美國即插即用衛(wèi)星應用對小衛(wèi)星綜合電子發(fā)展的啟示

顧常青 李一 田宏存 （山東航天電子技術研究所）

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美國即插即用衛(wèi)星應用對小衛(wèi)星綜合電子發(fā)展的啟示

顧常青 李一 田宏存 （山東航天電子技術研究所）

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

當前，國內(nèi)航空綜合電子系統(tǒng)已取代聯(lián)邦電子系統(tǒng)，基本實現(xiàn)了標準化、開放式體系結構、通用化等特點。相比航空領域成熟的綜合化電子系統(tǒng)，小衛(wèi)星電子系統(tǒng)在技術路線統(tǒng)一、系統(tǒng)綜合、信息共享上還有較大差距。綜合化的電子系統(tǒng)使得電子系統(tǒng)的技術風險容易控制，系統(tǒng)配置更加靈活，信息融合共享更加方便，更有利于系統(tǒng)的智能化發(fā)展。目前，國內(nèi)小衛(wèi)星電子系統(tǒng)還處于各分系統(tǒng)獨立，比較簡潔的電子系統(tǒng)架構，有待進一步發(fā)展研究。

1　引言

隨著技術的發(fā)展，航空及宇航電子系統(tǒng)已經(jīng)逐漸告別了長研制周期、長生產(chǎn)周期的模式。經(jīng)過調(diào)研，美國已經(jīng)開展了即插即用衛(wèi)星的研制計劃。2006年，美國空軍研究實驗室（AFRL）發(fā)起了“即插即用衛(wèi)星”(PnPSat)計劃，旨在研制一個基于即插即用模塊化的快速響應衛(wèi)星平臺。即插即用衛(wèi)星可以快速建造，通過按鈕工具流根據(jù)任務需求自動生成部件清單，快速甚至自動生產(chǎn)。

美國“作戰(zhàn)響應空間”（ORS）計劃提出3個層次的作戰(zhàn)能力：一是利用已發(fā)射或即將發(fā)射的空間系統(tǒng)，通過優(yōu)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。二是利用現(xiàn)場準備的能力，快速集成、測試，發(fā)射小型低成本空間系統(tǒng)，響應時間按數(shù)天到數(shù)周計算。三是快速研發(fā)新的系統(tǒng)來滿足聯(lián)合作戰(zhàn)的需求，周期為1年。

2015年前，“作戰(zhàn)響應空間”計劃目標是第二層次的能力提升，提出6天發(fā)射衛(wèi)星的目標，這與傳統(tǒng)的研制周期數(shù)年差別巨大，必須有新的思想才能實現(xiàn)，于是產(chǎn)生了“即插即用衛(wèi)星”的概念。

美國“即插即用衛(wèi)星”由美國空軍研究實驗室研制，對其定義了接口標準化和模塊化兩個核心概念。接口標準化是指提供一個開放的接口標準，指導不同的團隊開展具有統(tǒng)一接口標準的硬件和軟件開發(fā)。這些組件構成了組件庫，以被選用。模塊化表示即插即用模塊通用化，滿足快速集成和測試。

“即插即用衛(wèi)星”的主要特點是：能夠?qū)崿F(xiàn)識別接入組件并進行動態(tài)監(jiān)視和配置，大大簡化微型組件的組裝、集成和測試。衛(wèi)星設計任務已簡化為選取硬件組件、自主飛行的軟件模塊列表清單以及3D建造軟件生成的組裝說明（用于衛(wèi)星平臺和有效載荷的組裝測試）。

國內(nèi)衛(wèi)星研制領域也在緊隨國際衛(wèi)星研制的模式，開始采用綜合電子系統(tǒng)研制方法和理念進行系統(tǒng)設計。目前，國內(nèi)通信新平臺和導航二期衛(wèi)星平臺均采用了綜合電子系統(tǒng)設計方法，試驗衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)射成功。經(jīng)過綜合電子化設計后，這2個衛(wèi)星平臺的整星平臺電子設備總裝時間由原來的1年以上縮短為0.5年。綜合模塊化電子體系架構為縮短研制、生產(chǎn)、測試周期提供有力支撐，也為系統(tǒng)性能提升提供了較好的技術基礎。

美國“即插即用衛(wèi)星”計劃

產(chǎn)品貨架化、標準化、模塊化、開放式架構、信息融合等先進特點，使得綜合電子系統(tǒng)在航空航天等領域大規(guī)模采用，這些特點也同樣適用于我國小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)。小衛(wèi)星電子系統(tǒng)的綜合化也是發(fā)展趨勢。

2　 綜合電子內(nèi)涵及特征

綜合電子源于航空的綜合模塊化航電系統(tǒng)，是電子系統(tǒng)的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，可以高效、智能地開展電子系統(tǒng)任務管理，減少人為干預。通過對系統(tǒng)功能的整合、資源的合理配置和信息綜合利用，提高電子系統(tǒng)的自主工作能力和面向任務與用戶的綜合服務能力。通過合理規(guī)劃系統(tǒng)信息流優(yōu)化體系結構，增加信息橫向交互的能力和電子系統(tǒng)并行處理的能力等來提高電子系統(tǒng)服務的能力。

綜合電子系統(tǒng)是以專業(yè)模塊智能化為基礎，以綜合化為目標。綜合化主要指統(tǒng)籌共享、優(yōu)化配置公共資源，包括能源流和信息流，提高系統(tǒng)可靠性的重要特征是應對資源緊密耦合帶來的可靠性問題，采取的措施是故障隔離和分區(qū)保護。

綜合電子特點

應用綜合電子系統(tǒng)可以達到提高產(chǎn)品性價比的目的，包括減少成本、體積、質(zhì)量以及功耗，產(chǎn)品成熟度持續(xù)提高可重用的標準化模塊，可擴展的開放式體系結構，實現(xiàn)小衛(wèi)星的智能化水平等，對小衛(wèi)星的用戶具有巨大的吸引力。

3　綜合電子設計方法

硬件綜合

硬件綜合是指標準模塊層次的綜合，符合相應規(guī)范的電氣規(guī)范、結構構型。整合分系統(tǒng)，將各種功能的電子設備，經(jīng)過系統(tǒng)級的梳理，統(tǒng)一技術路線、設計理念，形成標準化模塊，按系統(tǒng)需求綜合。在綜合電子架構理念下進行小衛(wèi)星電子系統(tǒng)的硬件梳理，綜合形成小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)架構。支撐小衛(wèi)星硬件綜合的技術有以下幾點：

1）制定標準模塊的規(guī)范。在標準模塊定型前，規(guī)范就應起到技術狀態(tài)的約束作用，主要是內(nèi)外接口電氣規(guī)范、構型、通信協(xié)議等的標準規(guī)范，在技術狀態(tài)定型后，規(guī)范就應即行公開頒布。

制定規(guī)范的單位應把標準化放在首位，從始至終應遵循編寫規(guī)范，該規(guī)范要適用不同小衛(wèi)星系統(tǒng)對綜合電子模塊的需求。小衛(wèi)星電子系統(tǒng)的批產(chǎn)性質(zhì)決定其技術狀態(tài)，一旦定型，應頒布相應的規(guī)范狀態(tài)和標準，技術狀態(tài)不應輕易修改。

2）標準化模塊定型。定型后的產(chǎn)品應稱之為“商用貨架產(chǎn)品”，目的是解決原分系統(tǒng)下設備重復定制的問題，最重要的特點是滿足不同小衛(wèi)星用戶的需求，選擇一定種類及其數(shù)量的模塊，組合后就可以適用不同小衛(wèi)星用戶的需求。可以形成批量化生產(chǎn)的模塊單元，可組批生產(chǎn)、組批調(diào)試、組批測試、組批貯存，單模塊隨整機進行環(huán)境試驗，不再獨立各種試驗，減少了費用和人員的投入。小衛(wèi)星批產(chǎn)的性質(zhì)正與上述特點相符。

標準模塊還應有一種重要的特點，即內(nèi)、外接口電氣協(xié)議完全適應規(guī)范，綜合電子模塊的技術狀態(tài)的更改，只要不涉及公共接口，不影響其他模塊的技術狀態(tài)，避免了傳統(tǒng)系統(tǒng)中動一發(fā)而牽全身的局面。標準模塊規(guī)范中公共部分的定義盡可能松耦合（耦合的前提下保證寬松性）來增加開放性、擴展性，也可以減少故障擴散，增加可靠性。

3）開放式的體系架構。隨著國家對小衛(wèi)星市場的開放，低價化是小衛(wèi)星電子系統(tǒng)追求的重要目標，競爭是低價化的方法之一。標準模塊規(guī)范公布后，為之配套的生產(chǎn)單位應嚴格按照規(guī)范的要求研制和生產(chǎn)，在開放的體系建立后，供應方均可按照標準進行供貨。在規(guī)范的指導下鼓勵多單位參與競爭，以達到降低成本，競爭的同時會帶來技術持續(xù)進步，以及成本降低的效果。綜合電子這一特點為放開小衛(wèi)星市場提供了技術保障基礎。

4）系統(tǒng)減重。綜合電子發(fā)展的初衷一個重要的目的是減重減小體積，有兩個途經(jīng)可實現(xiàn)：減少模塊數(shù)量的配置，減少單模塊的質(zhì)量和體積。要達到該目的必須應用先進的制造技術，例如，高性能芯片的應用、可靠的結構構型、微電子技術的應用。小衛(wèi)星電子系統(tǒng)對體積、質(zhì)量的敏感性更加強烈，綜合電子化更加有利于小衛(wèi)星電子系統(tǒng)的發(fā)展。

微電子技術主要是指專用集成電路（ASIC）及封裝技術的應用，如多芯片組件（MCM）、系統(tǒng)級封裝（SIP）技術。微電子技術有利于減輕質(zhì)量、減小體積，同時也有利于知識產(chǎn)權的保護。開放式的體系架構，勢必帶來競爭的局面，使用微電子技術也是保護單位的核心產(chǎn)權的重要手段之一。

5）盡可能將傳統(tǒng)電子設備模塊化。綜合電子系統(tǒng)由于統(tǒng)一了技術發(fā)展路線和技術思想，具備權威部門發(fā)布的技術規(guī)范，技術狀態(tài)控制到位等諸多優(yōu)點，應盡可能把更多的傳統(tǒng)電子設備納入綜合電子體系中，如：控推系統(tǒng)單機、測量系統(tǒng)單機等，同時還要不斷開發(fā)新的標準模塊，只有綜合電子系統(tǒng)“龐大”（龐大并不是指過分集中）起來，小衛(wèi)星系統(tǒng)的技術路線才能統(tǒng)一、可控。

硬件綜合化將為小衛(wèi)星系統(tǒng)技術路線統(tǒng)一打開局面，將原有的獨立分系統(tǒng)及單機納入一個技術體系。將功能單機進行標準化、模塊化，采用標準共享的數(shù)據(jù)通道，能源通道。硬件的綜合化有利于實現(xiàn)小衛(wèi)星電子系統(tǒng)的批生產(chǎn)、批測試、批儲存，達到即插即用、快速組裝的目標。

信息綜合

信息綜合是指設備內(nèi)或系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流的優(yōu)化、共享，符合規(guī)范中數(shù)據(jù)通信協(xié)議等。支撐信息綜合的技術有以下幾點：

1）自頂向下的信息流規(guī)劃及設計，清晰地定義了綜合電子系統(tǒng)中信息流的規(guī)范、標準、協(xié)議，標準的信息流更利于系統(tǒng)集成。目前，小衛(wèi)星綜合電子信息處理設備最多兩級：接口單元和高性能計算機，而且可根據(jù)小衛(wèi)星的需求合并高性能計算機。綜合電子系統(tǒng)明確了接口單元的信息處理任務，總線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)負荷，高性能計算機信息管理功能。

2）打破了傳統(tǒng)分系統(tǒng)的概念，消除了信息獨享、資源浪費弊病。例如，衛(wèi)星上熱控分系統(tǒng)與數(shù)管分系統(tǒng)在相同的測溫點，仍需各自重復設置溫度傳感器，各自為政；而綜合電子系統(tǒng)，使用了一個傳感器能夠為熱控、數(shù)管、供配電等任務提供信息。統(tǒng)籌規(guī)劃綜合電子系統(tǒng)對傳感器、執(zhí)行器、受動器的信息管理，目的是信息融合、統(tǒng)一，避免硬件資源分散、重復開發(fā)，同時對小衛(wèi)星系統(tǒng)減重有利。

3）減少了原分系統(tǒng)計算機配置數(shù)量，改變了分系統(tǒng)計算機級層太多、信息傳遞需逐級分發(fā)處理，處理效率低的缺點。綜合電子統(tǒng)一由一個高性能計算機完成接口單元綜合后的信息處理任務，直接對小衛(wèi)星的資源和任務進行管理。這也對小衛(wèi)星減輕質(zhì)量、降低功耗有好處，同時提高了信息處理的效率，使小衛(wèi)星系統(tǒng)更敏捷，自主管理能力提高。

4）綜合電子接口單元各標準模塊智能化，信息本地化，模塊間信息共享。各個模塊完成本模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理。例如：測控功能可以大幅度地減少傳統(tǒng)分系統(tǒng)中直接遙測、直接遙控的數(shù)量，簡化測控電纜網(wǎng)。模塊智能化并不是增加計算機數(shù)量，而是根據(jù)需求研制適用的微型化、低功耗芯片，完成功能模塊的基本信息管理。

進行信息化融合的小衛(wèi)星電子系統(tǒng)將更有利于其本身智能化的發(fā)展，實現(xiàn)小衛(wèi)星的自主運行、自主任務規(guī)劃和自主健康監(jiān)測及管理。

4　綜合電子應用優(yōu)勢

技術體系清晰

采用綜合電子架構的系統(tǒng)技術體系更加清晰，統(tǒng)一的技術路線，整合了系統(tǒng)的信息資源、硬件資源。資源經(jīng)過整合優(yōu)化后，有利于實現(xiàn)標準模塊化、產(chǎn)品貨架化，也有利于系統(tǒng)的組合、組裝、測試。經(jīng)過統(tǒng)籌優(yōu)化的資源模塊化后，更有利于技術的升級換代，信息的綜合共享為系統(tǒng)的智能化提升提供了有力基礎，綜合電子技術體系的應用也將為小衛(wèi)星電子系統(tǒng)帶來系統(tǒng)的優(yōu)化，技術體系統(tǒng)一，軟硬件信息融合，智能化的提升。

綜合電子系統(tǒng)技術優(yōu)勢

經(jīng)濟效益明顯

（1）研發(fā)生產(chǎn)成本降低

采用模塊化綜合電子理念設計后，技術體系的可升級、可擴展、產(chǎn)品化等特點，使得整星的研發(fā)費用大大降低，使用原來研發(fā)模式每研制一顆星，即使功能相近也要進行一次研發(fā)流程。采用綜合電子化的研發(fā)模式將技術體系統(tǒng)一后，技術狀態(tài)相對固化，可以減少重復的單機及整星的鑒定階段研制流程。后續(xù)平臺升級只需更新相關功能模塊進行升級，因此衛(wèi)星研發(fā)成本降低。模塊化后電子架構很容易做到產(chǎn)品化，從模塊到整星都可以進行批產(chǎn)，可帶來原材料、器件、組件的批量采購，批量投產(chǎn)，生產(chǎn)成本降低。

（2）系統(tǒng)架構優(yōu)化帶來了效益

采用綜合電子系統(tǒng)架構后，資源的優(yōu)化、技術割據(jù)的化解、產(chǎn)品標準化和貨架化等大大提高了經(jīng)濟效益。以東方紅－3B平臺為例，綜合電子接口單元共集成了東方紅－4平臺13臺設備，且I/O接口擴容1倍左右，質(zhì)量減少約40kg，發(fā)射費按1萬美元/千克計算，節(jié)省發(fā)射費用約260萬人民幣，東方紅－4平臺可裝載45臺轉(zhuǎn)發(fā)器，東方紅－3B平臺裝載120臺轉(zhuǎn)發(fā)器，每臺轉(zhuǎn)發(fā)器平臺投資成本，東方紅－3B平臺比東方紅－4平臺低181萬元，總價節(jié)省4525萬元人民幣。

技術進步帶來的效益

以手機為例，智能手機功能多，性能強大，但其價格已趨于原來的基本功能機，一些智能機價格已經(jīng)低于1000元，其性能、功能是原來功能機的數(shù)倍。小衛(wèi)星采用綜合電子架構設計后，也將有效提升衛(wèi)星電子系統(tǒng)性能、減小體積，大大提升經(jīng)濟效益，其高性能必將帶來其他功能性的開發(fā)，附加效益得到提高。另外，快速研發(fā)、快速組裝生產(chǎn)、快速測試以及即插即用的技術也從側面反映出經(jīng)濟效益的提升。

快速響應特性突出

如前文所述，即插即用衛(wèi)星就是最典型的案例，美國為保障未來戰(zhàn)爭及“作戰(zhàn)響應空間”計劃，通過快速部署“即插即用衛(wèi)星”，增強快速響應達到快速控制空間能力，體現(xiàn)響應快速的重要性。綜合電子系統(tǒng)優(yōu)化后的模塊化、標準化和貨架化能夠明顯縮短研發(fā)周期，具有整星生產(chǎn)組裝測試快捷，發(fā)射響應迅速等特點，這些特點是小衛(wèi)星競爭力的重要體現(xiàn)，也是各用戶方的強烈需求。

5　結束語

綜合電子系統(tǒng)可以有效地整合電子系統(tǒng)，有利于提升系統(tǒng)的性能，更利于系統(tǒng)功能的升級換代。在綜合電子概念下，電子系統(tǒng)可以帶動整個系統(tǒng)的設計優(yōu)化，性能提升，可靠性提高，成本降低，集成度提高。在綜合電子系統(tǒng)框架下，飛行器將從生產(chǎn)到應用，具有快速響應、高性能、高可靠性等特點。快速性、批產(chǎn)性以及技術的升級等要求，使得小衛(wèi)星產(chǎn)品采用綜合電子系統(tǒng)化架構研制生產(chǎn)具有更加獨特的優(yōu)勢。因此，在我國小衛(wèi)星電子系統(tǒng)大范圍采用綜合電子體系架構設計是未來發(fā)展的大趨勢。

王曉宇/本文編輯