CN113788163B - 一种模块化卫星的在轨多维扩展进化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模块化卫星的在轨多维扩展进化方法，首先通过综合电子单元接收任务或指令，并将任务或指令分配至相应的细胞单元和/或操作机器人；若细胞单元收到软件升级或硬件升级的任务或指令，则根据任务或指令进行软件或硬件重构；以及操作机器人根据细胞单元更换或扩展指令、和/或检修任务，对细胞单元进行物理重构和/或在轨检修。其中，模块化卫星由多个细胞单元组成，多个细胞单元之间通过标准接口实现连接及通信。

Description

一种模块化卫星的在轨多维扩展进化方法

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种模块化卫星的在轨多维扩展进化方法。

背景技术

随着卫星技术的不断发展，单颗卫星所能实现的功能越来越多。为了实现更多的功能，卫星中配置的子系统或功能模块数量随之增加。同时，对于卫星而言，在轨重构功能能够使得卫星实现在轨维修、升级或任务更新，进而实现卫星在轨延寿。目前，对于卫星的在轨重构多数是关注于软件层面，主要是针对星上软件升级或任务更新。例如专利CN104750475提供的在轨重构框架系统及方法通过提高星上软件的适应能力，使得其能够满足卫星在轨期间的变化需求。又例如，专利CN11048937中提供的卫星整星硬件在轨重构框系统及重构方法，其针对卫星软件中枢对于卫星整星硬件的资源调度、能源分配以及任务管理进行优化，进而实现任务重构，提升卫星的动态响应能力。

然而，在实际应用中，卫星寿命还受限于各模块或子系统自身硬件或机械结构的性能，目前暂未有相关研究给出卫星硬件及机械结构在轨维修或更换的方法。

发明内容

针对现有技术中的部分或全部问题，本发明提供一种模块化卫星的在轨多维扩展进化方法，其中，所述模块化卫星由多个细胞单元组成，所述多个细胞单元之间通过标准接口连接及通信，所述在轨多维扩展进化方法包括：

通过综合电子单元接收任务或指令，并将任务或指令分配至相应的细胞单元和/或操作机器人；

若细胞单元收到软件升级或硬件升级的任务或指令，则根据所述任务或指令进行软件重构；以及

所述操作机器人根据细胞单元更换或扩展指令、和/或综合电子单元发送的检修任务，对细胞单元进行在轨检修和/或物理重构。

进一步地，所述任务或指令由地面站发送，包括软件升级指令、硬件升级指令、以及细胞单元更换或扩展指令。

进一步地，所述任务或指令包括由所述综合电子单元生成的检修任务。

进一步地，所述检修任务的生成包括：

所述综合电子单元实时检测各细胞单元的工作状态，一旦出现异常，则生成检修任务，并发送至操作机器人。

进一步地，所述物理重构包括细胞单元的更换、增加以及删减。

进一步地，所述细胞单元的更换包括：

所述操作机器人移动至待更换的细胞单元附近，取下待更换的细胞单元；

通过综合电子单元启动待安装的细胞单元；以及

所述操作机器人抓取所述待安装的细胞单元，移动至预设安装位置，进行安装。

进一步地，所述细胞单元的更换还包括，通过推进器将替换下来的细胞单元推离原有轨道。

进一步地，所述操作机器人包括三条多自由度的机械臂，其通过所述三条多自由度的机械臂交替吸附至不同细胞单元表面移动。

本发明提供的一种模块化卫星的在轨多维扩展进化方法，通过安装于卫星上可移动的操作机器人，对组成卫星的细胞单元进行替换、增加或删减，此外，通过综合电子单元完成软硬件升级指令的分发，实现卫星的在轨重构、扩展功能。此外，由于卫星的各功能模块都可进行在轨替换，也能够使得卫星具备在轨延寿功能。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出本发明一个实施例的一种可在轨模块化组装与重构的细胞卫星；

图2示出本发明一个实施例的一种用于细胞卫星的细胞单元的结构示意图；

图3示出本发明一个实施例中的操作机器人的结构示意图；

图4示出本发明一个实施例中一种模块化卫星的在轨多维扩展进化方法的流程示意图；

图5示出本发明一个实施例中操作机器人实施卫星装配的过程示意图；以及

图6a-6c分别示出本发明一个实施例中模块化卫星进化的过程示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

为实现卫星的长期在轨维护和持续升级能力，本发明提供一种模块化卫星的在轨多维扩展进化方法，其基于可在轨模块化组装与重构的细胞卫星系统进行，所述细胞卫星系统包括细胞卫星以及操作机器人，其中，在本发明中，所述细胞卫星是指由若干个细胞单元装配形成的卫星，以及所述操作机器人可安装于所述细胞单元表面，以进行细胞卫星的装配。任一所述细胞单元能够独立执行卫星平台的一个或多个功能，例如任务规划、能源分配、姿控、卫星推进等，不同功能的细胞单元可形成卫星产品库，在设计卫星时，根据任务及需求选择不同的细胞单元进行装配。借助所述操作机器人，所述卫星的装配可在地面进行，也可在太空中进行。下面结合实施例附图，对本发明的方案做进一步描述。

在本发明中，所述“第一表面”是指细胞单元壳体的外表面，以及所述“第二表面”是指细胞单元壳体的内表面。

图1示出本发明一个实施例的一种可在轨模块化组装与重构的细胞卫星。如图1所示，一种可在轨模块化组装与重构的细胞卫星，包括主体结构001以及太阳翼002，其中，所述主体结构001包括若干个细胞单元101，所述细胞单元101通过标准接口连接并实现通信。在本发明的实施例中，所述细胞单元的排列方式并未限定，也就是说，所述主体结构的形状没有限制，可根据其包含的细胞单元的数量及功能设置。例如，各细胞单元可以排成一列；又例如，各细胞单元可以排成多列，且每列包含的细胞单元数量可以相同或不同；再例如，各细胞单元可以组合为多层结构，且任意一层所包含的细胞单元数量可以相同或不同。所述太阳翼设置于所述主体结构001的两侧，通过标准接口与所述细胞单元连接并实现通信。在本发明的一个实施例中，所述细胞卫星还包括贴片热控模块，所述贴片热控模块设置于所述细胞单元的表面，用于细胞单元散热。

在本发明的又一个实施例中，所述细胞卫星还包括贴片天线1300，所述贴片天线通过标准接口与细胞单元连接，用于实现无线电传播功能。所述贴片天线为板式结构，所述贴片天线的第二面设置有标准接口，其可与细胞单元上的标准接口通过磁吸附的方式机械连接，所述贴片天线的第一面则设置有阵列天线，用于实现无线电传播功能。为了便于拆装，在本发明的一个实施例中，所述贴片天线的第一面还设置有把手，所述把手可有多个，并优选设置于所述贴片天线的两端。

在本发明的一个实施例中，所述细胞单元为立方体结构，包括壳体、至少一个标准接口以及管理模块，其中，所述标准接口可设置于所述壳体的任意一侧的第一表面，所述标准接口用于承担机械连接、通信连接、供电等作用，所述管理模块设置于细胞单元内部。图3示出本发明一个实施例的一种用于细胞卫星的细胞单元的结构示意图。如图3所示，所述标准接口包括通电接口311、通信模块312以及磁吸模块，其中：

所述通电接口311，其包括顶针及弹片，其中，所述弹片设置于所述标准接口内部，与所述管理模块302连接，所述顶针对应于所述弹片的位置设置，当两个细胞单元连接后，顶针内缩，与所述弹片接触，进而与所述管理模块连通，以实现模块身份、就位状态的识别以及提供供电传输；

所述通信模块312包括数据接口，在本发明的一个实施例中，所述数据接口包括2个环状数据接口，且其采用LVDS协议实现数据交互及通信；以及

所述磁吸模块包括正磁极以及负磁极，用于各细胞单元之间的机械连接，在本发明的一个实施例中，如图3所示，所述正磁极331与所述负磁极332交替间隔布置，形成圆环形状的磁吸模块，围绕在所述通信模块312的外部。

在本发明的一个实施例中，所述标准接口还可以与电机通过传动装置连接，进而使得所述标准接口可沿壳体轴线转动。

所述管理模块302设置于所述细胞单元的内部，包括：

节点自识别芯片321，与所述通电接口311可通信地连接，用于识别管理协调连接的其他标准单元；

无线模块322，用于各立方星内部的备份数据传输；

锂电模块323，与所述磁吸模块电连接，用于为细胞单元提供基本用电，以保证无外接能源情况下，所述细胞单元内部的基本用电和电磁接口用电需求；

电源管理模块324，用于对所述细胞单元的电源使用进行管理，并且提供5V内电；以及

电磁解锁模块325，与所述磁吸模块可通信地连接，主要用于管理所述细胞单元的各个标准接口的磁吸模块，进而控制细胞单元与其他细胞单元的机械连接。

应当理解的是，根据不同细胞单元的功能不同，所述管理模块中还可根据需求增加相应的模块或器件，以实现更多的功能。

在本发明的实施例中，所述细胞卫星的主体结构中所包含的细胞单元通常包括：综合电子单元、能源单元、推进单元、姿控单元以及三轴旋转单元。

所述综合电子单元用于控制整星的信息处理与交互，各分系统算法实现，能源调配，GNSS信号接收与处理，功能进化升级，细胞星重组路径规划等任务。所述综合电子单元为所述细胞卫星在轨扩展和重构的核心部件，也是软件任务规划以及数据处理的主体，因此，所述综合电子单眼的各面均设置有标准接口，即其各面均可与其他细胞单元进行连接。

所述能源单元用于整星的能源供应，包括蓄电池组。其中，所述蓄电池组由若干电池成组配制而成，具体的电池数量可根据卫星实际需求配置。所述蓄电池组在在轨运行期间与安全模式期间，释放电能，对星上设备供电。通过细胞单元管理模块中的电源管理模块可实现对一次电源的管理和二次电源供配电，其中，所述一次电源管理是指对所述能源单元的电源管理，以及所述二次电源供配电是指对卫星其他单元或模块的供配电管理。所述电源管理模块包括对蓄电池组充放电的控制、电源分系统所需接口。

所述推进单元用于负责整星的推进变轨功能，包括推力器以及燃料储箱。其中，所述推力器布置于所述推进单元一侧壳体的第一表面，且可在一定角度内自由转动，为卫星提供推力，以用于轨道维持和姿态调控。以及所述燃料储箱布置于所述推进单元的内部，用于储存相应的燃料，为所述推力器供能。为更好地为细胞卫星提供推进力，所述推进单元优选设置于所述细胞卫星的最外层，且安装有推力器的一侧垂直于飞行方向设置。

所述姿控单元用于调整卫星的整星姿态。在一颗卫星中可包含一个或多个姿控单元，且所述多个姿控单元可进行三轴正交组合，以实现三自由度的控制能力。所述姿控单元包括动量轮、磁力矩器、星敏感器以及三轴陀螺仪。其中，所述动量轮安装于所述姿控单元内部，用于控制卫星姿态，以保持系统角动量一定。所述磁力矩器安装于姿控单元内部，可与其所处地磁场相互作用，进而产生磁控力矩，用以对卫星进行姿态控制或动量轮卸载管理。所述星敏感器设置于所述姿控单元的内部上，但其感光部分通过壳体上的通孔露出于壳体表面，所述星敏感器可通过敏感恒星辐射来测定卫星相对于天球坐标系的三轴姿态，并输出给所述综合电子单元，确定姿态调整方案。所述三轴陀螺仪安装于所述姿控单元的内部，用于感知卫星自身姿态变化情况，并将相关数据传输给所述综合电子单元，形成调姿方案。在发明的实施例中，所述动量轮、磁力矩器、星敏感器以及三轴陀螺仪的数量可根据实际需求设置。

所述三轴旋转单元可用于安装太阳翼，其包括三个一维转台，使得其能够满足不同方向的转动需求。所述一维转台设置于所述三轴旋转单元的内部，且分布在三个正交的方向上。任一所述一维转台包括电机以及传动机构，所述传动机构的一端与所述电机的转轴连接，另一端则与所述标准接口连接，使得所述标准接口能够在所述电机的带动下转动。

所述太阳翼可通过标准接口连接于所述三轴旋转单元的任意一面上。所述太阳翼包括标准接口以及帆板。其中，所述标准接口与细胞单元的标准接口结构相同，可通过磁吸附的方式与所述三轴旋转单元机械连接，进而通过通信模块及通电接口进行通信及供电。所述帆板可采用可折叠式帆板，其在发射时处于折叠状态，运行时展开，所述可折叠式帆板例如可以包括多个电池板，且任意所述电池板均通过可旋转的方式与相邻的电池板连接。

在本发明的一个实施例中，所述细胞卫星可不设置太阳翼，而是通过贴片太阳能模块获取能源。贴片太阳能模块的整体结构与所述贴片天线类似，仅第一面的设置略有不同，所述贴片太阳能模块的第一面设置有太阳能片，用于实现太阳能转化。

所述细胞卫星的热控采用辐射散热为主的热控方案。由于卫星在轨运行过程中，会有两个受阳面长时间受到太阳照射，两个交替受阳面交替受到太阳照射，一个背阳面以及一个对地面几乎不受到太阳照射，因此，在本发明的实施例中，可针对不同面采用不同的热控方案。例如，对于长时间受到太阳照射的两个受阳面而言，其接收的外部热量较高，因此，不宜作为散热面，而是应该进行隔热，交替受到太阳照射的两个交替受阳面则可根据实际需求设置散热面或进行隔热，以及背阳面及对地面则应作为散热面，其中，背阳面外热流最小，可作为主散热面，而对地面的外热流较为稳定，可作为辅助散热面。总体而言，所述细胞卫星通过高效的散热模块，将内部其他模块热量传导到热控模块，再由热控模块辐射到外空间的散热方式，此外，还可在相应面设置隔热组件，减小外热流的影响。

在本发明的一个实施例中，所述操作机器人包括至少一条机械臂以及控制器。所述机械臂的底部设置有标准接口，所述标准接口可以与细胞单元的标准接口连接，使得所述操作机器人可固定于细胞单元的表面。在本发明的一个实施例中，所述机械臂包括多个自由度。在本发明的一个实施例中，所述操作机器人包括一条机械臂，所述控制器安装于所述机械臂的底部，同时，所述机械臂包括夹持抓手，所述夹持抓手设置于所述机械臂的末端，可用于抓取细胞单元，也可用于抓取隔热组件、散热组件、贴片天线以及贴片太阳能模块的把手，进而实现细胞单元和/或其他模块、组件的替换及安装。图3示出本发明又一个实施例中的操作机器人的结构示意图。如图3所示，所述操作机器人包括三条机械臂1401以及一个控制器1402。所述控制器设置于机械臂的末端，一方面实现各机械臂的控制，另一方面实现三条机械臂的机械连接。所述机械臂为多自由度机械臂，且其底部设置有标准接口1411。在实际操作中，其中两条机械臂分别通过所述标准接口与预设装配位置左右两侧的细胞单元固定连接，剩余的一条机械臂抓取待安装的细胞单元，并移动至预设装配位置进行安装。为便于隔热组件、散热组件、贴片天线以及贴片太阳能模块等组件或模块的更换或安装，其中一条机械臂的底端可以不设置标准接口，而是安装夹持抓手。在本发明的一个实施例中，所述机械臂末端还可设置相机，所述相机用于实现态势感知。

如前所述的卫星系统，由于其各模块及单元均可在轨进行装配，这就使得所述卫星系统具备在轨可重构功能，在卫星发射后，综合电子单元可以接收地面任务指令，然后控制操作机器人，在轨替换各种细胞单元和/或载荷，基于原有卫星平台，可以替换、增加、删减相应细胞单元，在轨扩展卫星任务，实现卫星系统的在轨重构、扩展功能。此外，所述细胞卫星的各个细胞单元可以在地面装配形成卫星，作为整体发射，也可单独发射，在太空中完成装配。

下面以最小单元的细胞卫星为例，介绍细胞卫星在轨装配的过程，其中，所述最小单元的细胞卫星如图6a所示，包括综合电子单元601、推进单元602、能源单元603、姿控单元604、太阳翼605以及贴片天线606，其装配包括：

首先，通过操作机器人抓取推进单元至所述综合电子单元的第一侧，所述综合电子单元内置的节点自识别芯片识别到推进单元后，传输指令至综合电子单元靠近所述推进单元一侧的标准接口，与此同时，推进单元内置的节点自识别芯片同样识别到综合电子单元后，传输指令至推进单元靠近所述综合电子单元一侧的标准接口；

接下来，两个标准接口进行机械对接，此时，电磁解锁模块接收直流电指令，开启电磁锁锁紧状态，将综合电子单元与推进单元连接起来；

接下来，按照前述步骤类似的方式，将能源单元连接至综合电子单元的第二侧，所述第二侧优选为与第一侧相对的一侧，完成对接后，综合电子单元可对能源单元进行控制，进而实现任务调配以及能源调配；

接下来，按照前述步骤类似的方式，将两个姿控细胞分别连接至所述综合电子单元的第三侧以及第四侧，并将贴片天线连接至能源单元的一侧，其中，所述姿控细胞相对于与所述综合电子单元连接一侧的标准接口与姿控细胞内部的电机连接，使得所述标准接口能够沿该侧壳体的轴线转动；以及

最后，将太阳翼连接至与电机连接的标准接口上，使得其能够根据卫星姿态、位置实时调整角度，进行储能。

细胞卫星整星入轨后，综合电子单元将根据最初的任务指令，对各个细胞单元进行任务分配，以及能源单元将对各个细胞单元进行能源分配，各细胞单元上电后，接收到任务即开始启动正常工作。如前所述，在本发明的实施例中，能源及任务分配、以及数据传输过程均通过各细胞单元表面的标准接口完成，所述标准接口既是细胞单元间的关键承力结构，也是细胞单元间用来传输供电、信息、机械、导热、数据的通用接口。

基于如前所述的卫星系统，所述细胞卫星能够支持在轨任务进化，当综合电子单元接收到任务更新或更换指令时，其进行在轨软件加注，并将新任务或指令分配至相应的细胞单元。所述操作机器人可根据新的任务指令在轨转移各细胞单元，进行细胞星整星的任务进化与物理重构。图4示出本发明一个实施例中一种模块化卫星的在轨多维扩展进化方法的流程示意图。如图4所示，所述卫星的在轨多维扩展进化包括：

首先，在步骤401，接收任务或指令。通过综合电子单元接收任务或指令，并将任务或指令分配至相应的细胞单元和/或操作机器人；在本发明的一个实施例中，所述任务或指令由地面站发送，例如可以包括软件升级、硬件升级、细胞单元更换或扩展等，在本发明的又一个实施例中，所述任务或指令由所述综合电子单元生成，具体包括：

所述综合电子单元实时检测各细胞单元的工作状态，一旦出现异常，则生成检修任务，并发送至操作机器人；

接下来，在步骤402，软件重构。若细胞单元收到软件升级或硬件升级的任务或指令，则根据所述任务或指令进行软件重构；以及

同时，在步骤403，物理重构。所述操作机器人根据细胞单元更换或扩展指令、和/或综合电子单元发送的检修任务，对细胞单元进行在轨检修和/或物理重构：

所述操作机器人接收到检修任务后，移动至出现异常的细胞单元，进行在轨检修，若所述细胞单元需要进行替换，则首先通过综合电子单元启动备用细胞单元，然后由所述操作机器人取下异常细胞单元，并将备用细胞单元安装至原有位置。所述异常细胞单元可

通过推进器推离原有轨道；以及

所述操作机器人接收到细胞单元更换或扩展指令后，首先通过综合电子单元启动待安装的细胞单元，然后所述操作机器人抓取所述待安装的细胞单元，移动至预设安装位置，将预设安装位置两侧的细胞单元分开，然后将待安装的细胞单元安装至预设安装位置，如图5所示，替换下来的细胞单元可通过推进器推离原有轨道。

在本发明的一个实施例中，所述操作机器人通过三条机械臂交替吸附至不同细胞单元表面的方式移动。

基于上述物理重构的方法，对于如图6a所示的最小单元的细胞卫星，可在轨增加一个或多个推进单元、和/或能源单元、和/或姿控单元、和/或贴片天线等其他细胞单元或模块，并根据指令对各细胞单元进行重新排布，进而在轨扩展进化为如图6b或6c所示或其他的形式。

在本发明的一个实施例中，当无新的任务指令，且没有细胞单元毁损时，操作机器人上设置的相机开始工作，执行卫星周围的态势感知任务，检验是否有安全威胁。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (6)

1.一种模块化卫星的在轨多维扩展进化方法，其特征在于，所述模块化卫星由多个细胞单元组成，所述多个细胞单元之间通过标准接口实现连接及通信，所述在轨多维扩展进化方法包括步骤：

通过综合电子单元接收地面站发送的任务或指令，并将任务或指令分配至相应的细胞单元和/或操作机器人；

通过综合电子单元实时检测各细胞单元的工作状态，一旦出现异常，则生成检修任务，并发送至操作机器人；

若细胞单元收到软件升级或硬件升级的任务或指令，则根据所述任务或指令进行软件或硬件重构；以及

所述操作机器人根据细胞单元更换或扩展指令、和/或检修任务，对细胞单元进行物理重构和/或在轨检修，包括：

接收到检修任务后，所述操作机器人移动至出现异常的细胞单元，进行在轨检修，若所述细胞单元需要进行替换，则通过综合电子单元启动备用细胞单元，并通过所述操作机器人取下异常细胞单元，并将备用细胞单元安装至原有位置；以及

接收到细胞单元更换或扩展指令后，所述操作机器人通过综合电子单元启动待安装的细胞单元，然后抓取待安装的细胞单元移动至预设安装位置，将预设安装位置两侧的细胞单元分开，然后将待安装的细胞单元安装至预设安装位置。

2.如权利要求1所述的在轨多维扩展进化方法，其特征在于，所述软件升级指令、硬件升级指令、以及细胞单元更换或扩展指令由地面站发送。

3.如权利要求1所述的在轨多维扩展进化方法，其特征在于，所述检修任务由所述综合电子单元生成。

4.如权利要求1所述的在轨多维扩展进化方法，其特征在于，所述物理重构包括细胞单元的更换、增加以及删减。

5.如权利要求1所述的在轨多维扩展进化方法，其特征在于，还包括，通过推进器将替换下来的细胞单元推离原有轨道。

6.如权利要求1所述的在轨多维扩展进化方法，其特征在于，所述操作机器人包括三条多自由度的机械臂，其通过所述三条多自由度的机械臂交替吸附至不同细胞单元表面移动。