天基快速響應體系概念研究

趙良玉 賀亮

（1 飛行器動力學與控制教育部重點實驗室，北京 100081）

（2 北京理工大學宇航學院，北京 100081）（3 上海航天控制技術研究所，上海 200233）

1 引言

當今人類生產、生活已與空間系統密切相關，航天能力和空間技術已成為時代標志和一個國家綜合國力的體現［1］。然而，空間環境的不斷惡化［2］，使現有的空間體系已經變得越來越脆弱。與此相對應的是，以提供戰略級服務為目的的傳統空間技術，其發射準備時間過長，無法提供快速響應以應對突發戰爭、在軌故障、自然災害等異常狀況。美國的“作戰（快 速）響 應 空 間”（Operationally Responsive Space，ORS）計劃應運而生［3］，并以其明確的應用需求迅速成為各航天強國的研究熱點［4-5］。

與目前被廣泛關注和研究的快速響應空間計劃更強調快速地面裝配、快速地面發射、快速入軌、快速應用不同［6-8］，本文提出了一種基于在軌發射的天基快速響應體系（Space-based Operationally Responsive System，SORS），并對其總體方案、作用過程及相關的關鍵技術進行了分析和論證。該天基快速響應體系以在軌運行的航天器平臺為發射基地，由空間運載器攜帶有效載荷（如微小衛星平臺等）實現機動和變軌，完成突發狀況或異常情況下的空間信息支援、空間信息保障等在軌服務任務。與現有從地面發射的快速響應空間計劃相比，在軌發射的天基快速響應體系以“從衛星上發射衛星”的理念為指導，符合航天技術未來的發展趨勢，可為增強空間系統應對自然故障或其他應用急需等不確定情況下的快速響應和有效部署能力提供參考。

2 天基快速響應體系的總體方案

2．1 天基快速響應體系的定義

借鑒更強調地面裝配和地面發射的常規快速響應空間計劃的定義［9］，將在軌發射的天基快速響應體系定義如下：以應對突發事件、自然災害、異常狀況等不確定情況下的需求為出發點，以在軌運行的航天器為倉儲和發射平臺，快速在軌發射有效載荷并使其迅速機動或變軌，以達到可靠補充或部署有效空間力量的目的，進而實施在軌故障維修、空間信息支援等任務，力求保證任何情況下的空間任務均具有最大的自由度。

要發展在軌發射的天基快速響應體系，可遵循三步走的策略。首先，充分利用或挖掘已部署的空間能力，即利用現有在軌運行的空間系統、衛星平臺或其他有效載荷，針對快速響應的具體任務進行改進或修正，使其具備在軌發射、在軌服務的快速響應能力；其次，以現有的空間技術水平為基礎，針對天基快速響應體系的特定任務需求，建設或部署新的空間有效載荷；最后，以天基快速響應體系的普適任務需求為指導，在其技術框架下設計和開發新的空間應用系統。從發展趨勢來看，天基快速響應體系的建設必然會涉及很多新的概念和內容，這對現有的空間技術和能力是一個巨大的挑戰，發展新的空間應用系統可能是一個必然選擇，也會是建設天基快速響應體系的一項重要研究內容。

2．2 天基快速響應體系的組成要素

天基快速響應體系的基本組成要素包括航天器平臺、空間運載器、有效載荷和地面基礎設施，如圖1所示。其中：航天器平臺是承載空間運載器和有效載荷的天基母平臺；有效載荷主要是指用于執行快速響應任務的子平臺（如微小衛星）；空間運載器由各類在軌發射和在軌投送系統組成，主要是確保其自身和有效載荷準確、可靠地進入目標軌道，可以說是天基快速響應體系中的空間運輸工具；地面基礎設施包括測控系統、指揮系統與應用系統，與常規快速響應空間計劃中的地面設施并無太大差別。

圖1 天基快速響應體系的組成要素Fig．1 Components of SORS

航天器平臺、空間運載器、有效載荷和地面基礎設施構成“四位一體”的天基快速響應體系，只有四者有機整合、協同工作，才能最大程度地發揮體系效能。因此，在天基快速響應體系的建設中，應同時展開、同等重視這四個組成要素的研究工作。

2．3 天基快速響應體系的作用過程

結合天基快速響應體系的結構組成，可將其作用過程簡單描述如下。

（1）當出現現有的空間系統無法有效支持的突發事件或異常狀況時，使用方會向地面指揮和控制中心提出使用天基快速響應體系的請求；

（2）指揮和控制中心在收到使用方的應用請求后，對任務類型和任務級別進行詳細分析，并在盡可能短的時間內完成快速響應決策，即以滿足使用方的應用需求為條件，搜索可實施該需求任務的航天器平臺，并最終選定一個或多個航天器平臺，下達執行任務的命令；

（3）航天器平臺接收到發射命令后，迅速啟動空間運載器和有效載荷，根據發射命令所包含的任務參數計算并確定機動變軌方式，完成在軌發射任務；

（4）空間運載器攜帶有效載荷進入預定軌道后，快速完成在軌測試工作，并在必要的時候進行星座組網；

（5）有效載荷開始工作，空間運載器可以重新回到原航天器平臺，也可以就地銷毀，前者是針對可重復使用的空間運載器，后者是一次性使用的低成本空間運載器；

（6）有效載荷將獲取的信息或執行任務的效果傳送回地面指揮系統，地面指揮系統對收到的信息進行分析和處理后反饋給使用方，天基快速響應體系任務流程結束。

天基快速響應體系的作用過程（從低軌道向高軌道投送有效載荷）如圖2所示。

圖2 天基快速響應體系作用過程示意圖Fig．2 Working process of SORS

通過天基快速響應體系的作用過程可知：有效載荷由航天器平臺在軌發射的空間運載器進行投送，不經過地面發射入軌的階段，這就有效地避開了常規快速響應計劃在進入空間受限時的威脅，因而隱蔽性和部署成功率都更高；天基快速響應體系采用在軌發射和投送方式，可輕易實現多任務同時開展，有助于拓展快速響應體系的覆蓋范圍；航天器平臺、空間運載器和有效載荷均事先在軌道上運行，隨時處于待命狀態，只需進行喚醒、任務參數裝訂等操作，即可進行發射，并能在數小時內（甚至更短）完成機動和變軌，保證了響應的快速性。

3 支撐天基快速響應體系的主要關鍵技術

3．1 有效載荷的模塊化和標準化

與快速響應空間計劃類似［10-11］，天基快速響應體系倡導有效載荷的模塊化和標準化設計，并充分利用空間科學技術的最新研究成果使其微小型化、輕量化。依據天基快速響應體系的特點，可將其模塊化和標準化的設計思路描述為：

（1）將滿足任務功能的有效載荷系統從頂層到底層進行模塊分解，使得各個模塊成為相互獨立的個體，分解過程須遵循航天器模塊化的特點［10］；

（2）相同功能的模塊采用相同的標準化接口，如同樣具有對地觀測功能的模塊和同樣提供信息收發功能的模塊等，且盡量保持模塊尺寸大小的統一；

（3）不同功能的模塊采用不同的標準化接口，如對地觀測模塊和信息收發模塊應具有不同的即插即用接口，盡量保證一種功能對應一種接口，提高接插、移除和替換的效率；

（4）從硬件和軟件兩方面入手，保證模塊的即插即用功能，且模塊的移除僅影響該模塊以及與該模塊關聯的系統功能。

模塊化和標準化的設計理念，是提高有效載荷可重復利用性、靈活性和可重構性的基礎，應在天基快速響應體系的建設中給予足夠的重視。

3．2 天基快速響應體系的最佳部署策略

天基快速響應體系的最佳部署策略是該體系得以實用的前提條件，也是天基快速響應體系的核心關鍵技術。由于快速響應體系一般部署在低軌道（軌道高度小于500km），在執行任務時，可能涉及高軌道到低軌道、低軌道到高軌道的轉移，也可能涉及同面軌道和不同面軌道的轉移。因此，為了保證其具有足夠的響應快速性，要針對不同的任務需求，在不同軌道高度、不同軌道平面部署數量不等的航天器平臺，如圖3 所示。在接收到任務請求后，地面指揮控制系統根據一定的規則，搜索可供執行該任務的若干航天器平臺，并對指定的航天器平臺和有效載荷下達執行任務的命令。

圖3 天基快速響應體系部署示意圖Fig．3 Deployment of SORS

從本質上來說，天基快速響應體系的最佳部署策略可以看作是一個含離散變量的多目標最優化問題。以執行空間信息支援任務的快速響應體系為例。如式（1）所示，可將設計目標定為部署天基快速響應體系的成本fcost最低和響應時間frst最短，設計約束為對指定方位實現24h不間斷覆蓋C24（在要求有一定時間間隔的情況下，可同類推之），設計變量x包括部署天基快速響應體系的個數、每個天基快速響應體系的軌道高度、部署每個天基快速響應體系的成本、每個天基快速響應體系的覆蓋范圍和覆蓋時間等，任何一個設計變量xi都只能在其指定的定義域RiD中取值。在這些變量中，天基快速響應體系的個數為離散變量，且其余變量都或緊或疏的依賴于該變量，如何選擇合適的優化算法是解決該問題的關鍵之一。

3．3 在軌發射與空間投送技術

在軌發射與空間投送技術同樣是天基快速響應體系的關鍵技術之一，在軌發射是空間運載器及有效載荷與航天器平臺可靠分離的保證，而空間投送技術則是確保有效載荷快速、準確到達任務區域的關鍵。從目前國內外研究比較多的自推力發射、彈射發射、自旋分離、機械臂釋放等在軌發射方式來看［12-13］，為了追求響應的快速性和系統整體的輕量化，天基快速響應體系宜采用自推力發射模式。為了避免自推力發射產生的燃氣對航天器平臺的污染，可以考慮采用彈簧彈射、壓縮氣體彈射等冷發射模式進行輔助。當空間運載器完全脫離航天器平臺且達到一定的安全距離后，再啟動自推力發射模式，完成機動和變軌。由于航天器平臺自身的穩定性比較高，且具有很強的姿態調整能力，因此可以不考慮彈簧彈射或壓縮氣體彈射對航天器平臺的速度和姿態干擾。

考慮到天基快速響應體系的任務特點，其有效載荷應以微小衛星平臺為主，這就決定了有效載荷很難具備大范圍變軌或機動的能力，因此，天基快速響應體系的空間投送部分宜由空間運載器來完成。目前，國內外都對以在軌服務為目的的空間運載器研究比較多，典型的如美國計劃在2015年部署的可重復使用的軌道轉 移 飛 行 器（Orbit Transfer Vehicle，OTV）［14］。從空間投送成本及任務特性考慮，可根據任務的不同選擇一次性使用空間運載器、可部分重復使用空間運載器或完全重復使用空間運載器。

由此，可將天基快速響應體系的在軌發射與空間投送過程描述為：在航天器平臺接到任務命令后，迅速調整其速度和姿態至發射狀態，首先采用彈簧彈射（或壓縮氣體彈射）使空間運載器和有效載荷脫離航天器平臺；在達到一定的安全距離后，空間運載器啟動自身發動機沿軌道運行的反方向助推（高軌道到低軌道轉移情況）；當空間運載器和有效載荷獲得足夠的軌道轉移動量后，助推發動機關機，空間運載器利用自身的姿態控制和軌道控制發動機攜帶有效載荷抵達任務區域，并輔助有效載荷完成調姿、入軌等機動。

3．4 天基快速響應體系的效能評估方法

為了評估天基快速響應體系的性能優劣，要建立針對天基快速響應體系的響應效果評估機制；只有以適合的評估機制為基礎，才能有針對性地進行天基快速響應體系的結構優化設計和部署軌道設計，同時為天基快速響應體系的發展提供決策和建議。

無論是基于地面發射的快速響應系統，還是基于在軌發射的天基快速響應體系，其終極目標都是高效、可靠地完成規定的任務［10］。因此，可將天基快速響應體系的效能定義為：天基快速響應體系在一定條件下完成規定任務的各系統綜合能力的高低。

對于在軌發射的天基快速響應體系來說，影響其完成指定任務的因素主要包括天基快速響應體系的總響應時間、有效載荷的部署成功率和有效載荷實施指定任務后的實際效果（稱為任務完成度）。綜合考慮上述指標，可以將天基快速響應體系的效能指標Ers表示成響應時間、部署成功率和任務完成度的函數，如式（2）所示。

式中：trs為實際的響應時間；為理想情況下的響應時間；為理想情況下的部署成功率；pd為實際情況下的部署成功率，當快速響應系統各組成部分都正常工作時，pd＝＝100%；為理想情況下的任務完成度；pc為實際情況下的任務完成度，在任務被完美執行時，如實施空間信息支援任務的有效載荷完整收發和傳輸了用戶方信息，pc＝＝100%；a，b，c為比例系數，可根據不同的任務性質靈活選取，相當于用戶方對各項指標的權重要求，且a＋b＋c＝1。

由上文的分析可知，Ers是一個小于等于1．0的值，且理想情況下的響應時間可表示為

式中：為指揮員分析任務并下達執行命令的反應時間；指航天器平臺的發射準備時間；為軌道轉移的時間；為從天基快速響應體系的有效載荷入軌到開始執行任務的時間；為天基快速響應體系開始執行任務到信息數據被地面指揮系統接收到的延遲時間，對特定的任務（如空間攻防）來說，t05為零；～均為理想情況下的時間度量。

為了簡捷、直觀地驗證天基快速響應體系的各項關鍵技術，同時為地面指揮控制系統提供友好的操作界面，有必要開發一套基于任務定制的虛擬視景仿真系統。雖然衛星工具包（STK）在衛星軌道設計和仿真方面得到了廣泛的應用，但對天基快速響應體系的虛擬視景仿真來說，缺乏必要的靈活性和自由度。綜合比較現有的用于虛擬視景仿真的軟件包，Vega Prime是一個更好的選擇，可以利用其與微軟開發庫（MFC）良好的用戶接口，定制虛擬視景仿真系統的交互界面，真正實現任務驅動的天基快速響應體系虛擬演示驗證系統。

4 結束語

天基快速響應體系是一項著眼于未來空間在軌服務、應對突發事件和異常狀況需求的空間技術，作為傳統戰略級空間力量和常規快速響應空間計劃的補充，具有明確的應用需求和廣闊的應用前景。它由航天器平臺、有效載荷、空間運載器和地面基礎設施組成，有效載荷經由航天器平臺在軌發射，并由空間運載器攜帶完成在軌投送任務。天基快速響應體系的作用過程保證了其發射的隱蔽性、入軌的安全性、響應的快速性和任務覆蓋范圍的多樣性。本文在介紹天基快速響應體系組成要素和作用過程的基礎上，明確了有效載荷的模塊化和標準化設計、在軌發射和空間投送方式、最佳部署策略和效能評估方法等在內的若干支撐天基快速響應體系的關鍵技術。若對這些關鍵技術進行深入研究并付諸工程實施，對建設基于在軌發射的天基快速響應體系將具有重要的參考價值。

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