CN106927065A - 无缆化可接受在轨服务卫星 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无缆化可接受在轨服务卫星，包括：卫星本体，作为主支撑结构；可更换模块，被布置在卫星主体的外部，以便于实现模块更换；被动对接机构，用于接受在轨气液加注；以及无线通信系统，用于实现平台各个组成部分的管理和数据交换，其中，采用无线总线支持卫星内部各模块的实时接入和移除。因此，通过本发明，使得在轨模块更换能够便于操作，切实提高了卫星的寿命和对多任务的适应性，消除了通信网布线对卫星系统结构和构型布局的约束，使得卫星模块的构型布局可以根据应用需求设计，模块的拆卸和安装都很方便，具备即插即用的能力，使得在轨模块更换任务很容易实现，并且实现易耗物资的补给，进一步延长了卫星寿命。

Description

无缆化可接受在轨服务卫星

技术领域

本发明属于航天技术领域，涉及一种无缆化可接受在轨服务卫星，可通过无线信息系统实现平台各个组成部分的管理和数据交换、可接受在轨模块更换、并且还可接受在轨加注。

背景技术

航天器在轨服务是指在空间通过人、机器人或两者协同完成涉及延长各种航天器寿命、提升执行任务能力的一类空间操作。在轨模块更换和在轨加注是最典型的增效型在轨服务方式。通过模块更换和在轨加注可恢复、维持或提升航天器的应用效能，实现故障模块、消耗性物品等的替换和补充，确保空间系统正常工作，延长其使用寿命。

目前最典型的在轨服务技术验证是轨道快车(Orbit Express)，轨道快车由“太空自动化运输机器人”(ASTRO)与“未来星/货舱飞行器”(NextSat)组成。其中，ASTRO是一种面向在轨服务的空间平台，具备很强的机动变轨能力，能够迅速进入目标星轨道；配备有高度自动化的机械臂系统，具备较强的在轨操作能力，能够初步代替宇航员完成太空作业。进入太空之初，双星相连，相互交换有关数据，然后两星分离，ASTRO设法捕获NextSat，一旦锁定NextSat且赶上它后，ASTRO伸出机械臂，将NextSat拉回身边，然后完成在轨模块更换、在轨加注等演示任务。

轨道快车计划是在轨服务技术发展史上具有里程碑意义的重大事件，验证了在轨服务技术的可行性。但是后续并没有取得实质性的应用。轨道快车的设计理念主要用于技术验证，并没有从系统设计和工程实用的角度考虑航天器的接受服务设计。为了将在轨服务的理念贯穿到航天器的常规设计中，必须从系统级设计层面加以考虑，尤其是简化模块的更换方式和通信方式。可更换模块的配置和布局根据卫星的实际功能需求加以考虑，使得在轨模块更换能够便于操作，切实提高提高卫星的寿命和对多任务的适应性。

在现有技术中，传统卫星的数据网对卫星系统结构和构型布局的约束使得卫星设计缺乏针对性、灵活性和可扩展性，连接星内各分系统的接口硬件和线缆的重量占了卫星整体重量的10％～15％，严重约束构型布局，增加了在轨更换的难度。

因此，急需一项技术，能够采用无缆化系统结构，把一个卫星按功能分解为有效载荷、动力、能源、通信等模块，这些模块采用无线连接，优化航天器的设计，消除数据网布线对构型布局的设计约束，模块能够实时接入和移除，模块的拆卸和安装都很方便，方便在轨模块更换的实现。

发明内容

鉴于现有技术的需求，为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种功能实用，布局灵活、具备接受在轨服务能力的卫星，通过无线信息系统实现平台各个组成部分的管理和数据交换，可接受在轨模块更换，可接受在轨加注。

本发明提供了一种无缆化可接受在轨服务卫星，包括：卫星本体，作为主支撑结构；可更换模块，被布置在卫星主体的外部，以便于实现模块更换；被动对接机构，用于接受在轨气液加注；以及无线通信系统，用于实现平台各个组成部分的管理和数据交换，其中，采用无线总线支持卫星内部各模块的实时接入和移除。

在本发明中，可更换模块为空间在轨可更换模块并且至少包括：1个大尺寸的可更换模块，用于装载大体积的可更换单元；以及2个小尺寸的可更换模块，用于装载小体积的可更换单元。

额外地，在卫星主体的舱外还包括：3个太阳敏感器，用于测量太阳矢量相对于卫星本体的方位，从而提供卫星姿态信息；8个推力器，用于执行卫星姿态控制；2个全向测控天线，它们相对安装，用于对地直接进行测控与数传；2个中继测控天线，用于在地面测控站无法测控的位置，通过中继卫星进行测控与数传；4个太阳翼压紧点，用于在发射时固定太阳翼；1个火工切割器，用于展开太阳翼；1个磁强计头部，用于对卫星姿态进行确定；1个10L单组元贮箱，用于存储推进剂；以及1个被动对接机构，用于与服务航天器进行对接。

另外，卫星主体的舱内被分为上下两层，其中，上层放置有：用于卫星姿态控制的2个动量轮和3个磁力矩器、用于卫星姿态确定的1个磁强计线路、用于向中继卫星透明转发卫星相关各类遥测数据的1个S频段中继终端，以及下层放置有：用于卫星姿态控制的1个动量轮、用于对地直接进行测控与数传的1个测控天线网络、用于短时调整姿态时进行敏感测量的1个光纤陀螺、用于辅助推力器工作的3个燃料过滤器、1个气液加排阀和2个自锁阀。

具体地，空间在轨可更换模块中的每个均包括：机械臂抓持装置；在轨更换模块本体，其中放置有易于损坏且便于更换的设备，其中，在1个大尺寸的可更换模块中放置有星务计算机，而在2个小尺寸的可更换模块中放置有蓄电池；模块接口适配器；以及模块安装板，被固定在航天器上，其中，在轨可更换模块本体中还根据需要空置或安装所需其它任意设备。

被动对接机构具有：气电液接口，用于在与服务卫星对接之后，接受在轨加注服务。

无线信息系统至少包括：星务计算机，通过高速无线网络与分系统下位机连接，用于完成整星的所有管理功能，其中，管理功能至少包括数据管理、姿轨控管理、星地上下行数据链路管理、温控管理、时间管理及有效载荷管理；分系统下位机，通过低速无线网络与各个终端节点连接，用于为各类传感器、执行机构提供输入和输出管理，从而实现遥测采集和开关指令的发送；以及终端节点，用于实现各分系统的智能数据采集处理和指令的执行。

额外地，无线信息系统采用的是由低速无线网络和高速无线网络构建的高低速混合无线网络。

因此，本发明的技术方案相对于现有技术具有以下的有益效果：

1)从系统设计和工程实用的角度考虑航天器的接受服务设计，将在轨服务的理念贯穿到航天器的常规设计中，从系统级设计层面加以考虑，尤其是简化模块的更换方式和通信方式，可更换模块的配置和布局根据卫星的实际功能需求都加以考虑，使得在轨模块更换能够便于操作，切实提高了提高卫星的寿命和对多任务的适应性；

2)在星内采用无线通信的设计模式，消除了通信网布线对卫星系统结构和构型布局的约束，使得卫星模块的构型布局也可以根据应用需求设计，模块的拆卸和安装都很方便，具备即插即用的能力，使得在轨模块更换任务很容易实现；以及

3)设计的被动对接装置能够与服务卫星对接，与服务卫星处于组合体状态，辅助在轨服务操作完成，并且具备气电液接口，能够接受在轨加注服务，从而实现易耗物资的补给，进一步延长了卫星寿命。

附图说明

图1为本发明的无缆化可接受在轨服务卫星的整体构型图；

图2为本发明的无缆化可接受在轨服务卫星的外上部构型图；

图3为本发明的无缆化可接受在轨服务卫星的外下部构型图；

图4为本发明的无缆化可接受在轨服务卫星的内部上层构型图；

图5为本发明的无缆化可接受在轨服务卫星的内部下层构型图；

图6为可在轨更换模块的组成构型图；以及

图7为无线信息系统的组成结构示意图。

具体实施方式

应了解，本发明的具备接受在轨服务功能的卫星，包括卫星本体、在轨可更换模块、被动对接机构、无线信息系统。卫星本体为主支撑结构，可更换模块和被动对接机构布局在卫星的外部，无线信息系统实现平台各个组成部分的管理和数据交换。在保证配置简单、经济可行、尺寸紧凑的基础上，具备接受在轨模块更换和接受在轨加注的能力。本发明在星内采用无线通信的设计模式，消除了通信网布线对卫星系统结构和构型布局的约束，具备模块即插即用的能力，从而便于在轨模块更换的实施。并可以通过对接机构被动部分接受在轨气液加注。

本发明的卫星整体为长方形，模块布局在卫星外部和内部的上下层，结构紧凑。下面结合附图1-7及具体实施方式对本发明进行详细说明。

如附图所示，本发明的具备可接受在轨服务功能的卫星包括卫星本体、在轨可更换模块、被动对接机构、无线信息系统。卫星舱外包括：1个大尺寸可更换模块1，装载体积较大的可更换单元，如星务计算机27；2个小尺寸可更换模块9，装载体积较小的可更换单元如蓄电池或备用；3个太阳敏感器5，测量太阳矢量相对于卫星本体的方位，可提供卫星姿态信息；8个推力器6，实现卫星姿态控制；全向测控天线A2，全向测控天线B8，二者相对安装，对地直接进行测控与数传；2个中继测控天线3，在地面测控站无法测控的位置通过中继卫星进行测控与数传；4个太阳翼压紧点11，用于发射时固定太阳翼；1个火工切割器12，用于展开太阳翼；1个磁强计头部7，用于卫星姿态确定；1个10L单组元贮箱4，存储推进剂；1个航天器被动对接机构10，用于与服务航天器对接。

舱内分为两层，靠上放置有：2个动量轮16，用于卫星姿态控制；3个磁力矩器14，用于卫星姿态控制；1个磁强计线路13，用于卫星姿态确定；1个S频段中继终端15，向中继卫星透明转发卫星各类遥测数据。靠下放置有：1个动量轮18，用于卫星姿态控制；1个测控天线网络17，用于对地直接进行测控与数传；1个光纤陀螺21，用于短时调整姿态时进行敏感测量；3个燃料过滤器22，1个气液加排阀19，2个自锁阀20，用于辅助推力器6工作。

如图1、图2和图3所示，可更换模块1和9布局在卫星外部，便于实施在轨模块更换操作。如图1、图2和图3所示，通过一套相对安装的全向测控天线2和8保证在地面测控站可以跟踪的位置对地直接进行测控与数传。如图1所示，通过一套对天的中继测控天线3，在地面测控站无法测控的位置通过中继卫星进行测控与数传。如图1、2、4所示，通过太阳敏感器5、磁强计6和7、光纤陀螺21的配置完成卫星姿态测量，其中太阳敏感器5和磁强计6和7负责敏感参考基准，光纤陀螺21负责短时调整姿态时进行敏感测量。如图3和4所示，通过动量轮16和18、磁力矩器14、推力器18的配置方案实现姿态控制。

为了实现本卫星的在轨模块更换，如图2所示，服务航天器与本卫星通过对接机构10拉紧并进行刚性连接，组合体间实现连接并导通，实现两航天器的对接，可以完成气液的加注服务。被动对接机构10具备气电液接口，本卫星与服务卫星对接后，可以通过被动对接机构的气液接口接受在轨加注服务。

如图5所示，空间在轨更换模块包括机械臂抓持装置23、在轨可更换模块本体24、模块接口适配器25、模块安装板26，模块安装板26固定于航天器上。

服务航天器与本卫星完成对接后，服务航天器接管本卫星的姿轨控、星务处理、遥测。本卫星转入被接管模式，姿轨控停控，停止遥测等工作，本卫星的星务计算机27转为服务航天器的下位机。若假设可更换模块1为故障模块。服务航天器所携带机械手通过机械臂抓持装置23抓住故障模块后，本卫星故障模块的模块接口适配器25和模块安装板26执行机械解锁。机械手将故障模块移出本卫星。机械手将故障模块转移至服务航天器预留的货舱中。机械手抓住更换模块后，将更换模块从服务航天器货舱移出，并将更换模块转移至模块安装板26处，实现模块接口适配器25和模块安装板26的对准。机械手插入更换模块。更换模块与本卫星实现机械接口的锁紧。本卫星的星务计算机27自检，确保更换模块接入后可以正常工作。同时，确保两航天器分离后，本卫星功能处于正常工作状态。然后，服务航天器与本卫星解锁分离，本卫星转入正常工作模式。

本发明的卫星是通过无线信息系统实现整星的管理。如图6所示，无线信息系统包括星务计算机27通过高速无线网络28和分系统下位机29连接，分系统下位机29通过低速无线网络30和各个终端节点31连接。工作时，星务计算机27完成整星的所有管理功能，包括数据管理、姿轨控管理、星地上下行数据链路管理、温控管理、时间管理及有效载荷管理。分系统下位机29为各类传感器、执行机构提供输入/输出管理，完成遥测采集和开关指令的发送功能。终端节点31完成各分系统的智能数据采集处理和指令执行。

如图6所示，无线信息系统是基于ZIGBEE协议的低速无线网络30和基于WIFI协议的高速无线网络28构建的高低速混合无线网络。终端节点31通过ZIGBEE协议与分系统下位机29传输数据和指令。分系统下位机29完成协议转换和数据处理，通过WIFI协议将数据汇聚到星务计算机27。星务计算机对分系统下位机29和终端节点31的无线接入和工作模式进行设定和控制。

综上所述，通过本发明，使得在轨模块更换能够便于操作，切实提高了提高卫星的寿命和对多任务的适应性，消除了通信网布线对卫星系统结构和构型布局的约束，使得卫星模块的构型布局也可以根据应用需求设计，模块的拆卸和安装都很方便，具备即插即用的能力，使得在轨模块更换任务很容易实现，并且具备气电液接口，能够接受在轨加注服务，从而实现易耗物资的补给，进一步延长了卫星寿命。

本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。

Claims (8)

1.一种无缆化可接受在轨服务卫星，其特征在于，包括：

卫星本体，作为主支撑结构；

可更换模块，被布置在所述卫星主体的外部，以便于实现模块更换；

被动对接机构，用于接受在轨气液加注；以及

无线通信系统，用于实现平台各个组成部分的管理和数据交换，

其中，采用无线总线支持卫星内部各模块的实时接入和移除。

2.根据权利要求1所述的无缆化可接受在轨服务卫星，其特征在于，所述可更换模块为空间在轨可更换模块并且至少包括：

1个大尺寸的可更换模块，用于装载大体积的可更换单元；以及

2个小尺寸的可更换模块，用于装载小体积的可更换单元。

3.根据权利要求2所述的无缆化可接受在轨服务卫星，其特征在于，在所述卫星主体的舱外还包括：

3个太阳敏感器，用于测量太阳矢量相对于所述卫星本体的方位，从而提供卫星姿态信息；

8个推力器，用于执行卫星姿态控制；

2个全向测控天线，它们相对安装，用于对地直接进行测控与数传；

2个中继测控天线，用于在地面测控站无法测控的位置，通过中继卫星进行测控与数传；

4个太阳翼压紧点，用于在发射时固定太阳翼；

1个火工切割器，用于展开所述太阳翼；

1个磁强计头部，用于对卫星姿态进行确定；

1个10L单组元贮箱，用于存储推进剂；以及

1个被动对接机构，用于与服务航天器进行对接。

4.根据权利要求3所述的无缆化可接受在轨服务卫星，其特征在于，所述卫星主体的舱内被分为上下两层，

其中，

上层放置有：用于卫星姿态控制的2个动量轮和3个磁力矩器、用于卫星姿态确定的1个磁强计线路、用于向中继卫星透明转发卫星相关各类遥测数据的1个S频段中继终端，以及

下层放置有：用于卫星姿态控制的1个动量轮、用于对地直接进行测控与数传的1个测控天线网络、用于短时调整姿态时进行敏感测量的1个光纤陀螺、用于辅助所述推力器工作的3个燃料过滤器、1个气液加排阀和2个自锁阀。

5.根据权利要求2所述的无缆化可接受在轨服务卫星，其特征在于，所述空间在轨可更换模块中的每个均包括：

机械臂抓持装置；

在轨更换模块本体，其中放置有易于损坏但便于更换的设备，其中，在所述1个大尺寸的可更换模块中放置有星务计算机，而在所述2个小尺寸的可更换模块中放置有蓄电池；

模块接口适配器；以及

模块安装板，被固定在航天器上，

其中，所述在轨可更换模块本体中还根据需要空置或安装所需其它任意设备。

6.根据权利要求1所述的无缆化可接受在轨服务卫星，其特征在于，所述被动对接机构具有：

气电液接口，用于在与服务卫星对接之后，接受在轨加注服务。

7.根据权利要求1所述的无缆化可接受在轨服务卫星，其特征在于，所述无线信息系统至少包括：

星务计算机，通过高速无线网络与分系统下位机连接，用于完成整星的所有管理功能，其中，所述管理功能至少包括数据管理、姿轨控管理、星地上下行数据链路管理、温控管理、时间管理及有效载荷管理；

所述分系统下位机，通过低速无线网络与各个终端节点连接，用于为各类传感器、执行机构提供输入和输出管理，从而实现遥测采集和开关指令的发送；以及

所述终端节点，用于实现各分系统的智能数据采集处理和指令的执行。

8.根据权利要求7所述的无缆化可接受在轨服务卫星，其特征在于，所述无线信息系统采用的是由低速无线网络和高速无线网络构建的高低速混合无线网络。