阮永井，胡敏，云朝明

航天工程大學(xué)，北京 101416

1 引言

低地球軌道(low Earth orbit，LEO)地區(qū)因其軌道高度低、傳輸延時(shí)短、路徑損耗小等特性，引起了巨型星座設(shè)計(jì)者和運(yùn)營商的濃厚興趣[1]。1999年，隨著銥星等公司的破產(chǎn)，低軌星座項(xiàng)目受挫。進(jìn)入21世紀(jì)以后，由于高度集成化和自動(dòng)化技術(shù)快速發(fā)展，發(fā)射成本逐漸降低，市場需求量不斷擴(kuò)大，低軌巨型星座的研發(fā)和部署掀起前所未有的熱潮[2-3]。低軌巨型星座能夠提供全球覆蓋，迅速提高衛(wèi)星通信、衛(wèi)星遙感等能力；在通信寬帶方面潛力巨大，能夠以較低的信號(hào)傳播延遲來提高服務(wù)質(zhì)量；將低軌星座應(yīng)用于當(dāng)前的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)增強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速精確定位。在過去的7年里，關(guān)于低軌巨型星座構(gòu)型設(shè)計(jì)與控制引起學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。巨型星座建設(shè)已經(jīng)開始，低軌巨型星座成為全世界衛(wèi)星業(yè)界的熱門話題[4-6]。

衛(wèi)星星座構(gòu)型包括衛(wèi)星的軌道類型、空間分布及星間的相互關(guān)系[7]。低軌巨型星座是一個(gè)龐大的空間系統(tǒng)，其星座構(gòu)型與系統(tǒng)各種性能之間的相互聯(lián)系相當(dāng)復(fù)雜，星座構(gòu)型設(shè)計(jì)與控制研究也面臨著挑戰(zhàn)。提早建設(shè)和利用低軌星座系統(tǒng)，不僅能夠搶占有限的LEO軌道資源，而且有利于搶占頻譜主動(dòng)權(quán)，建設(shè)低軌巨型星座，進(jìn)而增強(qiáng)中國的太空系統(tǒng)彈性和太空感知能力。因此，加快中國低軌巨型星座技術(shù)的研究至關(guān)重要。

本文在梳理國內(nèi)外低軌巨型星座發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從任務(wù)需求、覆蓋特性、攝動(dòng)補(bǔ)償和備份策略4個(gè)角度，總結(jié)了星座的構(gòu)型設(shè)計(jì)技術(shù)及其特點(diǎn)。接著，通過星座構(gòu)型控制的流程，歸納了不同任務(wù)段星座構(gòu)型控制方法的特點(diǎn)。最后，給出了低軌巨型星座的研究方向建議。

2 低軌巨型星座的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外的低軌巨型星座計(jì)劃

隨著商業(yè)航天和小衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星發(fā)射入軌和全球組網(wǎng)的成本大大降低，國外SpaceX、波音、OneWeb、開普勒通信、三星、亞馬遜等商業(yè)公司都相繼提出了低軌星座計(jì)劃，其中最具代表性是SpaceX、Telesat、OneWeb，這些公司計(jì)劃通過低軌巨型衛(wèi)星星座提供寬帶通信服務(wù)。在2018年9月的美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)文件和新聞稿中所述的三個(gè)星座系統(tǒng)使用相似半徑的圓形軌道，各軌道參數(shù)如表1所示[8-9]。

表1 Telesat 、OneWeb 、SpaceX所提出的星座軌道參數(shù)Table 1 Orbit parameters of Telesat, Oneweb and SpaceX satellite systems

Telesat星座使用Ka波段，計(jì)劃采用極地軌道和傾斜軌道的混合星座。2021年2月，Telesat公司宣布由歐洲廠家泰雷茲·阿萊尼亞空間公司來承造其低軌寬帶網(wǎng)絡(luò)的298顆衛(wèi)星，計(jì)劃在2022年開始部署星座。其中78顆將部署到高度為1 015 km的極軌道，設(shè)6個(gè)軌道面，每個(gè)軌道面設(shè)13顆衛(wèi)星。到2023年底，將其余的220顆衛(wèi)星將發(fā)射到高1 325 km的傾斜軌道，設(shè)20個(gè)軌道面，每個(gè)軌道面設(shè)11顆衛(wèi)星，星座示意如圖1所示。其中極地衛(wèi)星將于2022年在北半球高緯度地區(qū)投入使用，并在2023年發(fā)射傾斜軌道衛(wèi)星后開始提供全球服務(wù)。截至2021年10月，Telesat公司只在2018年成功發(fā)射一顆原型衛(wèi)星。

圖1 Telesat星座示意Fig.1 Telesat constellation diagram

OneWeb星座放棄了星間鏈路設(shè)計(jì)，在全球布設(shè)關(guān)口站使衛(wèi)星聯(lián)網(wǎng)，星座采用Ku波段進(jìn)行用戶通信，Ka波段進(jìn)行關(guān)口站通信。計(jì)劃通過3個(gè)階段部署低軌衛(wèi)星，為全球10億用戶提供服務(wù)。星座初期計(jì)劃在18個(gè)圓形軌道平面上部署720顆衛(wèi)星，如表1所示，星座示意如圖2所示。新增的1 260顆衛(wèi)星獲準(zhǔn)采用8 500 km的中地球軌道，使用V波段，用于實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。OneWeb計(jì)劃于2027年完成星座全部部署[10]。OneWeb公司經(jīng)歷破產(chǎn)重組，2020年12月重啟發(fā)射[11]，截至2021年10月OneWeb星座在軌衛(wèi)星數(shù)量已達(dá)358顆。

圖2 OneWeb星座示意Fig.2 OneWeb constellation diagram

SpaceX公司的Starlink(星鏈)星座采用Ku波段進(jìn)行用戶鏈路，Ka波段用于饋線鏈路。起初，“星鏈”計(jì)劃分3個(gè)階段部署星座，第1階段和第2階段的軌道參數(shù)如表1中所示，軌道高度1 110～1 325 km。第3階段部署的星座軌道高度更低，衛(wèi)星數(shù)目更多，共計(jì)7 518顆衛(wèi)星部署在軌道高度340 km附近，將使用V波段，星座示意如圖3所示。由于各方面因素的影響，“星鏈”星座計(jì)劃已經(jīng)歷3次修改：第1次修改旨在降低軌道高度，將原1 150 km的1 600顆星，調(diào)整為550 km的1584顆星，星座規(guī)模由4 425顆調(diào)整為4 408顆；第2次修改旨在實(shí)現(xiàn)更快的部署，方法則是將軌道面由24個(gè)調(diào)整為72個(gè)，相應(yīng)的每面衛(wèi)星數(shù)由66顆降為22顆，保持總數(shù)不變；第3次修改旨在進(jìn)一步降低衛(wèi)星軌道高度，將原軌道高度1 110～1 325 km的衛(wèi)星降低至540～570 km。

圖3 Starlink星座示意Fig.3 Starlink constellation diagram

隨后SpaceX公司將30 000顆衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)資料申請?zhí)峤恢撩绹?lián)邦通信委員會(huì)。這一期的衛(wèi)星代號(hào)為Starlink Gen2，30 000顆衛(wèi)星的軌道高度分布在328～614 km，共75個(gè)軌道面上，具體的星座構(gòu)型如表2所示[12]。

表2 Starlink Gen2星座構(gòu)型分布Table 2 Starlink Gen2 constellation configuration distribution

目前，Starlink星座申請發(fā)射的衛(wèi)星總數(shù)為4.2萬顆，而FCC已批準(zhǔn)SpaceX公司運(yùn)營1.2萬顆“星鏈”衛(wèi)星。得益于批量化衛(wèi)星制造、火箭重復(fù)利用、一箭多星發(fā)射等領(lǐng)先技術(shù)，截至2021年10月，SpaceX公司已累計(jì)發(fā)射Starlink星座的衛(wèi)星總數(shù)為1791顆，共有1685衛(wèi)星顆在軌運(yùn)行[13]。

2.2 國內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)星座計(jì)劃

國內(nèi)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃已被納入“新基建”，意味著該項(xiàng)目已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略性工程。國內(nèi)最初提出建設(shè)自己衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的有中國航天科技集團(tuán)有限公司(CASC)、中國航天科工集團(tuán)有限公司(CASIC)和中國電子科技集團(tuán)有限公司(CETC)，對應(yīng)的衛(wèi)星星座分別是“鴻雁星座”“虹云工程”“行云工程”“天象星座”。商業(yè)航天公司有銀河航天(Galaxy Space)提出的“銀河5G”星座計(jì)劃，九天微星的“天基物聯(lián)網(wǎng)”計(jì)劃以及北京未來導(dǎo)航(BFNTC)的“微厘空間”導(dǎo)航增強(qiáng)計(jì)劃等，部分星座計(jì)劃如表3所示。

表3 國內(nèi)主要低軌星座計(jì)劃Table 3 Major LEO constellation plans in China

現(xiàn)階段只有部分公司發(fā)射了幾顆試驗(yàn)星，要實(shí)現(xiàn)批量發(fā)射還面臨著一系列問題。從衛(wèi)星制造能力、市場需求和資金實(shí)力上，這些獨(dú)立的低軌衛(wèi)星通信計(jì)劃都未完全具備批量制造和部署的能力，國內(nèi)的巨型星座計(jì)劃還將不斷完善[14-16]。

2020年9月，中國正式向國際電信聯(lián)盟ITU提交了低軌巨型星座的軌道和頻率申請網(wǎng)絡(luò)資料。以“GW”為代號(hào)的兩個(gè)低軌衛(wèi)星星座，共計(jì)12 992顆衛(wèi)星，星座構(gòu)型分布如表4所示。由此，中國低軌巨型星座建設(shè)邁開了堅(jiān)實(shí)的第一步。

表4 國網(wǎng)GW星座構(gòu)型分布Table 4 GW constellation configuration distribution

國內(nèi)的低軌星座計(jì)劃越來越熱，但與國外相比，國內(nèi)現(xiàn)階段低軌巨型星座的設(shè)計(jì)研究相對滯后。即便如此，國內(nèi)低軌星座的建設(shè)不能一味地跟著國外巨型星座計(jì)劃跑，只關(guān)注低軌巨型星座的移動(dòng)通信功能，應(yīng)該注重創(chuàng)新升級，充分發(fā)揮低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的能力，讓低軌衛(wèi)星和其他通信、遙感、導(dǎo)航衛(wèi)星的信息相結(jié)合，進(jìn)而提升資源利用效率并拓寬商業(yè)空間，使得方案更加經(jīng)濟(jì)有效。目前已有部分通信互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目提出導(dǎo)航增強(qiáng)的方案，因此在未來，通信、導(dǎo)航、授時(shí)、定位、遙感的一體化組網(wǎng)，打造空間信息網(wǎng)絡(luò)將會(huì)是低軌巨型星座的發(fā)展趨勢。同時(shí)，由于低軌巨型星座衛(wèi)星數(shù)量龐大，低軌巨型星座也將朝著星間鏈路以及自主運(yùn)行管理的方向發(fā)展。

要在近地軌道中部署完整的大型星座，需要提供完整、準(zhǔn)確和最新的構(gòu)型。目前近地軌道所部署的巨型星座計(jì)劃由成百上千個(gè)航天器組成，其對空間碎片環(huán)境的影響，使人們越來越擔(dān)憂近地空間環(huán)境的長期可持續(xù)性發(fā)展[17]。現(xiàn)有公開文獻(xiàn)中，低軌巨型星座的研究主要集中在碎片碰撞概率計(jì)算。文獻(xiàn)[18]以O(shè)neWeb和SpaceX的巨型星座為例，使用歐洲航天局(歐空局)的MASTER-2009碎片演變模型進(jìn)行模擬研究，并對多種情景進(jìn)行測試。研究結(jié)果表明，在OneWeb或SpaceX星座的5年運(yùn)行階段，在MASTER中實(shí)施減緩措施并沒有顯著降低碰撞的概率。文獻(xiàn)[19]對近十年提出的巨型星座進(jìn)行仿真建模，采用空間碎片環(huán)境長期演化模型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)量和面積主要影響碰撞次數(shù)，衛(wèi)星質(zhì)量主要影響由碰撞產(chǎn)生的新增碎片數(shù)量，星座部署在1 100 km高度對空間碎片環(huán)境影響較大。文獻(xiàn)[20]基于巨型星座的風(fēng)險(xiǎn)評估統(tǒng)計(jì)工具，分析了星座主要參數(shù)對衛(wèi)星使用壽命、衛(wèi)星數(shù)量、航天器橫截面、衛(wèi)星可靠性的影響。較好的低軌巨型星座構(gòu)型設(shè)計(jì)與控制技術(shù)能夠增強(qiáng)星座的安全性。目前公開資料中，國內(nèi)外低軌巨型星座的技術(shù)研究提案較少，中國對衛(wèi)星星座構(gòu)型的研究主要集中在中軌道的導(dǎo)航星座。因此，低軌巨型星座的構(gòu)型設(shè)計(jì)與控制問題值得進(jìn)一步探索。

3 衛(wèi)星星座構(gòu)型設(shè)計(jì)與控制

星座構(gòu)型是以衛(wèi)星軌道為基礎(chǔ)，對星座幾何形狀以及衛(wèi)星間相互關(guān)系的描述，反映了星座中衛(wèi)星的時(shí)空布局。低軌巨型衛(wèi)星星座是一個(gè)復(fù)雜龐大的空間系統(tǒng)，衛(wèi)星星座的構(gòu)型設(shè)計(jì)與構(gòu)型控制相輔相成，一方面衛(wèi)星星座的空間幾何構(gòu)型設(shè)計(jì)決定了構(gòu)型控制的效果，另一方面要提高星座構(gòu)型控制的能力和水平，需將星座構(gòu)型進(jìn)行重新設(shè)計(jì)[21]。因此，星座構(gòu)型設(shè)計(jì)與構(gòu)型控制需要綜合考慮星座的整體性能和建設(shè)效益，實(shí)現(xiàn)低軌巨型星座的全壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 衛(wèi)星星座構(gòu)型設(shè)計(jì)

星座的構(gòu)型設(shè)計(jì)是星座系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提和關(guān)鍵，衛(wèi)星之間的幾何構(gòu)型直接決定了星座系統(tǒng)的運(yùn)行能力和應(yīng)用水平。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的星座可以提高星座系統(tǒng)的性能，降低星座部署成本。星座的構(gòu)型設(shè)計(jì)需考慮衛(wèi)星的軌道特性，以星座性能為指標(biāo)來選擇優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。一般來說，星座構(gòu)型設(shè)計(jì)除了考慮任務(wù)需求，覆蓋特性外還需考慮星座的時(shí)空結(jié)構(gòu)特性，利用攝動(dòng)補(bǔ)償策略和星座備份策略進(jìn)行構(gòu)型設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

(1)針對任務(wù)需求的星座構(gòu)型設(shè)計(jì)

由于星座內(nèi)各衛(wèi)星之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化， 使得星座構(gòu)型設(shè)計(jì)十分復(fù)雜。星座構(gòu)型設(shè)計(jì)主要是星座構(gòu)型參數(shù)的優(yōu)化，不同的任務(wù)需求和不同的星座構(gòu)型特點(diǎn)所對應(yīng)的星座構(gòu)型設(shè)計(jì)方法也不盡相同。目前低軌巨型星座的功能主要是通信，隨著研究的深入，一些星座計(jì)劃也提出融合低軌導(dǎo)航增強(qiáng)、遙感以及授時(shí)定位等功能。

星座的構(gòu)型設(shè)計(jì)是決定低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，文獻(xiàn)[22]在設(shè)計(jì)低軌巨型星座時(shí)，考慮了Delta和Star兩種Walker型星座，并對比分析了兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[23]為減少地球觀測衛(wèi)星星座的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，提出了衛(wèi)星遙感和衛(wèi)星通信的兩個(gè)相互交聯(lián)的異構(gòu)星座設(shè)計(jì)，并通過基于預(yù)定義的設(shè)計(jì)變量范圍生成數(shù)千個(gè)異構(gòu)構(gòu)型配置，并根據(jù)預(yù)定義的性能度量調(diào)整這些配置大小的優(yōu)化框架尋找最佳的星座異構(gòu)配置。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)無線電掩星大氣探測技術(shù)，擴(kuò)展了一個(gè)嶄新的低地球軌道衛(wèi)星星座研究領(lǐng)域，針對無線電掩星地球大氣的探測星座，文獻(xiàn)[24]提出了多全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)探測星座的概念和設(shè)計(jì)方法，并使用改進(jìn)的蟻群算法來進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果與原有星座相比，衛(wèi)星數(shù)量減少2顆的同時(shí)探測數(shù)據(jù)量增加了40%，并且探測均勻性提高了67%。

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)被認(rèn)為是擴(kuò)展和增強(qiáng)現(xiàn)有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的一個(gè)有前途的應(yīng)用。它本質(zhì)上不同于通信星座或地球觀測星座的設(shè)計(jì)問題。文獻(xiàn)[25]詳細(xì)論證了低軌導(dǎo)航增強(qiáng)星座設(shè)計(jì)方法，針對單一星座構(gòu)型全球精度衰減因子(dilution of precision,DOP)值分布不均勻的問題,提出以組合低軌衛(wèi)星星座的方式實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，并使可見星數(shù)量與DOP值在全球范圍內(nèi)均勻分布。為實(shí)現(xiàn)利用低軌巨型星座進(jìn)行定位，文獻(xiàn)[26]對既可用于通信又可用于定位的星座進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，通過將不同星座組合在一起使沿緯度的可見衛(wèi)星數(shù)量分布更均勻，并討論了傾角、軌道高度、組合星座的數(shù)量以及每個(gè)星座中衛(wèi)星數(shù)量比例的選擇。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[27]選擇了240個(gè)軌道傾角分別為90°，60°和35°的LEO衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速精確點(diǎn)定位收斂，時(shí)間為1 min。文獻(xiàn)[28]將低地球軌道星座設(shè)計(jì)問題建模為一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題，并采用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行求解。位置精度因子(position dilution of precision，PDOP)、可見衛(wèi)星數(shù)和軌道高度作為性能指標(biāo)，被用來在增強(qiáng)性能和部署效率之間尋求最佳折衷。通過模糊集方法從由多目標(biāo)優(yōu)化算法給出的一組帕累托最優(yōu)解中選出最佳的星座。該方法只測試了144顆和228顆衛(wèi)星的星座，對于衛(wèi)星數(shù)量龐大的低軌巨型星座，優(yōu)化算法的搜索空間可能會(huì)增加幾個(gè)數(shù)量級，容易陷入局部最優(yōu)，難以得到全局最優(yōu)解。

盡管已經(jīng)有學(xué)者提出了一些低地球軌道導(dǎo)航增強(qiáng)以及遙感觀測的星座，但目前文獻(xiàn)中低軌星座的構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用的是混合星座的設(shè)計(jì)方式，衛(wèi)星數(shù)目在300顆以內(nèi)，要想實(shí)現(xiàn)上千顆衛(wèi)星的巨型星座設(shè)計(jì)，需要在傳統(tǒng)星座設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上探索新的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而滿足在成本可控范圍內(nèi)符合更為復(fù)雜多元的任務(wù)需求。

(2)針對覆蓋特性的星座構(gòu)型設(shè)計(jì)

覆蓋性能優(yōu)化方法在傳統(tǒng)上主要用于低軌偵察衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)，LEO星座的空間覆蓋性能是一個(gè)多屬性指標(biāo)體系。因此，如何用覆蓋性能指標(biāo)來評估星座的探測能力，在星座設(shè)計(jì)、優(yōu)化和評估中具有重要意義。文獻(xiàn)[29]于20世紀(jì)90年代研究了低軌衛(wèi)星星座的最佳組成，并給出了Walker星座，圓形極軌星座，大橢圓軌道星座在不同階段的覆蓋范圍。在低軌偵察衛(wèi)星星座的設(shè)計(jì)問題中，文獻(xiàn)[30]引入正常隨機(jī)目標(biāo)的偵察過程，建立檢測過程的數(shù)學(xué)模型，確定覆蓋性能和檢測能力之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[31]利用對地球表面進(jìn)行連續(xù)單次和多次全球覆蓋的衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)來解決更復(fù)雜的區(qū)域覆蓋。

可以發(fā)現(xiàn)，以上方法的衛(wèi)星數(shù)量都不超過20顆，只能實(shí)現(xiàn)部分區(qū)域覆蓋，這些技術(shù)無法為持續(xù)性全球覆蓋的巨型星座設(shè)計(jì)提供解決方案。對于低軌巨型星座，文獻(xiàn)[32]提出了一種大規(guī)模優(yōu)化星座設(shè)計(jì)框架，旨在實(shí)現(xiàn)全球覆蓋和強(qiáng)大的連通性。該研究首先建立快速而準(zhǔn)確的軌道預(yù)報(bào)器；然后利用球形Voronoi鑲嵌、衛(wèi)星重訪頻率和星間鏈路可行性來表征星座的覆蓋和連通性，由眾多衛(wèi)星星下點(diǎn)所形成的Voronoi圖和Delaunay三角剖分示意如圖4所示；最后，基于模擬退火優(yōu)化，得到最佳軌道高度、軌道傾角、每個(gè)軌道衛(wèi)星數(shù)量和星座中軌道平面數(shù)量。該方案通過優(yōu)化星座設(shè)計(jì)來直接影響系統(tǒng)的成本、可擴(kuò)展性和有效性，可為低軌巨型星座的構(gòu)型設(shè)計(jì)提供參考。

圖4 星下點(diǎn)形成的Voronoi圖與Delaunay三角剖分Fig.4 Voronoi diagram and Delaunay triangulation formed by the sub-satellite points

(3)考慮攝動(dòng)補(bǔ)償?shù)男亲鶚?gòu)型設(shè)計(jì)

衛(wèi)星在軌運(yùn)行中會(huì)受到各種攝動(dòng)力作用，逐漸偏離設(shè)計(jì)軌道。造成衛(wèi)星間相對位置發(fā)生偏移并導(dǎo)致星座整體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響星座性能。文獻(xiàn)[33]對低軌衛(wèi)星的攝動(dòng)力模型進(jìn)行分析，并估計(jì)了各攝動(dòng)力的量級。低軌衛(wèi)星受到的主要攝動(dòng)力包括非球形攝動(dòng)、日月三體引力攝動(dòng)、大氣阻力攝動(dòng)、潮汐力攝動(dòng)及太陽光壓攝動(dòng)。

在星座幾何構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí)可以對星座軌道進(jìn)行小量偏置，通過攝動(dòng)力補(bǔ)償策略調(diào)整星座構(gòu)型參數(shù)，進(jìn)而提高星座構(gòu)型的長期穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[34]利用參數(shù)偏置的攝動(dòng)補(bǔ)償方式來處理衛(wèi)星攝動(dòng)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的星座構(gòu)型發(fā)散問題。文獻(xiàn)[35]利用衛(wèi)星初始參數(shù)偏置補(bǔ)償原理建立星座整體偏移方案；同時(shí)通過數(shù)據(jù)擬合方法擬合調(diào)整多種攝動(dòng)對整體的影響結(jié)果，進(jìn)而消除衛(wèi)星軌道在長期攝動(dòng)因素下產(chǎn)生的偏差，保持星座構(gòu)型的長期穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[36]分析了低軌Walker星座的衛(wèi)星軌道攝動(dòng)和星座構(gòu)型穩(wěn)定性的影響因素，通過其軌道攝動(dòng)和相對漂移特點(diǎn)，提出的2次偏置控制策略可將兩種星座的相對漂移量降至0.1°以下。但其研究的軌道高度為800 km，該軌道高度下大氣阻力的影響可以忽略不計(jì)。

針對攝動(dòng)補(bǔ)償策略的構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)能有效提高中高軌衛(wèi)星星座的構(gòu)型穩(wěn)定性，但其只能對攝動(dòng)導(dǎo)致的星座構(gòu)型長期變化中的線性部分進(jìn)行補(bǔ)償，非線性部分無法實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償或者補(bǔ)償效果不是很理想。對于軌道高度較低的低軌巨型星座(尤其是軌道高度低于500 km的星座)受大氣阻力影響較大，攝動(dòng)補(bǔ)償?shù)男Ч麜?huì)很有限。

(4)星座構(gòu)型設(shè)計(jì)需考慮的星座備份策略

在星座的運(yùn)行中需要部署一定數(shù)目的備份衛(wèi)星來提高星座的可靠性，即星座的備份策略。巨型星座的衛(wèi)星數(shù)目日益增多，未來巨型星座可能會(huì)出現(xiàn)大量衛(wèi)星故障，因此在星座的構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí)就必須設(shè)計(jì)穩(wěn)定的備份更換策略來保障星座服務(wù)水平。同時(shí)，不同備份策略要求備份衛(wèi)星進(jìn)行不同的軌道部署，這將對星座的構(gòu)型產(chǎn)生不同的影響。

傳統(tǒng)的星座備份策略包括空間備份和按需發(fā)射備份，其中空間備份指在軌備份和停泊軌道備份，按需發(fā)射備份也稱地面?zhèn)浞?。在軌備份是將備份星部署在工作軌道高度，通過相位調(diào)整完成故障星替換；停泊軌道備份的備份星軌道與工作軌道存在高度差，利用備份星的軌道漂移和軌道機(jī)動(dòng)完成故障星替換；地面?zhèn)浞莸膫浞菪谴鎯?chǔ)在地面，通過地面發(fā)射實(shí)現(xiàn)故障星替換。三種備份模式的優(yōu)缺點(diǎn)如表5所示[21,37]。

表5 不同星座備份模式的優(yōu)缺點(diǎn)Table 5 Advantages and disadvantages of different constellation spare modes

傳統(tǒng)的備份方案包括：建立基于衛(wèi)星可靠度、備份衛(wèi)星可用性及固有可用度、平均修復(fù)時(shí)間建立的星座系統(tǒng)可靠度模型、備份衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)約束模型、備份衛(wèi)星重構(gòu)控制模型，并通過綜合考慮星座構(gòu)型設(shè)計(jì)和備份策略設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)星座的一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)[38]。對于傾斜地球同步軌道衛(wèi)星備份，在考慮2顆剩余衛(wèi)星的設(shè)計(jì)約束條件下，通過比較和分析給出了對應(yīng)的軌道位置和備用方案[39]。文獻(xiàn)[40]基于鴻雁單顆LEO衛(wèi)星和GEO軌道衛(wèi)星資源，建立了單顆LEO和2顆GEO衛(wèi)星構(gòu)成的導(dǎo)航備份方案，從而實(shí)現(xiàn)天基衛(wèi)星導(dǎo)航備份。

隨著衛(wèi)星數(shù)量急劇增多，星座的空間系統(tǒng)自身冗余性增強(qiáng)，低軌巨型星座需要高效和可擴(kuò)展的維護(hù)策略。而傳統(tǒng)衛(wèi)星星座的備份策略在衛(wèi)星數(shù)量和故障頻率方面的可擴(kuò)展性有限，因此傳統(tǒng)備份策略無法滿足低軌巨型星座的備份需求?；诖藛栴}，提出了一種利用庫存管理方法的新備用策略，即存儲(chǔ)論模型。存儲(chǔ)論模型是一種多級庫存策略，通過設(shè)計(jì)一組比星座軌道高度低的停泊軌道用于備用存儲(chǔ)。存儲(chǔ)論模型將星座備份看作是一個(gè)多層次的供應(yīng)鏈系統(tǒng)，綜合考慮不同級別的備份衛(wèi)星。將地面?zhèn)浞菀暈楣?yīng)商，停泊軌道備份視為倉庫，衛(wèi)星在軌備份視為零售商，如圖5所示。

圖5 星座多級備份策略示意Fig.5 Multi-level spare strategy for satellite constellation

文獻(xiàn)[41]基于提出的多級庫存策略模型，引入了一種包括停泊軌道的特性和所有位置的優(yōu)化公式來確定最佳的備用策略，能夠在給定性能要求的情況下最大程度地降低系統(tǒng)的維護(hù)成本。該模型可以通過使用不同的停泊軌道和不同的軌道平面策略，使系統(tǒng)擁有更大靈活性的同時(shí)保證效率不變。但是該模型需要綜合應(yīng)用多種星座備份策略，模型建立比較復(fù)雜，該方向的模型需要輸入研究，使模型更加適用于巨型星座。

低軌巨型星座衛(wèi)星數(shù)目成百上千，甚至達(dá)到上萬顆，這導(dǎo)致了一個(gè)新問題的出現(xiàn):如何以最佳方式管理衛(wèi)星庫存。文獻(xiàn)[42]結(jié)合發(fā)射失敗、硬件故障和衛(wèi)星碰撞風(fēng)險(xiǎn)等隨機(jī)因素，提出了采用馬爾可夫決策過程模型來計(jì)算星座內(nèi)衛(wèi)星的最佳部署策略，該策略將與衛(wèi)星故障風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的總凈成本最小化，同時(shí)確保系統(tǒng)級操作不間斷。文獻(xiàn)[42]中提出的馬爾科夫決策過程通用模型，可用于優(yōu)化管理其他軌道甚至混合軌道中衛(wèi)星星座的庫存水平，可為巨型星座的庫存管理提供參考。

3.2 星座構(gòu)型控制

由于星座會(huì)受到環(huán)境攝動(dòng)以及衛(wèi)星自身可靠性的約束，需要利用星座構(gòu)型控制，來維持星座中衛(wèi)星的絕對位置和相對位置，使星座的整體性能處于穩(wěn)定狀態(tài)。星座構(gòu)型控制是實(shí)現(xiàn)星座構(gòu)型穩(wěn)定，確保星座性能滿足任務(wù)需求的重要保證[22]。衛(wèi)星從發(fā)射入軌到離軌都離不開控制，星座構(gòu)型控制主要包括星座構(gòu)型的初始化控制、構(gòu)型保持控制、構(gòu)型重構(gòu)控制、星座衛(wèi)星碰撞規(guī)避和離軌控制等，用于完成不同星座的任務(wù)要求。

(1)星座構(gòu)型初始化控制

在星座的構(gòu)型控制中，初始化過程是一個(gè)特殊的過程，其控制時(shí)間短，攝動(dòng)長期影響不明顯。構(gòu)型的初始化控制是通過一系列的變軌機(jī)動(dòng)，改變衛(wèi)星星座的主星和從星的軌道要素，形成所需要的構(gòu)型。文獻(xiàn)[43]研究了一種編隊(duì)衛(wèi)星群構(gòu)型控制的初始化方式，并通過演算確定控制的定軌方式。文獻(xiàn)[44]研究了兩次脈沖作用的分布式衛(wèi)星初始化問題。文獻(xiàn)[45]通過攝動(dòng)法給出圓參考軌道編隊(duì)衛(wèi)星相對動(dòng)力學(xué)方程的二階亞軌道周期解以及該編隊(duì)構(gòu)型解的初始化條件。文獻(xiàn)[46]研究了橢圓參考軌道下的編隊(duì)構(gòu)型初始化問題，并對兩脈沖、三跡向脈沖和四跡向脈沖的構(gòu)型初始化方法進(jìn)行了綜合比較分析。

“星鏈”星座(Starlink)衛(wèi)星由獵鷹9火箭發(fā)射入軌時(shí)，并不會(huì)直接將其送入預(yù)定的550 km軌道，而是送入位于300 km左右的軌道，之后通過星上氪離子推進(jìn)器進(jìn)行軌道爬升進(jìn)入預(yù)定軌道，40 d后基本能夠完成初始軌道的捕獲。銥星和OneWeb也是先將衛(wèi)星送入比工作軌道低的入軌軌道，然后通過衛(wèi)星軌道機(jī)動(dòng)進(jìn)入工作軌道，并且在改變半長軸的過程中，基本同時(shí)改變軌道傾角，使升交點(diǎn)赤經(jīng)漂移速率基本保持不變，從而最終實(shí)現(xiàn)星座初始軌道捕獲[47]。

(2)星座構(gòu)型保持控制

星座構(gòu)型保持控制旨在確保星座性能的穩(wěn)定性和連續(xù)性，維持星座中衛(wèi)星的站位，降低星座運(yùn)行維護(hù)成本和構(gòu)型設(shè)計(jì)復(fù)雜度。20世紀(jì)90年代文獻(xiàn)[48]提出僅控制平面內(nèi)的變軌，利用近地點(diǎn)點(diǎn)火調(diào)整遠(yuǎn)地點(diǎn)矢徑的控制策略來維持星座構(gòu)型。文獻(xiàn)[49]利用二次型最優(yōu)控制理論提出了星座相對位置保持、絕對位置可移動(dòng)的星座控制方法。文獻(xiàn)[50]分析了Walker-δ星座中各星相互協(xié)作關(guān)系，提出一種基于利用網(wǎng)格點(diǎn)仿真法獲得覆蓋性能的星座構(gòu)型保持策略。

文獻(xiàn)[47]基于兩行軌道要素(two-line element, TLE)研究了銥星、一網(wǎng)、星鏈星座的控制規(guī)律。其中，二代銥星利用保持各個(gè)星的平傾角基本相同，工作軌道衛(wèi)星的平半長軸相同的方式使升交點(diǎn)赤經(jīng)漂移速率保持不變，進(jìn)而保持星座構(gòu)型的長期穩(wěn)定。一網(wǎng)星座的衛(wèi)星軌道高度受大氣阻力的影響較小，主要通過升軌和降軌的交替進(jìn)行來維持衛(wèi)星的相位。

“星鏈”星座的衛(wèi)星維持控制是通過調(diào)節(jié)半長軸大小，采用衛(wèi)星升軌和降軌的方式維持控制星座。其中升軌控制能夠維持軌道高度?！靶擎湣毙亲噜徯l(wèi)星的相位偏差大都保持在±0.2°之間?！靶擎湣毙亲能壍栏叨容^低，大氣阻力影響較大，導(dǎo)致衛(wèi)星的平半長軸衰減較快，統(tǒng)計(jì)分析每天的衰減量大約為10 m。但另一方面，同樣由于大氣阻力影響，星座的部分降軌控制的規(guī)律性較差，振蕩幅度較大，在衛(wèi)星降軌后需要馬上進(jìn)行升軌控制，導(dǎo)致星座的升軌和降軌控制較為頻繁[47]?；赥LE數(shù)據(jù)的反演得到的星座構(gòu)型保持控制數(shù)據(jù)可為中國未來低軌巨型星座建設(shè)提供參考。

對于低軌巨型星座，衛(wèi)星受大氣阻力影響較大，傳統(tǒng)的星座維持控制方法會(huì)引起衛(wèi)星頻繁機(jī)動(dòng)，使得衛(wèi)星壽命縮短，服務(wù)質(zhì)量下降，需要研究更加高效的星座構(gòu)型維持控制技術(shù)。

(3)星座構(gòu)型重構(gòu)控制

星座構(gòu)型重構(gòu)是指星座由初始構(gòu)型變換到另一種構(gòu)型。星座在運(yùn)行時(shí)由于衛(wèi)星星座性能提升、衛(wèi)星星座任務(wù)需求改變、星座中衛(wèi)星失效等因素的存在，需要對衛(wèi)星星座構(gòu)型進(jìn)行重構(gòu)控制。

衛(wèi)星星座重構(gòu)機(jī)動(dòng)的優(yōu)化是指根據(jù)推進(jìn)劑消耗、轉(zhuǎn)移時(shí)間或兩者的組合，尋找最佳方式來調(diào)整現(xiàn)有衛(wèi)星星座的軌道，以實(shí)現(xiàn)特定任務(wù)目標(biāo)的過程。針對應(yīng)急機(jī)動(dòng)的星座重構(gòu)問題，文獻(xiàn)[51]提出了保持軌道屬性和星座基本構(gòu)型的預(yù)置量機(jī)動(dòng)方法，并給出了對應(yīng)的星座重構(gòu)策略。通過一階梯度和鄰近極值的組合算法能夠求解多衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移耦合優(yōu)化問題[52]。文獻(xiàn)[53]利用基于相對軌道元素的燃料最優(yōu)脈沖編隊(duì)重構(gòu)策略，實(shí)現(xiàn)重構(gòu)階段衛(wèi)星重分配問題的優(yōu)化。

針對衛(wèi)星星座構(gòu)型重構(gòu)過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于朗伯定理的衛(wèi)星星座重構(gòu)的方法能夠較好地降低重構(gòu)過程的成本。文獻(xiàn)[54]采用混合入侵雜草優(yōu)化/微粒群優(yōu)化算法對星座中的衛(wèi)星進(jìn)行次優(yōu)轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)，進(jìn)而以最小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)星座的重構(gòu)。并對問題的動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行建模：將衛(wèi)星對初始軌道和目標(biāo)軌道的最佳分配與最佳軌道轉(zhuǎn)移整合到一個(gè)步驟當(dāng)中。文獻(xiàn)[55]提出可進(jìn)行常規(guī)地球觀測和災(zāi)害監(jiān)測的可重構(gòu)衛(wèi)星星座框架，利用系統(tǒng)工程的方法解決衛(wèi)星設(shè)計(jì)和軌道設(shè)計(jì)的多學(xué)科共同優(yōu)化問題。

此外，某些星座會(huì)通過分階段部署的策略來逐步擴(kuò)大容量，以最大程度地降低諸如發(fā)射失敗和市場不確定性之類的偶然風(fēng)險(xiǎn)，這需要發(fā)射額外的衛(wèi)星并重新配置在軌衛(wèi)星。文獻(xiàn)[56]提出了一種靈活的多階段通信衛(wèi)星部署策略，通過最小的預(yù)期生命周期成本來找到每個(gè)階段的設(shè)計(jì)，同時(shí)星座的每個(gè)階段都提供了當(dāng)前關(guān)注區(qū)域的覆蓋范圍，以及關(guān)注區(qū)域潛在的附加覆蓋范圍。與單階段星座系統(tǒng)和最優(yōu)全球覆蓋星座相比，該策略的生命周期成本要更低。通過優(yōu)化衛(wèi)星星座軌道重構(gòu)的方法，能夠?qū)⒊跏嫉牡腿萘啃亲D(zhuǎn)換為新的高容量星座，這種方法可適用于低軌巨型星座。

衛(wèi)星失效會(huì)影響星座的覆蓋及工作性能，少數(shù)衛(wèi)星失效時(shí)可以通過控制調(diào)整剩余工作衛(wèi)星的軌道以及發(fā)射快速響應(yīng)衛(wèi)星的方法來對星座的空間構(gòu)型進(jìn)行重構(gòu)，從而降低失效影響，修復(fù)和改善星座性能[57-58]。為了滿足不斷變化的任務(wù)要求和應(yīng)對不可預(yù)見的挑戰(zhàn)，需要反應(yīng)靈敏和有彈性的星座系統(tǒng)。針對低軌通信星座衛(wèi)星失效的在軌重構(gòu)問題，文獻(xiàn)[59]以全球平均覆蓋率、燃料消耗均衡性、重構(gòu)總時(shí)間和重構(gòu)總速度增量作為重構(gòu)指標(biāo)，通過基于分解的多目標(biāo)進(jìn)化算法進(jìn)行建模仿真分析，能夠構(gòu)建帕累托前沿，恢復(fù)星座的覆蓋性能，并得到燃料消耗均衡性最好的解。但其調(diào)整軌道高度的優(yōu)化過程會(huì)在一定程度上破壞星座構(gòu)型，不能夠很好地適用于巨型星座。文獻(xiàn)[60]利用多目標(biāo)遺傳算法和基于模型的系統(tǒng)工程技術(shù)能夠不斷優(yōu)化靈敏和有彈性的星座系統(tǒng)。文獻(xiàn)[61]利用系統(tǒng)工程方法開發(fā)可重構(gòu)星座圖的優(yōu)化工具，實(shí)現(xiàn)地球觀測衛(wèi)星和可重構(gòu)星座的并行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

對于低軌巨型星座，由于星座的衛(wèi)星數(shù)目較多，通過傳統(tǒng)的機(jī)動(dòng)方式進(jìn)行重構(gòu)控制，在一定程度上會(huì)破壞原有星座構(gòu)型，影響星座的維持控制，使星座后期管理復(fù)雜度增加。針對這一問題，可以將星座的重構(gòu)控制、維持控制以及備份策略相結(jié)合，進(jìn)行綜合優(yōu)化。

(4)衛(wèi)星碰撞規(guī)避及離軌控制

低軌星座衛(wèi)星大都以批量化生產(chǎn)和減小衛(wèi)星內(nèi)部系統(tǒng)冗余度的方式來降低制造成本，這樣會(huì)使衛(wèi)星的可靠性降低，故障率提升，進(jìn)而可能使衛(wèi)星失效，空間碎片增加，威脅太空環(huán)境安全。例如星鏈計(jì)劃首先發(fā)射的60顆衛(wèi)星中就有3顆發(fā)生故障無法工作，這樣的故障率將可能使整個(gè)計(jì)劃中的600顆衛(wèi)星成為空間碎片，嚴(yán)重影響星座的安全性。針對空間碎片，衛(wèi)星需要進(jìn)行有效規(guī)避以免受到撞擊。文獻(xiàn)[62]提出了一種近距離自主規(guī)避以躲避無意識(shí)飛行的空間目標(biāo)的機(jī)動(dòng)策略。文獻(xiàn)[63]著重分析了航天器避碰的徑向和軌跡分離方法，揭示了分離效果與控制量、控制位置和控制時(shí)間的關(guān)系。

此外，星座內(nèi)部的衛(wèi)星與衛(wèi)星也可能發(fā)生碰撞，包括：由于攝動(dòng)力和軌道初始誤差的相互作用引起的碰撞，以及衛(wèi)星在入軌、軌道維持、碰撞規(guī)避以及離軌處置等機(jī)動(dòng)過程和觀測誤差等造成衛(wèi)星位置不確定引起的碰撞[64]。文獻(xiàn)[65]研究了星座內(nèi)部衛(wèi)星間相對距離的變化規(guī)律，建立了廣義的碰撞檢測數(shù)學(xué)模型，驗(yàn)證了調(diào)整軌道傾角的方式可以獲得較好的星座參數(shù)配置。文獻(xiàn)[66]在定義衛(wèi)星發(fā)生碰撞機(jī)會(huì)和碰撞概率的基礎(chǔ)上，從星座系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度提出了可減小衛(wèi)星碰撞概率的措施，包括：在保證衛(wèi)星站位沒有重疊的同時(shí)使衛(wèi)星間的最小間隔最大化；合理處置在軌報(bào)廢衛(wèi)星；減少星座的軌道數(shù)量；調(diào)整軌道傾角和相位盡量增大衛(wèi)星通過軌道平面相交處的時(shí)間間隔。

文獻(xiàn)[17]通過引入碰撞率增加百分比，以評估低地球軌道大型衛(wèi)星星座的環(huán)境影響。對于低軌巨型星座，如果廢棄衛(wèi)星不立即或在相對較短的時(shí)間內(nèi)脫離軌道，低地球軌道的碰撞率將進(jìn)一步增加。因此，低軌巨型星座應(yīng)盡可能提高衛(wèi)星任務(wù)后的處置成功率，使衛(wèi)星的離軌階段相當(dāng)短或者完全受控，以避免成百上千的廢棄衛(wèi)星長期停留在軌道上。

在較高的低地球軌道高度上運(yùn)行通常需要采取主動(dòng)離軌控制，即近地衛(wèi)星在使命完成以后進(jìn)行離軌機(jī)動(dòng)。文獻(xiàn)[67]通過研究衛(wèi)星的軌道參數(shù)、離軌機(jī)動(dòng)的代價(jià)與存在壽命的關(guān)系來解決離軌機(jī)動(dòng)問題。文獻(xiàn)[68]通過研究尋求一種簡單的機(jī)制(電離層阻力)，使得微型航天器從較高的LEO高度脫離軌道，以符合減輕軌道碎片的準(zhǔn)則。針對電推進(jìn)的主動(dòng)離軌控制方法，文獻(xiàn)[69]分析了電推進(jìn)對軌道根數(shù)的影響和燃料消化率，結(jié)合哈密頓函數(shù)提出了帶協(xié)狀態(tài)參數(shù)的最優(yōu)控制率，并建立了基于增廣拉格朗日粒子群最優(yōu)化算法的離軌模型，可用于解決低軌衛(wèi)星小推力求解問題。

針對由于衛(wèi)星設(shè)計(jì)或者故障的原因而無法控制再入衛(wèi)星的問題，重點(diǎn)是通過盡量減少衛(wèi)星停留時(shí)間，以便快速將衛(wèi)星移出軌道。文獻(xiàn)[70]提出了利用空間繩網(wǎng)捕獲廢棄目標(biāo)，再通過充氣式增阻離軌方式進(jìn)行被動(dòng)離軌的方案。

銥星公司開發(fā)并實(shí)施了一項(xiàng)離軌計(jì)劃，通過減緩衛(wèi)星的速度進(jìn)行離軌操作[71]，離軌的主要流程如圖6所示。銥星的64顆衛(wèi)星已經(jīng)實(shí)施離軌計(jì)劃重返大氣層，從軌道上移出，完成了星座的更新升級。銥星的離軌方案為那些無法控制再入的衛(wèi)星減少停留時(shí)間，快速移出軌道提供了參考。

圖6 銥星離軌流程Fig.6 Iridium de-orbit process

4 啟示與展望

低軌衛(wèi)星具有距地近、信號(hào)優(yōu)、低延時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，并且低軌巨型星座是一個(gè)龐大的空間系統(tǒng)，其衛(wèi)星數(shù)量大，能較好地實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的持續(xù)覆蓋。低軌巨型星座必然是未來星座發(fā)展的熱潮?，F(xiàn)階段國外關(guān)于低軌巨型星座的研究已取得一系列成果，而國內(nèi)的低軌巨型星座計(jì)劃也已提上日程。針對低軌巨型星座的構(gòu)型設(shè)計(jì)與控制以下幾個(gè)問題值得關(guān)注：

(1)星座構(gòu)型設(shè)計(jì)與控制的多學(xué)科優(yōu)化研究

衛(wèi)星星座構(gòu)型設(shè)計(jì)與構(gòu)型控制是一種相互制約的耦合關(guān)系。星座空間幾何構(gòu)型設(shè)計(jì)決定了星座的構(gòu)型控制效果，而星座構(gòu)型控制的能力和水平的改變需要新的星座構(gòu)型設(shè)計(jì)，星座設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮多個(gè)優(yōu)化指標(biāo)。此外，星座構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵在于分析巨型星座各項(xiàng)性能與幾何構(gòu)型的關(guān)系，建立相應(yīng)的分析模型，解決星座設(shè)計(jì)多準(zhǔn)則、模型復(fù)雜以及變量多樣的問題。針對上述難點(diǎn)問題，可考慮空間構(gòu)型與星座覆蓋性能、服務(wù)性能、星間鏈路性能、穩(wěn)定性能、可擴(kuò)展性等系統(tǒng)性能的綜合平衡，利用系統(tǒng)工程的方法建立合適的任務(wù)模型(見圖7)以及優(yōu)化模型。

圖7 巨型星座構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)任務(wù)模型Fig.7 Task model for configuration optimization design of mega-constellation

(2)低軌巨型星座自主運(yùn)行管理研究

星座自主運(yùn)行是指衛(wèi)星在不依賴地面設(shè)施的情況下自主確定星座狀態(tài)和維持星座構(gòu)型，在軌完成飛行任務(wù)所要求的功能或操作。低軌巨型星座，衛(wèi)星數(shù)量龐大，如果完全依賴地面設(shè)施和人工進(jìn)行控制管理，將耗費(fèi)巨大的人力物力財(cái)力。因此，衛(wèi)星的自主導(dǎo)航、星座構(gòu)型的自主維持的星座自主運(yùn)行管理值得深入研究。研究設(shè)計(jì)一種將各種衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷整合到一起，能夠適應(yīng)不斷增長的衛(wèi)星數(shù)量，靈活快速地收集、處理以及分發(fā)數(shù)據(jù)的架構(gòu)十分重要。

(3)低軌巨型星座安全性及離軌技術(shù)研究

截至2020年，尺寸大于10 cm的在軌空間物體數(shù)量已經(jīng)接近20 000個(gè)，其中90%以上都屬于空間碎片,尚未編目的空間目標(biāo)數(shù)更是大的驚人，巨型星座中涉及的大量衛(wèi)星構(gòu)成了新的挑戰(zhàn)[18,20]。針對這一問題，需要突破低軌空間物體臨界密度分析，空間碎片雪崩效應(yīng)構(gòu)成條件等技術(shù)。由于低軌巨型星座的衛(wèi)星數(shù)目多，衛(wèi)星的長期維持難度較大，衛(wèi)星故障率較高，為滿足星座的安全性、快速補(bǔ)位以及故障星離軌機(jī)動(dòng)的需要，星座控制系統(tǒng)的靈敏性和衛(wèi)星的離軌控制問題需要深入研究。

(4)低軌巨型星座分階段部署策略研究

低軌巨型星座的衛(wèi)星數(shù)量龐大，一般很難在短時(shí)間內(nèi)完成星座的建設(shè)，在此情況下就需要研究星座的分段部署方案。綜合考慮星座構(gòu)型的穩(wěn)定性、星座構(gòu)型控制、星座的系統(tǒng)可靠性、星座系統(tǒng)費(fèi)用、部署策略等，利用多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)行星座的分段部署，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各個(gè)階段星座服務(wù)能力、部署代價(jià)、階段子星座構(gòu)型擴(kuò)展性能以及階段間性能提升的綜合平衡。

(5)低軌巨型星座備份策略研究

低軌巨型星座的建設(shè)和運(yùn)行周期都很長，為實(shí)現(xiàn)星座的可靠運(yùn)行，巨型星座設(shè)計(jì)過程中還需要關(guān)注備份冗余問題。而傳統(tǒng)衛(wèi)星星座的備份策略在衛(wèi)星數(shù)量和故障頻率方面的可擴(kuò)展性有限，無法滿足低軌巨型星座備份需要。針對這一問題，一方面要深入研究星座衛(wèi)星的冗余、可靠性以及成本效率之間的關(guān)系，尋求最優(yōu)方案；另一方面是研究設(shè)計(jì)新的備份替換策略(如多級庫存策略)、庫存管理控制方式，利用最佳的備份衛(wèi)星數(shù)量確保星座服務(wù)連續(xù)性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

目前針對低軌巨型星座的研究主要圍繞星座的性能以及星座對空間環(huán)境所的影響，較少涉及低軌巨型星座的構(gòu)型設(shè)計(jì)與控制。本文首先介紹了國內(nèi)外低軌巨型星座計(jì)劃以及部署現(xiàn)狀，并分析未來巨型星座的發(fā)展方向。然后，從任務(wù)需求、覆蓋特性、攝動(dòng)補(bǔ)償、備份策略4個(gè)方面討論了星座的構(gòu)型設(shè)計(jì)，并闡述了從衛(wèi)星入軌到衛(wèi)星離軌的星座全壽命周期的構(gòu)型控制方式，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有小型星座的設(shè)計(jì)方式不能最佳地優(yōu)化巨型星座的構(gòu)型，并且一些傳統(tǒng)的控制方式已不適用于巨型星座的控制。最后，對未來低軌巨型星座的構(gòu)型設(shè)計(jì)與控制進(jìn)行了思考與展望，針對傳統(tǒng)星座的設(shè)計(jì)和控制方式的不足，在星座構(gòu)型的多學(xué)科優(yōu)化、星座自主運(yùn)行管理、星座安全性及離軌技術(shù)、星座的分階段部署和備份策略等方面需要探索新的方法。