CN102795350B - 一种物理离散式卫星系统架构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种物理离散式卫星系统架构，以解决在轨卫星的维修更换，提高卫星的快速响应能力。本发明根据飞行任务的需求将卫星的功能分解为I个基本功能，采用N个航天器模块来实现所述的I个基本功能。N个航天器模块中包括单功能航天器模块和多功能航天器模块。每个航天器模块均包括一个交互接口单元，用于实现各航天器模块间的交互。所述交互接口单元包括低速无线微波通信接口和高速无线激光通信接口；其中无线微波通信采用全向天线，高速无线激光通信采用定向天线，通过航天器模块智能接口之间的通信形成卫星系统的无线通信链路。所有航天器模块在物理上是互相离散的，可以通过一箭多星或者多次发射的方式将各航天器模块发射升空，在轨共同完成卫星的整个功能。

Description

一种物理离散式卫星系统架构

技术领域

发明涉及卫星系统架构，具体涉及一种物理离散式卫星系统架构，属于飞行器总体技术领域。

背景技术

随着空间系统应用的不断深入以及航天技术的不断发展，对卫星的灵活性和抗风险能力等方面的要求越来越高。针对当前卫星的特点，要求功能越来越强、精度要求越来越高、寿命越来越长、研制周期越来越短，而卫星由成千上万个零部件组成，某个技术细节控制不到位、某个单机设备的薄弱环节，将会导致整个卫星寿命的降低甚至飞行任务的失败。为了防止卫星因此而出现故障，必须给卫星配备很多备用部件，这样整个系统难免变得臃肿、复杂，成本也直线上升。另外，即使一个小小的软件出现纰漏或者某个部件功能失效，就可能导致整个计划前功尽弃，多年心血将会付之东流。为此，对于卫星研制流程的控制精益求精、慎之又慎，带来相应的问题是研制周期的延长，从而导致卫星的一些零部件老化，增加系统风险。

目前的卫星系统采用整体集成式结构，包括：数管分系统、载荷分系统、测控通信分系统、姿轨控分系统、推进分系统。数管分系统的处理器负责整星的星务管理、载荷分系统的处理器负责载荷数据的在轨处理、测控通信分系统负责整星的遥控遥测与数据传输、姿轨控分系统实现卫星姿态与轨道控制、推进分系统提供轨道和姿态控制所需动力。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种物理离散式卫星系统架构，能够提高卫星的快速响应能力，解决在轨卫星的维修更换等问题。

本发明的一种物理离散式卫星系统架构包括N个航天器模块，其中N为整数，N≥2。各航天器模块在物理上互相离散。所述N个航天器模块中包括单功能航天器模块和多功能航天器模块，其中单功能航天器模块实现1个基本功能，多功能航天器模块实现两个或两个以上基本功能。每个航天器模块均包括一个交互接口单元，以实现各航天器模块间的交互，形成航天器模块网络。N个航天器模块相互配合完成卫星飞行任务所需的I个基本功能，其中I为整数，I≥2。所述交互接口单元包括低速无线微波通信接口和高速无线激光通信接口。其中低速无线微波通信采用全向天线，高速无线激光通信采用定向天线。其中低速无线微波通信接口用于实现航天器模块网络中遥测信息、遥控指令、实时状态信息的传输。高速无线激光通信接口用于传输载荷数据。

当有新的航天器模块需要加入航天器模块网络中时，新的航天器模块通过设定轨道逐渐逼近并最终加入网络，新的航天器模块进入有效通信距离后，通过其内部的识别系统与航天器模块网络内的航天器模块建立信息通信，完成模块注册、时间同步，交换路由信息和导航信息。当航天器模块需要退出航天器模块网络时，向航天器模块网络中的其他航天器模块广播发送退出声明，进而通过安全撤离轨道飞离网络，航天器模块检测到当前航天器模块网络拓扑变化后完成路由信息更新以及系统内资源的重新分配。

所述航天器模块网络中包括星务处理航天器模块、载荷管理航天器模块、测控通信航天器模块、姿轨控航天器模块和应用载荷航天器模块。所述星务处理航天器模块用于接收航天器模块网络中其它航天器模块的实时状态信息，并将收集到的信息在轨处理后产生控制指令分发到目的航天器模块。所述载荷管理航天器模块收集并处理各航天器模块上的载荷产生的载荷数据。所述测控通信航天器模块用于下传航天器模块网络的遥测信息和分发经测控信道上传的地面遥控指令。所述姿轨控航天器模块以各航天器模块内的信息耦合关系为基础，对卫星的飞行控制进行协同分析，各航天器模块以姿轨控航天器模块为参考基准，将自身的位置姿态渐近收敛于预定状态。所述应用载荷航天器模块提供卫星系统飞行任务所需的载荷。

该物理离散式卫星系统架构种进一步包括备份航天器模块，所述备份航天器模块为对能够引起卫星任务失效的基本功能所对应的航天器模块进行备份。

有益效果：

（1）有利于化整为零，推进卫星设计的模块化、标准化和产品化，缩短研制周期，降低开发成本，实现快速生产、快速发射、快速响应，从而以较小对代价实现大型综合卫星的建造和运营。

（2）在设计寿命期间，物理离散式卫星系统的软硬件可以方便更换，而且只需将产品化的航天器模块补充进卫星系统中，整个系统就能提升性能。同时还可通过不同类型的航天器模块之间的替换来转换卫星系统的用途。

（3）在物理离散式卫星系统工作期间，可以通过无线通信链路实现不同航天器模块资源的共享和分布式计算。

（4）物理离散式卫星系统的离散化运行模式有利于提高卫星生存能力，降低人为攻击或自然因素的破坏作用，降低风险、提高可靠性与抗毁能力。

附图说明

图1为物理离散式卫星系统架构。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种物理离散式卫星系统架构，将传统的整体集成式卫星系统离散为多个航天器模块。具体实现过程为：根据卫星飞行任务的需求将卫星的功能分解为I个基本功能，其中I为整数，I≥2。基本功能集合用G表示。采用N个航天器模块来实现所述I个基本功能，其中N为整数，N≥2。N个航天器模块中包括单功能航天器模块和多功能航天器模块。其中单功能航天器模块实现1个基本功能。多功能航天器模块实现两个过两个以上基本功能。令第n（1≤n≤N）个航天器模块能够实现i个基本功能，其功能集合用Gn表示，所有航天器模块功能集合Gn的并集等价于G。

每个航天器模块均包括一个交互接口单元，用于实现各航天器模块间的交互。所述交互接口单元包括低速无线微波通信接口和高速无线激光通信接口。其中无线微波通信采用全向天线，高速无线激光通信采用定向天线，通过航天器模块智能接口之间的通信形成卫星系统的无线通信链路。

所有航天器模块在物理上是互相离散的，可以通过一箭多星或者多次发射的方式将各航天器模块发射升空，在轨共同完成卫星的整个功能。为了保证整个卫星系统的可靠性，对可能引起卫星任务失效的基本功能所对应的航天器模块进行备份。

其工作方式如下：

1）航天器模块组网运行

将航天器模块通过一箭多星一次发射或者多次发射升空，在轨运行的航天器模块通过交互接口单元完成互相识别及无线数据通信。在轨运行的航天器模块通过无线通信链路形成航天器模块网络。每个航天器模块执行自己的功能，并通过无线通信链路相互配合，共同完成整个卫星的任务。

2）航天器模块加入、移出网络

航天器模块在面对网络拓扑变化时，可通过交互接口单元获取的信息自动响应。航天器模块网络具备自适应功能。当需要加入新的航天器模块时，新航天器模块通过特定轨道逐渐逼近并最终加入网络，进入有效通信距离后，通过识别系统信标与网络内的航天器模块建立信息通信，完成模块注册、时间同步，交换路由信息和导航信息。当需要某个航天器模块退出时，欲退出的航天器模块向网络内其他航天器模块广播发送退出声明，进而通过安全撤离轨道飞离网络。网络内剩余航天器模块根据这一变化完成路由信息更新以及系统内资源的重新分配。航天器模块的推进功能提供航天器模块加入或移除网络时的动力。

为了对以上方案有更清楚的描述，下面针对目前常见的卫星系统，对物理离散式卫星系统架构进行举例说明。根据卫星飞行任务的需求，需要完成卫星的基本功能，整个卫星系统至少包括星务处理航天器模块、载荷管理航天器模块、测控通信航天器模块、姿轨控航天器模块和应用载荷航天器模块，在本实施例中将完成卫星其它基本任务的航天器模块统一为其它航天器模块。如图1所示。各航天器模块之间通过交互接口单元完成信息的交互，测控通信航天器模块通过测控信道主份实现与地面的交互，姿轨控航天器模块与地面之间通过测控信道备份连接。

1）卫星测控通信

航天器模块网络中的遥测信息通过交互接口单元的低速无线微波通信接口汇聚到测控通信航天器模块，然后经测控信道下传。地面的遥控指令经测控信道上传到测控通信航天器模块，再通过交互接口单元的低速无线微波通信接口分发到目的航天器模块。

2）卫星星务管理

航天器模块网络的实时状态信息通过交互接口单元的低速无线微波通信接口汇聚到星务处理航天器模块，然后经计算机的在轨处理后产生控制指令。星务处理航天器模块将产生的控制指令通过交互接口单元的低速无线微波通信接口分发到目的航天器模块执行，完成“卫星”星务闭环管理。

3）卫星载荷管理

分布在各个航天器模块上的载荷产生的数据通过交互接口单元的高速无线激光通信接口传输到载荷管理航天器模块。载荷管理航天器模块的处理器对汇聚后的载荷数据进行数据处理。

4）卫星姿轨控

姿轨控航天器模块是卫星的姿态轨道控制中心，姿轨控航天器模块以卫星系统各航天器模块内部成员间信息耦合关系为基础，着重于卫星飞行控制的协同性。各航天器模块以姿轨控航天器模块为参考基准，将自身的状态变量渐近收敛于期望状态。

5）卫星在轨维修及在轨航天器模块更换

星务处理航天器模块在轨运行时会检测到发生在轨故障或已经失效的航天器模块，然后经测控通信航天器模块通知地面飞行控制中心。地面发射场会发射相应的航天器模块加入到网络中，完成卫星在轨维修。新增或者升级的航天器模块发射到太空中可以方便地加入网络或者替换网络中的模块，实现卫星系统功能扩展和升级。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种物理离散式卫星系统架构，其特征在于，包括N个航天器模块，其中N为整数，N≥2；各航天器模块在物理上互相离散；所述N个航天器模块中包括单功能航天器模块和多功能航天器模块，其中单功能航天器模块实现1个基本功能，多功能航天器模块实现两个或两个以上基本功能；每个航天器模块均包括一个交互接口单元，以实现各航天器模块间的交互，形成航天器模块网络；N个航天器模块相互配合完成卫星飞行任务所需的I个基本功能，其中I为整数，I≥2；

所述交互接口单元包括低速无线微波通信接口和高速无线激光通信接口；其中低速无线微波通信采用全向天线，高速无线激光通信采用定向天线。

2.如权利要求1所述的一种物理离散式卫星系统架构，其特征在于，所述低速无线微波通信接口用于实现航天器模块网络中遥测信息、遥控指令、实时状态信息的传输；所述高速无线激光通信接口用于传输载荷数据。

3.如权利要求1所述的一种物理离散式卫星系统架构，其特征在于，当有新的航天器模块需要加入航天器模块网络中时，新的航天器模块通过设定轨道逐渐逼近并最终加入网络，新的航天器模块进入有效通信距离后，通过其内部的识别系统与航天器模块网络内的航天器模块建立信息通信，完成模块注册、时间同步，交换路由信息和导航信息；当航天器模块需要退出航天器模块网络时，向航天器模块网络中的其他航天器模块广播发送退出声明，进而通过安全撤离轨道飞离网络，航天器模块检测到当前航天器模块网络拓扑变化后完成路由信息更新以及系统内资源的重新分配。

4.如权利要求1所述的一种物理离散式卫星系统架构，其特征在于，所述航天器模块网络中包括星务处理航天器模块、载荷管理航天器模块、测控通信航天器模块、姿轨控航天器模块和应用载荷航天器模块；所述星务处理航天器模块用于接收航天器模块网络中其它航天器模块的实时状态信息，并将收集到的信息在轨处理后产生控制指令分发到目的航天器模块；所述载荷管理航天器模块收集并处理各航天器模块上的载荷产生的载荷数据；所述测控通信航天器模块用于下传航天器模块网络的遥测信息和分发经测控信道上传的地面遥控指令；所述姿轨控航天器模块以各航天器模块内的信息耦合关系为基础，对卫星的飞行控制进行协同分析，各航天器模块以姿轨控航天器模块为参考基准，将自身的位置姿态渐近收敛于预定状态；所述应用载荷航天器模块提供卫星系统飞行任务所需的载荷。

5.如权利要求1所述的一种物理离散式卫星系统架构，其特征在于，进一步包括备份航天器模块，所述备份航天器模块为对能够引起卫星任务失效的基本功能所对应的航天器模块进行备份。