01
小型衛(wèi)星集群概述
小型衛(wèi)星相對傳統(tǒng)衛(wèi)星具備獨特的性能優(yōu)勢，如相對輕量化、低成本和快速生產(chǎn)能力。通過對單個大型衛(wèi)星與小衛(wèi)星集群全面對比研究，可以看出，就執(zhí)行復雜空間任務的成本效益而言，考慮到所需的地面站和安裝數(shù)量，大型衛(wèi)星在初始成本上更具經(jīng)濟效益，但考慮到小衛(wèi)星集群可以在空間和地面系統(tǒng)相互支持的情況下不間斷執(zhí)行大量任務，小型衛(wèi)星集群在初始設置完成后將變得更具經(jīng)濟性。
由于這些原因，小型衛(wèi)星正在獲得廣泛的應用，并不斷開發(fā)新能力，可用于多元化任務，如通信或遙感等；然而，由于小衛(wèi)星存在質量、體積、功率和有效載荷的各種限制，當前部分空間任務必須使用集群編隊而不是單個小衛(wèi)星來執(zhí)行。
一般來說，該衛(wèi)星集群的壽命根據(jù)軌道參數(shù)的改變而變化，這些小型衛(wèi)星的設計中大都沒有推進系統(tǒng)。在外軌道擾動和無軌道修正的影響下，在低軌400公里處運行的衛(wèi)星集群的使用壽命約為數(shù)月，而在低軌700公里處的類似衛(wèi)星集群的使用年限約為數(shù)年。因此，必須從設計時就確定任務的要求和使用壽命，并且必須建設恰當?shù)募軜嬕栽谧罴衍壍栏叨冗\行。
衛(wèi)星集群可以執(zhí)行交會（rendezvous）、編隊飛行或立體成像等復雜空間任務。最典型的應用是美國“星鏈”系統(tǒng)，可提供全方位互聯(lián)網(wǎng)服務。但這類衛(wèi)星不可避免地會在低軌軌道上增加軌道碰撞的風險。
02
集群衛(wèi)星架構分類
集群衛(wèi)星架構通常按距離和控制精度細分。飛行編隊是分布式空間系統(tǒng)的一個子集，以空間和控制精度為特征。編隊體系架構多種多樣，從衛(wèi)星間距為10米的局部衛(wèi)星編隊系統(tǒng)，到間隔數(shù)千公里的全球體系架構。
圖1：相對距離和控制精度是太空系統(tǒng)集群進行區(qū)分的關鍵
圖1所示的主要集群衛(wèi)星體系架構可定義為三個類型：
星座架構：由許多在類似軌道上部署的衛(wèi)星組成，在時間和位置上適當分布，以確保所需的對地覆蓋面。衛(wèi)星由地面控制站單獨控制。典型案例是低軌部署的全球定位系統(tǒng)（GPS）星座架構
衛(wèi)星編隊飛行體系架構：一種面向任務和探測的多衛(wèi)星體系架構，其相對位置由閉環(huán)內部控制系統(tǒng)進行控制。與星座架構不同，衛(wèi)星間距離相對較短
交會對接架構：控制精度最為精細，空間平臺間的距離也相對最短?？刂旗`敏度隨著空間平臺之間相對距離的減小而成比例地增加
在體系架構設計方面，確定集群幾何形狀和所需衛(wèi)星數(shù)量非常重要。編隊形成后，微分擾動加速度將會逐漸破壞初始幾何形狀。應根據(jù)用戶的需要，主動控制編隊的相對幾何結構是對抗軌道畸變的一項要求，特別是在低軌軌道內。因此，應使用相對引導、導航和控制（GNC）系統(tǒng)在所需時間內對編隊進行保持。通常，應在衛(wèi)星上實施閉環(huán)控制方案，如圖2所示。引導信息應由地面站或集群內其他衛(wèi)星的自主內部傳感器提供。
圖2：衛(wèi)星集群閉環(huán)控制流程
相對導航涉及平臺相對于另一平臺的位置和速度的最優(yōu)化估測。在此方面，有大量的傳統(tǒng)應用，例如全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和慣性導航系統(tǒng)（INS），需要其它的連接方式。最新的應用使用光學和圖像處理以及傳感和跟蹤模型，旨在降低總體復雜性，并提高精度。
03
優(yōu)劣分析
除上文提到的輕量化、低成本和快速生產(chǎn)能力外，與單個衛(wèi)星相比，衛(wèi)星集群還將提供更大的感知視野和覆蓋范圍，同時還可以進行三維地球觀測和干涉測量研究。
在衛(wèi)星集群中，每個構成部分都更小、更輕、更易于構建；因此，與單個大型衛(wèi)星相比，集群衛(wèi)星的概念成本更低，復雜度更低。此外，單個衛(wèi)星的故障對整個任務來說并不再那么重要，因為故障衛(wèi)星可以很容易地被備用衛(wèi)星替換。
集群衛(wèi)星概念同樣存在著一些限制和挑戰(zhàn)，如太空操作和太空環(huán)境的復雜性、任務性質的特殊性以及互操作性問題，這是由于其自主系統(tǒng)和傳感器多樣性造成的。
在集群衛(wèi)星應用中，最重要的是根據(jù)用戶和空間任務要求設計衛(wèi)星編隊體系架構。在小衛(wèi)星編隊過程中，必須精確確定每顆衛(wèi)星的運動參數(shù)和相對幾何擾動。此外，使用基于視覺傳感器的高性能系統(tǒng)，有可能捕獲航天器和空間碎片的運動，并預測其相對矢量狀態(tài)，隨后可用于會合、對接或導航，以確定軌道運動并避免碰撞。
下表展示了單衛(wèi)星系統(tǒng)和衛(wèi)星集群體系相應的特征對比情況：
04
主要考慮因素
針對小型衛(wèi)星集群體系架構，JAPCC認為，其主要考慮因素包括以下幾類：
確定位置與姿態(tài)。使用微型傳感器確定衛(wèi)星位置，分析測量結果，精確判斷衛(wèi)星間的相對距離。
位置和姿態(tài)的自主控制。將確定計劃開展對地測量位置和衛(wèi)星朝向目標姿態(tài)間的偏差，以確定相應的校正操縱方案。由于軌道的性質，與地面控制站的聯(lián)系有限，因此必須發(fā)展衛(wèi)星實時應對能力。
衛(wèi)星集群架構的運行。控制衛(wèi)星編隊需要協(xié)調地面控制交互，其特點是信號傳播延遲和間斷，以及內置的自主應對能力。可僅對“領頭”衛(wèi)星實現(xiàn)位置控制功能，跟隨衛(wèi)星將根據(jù)所設想的星座幾何結構調整其相對于“領頭”衛(wèi)星的位置。
值得注意的是，小衛(wèi)星在編隊飛行時可能會使用不同的相對導航方法。傳統(tǒng)上，GNSS和INS將進行集成用于搜尋相對位置。如果沒有來自地面或全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，衛(wèi)星將只能使用機載計算數(shù)據(jù)導航，這通常由內部傳感器完成。
基于全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的傳感器的衛(wèi)星集群體系架構。小衛(wèi)星集群利用全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)信號，通過確定彼此的相對位置來維持星團的幾何結構。這種方法正在使用，并已在許多集群衛(wèi)星空間任務中得到驗證。然而，由于全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的覆蓋范圍有限，只有低軌衛(wèi)星使用這種傳統(tǒng)的相對導航方法。
基于視覺傳感器的衛(wèi)星集群架構。基于視覺的傳感器系統(tǒng)將有效降低對外部系統(tǒng)的依賴。雖然全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)可用于近地軌道或中地球軌道的近距離衛(wèi)星編隊，但不能用于“深空”任務。因此，必須開發(fā)新型傳感器技術，降低成本和有效載荷重量，同時將避免全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)性能上的限制。
相對導航算法。為了控制衛(wèi)星，應相關算法進行觀測和預測，從而估計衛(wèi)星集群相對狀態(tài)。典型可用算法包括單目同時定位和映射（SLAM）算法、卡爾曼濾波器、高斯和濾波器以及粒子濾波器算法等。
05
評析
綜合JAPCC對集群衛(wèi)星的全面分析，可以看出盡管衛(wèi)星集群仍存在部分問題，但其未來大規(guī)模應用已是大勢所趨，將打造新質空間架構，對當前以單衛(wèi)星平臺為代表的衛(wèi)星體系造成巨大沖擊。未來以集群衛(wèi)星將具備以下關鍵特征：
一是分布式、高彈性。大量小衛(wèi)星將分布式部署，隨著自組織組網(wǎng)通信能力的不斷提升，將大大提升系統(tǒng)彈性，具備系統(tǒng)可重構、航天器可替換、故障容錯性強等特點，變革現(xiàn)有太空生態(tài)；
二是高自主、快響應。未來衛(wèi)星集群將高度智能化，自主進行資源調度和任務規(guī)劃，根據(jù)周邊環(huán)境和任務要求實現(xiàn)智能控制，針對瞬息多變的太空環(huán)境和任務需求快速做出反應。
三是低價格、廣替代。衛(wèi)星集群從整體風險成本和效費比角度相對于傳統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)具備明顯優(yōu)勢，未來很可能將廣泛替代現(xiàn)有系統(tǒng)。美國下一代太空架構、黑杰克、高超音速和彈道跟蹤空間傳感器(HBTSS)等新質系統(tǒng)廣泛使用衛(wèi)星集群架構，已初步驗證了該發(fā)展趨勢。
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