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1国外模块化开放式卫星体系架构发展现状1国外模块化开放式体系架构卫星案例1.1单星模块化开放式体系架构发展1.1.1美国空军研究实验室(AFRL)“航天即插即用架构”(SPA)及“即插即用卫星”(PnPSat)项目1.1.1.1项目概况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,并提出了航天即插即用体系(SpacePlugandPlayArchitecture,SPA)。2006年,快速反应空间实验平台受ATRL的委托继续开展快速响应飞行器技术的研究。通过努力,第一颗完全按SPA实施的飞行器PnPSat-1于2007年启动。目的是通过简化接口、规避复杂工作等,在2~3天内完成设计、装配和测试“半定制”的飞行器。2008年,PnPSat-l发展成为了SPA技术研发的测试平台,还用于ORS办公室的演习。PnPSat-l的实现已经证明采用SPA技术可以有效减小航天器装配和集成组建所需的时间,目前采用下一代SPA技术的PnPSat-2的工作已经开始。按其设想,下一代SPA将会提高复杂组件的适应能力,通过可编程接口和无驱动节点匹配的方法提高集成测试能力,研究更快速数据传输的标准。1.1.1.2技术分析美国空军研究实验室将即插即用卫星概念定义为:一种采用开放式标准和接口,使用自识别部组件,具有系统自动配置功能的模块化卫星。这种卫星具有两个核心概念:接口标准:提供一种开放的接口标准,指导不同的团队开展具有统一接口标准的软件和硬件研发。这些组件将构成“作战响应空间”体系的组件2库,供“作战响应空间”卫星任务设计工作选用。模块化:机械连接和组件功能是模块化的两大要素,通过快速设计工具,实现组件在带有机械连接网格的结构板上拔插,协助设计人员满足卫星质量、热控、功率以及特殊约束的要求。这些采用即插即用标准的机械接口和电接口确保各组件能够在卫星结构板上快速集成和测试。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,无须再做跳线等设置,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。SPA核心思想是将基于智能机器协商接口和集成总线的地面即插即用(PnP)技术经扩展改造用于航天器[8]。构成SPA的三大关键技术理念为:嵌入式传感器接口模块(ASIM)、卫星数据模块(SDM)以及xTEDS(ExtensibleTransdUCerElectronicDataSheet)[9]。图3-1卫星数据模型和部组件及应用软件相互作用3表3-1可用即插即用部组件4图3-2即插即用卫星及各部组件装配位置示意图SPA定义了组件与平台结构的机械接口标准,设计人员可以结构板上自由选取标准化连接触点的位置,这些触点能够提供电源动力或SPA设备端口。对于即插即用卫星的硬件,主要使用集成一次结构板(ISP),该结构板上集成有SPA-S(SPA-Spaceware)数据路由器和PowerHub芯片,各种组件将集成到ISP上。多块的模块化ISP构成为板组,形成一种“模块”,从而实现ORS任务所需要的多样化结构性快速重组能力。在ISP之间的设有数据连接线,确保将多个ISP集成为一个网络化的板组。在ISP上,设有多个5×5cm的组件连接网格,每个网格含有一个SPA组件电接口触点,这种触点在ISP的正反面都可以设置,且ISP可根据卫星尺寸进行缩放。以PnPSat卫星为例,其为立方体构型,共有6个ISP,每个ISP上设置8个SPA标准触点。一般情况下,ORS体系的小卫星的组件不超过30个,这样就为组件的使用和结构布局调整带来了很好的灵活性。5图3-3集成一次结构板(ISP)内外部设计图3-4集成一次结构板(ISP)连接和组件连接61.1.2美国国防部ORS计划1.1.2.1项目概况即插即用是美国“作战响应空间”(ORS)计划下提出的航天器设计研制概念,主要针对降低航天器研制成本、缩短研制周期越来越旺盛的需求。经过数年的研究,美国军方已经取得了显著进展,找到了实现航天器即插即用的解决方案,建立相关标准(SPA),并完成了演示验证卫星的研制。ORS-1卫星是美军ORS计划的首颗卫星,是美国专为部署在伊拉克和阿富汗的部队研制、提供快速支持的侦察卫星,旨在为美国军队提供天基成像服务,为军队提供战术情报所需的有效载荷部署时间,2011年被《C4ISR杂志》评为25个最重要的概念之一。除了为战场提供及时的侦察外,该卫星还能够证明此类航天器的有效性。该卫星从概念到发射和在轨运行仅仅用时3年,计划每90min环绕地球一周。该卫星2011年6月29日从弗吉尼亚州大西洋中部地区航天发射场发射,运行轨道为近地轨道,轨道倾角为40°,远地点412km,近地点399km,质量约430kg。美国国防部ORS计划将后续重点瞄准空间目标监视能力,于2014年4月宣布启动ORS-5卫星项目,计划2017年发射入轨,单星质量约80~110kg,作为专用天基空间监视系统-1(SBSS)卫星的后续型号,填补能力空隙[10]。1.1.2.2技术分析ORS卫星的有效载荷和总线都依据通用技术标准,采用开放式系统结构,便于工业基础转型。ORS-1的总线是在TacSat-3总线的基础上发展而来的。美军正在积极制订和实施ORS有效载荷和卫星总线技术标准,追求“价廉、更快、更好”的快速响应空间能力。目前已经形成四份ORS技术标准,每份标准都规定了225条标准要求。标准还涉及到卫星总线和有效载荷之间的接口问题。总线标准规划分四个阶段进行,前两个阶段已经完成,并已经在TacSat-3卫星得到了体现,阶段3在TacSat-4上体现,阶段4将由位于LosAngeles空军基地的空间与导弹系统中心完成[11]。71.1.3美国“战术星”(TacSat)计划1.1.3.1项目概况2003年5月,美国国防部长办公室(OSD)下属的部队转型办公室(OFT)启动了作战响应空间(ORS)试验计划。战术星(TacSat)是作战响应空间试验计划的主要技术验证项目,旨在满足美军对于灵活、经济和快速响应卫星系统的不断增长的需求。2006年,TacSat-1、2、3、4试验卫星的研制工作相继展开,由于发射意外、载荷失灵、超期服役等因素,目前在轨运行的只有TacSat-4卫星。TacSat-4卫星代表了整个战术星试验项目的最新进展,是美国海军主导的采用相对廉价的、小卫星技术和发射技术共同开发项目,它为实现作战响应空间提供相关的先进能力。该卫星是采用基于业已成熟的卫星平台标准的原型平台而设计的,运行在高椭圆轨道(HEO),具有实现作战响应空间任务(如通信)所需的空中停留时间。TacSat-4卫星于2011年9月27日搭载了“米诺陶冶-4运载火箭在阿拉斯加州的科迪亚克(Kodiak)基地发射升空。2012年1月24日,TacSat-4卫星成功实现了从阿拉斯加州西海岸的白令海峡到加利福尼亚州的极地通信试验。TacSat-4卫星上的载荷包括:动中通通信(COTM)提供了对特高频频段的传统电台的支持,以及类似移动用户目标系统(MUOS)的能力。蓝军跟踪(BFT)能够收集未覆盖区域中现有特高频设备的信息,并为之分配优先权。数据暗渡收集来自通常位于海上和沿海地区的美国海军浮标上的数据。TacSat-4卫星的高椭圆轨道实现了以最小卫星数目和发射次数覆盖现有的战场,并支持低成本的作战任务。TacSat-4卫星采用了美国国防部部队转型办公室开发的阶段3平台标准,它精简了卫星设计和测试过程[12]。表3-2美国的TacSat系列卫星型号成本(万)时间载荷试验项目部门重量(kg)参考图备注TacSat-1$9302006非低温IR照相机,可见光照相机空地部门间的机机互联;国防部保密IP路由网海军研究实验室110已发射因猎鹰-1火箭问题曾推迟发射8TacSat-2$37002006GPS隐藏接收器,再循环太阳能电池地球表面监测、高精度定位、太阳阵列海军研究实验室300已发射,由米诺陶火箭发射TacSat-3$35002007军事成像光谱仪(ARTEMIS)提供地形信息;从目标确定到战术收集海军研究实验室369第一颗采用标准化平台卫星TacSat-4$41002008通信有效载荷验证超视距通信NRL3631.1.3.2技术分析战术星采用基于业已成熟的卫星平台标准的原型平台设计,重点是利用模块化、标准化平台卫星构建即插即用卫星,利用这些技术能够降低研制成本,缩短研制周期[13]。战术星的意义在于,验证采用即插即用卫星标准(SPA)设计制造技术可用于研制具有实战价值卫星的工程可行性。每一颗卫星都是一个试验场,分别用来设计、开发和验证一系列不同的ORS概念及相应的硬件设施。如TacSat-4就主要用来验证标准化的卫星平台,该平台将会被美国空军大量采购,应用于未来的一系列卫星设计任务。1.1.4波音公司“幻影凤凰”平台1.1.4.1项目概况据美国波音公司2013年4月8日报道:美国波音公司正在开发“幻影凤凰”小卫星系列平台,这种小卫星可以迅速而经济地制造、配置,用于执行特定任务。波音幻影工厂总裁表示:“客户需要利用小卫星执行更灵活的任务,并在不降低质量的同时,能更经济、更快速完成任务。波音公司在波音702系列平台成功扩展的技术上,根据市场需求快速研制了介于大型地球同步轨道卫星和纳卫星之间的小卫星生产线。”“幻影凤凰”样星包括三个类别:“幻影凤凰”——500~1000kg的型号,可以单星发射和双星发射。“幻影凤凰ESPA”(EELV二级有效载荷适配器)——180kg,使用有效载荷适配器,将卫星连接在一个通用的级间适配器上,一次性发射多颗卫星。单次最多可发射6颗小卫星,可降低发射成本。9“幻影凤凰Nano”(纳卫星)——4~10kg纳卫星,为科学任务与气象任务提供经济上可承受的技术。1.1.4.2技术分析“幻影凤凰”小卫星采用通用体系结构、通用的飞行软件,以及简化的有效载荷集成方案。该系列卫星可以执行的任务包括从情报、监视与侦察到行星科学任务。这些卫星配备了量身定制的航空电子设备,有可选择的冗余方案,能以可负担的成本,满足任务可靠性和使用寿命方面的需求。卫星具备高度自主性,可进行流水线生产和低风险总装。“幻影凤凰”系列小卫星设计可与大部分运载火箭兼容。1.1.5美国国防部SeeMe计划1.1.5.1项目概况2012年3月,美国国防部先进技术研究局(DARPA)提出“提高军事作战效能的空间系统”(SeeMe)项目,面向战术应用。2013年1月,千年空间系统公司获得了美国国防高级研究计划局(DARPA)授予的SeeMe项目合同,负责设计并研制6颗原理样机和24颗业务卫星,形成星座后可在需要监控的经纬度范围内实现持久的无缝覆盖,星间覆盖间隔时间不超过90分钟,单星可同时接入10个独立用户,用户从发出请求至收到图像不超过90分钟。以单星50万美元为最优先设计目标,在90天内完成24颗卫星制造,在成本和交付时间方面取得重要突破,这将创造一种满足超低成本空间星座任务的新型商业模式。SeeMe原理样机质量约45kg,是27U立方体卫星,适合搭载成像、通信、导航、气象和科学有效载荷。SeeMe原理样机搭载了由劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)研制的新型数字相机载荷,采用非传统光阑技术(apertures),300km轨道高度获取一定范围内(5km*5km)图像的分辨率达到0.75~1.2m。采用非传统射频技术,可直接接收来自手持设备的低带宽任务请求,并将请求信息反馈给10手持设备。图3-5SeeMe卫星示意图图3-6SeeMe样机主要部组件11图3-7SeeMe项目的战术作战支持体系图3-8SeeMe项目任务流程据美国航天新闻(SpaceNews)网站2013年10月21日报道,美国千年空12间系统公司(MillenniumSpaceSyst
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