分布式空間系統(tǒng)——小衛(wèi)星內(nèi)藏大乾坤

□ 林來(lái)興

“寸有所長(zhǎng)，尺有所短”，不管現(xiàn)代小衛(wèi)星有多少優(yōu)點(diǎn)，同樣也存在某些缺點(diǎn)。比如：?jiǎn)晤w小衛(wèi)星有效載荷質(zhì)量和功率有限；對(duì)單點(diǎn)故障敏感；短期運(yùn)行壽命和高風(fēng)險(xiǎn)；難以找到廉價(jià)可行的發(fā)射工具（相對(duì)大衛(wèi)星而言，每千克發(fā)射費(fèi)用高）。如何揚(yáng)長(zhǎng)避短呢？在應(yīng)用上，通過(guò)采用分布式空間系統(tǒng)，就能克服小衛(wèi)星的種種弱點(diǎn)，讓小衛(wèi)星應(yīng)用煥發(fā)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

分布式空間系統(tǒng)的定義是：由2個(gè)或2個(gè)以上航天器，按一定要求分布在1種或多種軌道上，共同合作完成某項(xiàng)空間飛行任務(wù)（例如：觀測(cè)、通信、偵察、導(dǎo)航等），從而獲得更大的價(jià)值。

分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)有如下優(yōu)勢(shì)：?jiǎn)晤w大衛(wèi)星功能可由若干顆小衛(wèi)星來(lái)替代，還可能獲得更好的技術(shù)性能；可以實(shí)現(xiàn)全球?qū)崟r(shí)觀測(cè)；可提供甚長(zhǎng)測(cè)量基線，從而促進(jìn)星載干涉儀、全球遙感和同步目標(biāo)跟蹤觀測(cè)等領(lǐng)域的發(fā)展；編隊(duì)飛行衛(wèi)星可以隨時(shí)加入和退出隊(duì)列(因故障等原因),系統(tǒng)具有很高的重構(gòu)性、冗余性、安全可靠性；系統(tǒng)技術(shù)性能可以定期獲得改善和提高；系統(tǒng)偶然性經(jīng)費(fèi)很低，也就是說(shuō)，消除故障費(fèi)用很少。

編隊(duì)飛行

在軌道上，分布式空間系統(tǒng)的各個(gè)航天器之間在動(dòng)力學(xué)方面沒(méi)有任何關(guān)系，各個(gè)航天器按自己的軌道特性運(yùn)行，只有外加閉路控制系統(tǒng)才能保證它們按編隊(duì)飛行要求保持隊(duì)形。也就是說(shuō)，分布式空間系統(tǒng)各個(gè)航天器必須有外加閉路軌道控制系統(tǒng)才能成為編隊(duì)飛行。又根據(jù)對(duì)外加閉路控制系統(tǒng)要求的不同，編隊(duì)飛行可分為以下3種：

2002年3月美國(guó)發(fā)射的GRACE雙星探測(cè)地球引力

一、精確編隊(duì)。對(duì)外加閉路軌道控制系統(tǒng)要求非常嚴(yán)格：高精度相對(duì)導(dǎo)航，保持精確編隊(duì)飛行隊(duì)形，保持精度有米級(jí)、厘米級(jí)、毫米級(jí)，甚至更加精確。由于這種控制系統(tǒng)頻帶很寬，系統(tǒng)響應(yīng)速度很快，交換信息量很大，一般都要求星上自主，例如：“類地行星探測(cè)器”1（TPF－1）、“恒星成像”（SI）等。

二、知識(shí)編隊(duì)。對(duì)外加控制系統(tǒng)，除了對(duì)相對(duì)導(dǎo)航有明確要求以外，對(duì)編隊(duì)飛行隊(duì)形沒(méi)有嚴(yán)格要求。也就是說(shuō)，編隊(duì)隊(duì)形是隨時(shí)進(jìn)行測(cè)量，以滿足編隊(duì)飛行任務(wù)的要求。因?yàn)橄到y(tǒng)響應(yīng)速度比較慢，所以知識(shí)編隊(duì)可以在星上自主，也可以通過(guò)地面來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如：“激光干涉儀空間天線探測(cè)器”（LISA）, “重力測(cè)量和氣候試驗(yàn)衛(wèi)星”（GRACE）,“三維定位系統(tǒng)”電子偵察衛(wèi)星。

三、合作編隊(duì)。外加閉路軌道控制系統(tǒng)僅在某一階段或者某一時(shí)期進(jìn)行，不需要長(zhǎng)期進(jìn)行控制與測(cè)量，其精度由自主交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)要求來(lái)確定。例如：在軌自主空間組合、自主交會(huì)。

星座

分布在軌道上的各個(gè)航天器（或衛(wèi)星）主要目的是增加對(duì)地面的覆蓋面積，或者縮短重訪時(shí)間。對(duì)通信來(lái)說(shuō)是實(shí)現(xiàn)無(wú)縫隙覆蓋。為此，這里不需要外加閉路控制系統(tǒng)。由于衛(wèi)星受到軌道攝動(dòng)，會(huì)使軌道位置發(fā)生變化，一般通過(guò)地面站對(duì)單顆衛(wèi)星進(jìn)行軌道位置調(diào)整就能滿足星座要求。星座軌道保持控制是定期的，例如幾天或幾十小時(shí)進(jìn)行1次控制，周期長(zhǎng)短決定于星座軌道攝動(dòng)大小和星座位置保持精度。

星群

根據(jù)空間飛行任務(wù)要求，設(shè)計(jì)各顆衛(wèi)星在軌位置，當(dāng)衛(wèi)星發(fā)射成功以后，在運(yùn)行時(shí)期不需要進(jìn)行軌道操作，衛(wèi)星若受到軌道攝動(dòng)，所產(chǎn)生的位置變化也不影響飛行任務(wù)的完成。也就是說(shuō)，星群不需要外加閉路控制系統(tǒng)，也不需要軌道操作，它是分布式空間系統(tǒng)最簡(jiǎn)單的一種形式。星群大部分用于空間環(huán)境參數(shù)的觀測(cè)任務(wù)。

MMS星座預(yù)計(jì)2014年發(fā)射

根據(jù)上面的論述，我們不能隨便把編隊(duì)飛行說(shuō)成是分布式空間系統(tǒng)，關(guān)鍵在于是否有外加閉路軌道控制系統(tǒng)。而且，外加控制系統(tǒng)必須具備3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：

1）相對(duì)導(dǎo)航。導(dǎo)航精度由編隊(duì)飛行任務(wù)來(lái)決定，目前較多采用的是相對(duì)GPS技術(shù)。

2）星間通信。通信容量和數(shù)據(jù)傳輸率由編隊(duì)飛行任務(wù)決定。大部分采用激光通信，也有個(gè)別編隊(duì)飛行（例如知識(shí)編隊(duì)的電子偵察衛(wèi)星），若不要求實(shí)時(shí)，有些數(shù)據(jù)處理可在地面站執(zhí)行。采用激光星間通信，要求編隊(duì)飛行相對(duì)姿態(tài)需要精確控制。

3）編隊(duì)控制。主要是保持編隊(duì)隊(duì)形,克服軌道攝動(dòng)需要燃耗，特別是在地球軌道，地球扁率J2項(xiàng)攝動(dòng)量比其他攝動(dòng)項(xiàng)高出1個(gè)～2個(gè)數(shù)量級(jí)。需要很大的燃耗，甚至達(dá)到難以接受的程度。這也是目前地球軌道編隊(duì)飛行任務(wù)實(shí)現(xiàn)比較少的原因。

分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展水平

編隊(duì)飛行是空間技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域一個(gè)重大創(chuàng)新。這是因?yàn)榫庩?duì)飛行具有一系列優(yōu)勢(shì),例如：編隊(duì)飛行可構(gòu)成空間應(yīng)用一種新概念——虛擬衛(wèi)星，而虛擬衛(wèi)星獲得觀測(cè)效果是單顆衛(wèi)星無(wú)法相比；可提供極大測(cè)量基線，從而促進(jìn)星載干涉儀、全球遙感和同步目標(biāo)跟蹤觀測(cè)等領(lǐng)域的發(fā)展；可由輕巧靈活的小衛(wèi)星代替龐大復(fù)雜的大衛(wèi)星；編隊(duì)飛行衛(wèi)星可以隨時(shí)加入和退出（故障），系列具有很高重構(gòu)性、冗余性、安全可靠性；

具有任務(wù)背景的航天器編隊(duì)飛行應(yīng)用項(xiàng)目越來(lái)越多，同時(shí)也證明上述編隊(duì)飛行優(yōu)勢(shì)越來(lái)越大。為此可以預(yù)測(cè)隨著時(shí)間推移，這個(gè)優(yōu)勢(shì)還會(huì)增加。例如：由若干顆雷達(dá)衛(wèi)星組成編隊(duì)飛行，當(dāng)編隊(duì)隊(duì)形保持和相位控制達(dá)到一定要求，雷達(dá)衛(wèi)星編隊(duì)飛行相比單顆雷達(dá)星可以獲得更好結(jié)果，例如：

1）提高地面目標(biāo)分辨率；2）獲得高程精度(優(yōu)于1米)；3）可測(cè)到地面目標(biāo)移動(dòng)速度(3米/秒～4米/秒) ；4) 增加覆蓋寬度。

當(dāng)今小衛(wèi)星編隊(duì)飛行正處研究探討和空間飛行演示驗(yàn)證階段，真正大量應(yīng)用還沒(méi)有開(kāi)始。

小衛(wèi)星編隊(duì)飛行技術(shù)性能匯編