衛星星座運行管理方法研究

趙 娜,董 崢

(中國人民解放軍61081部隊,北京100094)

0 引言

近年來,隨著空間戰略地位的日益突出,衛星星座呈現出迅猛發展的態勢。但作為一個龐大的空間系統,衛星星座的運行管理是一個很大的難題。首先,衛星數目多,不僅研制和發射費用高昂,而且維持和運行管理代價巨大。其次,系統的運行管理完全依賴于地面,平時的管理難度大,在特殊時期還可能出現無法管理的情況。再次,隨著相同功能的地面系統以及單個航天器能力的日益提高,對星座的服務性能、長期穩定運行能力、協同工作能力等要求也越來越高。同時由于衛星壽命、經費和發射能力等因素的制約,星座的建設周期很長,往往會出現后面的衛星還未發射入軌,前面的衛星已經到壽命末期的情況。

因此,平衡星座成本與性能、降低運行維持代價、提高星座的穩定運行、協同工作與自主生存能力是星座運行管理的主要目標,這就需要從星座控制維持、備份和部署、自主導航和星座監測等方面尋求有效的技術途徑。

1 星座構型維持方法

目前星座構型維持方法主要有2種:站位維持方法和攝動補償方法。

維持星座構型通常采用站位維持的方法,即對衛星進行主動控制,將衛星的絕對或相對位置維持在設計位置,當衛星運行超出該允許漂移范圍時,才對衛星進行控制。為了保持星座的長期穩定性和連續性,在星座設計時需要選擇具有較好容錯性和較大容許偏差量的星座構型,使得星座具有一定的降價運行能力,并且衛星偏離標稱軌道一定范圍時也不會影響星座的服務性能。星座構型保持是星座中所有衛星的整體控制,在控制時必須注意衛星之間完成任務的整體性和協同性,衛星軌道控制在控制參數、控制量和控制精度的要求上都發生了變化,因此必須從星座空間結構、任務需求、協同控制和性能影響等方面綜合考慮。同時,星座構型保持控制時還應根據衛星的覆蓋特性、過頂時間、最大不可視時間以及健康狀況等信息確定具體的控制策略和控制方法。

通常認為,編隊飛行的各衛星之間有動力學聯系和約束條件;而星座則以單顆衛星軌道運動為基礎,星與星之間的動力學聯系并不緊密。事實上,由于星座的特殊結構,使得衛星之間也存在復雜的動力學耦合關系,而這種耦合關系決定了星座構型的整體變化趨勢,同時也使得利用攝動補償方法來提高星座的長期穩定性成為可能。攝動補償方法通過對星座中衛星軌道的合理選擇和參數調整來補償某些可預測攝動引起的星座構型變化,從而達到保持星座整體構型的目的。當前世界各國研究者在星座相對運動和受攝分析方面進行了大量的研究,經過研究表明,地球非球形攝動和衛星的初始位置偏差是導致星座構型破壞的主要原因。因此,選擇具有較高穩定性的軌道,同時利用攝動力的補償設計可以提高星座構型的穩定性。攝動補償方法是對已經設計好的星座構型的衛星軌道參數的一種小量偏置手段,并不改變星座的基本結構。通過攝動補償設計對軌道參數進行調整能夠減緩攝動外力對構型的破壞作用,使星座構型在較長時間內保持在容許范圍內,同時對星座入軌后偏離容許范圍的衛星施加控制,維持星座的整體構型,從而降低星座構型控制代價,減少控制頻率,提高星座構型的長期穩定性。

經過攝動補償設計后的軌道仍然有一些小偏差需要通過控制來修正,因此,采用站位維持控制和攝動補償設計2種方法相結合來維持星座構型不但可以大大降低星座運行管理的成本和難度,同時還可以提高星座的可靠性和穩定性。

2 星座備份與階段部署策略

2.1 星座備份策略與設計

在星座工作期間,為了提高整個星座的可靠性和穩定性,一般都會準備一定數目的備份衛星,在必要時替代故障衛星。雖然,在星座設計時通常會有一定的冗余度,即部署比滿足任務要求更多的衛星,使得星座具備承受少數衛星故障而不會出現大幅度性能下降的能力。例如導航星座通常要求具有在2顆衛星失效的情況下仍然能夠提供滿足最低需求服務的能力。但為了保證星座的長期穩定運行,最好還是用能夠正常工作的衛星替換故障衛星,即采用一定的備份手段來保證服務質量。

星座的備份通常包括在軌備份和地面備份2種方式,而在軌備份又包括備份衛星停泊在工作軌道上、備份衛星運行在工作軌道上融入星座工作、備份衛星停泊在高度較低的非工作軌道上等多種模式,這些備份模式通常每軌道面都至少備份1～2顆衛星,這樣既能夠較快地響應任務需求,及時將備份衛星調整到指定位置代替故障衛星工作,而又不需要消耗過多的能量。地面備份一般在星座中出現故障衛星后發射備份衛星,需要的時間較長,但是這種備份方式需要備份的衛星數目少,因此也是經常采用的方式。

考慮到衛星的交付、發射準備和調整入軌等因素,在軌備份具有對星座系統性能快速修復的優勢,同時將備份衛星集成到系統中工作而不是停泊在軌道上的模式,即將衛星放置在故障概率最高的衛星附近組成衛星組,既能增強星座的可用度和覆蓋性能,又可以提高星座系統的修復性能,使得星座具有更高的故障冗余度。

同時可靠的星座在采用備份策略的同時,星座本身還必須具有接受某段故障修復時間的能力,以使備份衛星能夠完成對失效星的替換。

2.2 星座分階段部署策略與設計

星座的部署不是一個短時期內能完成的任務,大多數星座都需要幾年甚至十幾年的時間才能夠最終部署完成。因此,星座構型的分階段部署,必須考慮星座每個階段的系統性能,而不是以最終系統狀態作為優化的唯一目標。星座的初始構型、中間構型和最終構型是相互牽連、相互制約的,在星座設計初期就應該予以充分考慮。應該在考慮工程實際約束的前提下最大化星座各階段子星座的功能,使其在建設過程中實現臺階式的性能提升,使得在部署過程中,已經發射上天的衛星能夠實現系統的部分功能,或者能夠完全實現系統的功能只是未達到預期的水平要求。

同時在星座組網過程中針對每一次發射,還應當進行運載器的優選。運載器選擇與星座系統的投資、運營計劃直接相關,很大程度上影響到星座系統能否成功。根據星座部署總時間,衛星的質量、體積、衛星操作軌道的高度、傾角,充分考慮可選用的發射場和運載器可以大大降低整個星座系統組網過程的成本和風險。

3 星座自主導航與運行管理技術

星座的衛星數目越來越多,依靠地面測控站進行衛星的定軌與跟蹤將難以承受其高負荷的數據傳輸與處理壓力。同時,衛星星座如果過分依賴地面站的測控,在地面站受毀的情況下,其正常運行將難以得到保證。因此發展衛星星座系統的自主性成為星座運行管理的一個重要發展方向。

目前應用較為廣泛地星座自主導航方案包括天文導航、導航星導航以及星間相對觀測導航等。由于星座中的衛星數目較多,單純采用單顆衛星自主導航則會忽略星座中星間相對運動的信息。充分利用星間運動的相對運動規律,采用星間相對測量信息進行相對自主導航已逐漸成為研究的熱點。

美國的第三代GPS衛星BlockⅡR就是利用星間相對測量進行自主導航的一個具體應用,它具有交聯測距和在軌處理導航數據的能力。各顆衛星使用星載處理器,計算導航參數的修正值,從而提供導航精度,增強自主生存能力。BlockⅡR采用一種TDMA式的測量通訊方法,設定36 s為一幀,其中每顆衛星分配1.5 s,并采用雙頻信號測量,用來修正電離層延遲效應。在每一幀的數據幀(Data Frame)中,每顆衛星在自己分配的1.5 s時間里發射與自身狀態相關的參數,在測距幀(Ranging Frame)中,所有衛星進行偽距測量。在數據幀中,各種參數進行相互傳遞的同時,每顆衛星計算出偽距測量值。同時每顆衛星還可以自身估計位置和時鐘,聯合評估協方差,并利用雙向測量的結果,將星歷和時鐘進行解耦,最終產生測量的距離和鐘差,這些測量值通過估計器進行處理獲得對預存星歷的修正值。BlockⅡR能夠在軌自主更新和精化GPS衛星的廣播星歷和星鐘A系數,無需地面監控系統的干預。它能夠自主運行180 d做導航定位服務,且在第180 d時,用戶測距精度(URE)仍可達到±7.4 m。因此即使地面監控系統暫時毀壞,仍能維持高精度的GPS衛星導航定位,增強了GPS系統的抗毀能力。

Galileo導航系統也曾提出過采用星間觀測的自主導航方案。該方案運用星間測量和星地測量相結合進行處理,用于日常星歷的修正,提高衛星預報星歷和時鐘的精度,通過地面仿真實驗,用戶測距誤差可達到分米級(低軌星歷數據刷新率15 min,高軌2 h)。因此對于利用星間測量的星座的相對定位方法不僅能夠實現星座的自主生存,還能通過提高日常星歷的精度來提高用戶的定位精度,從而提升整個導航系統的性能。

基于星間鏈路信息的星座自主導航,不能修正星座整體旋轉誤差、地球自轉非均勻誤差和極移參差,致使星座難以長時間自主運行。X射線脈沖星導航技術以脈沖星輻射的X射線信號作為外部信息基準,能夠高精度地確定衛星軌道、時間和姿態參數,不存在星座整體旋轉誤差累積問題,為星座自主導航技術研究提供了一種新的思路和實現途徑。

4 太空“交通”實時監測與管理

隨著各國太空資源開發利用步伐的不斷加快,多年來,世界各國的航天專家已經不止一次發出警告:在近地軌道日漸擁擠的情況下,難免會發生航天器相互碰撞、產生大量危險太空垃圾的事件。因此,加強太空“交通”實時監測與管理也應成為星座運行管理的重要內容之一。

為了確保星座的安全穩定運行,首先要加強對太空中各類物體的監測,使用光學望遠鏡觀測高軌道,用雷達探測低軌道,對各種飛行物進行監測,對星座安全構成威脅的飛行物進行軌跡分析和預警,及時制定相應的應對方案。其次當衛星出現故障無法修復時,應根據衛星狀況和任務需求等信息及時建立處置策略,使其不會影響整個星座的正常穩定工作。此外,加厚衛星的外殼,可以增強其抗撞擊的能力,同時還可以在未來的衛星上裝備預警系統,使之預先發現危險并主動改變軌道,從而免遭碰撞。

5 結束語

隨著衛星星座的迅猛發展,為了確保星座長期高可靠、高性能穩定運行,完善的運行管理策略是必不可少的。主要從星座維持控制、備份與階段部署、自主導航和太空“交通”實時監測4個方面論述了衛星星座運行管理策略和技術方法。在不斷完善和提高星座運行管理策略和技術的同時,國家從整體利益出發制定政策規劃也是非常重要的,只有將衛星星座運行管理置于國家戰略的高度進行協調部署,才能保證衛星星座的長期穩定運行。

[1]張育林,范麗,張 艷,等.衛星星座理論與設計[M].北京:科學出版社,2008.

[2]寇艷紅.GPS原理與應用(第 2版)[M].北京:電子工業出版社,2007.

[3]蒙 波,葉立軍,韓 潮.衛星星座組網過程的策略規劃[J].北京:宇航學報,2009,30(1):150-154.