林來(lái)興

(北京控制工程研究所,北京 100190)

1 引言

現(xiàn)代小衛(wèi)星問(wèn)世至今已有20 多年的歷史。實(shí)踐證明小衛(wèi)星具有一系列優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也存在一些局限性。為了使小衛(wèi)星的優(yōu)點(diǎn)得到充分發(fā)揮,又能克服缺點(diǎn),在應(yīng)用方面采用分布式配置應(yīng)是最佳的解決辦法。20 世紀(jì)90年代,分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)主要應(yīng)用在星座與星群的領(lǐng)域。本世紀(jì)初,開發(fā)出了小衛(wèi)星編隊(duì)飛行方式,使分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)得到進(jìn)一步的發(fā)展。

分布式航天器系統(tǒng)(也稱分布式空間系統(tǒng))是當(dāng)前空間技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題。本文中所涉及的是分布式航天器系統(tǒng)中的航天器專指小衛(wèi)星(或者輕小型航天器)。分布式即表明需要采用數(shù)量較多的航天器?，F(xiàn)代小衛(wèi)星具有重量輕、成本低、研制周期短等技術(shù)特點(diǎn),這正是采用分布式系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)和必需條件。分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)具有極大優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)用前景。

2 小衛(wèi)星的特點(diǎn)

20 世紀(jì)80年代中期,國(guó)際上采用新技術(shù)和新設(shè)計(jì)思路,興起了小衛(wèi)星熱,20 多年來(lái),全世界共發(fā)射各種各樣的小衛(wèi)星近900 顆,約占同期航天器發(fā)射量的20%。小衛(wèi)星經(jīng)過(guò)20 多年的快速發(fā)展,在技術(shù)上獲得了巨大進(jìn)步,在應(yīng)用上正在向全方位擴(kuò)展[1]。

小衛(wèi)星有如下優(yōu)點(diǎn):

1)重量輕(1 千克～幾百千克);

2)體積小,成本低;

3)研制周期短(1～2年,甚至幾個(gè)月),技術(shù)更新快;

4)性能好(功能密度高),能夠及時(shí)應(yīng)用新技術(shù);

5)快速靈活,機(jī)動(dòng)性好;

6)能提供更多進(jìn)入空間的機(jī)會(huì),特別有利于發(fā)展中的國(guó)家;

7)便于進(jìn)行教育培訓(xùn)和空間演示試驗(yàn)。

小衛(wèi)星也存在下列缺點(diǎn):

1)單顆小衛(wèi)星有效載荷重量和功率有限;

2)對(duì)單點(diǎn)故障敏感;

3)短期運(yùn)行壽命和高風(fēng)險(xiǎn);

4)難以找到廉價(jià)可靠的發(fā)射工具(相對(duì)大衛(wèi)星每千克發(fā)射費(fèi)用高而言)。

如何發(fā)揮以上優(yōu)點(diǎn)克服缺點(diǎn)? 在應(yīng)用上采用分布式空間系統(tǒng),小衛(wèi)星就具有巨大發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。分布式空間系統(tǒng)有如下優(yōu)勢(shì):

1)單顆大衛(wèi)星功能可由若干顆小衛(wèi)星來(lái)替代,還可以獲得更好的技術(shù)性能;

2)可以實(shí)現(xiàn)全球?qū)崟r(shí)觀測(cè);

3)可提供甚長(zhǎng)測(cè)量基線,從而促進(jìn)下列領(lǐng)域的發(fā)展,例如:星載干涉儀,全球遙感,同步目標(biāo)跟蹤觀測(cè)等;

4)編隊(duì)飛行衛(wèi)星可以隨時(shí)加入和退出隊(duì)列(因故障等原因),系統(tǒng)具有很高的重構(gòu)性、冗余性、安全可靠性;

5)系統(tǒng)技術(shù)性能可以定期獲得改善和提高;

6)系統(tǒng)偶然性經(jīng)費(fèi)很低,也就是說(shuō),消除故障所用費(fèi)用會(huì)很少。

3 分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)的概念

分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)是由分布式空間系統(tǒng)或者分布式航天器系統(tǒng)派生出來(lái)的一個(gè)分支。它的定義是:由兩顆或兩顆以上的小衛(wèi)星按一定要求分布在一種或多種軌道上,共同協(xié)調(diào)合作完成某些空間飛行任務(wù)(例如:觀察、測(cè)量、通信、導(dǎo)航等),從而獲得更大價(jià)值。

從單顆小衛(wèi)星發(fā)展成為分布式小衛(wèi)星系統(tǒng),這是小衛(wèi)星在技術(shù)和應(yīng)用方面的一個(gè)嶄新領(lǐng)域,具有創(chuàng)造性和很好的發(fā)展前景。

根據(jù)星間距離的大小,位置控制精度的差異、技術(shù)水平的高低和應(yīng)用層次的不同,分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)分為下列三個(gè)方面:1)星群;2)星座;3)編隊(duì)飛行。有關(guān)星群、星座和編隊(duì)飛行的概念參閱文獻(xiàn)[2]。編隊(duì)飛行有三種方式:合作編隊(duì)、知識(shí)編隊(duì)、精確編隊(duì),其技術(shù)水平和難度依次提高。

4 分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展水平

現(xiàn)代小衛(wèi)星應(yīng)用到分布式系統(tǒng)的星群和星座從20 世紀(jì)90年代就開始了。但是真正意義上的分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)是小衛(wèi)星編隊(duì)飛行。當(dāng)今,小衛(wèi)星編隊(duì)飛行正處在研究探討和空間飛行演示驗(yàn)證階段,真正應(yīng)用還沒(méi)有開始。下面從應(yīng)用實(shí)例來(lái)說(shuō)明分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展水平。

圖1 列出了美國(guó)20年來(lái)一些典型應(yīng)用實(shí)例[3],圖2 列出了非美國(guó)(主要是歐洲)等20年來(lái)一些典型應(yīng)用實(shí)例[3]。這些圖片比較形象地描述了分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)在各方面應(yīng)用的概況。圖1 和圖2 有關(guān)小衛(wèi)星編隊(duì)飛行各種具體型號(hào)任務(wù)內(nèi)容見表1。

因?yàn)樯鲜鲆鬁y(cè)量和控制的精度太高,而且使用編隊(duì)飛行航天器個(gè)數(shù)多,技術(shù)難度大,對(duì)表1 所列的任務(wù)規(guī)劃,只能作概念和粗略了解。圖3 列出了歐洲分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)的一些典型任務(wù),其中包括任務(wù)名稱、分布式規(guī)模和軌道位置控制精度要求。美國(guó)分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)的技術(shù)要求隨著時(shí)間推移不斷提高,如圖4 所示。

圖1 美國(guó)分布式空間系統(tǒng)任務(wù)Fig.1 U.S.distributed space missions

圖2 非美國(guó)(主要是歐洲)分布式空間系統(tǒng)任務(wù)Fig.2 Non-U.S.(ESA)distributed space missions

表1 小衛(wèi)星編隊(duì)飛行技術(shù)性能匯編[4-13]Table 1 Collection of the technical performance of small satellite formation flying

續(xù)表1

圖3 歐洲等國(guó)家分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)的規(guī)模和軌道位置控制精度要求Fig.3 Distribution size and orbit control precision of ESA distributed small satellite system

圖4 美國(guó)分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)要求水平不斷提高Fig.4 The level of technical requirements for DSSS are continuously improved

5 分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和編隊(duì)飛行的應(yīng)用前景

5.1 關(guān)鍵技術(shù)

分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括兩部分:小衛(wèi)星技術(shù)和編隊(duì)飛行。

1)小衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)

小衛(wèi)星技術(shù)關(guān)鍵在于提高小衛(wèi)星功能密集度。所謂功能密集度是指單位重量小衛(wèi)星所能提供的功能。如果功能密集度高,說(shuō)明小衛(wèi)星重量輕且提供功能水平高。小衛(wèi)星功能密集度具體包括兩方面內(nèi)容:一方面是小衛(wèi)星本身的技術(shù),另一方面是小衛(wèi)星有效載荷與小衛(wèi)星的質(zhì)量比。小衛(wèi)星本身技術(shù)功能密集度體現(xiàn)在組成小衛(wèi)星各個(gè)分系統(tǒng)和部件的密集度,例如:星上電源分系統(tǒng)功能密集度表現(xiàn)在單位質(zhì)量提供的功率和安時(shí)數(shù);控制系統(tǒng)表現(xiàn)在單位質(zhì)量能提供的控制精度;推進(jìn)分系統(tǒng)表現(xiàn)在單位質(zhì)量能提供的速度增量(Δv),星上計(jì)算機(jī)(包含電子元器件)表現(xiàn)為單位質(zhì)量所能提供單位時(shí)間操作指令數(shù)等等。

有效載荷與小衛(wèi)星的質(zhì)量比, 目前一般都在30%～40%左右,未來(lái)要求逐步提高到60%～70%以上。未來(lái)100～200kg 的小衛(wèi)星將可以承擔(dān)許多空間飛行任務(wù)。功能密集度高的小衛(wèi)星對(duì)整個(gè)分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)將產(chǎn)生重要影響,首先能降低發(fā)射費(fèi)用,還會(huì)大大擴(kuò)展分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用范圍,具有良好的應(yīng)用前景。

2)編隊(duì)飛行關(guān)鍵技術(shù)

(1)編隊(duì)飛行設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)編隊(duì)飛行軌道的構(gòu)型,既要能滿足科學(xué)任務(wù)需要,又要在工程實(shí)踐中消耗燃料合理且經(jīng)濟(jì),在工程上可以實(shí)現(xiàn)。此燃料消耗是指,包括編隊(duì)飛行設(shè)計(jì),初始編隊(duì)飛行軌道構(gòu)型建立,以及后來(lái)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)航天器受到軌道攝動(dòng)所需要保持編隊(duì)構(gòu)型的燃耗。要深入研究相對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)和相對(duì)攝動(dòng)以及各種可能形成的編隊(duì)飛行構(gòu)型。在深空和日地關(guān)系中拉格朗日點(diǎn)附近,相對(duì)軌道攝動(dòng)很低,目前已經(jīng)有若干編隊(duì)飛行空間任務(wù)和編隊(duì)軌道構(gòu)型在進(jìn)行開發(fā)研究,并計(jì)劃不久的將來(lái)進(jìn)行空間飛行演示。編隊(duì)飛行空間探測(cè)任務(wù)的完成將會(huì)帶來(lái)重大科學(xué)創(chuàng)新和技術(shù)效益。

在地球軌道,特別是低軌道的編隊(duì)構(gòu)型,由于軌道攝動(dòng),保持嚴(yán)格的隊(duì)形等,需要大量燃耗,目前正在探索地球軌道編隊(duì)飛行新的控制方法與技術(shù),尚處在研究階段。

(2)相對(duì)導(dǎo)航

相對(duì)導(dǎo)航指測(cè)量和估算編隊(duì)各星之間的相對(duì)位置、速度和姿態(tài),包括測(cè)量方法、敏感器、測(cè)量系統(tǒng),以及空間各種干擾對(duì)敏感器測(cè)量精度的影響。

自主編隊(duì)隊(duì)形保持(閉路)控制,尤其是緊密型編隊(duì)構(gòu)型,對(duì)相對(duì)導(dǎo)航技術(shù)要求很高,而且對(duì)敏感器動(dòng)態(tài)性能也有嚴(yán)格要求。

編隊(duì)飛行相對(duì)導(dǎo)航技術(shù),目前采用的有相對(duì)GPS、激光雷達(dá)和微波測(cè)距等技術(shù)。由于編隊(duì)飛行任務(wù)還處在發(fā)展階段,對(duì)編隊(duì)相對(duì)導(dǎo)航技術(shù)還有許多特殊要求,應(yīng)該作為一個(gè)重要專題開展研究。

(3)星間通信

星間通信指編隊(duì)飛行的各個(gè)航天器之間的信息直接傳輸與交換技術(shù)。由于許多編隊(duì)飛行隊(duì)形狀態(tài)與控制要求的頻帶很寬,通過(guò)地面測(cè)量與控制不能滿足任務(wù)要求,精密編隊(duì)飛行需要采用自主控制技術(shù)。

星間通信系統(tǒng)是編隊(duì)飛行數(shù)據(jù)總線,比其他的星上數(shù)據(jù)總線要求更高。例如需要具備連續(xù)性、抗干擾性、魯棒性。另外,由于都是星上設(shè)備,要求質(zhì)量輕、功率低。

星間通信技術(shù)包括硬件(發(fā)射器和轉(zhuǎn)發(fā)器)、算法、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和軟件,要求硬軟件一體化,便于使用和安裝。

星間通信發(fā)展趨勢(shì)是采用激光通信。目前星間激光通信技術(shù)已經(jīng)開始在空間軌道上進(jìn)行演示驗(yàn)證。

(4)編隊(duì)控制

編隊(duì)控制主要任務(wù)是克服各種干擾與軌道攝動(dòng),保持編隊(duì)隊(duì)形。編隊(duì)控制使用手段是控制力和力矩,編隊(duì)控制需要6 個(gè)自由度:三維軌道位置與三軸姿態(tài),而且這些自由度經(jīng)常耦合,難以用解耦方法分開解決。由多顆航天器組成的編隊(duì)飛行可以認(rèn)為是一個(gè)真正多變量復(fù)雜系統(tǒng)。編隊(duì)控制首先要從系統(tǒng)級(jí)頂層規(guī)劃控制策略,然后才具體設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)技術(shù)。

不同的編隊(duì)飛行類型對(duì)編隊(duì)控制的要求有所差別。精密編隊(duì)控制要求最高,不但精度高而且自主強(qiáng)(全自主),不能依賴地面站。知識(shí)編隊(duì)控制主要要求在相對(duì)導(dǎo)航,要求時(shí)時(shí)刻刻精確測(cè)量和估算編隊(duì)隊(duì)形變化,而對(duì)編隊(duì)隊(duì)形保持沒(méi)有嚴(yán)格要求,允許其在較大范圍內(nèi)變化。

5.2 小衛(wèi)星編隊(duì)飛行的應(yīng)用前景

分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是分布式,在20世紀(jì)末已被許多空間飛行任務(wù)所驗(yàn)證(星座與星群)。本世紀(jì)初在空間應(yīng)用領(lǐng)域又創(chuàng)造性地開發(fā)了小衛(wèi)星編隊(duì)飛行。

小衛(wèi)星編隊(duì)飛行應(yīng)用前景:

1)預(yù)計(jì)今后10～15年期間,在空間遙測(cè)(光學(xué)與微波)方面將發(fā)生重大技術(shù)革命,這是由于分布式系統(tǒng)測(cè)量基線可以極大延伸,從而使干涉技術(shù)得到充分應(yīng)用,空間遙感測(cè)量精度將提高1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)。

2)在深空探測(cè)和日地關(guān)系研究方面,編隊(duì)飛行可以觀測(cè)到以前觀測(cè)不到的物理現(xiàn)象和天文數(shù)據(jù),可以實(shí)現(xiàn)開創(chuàng)性空間探測(cè),例如研究黑洞,宇宙演化,生命起源等,將使空間天文學(xué)提升到一個(gè)新水平。

3)對(duì)地球軌道空間飛行任務(wù),由初期分布式(星群與星座)小衛(wèi)星系統(tǒng)水平,提升到編隊(duì)飛行這樣高級(jí)的分布式系統(tǒng),使電子偵察衛(wèi)星、通信導(dǎo)航衛(wèi)星技術(shù)性能得以改善和提高,例如文獻(xiàn)[5]所述研究結(jié)果:當(dāng)電子偵察衛(wèi)星由星座改為編隊(duì)飛行,三維定向系統(tǒng)精度將得到較大提高,同時(shí)觀測(cè)地區(qū)不受緯度限制,而且可以實(shí)現(xiàn)全球同時(shí)觀測(cè)。

4)從編隊(duì)飛行發(fā)展到美國(guó)最近提出的F6 計(jì)劃。這個(gè)計(jì)劃徹底改變幾十年來(lái)的傳統(tǒng)方法:未來(lái)航天器將由功能分解、結(jié)構(gòu)分離、無(wú)線連接的標(biāo)準(zhǔn)化模塊的部件,以編隊(duì)飛行方式快捷靈活地組合,航天器設(shè)計(jì)與制造全部實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。不像目前每項(xiàng)空間飛行任務(wù)都要單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研制,這樣使航天產(chǎn)品像其他工業(yè)部門一樣實(shí)現(xiàn)企業(yè)化生產(chǎn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于分布式小衛(wèi)星系統(tǒng),首要任務(wù)是開發(fā)小衛(wèi)星和編隊(duì)飛行技術(shù),以獲得最佳效益。小衛(wèi)星編隊(duì)飛行目前較多集中在對(duì)深空探測(cè)領(lǐng)域的研究,隨著空間飛行演示的成功和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的不斷積累,以后將逐步應(yīng)用于地球軌道。

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