瑞典衛(wèi)星交會、編隊飛行技術(shù)的“驗證者”——“研究儀器樣機與空間先進技術(shù)”衛(wèi)星

朱貴偉（北京空間科技信息研究所）

□□近年來，航天器交會和編隊飛行技術(shù)成為各國發(fā)展的重點。其中，瑞典實施了“研究儀器樣機與空間先進技術(shù)”（PRISMA）項目，期望通過試驗衛(wèi)星演示驗證一批先進有效載荷和交會、編隊飛行技術(shù)。

自2004年年底起，瑞典空間公司（SSC）廣邀歐洲的衛(wèi)星研制單位加入“研究儀器樣機與空間先進技術(shù)”項目，并先后得到了德國航空航天中心（DLR）、法國國家空間研究中心（CNES）、丹麥技術(shù)大學(xué)（DTU）等單位的支持?！把芯績x器樣機與空間先進技術(shù)”衛(wèi)星將在2010年6月由俄羅斯“第聶伯”火箭發(fā)射，它驗證的多項技術(shù)將應(yīng)用于許多科學(xué)觀測任務(wù)。

1 任務(wù)系統(tǒng)

“研究儀器樣機與空間先進技術(shù)”項目包括2顆衛(wèi)星，即稱為主星（Mango）的高級、高度機動衛(wèi)星和稱為目標星（Tango）的較小、無機動能力衛(wèi)星。發(fā)射時，2顆衛(wèi)星連在一起，進入高約700 k m的太陽同步圓軌道，升交點地方時為06：00或18：00；入軌后2顆衛(wèi)星暫不分離，期間主星展開太陽電池翼，獲取太陽位置數(shù)據(jù)，與地面通信并進行關(guān)鍵系統(tǒng)檢查；在2顆衛(wèi)星分離后，主星將進行編隊飛行和自主交會等一系列試驗。該任務(wù)將持續(xù)8個月，通過位于瑞典北部的Esrange地面控制站進行控制。

2 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)

“研究儀器樣機與空間先進技術(shù)”主星的主結(jié)構(gòu)為鋁制蜂窩板，內(nèi)部還有一塊垂直面板，用于安裝推進系統(tǒng)。星體外側(cè)裝有2副可展開太陽電池翼，總面積為2 m2；頂部主要安裝了視頻攝像頭，遠距離和近距離圖像傳感器（VBS），以及3副編隊飛行射頻（FFRF）天線；內(nèi)部安裝了肼推進系統(tǒng)、高性能綠色推進（HPGP）系統(tǒng)和微推進系統(tǒng)。

目標星的主結(jié)構(gòu)也為鋁制蜂窩板，星體一側(cè)裝有太陽電池板。它配備了紅外發(fā)光二極管（LED）識別設(shè)備，在圖像傳感器技術(shù)驗證試驗中用于與主星協(xié)同配合。

主星結(jié)構(gòu)圖

“研究儀器樣機與空間先進技術(shù)”衛(wèi)星封裝圖

目標星結(jié)構(gòu)圖

“研究儀器樣機與空間先進技術(shù)”主星和目標星性能

3 試驗內(nèi)容

“研究儀器樣機與空間先進技術(shù)”任務(wù)開展的技術(shù)驗證主要包括：制導(dǎo)導(dǎo)航控制（GNC）機動試驗，基于GPS的導(dǎo)航和天基自主編隊飛行試驗（SAFE），圖像傳感器技術(shù)驗證試驗，編隊飛行射頻技術(shù)驗證試驗。另外，還包括先進平臺技術(shù)驗證，如高性能綠色推進系統(tǒng)和微推進系統(tǒng)技術(shù)驗證試驗。

制導(dǎo)導(dǎo)航控制機動試驗

此試驗主要由瑞典空間公司負責，包括下列操作。

自主編隊飛行 可分為3個部分，分別由瑞典空間公司、德國航空航天中心，以及法國國家空間研究中心和西班牙工業(yè)技術(shù)中心（CDTI）負責。試驗中兩星相距20～5000 m，主要使用GPS傳感器。

歸航與交會 驗證在GP S系統(tǒng)不可用的情況下遠距離跟蹤與交會的能力。試驗中兩星相距10～100 k m，主要使用圖像傳感器。

接近操作 由瑞典空間公司負責，驗證主星繞目標星飛行的能力。該試驗使用GP S或圖像傳感器分2次進行，試驗中兩星相距5～100 m。

最終逼近和后退機動 由瑞典空間公司負責，驗證利用圖像傳感器進行最終逼近和后退機動的能力。試驗中兩星相距0～5 m。

基于GPS的導(dǎo)航和天基自主編隊飛行試驗

此試驗由德國航空航天中心負責。主星和目標星都安裝了GPS接收機，在基于GPS的導(dǎo)航試驗中，目標星GPS接收機中的位置和原始數(shù)據(jù)通過星間鏈路發(fā)送給主星，與主星GPS數(shù)據(jù)一起在主星計算機中處理。處理中使用動態(tài)濾波器和星載軌道模型，相對位置的實時精度可達分米級?；贕P S的天基自主編隊飛行試驗用于驗證衛(wèi)星完全自主、精確的編隊飛行。兩星之間的典型距離為100 m。

圖像傳感器技術(shù)驗證試驗

在“研究儀器樣機與空間先進技術(shù)”主星上，除了2臺普通的恒星相機外，還安裝了專用的圖像傳感器。該圖像傳感器由丹麥技術(shù)大學(xué)開發(fā)，具備非恒星物體跟蹤能力，并可測定物體的方位。其中：遠距離圖像傳感器用于幫助主星在數(shù)百千米以外尋找目標星，并提供精確確定目標星軌道所需的數(shù)據(jù)，協(xié)助執(zhí)行逼近機動。近距離圖像傳感器的圖像信息用于執(zhí)行接近操作，以及線性逼近和后退機動。

主星編隊飛行射頻傳感器（黃色）

恒星相機和圖像傳感器都連接到由丹麥技術(shù)大學(xué)開發(fā)的微型先進恒星羅盤（ASC）系統(tǒng)上。此系統(tǒng)為完全備份，可同時處理上述4個儀器的數(shù)據(jù)，其控制算法由瑞典空間公司開發(fā)。

編隊飛行射頻技術(shù)驗證試驗

編隊飛行射頻傳感器是由阿爾卡特-阿萊尼亞航天公司在法國國家空間研究中心授予的合同下開發(fā)的，該傳感器原計劃用于“達爾文”編隊飛行任務(wù)（已取消）。主星和目標星各自配備了一套編隊飛行射頻傳感器（包括射頻終端和天線），它們之間通過S頻段進行通信，并利用時間和相位測量來確定對方的位置、距離和角度。法國國家空間研究中心希望利用這次試驗測試編隊飛行射頻傳感器設(shè)備在實際空間飛行條件下的性能，特別是多徑、射頻獲取的穩(wěn)定性、精度等方面的性能。此外，該中心和西班牙工業(yè)技術(shù)中心將負責一系列基于編隊飛行射頻傳感器的制導(dǎo)導(dǎo)航控制試驗，旨在驗證粗略編隊飛行和碰撞避免算法。

主星推進系統(tǒng)

高性能綠色推進系統(tǒng)技術(shù)驗證試驗

“研究儀器樣機與空間先進技術(shù)”主星將驗證高性能綠色推進系統(tǒng)的性能。該推進系統(tǒng)是由生態(tài)先進推進系統(tǒng)公司（ECAPS，由瑞典空間公司和沃爾沃航空發(fā)動機公司組建）研制的，獲得了歐洲航天局（ESA）的支持。

微推進系統(tǒng)技術(shù)驗證試驗

主星微推進系統(tǒng)采用微型低溫氣體推力器，該推力器由瑞典納米空間（Nanospace）公司開發(fā)，得到了歐洲航天局的支持，能夠提供10 μN～1 mN之間的連續(xù)推力。推力器采用微機電系統(tǒng)（ME MS）技術(shù)，可提供微小、無擾動推力，推力反饋控制可在最低和最高推力之間實現(xiàn)無離散脈沖位的連續(xù)節(jié)流?！?/p>