01

　　小型衛(wèi)星集群概述

　　小型衛(wèi)星相對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星具備獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，如相對(duì)輕量化、低成本和快速生產(chǎn)能力。通過(guò)對(duì)單個(gè)大型衛(wèi)星與小衛(wèi)星集群全面對(duì)比研究，可以看出，就執(zhí)行復(fù)雜空間任務(wù)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(jì)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(wù)，小型衛(wèi)星集群在初始設(shè)置完成后將變得更具經(jīng)濟(jì)性。

　　由于這些原因，小型衛(wèi)星正在獲得廣泛的應(yīng)用，并不斷開發(fā)新能力，可用于多元化任務(wù)，如通信或遙感等；然而，由于小衛(wèi)星存在質(zhì)量、體積、功率和有效載荷的各種限制，當(dāng)前部分空間任務(wù)必須使用集群編隊(duì)而不是單個(gè)小衛(wèi)星來(lái)執(zhí)行。

　　一般來(lái)說(shuō)，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(shè)計(jì)中大都沒有推進(jìn)系統(tǒng)。在外軌道擾動(dòng)和無(wú)軌道修正的影響下，在低軌400公里處運(yùn)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(shè)計(jì)時(shí)就確定任務(wù)的要求和使用壽命，并且必須建設(shè)恰當(dāng)?shù)募軜?gòu)以在最佳軌道高度運(yùn)行。

　　衛(wèi)星集群可以執(zhí)行交會(huì)（rendezvous）、編隊(duì)飛行或立體成像等復(fù)雜空間任務(wù)。最典型的應(yīng)用是美國(guó)“星鏈”系統(tǒng)，可提供全方位互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。但這類衛(wèi)星不可避免地會(huì)在低軌軌道上增加軌道碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

　　02

　　集群衛(wèi)星架構(gòu)分類

　　集群衛(wèi)星架構(gòu)通常按距離和控制精度細(xì)分。飛行編隊(duì)是分布式空間系統(tǒng)的一個(gè)子集，以空間和控制精度為特征。編隊(duì)體系架構(gòu)多種多樣，從衛(wèi)星間距為10米的局部衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)，到間隔數(shù)千公里的全球體系架構(gòu)。

　　圖1：相對(duì)距離和控制精度是太空系統(tǒng)集群進(jìn)行區(qū)分的關(guān)鍵

　　圖1所示的主要集群衛(wèi)星體系架構(gòu)可定義為三個(gè)類型：

　　星座架構(gòu)：由許多在類似軌道上部署的衛(wèi)星組成，在時(shí)間和位置上適當(dāng)分布，以確保所需的對(duì)地覆蓋面。衛(wèi)星由地面控制站單獨(dú)控制。典型案例是低軌部署的全球定位系統(tǒng)（GPS）星座架構(gòu)

　　衛(wèi)星編隊(duì)飛行體系架構(gòu)：一種面向任務(wù)和探測(cè)的多衛(wèi)星體系架構(gòu)，其相對(duì)位置由閉環(huán)內(nèi)部控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。與星座架構(gòu)不同，衛(wèi)星間距離相對(duì)較短

　　交會(huì)對(duì)接架構(gòu)：控制精度最為精細(xì)，空間平臺(tái)間的距離也相對(duì)最短?？刂旗`敏度隨著空間平臺(tái)之間相對(duì)距離的減小而成比例地增加

　　在體系架構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)形成后，微分?jǐn)_動(dòng)加速度將會(huì)逐漸破壞初始幾何形狀。應(yīng)根據(jù)用戶的需要，主動(dòng)控制編隊(duì)的相對(duì)幾何結(jié)構(gòu)是對(duì)抗軌道畸變的一項(xiàng)要求，特別是在低軌軌道內(nèi)。因此，應(yīng)使用相對(duì)引導(dǎo)、導(dǎo)航和控制（GNC）系統(tǒng)在所需時(shí)間內(nèi)對(duì)編隊(duì)進(jìn)行保持。通常，應(yīng)在衛(wèi)星上實(shí)施閉環(huán)控制方案，如圖2所示。引導(dǎo)信息應(yīng)由地面站或集群內(nèi)其他衛(wèi)星的自主內(nèi)部傳感器提供。

　　圖2：衛(wèi)星集群閉環(huán)控制流程

　　相對(duì)導(dǎo)航涉及平臺(tái)相對(duì)于另一平臺(tái)的位置和速度的最優(yōu)化估測(cè)。在此方面，有大量的傳統(tǒng)應(yīng)用，例如全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS），需要其它的連接方式。最新的應(yīng)用使用光學(xué)和圖像處理以及傳感和跟蹤模型，旨在降低總體復(fù)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(gè)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(shí)還可以進(jìn)行三維地球觀測(cè)和干涉測(cè)量研究。

　　在衛(wèi)星集群中，每個(gè)構(gòu)成部分都更小、更輕、更易于構(gòu)建；因此，與單個(gè)大型衛(wèi)星相比，集群衛(wèi)星的概念成本更低，復(fù)雜度更低。此外，單個(gè)衛(wèi)星的故障對(duì)整個(gè)任務(wù)來(lái)說(shuō)并不再那么重要，因?yàn)楣收闲l(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(fù)雜性、任務(wù)性質(zhì)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(yīng)用中，最重要的是根據(jù)用戶和空間任務(wù)要求設(shè)計(jì)衛(wèi)星編隊(duì)體系架構(gòu)。在小衛(wèi)星編隊(duì)過(guò)程中，必須精確確定每顆衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和相對(duì)幾何擾動(dòng)。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(yùn)動(dòng)，并預(yù)測(cè)其相對(duì)矢量狀態(tài)，隨后可用于會(huì)合、對(duì)接或?qū)Ш剑源_定軌道運(yùn)動(dòng)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(yīng)的特征對(duì)比情況：

　　04

　　主要考慮因素

　　針對(duì)小型衛(wèi)星集群體系架構(gòu)，JAPCC認(rèn)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(cè)量結(jié)果，精確判斷衛(wèi)星間的相對(duì)距離。

　　位置和姿態(tài)的自主控制。將確定計(jì)劃開展對(duì)地測(cè)量位置和衛(wèi)星朝向目標(biāo)姿態(tài)間的偏差，以確定相應(yīng)的校正操縱方案。由于軌道的性質(zhì)，與地面控制站的聯(lián)系有限，因此必須發(fā)展衛(wèi)星實(shí)時(shí)應(yīng)對(duì)能力。

　　衛(wèi)星集群架構(gòu)的運(yùn)行。控制衛(wèi)星編隊(duì)需要協(xié)調(diào)地面控制交互，其特點(diǎn)是信號(hào)傳播延遲和間斷，以及內(nèi)置的自主應(yīng)對(duì)能力。可僅對(duì)“領(lǐng)頭”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)位置控制功能，跟隨衛(wèi)星將根據(jù)所設(shè)想的星座幾何結(jié)構(gòu)調(diào)整其相對(duì)于“領(lǐng)頭”衛(wèi)星的位置。

　　值得注意的是，小衛(wèi)星在編隊(duì)飛行時(shí)可能會(huì)使用不同的相對(duì)導(dǎo)航方法。傳統(tǒng)上，GNSS和INS將進(jìn)行集成用于搜尋相對(duì)位置。如果沒有來(lái)自地面或全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，衛(wèi)星將只能使用機(jī)載計(jì)算數(shù)據(jù)導(dǎo)航，這通常由內(nèi)部傳感器完成。

　　基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的傳感器的衛(wèi)星集群體系架構(gòu)。小衛(wèi)星集群利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)，通過(guò)確定彼此的相對(duì)位置來(lái)維持星團(tuán)的幾何結(jié)構(gòu)。這種方法正在使用，并已在許多集群衛(wèi)星空間任務(wù)中得到驗(yàn)證。然而，由于全球?qū)Ш叫l(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(duì)導(dǎo)航方法。

　　基于視覺傳感器的衛(wèi)星集群架構(gòu)。基于視覺的傳感器系統(tǒng)將有效降低對(duì)外部系統(tǒng)的依賴。雖然全球?qū)Ш叫l(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(duì)，但不能用于“深空”任務(wù)。因此，必須開發(fā)新型傳感器技術(shù)，降低成本和有效載荷重量，同時(shí)將避免全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)性能上的限制。

　　相對(duì)導(dǎo)航算法。為了控制衛(wèi)星，應(yīng)相關(guān)算法進(jìn)行觀測(cè)和預(yù)測(cè)，從而估計(jì)衛(wèi)星集群相對(duì)狀態(tài)。典型可用算法包括單目同時(shí)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(píng)析

　　綜合JAPCC對(duì)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(lái)大規(guī)模應(yīng)用已是大勢(shì)所趨，將打造新質(zhì)空間架構(gòu)，對(duì)當(dāng)前以單衛(wèi)星平臺(tái)為代表的衛(wèi)星體系造成巨大沖擊。未來(lái)以集群衛(wèi)星將具備以下關(guān)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(gòu)、航天器可替換、故障容錯(cuò)性強(qiáng)等特點(diǎn)，變革現(xiàn)有太空生態(tài)；

　　二是高自主、快響應(yīng)。未來(lái)衛(wèi)星集群將高度智能化，自主進(jìn)行資源調(diào)度和任務(wù)規(guī)劃，根據(jù)周邊環(huán)境和任務(wù)要求實(shí)現(xiàn)智能控制，針對(duì)瞬息多變的太空環(huán)境和任務(wù)需求快速做出反應(yīng)。

　　三是低價(jià)格、廣替代。衛(wèi)星集群從整體風(fēng)險(xiǎn)成本和效費(fèi)比角度相對(duì)于傳統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)具備明顯優(yōu)勢(shì)，未來(lái)很可能將廣泛替代現(xiàn)有系統(tǒng)。美國(guó)下一代太空架構(gòu)、黑杰克、高超音速和彈道跟蹤空間傳感器(HBTSS)等新質(zhì)系統(tǒng)廣泛使用衛(wèi)星集群架構(gòu)，已初步驗(yàn)證了該發(fā)展趨勢(shì)。

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