美国即插即用卫星应用对小卫星综合电子发展的启示

顾常青 李一 田宏存 （山东航天电子技术研究所）



美国即插即用卫星应用对小卫星综合电子发展的启示

顾常青 李一 田宏存 （山东航天电子技术研究所）

Enlightenment of U.S. Plug and Play Satellite Application on Small Satellite Integrated Electronics

当前，国内航空综合电子系统已取代联邦电子系统，基本实现了标准化、开放式体系结构、通用化等特点。相比航空领域成熟的综合化电子系统，小卫星电子系统在技术路线统一、系统综合、信息共享上还有较大差距。综合化的电子系统使得电子系统的技术风险容易控制，系统配置更加灵活，信息融合共享更加方便，更有利于系统的智能化发展。目前，国内小卫星电子系统还处于各分系统独立，比较简洁的电子系统架构，有待进一步发展研究。

1　引言

随着技术的发展，航空及宇航电子系统已经逐渐告别了长研制周期、长生产周期的模式。经过调研，美国已经开展了即插即用卫星的研制计划。2006年，美国空军研究实验室（AFRL）发起了“即插即用卫星”(PnPSat)计划，旨在研制一个基于即插即用模块化的快速响应卫星平台。即插即用卫星可以快速建造，通过按钮工具流根据任务需求自动生成部件清单，快速甚至自动生产。

美国“作战响应空间”（ORS）计划提出3个层次的作战能力：一是利用已发射或即将发射的空间系统，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。二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，响应时间按数天到数周计算。三是快速研发新的系统来满足联合作战的需求，周期为1年。

2015年前，“作战响应空间”计划目标是第二层次的能力提升，提出6天发射卫星的目标，这与传统的研制周期数年差别巨大，必须有新的思想才能实现，于是产生了“即插即用卫星”的概念。

美国“即插即用卫星”由美国空军研究实验室研制，对其定义了接口标准化和模块化两个核心概念。接口标准化是指提供一个开放的接口标准，指导不同的团队开展具有统一接口标准的硬件和软件开发。这些组件构成了组件库，以被选用。模块化表示即插即用模块通用化，满足快速集成和测试。

“即插即用卫星”的主要特点是：能够实现识别接入组件并进行动态监视和配置，大大简化微型组件的组装、集成和测试。卫星设计任务已简化为选取硬件组件、自主飞行的软件模块列表清单以及3D建造软件生成的组装说明（用于卫星平台和有效载荷的组装测试）。

国内卫星研制领域也在紧随国际卫星研制的模式，开始采用综合电子系统研制方法和理念进行系统设计。目前，国内通信新平台和导航二期卫星平台均采用了综合电子系统设计方法，试验卫星已经发射成功。经过综合电子化设计后，这2个卫星平台的整星平台电子设备总装时间由原来的1年以上缩短为0.5年。综合模块化电子体系架构为缩短研制、生产、测试周期提供有力支撑，也为系统性能提升提供了较好的技术基础。

美国“即插即用卫星”计划

产品货架化、标准化、模块化、开放式架构、信息融合等先进特点，使得综合电子系统在航空航天等领域大规模采用，这些特点也同样适用于我国小卫星综合电子系统。小卫星电子系统的综合化也是发展趋势。

2　 综合电子内涵及特征

综合电子源于航空的综合模块化航电系统，是电子系统的大脑和神经系统，可以高效、智能地开展电子系统任务管理，减少人为干预。通过对系统功能的整合、资源的合理配置和信息综合利用，提高电子系统的自主工作能力和面向任务与用户的综合服务能力。通过合理规划系统信息流优化体系结构，增加信息横向交互的能力和电子系统并行处理的能力等来提高电子系统服务的能力。

综合电子系统是以专业模块智能化为基础，以综合化为目标。综合化主要指统筹共享、优化配置公共资源，包括能源流和信息流，提高系统可靠性的重要特征是应对资源紧密耦合带来的可靠性问题，采取的措施是故障隔离和分区保护。

综合电子特点

应用综合电子系统可以达到提高产品性价比的目的，包括减少成本、体积、质量以及功耗，产品成熟度持续提高可重用的标准化模块，可扩展的开放式体系结构，实现小卫星的智能化水平等，对小卫星的用户具有巨大的吸引力。

3　综合电子设计方法

硬件综合

硬件综合是指标准模块层次的综合，符合相应规范的电气规范、结构构型。整合分系统，将各种功能的电子设备，经过系统级的梳理，统一技术路线、设计理念，形成标准化模块，按系统需求综合。在综合电子架构理念下进行小卫星电子系统的硬件梳理，综合形成小卫星综合电子系统架构。支撑小卫星硬件综合的技术有以下几点：

1）制定标准模块的规范。在标准模块定型前，规范就应起到技术状态的约束作用，主要是内外接口电气规范、构型、通信协议等的标准规范，在技术状态定型后，规范就应即行公开颁布。

制定规范的单位应把标准化放在首位，从始至终应遵循编写规范，该规范要适用不同小卫星系统对综合电子模块的需求。小卫星电子系统的批产性质决定其技术状态，一旦定型，应颁布相应的规范状态和标准，技术状态不应轻易修改。

2）标准化模块定型。定型后的产品应称之为“商用货架产品”，目的是解决原分系统下设备重复定制的问题，最重要的特点是满足不同小卫星用户的需求，选择一定种类及其数量的模块，组合后就可以适用不同小卫星用户的需求。可以形成批量化生产的模块单元，可组批生产、组批调试、组批测试、组批贮存，单模块随整机进行环境试验，不再独立各种试验，减少了费用和人员的投入。小卫星批产的性质正与上述特点相符。

标准模块还应有一种重要的特点，即内、外接口电气协议完全适应规范，综合电子模块的技术状态的更改，只要不涉及公共接口，不影响其他模块的技术状态，避免了传统系统中动一发而牵全身的局面。标准模块规范中公共部分的定义尽可能松耦合（耦合的前提下保证宽松性）来增加开放性、扩展性，也可以减少故障扩散，增加可靠性。

3）开放式的体系架构。随着国家对小卫星市场的开放，低价化是小卫星电子系统追求的重要目标，竞争是低价化的方法之一。标准模块规范公布后，为之配套的生产单位应严格按照规范的要求研制和生产，在开放的体系建立后，供应方均可按照标准进行供货。在规范的指导下鼓励多单位参与竞争，以达到降低成本，竞争的同时会带来技术持续进步，以及成本降低的效果。综合电子这一特点为放开小卫星市场提供了技术保障基础。

4）系统减重。综合电子发展的初衷一个重要的目的是减重减小体积，有两个途经可实现：减少模块数量的配置，减少单模块的质量和体积。要达到该目的必须应用先进的制造技术，例如，高性能芯片的应用、可靠的结构构型、微电子技术的应用。小卫星电子系统对体积、质量的敏感性更加强烈，综合电子化更加有利于小卫星电子系统的发展。

微电子技术主要是指专用集成电路（ASIC）及封装技术的应用，如多芯片组件（MCM）、系统级封装（SIP）技术。微电子技术有利于减轻质量、减小体积，同时也有利于知识产权的保护。开放式的体系架构，势必带来竞争的局面，使用微电子技术也是保护单位的核心产权的重要手段之一。

5）尽可能将传统电子设备模块化。综合电子系统由于统一了技术发展路线和技术思想，具备权威部门发布的技术规范，技术状态控制到位等诸多优点，应尽可能把更多的传统电子设备纳入综合电子体系中，如：控推系统单机、测量系统单机等，同时还要不断开发新的标准模块，只有综合电子系统“庞大”（庞大并不是指过分集中）起来，小卫星系统的技术路线才能统一、可控。

硬件综合化将为小卫星系统技术路线统一打开局面，将原有的独立分系统及单机纳入一个技术体系。将功能单机进行标准化、模块化，采用标准共享的数据通道，能源通道。硬件的综合化有利于实现小卫星电子系统的批生产、批测试、批储存，达到即插即用、快速组装的目标。

信息综合

信息综合是指设备内或系统中数据流的优化、共享，符合规范中数据通信协议等。支撑信息综合的技术有以下几点：

1）自顶向下的信息流规划及设计，清晰地定义了综合电子系统中信息流的规范、标准、协议，标准的信息流更利于系统集成。目前，小卫星综合电子信息处理设备最多两级：接口单元和高性能计算机，而且可根据小卫星的需求合并高性能计算机。综合电子系统明确了接口单元的信息处理任务，总线网络的数据负荷，高性能计算机信息管理功能。

2）打破了传统分系统的概念，消除了信息独享、资源浪费弊病。例如，卫星上热控分系统与数管分系统在相同的测温点，仍需各自重复设置温度传感器，各自为政；而综合电子系统，使用了一个传感器能够为热控、数管、供配电等任务提供信息。统筹规划综合电子系统对传感器、执行器、受动器的信息管理，目的是信息融合、统一，避免硬件资源分散、重复开发，同时对小卫星系统减重有利。

3）减少了原分系统计算机配置数量，改变了分系统计算机级层太多、信息传递需逐级分发处理，处理效率低的缺点。综合电子统一由一个高性能计算机完成接口单元综合后的信息处理任务，直接对小卫星的资源和任务进行管理。这也对小卫星减轻质量、降低功耗有好处，同时提高了信息处理的效率，使小卫星系统更敏捷，自主管理能力提高。

4）综合电子接口单元各标准模块智能化，信息本地化，模块间信息共享。各个模块完成本模块内部的数据处理。例如：测控功能可以大幅度地减少传统分系统中直接遥测、直接遥控的数量，简化测控电缆网。模块智能化并不是增加计算机数量，而是根据需求研制适用的微型化、低功耗芯片，完成功能模块的基本信息管理。

进行信息化融合的小卫星电子系统将更有利于其本身智能化的发展，实现小卫星的自主运行、自主任务规划和自主健康监测及管理。

4　综合电子应用优势

技术体系清晰

采用综合电子架构的系统技术体系更加清晰，统一的技术路线，整合了系统的信息资源、硬件资源。资源经过整合优化后，有利于实现标准模块化、产品货架化，也有利于系统的组合、组装、测试。经过统筹优化的资源模块化后，更有利于技术的升级换代，信息的综合共享为系统的智能化提升提供了有力基础，综合电子技术体系的应用也将为小卫星电子系统带来系统的优化，技术体系统一，软硬件信息融合，智能化的提升。

综合电子系统技术优势

经济效益明显

（1）研发生产成本降低

采用模块化综合电子理念设计后，技术体系的可升级、可扩展、产品化等特点，使得整星的研发费用大大降低，使用原来研发模式每研制一颗星，即使功能相近也要进行一次研发流程。采用综合电子化的研发模式将技术体系统一后，技术状态相对固化，可以减少重复的单机及整星的鉴定阶段研制流程。后续平台升级只需更新相关功能模块进行升级，因此卫星研发成本降低。模块化后电子架构很容易做到产品化，从模块到整星都可以进行批产，可带来原材料、器件、组件的批量采购，批量投产，生产成本降低。

（2）系统架构优化带来了效益

采用综合电子系统架构后，资源的优化、技术割据的化解、产品标准化和货架化等大大提高了经济效益。以东方红－3B平台为例，综合电子接口单元共集成了东方红－4平台13台设备，且I/O接口扩容1倍左右，质量减少约40kg，发射费按1万美元/千克计算，节省发射费用约260万人民币，东方红－4平台可装载45台转发器，东方红－3B平台装载120台转发器，每台转发器平台投资成本，东方红－3B平台比东方红－4平台低181万元，总价节省4525万元人民币。

技术进步带来的效益

以手机为例，智能手机功能多，性能强大，但其价格已趋于原来的基本功能机，一些智能机价格已经低于1000元，其性能、功能是原来功能机的数倍。小卫星采用综合电子架构设计后，也将有效提升卫星电子系统性能、减小体积，大大提升经济效益，其高性能必将带来其他功能性的开发，附加效益得到提高。另外，快速研发、快速组装生产、快速测试以及即插即用的技术也从侧面反映出经济效益的提升。

快速响应特性突出

如前文所述，即插即用卫星就是最典型的案例，美国为保障未来战争及“作战响应空间”计划，通过快速部署“即插即用卫星”，增强快速响应达到快速控制空间能力，体现响应快速的重要性。综合电子系统优化后的模块化、标准化和货架化能够明显缩短研发周期，具有整星生产组装测试快捷，发射响应迅速等特点，这些特点是小卫星竞争力的重要体现，也是各用户方的强烈需求。

5　结束语

综合电子系统可以有效地整合电子系统，有利于提升系统的性能，更利于系统功能的升级换代。在综合电子概念下，电子系统可以带动整个系统的设计优化，性能提升，可靠性提高，成本降低，集成度提高。在综合电子系统框架下，飞行器将从生产到应用，具有快速响应、高性能、高可靠性等特点。快速性、批产性以及技术的升级等要求，使得小卫星产品采用综合电子系统化架构研制生产具有更加独特的优势。因此，在我国小卫星电子系统大范围采用综合电子体系架构设计是未来发展的大趋势。

王晓宇/本文编辑