王利利 馬海磊

摘 要：多個(gè)飛行器協(xié)同開(kāi)展空間任務(wù)時(shí)，飛行器和飛行器之間、飛行器內(nèi)部部件之間要進(jìn)行數(shù)據(jù)和有關(guān)信息的交互，因此空間網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也將會(huì)影響飛行器的發(fā)展，空間網(wǎng)絡(luò)與在地面構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)差別很大，在空間中，在空間網(wǎng)絡(luò)的建立、維修、差錯(cuò)處理時(shí)，人不能及時(shí)的實(shí)際介入，空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須能夠自主處理上述出現(xiàn)的問(wèn)題，隨著飛行器的發(fā)展，新型空間網(wǎng)絡(luò)體制也將隨之變的更自主、更智能。

關(guān)鍵詞：飛行器；衛(wèi)星；發(fā)展

1. 引言

傳統(tǒng)的飛行器普遍外形龐大，功能復(fù)雜，研發(fā)周期長(zhǎng)，這就導(dǎo)致飛行器還沒(méi)有完成發(fā)射升空，就出現(xiàn)一些零部件老化，加上傳統(tǒng)的飛行器物理結(jié)構(gòu)一體化，飛行器內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間相處牽制，相互制約，在飛行器的制造過(guò)程中，一個(gè)小部件損壞或者一件運(yùn)行軟件出現(xiàn)問(wèn)題，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)飛行器的癱瘓，傳統(tǒng)飛行器的弊端推動(dòng)了新型優(yōu)化的飛行器的發(fā)展。

2. 飛行器的概述和發(fā)展

由于傳統(tǒng)的飛行器體型龐大且容易出現(xiàn)部件老化，為了防止研究多年的飛行器在飛行時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，所以飛行器一個(gè)相同的部件要配備好多份，從而會(huì)使飛行器體積龐大、結(jié)構(gòu)功能十分混亂、制造成本也比較高。隨著信息時(shí)代的到來(lái)，航空航天技術(shù)也取得了很大的進(jìn)步，隨之也出現(xiàn)了許多新型的飛行器。若使飛行器在空間系統(tǒng)變得靈活、自主、高效，飛行器需進(jìn)一步向模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的方向發(fā)展。

在小衛(wèi)星分類(lèi)中，納衛(wèi)星的質(zhì)量為1—10kg，皮衛(wèi)星的質(zhì)量為01—1kg，1999年美國(guó)斯坦福大學(xué)湯姆肯尼（Tom Kenny）教授根據(jù)多年對(duì)皮衛(wèi)星研究積累的經(jīng)驗(yàn)，提出了一種新概念的皮衛(wèi)星，質(zhì)量為1kg，結(jié)構(gòu)尺寸為10cm*10cm*10cm的正立體，這種皮衛(wèi)星被稱(chēng)為立方體星，又稱(chēng)為1個(gè)立方體星單元（1U），由若干個(gè)單元（n U）可以組成納衛(wèi)星。

飛行器的模塊化用了物理分離技術(shù)，采用無(wú)線傳輸方式和編隊(duì)飛行模式，構(gòu)成邏輯上一體化的飛行器，其中立方體星在飛行器的模塊化中起到了尤為至關(guān)的作用，邏輯上一體化的飛行器是由許多立方體星構(gòu)成的或者飛行器自身的某些部件是由立方體星構(gòu)成的，立方體星的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、易于技術(shù)更新、研制周期短，研制成本低等優(yōu)點(diǎn)使得其在飛行器中的應(yīng)用變得尤為廣泛。

3. 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單介紹

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是由空間中飛行的飛行器、飛行器的構(gòu)成元件、地面站為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成的空間網(wǎng)絡(luò)，它和地面的網(wǎng)絡(luò)不同，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方式獨(dú)特、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模少、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間距離比較大、可靠性要求嚴(yán)格。同時(shí)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)還具有四大特征：自發(fā)現(xiàn)——自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以自動(dòng)檢測(cè)到周?chē)臻g中的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)；自配置——網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路能夠自動(dòng)建立，多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系圖；自運(yùn)行——衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以使數(shù)據(jù)通信服務(wù)更高效，而且對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)變化的隨機(jī)性也比較適應(yīng)；自保護(hù)——空間自組織網(wǎng)絡(luò)采用安全通信協(xié)議進(jìn)行自保護(hù)，包括身份認(rèn)證和安全數(shù)據(jù)通信。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的作用域和性質(zhì)可將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分為三層結(jié)構(gòu)：星內(nèi)自組織網(wǎng)絡(luò)、集群自組織網(wǎng)絡(luò)和星地互聯(lián)自組織網(wǎng)絡(luò)。

（1）星內(nèi)自組織網(wǎng)絡(luò)圖：

（2）集群自組織網(wǎng)絡(luò)圖：

（3）星地互聯(lián)自組織網(wǎng)絡(luò)圖：

在航空航天領(lǐng)域中，集群自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的極為廣泛，集群自組織網(wǎng)絡(luò)還包括一系列的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，在此不作深入講述。

4. 飛行器和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景

飛行器和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可以用F6計(jì)劃很好的體現(xiàn)，F(xiàn)6計(jì)劃是美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）正在進(jìn)行的一項(xiàng)新研究，F(xiàn)指的是——Future、Fast、Flexible、Fractionated、Free-Flying，音譯過(guò)來(lái)為：“未來(lái)、快速、靈活、模塊化、自由飛行”。

傳統(tǒng)的飛行器質(zhì)量、體積非常龐大，通常由衛(wèi)星組成，F(xiàn)6計(jì)劃是一種新型的衛(wèi)星系統(tǒng)，它的構(gòu)想是圍繞使命任務(wù)， 采用了模塊化和組合的概念，把一個(gè)飛行器的數(shù)據(jù)加工、能量配置、定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理等功能單元，優(yōu)化拆分為多個(gè)模塊，而不是把飛行器相互嵌套的分系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械式分離。分離模塊在功能上相當(dāng)于是一顆衛(wèi)星，每個(gè)模塊都帶有在空間執(zhí)行任務(wù)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息和能源，采用模塊分離、編隊(duì)飛行、數(shù)據(jù)交換和能源交換方式，功能上相互補(bǔ)充，能源上相互共享，形成一個(gè)邏輯上龐大的衛(wèi)星來(lái)完成特定的任務(wù)。F6計(jì)劃是把傳統(tǒng)衛(wèi)星上的重要部件將各自形成一個(gè)個(gè)單獨(dú)的小衛(wèi)星， 在主衛(wèi)星附近飛行，這些小衛(wèi)星一般由立方體星或者立方體星構(gòu)成的納衛(wèi)星組成，多個(gè)立方體星可以構(gòu)成一個(gè)星群，在這個(gè)星群中使用的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是集群自組織網(wǎng)絡(luò)， 如果某個(gè)立方體星出現(xiàn)問(wèn)題， 新立方體星將會(huì)對(duì)它進(jìn)行補(bǔ)充替換。

F6計(jì)劃共分為4個(gè)階段：

①計(jì)劃著重開(kāi)發(fā) F6 項(xiàng)目中的五項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它們分別為：功能完備的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、可信傳輸?shù)臒o(wú)線通信技術(shù)、分布式計(jì)算技術(shù)、能源傳輸技術(shù)和衛(wèi)星自主控制導(dǎo)航技術(shù)。

②運(yùn)用分離模塊化的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)F6計(jì)劃，力爭(zhēng)可以讓F6執(zhí)行與國(guó)家安全相關(guān)的航天任務(wù)。

③在制造過(guò)程中對(duì)成本進(jìn)行優(yōu)化，綜合考慮各種風(fēng)險(xiǎn)，把制造傳統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)的費(fèi)用和采用模塊化分離后的衛(wèi)星系統(tǒng)的費(fèi)用進(jìn)行比較。

④設(shè)計(jì)一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)，利用相關(guān)技術(shù)對(duì)具有分離的模塊系統(tǒng)進(jìn)行半實(shí)物模擬。

飛行器的分離模塊化是近代設(shè)計(jì)飛行器的新方法，它可以高效的完成空間各種飛行任務(wù)。為了將分離模塊化的概念進(jìn)一步具體化， F6計(jì)劃打算設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)分離模塊飛行試驗(yàn)系統(tǒng)，從而對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行具體演示，進(jìn)而讓這種新概念更清晰具體，具體化其潛在的巨大價(jià)值。模塊化的飛行器在未來(lái)的航空航天和軍事領(lǐng)域中，將會(huì)得到更為廣泛的進(jìn)步和發(fā)展。

“分離模塊飛行器” 的核心技術(shù)是無(wú)線傳輸技術(shù)， 它包括各模塊間數(shù)據(jù)的傳輸和能源的傳輸。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)發(fā)展的比較快，在很多領(lǐng)域都已應(yīng)用。在 F6 計(jì)劃中， 要想實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，適用于太空環(huán)境下無(wú)線傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議的建立是至關(guān)重要的， 它可以使模塊間的無(wú)線通信變得安全可靠。

在F6計(jì)劃中，如果衛(wèi)星各組成模塊分離，在模塊數(shù)量眾多的情況下，如何管理這些眾多的分離模塊，成為非常重要的問(wèn)題。通常將模塊設(shè)計(jì)成通用或標(biāo)準(zhǔn)模塊，通過(guò)對(duì)這些模塊采用不同的組合方式形成不同的系統(tǒng)，并不對(duì)每種系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，模塊之間通過(guò)無(wú)線連接，F(xiàn)6設(shè)計(jì)的原理是“功能分解，結(jié)構(gòu)分離，無(wú)線連接，編隊(duì)飛行”，從而將多模塊有效的進(jìn)行管理。

5.應(yīng)用前景

模塊化的飛行器系統(tǒng)將會(huì)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其實(shí)它在邏輯功能上相當(dāng)于一顆大衛(wèi)星， 本質(zhì)上它把傳統(tǒng)的飛行器在質(zhì)量上進(jìn)行分解，從而使風(fēng)險(xiǎn)降低，衛(wèi)星技術(shù)將會(huì)朝著模塊化的方向發(fā)展。分離模塊化的飛行器和集群自組織網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，在間接遙控技術(shù)和相對(duì)定位與導(dǎo)航方面有了很大的發(fā)展。F6 計(jì)劃是由美國(guó)在2007年提出的，近幾年得到了很快的發(fā)展，如果F6 計(jì)劃取得成功，無(wú)論是在軍用、民用、還是在商業(yè)領(lǐng)域中，都將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用，同時(shí)新型航天技術(shù)將會(huì)開(kāi)辟出一片新天地。