面向低轨巨型星座的载荷托管技术发展趋势及展望.pdf

通信天地Space International 国际太空 20237Communications241 引言低轨巨型星座具有广覆盖、高重访、低时延等能力优势，近年来，以“星链”（Starlink）、“一网”（OneWeb）等为代表的低轨星座系统建设验证了低轨巨型星座建设的工程可行性，将成为通信、导航、遥感各类卫星系统的未来建设方向1。载荷托管技术是一种围绕卫星载荷的自主控制和智能化运行的技术，它通过将数据处理、存储与传输等功能嵌入到卫星系统中，并实现对载荷的远程监测与控制，使得卫星能够高效、稳定地运行，更好地满足用户需求。载荷托管技术的特点主要包括自主化、智能化、高度集成化和远程控制能力。载荷托管技术在现代空间技术领域具有重要的研发意义和应用价值。它可以帮助卫星系统实现智能化运营和自我修复，增强其适应性和鲁棒性；同时也可以为各行业提供更加安全、便捷、快速的数据通信和信息化服务，促进社会经济的可持续发展。通过载荷托管的形式，借助低轨巨型星座建设窗口，可实现更高效、更经济的通、导、遥天基能力生成，从而加快天基基础设施产业发展。2 天基载荷托管的发展现状自 20 世纪 60 年代以来，世界各航天国家便开始利用卫星的多余能力来搭载额外的有效载荷，以做到物尽其用，用最少的钱办更多的事。例如：美国国家航空航天局（NASA）早在 20 世纪 70 年代就开始了低轨卫星通信系统的研究工作2，并在不断改进和完善中，逐渐形成了一套完整的载荷托管技术体系。但过去的“搭载”更多的是以小型试验载荷的空间试验验证为目的，对本身的轨道、时机要求不高。近几年来，国外掀起了新的商业载荷搭载热潮，又称之为“托管有效载荷”，提供业务服务3。天基载荷托管技术的发展现状呈现出智能化、集成化、远程控制、精准化和广泛应用等特点。本文以“铱星”（Iridium）、“巴托洛梅奥”（Bartolomeo）和“星盾”（Starshield）刘培 徐加友 汪伊婕 韩鸣迪 贺文正（上海卫星工程研究所）低轨巨型卫星星座具有全球网络覆盖、通信低时延等优势，被视为改变卫星行业发展的重要技术。随着该技术的不断发展和普及，载荷托管技术以为各种应用提供高速、大容量和低延迟的通信服务脱颖而出，为各个行业提供了新的技术选择。本文首先对天基载荷托管技术的发展现状进行阐述，并分析了面向低轨巨型星座的载荷托管发展挑战，从 3 个设计角度对面向低轨巨型星座的载荷托管技术方向进行了分析，最后，对该技术发展趋势及研究现状进行了总结展望。面向低轨巨型星座的载荷托管技术发展趋势及展望国际太空07（公开）.indd 242023/7/20 15:44Space International 国际太空总第 535 期25为例，对天基载荷托管的现状进行了研究。“铱星”以新一代“铱星”载荷搭载为例，“铱星”星座中的每颗卫星都为有效载荷预留有50kg的搭载质量，限制载荷体积为 30cm40cm70cm，平均功率为50W（最高达200W），数据速率可达1Mbit/s。“铱星”星座系统与多方达成合作，为艾瑞恩公司（Aireon）提供基于天基航空监视业务的次级载荷空间，并且在 2015 年开始发射的共计 72 颗在轨卫星中全部安装Aireon 广播式自动相关监视（ADS-B）接收机。接收机将采用 AppStar 有效载荷平台，可接收来自飞机的 ADS-B 数据，并经由 ADS-B 地面站提供给空中导航服务供应商，服务响应时间可缩减至 2s 以内，从而实现完整覆盖全球的近实时、高频率、高精度的飞机位置监视。除此之外，据相关报道称，星座中至少 22 颗“铱星”搭载了天基杀伤评估系统（SKA）载荷，58 颗搭载了船舶跟踪载荷，从而构成了一个天基、海基杀伤评估系统，这些评估系统将用于美国军方。此外，铱星公司还推出了“铱星”PRIME 供应平台，负责寄宿有效载荷总体方案设计。可承担有效载荷质量为 265kg，输出均值功率 650W（峰值1100W），数据速率为 17Mbit/s。“铱星”PRIME平台利用“铱星”星座及其运行模式实现商业盈利，借助于星际链路和全球地面系统可提供基于多种有效载荷的双向控制与数据传输业务。“铱星”PRIME设计中除去了不必要的 L 频段用户通信，而将可搭载有效载荷的能力进一步提升。“巴托洛梅奥”除新一代“铱星”外，与“国际空间站”（ISS）的欧洲哥伦布模块相连的 Bartolomeo 平台同样提供载荷搭载功能。这一平台由空客公司（Airbus）资助，在欧洲航天局（ESA）的支持下运营，该平台最多可托管 12 个不同的载荷，为它们提供电源并将数据传输回地面。从小到 3U 的有效载荷开始，空客公司就在 Bartolomeo 上将有效载荷作为一站式服务承载在主机上，包括有效载荷的准备工作，发射和安装服务以及后续的操作和数据传输，并提供了可选的返回地球方面的技术支持。它不仅可用于对地观测，在环境与气候研究、机器人技术、材料科学、天体物理，以及空间新技术测试等方面也有广阔前景。该平台同目前国际上提供有效载荷设施的其他空间站，如NASA 的“设备承载子系统”（ELCS），欧洲的哥伦布外部有效载荷设施（COL-EPF），日本的实验舱外部暴露平台（JEM-EF）和纳诺拉克斯公司（NanoRack）外部平台（NREP）相比，优势主要在于该平台提供了同其他空间站水平相近的载荷搭载能力，且可为有效载荷提供多达800W的电力消耗，此外，该平台还可以为其有效载荷提供主动冷却能力，并可选择加压发射还是不加压发射，返回地球还是不返回地球。在观看条件、供电和数据传输方面具有很强的竞争力。“星盾”2022 年 12 月 2 日，SpaceX 公司正式发布了名为“星盾”的卫星互联网星座项目。“星盾”计划所提出的载荷托管功能，相较于传统载荷搭载，不仅可以大幅节省卫星采购费用，还具有加速天基能Bartolomeo 载荷搭载平台国际太空07（公开）.indd 252023/7/20 15:44通信天地Space International 国际太空 20237Communications26力交付、增强军事航天力量弹性和强化工业基础稳定性等优点。“星链”作为当前最大规模的商业卫星星座，本身具有平台功率裕度足、载荷搭载能力强的优势，并且其更新迭代速度快，发射任务频率高，制造发射成本低，已经具备成为全功能载荷托管卫星平台的条件。在“星链”基础上衍生出的“星盾”不仅继承“星链”的上述优势，还在数据安全、载荷兼容、互联互通等方面获得进一步加强。SpaceX公司承诺，“星盾”卫星将在“星链”的基础上使用额外的高度可靠的加密算法来托管机密有效载荷，并对重要数据进行安全处理；同时，为了满足不同的任务要求,卫星能够集成各种有效载荷,为用户提供多种功能选择。3 天基载荷托管发展挑战随着低轨巨型星座的快速发展，载荷搭载的需求从简单的在轨验证向全球部署、商业应用发展，对卫星平台的要求也从原来的单星重量、空间功耗、遥测资源定制设计向批量化、航班化载荷承载的按需托管转变，将面临以下挑战。1）在传统卫星研制模式中，因为投资渠道、研制单位、应用任务不一，因此可能造成硬件设备规格的不统一，而硬件接口的不统一导致了软件开发难度增大，卫星难以实现按需灵活托管。2）由于软硬件体系架构上的不同，卫星软件难以在不同平台上通用，每颗卫星都需要研发专属的星载软件，即便是其中具有相同功能和接口特点的共性软件，都需要重新正向设计，难以实现柔性复用，大幅提高研制周期和成本。3）按照传统卫星设计规范，接口关系发生变化时，与硬件相关的软件发生任何修改，均需重新反复测试。因此，即便是相同的目标环境，之前经过验证的硬件或软件仍需耗费大量时间重新考核试验。4 天基载荷托管技术方向针对低轨巨型星座的载荷托管，将面临载荷重量大、数量多、平台发射周期与载荷研制不匹配等问题，可以通过模块化解耦划分、自适应总线架构设计、可扩展兼容设计等手段，构建灵活可扩展的载荷托管架构4。功能模块化设计将托管载荷设计成有某种确定功能的半自律性的典型通用独立单元。它可以通过即插即用标准接口卫星平台相连。功能模块在结构和功能上保持着相对独立性，能够独立完成某项特定的任务。它的结构都封装在功能模块内部，对外保持封闭性，只存在数据上的通信。功能模块具有自描述的属性，能够对内部封装的信息进行自我描述。接口标准化设计将托管载荷设计成带有统一、标准的即插即用接口，能够方便地进行组装和测试。即插即用标准接口的主要作用是将功能模块封装成一个即插即用设备，使所有功能模块组成一个自组织网络，实现功能模块的网络即插即用。模块化的即插即用标准接口主要包括机械接口、电源接口、数据接口和热控接口，其各自作用如下：1）机械接口。其在功能模块和结构面板之间提供合适的连接机构，使功能模块能够快捷、方便地连接到结构面板上，允许系统快速组装和折卸。承受和传递卫星上的所有载荷，为功能模块提供所需的刚性支撑条件，保证功能模块安装的牢靠。提供统一、通用的机械接口标准，包括接口形状、紧固件等，方便不同的功能模块组装。2）电源接口。它是传递电源各能量的界面。其作用是通过与电源总线的连接，按负载的要求对电能国际太空07（公开）.indd 262023/7/20 15:44Space International 国际太空总第 535 期27进行变换并将电能输送给各模块，以对各模块进行配电。在电源接口设计中，电源接口电路必须满足与电源总线阻抗匹配、绝缘和屏蔽等要求，对高频信号，还应规定容许的损失和干扰，使接口电路能为模块提供稳定、足够的电源，维持模块的正常工作。电源接口的设计要对自身携带电源和电源模块统一供电这两种方式进行研究，并对这两种连接方式下的电连接方式进行分析设计。3）数据接口。它采用统一、通用的数据接口标准，包括数据类型、帧格式、接口函数等，方便功能模块传递数据。只将功能模块的接口与星上信息网络控制设备相连，从而简化部件之间的复杂联系。4）热控接口。它是对模块的温度进行控制、调节的界面，是使模块能保持合适的工作温度，保证模块处于正常工作环境的重要部件。根据热控技术的主要手段和发展，为了尽可能减少热控模块对航天器整体性能造成很大的影响，一般要求模块能够自主控制。在热控接口的设计中需要充分考虑各热控措施的可用性、工艺性、空间稳定性、经济性、可靠性等因素。自主接入设计标准化模块在系统总线上的即插即用功能是靠身份自动识别来实现的。身份自动识别指在智能节点接入总线后，星载主机能够根据节点发布的数据帧识别出该部件，并完成相应的管理操作。航天器器上设备自动身份识别技术包括即插即用标准化模块设计技术、自动识别方法及相应软件体系结构和传输协议设计等。标准化模块设计技术已在通用模块设计中解决，自动识别方法则是靠卫星中心计算机提供设备管理程序，接收功能模块发送的自动识别帧，从而管理挂在总线上的各种智能设备。自动识别数据帧由帧头、帧类型、帧长度、设备标识、声明信息、备用字节和帧尾组成，是新加入设备和主机间通信的唯一帧格式，帧中包含部件的唯一标识和描述信息等。其中，声明信息包括提供的服务、所需资源和驱动程序等，提供的服务指该部件能够提供给外部的服务，如提供何种数据等信息。所需资源描述部件运行需要的环境资源，包括采集太阳信息或地球信息等。驱动程序描述部件运行需要的驱动程序信息，包括驱动程序号等信息。5 结束语针对低轨巨型卫星星座空间覆盖范围广、目标重访周期短、传输延迟低、生存能力强、部署灵活、卫星数量多的特点，为满足“通导遥一体化”、加速天基能力交付、增强国家航天力量弹性、强化工业基础稳定性和降低成本等需求，在低轨巨型星座的卫星平台上托管载荷是必由之路5。由于不需要研制整星，不仅大幅节约成本，缩短研制时间，更由于分散部署的载荷，可充分利用低轨巨型星座的发展窗口，显著增强国家天基力量的鲁棒性。参考文献1 王久龙,徐晨阳,曾文彬,等.国外卫星搭载有效载荷发展综述 J.航天器工程,2023,32(1):116-124.2 BULK T A,LINDAS K,PITCHFORD B,et al.Hosted non-deployed payloads on upper stages for enhanced space missionsC.2013 IEEE Aerospace Conference,Big Sky,MT,2013:1-7.3 ANDRASCHKO M,ANTOL J,BAIZE R,et al.The potential for hosted payloads at NASAC.2012 IEEE Aerospace Conference,Big Sky,MT,2012:1-12.4 波音公司.利用用于有效载荷操作的安全区进行商用卫星操作:CN202211182888.6P.2023-02-03.5 GUPTA R K.Communications Satellite RF payload technologies evolution:A system perspectiveC.2016 Asia-Pacific Microwave Conference(APMC),New Delhi,2016:1-4.国际太空07（公开）.indd 272023/7/20 15:44