2.2 小微卫星自动化技术

小微卫星的航天任务由它在轨自动执行，因此，卫星的自动化技术是完成航天任务的基础。加强卫星的自动化水平是提升小微卫星性能的重要条件。实质上，卫星就是一台复杂的自动化系统。在阐述小微卫星总体设计之前，先梳理一下卫星自动化技术是有好处的，便于以后的说明。本书所阐述的新型小微卫星制造技术，就是基于自动化技术设计、制造小微卫星的技术。从自动化技术出发，实现小微卫星的模板化、数字化，使其可软件定义和即插即用。

2.2.1 卫星自动化技术的内容

2.2.1.1 卫星自动化的定义

在轨道上，卫星处于现场无人干预的情况之下，要求按规定的程序或指令自动地运行、操作或控制，或者根据现场状况的识别和学习，用获取的知识实施运转管理。这个运转过程就是卫星自动化（Automation in Satellite），即卫星自动地开始和停止动作、自动地获取和传送信息、自动地调整和稳定状态参数、自动地激活和结束任务。应该强调一点，在这里，自动化的概念除了指代替人自动地完成特定的作业之外，还有更深远的意思。从范围方面来说，它不仅涉及卫星在轨运行过程，还涉及卫星生命周期的其他全部过程。从内涵方面来说，它不仅限于代替人实现操控卫星，还实现了卫星和操控它的人或应用它的人之间的协同一致，交互地完成相应的动作，达到预定的发射卫星的目标。从所处理的对象类型来说，它既有连续过程，又有离散事件。从星上设备来说，它们各自在不需要人工直接干预的情况下，按预期的目标实现测量、操纵，同时相互配合，共同完成星上的信息处理和过程控制、运动控制。从在轨生存环境来说，卫星处于高真空、无大气层保护的宇宙辐照环境、微重力条件之下，入轨前要经历恶劣的运输过程、经过强震动和冲击，所以，卫星自动化是一项复杂的、先进的，又引人入胜的技术和工作，是一项综合性、多系统、具有特殊性的工作。

卫星自动化技术就是探索、研究和实现卫星自动化过程的方法和技术。它是既涉及机械、微电子、计算机等技术领域，又涉及各种应用领域的一门综合性技术。卫星自动化技术是一种运用控制理论、控制程序、系统方法、仪器仪表、计算机和其他信息技术，对星上设备和卫星运行过程进行检测、控制、优化、调度、协作、管理和决策，实现卫星正常运行、提高卫星服务质量、降低星上消耗、确保卫星安全等目的的综合性技术。它主要包括卫星自动化软件、硬件和系统三大部分。卫星自动化技术作为航天器制造和应用领域中最重要的技术之一，要解决的主要问题是卫星应用的可行性和达到应用效益的程度。虽然卫星自动化系统本身并不直接创造卫星应用的效益，但它对卫星运行过程有明显的影响，它对卫星应用带来的效益有提升作用，所以，卫星自动化不仅要保障卫星应用系统（有效载荷）的正常工作条件，而且还给应用效果提供了一项大的加权系数。只有卫星自动化性能优秀，加权系数远远大于1，卫星应用效益才能获取成倍地增长，否则应用效益会打折扣，甚至失败。这就表明，应该足够重视卫星自动化技术工作的进步。

2.2.1.2 卫星自动化的基本内容

在现代科学技术领域中，计算机技术和自动化技术被认为是发展最快的两个分支，它们对人造卫星技术的发展给予了极大的推动，逐渐形成卫星自动化技术。概括起来说，它包括三方面基本内容：自动控制技术、远距离测控技术和自主管理技术，如图2-2-1所示。由此可见，如果没有自动化技术，卫星难以得到应用和发展。计算机技术推进了自动化技术的发展。反过来，空间技术的发展又推进了自动化技术、牵引了计算机技术。

卫星自动化的广泛应用，既能够提高卫星设备的技术水平、节约能源、降低消耗，促进卫星的平台化、柔性化和集成化，又能够提高卫星服务质量、开发多样卫星品种、加快卫星研发速度以及增强国内外市场竞争能力，还能够管理和改善卫星运行环境、条件，保证卫星运行安全可靠，延长卫星在轨的生存寿命。因此，在设计、制造卫星时，不能不特别重视它的自动化水平的提升。其中，自动控制包括有过程控制、运动控制和操作控制等。远距离测控包括遥测、遥信、遥控、遥调、遥感、遥操作等。自主管理包括智能代理、智能控制、在轨自测试（内建测试）、健康管理、自主容错和安全保护等。

因此，卫星自动化成为确保卫星功能和质量的重要手段，特别是，在实现小微卫星工业化方式生产和多星组网方式应用的情况下，卫星自动化是一个离不开的强有力的工具。卫星自动化也伴随空间飞行器的研发不断发展，形成卫星过程控制、运动控制的产品和程序控制通用产品（硬件和软件），它们对于卫星自动化和卫星制造，都是很重要和急需的。目前，我国卫星自动化通用产品在一般意义下来说是不充实的，多数产品只是与具体卫星型号挂钩，临时研制、生产。这样既延误进度，又不能确保可靠，还增加了成本。形成卫星自动化通用产品是提升小卫星技术的战略行为。

在这一节，著者讲述卫星自动化的基本范畴，其目的是强调需要建立、研发、生产卫星用自动化产品，形成规范齐全的市场化的产品。它是建造卫星的基础，应该在卫星设计之前已经完善。卫星设计灵活地选用自动化的各种“货架”产品，对卫星技术的提升有特殊的作用。预先建造卫星用自动化产品，它的贡献不低于卫星本身或卫星总体的作用，它是底层基础。因此，提倡有能力的高校和基础技术研究所，深入扎实地开发一批卫星自动化“货架”产品，这对我国航天事业有极大的贡献。这种想法与美国提出的“作战响应空间计划”（ORS）类同。美国首先制定10项标准文件约束上游厂方，生产各类“即插即用”卫星产品。然后，基于这些产品，作为插件，快速组装各种小卫星。没有这些标准插件，是不可能实现“即插即用”的。基于国内现状，先建标准插件后装卫星存在一些困难，不易实现。这样，小卫星星务系统借助自研的通用MCM芯片——管理执行单元（MEU）——的过渡，对各种非兼容的星上设备再造，形成标准插件，快速组装各种小卫星。这是符合我国国情的。

2.2.2 卫星自动化系统的发展阶段

我国卫星领域自动化的发展过程大约经历了三个阶段：

2.2.2.1 第一阶段星上自动化

人们称它为（分离式）测控和过程/运动控制自动化，简称分离式自动化。如图2-2-2所示，分离式系统形成多种多样的分系统和独立设备，如遥测分系统、遥控分系统、姿控分系统、推进分系统、程控分系统、控温仪、一次电源分系统、二次电源分系统、配电器等。它们分别实施各自范围内的自动化工作。该自动化系统所包含的遥测、遥控、姿控、轨控、程控、温控、供配电控制、母线电压控制、蓄电池充放电控制等各种自动化部分，分属于许多不同的分系统。不同的设备相互独立，它们之间利用点对点连接方式，形成电缆-箱体结构，既连接又隔离，错综复杂，千头万绪，相互制约，相互干扰，从而带来卫星开发、维护的复杂性，增加了成本、重量和体积，增大了风险，延长了卫星研发周期。这样的系统结构简单，容易简化分别开发，对于航天事业初期的建设做出了贡献。其本质的特点是：分散式、点对点。其优点是部件开发启动快，常用于项目初期开发。其缺点也很明显，它会增加卫星整体的复杂度，使整星的性能较差，缺乏全星统一的和整体的优化，特别是大量的点对点连接电缆和接插件带来各部分的相互牵制和冲突，诱发卫星不能正常运行，严重时还会损坏设备，危及全星。

2.2.2.2 第二阶段星上自动化

它称为分布式测控和独立过程/运动控制自动化，简称分布式自动化。如图2-2-3所示，利用从欧洲太空局引进的数据管理技术，建立数据管理分系统（数管系统）和统一微波测控体制（USB应答机），将遥测和遥控的无线电射频部分分离出来，归并到应答机内，遥测和遥控剩余部分归口于数管系统中，数管系统新添加若干台远置单元。用数管主机（CTU）和若干远置单元（RTU）实现遥测分系统视频部分功能，用遥控单元实现遥控分系统视频部分的功能。第二代星上自动化系统在测控方面进行了部分集成和重组，但在过程/运动控制方面，如姿轨控、热控和电源控制，依然类同于第一代星上自动化，处于点对点连接方式的独立箱体状态。应该注意到，数管系统虽然结构体系有了变革，但是依然没有改变遥测和遥控原有对外接口关系，没有改变星上设备之间的接口关系，依旧保留点对点连接接口方式。RTU远置，靠近测量端、执行端，仅缩短电缆长度、减小干扰，从而形成数管系统的基本架构：

数管系统（OBDH）＝数管主机（CTU）+若干远置单元（RTU）（2-2-1）

数管系统采用计算机群组成系统，性能有所提升，形成分布式控制系统（Distributed Control System, DCS）的优越的格局。但是，由于它没有改变星上设备连接方式，依旧保留星上设备间的点对点连接方式，保留原有对外接口关系，保留电缆-箱体结构，从而也保留了上述设备点对点连接方式所带来的所有缺点。第二代星上自动化系统中大量采用了微处理器、微控制器，形成了大量计算机及其系统，各部件功能提升，但卫星整体能力还是受到限制的。究其原因，就是各优良的部件之间连接方式不良，其特点是：虽然具有优良的DCS结构，但受到点对点的限制，造成设备间信息传送和共享受阻。各分系统、各设备间的信息传送依然依托于信号特征，没有完全数字化，虽然有大量的计算机，但信息化效益有限，不容易集成整星资源，也不容易实现从顶向下的统一调度管理。

2.2.2.3 第三阶段星上自动化

它称为综合自动化。第三代星上自动化系统，是现场网络控制系统（Fieldbus Control System, FCS），称为卫星事务管理系统（Administrative System of Satellite Affairs, ASSA），简称星务系统，如图2-2-4所示。它将星上原本分离的测控和过程/运动控制合并在一起，将卫星测控的作业和测控的管理连接在一起，形成卫星的测、控、管统一的综合自动化系统。它的第一个主要特点是废除星上设备间的点对点连接方式，采用星上网方式，形成星上信息总线和供电母线，从而简化布线，有利于卫星生产和运行。为了实现星上网，在星上设备内均嵌入上网标准通用接口，达到对星上设备的测量和控制，并完成对设备的智能化管理。这个标准通用接口称为星务管理执行单元（Management Executive Unit, MEU），从而形成第三代星上自动化系统，即星务系统。它的基本架构是：

在小卫星开发过程中，把卫星综合自动化系统划分为两个层面。第一层面，即顶层层面称为卫星事务管理系统（星务系统），实现从上到下的监督控制（Surperviorse Control），这种控制称为管理控制，或顶层管理控制，或直接简称为管理。管理控制的特点是，它与时间的关系处于松耦合状态，即控制用信息源相伴随时刻、控制结果生存时刻或控制有效期等，均容许在一较宽的时间范围之内存在。第二层面，即底层层面的控制称为现场控制，它由星务管理执行单元和各类控制系统原始设备组成。这种现场控制称为即时控制，或现场操纵控制，或直接简称为控制，它与时间的关系处于紧耦合状态，产生控制的信息不容许时延，否则产生不稳定、失控等不良结果。应该指出，本书提及的管理和控制，其实都是控制的含义。将之区分为顶层管理控制和现场操纵控制，其目的是应对卫星在轨复杂的运行环境的实际需要，将卫星自动化系统作为一个大系统，进行分层处理。底层处于动态、快速、即时、闭环控制。顶层处于评估、分析、决策、指挥、计划、调度、监督控制。本书中对于控制和管理，有时将之合称为管控。在这里，采用分层次的测、控、管，旨在使星上各个设备处于“并行化”的工作方式。星上信息实现“并行化”处理构成第三代自动化系统的第二个主要特点，从而提升整星性能，降低对中心调度单元的严苛要求，确保全星的可靠性和安全性。关于这种利用星务主机和星务管理执行单元构成的全星多处理机系统的“并行作业”效益，将在本书各章分别涉及。

第三代星上自动化系统将第二代星上自动化系统的远置单元（RTU）改成星务管理执行单元（MEU），使设备之间的划分界面从第二代的“外置方式”变为第三代的“内嵌方式”，这虽然是一项很小的变动，却带来星上自动化的很大变革和效益。它使卫星设备之间的连接方式、接口方式有了本质上的变化。原本星上设备的连接方式是点对点，采用内嵌式技术后，星上设备之间的连接方式是总线、网络一对多连接方式，即各设备间互联的连接方式。接口方式是软件协议，不再重点考虑点间的硬件信号特性。这种互联和软件协议结构，带来卫星的设计、制造、运行管理、应用等诸多方面服务质量的提升和灵活性的加强。因此，第三代星上自动化系统的核心是星上网和内嵌式技术。它利用星务主机、星上网和若干内嵌式管理执行单元，将遥测、遥控、温控、电源控制、姿态控制、轨道控制、任务管理等各种运行管理和过程控制的信息部分（测、控、管）集成在一起，形成卫星顶层整体管理，相互之间不再采用点对点连接方式，而采用网线并联，以简化生产、方便维护、易于资源共享和在轨重建。管理执行单元实现了对宿主设备的测、控、管和联网功能，同时也能完成宿主设备自身的自动化控制。管理执行单元隔断了设备之间的信号接口，代之以数据信息接口，从而也消除了设备之间的许多信号干扰。

现代小微卫星处于第三代自动化阶段。它的关键点在于，星上设备采用信息网络结构，摈弃了点对点连接方式。图2-2-5表明了常规卫星与小微卫星的设备间连接方式的不同。在小卫星中，提倡“两条线”。其一，采用信息总线，减少设备间的大量遥测和遥控信号线，减轻设备间的交叉干扰；其二，采用供电母线，实现分散供电方式。可见，采用设备的母线连接方式带来许多好处：

（1）方便卫星建造，设备连接简单，适用于以即插即用方式生产卫星；

（2）减少接插件和减小电缆重量；

（3）减少平行电缆带来的信号干扰，提高卫星运行的可靠性；

（4）易于实现信息共享和性能提升，方便卫星的运行管理和在轨卫星维护；

（5）容易实施卫星平台化生产，提高卫星交付速度。

2.2.3 小微卫星自动化系统的进展

小微卫星的应用要求其自动化程度更高，不仅要求卫星运行管理能够自动化、自主化，而且要求卫星应用能够具有人工智能的自动化水准。关于高级智能化的小卫星技术，由于篇幅所限，著者将在另外的书籍中详细讲述。

2.2.3.1 小微卫星需要智能管理技术

智能在宇宙中是普遍存在的。人、动物、机器都有智能。智能是多层次的。基层智能是受到外界的刺激后作出的相应有益的反应。例如：费马原理认为一条实际光线通过变折射率的介质时，行进的路程是一个极值。反馈控制、自镇定、自寻优、自适应控制等都体现出智能的行为能力。再上一层的中层智能是感知智能。它与基层智能不同，它是经过处理过的，不是粗糙的原始信号、数据，而是具有严格内涵的概念、消息。高层智能就是思维智能。更高层智能就是行为智能。

“希望一号”小微卫星也具有一定智能。由于它的体积、重量、功耗受限，星上通信机在离开地面站后关机。关机前约定在下次经过指定地面站前自动开机。如果遇到星上故障或地面操作失误，卫星过顶该地面站时没有开机，从而失去星地联系，又无法建立下次的联系，就会造成事故。星上还存在其他类似的危险情况。因此，小微卫星运行管理是需要智能化的。

智能的基本要素是信息。一个智能化的小微卫星，首先应该广收信息，提取信息，积累信息，形成知识。“希望一号”小微卫星收集到星地通信丢失的信息后，经过分析、计算、处理，采取进入应急程序的决策，定时定期有规律地打开星上通信机，配合地面搜索程序，重新建立星地通信联络。

如果小微卫星要实现更高的自主性，它应具有一定的感知能力，例如卫星设备故障预防。由于空间粒子的辐照，产生星上设备的工作数据错误，智能管理系统应该“感知”到错误设备的严重性，发现设备是否进入危险期。如果提前让问题设备关机“休养”，则可释放粒子辐照积累的电荷，即“退火”，从而挽救设备使其不至于死亡。又如，感知卫星供电健康状况，控制用电大户的关机，提供诊断和救援的时间，避免全星失效。再如，感知星下云层状况，控制相机照相。对卫星自身和运行邻近环境的感知能力，是确保自主运行、延长生存期所必需的。此外，提高思维能力，进行学习积累，可以优化运行管理。

另外，小微卫星受限于条件，目前只能建成开放性的智能系统。所谓开放性的智能系统，是指星-地-人-机智能结合大系统。将星上智能与地面专家组智能集成，形成广义智能系统。为此，建立人-机友好交互、人-机自然对话、人-机合理分工的通信渠道显得格外重要。这都是智能卫星研究的第一部分内容。

2.2.3.2 高分遥感需要人工智能技术

遥感，顾名思义，即遥远的感知。它是一种远离目标，通过某种遥感装置，主要利用目标反射或者辐射的电磁波，在非直接接触研究对象的情况下测量、分析并判定目标性质的一门科学和技术。随着计算机科学和空间科学的进步，传感器技术、航空航天平台技术、数据通信技术得到飞速的发展，遥感技术同时也得到了迅速的发展。小微卫星及其构成的星群，作为大范围综合性的对地观测手段，所获得的遥感图像也呈现出空间高分辨率、光谱高分辨率和时间高分辨率的特点。然而，高分辨率图像数据的增多，又给小微卫星带来沉重的负担。随着遥感图像应用范围的变化，以及高分辨率遥感图像中存在的信息来源多样、目标结构多变、复杂背景干扰等特殊性，传统的针对中低分辨率图像的处理方法很难满足高分辨率遥感应用的需求。因此，迫切需要在充分认识高分辨率遥感图像数据特点的基础上，研究有针对性的数据处理和分析方法，提高遥感图像解译系统的自动化程度，并且在星上直接完成。这不但可以将人们从枯燥繁杂的图像判读工作中解放出来，而且能够提高遥感图像信息处理的时效性和准确性，在一定程度上突破了图像数据向有价值信息转化的瓶颈。

譬如，侦察卫星照相，应该自动进行图像处理，剔除云层，减少下行无用数据；应该自动进行图像搜索，确定目标存在范围，以利于快速鉴别和降低识别难度；应该自动进行图像理解，从传送巨大的图像数据提升到传递直接的目标消息，以加快信息交换速度，并且直接送达用户端应用。本质上，遥感图像理解作为一门基础应用学科，与机器视觉领域中的计算机视觉、人工智能和认知学等方法和理论有着密切的联系。图像理解是当今先进的自动化技术。

某文献提出了一套载荷系统信息处理总体架构，适用于多种遥感设备，提供智能化处理，如图2-2-6所示。它将智能载荷系统分成两部分。其一是通用的共享部分：载荷管控设备，它包括大容量存储器、数传设备、数据处理计算机和载荷数据管控中心。数据管控中心采用递阶结构，向上由星务集中管理，向下由载荷系统总体分散管理（二级管理）。这种“集中-分散”结合的管理模式，有利于小微卫星的批量制造，又有利于应对各种需要进行定制生产。其二是载荷专用部分：各种专用的“裸”遥感器。所谓“裸”，指仅获取遥感信号，无应用程序。当需要某一特定的遥感信息时，上注其应用程序，供给电源，启动其工作，从而获取遥感信号，生成相应的遥感信息，完成遥感任务。如果小卫星装备多种“裸”遥感器，或多用遥感器的话，也可以对在轨卫星的进行改造和软件重定义。