细胞卫星与原位重构*

唐丹旭，岳继光，董延超

(同济大学电子与信息工程学院，上海201804)

细胞卫星与原位重构*

唐丹旭，岳继光，董延超

(同济大学电子与信息工程学院，上海201804)

综述日本、美国和德国等国家提出的细胞卫星概念与研究现状，归纳了细胞卫星的实现技术，建议对细胞卫星共性技术、原位重构技术以及活细胞卫星开展预先研究.

细胞卫星;原位重构;共性技术

0 引言

失效卫星部件会产生“太空垃圾”.如何利用废旧卫星部件或更替某些部件组合成新卫星，是太空领域科学家关注的重要问题.随着皮、纳卫星的成功研发，人们希望有一种新型的“基本单元体”卫星既能规避和处理“太空垃圾”，又能灵活地组合与分离.由于卫星系统的结构尺寸受限于运载火箭发射成本和有效载荷运输能力，导致其结构设计存在着不足［1］:①针对用户需求定向设计，其功能单一，难以批量生产，成本较高;②受到火箭运载能力以及整流罩的形状限制，结构和尺寸都受限;③卫星各子系统如通信系统、热控系统、姿控系统、推进系统等高度集成，这些复杂系统的制造和在地面整体装配后再发射的过程，增加了卫星研制的成本和周期.为此，学者们提出“模块化卫星”和能够在太空“原位”做“拼接”或“分离”的“细胞卫星”的概念.

“模块化卫星”(见图1)是将卫星各功能部件封装为“可拆卸的功能模块”，通过将各模块安装于板箱式卫星体的通用接口上，实现完整的卫星功能［2］.如果在体积约束下按照质量对卫星分类(见表1)，则各类卫星均可“模块化”.因此，以“模块化卫星”的名称作为一个“独立的卫星类别”与表1的分类不太相配.

图1 模块卫星Fig.1 Modular satellite

借用生物学中的“细胞概念”描述能够在太空“原位”做“拼接”或“分离”的“细胞卫星”则更为恰当.细胞卫星是将具有一定功能的卫星体，独立成细胞卫星单体.细胞卫星单体相互之间可以连接聚合形成功能更强大的细胞群［3］(如图2)，以实现更加复杂的功能.

表1 按质量分类的卫星Tab.1 Satellite sorted by mass

图2 细胞卫星Fig.2 Concept of Satlets

特殊的细胞卫星单体可以依附于废旧卫星上，通过重新利用其有用部件以实现自身功能的完善;达到设计使用寿命的卫星单体能够脱离细胞卫星在太空中自行分解［4］.本文以国外细胞卫星研究为基础，分析了细胞卫星的原位重构技术，给出了细胞卫星的设计思路，对我国开展细胞卫星研究工作提出了建议.

1 细胞卫星的研究现状

20世纪70年代，NASA戈达德空间飞行中心(goddard space flight center，GSFC)提出了模块化航天器(multimission modular spacecraft，MMS)设计概念［5］.通过把航天器各子系统分解成若干个独立的功能模块，每个模块配有标准的机械接口、电气接口、热控接口以及数据接口，直接连接各模块便可实现航天器的整体功能，从而可以满足多种任务需求.基于MMS理念，科学家提出“细胞卫星”概念，其思想及结构体系见图3［6］.

细胞卫星可以实现一种新的低成本卫星架构，即通过把卫星各子系统如通信系统、热控系统、姿控系统、推进系统等分解成若干个独立的卫星单体，每个卫星单体物理独立、功能独立，采用即插即用的标准机械、电、热及数据接口对各卫星单体进行连接，组成一个具有完整任务功能的卫星，并且可以根据不同的任务来改变拼接方式以及增加卫星单体数量，使卫星功能可以“近似无限”扩展.

图3 细胞卫星概念及其结构示意图Fig.3 Structure of Satlets

进入21世纪后，发达国家对细胞卫星以及在轨服务的研究取得了一定的进展.2003年，在日本新能源产业的技术综合开发机构(the new energy and industrial technology development organization，NEDO)资助下由日本东京大学、大阪大学、OTOWA电子公司和东大阪宇宙开发协同组合(space oriented higashiosaka leading association，SOHLA)公司等联合开展了为期5年的板块延展卫星(panel extension satellite，PETSAT)计划.PETSAT计划设计了一种边长350 mm，厚度50 mm的卫星面板(见图4)，采用可靠的连接机构铰链和锁销进行连接，可以根据不同的任务选择合适的面板数量以及连接方式.这种结构具有以下优点［7］:①能适用于多种任务需要，可批量生产降低成本并提高可靠性.②可以根据具体任务匹配合适数量的面板，打包装载在运载火箭内，进入轨道后展开，通过面板上的连接机构形成卫星整体，实现卫星功能.只要保证每个面板可靠性即可免去整体卫星系统的地面测试，缩短研发周期并降低研发成本.

图4 日本PETSAT单体Fig.4 Single block of PETSAT

目前，SOHLA公司正在为PETSAT计划研发代号为SOHLA-2的在轨演示卫星(见图5)，它包含5个板块:总线功能板块(BUS-P)，通讯板块(COMMP)，姿态控制板块(ACS-P)，推进板块(PROP-P)和任务板块(MISN-P)，将对卫星板块的太空拼接进行实验［8］.

图5SOHLA-2示意图Fig.5 Concept of SOHLA-2

美国于 2012年启动了针对地球同步轨道(GEO)卫星重复利用验证的“凤凰”(Pheonix)计划，其主要目的是通过发射一种细胞卫星单体，重新利用废旧卫星上的有价值部件(如大孔径天线)来组建新的卫星，从而有效降低新型空间设备的开发成本和风险.Pheonix计划包含多项关键技术［6，9］:①有效载荷在轨交付系统(payload orbital delivery system，PODS)能够将细胞卫星单体搭载于商业卫星一并发射，进入GEO轨道之后自动释放，可以有效降低发射成本.②服务航天器(servicer/tender)以七自由度机械臂为基础，能切割废旧卫星上的大孔径天线进行重新构造，组装出一个新的通信卫星，并带着新卫星进行轨道转移，作为新卫星的中继通信站和无线能量传输站.③细胞卫星单体(Satlets)，功能各异但均采用标准化接口，能够适应PODS和服务航天器的相关标准接口.

目前，极光飞行科学公司(NovaWurks)已成功研制出Pheonix计划的原型机，即高集成细胞卫星单体(hyper-integrated satlet，HISat)，并将在细胞化集成技术实验(experimental cellular integration technology，eXCITe)中搭载辐射测试装置在近地轨道进行快速响应辐射测量实验(the rapid response radiation survey，R3S)，用以验证HISat在细胞结构下的高集成性功能［10-11］.如图6所示，R3S测试装置通过用户自定义适配器(user defined adapter，UDA)与HISat连接，UDA是连接于HISat的接口适配器，可以为实验设备提供一个标准的接口，HISat和实验设备之间建立机械连接、电气连接和数据连接等，能够有效地降低实验设备开发成本.第一个细胞卫星初始化验证实验(Satlet initial-mission proofs and lessons，SIMPL)已于2015年9月成功进行，实验平台搭载6 个HISat和2个太阳能电池阵与空间站完成交接，拟在太空进行细胞卫星据合，形成完整全新的航天器.

图6 R3S通过UDA与HISat连接Fig.6 HISat using UDA to attach R3S device

德国柏林工业大学(TU Berlin)、卡尔斯鲁厄信息技术研究中心(FZI Karlsruhe)以及亚琛工业大学(RWTH Aache)的研究人员在德国宇航中心(DLR)的资助下，联合开展了在轨卫星智能单体(iBOSS)项目［12］，开发了一种具有细胞特点的智能卫星单体(见图7).这种卫星单体配有相关的子系统，通过标准化接口，可以在轨道上进行智能重组，形成卫星体.卫星通过计算机迭代计算重组方式完成正确“在轨原位拼接过程”(见图8).

图7 单体卫星模块Fig.7 Single block of Satlet

这个新的设计在原位重构和原位修复上体现了更多的优势:①在轨维修从而延长寿命;②通过标准化设计减少生产成本;③通过标准化接口达到整个卫星的高重组能力.

目前，国外在细胞卫星的基础性研究方面取得了初步成果，特别是在即插即用接口的设计理念上形成了“组装”模式，如美国空军研究实验室提出的空间即插即用电子(space plug and play avionics，SPA)标准［13］，这些研究为细胞卫星的在轨更新重构奠定了基础.

图8 自重组示意图Fig.8 Self-recombination of Satlets

2 细胞卫星的研发意义

(1)经济效益

根据MDA公司估算，2012～2020年可能有106 颗GEO通信卫星因燃料提前耗尽失效，30颗因其他原因不能正常工作，替换这些卫星的成本更是高达300～360亿美元［14］.若能通过细胞卫星技术重新利用卫星的大型天线等零部件，并集成新的卫星，将能极大地降低发射新卫星带来的费用.另一方面，传统卫星的设计对零部件的可靠性要求极高，其总线能适配的部件很少且需要专门设计，这就导致能够符合卫星设计标准的制造商很少.如果采用细胞化技术，由于细胞卫星整体具有较强的冗余度，对于每个细胞卫星单体的可靠性要求相比传统卫星要低很多，从而有更多的制造商甚至非太空硬件行业的制造商能够参与细胞卫星单体的生产，实现批量化，降低成本.客户只需选定几种特定的单体，通过单体之间的聚合便可形成任务所需的卫星.分析历史数据并对未来趋势做出预测评估，细胞化技术使卫星生产成本相对传统卫星降低1～2个数量级(见表2)［15］.

(2)满足实时任务需求

传统卫星由于是根据任务定制化设计的，面对突发情况，无法在太空更换设备和部件.而细胞卫星可以在太空中根据任务需求重新组合改变形态，从而改变或增强其功能，以适应临时任务.因此细胞卫星相比传统卫星具有更强的实时任务处理能力.

(3)推进航天技术发展

细胞卫星可以让地面上更新的设备和技术直接应用到太空中现有的航天器上.采用细胞化与标准化设计，可以将新的航天器封装为细胞卫星单体添加到已存在的细胞卫星上做原位重构;从而推进空间处理技术的研发.航天器研发重点将从“地面模拟技术”提升到“太空原位重构技术”.

表2 传统卫星与细胞卫星的比较Tab.2 Comparison of typical satellite at various size，with traditional above and satelized below

3 细胞卫星的实现技术

按照目前人们对细胞卫星的认识水平，细胞卫星的关键技术可归纳为硬件技术和软件技术两方面.其中硬件技术包括:

(1)外壳结构的简易性和稳定性

针对太空的极端环境，细胞卫星的外壳需具有恒温防辐射的结构，隔离内部器件保证其正常工作.且外壳应采用简易的对称结构，如立方体结构，为卫星的重组和扩展提供更大的灵活性.

(2)标准化接口

每个卫星单体都有通用的标准化接口，主要完成4项任务:机械连接、电气连接、数据连接和热控连接.PETSAT计划中的细胞卫星是以板块延展的方式在轨重建卫星体，其连接装置是柔性的销锁结构，按照一定的次序展开，可以重构成多种形状［7］.德国的iBOSS项目中设计了一种接口［12］(见图9)，机械接口由静态导向元件、耦合装置、驱动部分组成，是一种公母一体化的机械接口.在机械接口附近安装对称的受载弹簧触片用于电气连接，而对接中心为一柔性焦距透镜组，内部连接光纤数据总线，允许高达几个Gbit/s的双向通讯，在完成机械连接的同时完成电气连接和数据连接.

(3)并网供电

细胞卫星的整体供电有两种方案可供选择: 1)在每个细胞卫星单体上都集成太阳能电池板，各自能够生产电能，在脱离整个细胞卫星时仍然能够独立工作;2)在特定卫星单体上集成大量太阳能板，由这些单体向整个细胞卫星供电.而由于聚合后的细胞卫星单体之间可能存在相互遮挡情况，第一种方案不具有普遍适用性，PETSAT计划中的细胞卫星由于单体呈扁平化，在轨展开后单体之间没有重叠所以采用的是第一种供电方案.而iBOSS的细胞卫星单体为立方体结构，重构之后是呈堆叠状，采用的是第二种方案.

图9 中心对接装置Fig.9 Components of central docking device

(4)在轨重构方法

细胞卫星在轨重构应按照:建模、推断约束、优化求解的步骤来进行.在iBOSS计划中，首先根据任务需求利用贪婪算法确定所需的细胞卫星单体种类和数量进行建模，再根据初选出来的模型推断出相关约束条件如功耗等，形成一个细胞卫星的本体，然后由推理机引导出本体重构规则，如单体方向、单体之间的相对位置等，最后采用进化算法来处理这些规则，计算出可行的拼接方式，选出最优变形策略.

(5)重组后的协同性

细胞卫星单体重构后将组合为一个大型卫星系统，每个单体都有一个微处理器，用于处理单体内部的信息流，而整个系统则构成一个多核处理器.要管理如此庞大数量的CPU，其结构需要精心设计才能实现系统的兼容性、容错性以及网格计算等功能.

(6)具备处理异常的能力和介入能力

若在变形过程中发生单体间碰撞或因为对接口无法稳定连接等情况，系统应能及时做出应对措施，诸如更换对接面、改变目标形态等.对于某些特殊情况，如最高级指令的下达，由于系统本身的不完备，仅靠细胞卫星单体的自主控制难以达到最佳效果，因此要求组合后的系统具备介入能力，保证多细胞卫星系统安全可靠地工作.

(7)地面支持技术

地面仿真和环境模拟是解决细胞卫星可能遇到的阻碍物和故障最有利的办法.建立细胞卫星模型和模拟环境是关键.地面支持装备与技术的研发有助于细胞卫星结构设计、参数优化、自主组合与分离试验以及原位重构控制策略调试.

4 关于中国细胞卫星的研发建议

(1)细胞卫星共性技术研究

1)基于细胞卫星系统设计.与传统定制型卫星设计不同，要开展细胞卫星的协同功能、能量供给、聚合与分离机制及其设计方法的研究.

2)细胞卫星的一致性和标准化问题.采用细胞架构实现空间安装与重组，首先要解决每个卫星单体的标准化及一致性问题，诸如:模块化电源标准、对接机构与电气接口、通信协议以及控制系统等环节的标准化及一致性，为细胞卫星空间原位重构奠定基础.

3)细胞卫星的聚合与分离机制.细胞卫星不是简单堆叠在一起，而是有逻辑有次序地、根据任务的性质，采取不同的控制方案，研究重构算法，科学地选用细胞卫星并高可靠的有序拼接与解散，实现空间原位组装与分离.

(2)细胞卫星原位重构技术研究

1)研究细胞卫星自组织方式的原位重构技术.解决可靠通信、主动组合、优化任务、协同工作(如按需分配能量)以及重构策略寻优算法等问题，实现细胞卫星原位重构的自主模式.

2)研究对接装置精准定位技术.细胞卫星重构是以单体间相对位姿的精确测量为基础，研究星间测量技术并辅以视觉识别技术，能够实现对接过程快速高效进行.

3)研究具有标准接口的机械臂辅助重构.仅靠细胞卫星单体间通过接口旋转展开等完成重构动作可能会存在局限性，如果辅以机械臂可以完成更大难度的变形.机械臂可通过固定端和自由端的转换实现在细胞卫星表面移动(见图10)，将机械臂固定端由A变换到B位置.

(3)“活细胞”卫星预研

细胞是一切生命机体(包括动植物及微生物)的基本结构单位.本文所阐述的细胞卫星主要采用了“基本结构单位”的概念，注重于细胞的结构特点.而真正的“活细胞”的共同特点是:能进行物质代谢、能量转移和贮存、能自身进行分子合成且能有效调控自己生命活动的最小结构单元.借助于仿生学概念，研究“活细胞”卫星则更具创新意义.“活细胞”卫星单体将具有生物学细胞的繁殖、吞噬以及凋零特点.开展在“活细胞”卫星单体中植入“3D打印设备”实现“繁殖”;植入“切割设备”实现“吞噬”;植入“‘废变能’设备”(将卫星报废零部件变成能量材料消耗掉)实现“凋零”等预研工作;具有“猜想”性和“挑战”性.

图10 机械臂辅助重构Fig.10 Recombination assisted by robotic arm

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Satlet and In-Situ Reconfiguration

TANG Danxu，YUE Jiguang，DONG Yanchao
(College of Electronics and Information Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China)

This paper reviews the development of Satlet.A new concept is proposed by developed countries such as Japan，America and Germany.And the approach to realize Satlet is concluded.It is recommended to initiate the research on general Satlet technology，in-situ reconfiguration technology and bionic Satlet.

Satlet;in-situ reconfiguration;general technology

V423.4

A 文章编号:1674-1579(2016)05-0025-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2016.05.005

唐丹旭(1992—)，男，硕士研究生，研究方向为控制工程;岳继光(1961—)，男，教授，博士生导师，研究方向为过程控制与计算机控制;董延超(1982—)，男，讲师，研究方向为计算机视觉.

*国家自然科学基金资助项目(61305023)和CAST创新基金项目.

2016-03-09