分布式小衛星系統的技術發展與應用前景

林來興

(北京控制工程研究所,北京 100190)

1 引言

現代小衛星問世至今已有20 多年的歷史。實踐證明小衛星具有一系列優點,同時也存在一些局限性。為了使小衛星的優點得到充分發揮,又能克服缺點,在應用方面采用分布式配置應是最佳的解決辦法。20 世紀90年代,分布式小衛星系統主要應用在星座與星群的領域。本世紀初,開發出了小衛星編隊飛行方式,使分布式小衛星系統得到進一步的發展。

分布式航天器系統(也稱分布式空間系統)是當前空間技術應用領域的一個重要研究課題。本文中所涉及的是分布式航天器系統中的航天器專指小衛星(或者輕小型航天器)。分布式即表明需要采用數量較多的航天器。現代小衛星具有重量輕、成本低、研制周期短等技術特點,這正是采用分布式系統的物質基礎和必需條件。分布式小衛星系統具有極大優勢和廣泛的應用前景。

2 小衛星的特點

20 世紀80年代中期,國際上采用新技術和新設計思路,興起了小衛星熱,20 多年來,全世界共發射各種各樣的小衛星近900 顆,約占同期航天器發射量的20%。小衛星經過20 多年的快速發展,在技術上獲得了巨大進步,在應用上正在向全方位擴展[1]。

小衛星有如下優點:

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,甚至幾個月),技術更新快;

4)性能好(功能密度高),能夠及時應用新技術;

5)快速靈活,機動性好;

6)能提供更多進入空間的機會,特別有利于發展中的國家;

7)便于進行教育培訓和空間演示試驗。

小衛星也存在下列缺點:

1)單顆小衛星有效載荷重量和功率有限;

2)對單點故障敏感;

3)短期運行壽命和高風險;

4)難以找到廉價可靠的發射工具(相對大衛星每千克發射費用高而言)。

如何發揮以上優點克服缺點? 在應用上采用分布式空間系統,小衛星就具有巨大發展潛力和應用前景。分布式空間系統有如下優勢:

1)單顆大衛星功能可由若干顆小衛星來替代,還可以獲得更好的技術性能;

2)可以實現全球實時觀測;

3)可提供甚長測量基線,從而促進下列領域的發展,例如:星載干涉儀,全球遙感,同步目標跟蹤觀測等;

4)編隊飛行衛星可以隨時加入和退出隊列(因故障等原因),系統具有很高的重構性、冗余性、安全可靠性;

5)系統技術性能可以定期獲得改善和提高;

6)系統偶然性經費很低,也就是說,消除故障所用費用會很少。

3 分布式小衛星系統的概念

分布式小衛星系統是由分布式空間系統或者分布式航天器系統派生出來的一個分支。它的定義是:由兩顆或兩顆以上的小衛星按一定要求分布在一種或多種軌道上,共同協調合作完成某些空間飛行任務(例如:觀察、測量、通信、導航等),從而獲得更大價值。

從單顆小衛星發展成為分布式小衛星系統,這是小衛星在技術和應用方面的一個嶄新領域,具有創造性和很好的發展前景。

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

4 分布式小衛星系統技術發展水平

現代小衛星應用到分布式系統的星群和星座從20 世紀90年代就開始了。但是真正意義上的分布式小衛星系統應是小衛星編隊飛行。當今,小衛星編隊飛行正處在研究探討和空間飛行演示驗證階段,真正應用還沒有開始。下面從應用實例來說明分布式小衛星系統技術發展水平。

圖1 列出了美國20年來一些典型應用實例[3],圖2 列出了非美國(主要是歐洲)等20年來一些典型應用實例[3]。這些圖片比較形象地描述了分布式小衛星系統在各方面應用的概況。圖1 和圖2 有關小衛星編隊飛行各種具體型號任務內容見表1。

因為上述要求測量和控制的精度太高,而且使用編隊飛行航天器個數多,技術難度大,對表1 所列的任務規劃,只能作概念和粗略了解。圖3 列出了歐洲分布式小衛星系統的一些典型任務,其中包括任務名稱、分布式規模和軌道位置控制精度要求。美國分布式小衛星系統的技術要求隨著時間推移不斷提高,如圖4 所示。

圖1 美國分布式空間系統任務Fig.1 U.S.distributed space missions

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

表1 小衛星編隊飛行技術性能匯編[4-13]Table 1 Collection of the technical performance of small satellite formation flying

續表1

圖3 歐洲等國家分布式小衛星系統的規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 美國分布式小衛星系統技術要求水平不斷提高Fig.4 The level of technical requirements for DSSS are continuously improved

5 分布式小衛星系統關鍵技術和編隊飛行的應用前景

5.1 關鍵技術

分布式小衛星系統關鍵技術包括兩部分:小衛星技術和編隊飛行。

1)小衛星關鍵技術

小衛星技術關鍵在于提高小衛星功能密集度。所謂功能密集度是指單位重量小衛星所能提供的功能。如果功能密集度高,說明小衛星重量輕且提供功能水平高。小衛星功能密集度具體包括兩方面內容:一方面是小衛星本身的技術,另一方面是小衛星有效載荷與小衛星的質量比。小衛星本身技術功能密集度體現在組成小衛星各個分系統和部件的密集度,例如:星上電源分系統功能密集度表現在單位質量提供的功率和安時數;控制系統表現在單位質量能提供的控制精度;推進分系統表現在單位質量能提供的速度增量(Δv),星上計算機(包含電子元器件)表現為單位質量所能提供單位時間操作指令數等等。

有效載荷與小衛星的質量比, 目前一般都在30%～40%左右,未來要求逐步提高到60%～70%以上。未來100～200kg 的小衛星將可以承擔許多空間飛行任務。功能密集度高的小衛星對整個分布式小衛星系統將產生重要影響,首先能降低發射費用,還會大大擴展分布式小衛星系統應用范圍,具有良好的應用前景。

2)編隊飛行關鍵技術

(1)編隊飛行設計

設計一個編隊飛行軌道的構型,既要能滿足科學任務需要,又要在工程實踐中消耗燃料合理且經濟,在工程上可以實現。此燃料消耗是指,包括編隊飛行設計,初始編隊飛行軌道構型建立,以及后來長期運行時航天器受到軌道攝動所需要保持編隊構型的燃耗。要深入研究相對軌道動力學和相對攝動以及各種可能形成的編隊飛行構型。在深空和日地關系中拉格朗日點附近,相對軌道攝動很低,目前已經有若干編隊飛行空間任務和編隊軌道構型在進行開發研究,并計劃不久的將來進行空間飛行演示。編隊飛行空間探測任務的完成將會帶來重大科學創新和技術效益。

在地球軌道,特別是低軌道的編隊構型,由于軌道攝動,保持嚴格的隊形等,需要大量燃耗,目前正在探索地球軌道編隊飛行新的控制方法與技術,尚處在研究階段。

(2)相對導航

相對導航指測量和估算編隊各星之間的相對位置、速度和姿態,包括測量方法、敏感器、測量系統,以及空間各種干擾對敏感器測量精度的影響。

自主編隊隊形保持(閉路)控制,尤其是緊密型編隊構型,對相對導航技術要求很高,而且對敏感器動態性能也有嚴格要求。

編隊飛行相對導航技術,目前采用的有相對GPS、激光雷達和微波測距等技術。由于編隊飛行任務還處在發展階段,對編隊相對導航技術還有許多特殊要求,應該作為一個重要專題開展研究。

(3)星間通信

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

星間通信系統是編隊飛行數據總線,比其他的星上數據總線要求更高。例如需要具備連續性、抗干擾性、魯棒性。另外,由于都是星上設備,要求質量輕、功率低。

星間通信技術包括硬件(發射器和轉發器)、算法、網絡結構和軟件,要求硬軟件一體化,便于使用和安裝。

星間通信發展趨勢是采用激光通信。目前星間激光通信技術已經開始在空間軌道上進行演示驗證。

(4)編隊控制

編隊控制主要任務是克服各種干擾與軌道攝動,保持編隊隊形。編隊控制使用手段是控制力和力矩,編隊控制需要6 個自由度:三維軌道位置與三軸姿態,而且這些自由度經常耦合,難以用解耦方法分開解決。由多顆航天器組成的編隊飛行可以認為是一個真正多變量復雜系統。編隊控制首先要從系統級頂層規劃控制策略,然后才具體設計控制系統技術。

不同的編隊飛行類型對編隊控制的要求有所差別。精密編隊控制要求最高,不但精度高而且自主強(全自主),不能依賴地面站。知識編隊控制主要要求在相對導航,要求時時刻刻精確測量和估算編隊隊形變化,而對編隊隊形保持沒有嚴格要求,允許其在較大范圍內變化。

5.2 小衛星編隊飛行的應用前景

分布式小衛星系統的最大特點是分布式,在20世紀末已被許多空間飛行任務所驗證(星座與星群)。本世紀初在空間應用領域又創造性地開發了小衛星編隊飛行。

小衛星編隊飛行應用前景:

1)預計今后10～15年期間,在空間遙測(光學與微波)方面將發生重大技術革命,這是由于分布式系統測量基線可以極大延伸,從而使干涉技術得到充分應用,空間遙感測量精度將提高1～2 個數量級。

2)在深空探測和日地關系研究方面,編隊飛行可以觀測到以前觀測不到的物理現象和天文數據,可以實現開創性空間探測,例如研究黑洞,宇宙演化,生命起源等,將使空間天文學提升到一個新水平。

3)對地球軌道空間飛行任務,由初期分布式(星群與星座)小衛星系統水平,提升到編隊飛行這樣高級的分布式系統,使電子偵察衛星、通信導航衛星技術性能得以改善和提高,例如文獻[5]所述研究結果:當電子偵察衛星由星座改為編隊飛行,三維定向系統精度將得到較大提高,同時觀測地區不受緯度限制,而且可以實現全球同時觀測。

4)從編隊飛行發展到美國最近提出的F6 計劃。這個計劃徹底改變幾十年來的傳統方法:未來航天器將由功能分解、結構分離、無線連接的標準化模塊的部件,以編隊飛行方式快捷靈活地組合,航天器設計與制造全部實現標準化、模塊化。不像目前每項空間飛行任務都要單獨進行設計與研制,這樣使航天產品像其他工業部門一樣實現企業化生產。

6 結束語

對于分布式小衛星系統,首要任務是開發小衛星和編隊飛行技術,以獲得最佳效益。小衛星編隊飛行目前較多集中在對深空探測領域的研究,隨著空間飛行演示的成功和技術經驗的不斷積累,以后將逐步應用于地球軌道。

)

[1]林來興.小衛星技術發展和應用前景[J].航天器工程,2006, 16(6)

[2]林來興.分布式空間系統和航天器編隊飛行辨析[J].航天器工程,2008, 17(4)

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[5]林來興.小衛星技術發展和應用前景[J].航天器工程,2006(4)

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