鴿群——地球CT掃描儀的控制方法
Planet Lab小衛星取名「Dove」，為3U（10cm×10cm×30cm）的立方體小衛星，每顆小衛星攜帶一個CCD相機，具備三軸穩定控制能力，可以在400km軌道高度上實現3.5m解析度對地成像。小衛星晶元的複雜程度與一部安卓手機差不多，成本低，壽命約為1-3年。所有衛星位於同一個太陽同步軌道面上，相互地心角距約3.5度，即105顆衛星均勻分布在這個軌道面上。根據太陽同步軌道性質，當地球自轉時，每一天內，一顆衛星會在同一個時刻通過地球上某個位置天頂。因此，這個由105顆衛星組成的衛星星座在環繞地球轉動時，會形成對地面的掃描效果，從而完成對地表每天掃描一次的任務。
Dove衛星採用UHF頻段測控，上行頻率約450MHz，發射功率100W，下行頻率約401.3MHz，發射功率1W。衛星還可以利用S頻段上行，發射功率100W，數據率可以達到250kbps，圖像數據下傳則採用X頻段，數據率可以從12.5Mbps到超過100Mbps，發射功率2W。相應的，地面有UHF測控站和S/X雙頻測控站。一個圈次內，通過X頻段數傳，地面可以接收4.2G數據，相當於170平方公里的圖像。Planet Lab公司現在全球有各類地面站30個，分布如下圖所示。
2. Planet Lab地面站分布
今天主要聊聊鴿群的軌道測量和控制方法。由於大部分鴿群衛星通過同一次發射進入太空，在極短的時間內從火箭分離，大量衛星入軌後聚成一團，如何形成並保持圖1所示的環繞地球一圈的星座呢？
要對每顆衛星進行控制，首先就需要知道它當前的位置。這個信息可以去大名鼎鼎的北美空防司令部（NORAD）隨時更新的地球空間物體監測網站上查到（老美對近地空間的所有拳頭大以上的東西都監視著呢！），但是NORAD提供的衛星位置不是很准（好的時候km量級，差的時候數百km），特別是當一大堆鴿子放出來的時候，NORAD也會傻眼，不知道究竟哪個鴿子是哪個。所以Planet Lab自己需要能夠測量衛星位置的能力。最簡單的莫過於星上加個GPS接收機，可以得到精度10m量級的空間位置。但這不是什麼時候都好使，因為有時候星上功率不夠或者頻率干擾就無法得到GPS數據，而且先期上去的很多衛星都沒有GPS。鑒於此，Planet Lab自己開發了一套基於UHF頻段的雙向測距定軌系統，測距精度在600m左右（1），利用同一顆衛星的多個地面站測距結果，根據精密的軌道動力學模型，可以得到精度1km以下的軌道。鴿群每顆衛星的實時位置可以在Planet Labs public orbital ephemerides上查到。
獲得每顆衛星的位置之後，就可以對每隻鴿子進行控制了。遺憾的是，每隻鴿子都沒法「扇動翅膀」，因為衛星太小，不具備推進系統，無法通過噴氣等方式調整軌道。Planet Lab的攻城獅們提出了一種巧妙的策略。
因為在距離地面比較低的軌道高度上，比如500km以下，還是有非常稀薄的大氣。衛星在這稀薄大氣的拽拉下軌道會不斷變化。Planet Lab的鴿群都處在400至600km軌道高度，攻城獅們提出利用這稀薄的大氣來讓鴿子「自由翱翔」。下圖是單個衛星的三視圖，可以看到不同的視向單個衛星的面積不一樣，太陽帆板視向面積最大，而攝像頭視向面積最小。正是利用不同視向面積的不同，鴿子各自調整自己的姿態，使其受的大氣阻力不同，從而調整軌道，是不是像是一隻只在太空迎風翱翔的鴿子？（我最初看到Dove的外觀時還吐槽過怎麼設計得這麼丑，現在看來攻城獅們還是很有思想的，嘿嘿）
有了上述基本原理（Planet Lab稱之為differential drag方法），一大堆釋放出的鴿子便開始各自調整姿態，分別感受迎面吹來的不同的風，飛向自己的目標軌道。從圖4可以看出，沒有氣動控制時，不同鴿子間的相對地心角距變得很亂，一些鴿子飛到一塊去了，而另一些則遠走天涯。當有氣動控制時，如圖5，每隻鴿子則飛向一個設定的軌道，鴿子之間的相對地心角距變得非常均勻。攻城獅們剩下的就是保持鴿群的相對位置，讓鴿子們給地球拍CT了。
————————
本文主要參考自Planet Lab的論文：ORBIT DETERMINATION AND DIFFERENTIAL-DRAG CONTROL OF PLANET LABS CUBESAT CONSTELLATIONS. Cyrus Foster, Henry Hallamy, and James Masonz，2015.
推薦閱讀：