微納衛星星座和編隊組網技術研究進展

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1. 引言

微納衛星自上世紀80年代伴隨微電子、微機電等技術的興起而發展至今，已問世三十餘年。目前，全球研究機構廣泛認同微納衛星在微小型化、功能密度、研製成本、發射難度、靈活性等方面具備極大的優勢，並具有廣闊的應用前景；但同時，受其尺度的約束，其單顆衛星在軌功能有限，這也成為阻礙微納衛星廣泛應用於各類航天任務的最大限制條件。採用多顆衛星協同工作，可以顯著發揮微納衛星的優勢，同時可以克服其單星工作存在的缺點，也是微納衛星相關技術研究中最具應用價值和潛力的發展方向。

與單純的分散式衛星（如：星群）概念不同，協同衛星更加註重結構功能，即多顆衛星相互配合完成任務。協同微納衛星系統的定義是：由多顆（2顆或2顆以上）微納衛星按一定要求分布在一種或多種軌道上，共同協作完成某項空間飛行任務（例如：觀測、通信、偵察、導航等），從而使空間飛行獲得更大的應用價值。其中，星座和編隊組網是協同微納衛星系統的兩種最主要形式。

2. 微納衛星星座和編隊組網的特點和應用

2.1 微納衛星星座

2.1.1 微納衛星星座的概念

微納衛星星座是為完成某一特定空間任務而協同工作的多顆微納衛星的集合，主要目的是通過星座中的多星協同增加對地面的覆蓋面積或者縮短重訪時間。由於星座執行任務過程中沒有固定的分布構型需求，通過單星軌道控制保持對地覆蓋特性，不需要在星間實施閉路控制，各星之間也可以不存在任何信息交換和服務。

2.1.2 微納衛星星座的特點

微納衛星通常工作在低軌（500km-1500km），發射和配置簡單，不存在高軌衛星具有的高通信延時，對地解析度高，對於構建星座而言優勢明顯。但另一方面，單顆微納衛星的功能簡單，構成星座的衛星數量較多，衛星壽命相對較低，使微納衛星星座系統龐大而複雜，同時給地面測控帶來較大壓力。綜合這些特點，微納衛星星座的構建要在任務需求和實現方法中平衡決策，以達到最優的星座性能。

微納衛星星座的性能可以歸納為以下幾點：

覆蓋面積：對於全球範圍、特定區域的最大、最小、平均覆蓋度和可見度；
覆蓋重數：對於目標的覆蓋質量，可取值為一重到多重；
時間解析度：對於目標的覆蓋時間間隔，可為連續或間斷；
鏈路可靠性：地面站、星間鏈路和天基中繼通信系統的覆蓋度和可見度；
數據實時性：從數據請求或數據採集到用戶接收到數據的時間間隔；
星座魯棒性：星座功能冗餘以及備份星替補、故障星脫軌能力。

2.1.3 微納衛星星座的應用和發展

衛星星座的發展最早可以追溯到上世紀60年代。隨著空間技術進步和應用方面需求，使得衛星星座的應用數量日益增加，微納衛星技術研究熱潮到來後，上世紀90年代開始，世界各國相繼開展了微納衛星星座的研究和建設工作。從已建立的各類微納衛星星座來看，星座從任務功能上可以分為導航星座、通信或數據中繼星座、遙感星座（偵察、預警、環境監測等）、科學試驗星座等。以下介紹幾個具有代表性的微納衛星星座來說明微納衛星星座的技術發展水平。

a) Orbcomm通信衛星星座

Orbcomm衛星通信系統是美國三大低軌移動星座衛星系統之一，能夠實現短數據（非話音）全球通信。它具有投資少、周期短、兼備通信和定位能力、衛星重量輕、用戶終端小巧便攜、星座運行時自動化程度高、自主功能強等優點；其適合市場需要，應用廣泛，性價比高。它是全球第一個也是唯一的雙向短數據低軌微納衛星通信系統。

圖 1 Orbcomm通信衛星星座

自1991年起至今，Orbcomm 星座衛星系統先後經歷了3顆試驗衛星系列、35顆Orbcomm-1、1顆Orbcomm CDS-3、5顆Orbcomm Quick Launch、2顆VesselSat和18顆Orbcomm OG2。Orbcomm系統支持的業務種類越來越多，衛星功能越來越強大，用戶數量呈上升趨勢，其發展前景依然非常樂觀。

b) Aprize通信衛星星座

阿派斯(Aprize)系統為美國AprizeGlobal公司所有，為全球範圍的行業公司和交通運輸部門提供移動和固定監控終端的窄帶數據傳輸業務。該公司利用商業化微納衛星星座，運行AprizeStar網路，開發用戶設備，包括感測器、通信機以及增值服務，推廣行業應用，例如集裝箱、油罐、化學品庫等現場實時跟蹤和監測，車輛的行駛路線跟蹤。Aprize星座預計由24-64顆微納衛星組成，每顆衛星重約10kg，軌道高度650km，單星造價120萬美元，設計壽命達到10年以上。首星於2002年發射，截至2014年已有12顆衛星在軌運行。

圖 2 AprizeSat衛星

該星座於2003年投入商業運營，它採用低成本的系統架構和搭載發射，大大降低用戶設備成本和服務費。

c) 鴿群衛星星座

鴿群星座（Flock遙感衛星群）是全球最大規模的地球影像衛星星座群，由美國衛星成像初創公司Planet Labs研製。鴿群星座由約350顆衛星組成，每顆衛星都是3U標準的微納衛星，搭載其自行研製的光學系統和相機，設計壽命3年以上。星座分布在420km軌道高度、58度軌道傾角的國際空間站軌道和475km軌道高度、98度（或更高）軌道傾角的太陽同步軌道的兩條軌道上，採用在相同軌道高密度布置相位不同的衛星的方式提高對地覆蓋的面積。

圖 3 鴿群星座遙感覆蓋方式和現階段部署覆蓋範圍

鴿群星座是目前世界上唯一具有全球高解析度、高頻次、全覆蓋能力的遙感衛星系統。從圖 3可以看出，鴿群衛星星座目前已經實現對全球範圍的觀測，對於絕大多數熱點區域和國家甚至可以達到每天超過一百次的觀測頻次。Planet Labs公司至今已積累了超過80億平方公里的地球遙感數據，其中鴿群星座自身可以達到3m～5m的對地解析度，每天觀測總面積高達1.5億平方公里；快眼星座可以提供每天高達5百萬平方公里的高精度遙感數據。

d) 「珠海一號」衛星星座

「珠海一號」遙感微納衛星星座是由我國珠海市歐比特公司規劃、航天東方紅衛星股份有限公司研製的。星座由12顆視頻微納衛星、4顆高光譜微納衛星及2顆SAR微納衛星組成，在空間形成一個高效的遙感微納衛星星座，預計將在未來2～3年內發射部署完成。其首批兩顆歐比特視頻衛星-1A和1B（OVS-1A和1B）於2017年6月在酒泉衛星發射中心搭載長征四號B運載火箭發射升空。這兩顆衛星為視頻成像衛星，可實現大範圍側擺、快速凝視，單顆衛星質量55kg，光學解析度1.98m，具有凝視視頻和條帶成像兩種工作模式，目前兩顆星每年可覆蓋地球2次。星座部署完成後，珠海一號星座將實現對全球遙感數據每5天更新一次。

圖 4 珠海一號遙感微納衛星星座

該星座在全球範圍內採集可見光圖像、可見光視頻以及高光譜圖像等類型的高時空解析度的海量對地遙感數據，形成全天時、全天候的對地觀測能力，並且可以為同一觀測對象提供多種類型的遙感數據，實現全方位精準遙感。數據經地面應用系統接收和處理形成高價值的衛星大數據產品，可為全球的政府、企業以及個人等類型客戶提供新型的衛星數據服務。珠海一號是我國第一個由民營上市企業投資並運營的遙感微納衛星星座，也是我國在遙感微納衛星星座領域邁出的具有開拓性的一步。

2.2 微納衛星編隊飛行

2.2.1 微納衛星編隊飛行的概念

微納衛星編隊飛行指由若干個衛星構成一個特定形狀，這個特定形狀的各個衛星，一方面保持這個形狀，同時又繞星球中心旋轉。編隊飛行時，單個衛星基本不能單獨發揮功能作用，各星之間需相互協同工作；每個衛星都同其它衛星保持聯繫，共同承擔信號處理、通信、有效載荷工作等。各星按編隊飛行要求保持隊形，需要依靠星間閉環編隊控制才能實現。

2.2.2 微納衛星編隊飛行的特點

編隊組網的微納衛星其任務功能是由整個編隊飛行的各個衛星共同來完成，整個星群構成一個大的「虛擬衛星」。這樣既彌補了單星的功能約束，同時利用輕巧靈活的微納衛星代替龐大複雜的大衛星，更大程度提高了整個系統的尺度和能力，提供極大的測量基線，還可以實現對同一個目標區域觀測數據的干涉與合成從而獲得極高的觀測精度。編隊組網的微納衛星通常具有靈活的加入和退出機制，具有很強的重構性、冗餘性和可靠性；由於協同工作，各星之間信息交換量大，同時自主性極強，從而降低了對地面站的依賴。

根據編隊飛行控制要求的不同，編隊微納衛星可區分如下三類，其技術水平和實現難度依次升高。

合作編隊：星間狀態測量和控制僅在某階段或一個時期進行，不須要長期進行測量和控制；
知識編隊：編隊飛行各個衛星之間有測量信息，但是星間不進行協調控制，也就是說編隊飛行的隊形是隨時進行測量，獲得隊形分布狀態，但不須要進行嚴格隊形保持；
精確編隊：須要採用空間自主精確控制與測量技術，從而嚴格保持編隊的隊形。各衛星之間是通過控制與測量系統，實現互相耦合的。

2.2.3 微納衛星編隊飛行的應用和發展

微納衛星的編隊飛行正處在研究探討和空間飛行演示驗證階段，大部分是動力學理論研究和設計方案論證，另一小部分為最簡單的兩星串聯編隊飛行空間試驗。儘管有關微納衛星編隊的研究在近20年間規模和深度逐漸提高，且具有巨大的應用價值，但由於其技術難度大，特別是複雜編隊的控制問題尚未解決，致使其真正應用還沒有開始。以下列舉幾個已實施或正在開展的微納衛星編隊飛行試驗來說明微納衛星編隊組網的技術發展水平。

a) Techsat-21計劃

1998年起，美國空軍研究實驗室曾經開展過一個宏偉計劃，稱為Techsat-21。其目的是利用低成本小衛星構成三維編隊飛行星座。TechSat-21衛星是一個細長的六邊稜柱體，高為7m，直徑約為1.3m，質量約為99kg。該編隊構成一顆虛擬大衛星，而且其全壽命成本低於同樣功能的大衛星。衛星的主要試驗任務包括：編隊飛行、星座管理、精確測時與授時以及分散式疏散孔徑雷達信號處理等。不幸的是，因技術難度大、相位同步與要求滿足干涉條件非常嚴格、預算超支等原因，該計劃於2003年被迫取消。

圖 5 TechSat-21計劃構想圖

b) 3Csat編隊

3Csat（3 Corner Sat）三角形納星由美國三所大學研製，目的是為了實現納星編隊飛行，進行氣象立體成像技術演示。編隊由3顆衛星組成，單顆衛星質量15kg。其中科羅拉多大學博爾德分校和亞利桑那州立大學研製的兩顆衛星於2004年發射升空；新墨西州州立大學研製的一顆衛星研製延遲未能趕上發射時間。兩顆衛星由於德爾塔4號重型火箭首次發射時出現問題，發射時未能到達預定軌道。

圖 6 3Csat中的兩顆已完成衛星

c) ION-F編隊

ION-F（Ionospheric Observation-Nanosatellite-Formation）電離層觀測-納星-編隊是由美國三所大學研製的用來測量電離層密度不均勻對無線電傳播（包括通信、導航、全球定位系統等）的影響的衛星編隊。編隊由3顆衛星組成，每顆衛星為質量15kg的三軸對地穩定衛星。三顆衛星組成一條串珠型衛星編隊，兩顆衛星搭載推進系統用於控制串珠型編隊的構型。ION-F是國際上第一次進行近地軌道空間環境監測的微納衛星編隊的嘗試。

圖 7 ION-F編隊

d) F6計劃

System F6（Future，Fast，Flexible，Fractionated，Formation-Flying）計劃，又稱分離模塊化航天器（Fractionated Spacecraft），提出由功能分解、結構分離、無線連接的標準化、模塊化編隊飛行，實現各種各樣組合航天器，相當一顆或幾顆大衛星，在空間執行各種飛行任務，被稱為設計、研製航天器的重大技術革命。F6計劃的構想最早可追溯到1984年P. Molette發表的論文，但由於當時衛星的質量、體積、成本過高而未能進入實際研發階段。2006年，Owen Brown基於現有微納衛星技術提出了「F6」設想；2007年，美國國防高等研究計劃署（DARPA）牽頭多家公司著手實施，隨後進入研製和試驗階段。2013年，F6計劃前期試驗被宣布暫時中止。

圖 8 F6計劃構想圖

3. 微納衛星星座和編隊組網的關鍵技術

3.1 高功能密度微納衛星技術

微納衛星在星座和編隊組網應用中的優勢是通過其極高的功能密度實現的。所謂功能密度是指單位重量微納衛星所能提供的功能，功能密度越高，說明微納衛星重量輕且提供的功能水平高。高功能密度微納衛星中的「高」包含兩個層次的含義：其一是衛星平台各個分系統和部件的功能密集度高，實現消耗更少的系統資源（如質量、體積、功耗等）而輸出更高的性能指標；其二是有效載荷佔比高，目前微納衛星的載荷佔比一般都在30%～40%左右，未來要求逐步提高到60%～70%以上，才能適應複雜空間任務的需求。高功能密度既是微納衛星技術的未來發展方向，也是在星座和編隊系統應用中相比常規衛星最突出的優勢，對整個協同衛星系統將產生重要影響，具有廣闊的應用前景。

3.2 星座和編隊構型設計

星座和編隊構型在設計上所面臨的共同問題，是都需要綜合考量效益成本、任務需求、實現難度、運營維護能力等方面因素，因此對於構型性能的評價是一個複雜的權衡和取捨的問題，無法單純依賴數字模擬的方法進行設計。另一方面，二者又具有各自的特點。對於微納衛星星座設計而言，覆蓋是星座設計的基本點，覆蓋要求不同，星座形式、衛星數量就會有明顯的不同，衛星的分布也有很大差異。目前，微納衛星星座基本採用δ星座、σ星座、玫瑰星座和傾斜圓軌道星座，其實現起來比較容易，針對不同任務也已經實現了持續性全球覆蓋、持續性地帶覆蓋以及持續性或間斷性區域覆蓋等不同的覆蓋要求。對於編隊飛行微納衛星來說，構型設計既要考慮編隊構型滿足科學任務需要，更是要著重解決維持構型所需的燃料消耗問題。特別是微納衛星所在的低地球軌道，初始編隊飛行軌道構型建立，以及後來長期運行時航天器受到軌道攝動所需要保持編隊構型，都需要大量消耗推進資源，因此如何節省燃料和能源達到空間任務的要求是一個重要的研究課題，而目前新的控制方法與技術尚處在研究和演示驗證階段。

3.3 自主運行技術

星座和編隊組網都涉及到較大數量衛星的支撐，因此協同微納衛星系統的測控與運行管理模式由傳統的地面測控運營方式向智能化自主運行方式發展是必然趨勢。對於單一航天器的自主運行技術研究已經取得了卓有成效的成果，如NASA研製的Remote Agent自主航天器、美國、中國、日本國家等進行的空間自主交會對接和自主姿態確定和控制等，這都為協同微納衛星系統的自主運行技術奠定了基礎。目前，國內外對於單星的自主運行規劃的研究較為深入和普遍，但針對多星自主運行技術研究尚不成熟。從廣義上講，微納衛星協同系統自主運行技術的功能主要包括六個方面：1）衛星間的相互協調與合作；2）系統資源分配與管理；3）異常情況監測與處理；4）在軌運行過程中的任務計劃與規劃；5）控制命令的執行；6）任務數據的分析處理。微納衛星星座和編隊的各衛星之間，如何進行任務協作，如何確定自主運行結構，如何有效傳遞通信控制，如何進行軌道規劃和資源分配，如何建立自主協作控制模擬環境，如何提高系統可靠性，都是未來微納衛星星座和編隊自主運行理論和實踐需要解決的問題。

3.4 星間相對測量和控制

星間相對測量技術主要包括星間距離測量、方位測量和相對位置測量等。對於協同衛星系統各衛星間的相對測量技術，國內外開展的研究工作已經相當深入，主要測量方式有三種：1）基於視覺的相對測量技術：以光學敏感器為測量元件，測量衛星間相對距離和角度關係，用於計算相對位置、速度和衛星姿態；2）基於全球定位系統（GPS）的差分相對導航；3）星間測距系統：通過衛星星載測距系統收發無線電信號，獲得各星間偽距或載波相位觀測信息，可以得到高精度相對位置、速度和衛星姿態信息。通過一定的濾波演算法，前兩種相對測量技術相對測量精度可達到cm級，星間測距系統的相對測量精度甚至可達到μm級。星間相對控制的主要任務是實施編隊捕獲、編隊重構和編隊保持，控制涉及到6個自由度：三維軌道位置與三軸姿態，這些自由度經常耦合且難以解耦分開解決，因此對於星座和編隊的星間相對控制是一個多變數的複雜系統控制，要從系統級頂層規劃控制策略，然後才具體設計控制系統技術。目前，國內外學者已經針對不同星間相對控制任務提出了比例微分（PD）控制方法、離散速度脈衝控制方法、魯棒控制方法等，各自具有優缺點，仍需要進一步完善。

3.5 高效率軌道控制和轉移技術

軌道控制能力是未來微納衛星組成星座和編隊的必備能力，用以實現微納衛星的軌道控制和軌道轉移，這是依賴高效率微推進系統實現的。軌道控制和轉移主要存在於三個階段：1）衛星入軌階段：由於星座和編隊微納衛星數量較多且經常處於不同的軌道面，由運載直接送入軌道難度和成本都較高，這就需要微納衛星自身完成從漂移軌道到工作軌道的轉移；2）機動控制階段：系統中的某個或某些衛星根據任務要求要進行軌道機動，或要執行故障星替換；3）構型維護和保持階段：對於星座中的衛星個體實施軌道維持，或對編隊衛星實施相對控制。當前，國內外針對微推進技術已經開展了一定的研究，比較常用的有冷氣推進、液化氣推進、電推進、化學推進、MEMS推進等，但仍處於演示和驗證階段，尤其在微納衛星上的應用尚不成熟。隨著協同微納衛星系統的進一步發展，將會迫切需求高比沖、大推力、高速度增量的新的微推進技術。