面向低軌巨型星座的載荷托管技術(shù)發(fā)展趨勢及展望

劉培 徐加友 汪伊婕 韓鳴迪 賀文正（上海衛(wèi)星工程研究所）

低軌巨型衛(wèi)星星座具有全球網(wǎng)絡(luò)覆蓋、通信低時延等優(yōu)勢，被視為改變衛(wèi)星行業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)。隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，載荷托管技術(shù)以為各種應(yīng)用提供高速、大容量和低延遲的通信服務(wù)脫穎而出，為各個行業(yè)提供了新的技術(shù)選擇。本文首先對天基載荷托管技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，并分析了面向低軌巨型星座的載荷托管發(fā)展挑戰(zhàn)，從3個設(shè)計角度對面向低軌巨型星座的載荷托管技術(shù)方向進(jìn)行了分析，最后，對該技術(shù)發(fā)展趨勢及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)展望。

1 引言

低軌巨型星座具有廣覆蓋、高重訪、低時延等能力優(yōu)勢，近年來，以“星鏈”（Starlink）、“一網(wǎng)”（OneWeb）等為代表的低軌星座系統(tǒng)建設(shè)驗證了低軌巨型星座建設(shè)的工程可行性，將成為通信、導(dǎo)航、遙感各類衛(wèi)星系統(tǒng)的未來建設(shè)方向[1]。

載荷托管技術(shù)是一種圍繞衛(wèi)星載荷的自主控制和智能化運行的技術(shù)，它通過將數(shù)據(jù)處理、存儲與傳輸?shù)裙δ芮度氲叫l(wèi)星系統(tǒng)中，并實現(xiàn)對載荷的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制，使得衛(wèi)星能夠高效、穩(wěn)定地運行，更好地滿足用戶需求。載荷托管技術(shù)的特點主要包括自主化、智能化、高度集成化和遠(yuǎn)程控制能力。

載荷托管技術(shù)在現(xiàn)代空間技術(shù)領(lǐng)域具有重要的研發(fā)意義和應(yīng)用價值。它可以幫助衛(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)智能化運營和自我修復(fù)，增強(qiáng)其適應(yīng)性和魯棒性；同時也可以為各行業(yè)提供更加安全、便捷、快速的數(shù)據(jù)通信和信息化服務(wù)，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。通過載荷托管的形式，借助低軌巨型星座建設(shè)窗口，可實現(xiàn)更高效、更經(jīng)濟(jì)的通、導(dǎo)、遙天基能力生成，從而加快天基基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2 天基載荷托管的發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)60年代以來，世界各航天國家便開始利用衛(wèi)星的多余能力來搭載額外的有效載荷，以做到物盡其用，用最少的錢辦更多的事。例如：美國國家航空航天局（NASA）早在20世紀(jì)70年代就開始了低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究工作[2]，并在不斷改進(jìn)和完善中，逐漸形成了一套完整的載荷托管技術(shù)體系。但過去的“搭載”更多的是以小型試驗載荷的空間試驗驗證為目的，對本身的軌道、時機(jī)要求不高。近幾年來，國外掀起了新的商業(yè)載荷搭載熱潮，又稱之為“托管有效載荷”，提供業(yè)務(wù)服務(wù)[3]。天基載荷托管技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀呈現(xiàn)出智能化、集成化、遠(yuǎn)程控制、精準(zhǔn)化和廣泛應(yīng)用等特點。本文以“銥星”（Iridium）、“巴托洛梅奧”（Bartolomeo）和“星盾”（Starshield）為例，對天基載荷托管的現(xiàn)狀進(jìn)行了研究。

“銥星”

以新一代“銥星”載荷搭載為例，“銥星”星座中的每顆衛(wèi)星都為有效載荷預(yù)留有50kg的搭載質(zhì)量，限制載荷體積為30cm×40cm×70cm，平均功率為50W（最高達(dá)200W），數(shù)據(jù)速率可達(dá)1Mbit/s?！般炐恰毙亲到y(tǒng)與多方達(dá)成合作，為艾瑞恩公司（Aireon）提供基于天基航空監(jiān)視業(yè)務(wù)的次級載荷空間，并且在2015年開始發(fā)射的共計72顆在軌衛(wèi)星中全部安裝Aireon廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）接收機(jī)。接收機(jī)將采用AppStar有效載荷平臺，可接收來自飛機(jī)的ADS-B數(shù)據(jù)，并經(jīng)由ADS-B地面站提供給空中導(dǎo)航服務(wù)供應(yīng)商，服務(wù)響應(yīng)時間可縮減至2s以內(nèi)，從而實現(xiàn)完整覆蓋全球的近實時、高頻率、高精度的飛機(jī)位置監(jiān)視。除此之外，據(jù)相關(guān)報道稱，星座中至少22顆“銥星”搭載了天基殺傷評估系統(tǒng)（SKA）載荷，58顆搭載了船舶跟蹤載荷，從而構(gòu)成了一個天基、?；鶜u估系統(tǒng)，這些評估系統(tǒng)將用于美國軍方。

此外，銥星公司還推出了“銥星”PRIME供應(yīng)平臺，負(fù)責(zé)寄宿有效載荷總體方案設(shè)計?？沙袚?dān)有效載荷質(zhì)量為265kg，輸出均值功率650W（峰值1100W），數(shù)據(jù)速率為17Mbit/s。“銥星”PRIME平臺利用“銥星”星座及其運行模式實現(xiàn)商業(yè)盈利，借助于星際鏈路和全球地面系統(tǒng)可提供基于多種有效載荷的雙向控制與數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)?！般炐恰盤RIME設(shè)計中除去了不必要的L頻段用戶通信，而將可搭載有效載荷的能力進(jìn)一步提升。

“巴托洛梅奧”

Bartolomeo載荷搭載平臺

除新一代“銥星”外，與“國際空間站”（ISS）的歐洲哥倫布模塊相連的Bartolomeo平臺同樣提供載荷搭載功能。這一平臺由空客公司（Airbus）資助，在歐洲航天局（ESA）的支持下運營，該平臺最多可托管12個不同的載荷，為它們提供電源并將數(shù)據(jù)傳輸回地面。從小到3U的有效載荷開始，空客公司就在Bartolomeo上將有效載荷作為一站式服務(wù)承載在主機(jī)上，包括有效載荷的準(zhǔn)備工作，發(fā)射和安裝服務(wù)以及后續(xù)的操作和數(shù)據(jù)傳輸，并提供了可選的返回地球方面的技術(shù)支持。它不僅可用于對地觀測，在環(huán)境與氣候研究、機(jī)器人技術(shù)、材料科學(xué)、天體物理，以及空間新技術(shù)測試等方面也有廣闊前景。該平臺同目前國際上提供有效載荷設(shè)施的其他空間站，如NASA的“設(shè)備承載子系統(tǒng)”（ELCS），歐洲的哥倫布外部有效載荷設(shè)施（COL-EPF），日本的實驗艙外部暴露平臺（JEM-EF）和納諾拉克斯公司（NanoRack）外部平臺（NREP）相比，優(yōu)勢主要在于該平臺提供了同其他空間站水平相近的載荷搭載能力，且可為有效載荷提供多達(dá)800W的電力消耗，此外，該平臺還可以為其有效載荷提供主動冷卻能力，并可選擇加壓發(fā)射還是不加壓發(fā)射，返回地球還是不返回地球。在觀看條件、供電和數(shù)據(jù)傳輸方面具有很強(qiáng)的競爭力。

“星盾”

2022年12月2日，SpaceX公司正式發(fā)布了名為“星盾”的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座項目?！靶嵌堋庇媱澦岢龅妮d荷托管功能，相較于傳統(tǒng)載荷搭載，不僅可以大幅節(jié)省衛(wèi)星采購費用，還具有加速天基能力交付、增強(qiáng)軍事航天力量彈性和強(qiáng)化工業(yè)基礎(chǔ)穩(wěn)定性等優(yōu)點?！靶擎湣弊鳛楫?dāng)前最大規(guī)模的商業(yè)衛(wèi)星星座，本身具有平臺功率裕度足、載荷搭載能力強(qiáng)的優(yōu)勢，并且其更新迭代速度快，發(fā)射任務(wù)頻率高，制造發(fā)射成本低，已經(jīng)具備成為全功能載荷托管衛(wèi)星平臺的條件。在“星鏈”基礎(chǔ)上衍生出的“星盾”不僅繼承“星鏈”的上述優(yōu)勢，還在數(shù)據(jù)安全、載荷兼容、互聯(lián)互通等方面獲得進(jìn)一步加強(qiáng)。SpaceX公司承諾，“星盾”衛(wèi)星將在“星鏈”的基礎(chǔ)上使用額外的高度可靠的加密算法來托管機(jī)密有效載荷，并對重要數(shù)據(jù)進(jìn)行安全處理；同時，為了滿足不同的任務(wù)要求，衛(wèi)星能夠集成各種有效載荷，為用戶提供多種功能選擇。

3 天基載荷托管發(fā)展挑戰(zhàn)

隨著低軌巨型星座的快速發(fā)展，載荷搭載的需求從簡單的在軌驗證向全球部署、商業(yè)應(yīng)用發(fā)展，對衛(wèi)星平臺的要求也從原來的單星重量、空間功耗、遙測資源定制設(shè)計向批量化、航班化載荷承載的按需托管轉(zhuǎn)變，將面臨以下挑戰(zhàn)。

1）在傳統(tǒng)衛(wèi)星研制模式中，因為投資渠道、研制單位、應(yīng)用任務(wù)不一，因此可能造成硬件設(shè)備規(guī)格的不統(tǒng)一，而硬件接口的不統(tǒng)一導(dǎo)致了軟件開發(fā)難度增大，衛(wèi)星難以實現(xiàn)按需靈活托管。

2）由于軟硬件體系架構(gòu)上的不同，衛(wèi)星軟件難以在不同平臺上通用，每顆衛(wèi)星都需要研發(fā)專屬的星載軟件，即便是其中具有相同功能和接口特點的共性軟件，都需要重新正向設(shè)計，難以實現(xiàn)柔性復(fù)用，大幅提高研制周期和成本。

3）按照傳統(tǒng)衛(wèi)星設(shè)計規(guī)范，接口關(guān)系發(fā)生變化時，與硬件相關(guān)的軟件發(fā)生任何修改，均需重新反復(fù)測試。因此，即便是相同的目標(biāo)環(huán)境，之前經(jīng)過驗證的硬件或軟件仍需耗費大量時間重新考核試驗。

4 天基載荷托管技術(shù)方向

針對低軌巨型星座的載荷托管，將面臨載荷重量大、數(shù)量多、平臺發(fā)射周期與載荷研制不匹配等問題，可以通過模塊化解耦劃分、自適應(yīng)總線架構(gòu)設(shè)計、可擴(kuò)展兼容設(shè)計等手段，構(gòu)建靈活可擴(kuò)展的載荷托管架構(gòu)[4]。

功能模塊化設(shè)計

將托管載荷設(shè)計成有某種確定功能的半自律性的典型通用獨立單元。它可以通過即插即用標(biāo)準(zhǔn)接口衛(wèi)星平臺相連。

功能模塊在結(jié)構(gòu)和功能上保持著相對獨立性，能夠獨立完成某項特定的任務(wù)。它的結(jié)構(gòu)都封裝在功能模塊內(nèi)部，對外保持封閉性，只存在數(shù)據(jù)上的通信。功能模塊具有自描述的屬性，能夠?qū)?nèi)部封裝的信息進(jìn)行自我描述。

接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

將托管載荷設(shè)計成帶有統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的即插即用接口，能夠方便地進(jìn)行組裝和測試。即插即用標(biāo)準(zhǔn)接口的主要作用是將功能模塊封裝成一個即插即用設(shè)備，使所有功能模塊組成一個自組織網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)功能模塊的網(wǎng)絡(luò)即插即用。模塊化的即插即用標(biāo)準(zhǔn)接口主要包括機(jī)械接口、電源接口、數(shù)據(jù)接口和熱控接口，其各自作用如下：

1）機(jī)械接口。其在功能模塊和結(jié)構(gòu)面板之間提供合適的連接機(jī)構(gòu)，使功能模塊能夠快捷、方便地連接到結(jié)構(gòu)面板上，允許系統(tǒng)快速組裝和折卸。承受和傳遞衛(wèi)星上的所有載荷，為功能模塊提供所需的剛性支撐條件，保證功能模塊安裝的牢靠。提供統(tǒng)一、通用的機(jī)械接口標(biāo)準(zhǔn)，包括接口形狀、緊固件等，方便不同的功能模塊組裝。

2）電源接口。它是傳遞電源各能量的界面。其作用是通過與電源總線的連接，按負(fù)載的要求對電能進(jìn)行變換并將電能輸送給各模塊，以對各模塊進(jìn)行配電。在電源接口設(shè)計中，電源接口電路必須滿足與電源總線阻抗匹配、絕緣和屏蔽等要求，對高頻信號，還應(yīng)規(guī)定容許的損失和干擾，使接口電路能為模塊提供穩(wěn)定、足夠的電源，維持模塊的正常工作。電源接口的設(shè)計要對自身攜帶電源和電源模塊統(tǒng)一供電這兩種方式進(jìn)行研究，并對這兩種連接方式下的電連接方式進(jìn)行分析設(shè)計。

3）數(shù)據(jù)接口。它采用統(tǒng)一、通用的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，包括數(shù)據(jù)類型、幀格式、接口函數(shù)等，方便功能模塊傳遞數(shù)據(jù)。只將功能模塊的接口與星上信息網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備相連，從而簡化部件之間的復(fù)雜聯(lián)系。

4）熱控接口。它是對模塊的溫度進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)的界面，是使模塊能保持合適的工作溫度，保證模塊處于正常工作環(huán)境的重要部件。根據(jù)熱控技術(shù)的主要手段和發(fā)展，為了盡可能減少熱控模塊對航天器整體性能造成很大的影響，一般要求模塊能夠自主控制。在熱控接口的設(shè)計中需要充分考慮各熱控措施的可用性、工藝性、空間穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等因素。

自主接入設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)化模塊在系統(tǒng)總線上的即插即用功能是靠身份自動識別來實現(xiàn)的。身份自動識別指在智能節(jié)點接入總線后，星載主機(jī)能夠根據(jù)節(jié)點發(fā)布的數(shù)據(jù)幀識別出該部件，并完成相應(yīng)的管理操作。航天器器上設(shè)備自動身份識別技術(shù)包括即插即用標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計技術(shù)、自動識別方法及相應(yīng)軟件體系結(jié)構(gòu)和傳輸協(xié)議設(shè)計等。標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計技術(shù)已在通用模塊設(shè)計中解決，自動識別方法則是靠衛(wèi)星中心計算機(jī)提供設(shè)備管理程序，接收功能模塊發(fā)送的自動識別幀，從而管理掛在總線上的各種智能設(shè)備。

自動識別數(shù)據(jù)幀由幀頭、幀類型、幀長度、設(shè)備標(biāo)識、聲明信息、備用字節(jié)和幀尾組成，是新加入設(shè)備和主機(jī)間通信的唯一幀格式，幀中包含部件的唯一標(biāo)識和描述信息等。其中，聲明信息包括提供的服務(wù)、所需資源和驅(qū)動程序等，提供的服務(wù)指該部件能夠提供給外部的服務(wù)，如提供何種數(shù)據(jù)等信息。所需資源描述部件運行需要的環(huán)境資源，包括采集太陽信息或地球信息等。驅(qū)動程序描述部件運行需要的驅(qū)動程序信息，包括驅(qū)動程序號等信息。

5 結(jié)束語

針對低軌巨型衛(wèi)星星座空間覆蓋范圍廣、目標(biāo)重訪周期短、傳輸延遲低、生存能力強(qiáng)、部署靈活、衛(wèi)星數(shù)量多的特點，為滿足“通導(dǎo)遙一體化”、加速天基能力交付、增強(qiáng)國家航天力量彈性、強(qiáng)化工業(yè)基礎(chǔ)穩(wěn)定性和降低成本等需求，在低軌巨型星座的衛(wèi)星平臺上托管載荷是必由之路[5]。由于不需要研制整星，不僅大幅節(jié)約成本，縮短研制時間，更由于分散部署的載荷，可充分利用低軌巨型星座的發(fā)展窗口，顯著增強(qiáng)國家天基力量的魯棒性。