美国即插即用卫星的发展

张鹏（中国空间技术研究院通信卫星事业部）

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，并完成了演示验证卫星的研制。这一系列进展向全球展示了即插即用航天器的广阔前景与发展潜力，将对全球航天技术的发展产生变革性影响。

1 即插即用卫星的意义

长期以来，美国的空间体系的建设重点都是大型空间系统。这些系统具备先进技术能力，但往往动辄数十亿美元、耗时数年才能完成，成为困扰美国军方空间项目采办的突出问题。与此同时，全球部署的美军作战部队对空间系统能力支持需求快速增长，特别是面向特定用户、特定应用的战术需求快速增长，不但需要“量身定制”的空间能力、还对项目采办周期、成本等方面提出新的要求。为此，美国提出“作战响应空间”计划，重点发展具备快速响应、降低成本、面向战术特点的小卫星，成为大型空间系统的有效补充和增强。

“作战响应空间”计划提出构建由三个层次构成的作战能力：第一层次是利用已发射或将发射的空间系统，通过优化应用、改进或修正，提供快速响应的空间效果，响应时间按天计算；第二层次是利用现场准备的能力，快速集成、测试、发射小型低成本空间系统，响应时间数天到数周；第三层次是快速研发新的系统来满足联合作战需求，响应时间数月到1年。2015年前，“作战响应空间”计划的发展目标是实现第二层次的能力，提出用6天研制出1颗卫星的发展目标，这与传统的耗时数年的研制周期相比差别巨大，必须采用新的思路和方式才可能实现。即插即用可以大大缩短航天器设计、研制和测试周期，是实现6天研制卫星的关键保障之一。

另一方面，美军负责航天领域的研究部门通过分析得出，卫星研制成本的85%是人力成本，如果卫星组件能够实现即插即用，类似个人计算机的USB设备，具有自描述和自检测能力，将显著降低卫星项目设计、制造、测试和运行过程中的人力资源需求，从而达到降低卫星项目成本的目的。这也是“作战响应空间”开展即插即用研究的另一个重要原因。

2 即插即用卫星的特点

什么是即插即用卫星

在“作战响应空间”计划牵引支持下，过去数年时间里，美国空军研究实验室（AFRL）开展了即插即用卫星的研究工作。首先美国空军研究实验室在针对6天内完成需求响应到地面交付卫星过程，对卫星设计、研制、集成、测试全过程进行了研究和分析，对大幅缩短研制周期，降低研制成本的各方面制约因素进行了分析和研究，认为只有通过简化接口的方式才能实现预期目标，包括机械接口、电接口和软件接口。

美国空军研究实验室将即插即用卫星定义：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。

即插即用卫星的发展历程

2004年，美国空军研究实验室开展空间即插即用电子学标准研究，用开放式的标准接口替代专用的用户接口。不同的研发团队按照空间即插即用电子学标准，可以开发相互兼容的软硬件设备。可以说空间即插即用电子学标准是实现即插即用卫星的基础。

以空间即插即用电子学的相关研究成果为基础，2006年美国空军研究实验室开展了就叫“即插即用卫星”（PnPSat）的演示验证项目。该项目先后研制发展了即插即用卫星－1（PnPSat－1）和即插即用卫星－2两颗验证卫星。即插即用卫星－1卫星采用SPA-S（SPA-Spaceware）接口标准，主要用于验证快速研发、集成和测试的可行性。卫星呈立方体构型，尺寸51cm×51cm×61.2cm，整星质量180kg。即插即用卫星－1曾计划在2008年的一次快速响应发射由猎鹰－1（Falcon－1）火箭发射，但是由于即插即用卫星－1没有在两周的要求时间内完成准备，而被迫放弃。目前已没有发射计划。

即插即用卫星－2采用第二代空间即插即用电子学组件，针对“作战响应空间”任务需求，验证在较低成本限制下，开展平台研制。

即插即用卫星的主要特点

即插即用卫星系统集成过程中，即插即用技术能够实现识别接入组件并进行动态监测和配置，大大简化卫星组件的组装、集成和测试。

对于硬件，主要使用集成一次结构板（ISP），该结构板上集成有SPA-S数据路由器和PowerHub芯片，各种组件将集成到集成一次结构板上。多块的模块化集成一次结构板构成板组，形成一种“模块”，从而实现用户所需要的多样化结构性快速重组能力。空间即插即用电子学定义了组件与平台结构的机械接口标准，设计人员可以在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空间即插即用电子学设备端口。在集成一次结构板之间的设有数据连接线，确保将多个集成一次结构板集成为一个网络化的板组。

集成一次结构板内外部设计

集成一次结构板连接和组件连接

在集成一次结构板上，设有多个5cm×5cm的组件连接网格，每个网格含有一个空间即插即用电子学组件电接口触点，这种触点在集成一次结构板的正反面都可以设置，且集成一次结构板可根据卫星尺寸进行缩放。以即插即用卫星为例，其为立方体构型，共有6个集成一次结构板，每个集成一次结构板上设置8个空间即插即用电子学标准触点。一般情况下，小卫星组件不超过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。

对于软件，卫星数据模型（SDM）负责飞行软件的集成，原理上与集成一次结构板类似，确保各种应用能够根据需要选择软件和硬件组件。卫星数据模型集成在分布式星载计算机的多个CPU节点上，具有空间即插即用电子学软硬件的自检测能力，与个人计算机识别和配置USB组件和外围设备相似，主要负责管理硬件设备和上层服务。这种自检测能力为空间系统的快速组装或重构提供了新的方式。每个空间即插即用电子学组件都建立一个被称为“可扩展转换器电子数据单”（xTEDS）的可扩展标记语言的表述数据单。在这种模式下，卫星数据模型对下层硬件具备很高的屏蔽性，对于系统、子系统等上层设计人员而言，不必区分每个“可扩展转换器电子数据单”文件来自成熟组件、在研组件还是软件服务，只需根据这些“可扩展转换器电子数据单”文件描述进行上层软件设计和仿真测试，从而突破常规设计模式，大大缩短软件设计开发时间、降低人力成本需求。

3 即插即用卫星的设计研制

在即插即用技术支撑下，卫星系统设计、组装、集成和测试各个环节的特殊需求大大减少，项目周期缩短，系统响应能力显著增强。

卫星系统设计

在任务设计过程中，卫星任务设计工具（MSDT）将用户需求转化为包含硬件组件、轨道设计和任务操作的列表清单和自主飞行软件模块列表清单。其中前者的列表清单作为卫星3D建造软件工具的输入，来确定卫星硬件组件的卫星集成一次结构板上的布置构型，确保热控、功率、质量以及组件自身约束条件要求。这些部署好的组件与卫星任务设计工具确定的自主飞行软件模块将在飞行软件闭环工具（FSWIL）中进行集成仿真，向用户提供仿真结果和系统性能指标，协助用户确认设计符合任务需求。尽管特定卫星任务的性能能够通过有效载荷、动力存储与生成、姿态控制、软件、通信、推进等子系统模块化来优化，但是空间即插即用电子学的接口和体系实现了组件级别的模块化，支持几乎全部系统的重构。

即插即用卫星（右）内部组件布局对比

采用即插即用技术开展卫星快速AIT流程

卫星平台组装和测试

卫星任务设计工具选取的硬件组件、自主飞行软件模块列表清单以及3D建造软件生成的组装说明，将用于卫星平台的组装和测试。首先进行的是集成一次结构板的连接组装；第二步是按设计完成集成一次结构板内侧组件组装（卫星内部组件）；第三步，将集成一次结构板折起，形成卫星结构基本构型，完成集成一次结构板外侧组件组装（卫星外部组件，如太阳电池阵、太阳敏感器、天线）；第四步，将组装好的卫星平台接入硬件闭环仿真地面支持设备（HWIL GSE）中，进行组件功能测试（CFT）。在测试过程中，如果发现某一组件有问题，该组件将被替换。

有效载荷组装和测试

卫星任务设计工具选取的硬件组件、自主飞行软件模块列表清单以及3D建造软件生成的组装说明，将用于有效载荷的组装和测试。首先进行敏感器组件组装，以对地观测卫星相机为例，望远镜、控制反射镜以及相机配套仪器，星跟踪器和有效载荷管理单元（IMUs），将被集成到一个稳定的飞行光具座上。之后相机将接入硬件闭环仿真地面支持设备中，进行飞行前光学校准和初步信号验证。对于“作战响应空间”第二层次任务，其他相机和信号校准工作将在卫星入轨测试调试阶段进行。

卫星系统集成和测试

总体上，即插即用技术为航天器设计研制产生了重要推动作用。尽管即插即用卫星项目并没有完全解决卫星系统设计和研制的复杂性问题，从某种意义上即插即用卫星是一种模块化和复杂性的综合体，只是将复杂的系统连接隐藏到结构板中。但即插即用卫星已经在航天器即插即用发展中迈出至关重要的一步，这不仅是技术上的进步，更是发展思路和设计理念上的变化，蕴藏着巨大的发展潜力和广阔前景。