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衛(wèi)星集群體系架構,應該如何設計?

2022-09-14
來源:太空與網絡

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  小型衛(wèi)星集群概述

  小型衛(wèi)星相對傳統(tǒng)衛(wèi)星具備獨特的性能優(yōu)勢,如相對輕量化、低成本和快速生產能力。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)行復雜空間任務的成本效益而言,考慮到所需的地面站和安裝數量,大型衛(wèi)星在初始成本上更具經濟效益,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,小型衛(wèi)星集群在初始設置完成后將變得更具經濟性。

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

  一般來說,該衛(wèi)星集群的壽命根據軌道參數的改變而變化,這些小型衛(wèi)星的設計中大都沒有推進系統(tǒng)。在外軌道擾動和無軌道修正的影響下,在低軌400公里處運行的衛(wèi)星集群的使用壽命約為數月,而在低軌700公里處的類似衛(wèi)星集群的使用年限約為數年。因此,必須從設計時就確定任務的要求和使用壽命,并且必須建設恰當的架構以在最佳軌道高度運行。

  衛(wèi)星集群可以執(zhí)行交會(rendezvous)、編隊飛行或立體成像等復雜空間任務。最典型的應用是美國“星鏈”系統(tǒng),可提供全方位互聯(lián)網服務。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險。

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  集群衛(wèi)星架構分類

  集群衛(wèi)星架構通常按距離和控制精度細分。飛行編隊是分布式空間系統(tǒng)的一個子集,以空間和控制精度為特征。編隊體系架構多種多樣,從衛(wèi)星間距為10米的局部衛(wèi)星編隊系統(tǒng),到間隔數千公里的全球體系架構。

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

  圖1所示的主要集群衛(wèi)星體系架構可定義為三個類型:

  星座架構: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分布,以確保所需的對地覆蓋面。衛(wèi)星由地面控制站單獨控制。典型案例是低軌部署的全球定位系統(tǒng)(GPS)星座架構

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

  交會對接架構:控制精度最為精細,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

  在體系架構設計方面,確定集群幾何形狀和所需衛(wèi)星數量非常重要。編隊形成后,微分擾動加速度將會逐漸破壞初始幾何形狀。應根據用戶的需要,主動控制編隊的相對幾何結構是對抗軌道畸變的一項要求,特別是在低軌軌道內。因此,應使用相對引導、導航和控制(GNC)系統(tǒng)在所需時間內對編隊進行保持。通常,應在衛(wèi)星上實施閉環(huán)控制方案,如圖2所示。引導信息應由地面站或集群內其他衛(wèi)星的自主內部傳感器提供。

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  圖2:衛(wèi)星集群閉環(huán)控制流程

  相對導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)應用,例如全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)和慣性導航系統(tǒng)(INS),需要其它的連接方式。最新的應用使用光學和圖像處理以及傳感和跟蹤模型,旨在降低總體復雜性,并提高精度。

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  優(yōu)劣分析

  除上文提到的輕量化、低成本和快速生產能力外,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,同時還可以進行三維地球觀測和干涉測量研究。

  在衛(wèi)星集群中,每個構成部分都更小、更輕、更易于構建;因此,與單個大型衛(wèi)星相比,集群衛(wèi)星的概念成本更低,復雜度更低。此外,單個衛(wèi)星的故障對整個任務來說并不再那么重要,因為故障衛(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)境的復雜性、任務性質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)星應用中,最重要的是根據用戶和空間任務要求設計衛(wèi)星編隊體系架構。在小衛(wèi)星編隊過程中,必須精確確定每顆衛(wèi)星的運動參數和相對幾何擾動。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動,并預測其相對矢量狀態(tài),隨后可用于會合、對接或導航,以確定軌道運動并避免碰撞。

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

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  主要考慮因素

  針對小型衛(wèi)星集群體系架構,JAPCC認為,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。將確定計劃開展對地測量位置和衛(wèi)星朝向目標姿態(tài)間的偏差,以確定相應的校正操縱方案。由于軌道的性質,與地面控制站的聯(lián)系有限,因此必須發(fā)展衛(wèi)星實時應對能力。

  衛(wèi)星集群架構的運行。控制衛(wèi)星編隊需要協(xié)調地面控制交互,其特點是信號傳播延遲和間斷,以及內置的自主應對能力??蓛H對“領頭”衛(wèi)星實現(xiàn)位置控制功能,跟隨衛(wèi)星將根據所設想的星座幾何結構調整其相對于“領頭”衛(wèi)星的位置。

  值得注意的是,小衛(wèi)星在編隊飛行時可能會使用不同的相對導航方法。傳統(tǒng)上,GNSS和INS將進行集成用于搜尋相對位置。如果沒有來自地面或全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的數據,衛(wèi)星將只能使用機載計算數據導航,這通常由內部傳感器完成。

  基于全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的傳感器的衛(wèi)星集群體系架構。小衛(wèi)星集群利用全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)信號,通過確定彼此的相對位置來維持星團的幾何結構。這種方法正在使用,并已在許多集群衛(wèi)星空間任務中得到驗證。然而,由于全球導航衛(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)的相對導航方法。

  基于視覺傳感器的衛(wèi)星集群架構。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。雖然全球導航衛(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,但不能用于“深空”任務。因此,必須開發(fā)新型傳感器技術,降低成本和有效載荷重量,同時將避免全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)性能上的限制。

  相對導航算法。為了控制衛(wèi)星,應相關算法進行觀測和預測,從而估計衛(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。

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  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)模應用已是大勢所趨,將打造新質空間架構,對當前以單衛(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、航天器可替換、故障容錯性強等特點,變革現(xiàn)有太空生態(tài);

  二是高自主、快響應。未來衛(wèi)星集群將高度智能化,自主進行資源調度和任務規(guī)劃,根據周邊環(huán)境和任務要求實現(xiàn)智能控制,針對瞬息多變的太空環(huán)境和任務需求快速做出反應。

  三是低價格、廣替代。衛(wèi)星集群從整體風險成本和效費比角度相對于傳統(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、黑杰克、高超音速和彈道跟蹤空間傳感器(HBTSS)等新質系統(tǒng)廣泛使用衛(wèi)星集群架構,已初步驗證了該發(fā)展趨勢。


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