【摘 要】吉林一號小衛(wèi)星升空在即，以此為契機回顧小衛(wèi)星的發(fā)展歷史、國內(nèi)外現(xiàn)狀、以及其在軍用民用領(lǐng)域的應(yīng)用，結(jié)合我國小衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀提出未來小衛(wèi)星編隊飛行以及地面測控體制和網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)。最后對我國的小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展提出合理的建議。

【關(guān)鍵詞】小衛(wèi)星；編隊飛行；標準化；地面測控網(wǎng)絡(luò)

由中科院長春光機所衛(wèi)星科技公司研制的東北地區(qū)的首顆商用小衛(wèi)星“吉林一號”預(yù)計將于2015年實現(xiàn)首顆遙感衛(wèi)星試飛！目前“吉林一號”已經(jīng)順利地通過前面兩個階段的測試，進入了正樣試驗階段。其技術(shù)達到世界先進水平，有望角逐國際衛(wèi)星影像市場，打破長期以來國外企業(yè)壟斷局面。那么什么是小衛(wèi)星呢？它又能給我們的生活帶來什么樣的影響呢？

首先要從衛(wèi)星的歷史談起。1957年前蘇聯(lián)第一顆人造地球衛(wèi)星的成功發(fā)射，標志著航天科技的誕生。隨著航天科技迅速發(fā)展，人造衛(wèi)星、空間站、航天飛機等航天器相繼投入使用。但是，巨額的費用，昂貴的成本一直制約著航天科技的發(fā)展。據(jù)計算，發(fā)射一顆1000千克重的人造衛(wèi)星，費用至少需1億美元，這是許多國家難以承受的。冷戰(zhàn)結(jié)束后，航天科技逐步從軍事應(yīng)用轉(zhuǎn)向經(jīng)濟建設(shè)，商業(yè)運作促使航天科技必須降低成本，提高效益。在此背景下，在科學技術(shù)迅速發(fā)展的基礎(chǔ)上，微小衛(wèi)星得到了迅速發(fā)展。20世紀80年代以來現(xiàn)代微電子、微機械、輕型復(fù)合材料和高精度加工等新技術(shù)、新材料、新工藝得到了飛躍發(fā)展。在衛(wèi)星設(shè)計方面通過采用新的設(shè)計思想，打破傳統(tǒng)大衛(wèi)星的分層界限，強調(diào)功能集成、系統(tǒng)集成和充分發(fā)揮軟件功能，從而出現(xiàn)了現(xiàn)代小衛(wèi)星。其具有高新技術(shù)含量高、功能密集度高以及成本低、性能好、研發(fā)周期短、質(zhì)量輕、體積小等特點，可以實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

微小衛(wèi)星主要有2個發(fā)展方向。一是研制輕型單顆衛(wèi)星，這類微小衛(wèi)星已經(jīng)開始執(zhí)行地球觀測任務(wù)，提供達到軍用分辨率的圖像。美國空軍未來的全球定位系統(tǒng)（GPS）衛(wèi)星每顆將不超過100千克；二是將微小衛(wèi)星群，進行編隊飛行，以代替昂貴的單顆大型衛(wèi)星，例如天基雷達（SBR）群、長基線信號情報（SIGINT）星座以及連接小型地面終端的通信衛(wèi)星群等。

這里不得不提一下著名的商業(yè)影像小衛(wèi)星，也就是大家都耳熟能詳?shù)墓雀璧貓D衛(wèi)星圖片供應(yīng)商。目前全球衛(wèi)星影像解析度排名前三的是：美國DigitalGlobe公司的QuickBird（捷鳥）、美國IKONOS及法國SPOT5。其中SPOT5可以提供解析度為2.5米的影像、IKONOS可提供1米左右的影像、而捷鳥就能夠提供最高為0.61米的高精度影像，是全球商用的最高水平。在衛(wèi)星圖像方面，美國五角大樓每年都會給予其三大主要合作伙伴DigitalGlobe、IKONOS和ORBIMAGoogle Earth數(shù)十億美元的資助，作為回報自然是這些公司的衛(wèi)星數(shù)據(jù)將在第一時間交給五角大樓作為軍事應(yīng)用，而且針對某些敏感區(qū)域在規(guī)定的時限內(nèi)不允許商業(yè)化。目前提供高精度影像的城市多集中在北美和歐洲，其它地區(qū)往往是首都或極重要城市才提供。我國有高精度影像的地區(qū)有很多，幾乎所有大城市都有。另外大壩、油田、橋梁、高速公路、港口碼頭與軍用機場等也是Google Earth重點關(guān)照對象。百度地圖數(shù)據(jù)基本上是美國DG公司的數(shù)據(jù)，粗糙的地方有用SPOT5 2.5M的數(shù)據(jù)，與Google基本屬于同源的。我國某地政府就跟該公司購買過本城市的某波段衛(wèi)星圖像（某個省會城市），整圖大小共6GB多，耗資數(shù)十萬元人民幣。另廣東2004年買的某地區(qū)共2500多平方公里衛(wèi)星影像共耗資146萬元人民幣（捷鳥的多波段彩色合成的現(xiàn)成影像針對大陸地區(qū)的價格約是30美元/平方公里，臺灣地區(qū)的價格也是如此。如果是定購的話當然價格會更貴）無疑面對高保密性的軍用需求和日趨廣泛的民用需求以及如此高昂的壟斷價格，我們必將要大力發(fā)展我們國家自己的小衛(wèi)星群。

那么建立我國獨立的小衛(wèi)星群及小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)需要解決好哪些關(guān)鍵的技術(shù)性問題呢？

首先，單個小衛(wèi)星的功能單一，載荷較少，不能獨立的完成較為復(fù)雜的空間任務(wù)。從應(yīng)用角度來看，小衛(wèi)星的編隊飛行實質(zhì)上是利用多個飛行中的小衛(wèi)星組成一定形狀，每顆小衛(wèi)星之間通過星間通信相互聯(lián)系、協(xié)同工作，共同承擔空間信號的采集與處理以及承載有效載荷等任務(wù)。整個星群構(gòu)成一個滿足任務(wù)需要的、規(guī)模較大的虛擬傳感器或探測器。從外觀上看，也雷同于一個大的或超大的虛擬衛(wèi)星或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，執(zhí)行相應(yīng)的空間探測和成像等任務(wù)。

相對于傳統(tǒng)的單顆衛(wèi)星而言，多顆小衛(wèi)星組成的分布式傳感器系統(tǒng)能夠有更好的靈活性和冗余度，可以降低任務(wù)失敗的風險。與傳統(tǒng)的單顆大衛(wèi)星比較小衛(wèi)星編隊飛行能夠在近地軌道為科學實驗提供單顆大衛(wèi)星很難實現(xiàn)的分布式空間平臺。相對于衛(wèi)星星座系統(tǒng)，衛(wèi)星編隊飛行的應(yīng)用具有如下幾個方面的技術(shù)特征：衛(wèi)星編隊飛行系統(tǒng)類似于一個巨大的虛擬傳感器，由獨立的、飛行中的小衛(wèi)星有效載荷組成；具有很大的空間結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中的各衛(wèi)星可以以不同的方式收集科學數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)只依靠單個衛(wèi)星是收集不到的。例如立體測繪觀測，對地面的同一場景，或同時以不同的角度采集數(shù)據(jù)。

如何能夠靈活機動，有效的使單顆小衛(wèi)星迅速的編隊，去完成不同的計劃任務(wù)，就要依靠單顆衛(wèi)星標準化平臺的建立。構(gòu)建標準化的空間平臺利用標準化的小衛(wèi)星，采用標準化的星間鏈路、通信接口和編碼方式，構(gòu)建標準化的空間技術(shù)平臺。采用標準化的控制算法來控制空間平臺的隊形及各個小衛(wèi)星的姿態(tài)，以減少控制算法。采用標準化的隊形設(shè)計針對常見的空間任務(wù)，設(shè)計相應(yīng)的標準編隊隊形，減少該環(huán)節(jié)的消耗，針對不同的任務(wù)建立不同的編隊隊形庫，依據(jù)需求加以選用。開發(fā)一項新的空間計劃就將像現(xiàn)在組裝一臺普通的計算機一樣，根據(jù)不同的用途，選用相關(guān)的配件，安裝相應(yīng)的操作系統(tǒng)，控制算法等，以后就是應(yīng)用的管理與控制了。

其次，小衛(wèi)星編隊是一種架構(gòu)在太空的信息平臺，而地面測控系統(tǒng)是保障衛(wèi)星正常運行的重要組成部分。為了實現(xiàn)可靠高效的測控管理，地面站須滿足一系列的技術(shù)要求。首先，由于單個測控站視野有限，衛(wèi)星測控網(wǎng)必須全球分布，亦即建立天基測控網(wǎng)；其次，飛經(jīng)上空的衛(wèi)星承擔不同的任務(wù)，因此同一地面站必須具有多星測控和數(shù)據(jù)采集的能力，當多星同時過站時，地面站能實現(xiàn)多星同時測控。另外，與民用衛(wèi)星相比，軍用衛(wèi)星測控管理必須具有更高的實時性、機動性、安全性和生存能力，地面測控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備配置、運作模式和軟件設(shè)計必須滿足這些特殊要求。

小衛(wèi)星群測控技術(shù)一般采取自主與非自主相結(jié)合的途徑。目前的重點是提高星上自主性。根據(jù)具體任務(wù)及星上自主程度，不同小衛(wèi)星的測控要求和業(yè)務(wù)系統(tǒng)組成相差甚遠，但都必須認真考慮成本控制，徹底改變傳統(tǒng)的衛(wèi)星維護和操控模式。一方面要求小衛(wèi)星高度自主、高度可靠和操作簡單，另一方面其測控及業(yè)務(wù)系統(tǒng)也會具有以下特色：（1）多星發(fā)射與測控管理。簡化測控管理。小衛(wèi)星絕大多數(shù)為運行于中、低軌道的非定點衛(wèi)星，一般采用單站跟蹤定軌體制，以多普勒測速和干涉儀體制為首選。與業(yè)務(wù)相結(jié)合的多功能測控站，對衛(wèi)星數(shù)量大，需要經(jīng)常進行發(fā)射和測控管理的系統(tǒng)，可建立專用的測控網(wǎng)如俄羅斯的考斯康系統(tǒng)。為降低系統(tǒng)成本多采用測控與業(yè)務(wù)相結(jié)合的一體化多功能測控站，這種測控站具有衛(wèi)星生產(chǎn)、測試、發(fā)射、在軌測控、監(jiān)視、載荷控制及信息接收處理等業(yè)務(wù)功能。（2）與通用測控網(wǎng)兼容。為節(jié)省小衛(wèi)星的發(fā)射和運行費用，應(yīng)充分利用已建成的通用地面測控站。

小衛(wèi)星作為國際航天技術(shù)和空間技術(shù)的一場劃時代革命，小衛(wèi)星群的發(fā)展使我國航天事業(yè)面臨新的機遇和挑戰(zhàn)。為此，我國應(yīng)加緊開展小衛(wèi)星群測控及綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究，在這場挑戰(zhàn)中把握時機，合理規(guī)劃，快速部署，探索小衛(wèi)星群的測控與管理體制，深入研究小衛(wèi)星的編隊飛行控制，使之適應(yīng)各種航天探測任務(wù)，為我國的科技，經(jīng)濟和軍事發(fā)展貢獻力量。 [科]

【參考文獻】

[1]張玉昆.編隊衛(wèi)星飛行的動力學與控制技術(shù).[博士論文].國防科技大學，2002.

[2]姜長生，吳慶憲等.系統(tǒng)理論和魯棒控制.南京：航空工業(yè)出版社，1998：436-440.

[3]吳霞.小衛(wèi)星編隊飛行隊形控制與仿真[碩士論文].中國科學院空間科學與應(yīng)用，2006.

[4]劉林.胡松杰.航天動力學引論.南京：南京大學出版社，2005.

[5]張祥根.小衛(wèi)星的現(xiàn)狀、特點及發(fā)展方向.電信快報，2005.

[6]陳健.編隊飛行衛(wèi)星控制方法研究[碩士論文].南京航天航空大學，2009.