本發(fā)明屬于航天技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種無纜化可接受在軌服務(wù)衛(wèi)星，可通過無線信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平臺各個組成部分的管理和數(shù)據(jù)交換、可接受在軌模塊更換、并且還可接受在軌加注。

背景技術(shù)：

航天器在軌服務(wù)是指在空間通過人、機(jī)器人或兩者協(xié)同完成涉及延長各種航天器壽命、提升執(zhí)行任務(wù)能力的一類空間操作。在軌模塊更換和在軌加注是最典型的增效型在軌服務(wù)方式。通過模塊更換和在軌加注可恢復(fù)、維持或提升航天器的應(yīng)用效能，實(shí)現(xiàn)故障模塊、消耗性物品等的替換和補(bǔ)充，確?？臻g系統(tǒng)正常工作，延長其使用壽命。

目前最典型的在軌服務(wù)技術(shù)驗(yàn)證是軌道快車(orbitexpress)，軌道快車由“太空自動化運(yùn)輸機(jī)器人”(astro)與“未來星/貨艙飛行器”(nextsat)組成。其中，astro是一種面向在軌服務(wù)的空間平臺，具備很強(qiáng)的機(jī)動變軌能力，能夠迅速進(jìn)入目標(biāo)星軌道；配備有高度自動化的機(jī)械臂系統(tǒng)，具備較強(qiáng)的在軌操作能力，能夠初步代替宇航員完成太空作業(yè)。進(jìn)入太空之初，雙星相連，相互交換有關(guān)數(shù)據(jù)，然后兩星分離，astro設(shè)法捕獲nextsat，一旦鎖定nextsat且趕上它后，astro伸出機(jī)械臂，將nextsat拉回身邊，然后完成在軌模塊更換、在軌加注等演示任務(wù)。

軌道快車計(jì)劃是在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展史上具有里程碑意義的重大事件，驗(yàn)證了在軌服務(wù)技術(shù)的可行性。但是后續(xù)并沒有取得實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用。軌道快車的設(shè)計(jì)理念主要用于技術(shù)驗(yàn)證，并沒有從系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程實(shí)用的角度考慮航天器的接受服務(wù)設(shè)計(jì)。為了將在軌服務(wù)的理念貫穿到航天器的常規(guī)設(shè)計(jì)中，必須從系統(tǒng)級設(shè)計(jì)層面加以考慮，尤其是簡化模塊的更換方式和通信方式?？筛鼡Q模塊的配置和布局根據(jù)衛(wèi)星的實(shí)際功能需求加以考慮，使得在軌模塊更換能夠便于操作，切實(shí)提高提高衛(wèi)星的壽命和對多任務(wù)的適應(yīng)性。

在現(xiàn)有技術(shù)中，傳統(tǒng)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)網(wǎng)對衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和構(gòu)型布局的約束使得衛(wèi)星設(shè)計(jì)缺乏針對性、靈活性和可擴(kuò)展性，連接星內(nèi)各分系統(tǒng)的接口硬件和線纜的重量占了衛(wèi)星整體重量的10％～15％，嚴(yán)重約束構(gòu)型布局，增加了在軌更換的難度。

因此，急需一項(xiàng)技術(shù)，能夠采用無纜化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把一個衛(wèi)星按功能分解為有效載荷、動力、能源、通信等模塊，這些模塊采用無線連接，優(yōu)化航天器的設(shè)計(jì)，消除數(shù)據(jù)網(wǎng)布線對 構(gòu)型布局的設(shè)計(jì)約束，模塊能夠?qū)崟r接入和移除，模塊的拆卸和安裝都很方便，方便在軌模塊更換的實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)的需求，為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種功能實(shí)用，布局靈活、具備接受在軌服務(wù)能力的衛(wèi)星，通過無線信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平臺各個組成部分的管理和數(shù)據(jù)交換，可接受在軌模塊更換，可接受在軌加注。

本發(fā)明提供了一種無纜化可接受在軌服務(wù)衛(wèi)星，包括：衛(wèi)星本體，作為主支撐結(jié)構(gòu)；可更換模塊，被布置在衛(wèi)星主體的外部，以便于實(shí)現(xiàn)模塊更換；被動對接機(jī)構(gòu)，用于接受在軌氣液加注；以及無線通信系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)平臺各個組成部分的管理和數(shù)據(jù)交換，其中，采用無線總線支持衛(wèi)星內(nèi)部各模塊的實(shí)時接入和移除。

在本發(fā)明中，可更換模塊為空間在軌可更換模塊并且至少包括：1個大尺寸的可更換模塊，用于裝載大體積的可更換單元；以及2個小尺寸的可更換模塊，用于裝載小體積的可更換單元。

額外地，在衛(wèi)星主體的艙外還包括：3個太陽敏感器，用于測量太陽矢量相對于衛(wèi)星本體的方位，從而提供衛(wèi)星姿態(tài)信息；8個推力器，用于執(zhí)行衛(wèi)星姿態(tài)控制；2個全向測控天線，它們相對安裝，用于對地直接進(jìn)行測控與數(shù)傳；2個中繼測控天線，用于在地面測控站無法測控的位置，通過中繼衛(wèi)星進(jìn)行測控與數(shù)傳；4個太陽翼壓緊點(diǎn)，用于在發(fā)射時固定太陽翼；1個火工切割器，用于展開太陽翼；1個磁強(qiáng)計(jì)頭部，用于對衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行確定；1個10l單組元貯箱，用于存儲推進(jìn)劑；以及1個被動對接機(jī)構(gòu)，用于與服務(wù)航天器進(jìn)行對接。

另外，衛(wèi)星主體的艙內(nèi)被分為上下兩層，其中，上層放置有：用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的2個動量輪和3個磁力矩器、用于衛(wèi)星姿態(tài)確定的1個磁強(qiáng)計(jì)線路、用于向中繼衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星相關(guān)各類遙測數(shù)據(jù)的1個s頻段中繼終端，以及下層放置有：用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的1個動量輪、用于對地直接進(jìn)行測控與數(shù)傳的1個測控天線網(wǎng)絡(luò)、用于短時調(diào)整姿態(tài)時進(jìn)行敏感測量的1個光纖陀螺、用于輔助推力器工作的3個燃料過濾器、1個氣液加排閥和2個自鎖閥。

具體地，空間在軌可更換模塊中的每個均包括：機(jī)械臂抓持裝置；在軌更換模塊本體，其中放置有易于損壞且便于更換的設(shè)備，其中，在1個大尺寸的可更換模塊中放置有星務(wù)計(jì)算機(jī)，而在2個小尺寸的可更換模塊中放置有蓄電池；模塊接口適配器；以及模塊安裝板，被固定在航天器上，其中，在軌可更換模塊本體中還根據(jù)需要空置或安裝所需其它任意設(shè)備。

被動對接機(jī)構(gòu)具有：氣電液接口，用于在與服務(wù)衛(wèi)星對接之后，接受在軌加注服務(wù)。

無線信息系統(tǒng)至少包括：星務(wù)計(jì)算機(jī)，通過高速無線網(wǎng)絡(luò)與分系統(tǒng)下位機(jī)連接，用于完 成整星的所有管理功能，其中，管理功能至少包括數(shù)據(jù)管理、姿軌控管理、星地上下行數(shù)據(jù)鏈路管理、溫控管理、時間管理及有效載荷管理；分系統(tǒng)下位機(jī)，通過低速無線網(wǎng)絡(luò)與各個終端節(jié)點(diǎn)連接，用于為各類傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供輸入和輸出管理，從而實(shí)現(xiàn)遙測采集和開關(guān)指令的發(fā)送；以及終端節(jié)點(diǎn)，用于實(shí)現(xiàn)各分系統(tǒng)的智能數(shù)據(jù)采集處理和指令的執(zhí)行。

額外地，無線信息系統(tǒng)采用的是由低速無線網(wǎng)絡(luò)和高速無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的高低速混合無線網(wǎng)絡(luò)。

因此，本發(fā)明的技術(shù)方案相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下的有益效果：

1)從系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程實(shí)用的角度考慮航天器的接受服務(wù)設(shè)計(jì)，將在軌服務(wù)的理念貫穿到航天器的常規(guī)設(shè)計(jì)中，從系統(tǒng)級設(shè)計(jì)層面加以考慮，尤其是簡化模塊的更換方式和通信方式，可更換模塊的配置和布局根據(jù)衛(wèi)星的實(shí)際功能需求都加以考慮，使得在軌模塊更換能夠便于操作，切實(shí)提高了提高衛(wèi)星的壽命和對多任務(wù)的適應(yīng)性；

2)在星內(nèi)采用無線通信的設(shè)計(jì)模式，消除了通信網(wǎng)布線對衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和構(gòu)型布局的約束，使得衛(wèi)星模塊的構(gòu)型布局也可以根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)計(jì)，模塊的拆卸和安裝都很方便，具備即插即用的能力，使得在軌模塊更換任務(wù)很容易實(shí)現(xiàn)；以及

3)設(shè)計(jì)的被動對接裝置能夠與服務(wù)衛(wèi)星對接，與服務(wù)衛(wèi)星處于組合體狀態(tài)，輔助在軌服務(wù)操作完成，并且具備氣電液接口，能夠接受在軌加注服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)易耗物資的補(bǔ)給，進(jìn)一步延長了衛(wèi)星壽命。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的無纜化可接受在軌服務(wù)衛(wèi)星的整體構(gòu)型圖；

圖2為本發(fā)明的無纜化可接受在軌服務(wù)衛(wèi)星的外上部構(gòu)型圖；

圖3為本發(fā)明的無纜化可接受在軌服務(wù)衛(wèi)星的外下部構(gòu)型圖；

圖4為本發(fā)明的無纜化可接受在軌服務(wù)衛(wèi)星的內(nèi)部上層構(gòu)型圖；

圖5為本發(fā)明的無纜化可接受在軌服務(wù)衛(wèi)星的內(nèi)部下層構(gòu)型圖；

圖6為可在軌更換模塊的組成構(gòu)型圖；以及

圖7為無線信息系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

應(yīng)了解，本發(fā)明的具備接受在軌服務(wù)功能的衛(wèi)星，包括衛(wèi)星本體、在軌可更換模塊、被動對接機(jī)構(gòu)、無線信息系統(tǒng)。衛(wèi)星本體為主支撐結(jié)構(gòu)，可更換模塊和被動對接機(jī)構(gòu)布局在衛(wèi)星的外部，無線信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平臺各個組成部分的管理和數(shù)據(jù)交換。在保證配置簡單、經(jīng)濟(jì)可行、尺寸緊湊的基礎(chǔ)上，具備接受在軌模塊更換和接受在軌加注的能力。本發(fā)明在星內(nèi)采 用無線通信的設(shè)計(jì)模式，消除了通信網(wǎng)布線對衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和構(gòu)型布局的約束，具備模塊即插即用的能力，從而便于在軌模塊更換的實(shí)施。并可以通過對接機(jī)構(gòu)被動部分接受在軌氣液加注。

本發(fā)明的衛(wèi)星整體為長方形，模塊布局在衛(wèi)星外部和內(nèi)部的上下層，結(jié)構(gòu)緊湊。下面結(jié)合附圖1-7及具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

如附圖所示，本發(fā)明的具備可接受在軌服務(wù)功能的衛(wèi)星包括衛(wèi)星本體、在軌可更換模塊、被動對接機(jī)構(gòu)、無線信息系統(tǒng)。衛(wèi)星艙外包括：1個大尺寸可更換模塊1，裝載體積較大的可更換單元，如星務(wù)計(jì)算機(jī)27；2個小尺寸可更換模塊9，裝載體積較小的可更換單元如蓄電池或備用；3個太陽敏感器5，測量太陽矢量相對于衛(wèi)星本體的方位，可提供衛(wèi)星姿態(tài)信息；8個推力器6，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)控制；全向測控天線a2，全向測控天線b8，二者相對安裝，對地直接進(jìn)行測控與數(shù)傳；2個中繼測控天線3，在地面測控站無法測控的位置通過中繼衛(wèi)星進(jìn)行測控與數(shù)傳；4個太陽翼壓緊點(diǎn)11，用于發(fā)射時固定太陽翼；1個火工切割器12，用于展開太陽翼；1個磁強(qiáng)計(jì)頭部7，用于衛(wèi)星姿態(tài)確定；1個10l單組元貯箱4，存儲推進(jìn)劑；1個航天器被動對接機(jī)構(gòu)10，用于與服務(wù)航天器對接。

艙內(nèi)分為兩層，靠上放置有：2個動量輪16，用于衛(wèi)星姿態(tài)控制；3個磁力矩器14，用于衛(wèi)星姿態(tài)控制；1個磁強(qiáng)計(jì)線路13，用于衛(wèi)星姿態(tài)確定；1個s頻段中繼終端15，向中繼衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星各類遙測數(shù)據(jù)?？肯路胖糜校?個動量輪18，用于衛(wèi)星姿態(tài)控制；1個測控天線網(wǎng)絡(luò)17，用于對地直接進(jìn)行測控與數(shù)傳；1個光纖陀螺21，用于短時調(diào)整姿態(tài)時進(jìn)行敏感測量；3個燃料過濾器22，1個氣液加排閥19，2個自鎖閥20，用于輔助推力器6工作。

如圖1、圖2和圖3所示，可更換模塊1和9布局在衛(wèi)星外部，便于實(shí)施在軌模塊更換操作。如圖1、圖2和圖3所示，通過一套相對安裝的全向測控天線2和8保證在地面測控站可以跟蹤的位置對地直接進(jìn)行測控與數(shù)傳。如圖1所示，通過一套對天的中繼測控天線3，在地面測控站無法測控的位置通過中繼衛(wèi)星進(jìn)行測控與數(shù)傳。如圖1、2、4所示，通過太陽敏感器5、磁強(qiáng)計(jì)6和7、光纖陀螺21的配置完成衛(wèi)星姿態(tài)測量，其中太陽敏感器5和磁強(qiáng)計(jì)6和7負(fù)責(zé)敏感參考基準(zhǔn)，光纖陀螺21負(fù)責(zé)短時調(diào)整姿態(tài)時進(jìn)行敏感測量。如圖3和4所示，通過動量輪16和18、磁力矩器14、推力器18的配置方案實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制。

為了實(shí)現(xiàn)本衛(wèi)星的在軌模塊更換，如圖2所示，服務(wù)航天器與本衛(wèi)星通過對接機(jī)構(gòu)10拉緊并進(jìn)行剛性連接，組合體間實(shí)現(xiàn)連接并導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)兩航天器的對接，可以完成氣液的加注服務(wù)。被動對接機(jī)構(gòu)10具備氣電液接口，本衛(wèi)星與服務(wù)衛(wèi)星對接后，可以通過被動對接機(jī)構(gòu)的氣液接口接受在軌加注服務(wù)。

如圖5所示，空間在軌更換模塊包括機(jī)械臂抓持裝置23、在軌可更換模塊本體24、模塊接口適配器25、模塊安裝板26，模塊安裝板26固定于航天器上。

服務(wù)航天器與本衛(wèi)星完成對接后，服務(wù)航天器接管本衛(wèi)星的姿軌控、星務(wù)處理、遙測。本衛(wèi)星轉(zhuǎn)入被接管模式，姿軌控停控，停止遙測等工作，本衛(wèi)星的星務(wù)計(jì)算機(jī)27轉(zhuǎn)為服務(wù)航天器的下位機(jī)。若假設(shè)可更換模塊1為故障模塊。服務(wù)航天器所攜帶機(jī)械手通過機(jī)械臂抓持裝置23抓住故障模塊后，本衛(wèi)星故障模塊的模塊接口適配器25和模塊安裝板26執(zhí)行機(jī)械解鎖。機(jī)械手將故障模塊移出本衛(wèi)星。機(jī)械手將故障模塊轉(zhuǎn)移至服務(wù)航天器預(yù)留的貨艙中。機(jī)械手抓住更換模塊后，將更換模塊從服務(wù)航天器貨艙移出，并將更換模塊轉(zhuǎn)移至模塊安裝板26處，實(shí)現(xiàn)模塊接口適配器25和模塊安裝板26的對準(zhǔn)。機(jī)械手插入更換模塊。更換模塊與本衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)機(jī)械接口的鎖緊。本衛(wèi)星的星務(wù)計(jì)算機(jī)27自檢，確保更換模塊接入后可以正常工作。同時，確保兩航天器分離后，本衛(wèi)星功能處于正常工作狀態(tài)。然后，服務(wù)航天器與本衛(wèi)星解鎖分離，本衛(wèi)星轉(zhuǎn)入正常工作模式。

本發(fā)明的衛(wèi)星是通過無線信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整星的管理。如圖6所示，無線信息系統(tǒng)包括星務(wù)計(jì)算機(jī)27通過高速無線網(wǎng)絡(luò)28和分系統(tǒng)下位機(jī)29連接，分系統(tǒng)下位機(jī)29通過低速無線網(wǎng)絡(luò)30和各個終端節(jié)點(diǎn)31連接。工作時，星務(wù)計(jì)算機(jī)27完成整星的所有管理功能，包括數(shù)據(jù)管理、姿軌控管理、星地上下行數(shù)據(jù)鏈路管理、溫控管理、時間管理及有效載荷管理。分系統(tǒng)下位機(jī)29為各類傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供輸入/輸出管理，完成遙測采集和開關(guān)指令的發(fā)送功能。終端節(jié)點(diǎn)31完成各分系統(tǒng)的智能數(shù)據(jù)采集處理和指令執(zhí)行。

如圖6所示，無線信息系統(tǒng)是基于zigbee協(xié)議的低速無線網(wǎng)絡(luò)30和基于wifi協(xié)議的高速無線網(wǎng)絡(luò)28構(gòu)建的高低速混合無線網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)31通過zigbee協(xié)議與分系統(tǒng)下位機(jī)29傳輸數(shù)據(jù)和指令。分系統(tǒng)下位機(jī)29完成協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，通過wifi協(xié)議將數(shù)據(jù)匯聚到星務(wù)計(jì)算機(jī)27。星務(wù)計(jì)算機(jī)對分系統(tǒng)下位機(jī)29和終端節(jié)點(diǎn)31的無線接入和工作模式進(jìn)行設(shè)定和控制。

綜上所述，通過本發(fā)明，使得在軌模塊更換能夠便于操作，切實(shí)提高了提高衛(wèi)星的壽命和對多任務(wù)的適應(yīng)性，消除了通信網(wǎng)布線對衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和構(gòu)型布局的約束，使得衛(wèi)星模塊的構(gòu)型布局也可以根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)計(jì)，模塊的拆卸和安裝都很方便，具備即插即用的能力，使得在軌模塊更換任務(wù)很容易實(shí)現(xiàn)，并且具備氣電液接口，能夠接受在軌加注服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)易耗物資的補(bǔ)給，進(jìn)一步延長了衛(wèi)星壽命。

本發(fā)明中未說明部分屬于本領(lǐng)域的公知技術(shù)。