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1、中国电子学会电子系统工程分会第五届军事信息软件与仿真学术研讨会论文集卫星编队飞行技术及其应用闫志军李小偎马礼举( 解放军西安通信学院陕西西安邮编7 1 0 1 0 6 )摘要：由若于颗小卫星编队飞行组成一个分布式卫星，其功能相当或超过一颗大卫星，也称为虚拟卫星，这将开拓小卫星一个完全崭新的应用领域。文章论述了编队飞行概念、关键技术，讨论了编队卫星的应用实例，介绍了国内外发展状况，并展望了编队卫星的发展。主题词：小卫星编队飞行分布式卫星1引言上世纪9 0 年代以前的应用卫星主要是侧重于研究靠单颗卫星来发挥作用方面的应用，这是因为航天技术发展的初期，研究制造和发射一颗卫星很不容易，机会难得、投资大
2、、周期长，因而形成一方面不得不把很多可能是互不相干甚至相互妨碍的任务、功能都挤在一颗星上来完成，结果，更加拖长研制周期，增加了风险，出一点小故障，即全功尽弃。另一个更重要的方面是忽略了考虑用多颗卫星来配合完成单颗星不可能完成的特殊任务。9 0 年代以来出现的小卫星概念，加上微电子、微机械技术的进步，提高了部件功能的集成密度，构成了卫星编队飞行技术发展的基础。编队卫星技术标志着人类在航天领域的活动进入了崭新的时代。2 卫星编队概念卫星编队是指由一些相对距离较近的小卫星组成。编队中，若干颗编队卫星环绕一颗中心卫星作周期性相对运动，中心卫星也称主星，周围编队卫星也称子星。单颗的编队卫星不能独自完成任
3、务，必须通过多星之间的协同工作才能完成如通信、侦察和导航等任务 I - 3 。卫星编队飞行不同于我们通常所说的卫星星座。通常的卫星星座仅仅是以一定数量的完全相同的卫星及传感器组合起来，解决空间和时间覆盖问题，科学使命也很单一( 如全球定位系统G P S 系统) 。而卫星编队飞行的目的在于实现大卫星才能具备的强大功能并且可以实现功能重组，它要求编队中的每一颗卫星的传感器所获得的信号要进行相干处理。因此，从技术上说，实现编队飞行必须以具有高度自主能力的小卫星和特殊轨道设计为技术前提。与小卫星一样，编队卫星的分类也是多种多样的，但若以卫星所需的支持网络的规模来分，则大致可将编队卫星分成3 类：1 )
4、 由少量编队卫星组成1 个几何外形及拓扑结构固定的小型网络，其任务单一，功能相当于1 颗传统的大型卫星，这种编队卫星亦被称作“虚拟卫星”；2 ) 由编队卫星构成1 个中型网络，任务单一，功能相当于1 个传统的星座；3 ) 由编队卫星构成1 个大型网络，完成通信、侦察等多种任务，功能相当于由多种卫星组成的网络。3 卫星编队发展的关键技术目前看，卫星编队飞行技术的应用将主要取决于三个因素：微型技术的发展与成熟、卫星网络拓扑技术的发展和抗干扰技术的水平。3 I 微型技术的发展与成熟9 4 中国电子学会电子系统工程分会第五届军事信息软件与仿真学术研讨会论文集编队卫星若投入实际应用，必定需要大量的卫星才
5、能完成任务。这就要求卫星成本能够大幅降低，才能真正培育出一个可接受的市场。而这显然需要微型技术的支持，否则，“铱星”的悲剧会再次重演。3 2 卫星网络拓扑技术的发展编队卫星能够发展的第二个关键要素是卫星网络拓扑技术的水平。众所周知，网络是通过特定的拓扑结构来体现的。在地面计算机网络中，由于计算机的物理位置较易确定，因而拓扑问题一般只是个最优问题；而对编队卫星来说，拓扑结构却是决定其命运的大问题。由于受天体运动规律的影响，所以星间保持固定的拓扑结构是比较困难的事，如果必须通过不断的机动来保持一种相对固定的拓扑结构，就得要求卫星携带大量推进剂，从而使系统成本急剧增加，编队卫星这个概念也就会失去生命
6、力。因此，找出一些能够以最小的能耗来保持相对位置的轨道，是使编队卫星走向现实的重要条件。3 3 抗干扰技术制约编队卫星发展的第三个关键问题是系统的抗干扰水平。卫星在轨道上运行时会发生位置变动，而且宇宙间的碎片、不明飞行物等都有可能穿越编队卫星构成的虚拟阵。这些情况会引发虚拟阵内电波特性的变化，从而影响系统性能。因此，如何有效地处理这些干扰，最大限度地降低对系统性能的冲击，是使编队卫星投入实用前必须要解决的问题。4 卫星编队的优势及应用4 1 卫星编队的优点( 1 ) 在编队卫星中，由于大幅度减轻卫星重量，简化单颗星的功能，从而有效地降低了卫星的制造成本和发射成本，还能简化日常的操作维护工作，进
7、而降低卫星的全寿命费用。( 2 ) 在编队卫星中，通过卫星的互联，能够获得更高的性能，更好的完成任务。以雷达成像卫星为例，通过互联可获得大尺寸的等效孔径，得到高的分辨率。( 3 ) 在编队卫星中，由于采用分布式的结构，因而整个系统比单星更能容忍单点故障，如果某颗网络卫星出现故障，可通过系统重构将这颗卫星剔出系统，最大限度地消除故障影响。而且，如果有意识地改变各网络卫星间的拓扑结构，则能够实时地改变系统的性能指标，使其获得执行最适合于执行当前任务所需的能力。4 2 卫星编队的应用( 1 ) 分布式星载微波雷达卫星采用8 颗小卫星编队飞行组成分布式雷达卫星。轨道高度8 0 0km ，编队为圆形，直
8、径约4 0 0 5 0 0m 。无线电频率I O G H z ，雷达工作模式有三种：带状成像；垂直飞行方向干涉；平行飞行方向干涉。本系统可以全天时、全天候观测地面目标。可望达到的技术指标：地面目标分辨率1 - - - 2 m ( 水平)和3 5 m ( 高度) ；地面覆盖宽度几万米，同时可测地面缓慢移动目标速度( 5 l O k m h ) 。( 2 ) 三维编队飞行组成电子侦察卫星4 颗小卫星圆形编队飞行，圆中心有一颗主星，在圆周均匀分布3 颗辅星。这4 颗小卫星组成3 组，每组两颗卫星，采用地面雷达辐射源到这组卫星的时间差和频差的复合定位方法，得出地面雷达三维位置。轨道高度为1 0 0 0
9、 k m ，倾角为6 3 4 。，编队圆形半径为5 l O k m 。对地面雷达侦察的三维定位精度可望优于l O O m 。( 3 ) 分布式气象卫星由3 颗小卫星以二维编队飞行组成分布式气象卫星，两颗小卫星在主星前后的同一轨道平面内，与主星相距几十公里( 具体数据取决三维立体成像技术要求) 。3 颗卫星同时观测同一气象景物，可及时提供当地气象云团三维立体成像数据，分辨率约l k m 。( 4 ) 间歇式区域无源导航卫星9 5 中围电子学会电子系统工程分会第五届军事信息软件与仿真学术研讨会论文集3 “ - - 4 颗小卫星均匀分布在圆形编队周边，采用多普勒频移导航，也可采用G P S 导航。当
10、4 颗导航星飞过用户上空，用户同时接收4 颗导航星发出的导航信息，经过处理得出用户精确定位。当轨道高度为5 0 0 k m ，编队飞行半径约在几十公里时，导航定位精度在几十米左右。若轨道为天回归，则可为该地区每天提供两次定位，故称区域间歇式导航。( 5 ) 高分辨率合成孔径光学静止侦察卫星在地球同步轨道上( 3 6 1 0 4 k m ) ，以7 颗小卫星( 中心l 颗，圆周分布6 颗，圆半径5 0 m ) 组成多孔径光干涉( 光学综合孔径) 测量。圆周6 颗小卫星把观测光反射到中心卫星，圆周上的小卫星为收集器，它的光学镜头直径约2 0 3 0 c m 。中心小卫星为合成器( 进行光干涉) 。
11、现正在进行理论研究，若能突破某些关键技术，则可望达到的技术指标为：地面目标分辨率为05 l m ；覆盖区域为1 0 0 k m 1 0 0 k m ；连续观测，重访时间为零。5 国内外发展现状5 1 国外卫星编队飞行的巨大优点吸引了世界各主要航天大国积极开展这方面的研究。作为美国新盛世计划的一部分，美国国防部和美国宇航局于1 9 9 8 年启动了大学纳卫星计划，总共1 0 所大学提出了5 颗纳型卫星编队飞行计划，计划从2 0 0 2 年开始进行首次发射和在轨试验。同时美国空军提出“2 1 世纪技术星”发展计J i J 4 ，利用三维编队飞行的若干颗小卫星协同工作构成低成本、高可靠、多任务平台以
12、及具有扩充能力的“虚拟卫星”，实现分布式星载微波雷达。美国的C l o u d S a t 是多卫星、多遥感器的实验，将于2 0 0 4 年4 月与C A L I P S O 一起发射，并将与A q u a 、P A R A S O L 及A u r a 进行编队飞行，试图利用光谱仪、光学成像设备、激光雷达及雷达等联合观测的信息进一步了解云雾对地球天气的影响，测量大气浮尘和云的状况，以提高天气预报的准确度。此外国际上的编队卫星计划还有C a r t w h e e l ，S A R L u p e ，T e r r a S a t ，L I S I A ，D A R W I N 以及已经成功实
13、施的E 0 1 与L a n d S a t 一7 编队飞行。2 0 0 2 年1 0 月在法国召开了以编队飞行为唯一主题的首次国际会议【5 】。这次会议的目的是一方面评估编队飞行的最新进展，另一方面从各个角度来讨论编队飞行的应用、系统设计、技术、运控等。由此可见国际航天领域对编队飞行及虚拟技术的重视。5 2 国内在国家8 6 3 航天领域的支持下，国内开展了分布式合成孔径雷达研究、编队小卫星干涉合成孑L 径雷达研究；在国防装备预先专项支持下正在进行空间虚拟探测技术研究。我国“对地观测微小卫星编队组网计划”已于今年正式启动。该计划将于2 0 0 8 年前发射4 到8 颗微小卫星，在外太空组成一
14、个特定形状、稀疏分布的卫星编队，对地球进行海洋赤潮、沙尘暴、森林火灾等灾害监测以及进行环境检测、大气探测、天文观测、近地通讯导航等。为了更加准确的得到探测数据，星座中的各个卫星之间时刻都保持着联系，可以根据地面的不同指令在空中重新排兵布阵、变换队形。6 展望随着编队飞行和虚拟探测技术的发展，卫星编队飞行对于空间对地观测以及空间对宇宙观测方面将带来革命性的影响，极大地提高对地观测以及对宇宙观测的能力。同时也将极大地促进计算机技术、自动控制技术、空间轨道设计以及精密定轨技术、以及编队构形设计等航天技术的发展。完全可以相信，在2 l 世纪人类的航天活动中，编队飞行及虚拟探测技术必将发挥出越来越重要的作用。对于国家来说，它是我们必须争取的2 l 世纪航天领域的战略制高点。参考文献( 略)
