美國即插即用衛星的發展

張鵬（中國空間技術研究院通信衛星事業部）

即插即用是美國“作戰響應空間”（ORS）計劃下提出的航天器設計研制概念，主要針對降低航天器研制成本、縮短研制周期越來越旺盛的需求。經過數年的研究，美國軍方已經取得了顯著進展，找到了實現航天器即插即用的解決方案，建立相關標準，并完成了演示驗證衛星的研制。這一系列進展向全球展示了即插即用航天器的廣闊前景與發展潛力，將對全球航天技術的發展產生變革性影響。

1 即插即用衛星的意義

長期以來，美國的空間體系的建設重點都是大型空間系統。這些系統具備先進技術能力，但往往動輒數十億美元、耗時數年才能完成，成為困擾美國軍方空間項目采辦的突出問題。與此同時，全球部署的美軍作戰部隊對空間系統能力支持需求快速增長，特別是面向特定用戶、特定應用的戰術需求快速增長，不但需要“量身定制”的空間能力、還對項目采辦周期、成本等方面提出新的要求。為此，美國提出“作戰響應空間”計劃，重點發展具備快速響應、降低成本、面向戰術特點的小衛星，成為大型空間系統的有效補充和增強。

“作戰響應空間”計劃提出構建由三個層次構成的作戰能力：第一層次是利用已發射或將發射的空間系統，通過優化應用、改進或修正，提供快速響應的空間效果，響應時間按天計算；第二層次是利用現場準備的能力，快速集成、測試、發射小型低成本空間系統，響應時間數天到數周；第三層次是快速研發新的系統來滿足聯合作戰需求，響應時間數月到1年。2015年前，“作戰響應空間”計劃的發展目標是實現第二層次的能力，提出用6天研制出1顆衛星的發展目標，這與傳統的耗時數年的研制周期相比差別巨大，必須采用新的思路和方式才可能實現。即插即用可以大大縮短航天器設計、研制和測試周期，是實現6天研制衛星的關鍵保障之一。

另一方面，美軍負責航天領域的研究部門通過分析得出，衛星研制成本的85%是人力成本，如果衛星組件能夠實現即插即用，類似個人計算機的USB設備，具有自描述和自檢測能力，將顯著降低衛星項目設計、制造、測試和運行過程中的人力資源需求，從而達到降低衛星項目成本的目的。這也是“作戰響應空間”開展即插即用研究的另一個重要原因。

2 即插即用衛星的特點

什么是即插即用衛星

在“作戰響應空間”計劃牽引支持下，過去數年時間里，美國空軍研究實驗室（AFRL）開展了即插即用衛星的研究工作。首先美國空軍研究實驗室在針對6天內完成需求響應到地面交付衛星過程，對衛星設計、研制、集成、測試全過程進行了研究和分析，對大幅縮短研制周期，降低研制成本的各方面制約因素進行了分析和研究，認為只有通過簡化接口的方式才能實現預期目標，包括機械接口、電接口和軟件接口。

美國空軍研究實驗室將即插即用衛星定義：一種采用開放式標準和接口，使用自識別部組件，具有系統自動配置功能的模塊化衛星。這種衛星具有兩個核心概念：

接口標準：提供一種開放的接口標準，指導不同的團隊開展具有統一接口標準的軟件和硬件研發。這些組件將構成“作戰響應空間”體系的組件庫，供“作戰響應空間”衛星任務設計工作選用。

模塊化：機械連接和組件功能是模塊化的兩大要素，通過快速設計工具，實現組件在帶有機械連接網格的結構板上拔插，協助設計人員滿足衛星質量、熱控、功率以及特殊約束的要求。這些采用即插即用標準的機械接口和電接口確保各組件能夠在衛星結構板上快速集成和測試。

即插即用衛星的發展歷程

2004年，美國空軍研究實驗室開展空間即插即用電子學標準研究，用開放式的標準接口替代專用的用戶接口。不同的研發團隊按照空間即插即用電子學標準，可以開發相互兼容的軟硬件設備。可以說空間即插即用電子學標準是實現即插即用衛星的基礎。

以空間即插即用電子學的相關研究成果為基礎，2006年美國空軍研究實驗室開展了就叫“即插即用衛星”（PnPSat）的演示驗證項目。該項目先后研制發展了即插即用衛星－1（PnPSat－1）和即插即用衛星－2兩顆驗證衛星。即插即用衛星－1衛星采用SPA-S（SPA-Spaceware）接口標準，主要用于驗證快速研發、集成和測試的可行性。衛星呈立方體構型，尺寸51cm×51cm×61.2cm，整星質量180kg。即插即用衛星－1曾計劃在2008年的一次快速響應發射由獵鷹－1（Falcon－1）火箭發射，但是由于即插即用衛星－1沒有在兩周的要求時間內完成準備，而被迫放棄。目前已沒有發射計劃。

即插即用衛星－2采用第二代空間即插即用電子學組件，針對“作戰響應空間”任務需求，驗證在較低成本限制下，開展平臺研制。

即插即用衛星的主要特點

即插即用衛星系統集成過程中，即插即用技術能夠實現識別接入組件并進行動態監測和配置，大大簡化衛星組件的組裝、集成和測試。

對于硬件，主要使用集成一次結構板（ISP），該結構板上集成有SPA-S數據路由器和PowerHub芯片，各種組件將集成到集成一次結構板上。多塊的模塊化集成一次結構板構成板組，形成一種“模塊”，從而實現用戶所需要的多樣化結構性快速重組能力。空間即插即用電子學定義了組件與平臺結構的機械接口標準，設計人員可以在結構板上自由選取標準化連接觸點的位置，這些觸點能夠提供電源動力或空間即插即用電子學設備端口。在集成一次結構板之間的設有數據連接線，確保將多個集成一次結構板集成為一個網絡化的板組。

集成一次結構板內外部設計

集成一次結構板連接和組件連接

在集成一次結構板上，設有多個5cm×5cm的組件連接網格，每個網格含有一個空間即插即用電子學組件電接口觸點，這種觸點在集成一次結構板的正反面都可以設置，且集成一次結構板可根據衛星尺寸進行縮放。以即插即用衛星為例，其為立方體構型，共有6個集成一次結構板，每個集成一次結構板上設置8個空間即插即用電子學標準觸點。一般情況下，小衛星組件不超過30個，這樣就為組件的使用和結構布局調整帶來了很好的靈活性。

對于軟件，衛星數據模型（SDM）負責飛行軟件的集成，原理上與集成一次結構板類似，確保各種應用能夠根據需要選擇軟件和硬件組件。衛星數據模型集成在分布式星載計算機的多個CPU節點上，具有空間即插即用電子學軟硬件的自檢測能力，與個人計算機識別和配置USB組件和外圍設備相似，主要負責管理硬件設備和上層服務。這種自檢測能力為空間系統的快速組裝或重構提供了新的方式。每個空間即插即用電子學組件都建立一個被稱為“可擴展轉換器電子數據單”（xTEDS）的可擴展標記語言的表述數據單。在這種模式下，衛星數據模型對下層硬件具備很高的屏蔽性，對于系統、子系統等上層設計人員而言，不必區分每個“可擴展轉換器電子數據單”文件來自成熟組件、在研組件還是軟件服務，只需根據這些“可擴展轉換器電子數據單”文件描述進行上層軟件設計和仿真測試，從而突破常規設計模式，大大縮短軟件設計開發時間、降低人力成本需求。

3 即插即用衛星的設計研制

在即插即用技術支撐下，衛星系統設計、組裝、集成和測試各個環節的特殊需求大大減少，項目周期縮短，系統響應能力顯著增強。

衛星系統設計

在任務設計過程中，衛星任務設計工具（MSDT）將用戶需求轉化為包含硬件組件、軌道設計和任務操作的列表清單和自主飛行軟件模塊列表清單。其中前者的列表清單作為衛星3D建造軟件工具的輸入，來確定衛星硬件組件的衛星集成一次結構板上的布置構型，確保熱控、功率、質量以及組件自身約束條件要求。這些部署好的組件與衛星任務設計工具確定的自主飛行軟件模塊將在飛行軟件閉環工具（FSWIL）中進行集成仿真，向用戶提供仿真結果和系統性能指標，協助用戶確認設計符合任務需求。盡管特定衛星任務的性能能夠通過有效載荷、動力存儲與生成、姿態控制、軟件、通信、推進等子系統模塊化來優化，但是空間即插即用電子學的接口和體系實現了組件級別的模塊化，支持幾乎全部系統的重構。

即插即用衛星（右）內部組件布局對比

采用即插即用技術開展衛星快速AIT流程

衛星平臺組裝和測試

衛星任務設計工具選取的硬件組件、自主飛行軟件模塊列表清單以及3D建造軟件生成的組裝說明，將用于衛星平臺的組裝和測試。首先進行的是集成一次結構板的連接組裝；第二步是按設計完成集成一次結構板內側組件組裝（衛星內部組件）；第三步，將集成一次結構板折起，形成衛星結構基本構型，完成集成一次結構板外側組件組裝（衛星外部組件，如太陽電池陣、太陽敏感器、天線）；第四步，將組裝好的衛星平臺接入硬件閉環仿真地面支持設備（HWIL GSE）中，進行組件功能測試（CFT）。在測試過程中，如果發現某一組件有問題，該組件將被替換。

有效載荷組裝和測試

衛星任務設計工具選取的硬件組件、自主飛行軟件模塊列表清單以及3D建造軟件生成的組裝說明，將用于有效載荷的組裝和測試。首先進行敏感器組件組裝，以對地觀測衛星相機為例，望遠鏡、控制反射鏡以及相機配套儀器，星跟蹤器和有效載荷管理單元（IMUs），將被集成到一個穩定的飛行光具座上。之后相機將接入硬件閉環仿真地面支持設備中，進行飛行前光學校準和初步信號驗證。對于“作戰響應空間”第二層次任務，其他相機和信號校準工作將在衛星入軌測試調試階段進行。

衛星系統集成和測試

總體上，即插即用技術為航天器設計研制產生了重要推動作用。盡管即插即用衛星項目并沒有完全解決衛星系統設計和研制的復雜性問題，從某種意義上即插即用衛星是一種模塊化和復雜性的綜合體，只是將復雜的系統連接隱藏到結構板中。但即插即用衛星已經在航天器即插即用發展中邁出至關重要的一步，這不僅是技術上的進步，更是發展思路和設計理念上的變化，蘊藏著巨大的發展潛力和廣闊前景。