01

　　小型衛(wèi)星集群概述

　　小型衛(wèi)星相對傳統(tǒng)衛(wèi)星具備獨(dú)特的性能優(yōu)勢,，如相對輕量化,、低成本和快速生產(chǎn)能力。通過對單個大型衛(wèi)星與小衛(wèi)星集群全面對比研究,，可以看出,，就執(zhí)行復(fù)雜空間任務(wù)的成本效益而言，考慮到所需的地面站和安裝數(shù)量,，大型衛(wèi)星在初始成本上更具經(jīng)濟(jì)效益,，但考慮到小衛(wèi)星集群可以在空間和地面系統(tǒng)相互支持的情況下不間斷執(zhí)行大量任務(wù)，小型衛(wèi)星集群在初始設(shè)置完成后將變得更具經(jīng)濟(jì)性,。

　　由于這些原因,，小型衛(wèi)星正在獲得廣泛的應(yīng)用，并不斷開發(fā)新能力，可用于多元化任務(wù),，如通信或遙感等,；然而，由于小衛(wèi)星存在質(zhì)量,、體積,、功率和有效載荷的各種限制，當(dāng)前部分空間任務(wù)必須使用集群編隊(duì)而不是單個小衛(wèi)星來執(zhí)行,。

　　一般來說,，該衛(wèi)星集群的壽命根據(jù)軌道參數(shù)的改變而變化，這些小型衛(wèi)星的設(shè)計(jì)中大都沒有推進(jìn)系統(tǒng),。在外軌道擾動和無軌道修正的影響下,，在低軌400公里處運(yùn)行的衛(wèi)星集群的使用壽命約為數(shù)月，而在低軌700公里處的類似衛(wèi)星集群的使用年限約為數(shù)年,。因此,，必須從設(shè)計(jì)時就確定任務(wù)的要求和使用壽命，并且必須建設(shè)恰當(dāng)?shù)募軜?gòu)以在最佳軌道高度運(yùn)行,。

　　衛(wèi)星集群可以執(zhí)行交會（rendezvous）,、編隊(duì)飛行或立體成像等復(fù)雜空間任務(wù)。最典型的應(yīng)用是美國“星鏈”系統(tǒng),，可提供全方位互聯(lián)網(wǎng)服務(wù),。但這類衛(wèi)星不可避免地會在低軌軌道上增加軌道碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

　　02

　　集群衛(wèi)星架構(gòu)分類

　　集群衛(wèi)星架構(gòu)通常按距離和控制精度細(xì)分,。飛行編隊(duì)是分布式空間系統(tǒng)的一個子集，以空間和控制精度為特征,。編隊(duì)體系架構(gòu)多種多樣,，從衛(wèi)星間距為10米的局部衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)，到間隔數(shù)千公里的全球體系架構(gòu),。

　　圖1：相對距離和控制精度是太空系統(tǒng)集群進(jìn)行區(qū)分的關(guān)鍵

　　圖1所示的主要集群衛(wèi)星體系架構(gòu)可定義為三個類型：

　　星座架構(gòu)：由許多在類似軌道上部署的衛(wèi)星組成,，在時間和位置上適當(dāng)分布，以確保所需的對地覆蓋面,。衛(wèi)星由地面控制站單獨(dú)控制,。典型案例是低軌部署的全球定位系統(tǒng)（GPS）星座架構(gòu)

　　衛(wèi)星編隊(duì)飛行體系架構(gòu)：一種面向任務(wù)和探測的多衛(wèi)星體系架構(gòu)，其相對位置由閉環(huán)內(nèi)部控制系統(tǒng)進(jìn)行控制,。與星座架構(gòu)不同,，衛(wèi)星間距離相對較短

　　交會對接架構(gòu)：控制精度最為精細(xì)，空間平臺間的距離也相對最短,?？刂旗`敏度隨著空間平臺之間相對距離的減小而成比例地增加

　　在體系架構(gòu)設(shè)計(jì)方面，確定集群幾何形狀和所需衛(wèi)星數(shù)量非常重要。編隊(duì)形成后,，微分?jǐn)_動加速度將會逐漸破壞初始幾何形狀,。應(yīng)根據(jù)用戶的需要，主動控制編隊(duì)的相對幾何結(jié)構(gòu)是對抗軌道畸變的一項(xiàng)要求,，特別是在低軌軌道內(nèi),。因此，應(yīng)使用相對引導(dǎo),、導(dǎo)航和控制（GNC）系統(tǒng)在所需時間內(nèi)對編隊(duì)進(jìn)行保持,。通常，應(yīng)在衛(wèi)星上實(shí)施閉環(huán)控制方案,，如圖2所示,。引導(dǎo)信息應(yīng)由地面站或集群內(nèi)其他衛(wèi)星的自主內(nèi)部傳感器提供。

　　圖2：衛(wèi)星集群閉環(huán)控制流程

　　相對導(dǎo)航涉及平臺相對于另一平臺的位置和速度的最優(yōu)化估測,。在此方面,，有大量的傳統(tǒng)應(yīng)用，例如全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）,，需要其它的連接方式,。最新的應(yīng)用使用光學(xué)和圖像處理以及傳感和跟蹤模型，旨在降低總體復(fù)雜性,，并提高精度,。

　　03

　　優(yōu)劣分析

　　除上文提到的輕量化、低成本和快速生產(chǎn)能力外,，與單個衛(wèi)星相比,，衛(wèi)星集群還將提供更大的感知視野和覆蓋范圍，同時還可以進(jìn)行三維地球觀測和干涉測量研究,。

　　在衛(wèi)星集群中,，每個構(gòu)成部分都更小、更輕,、更易于構(gòu)建,；因此，與單個大型衛(wèi)星相比,，集群衛(wèi)星的概念成本更低,，復(fù)雜度更低。此外,，單個衛(wèi)星的故障對整個任務(wù)來說并不再那么重要,，因?yàn)楣收闲l(wèi)星可以很容易地被備用衛(wèi)星替換。

　　集群衛(wèi)星概念同樣存在著一些限制和挑戰(zhàn),，如太空操作和太空環(huán)境的復(fù)雜性,、任務(wù)性質(zhì)的特殊性以及互操作性問題,，這是由于其自主系統(tǒng)和傳感器多樣性造成的。

　　在集群衛(wèi)星應(yīng)用中,，最重要的是根據(jù)用戶和空間任務(wù)要求設(shè)計(jì)衛(wèi)星編隊(duì)體系架構(gòu),。在小衛(wèi)星編隊(duì)過程中，必須精確確定每顆衛(wèi)星的運(yùn)動參數(shù)和相對幾何擾動,。此外,，使用基于視覺傳感器的高性能系統(tǒng)，有可能捕獲航天器和空間碎片的運(yùn)動,，并預(yù)測其相對矢量狀態(tài),，隨后可用于會合、對接或?qū)Ш?，以確定軌道運(yùn)動并避免碰撞,。

　　下表展示了單衛(wèi)星系統(tǒng)和衛(wèi)星集群體系相應(yīng)的特征對比情況：

　　04

　　主要考慮因素

　　針對小型衛(wèi)星集群體系架構(gòu)，JAPCC認(rèn)為,，其主要考慮因素包括以下幾類：

　　確定位置與姿態(tài),。使用微型傳感器確定衛(wèi)星位置，分析測量結(jié)果,，精確判斷衛(wèi)星間的相對距離,。

　　位置和姿態(tài)的自主控制。將確定計(jì)劃開展對地測量位置和衛(wèi)星朝向目標(biāo)姿態(tài)間的偏差,，以確定相應(yīng)的校正操縱方案,。由于軌道的性質(zhì)，與地面控制站的聯(lián)系有限,，因此必須發(fā)展衛(wèi)星實(shí)時應(yīng)對能力,。

　　衛(wèi)星集群架構(gòu)的運(yùn)行。控制衛(wèi)星編隊(duì)需要協(xié)調(diào)地面控制交互,，其特點(diǎn)是信號傳播延遲和間斷,，以及內(nèi)置的自主應(yīng)對能力?？蓛H對“領(lǐng)頭”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)位置控制功能，跟隨衛(wèi)星將根據(jù)所設(shè)想的星座幾何結(jié)構(gòu)調(diào)整其相對于“領(lǐng)頭”衛(wèi)星的位置,。

　　值得注意的是,，小衛(wèi)星在編隊(duì)飛行時可能會使用不同的相對導(dǎo)航方法。傳統(tǒng)上,，GNSS和INS將進(jìn)行集成用于搜尋相對位置,。如果沒有來自地面或全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，衛(wèi)星將只能使用機(jī)載計(jì)算數(shù)據(jù)導(dǎo)航,，這通常由內(nèi)部傳感器完成,。

　　基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的傳感器的衛(wèi)星集群體系架構(gòu)。小衛(wèi)星集群利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號，通過確定彼此的相對位置來維持星團(tuán)的幾何結(jié)構(gòu),。這種方法正在使用,，并已在許多集群衛(wèi)星空間任務(wù)中得到驗(yàn)證。然而,，由于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的覆蓋范圍有限,，只有低軌衛(wèi)星使用這種傳統(tǒng)的相對導(dǎo)航方法。

　　基于視覺傳感器的衛(wèi)星集群架構(gòu),。基于視覺的傳感器系統(tǒng)將有效降低對外部系統(tǒng)的依賴,。雖然全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)可用于近地軌道或中地球軌道的近距離衛(wèi)星編隊(duì)，但不能用于“深空”任務(wù),。因此,，必須開發(fā)新型傳感器技術(shù)，降低成本和有效載荷重量,，同時將避免全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)性能上的限制,。

　　相對導(dǎo)航算法。為了控制衛(wèi)星,，應(yīng)相關(guān)算法進(jìn)行觀測和預(yù)測,，從而估計(jì)衛(wèi)星集群相對狀態(tài)。典型可用算法包括單目同時定位和映射（SLAM）算法,、卡爾曼濾波器,、高斯和濾波器以及粒子濾波器算法等。

　　05

　　評析

　　綜合JAPCC對集群衛(wèi)星的全面分析,，可以看出盡管衛(wèi)星集群仍存在部分問題,，但其未來大規(guī)模應(yīng)用已是大勢所趨，將打造新質(zhì)空間架構(gòu),，對當(dāng)前以單衛(wèi)星平臺為代表的衛(wèi)星體系造成巨大沖擊,。未來以集群衛(wèi)星將具備以下關(guān)鍵特征：

　　一是分布式、高彈性,。大量小衛(wèi)星將分布式部署,，隨著自組織組網(wǎng)通信能力的不斷提升，將大大提升系統(tǒng)彈性,，具備系統(tǒng)可重構(gòu),、航天器可替換、故障容錯性強(qiáng)等特點(diǎn),，變革現(xiàn)有太空生態(tài),；

　　二是高自主、快響應(yīng),。未來衛(wèi)星集群將高度智能化,，自主進(jìn)行資源調(diào)度和任務(wù)規(guī)劃,，根據(jù)周邊環(huán)境和任務(wù)要求實(shí)現(xiàn)智能控制，針對瞬息多變的太空環(huán)境和任務(wù)需求快速做出反應(yīng),。

　　三是低價(jià)格,、廣替代。衛(wèi)星集群從整體風(fēng)險(xiǎn)成本和效費(fèi)比角度相對于傳統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)具備明顯優(yōu)勢,，未來很可能將廣泛替代現(xiàn)有系統(tǒng),。美國下一代太空架構(gòu)、黑杰克,、高超音速和彈道跟蹤空間傳感器(HBTSS)等新質(zhì)系統(tǒng)廣泛使用衛(wèi)星集群架構(gòu),，已初步驗(yàn)證了該發(fā)展趨勢。

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