分布式可重构空间系统及其应用

蒋　虎，胡海鹰

(1.上海微小卫星工程中心,上海 201203;2.中科院上海高等研究院,上海 201203)

分布式可重构空间系统及其应用

蒋虎1,2，胡海鹰1,2

(1.上海微小卫星工程中心,上海 201203;2.中科院上海高等研究院,上海 201203)

摘要：对当前空间系统平台进行了简要回顾,就国内、外对分布式可重构空间系统建设进行了介绍和初步分析,最后，对该系统的应用前景进行了展望。

关键词：分布式;可重构;空间系统平台

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.020

中图分类号：P228.4

文献标志码：码： A

文章编号：号： 1008-9268(2015)03-0077-03

收稿日期：2015-03-26

作者简介

Abstract:The present spaceborne systems are briefly reviewed in this paper, for example, IRIDIUM, GLOBALSTAR, HUBBLE, GNSS. Fractionated, flexible spaceborne system is one of the most promising systems to be deployed in the future. Both domestic and foreign researches on this topic are generally explored. Fractionated, flexible spaceborne system is expected to play a key role in space missions.

0引言

随着空间技术的不断发展,人们可以通过多样化的空间平台开展各自的空间活动,达到预期的目标。比如美国采用空间站方式开展对地观测;通过IRIDIUM、GLOBALSTAR等低地球轨道卫星星座,进行卫星语音通信服务及短数据通信服务;利用天基Hubble望远镜开展遥远星系观测,对宇宙起源开展探索;利用GEO卫星实现卫星通信、电视实况转播;利用GPS卫星星座开展全球卫星导航定位服务[1];利用卫星编队飞行实现一颗大卫星的功能及任务[2];利用深空探测器,开展对深空目标的探测工作等。随着空间观测载荷呈现多样化的趋势,迫切需要开发一种能够适应多载荷应用需求的空间系统平台。分布式可重构空间系统就是可以满足这种发展趋势的平台之一。目前,该技术已经引起国内、外空间系统设计部门的广泛关注,已进行关键技术攻关规划,并在不久的将来进行在轨功能验证试验。

1分布式可重构空间系统

2007年美国国防高级研究计划局(DARPA)将分布式模块概念遴选为正式研究项目,并提出了开发“F6系统”计划(Future, Fast, Flexible, Fractionated, Free-Flying Spacecraft United by Information Exchange)[3],如图1和图2 所示。这是一种典型的分布式可重构空间系统的原型。F6系统将验证这样的一种卫星系统框架的可行性及优越性:这种卫星架构由一组通过无线互联的功能模块群组成, 它们可以相互共享资源及充分利用模块群内其他资源;该模块群具有一颗传统的整星所具有的功能。这种卫星架构可以增强空间系统的适应性及生存性，同时可以缩短开发周期及降低进入美国空间安全工业领域的门槛。F6项目是以开放式接口标准开发为依据，从基于网络协议stack的无线链路物理层，包括实时资源共享中间层和模块群飞行逻辑，这样就形成了空间“全球共同体”这种相互依赖性将使得所有参与者的彼此安全态势得到了加强。项目主要目标之一是将支撑和开发未来分布式空间系统的开放式接口标准在业界颁布。

图1　F6系统模块群空间分布设想图[3]

图2　F6系统模块群网络设想图[3]

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联系人： 蒋 虎 E-mail: hh9999ca@163.com

本项目将于2014-2015年左右进行分布式可重构卫星系统的关键功能特性的在轨验证工作。技术目标及项目计划将围绕为数不多的功能在轨验证试验来进行。项目成功的衡量标准是:设计时就已经预期到的体系架构中最具风险的功能特性的演示验证任务是否圆满完成。 演示验证试验将在LEO卫星上进行为期约6个月，接着将开展为期18个月的剩余几项功能的演示验证。功能演示具体如下:

1) 半自动模块群及模块群网络的长期维持功能;向模块群及模块群网络中添加和移开功能模块能力。

2) 经由模块群网络确保多层安全域内多载荷之间或用户之间资源实时共享功能。

3) 模块群网络性能降级或系统部件失效时，通过自动重构模块群来确保系统安全及飞行任务临界状态下的基本性能。

4) 构成模块群的各模块在空间分散、重新聚集的半自动机动能力,以便躲避空间碎片之类的潜在威胁。

F6系统项目架构及技术途径的总目标是通过多个分散的系列性的努力工作来对上述所列举的功能进行在轨演示验证。在项目进程中,将开发两个关键产品。其中之一是FDK (F6 Developer’s Kit),它包括一组开放代码的接口标准、协议、性能及相应的参考实现方法,这些对于那些计划全面参与F6分布式系统新模块开发的,但目前还没有与F6执行方签定任何合作协议的团体来说是必需的。另外一个产品是F6TP(F6 Technology Package),它是下列技术过程的物理实现:无线连接、盒式切换或路由、控制协议层和资源共享的加密、用来将现有飞行器平台纳入分布式模块群的飞行软件。本质上说,F6TP是FDK的硬件实现过程。

F6系统项目将通过一系列资助奖励计划来公开征求系统开发方案。首批规划中的征求方案以接口定义、算法及软件开发为主,这将是FDK的组成部分。主要涉及以下技术领域:

1) 可适应系统设计工具:开发设计工具,用来对设计的可适应性进行合适定量化设计。

2) 模块间无线通信:开发第1层和第2层的无线通信方案,用于在轨模块飞行器之间的通信。

3) 信息框架:开发一种信息架构,用于经由天基无线链路的第3到第7层设计;并通过多条下行通路传递到地面段,支持动态路由或切换,实时资源共享和飞行任务计划制定,容错处理,多层级信息保障方案。

4) 模块群飞行: 开展第7层应用开发,用于防碰撞的多体群飞行,高效相对导航,地面站相对凝视,模块群重构(包含防御性快速机动)。

2008年,由上海微小卫星工程中心研制的神舟七号飞船伴随卫星成功地进行了伴随飞行关键技术的在轨验证[4]:比如对神舟七号飞船的光学成像技术、对轨道舱的绕飞技术、多指向的姿态控制技术、高效锂离子电池等关键技术。该试验为国内开展编队卫星飞行积累了宝贵的工程经验。对分布式可重构卫星系统技术攻关具有一定的借鉴价值。近几年中国国家民用863计划启动的“分布式可重构卫星系统技术(一期)”正是为满足目前国内用户多样化需求而设计的技术之一[5]。

该计划的目标是:瞄准我国空间科学研究以及天基遥感和环境监测等的应用需求将突破分布式可重构卫星系统核心技术进行关键技术攻关，完成系统样机并进行试验、演示,并形成技术先进、应用灵活、可支持多类重大应用需求的天基平台。

该计划涉及如下关键技术:

1) 分布式可重构卫星系统框架体系研究

主要包括:系统的模块化功能分解和模块定义;分布式可重构卫星系统方案设计和论证;功能模块航天器方案设计和论证;开展系统仿真。

2) 基于分布式可重构卫星系统技术的天基应用系统设计

主要包括:分布式可重构天基应用系统顶层设计;多载荷集成技术;综合应用方法研究;系统仿真和评估。

3) 模块群智能自适应网络技术

主要包括:模块航天器自组织网络理论、方法和实现技术;空间自适应网络框架、协议、接口规范;模块航天器自适应无线网络方案设计;微型化网络组件样机研制及其试验。

4) 模块航天器间无线能量传输技术

主要包括:模块航天器间无线能量传输机理、作用方法和实现手段研究;无线能量传输管理方法研究;研制原理样机,进行地面验证试验和评估。

5) 模块航天器集群内测量、导航和控制技术

主要包括:模块航天器集群内部相对、绝对姿态、位置、轨道测量和控制技术;系统整体状态确定方法和控制方法;星载GNSS技术;多源数据融合和智能自主控制方法;研制原理样机,并进行测试和实验。

6) 模块航天器自主编队飞行与重构技术

主要包括:自主编队飞行动力学模型与控制方法;模块航天器分散和集结控制方法;自主编队管理;导航信息的共享和传递技术;分布式检测信息交互方案;嵌入式健康诊断、告警及管理方法;系统编队飞行方案设计;完成地面验证试验。

如图3所示,国内地面验证试验的可行又经济的方案是采用悬浮气球或飞艇进行分布式可重构卫星系统功能地面验证试验。这将为我国开展分布式可重构空间系统功能在轨验证试验奠定技术基础。

图3　国内开展地面验证试验设想图

2结束语

随着地面信息技术的日益成熟,天基信息网络技术、区域导航技术可望在分布式可重构卫星系统中得到充分发挥。分布式可重构空间系统平台的成功构筑将是空间技术发展史上的重要里程碑之一。它将进一步降低执行空间飞行任务的成本、增强空间平台规避空间碎片的灵活性。为人类获取更多的空间信息资源提供又一种服务平台。

参考文献

[1]刘颖.分布式SAR运动目标检测雷达阵列误差估计方法研究[D].西安:西安电子科技大学,2007.

[2]谭述森.卫星导航定位工程[M].北京:国防工业出版社,2007.

[3]DARPA. Applications (SALTI) System F6-Future, fast, flexible, fractionated free-flying spacecraft united by information exchange[EB/OL].http://www.darpa.mil/tto/programs/index.html.

[4]陈宏宇,朱振才,周依林,等,神舟七号微小卫星伴随飞行技术试验[J].空间科学科学学报,2009,29(3):319-325.

[5]科学技术部信息中心.国家科技计划申报中心[EB/OL].http://program.most.gov.cn.

蒋虎(1969-),男,博士,研究员,现主要研究领域为全球卫星导航系统及其应用、卫星轨道分析与设计、卫星总体技术。

胡海鹰(1977-),男,博士,副研究员,现主要研究领域为飞行器总体技术。

Fractionated, Flexible, Spaceborne Systems and Their Applications

JIANG Hu1,2,HU Haiying1,2

(1.ShanghaiEngineeringCenterforMicrosatellites,Shanghai201203,China;

2.ShanghaiAdvancedResearchInstitute,Shanghai201203,China)

Key words: Fractionated system; flexible system; spaceborne platform