吉林一號(hào)小衛(wèi)星升空在即淺談小衛(wèi)星的應(yīng)用與發(fā)展

【摘 要】吉林一號(hào)小衛(wèi)星升空在即，以此為契機(jī)回顧小衛(wèi)星的發(fā)展歷史、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀、以及其在軍用民用領(lǐng)域的應(yīng)用，結(jié)合我國(guó)小衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀提出未來小衛(wèi)星編隊(duì)飛行以及地面測(cè)控體制和網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)。最后對(duì)我國(guó)的小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展提出合理的建議。

【關(guān)鍵詞】小衛(wèi)星；編隊(duì)飛行；標(biāo)準(zhǔn)化；地面測(cè)控網(wǎng)絡(luò)

由中科院長(zhǎng)春光機(jī)所衛(wèi)星科技公司研制的東北地區(qū)的首顆商用小衛(wèi)星“吉林一號(hào)”預(yù)計(jì)將于2015年實(shí)現(xiàn)首顆遙感衛(wèi)星試飛！目前“吉林一號(hào)”已經(jīng)順利地通過前面兩個(gè)階段的測(cè)試，進(jìn)入了正樣試驗(yàn)階段。其技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平，有望角逐國(guó)際衛(wèi)星影像市場(chǎng)，打破長(zhǎng)期以來國(guó)外企業(yè)壟斷局面。那么什么是小衛(wèi)星呢？它又能給我們的生活帶來什么樣的影響呢？

首先要從衛(wèi)星的歷史談起。1957年前蘇聯(lián)第一顆人造地球衛(wèi)星的成功發(fā)射，標(biāo)志著航天科技的誕生。隨著航天科技迅速發(fā)展，人造衛(wèi)星、空間站、航天飛機(jī)等航天器相繼投入使用。但是，巨額的費(fèi)用，昂貴的成本一直制約著航天科技的發(fā)展。據(jù)計(jì)算，發(fā)射一顆1000千克重的人造衛(wèi)星，費(fèi)用至少需1億美元，這是許多國(guó)家難以承受的。冷戰(zhàn)結(jié)束后，航天科技逐步從軍事應(yīng)用轉(zhuǎn)向經(jīng)濟(jì)建設(shè)，商業(yè)運(yùn)作促使航天科技必須降低成本，提高效益。在此背景下，在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的基礎(chǔ)上，微小衛(wèi)星得到了迅速發(fā)展。20世紀(jì)80年代以來現(xiàn)代微電子、微機(jī)械、輕型復(fù)合材料和高精度加工等新技術(shù)、新材料、新工藝得到了飛躍發(fā)展。在衛(wèi)星設(shè)計(jì)方面通過采用新的設(shè)計(jì)思想，打破傳統(tǒng)大衛(wèi)星的分層界限，強(qiáng)調(diào)功能集成、系統(tǒng)集成和充分發(fā)揮軟件功能，從而出現(xiàn)了現(xiàn)代小衛(wèi)星。其具有高新技術(shù)含量高、功能密集度高以及成本低、性能好、研發(fā)周期短、質(zhì)量輕、體積小等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

微小衛(wèi)星主要有2個(gè)發(fā)展方向。一是研制輕型單顆衛(wèi)星，這類微小衛(wèi)星已經(jīng)開始執(zhí)行地球觀測(cè)任務(wù)，提供達(dá)到軍用分辨率的圖像。美國(guó)空軍未來的全球定位系統(tǒng)（GPS）衛(wèi)星每顆將不超過100千克；二是將微小衛(wèi)星群，進(jìn)行編隊(duì)飛行，以代替昂貴的單顆大型衛(wèi)星，例如天基雷達(dá)（SBR）群、長(zhǎng)基線信號(hào)情報(bào)（SIGINT）星座以及連接小型地面終端的通信衛(wèi)星群等。

這里不得不提一下著名的商業(yè)影像小衛(wèi)星，也就是大家都耳熟能詳?shù)墓雀璧貓D衛(wèi)星圖片供應(yīng)商。目前全球衛(wèi)星影像解析度排名前三的是：美國(guó)DigitalGlobe公司的QuickBird（捷鳥）、美國(guó)IKONOS及法國(guó)SPOT5。其中SPOT5可以提供解析度為2.5米的影像、IKONOS可提供1米左右的影像、而捷鳥就能夠提供最高為0.61米的高精度影像，是全球商用的最高水平。在衛(wèi)星圖像方面，美國(guó)五角大樓每年都會(huì)給予其三大主要合作伙伴DigitalGlobe、IKONOS和ORBIMAGoogle Earth數(shù)十億美元的資助，作為回報(bào)自然是這些公司的衛(wèi)星數(shù)據(jù)將在第一時(shí)間交給五角大樓作為軍事應(yīng)用，而且針對(duì)某些敏感區(qū)域在規(guī)定的時(shí)限內(nèi)不允許商業(yè)化。目前提供高精度影像的城市多集中在北美和歐洲，其它地區(qū)往往是首都或極重要城市才提供。我國(guó)有高精度影像的地區(qū)有很多，幾乎所有大城市都有。另外大壩、油田、橋梁、高速公路、港口碼頭與軍用機(jī)場(chǎng)等也是Google Earth重點(diǎn)關(guān)照對(duì)象。百度地圖數(shù)據(jù)基本上是美國(guó)DG公司的數(shù)據(jù)，粗糙的地方有用SPOT5 2.5M的數(shù)據(jù)，與Google基本屬于同源的。我國(guó)某地政府就跟該公司購(gòu)買過本城市的某波段衛(wèi)星圖像（某個(gè)省會(huì)城市），整圖大小共6GB多，耗資數(shù)十萬(wàn)元人民幣。另廣東2004年買的某地區(qū)共2500多平方公里衛(wèi)星影像共耗資146萬(wàn)元人民幣（捷鳥的多波段彩色合成的現(xiàn)成影像針對(duì)大陸地區(qū)的價(jià)格約是30美元/平方公里，臺(tái)灣地區(qū)的價(jià)格也是如此。如果是定購(gòu)的話當(dāng)然價(jià)格會(huì)更貴）無疑面對(duì)高保密性的軍用需求和日趨廣泛的民用需求以及如此高昂的壟斷價(jià)格，我們必將要大力發(fā)展我們國(guó)家自己的小衛(wèi)星群。

那么建立我國(guó)獨(dú)立的小衛(wèi)星群及小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)需要解決好哪些關(guān)鍵的技術(shù)性問題呢？

首先，單個(gè)小衛(wèi)星的功能單一，載荷較少，不能獨(dú)立的完成較為復(fù)雜的空間任務(wù)。從應(yīng)用角度來看，小衛(wèi)星的編隊(duì)飛行實(shí)質(zhì)上是利用多個(gè)飛行中的小衛(wèi)星組成一定形狀，每顆小衛(wèi)星之間通過星間通信相互聯(lián)系、協(xié)同工作，共同承擔(dān)空間信號(hào)的采集與處理以及承載有效載荷等任務(wù)。整個(gè)星群構(gòu)成一個(gè)滿足任務(wù)需要的、規(guī)模較大的虛擬傳感器或探測(cè)器。從外觀上看，也雷同于一個(gè)大的或超大的虛擬衛(wèi)星或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，執(zhí)行相應(yīng)的空間探測(cè)和成像等任務(wù)。

相對(duì)于傳統(tǒng)的單顆衛(wèi)星而言，多顆小衛(wèi)星組成的分布式傳感器系統(tǒng)能夠有更好的靈活性和冗余度，可以降低任務(wù)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。與傳統(tǒng)的單顆大衛(wèi)星比較小衛(wèi)星編隊(duì)飛行能夠在近地軌道為科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供單顆大衛(wèi)星很難實(shí)現(xiàn)的分布式空間平臺(tái)。相對(duì)于衛(wèi)星星座系統(tǒng)，衛(wèi)星編隊(duì)飛行的應(yīng)用具有如下幾個(gè)方面的技術(shù)特征：衛(wèi)星編隊(duì)飛行系統(tǒng)類似于一個(gè)巨大的虛擬傳感器，由獨(dú)立的、飛行中的小衛(wèi)星有效載荷組成；具有很大的空間結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中的各衛(wèi)星可以以不同的方式收集科學(xué)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)只依靠單個(gè)衛(wèi)星是收集不到的。例如立體測(cè)繪觀測(cè)，對(duì)地面的同一場(chǎng)景，或同時(shí)以不同的角度采集數(shù)據(jù)。

如何能夠靈活機(jī)動(dòng)，有效的使單顆小衛(wèi)星迅速的編隊(duì)，去完成不同的計(jì)劃任務(wù)，就要依靠單顆衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)的建立。構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的空間平臺(tái)利用標(biāo)準(zhǔn)化的小衛(wèi)星，采用標(biāo)準(zhǔn)化的星間鏈路、通信接口和編碼方式，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的空間技術(shù)平臺(tái)。采用標(biāo)準(zhǔn)化的控制算法來控制空間平臺(tái)的隊(duì)形及各個(gè)小衛(wèi)星的姿態(tài)，以減少控制算法。采用標(biāo)準(zhǔn)化的隊(duì)形設(shè)計(jì)針對(duì)常見的空間任務(wù)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)編隊(duì)隊(duì)形，減少該環(huán)節(jié)的消耗，針對(duì)不同的任務(wù)建立不同的編隊(duì)隊(duì)形庫(kù)，依據(jù)需求加以選用。開發(fā)一項(xiàng)新的空間計(jì)劃就將像現(xiàn)在組裝一臺(tái)普通的計(jì)算機(jī)一樣，根據(jù)不同的用途，選用相關(guān)的配件，安裝相應(yīng)的操作系統(tǒng)，控制算法等，以后就是應(yīng)用的管理與控制了。

其次，小衛(wèi)星編隊(duì)是一種架構(gòu)在太空的信息平臺(tái)，而地面測(cè)控系統(tǒng)是保障衛(wèi)星正常運(yùn)行的重要組成部分。為了實(shí)現(xiàn)可靠高效的測(cè)控管理，地面站須滿足一系列的技術(shù)要求。首先，由于單個(gè)測(cè)控站視野有限，衛(wèi)星測(cè)控網(wǎng)必須全球分布，亦即建立天基測(cè)控網(wǎng)；其次，飛經(jīng)上空的衛(wèi)星承擔(dān)不同的任務(wù)，因此同一地面站必須具有多星測(cè)控和數(shù)據(jù)采集的能力，當(dāng)多星同時(shí)過站時(shí)，地面站能實(shí)現(xiàn)多星同時(shí)測(cè)控。另外，與民用衛(wèi)星相比，軍用衛(wèi)星測(cè)控管理必須具有更高的實(shí)時(shí)性、機(jī)動(dòng)性、安全性和生存能力，地面測(cè)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備配置、運(yùn)作模式和軟件設(shè)計(jì)必須滿足這些特殊要求。

小衛(wèi)星群測(cè)控技術(shù)一般采取自主與非自主相結(jié)合的途徑。目前的重點(diǎn)是提高星上自主性。根據(jù)具體任務(wù)及星上自主程度，不同小衛(wèi)星的測(cè)控要求和業(yè)務(wù)系統(tǒng)組成相差甚遠(yuǎn)，但都必須認(rèn)真考慮成本控制，徹底改變傳統(tǒng)的衛(wèi)星維護(hù)和操控模式。一方面要求小衛(wèi)星高度自主、高度可靠和操作簡(jiǎn)單，另一方面其測(cè)控及業(yè)務(wù)系統(tǒng)也會(huì)具有以下特色：（1）多星發(fā)射與測(cè)控管理。簡(jiǎn)化測(cè)控管理。小衛(wèi)星絕大多數(shù)為運(yùn)行于中、低軌道的非定點(diǎn)衛(wèi)星，一般采用單站跟蹤定軌體制，以多普勒測(cè)速和干涉儀體制為首選。與業(yè)務(wù)相結(jié)合的多功能測(cè)控站，對(duì)衛(wèi)星數(shù)量大，需要經(jīng)常進(jìn)行發(fā)射和測(cè)控管理的系統(tǒng)，可建立專用的測(cè)控網(wǎng)如俄羅斯的考斯康系統(tǒng)。為降低系統(tǒng)成本多采用測(cè)控與業(yè)務(wù)相結(jié)合的一體化多功能測(cè)控站，這種測(cè)控站具有衛(wèi)星生產(chǎn)、測(cè)試、發(fā)射、在軌測(cè)控、監(jiān)視、載荷控制及信息接收處理等業(yè)務(wù)功能。（2）與通用測(cè)控網(wǎng)兼容。為節(jié)省小衛(wèi)星的發(fā)射和運(yùn)行費(fèi)用，應(yīng)充分利用已建成的通用地面測(cè)控站。

小衛(wèi)星作為國(guó)際航天技術(shù)和空間技術(shù)的一場(chǎng)劃時(shí)代革命，小衛(wèi)星群的發(fā)展使我國(guó)航天事業(yè)面臨新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。為此，我國(guó)應(yīng)加緊開展小衛(wèi)星群測(cè)控及綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究，在這場(chǎng)挑戰(zhàn)中把握時(shí)機(jī)，合理規(guī)劃，快速部署，探索小衛(wèi)星群的測(cè)控與管理體制，深入研究小衛(wèi)星的編隊(duì)飛行控制，使之適應(yīng)各種航天探測(cè)任務(wù)，為我國(guó)的科技，經(jīng)濟(jì)和軍事發(fā)展貢獻(xiàn)力量。 [科]

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