行模块化可重构空间系统控制方法研究时，应考虑采用分布式与集中式相结合的方式。在任务单一、模块数量少、通信距离短的条件下，采用集中式控制方式，进行高效率统一规划和组织。在非结构环境或任务多变、模块数量较多、通信距离远等条件下，采用分布式控制方式，充分发挥各模块单元的主动性，由智能化协同控制算法协同控制多模块共同完成既定任务。

（References）

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（编辑：夏光）

Research on Modular Reconfigurable Space System

PANG Yujia LI Zhi CHEN Xinlong ZHANG Zhimin HUANG Jianbin
（Qian Xuesen Laboratory of Space Technology，Beijing 100094，China）

Modular reconfigurable space system is composed of multiple modules which have the same figure and size.It has the advantages of flexible organization，convenient on-orbit maintenance and excellent adaptability.Modular reconfigurable space system will improve the space maintenance technology，reduce the construction cost，and satisfy the multi-task requirements in space applications.The development situations of modular reconfigurable space system are introduced，such as RSS（Reconfigurable Space System），the modular reconfigurable space system adopting Super Bots or Satlets.Some suggestions on developing Chinese modular reconfigurable space system are put forward that modular heterogeneous system with combinative mode of distributed and centralized control should be developed in preference.

modular reconfigurable space system；RSS（Reconfigurable Space System）；Super Bot；Satlet；iBOSS（intelligent Building Blocks for On-orbit Satellite Servicing）project

V423.4

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.03.016

2015-10-08；

2016-03-01

国家高技术研究发展计划（863计划）（2015AA7046302）

庞羽佳，女，硕士，研究方向为在轨维修维护系统设计。Email：pangyujia@qxslab.cn。