天基快速響應(yīng)體系概念研究

趙良玉 賀亮

（1 飛行器動力學(xué)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

（2 北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100081）（3 上海航天控制技術(shù)研究所，上海 200233）

1 引言

當(dāng)今人類生產(chǎn)、生活已與空間系統(tǒng)密切相關(guān)，航天能力和空間技術(shù)已成為時(shí)代標(biāo)志和一個(gè)國家綜合國力的體現(xiàn)［1］。然而，空間環(huán)境的不斷惡化［2］，使現(xiàn)有的空間體系已經(jīng)變得越來越脆弱。與此相對應(yīng)的是，以提供戰(zhàn)略級服務(wù)為目的的傳統(tǒng)空間技術(shù)，其發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間過長，無法提供快速響應(yīng)以應(yīng)對突發(fā)戰(zhàn)爭、在軌故障、自然災(zāi)害等異常狀況。美國的“作戰(zhàn)（快 速）響 應(yīng) 空 間”（Operationally Responsive Space，ORS）計(jì)劃應(yīng)運(yùn)而生［3］，并以其明確的應(yīng)用需求迅速成為各航天強(qiáng)國的研究熱點(diǎn)［4-5］。

與目前被廣泛關(guān)注和研究的快速響應(yīng)空間計(jì)劃更強(qiáng)調(diào)快速地面裝配、快速地面發(fā)射、快速入軌、快速應(yīng)用不同［6-8］，本文提出了一種基于在軌發(fā)射的天基快速響應(yīng)體系（Space-based Operationally Responsive System，SORS），并對其總體方案、作用過程及相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和論證。該天基快速響應(yīng)體系以在軌運(yùn)行的航天器平臺為發(fā)射基地，由空間運(yùn)載器攜帶有效載荷（如微小衛(wèi)星平臺等）實(shí)現(xiàn)機(jī)動和變軌，完成突發(fā)狀況或異常情況下的空間信息支援、空間信息保障等在軌服務(wù)任務(wù)。與現(xiàn)有從地面發(fā)射的快速響應(yīng)空間計(jì)劃相比，在軌發(fā)射的天基快速響應(yīng)體系以“從衛(wèi)星上發(fā)射衛(wèi)星”的理念為指導(dǎo)，符合航天技術(shù)未來的發(fā)展趨勢，可為增強(qiáng)空間系統(tǒng)應(yīng)對自然故障或其他應(yīng)用急需等不確定情況下的快速響應(yīng)和有效部署能力提供參考。

2 天基快速響應(yīng)體系的總體方案

2．1 天基快速響應(yīng)體系的定義

借鑒更強(qiáng)調(diào)地面裝配和地面發(fā)射的常規(guī)快速響應(yīng)空間計(jì)劃的定義［9］，將在軌發(fā)射的天基快速響應(yīng)體系定義如下：以應(yīng)對突發(fā)事件、自然災(zāi)害、異常狀況等不確定情況下的需求為出發(fā)點(diǎn)，以在軌運(yùn)行的航天器為倉儲和發(fā)射平臺，快速在軌發(fā)射有效載荷并使其迅速機(jī)動或變軌，以達(dá)到可靠補(bǔ)充或部署有效空間力量的目的，進(jìn)而實(shí)施在軌故障維修、空間信息支援等任務(wù)，力求保證任何情況下的空間任務(wù)均具有最大的自由度。

要發(fā)展在軌發(fā)射的天基快速響應(yīng)體系，可遵循三步走的策略。首先，充分利用或挖掘已部署的空間能力，即利用現(xiàn)有在軌運(yùn)行的空間系統(tǒng)、衛(wèi)星平臺或其他有效載荷，針對快速響應(yīng)的具體任務(wù)進(jìn)行改進(jìn)或修正，使其具備在軌發(fā)射、在軌服務(wù)的快速響應(yīng)能力；其次，以現(xiàn)有的空間技術(shù)水平為基礎(chǔ)，針對天基快速響應(yīng)體系的特定任務(wù)需求，建設(shè)或部署新的空間有效載荷；最后，以天基快速響應(yīng)體系的普適任務(wù)需求為指導(dǎo)，在其技術(shù)框架下設(shè)計(jì)和開發(fā)新的空間應(yīng)用系統(tǒng)。從發(fā)展趨勢來看，天基快速響應(yīng)體系的建設(shè)必然會涉及很多新的概念和內(nèi)容，這對現(xiàn)有的空間技術(shù)和能力是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，發(fā)展新的空間應(yīng)用系統(tǒng)可能是一個(gè)必然選擇，也會是建設(shè)天基快速響應(yīng)體系的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容。

2．2 天基快速響應(yīng)體系的組成要素

天基快速響應(yīng)體系的基本組成要素包括航天器平臺、空間運(yùn)載器、有效載荷和地面基礎(chǔ)設(shè)施，如圖1所示。其中：航天器平臺是承載空間運(yùn)載器和有效載荷的天基母平臺；有效載荷主要是指用于執(zhí)行快速響應(yīng)任務(wù)的子平臺（如微小衛(wèi)星）；空間運(yùn)載器由各類在軌發(fā)射和在軌投送系統(tǒng)組成，主要是確保其自身和有效載荷準(zhǔn)確、可靠地進(jìn)入目標(biāo)軌道，可以說是天基快速響應(yīng)體系中的空間運(yùn)輸工具；地面基礎(chǔ)設(shè)施包括測控系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)與應(yīng)用系統(tǒng)，與常規(guī)快速響應(yīng)空間計(jì)劃中的地面設(shè)施并無太大差別。

圖1 天基快速響應(yīng)體系的組成要素Fig．1 Components of SORS

航天器平臺、空間運(yùn)載器、有效載荷和地面基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成“四位一體”的天基快速響應(yīng)體系，只有四者有機(jī)整合、協(xié)同工作，才能最大程度地發(fā)揮體系效能。因此，在天基快速響應(yīng)體系的建設(shè)中，應(yīng)同時(shí)展開、同等重視這四個(gè)組成要素的研究工作。

2．3 天基快速響應(yīng)體系的作用過程

結(jié)合天基快速響應(yīng)體系的結(jié)構(gòu)組成，可將其作用過程簡單描述如下。

（1）當(dāng)出現(xiàn)現(xiàn)有的空間系統(tǒng)無法有效支持的突發(fā)事件或異常狀況時(shí)，使用方會向地面指揮和控制中心提出使用天基快速響應(yīng)體系的請求；

（2）指揮和控制中心在收到使用方的應(yīng)用請求后，對任務(wù)類型和任務(wù)級別進(jìn)行詳細(xì)分析，并在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成快速響應(yīng)決策，即以滿足使用方的應(yīng)用需求為條件，搜索可實(shí)施該需求任務(wù)的航天器平臺，并最終選定一個(gè)或多個(gè)航天器平臺，下達(dá)執(zhí)行任務(wù)的命令；

（3）航天器平臺接收到發(fā)射命令后，迅速啟動空間運(yùn)載器和有效載荷，根據(jù)發(fā)射命令所包含的任務(wù)參數(shù)計(jì)算并確定機(jī)動變軌方式，完成在軌發(fā)射任務(wù)；

（4）空間運(yùn)載器攜帶有效載荷進(jìn)入預(yù)定軌道后，快速完成在軌測試工作，并在必要的時(shí)候進(jìn)行星座組網(wǎng)；

（5）有效載荷開始工作，空間運(yùn)載器可以重新回到原航天器平臺，也可以就地銷毀，前者是針對可重復(fù)使用的空間運(yùn)載器，后者是一次性使用的低成本空間運(yùn)載器；

（6）有效載荷將獲取的信息或執(zhí)行任務(wù)的效果傳送回地面指揮系統(tǒng)，地面指揮系統(tǒng)對收到的信息進(jìn)行分析和處理后反饋給使用方，天基快速響應(yīng)體系任務(wù)流程結(jié)束。

天基快速響應(yīng)體系的作用過程（從低軌道向高軌道投送有效載荷）如圖2所示。

圖2 天基快速響應(yīng)體系作用過程示意圖Fig．2 Working process of SORS

通過天基快速響應(yīng)體系的作用過程可知：有效載荷由航天器平臺在軌發(fā)射的空間運(yùn)載器進(jìn)行投送，不經(jīng)過地面發(fā)射入軌的階段，這就有效地避開了常規(guī)快速響應(yīng)計(jì)劃在進(jìn)入空間受限時(shí)的威脅，因而隱蔽性和部署成功率都更高；天基快速響應(yīng)體系采用在軌發(fā)射和投送方式，可輕易實(shí)現(xiàn)多任務(wù)同時(shí)開展，有助于拓展快速響應(yīng)體系的覆蓋范圍；航天器平臺、空間運(yùn)載器和有效載荷均事先在軌道上運(yùn)行，隨時(shí)處于待命狀態(tài)，只需進(jìn)行喚醒、任務(wù)參數(shù)裝訂等操作，即可進(jìn)行發(fā)射，并能在數(shù)小時(shí)內(nèi)（甚至更短）完成機(jī)動和變軌，保證了響應(yīng)的快速性。

3 支撐天基快速響應(yīng)體系的主要關(guān)鍵技術(shù)

3．1 有效載荷的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化

與快速響應(yīng)空間計(jì)劃類似［10-11］，天基快速響應(yīng)體系倡導(dǎo)有效載荷的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，并充分利用空間科學(xué)技術(shù)的最新研究成果使其微小型化、輕量化。依據(jù)天基快速響應(yīng)體系的特點(diǎn)，可將其模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)思路描述為：

（1）將滿足任務(wù)功能的有效載荷系統(tǒng)從頂層到底層進(jìn)行模塊分解，使得各個(gè)模塊成為相互獨(dú)立的個(gè)體，分解過程須遵循航天器模塊化的特點(diǎn)［10］；

（2）相同功能的模塊采用相同的標(biāo)準(zhǔn)化接口，如同樣具有對地觀測功能的模塊和同樣提供信息收發(fā)功能的模塊等，且盡量保持模塊尺寸大小的統(tǒng)一；

（3）不同功能的模塊采用不同的標(biāo)準(zhǔn)化接口，如對地觀測模塊和信息收發(fā)模塊應(yīng)具有不同的即插即用接口，盡量保證一種功能對應(yīng)一種接口，提高接插、移除和替換的效率；

（4）從硬件和軟件兩方面入手，保證模塊的即插即用功能，且模塊的移除僅影響該模塊以及與該模塊關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)功能。

模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)理念，是提高有效載荷可重復(fù)利用性、靈活性和可重構(gòu)性的基礎(chǔ)，應(yīng)在天基快速響應(yīng)體系的建設(shè)中給予足夠的重視。

3．2 天基快速響應(yīng)體系的最佳部署策略

天基快速響應(yīng)體系的最佳部署策略是該體系得以實(shí)用的前提條件，也是天基快速響應(yīng)體系的核心關(guān)鍵技術(shù)。由于快速響應(yīng)體系一般部署在低軌道（軌道高度小于500km），在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，可能涉及高軌道到低軌道、低軌道到高軌道的轉(zhuǎn)移，也可能涉及同面軌道和不同面軌道的轉(zhuǎn)移。因此，為了保證其具有足夠的響應(yīng)快速性，要針對不同的任務(wù)需求，在不同軌道高度、不同軌道平面部署數(shù)量不等的航天器平臺，如圖3 所示。在接收到任務(wù)請求后，地面指揮控制系統(tǒng)根據(jù)一定的規(guī)則，搜索可供執(zhí)行該任務(wù)的若干航天器平臺，并對指定的航天器平臺和有效載荷下達(dá)執(zhí)行任務(wù)的命令。

圖3 天基快速響應(yīng)體系部署示意圖Fig．3 Deployment of SORS

從本質(zhì)上來說，天基快速響應(yīng)體系的最佳部署策略可以看作是一個(gè)含離散變量的多目標(biāo)最優(yōu)化問題。以執(zhí)行空間信息支援任務(wù)的快速響應(yīng)體系為例。如式（1）所示，可將設(shè)計(jì)目標(biāo)定為部署天基快速響應(yīng)體系的成本fcost最低和響應(yīng)時(shí)間frst最短，設(shè)計(jì)約束為對指定方位實(shí)現(xiàn)24h不間斷覆蓋C24（在要求有一定時(shí)間間隔的情況下，可同類推之），設(shè)計(jì)變量x包括部署天基快速響應(yīng)體系的個(gè)數(shù)、每個(gè)天基快速響應(yīng)體系的軌道高度、部署每個(gè)天基快速響應(yīng)體系的成本、每個(gè)天基快速響應(yīng)體系的覆蓋范圍和覆蓋時(shí)間等，任何一個(gè)設(shè)計(jì)變量xi都只能在其指定的定義域RiD中取值。在這些變量中，天基快速響應(yīng)體系的個(gè)數(shù)為離散變量，且其余變量都或緊或疏的依賴于該變量，如何選擇合適的優(yōu)化算法是解決該問題的關(guān)鍵之一。

3．3 在軌發(fā)射與空間投送技術(shù)

在軌發(fā)射與空間投送技術(shù)同樣是天基快速響應(yīng)體系的關(guān)鍵技術(shù)之一，在軌發(fā)射是空間運(yùn)載器及有效載荷與航天器平臺可靠分離的保證，而空間投送技術(shù)則是確保有效載荷快速、準(zhǔn)確到達(dá)任務(wù)區(qū)域的關(guān)鍵。從目前國內(nèi)外研究比較多的自推力發(fā)射、彈射發(fā)射、自旋分離、機(jī)械臂釋放等在軌發(fā)射方式來看［12-13］，為了追求響應(yīng)的快速性和系統(tǒng)整體的輕量化，天基快速響應(yīng)體系宜采用自推力發(fā)射模式。為了避免自推力發(fā)射產(chǎn)生的燃?xì)鈱教炱髌脚_的污染，可以考慮采用彈簧彈射、壓縮氣體彈射等冷發(fā)射模式進(jìn)行輔助。當(dāng)空間運(yùn)載器完全脫離航天器平臺且達(dá)到一定的安全距離后，再啟動自推力發(fā)射模式，完成機(jī)動和變軌。由于航天器平臺自身的穩(wěn)定性比較高，且具有很強(qiáng)的姿態(tài)調(diào)整能力，因此可以不考慮彈簧彈射或壓縮氣體彈射對航天器平臺的速度和姿態(tài)干擾。

考慮到天基快速響應(yīng)體系的任務(wù)特點(diǎn)，其有效載荷應(yīng)以微小衛(wèi)星平臺為主，這就決定了有效載荷很難具備大范圍變軌或機(jī)動的能力，因此，天基快速響應(yīng)體系的空間投送部分宜由空間運(yùn)載器來完成。目前，國內(nèi)外都對以在軌服務(wù)為目的的空間運(yùn)載器研究比較多，典型的如美國計(jì)劃在2015年部署的可重復(fù)使用的軌道轉(zhuǎn) 移 飛 行 器（Orbit Transfer Vehicle，OTV）［14］。從空間投送成本及任務(wù)特性考慮，可根據(jù)任務(wù)的不同選擇一次性使用空間運(yùn)載器、可部分重復(fù)使用空間運(yùn)載器或完全重復(fù)使用空間運(yùn)載器。

由此，可將天基快速響應(yīng)體系的在軌發(fā)射與空間投送過程描述為：在航天器平臺接到任務(wù)命令后，迅速調(diào)整其速度和姿態(tài)至發(fā)射狀態(tài)，首先采用彈簧彈射（或壓縮氣體彈射）使空間運(yùn)載器和有效載荷脫離航天器平臺；在達(dá)到一定的安全距離后，空間運(yùn)載器啟動自身發(fā)動機(jī)沿軌道運(yùn)行的反方向助推（高軌道到低軌道轉(zhuǎn)移情況）；當(dāng)空間運(yùn)載器和有效載荷獲得足夠的軌道轉(zhuǎn)移動量后，助推發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)，空間運(yùn)載器利用自身的姿態(tài)控制和軌道控制發(fā)動機(jī)攜帶有效載荷抵達(dá)任務(wù)區(qū)域，并輔助有效載荷完成調(diào)姿、入軌等機(jī)動。

3．4 天基快速響應(yīng)體系的效能評估方法

為了評估天基快速響應(yīng)體系的性能優(yōu)劣，要建立針對天基快速響應(yīng)體系的響應(yīng)效果評估機(jī)制；只有以適合的評估機(jī)制為基礎(chǔ)，才能有針對性地進(jìn)行天基快速響應(yīng)體系的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和部署軌道設(shè)計(jì)，同時(shí)為天基快速響應(yīng)體系的發(fā)展提供決策和建議。

無論是基于地面發(fā)射的快速響應(yīng)系統(tǒng)，還是基于在軌發(fā)射的天基快速響應(yīng)體系，其終極目標(biāo)都是高效、可靠地完成規(guī)定的任務(wù)［10］。因此，可將天基快速響應(yīng)體系的效能定義為：天基快速響應(yīng)體系在一定條件下完成規(guī)定任務(wù)的各系統(tǒng)綜合能力的高低。

對于在軌發(fā)射的天基快速響應(yīng)體系來說，影響其完成指定任務(wù)的因素主要包括天基快速響應(yīng)體系的總響應(yīng)時(shí)間、有效載荷的部署成功率和有效載荷實(shí)施指定任務(wù)后的實(shí)際效果（稱為任務(wù)完成度）。綜合考慮上述指標(biāo)，可以將天基快速響應(yīng)體系的效能指標(biāo)Ers表示成響應(yīng)時(shí)間、部署成功率和任務(wù)完成度的函數(shù)，如式（2）所示。

式中：trs為實(shí)際的響應(yīng)時(shí)間；為理想情況下的響應(yīng)時(shí)間；為理想情況下的部署成功率；pd為實(shí)際情況下的部署成功率，當(dāng)快速響應(yīng)系統(tǒng)各組成部分都正常工作時(shí)，pd＝＝100%；為理想情況下的任務(wù)完成度；pc為實(shí)際情況下的任務(wù)完成度，在任務(wù)被完美執(zhí)行時(shí)，如實(shí)施空間信息支援任務(wù)的有效載荷完整收發(fā)和傳輸了用戶方信息，pc＝＝100%；a，b，c為比例系數(shù)，可根據(jù)不同的任務(wù)性質(zhì)靈活選取，相當(dāng)于用戶方對各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重要求，且a＋b＋c＝1。

由上文的分析可知，Ers是一個(gè)小于等于1．0的值，且理想情況下的響應(yīng)時(shí)間可表示為

式中：為指揮員分析任務(wù)并下達(dá)執(zhí)行命令的反應(yīng)時(shí)間；指航天器平臺的發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間；為軌道轉(zhuǎn)移的時(shí)間；為從天基快速響應(yīng)體系的有效載荷入軌到開始執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間；為天基快速響應(yīng)體系開始執(zhí)行任務(wù)到信息數(shù)據(jù)被地面指揮系統(tǒng)接收到的延遲時(shí)間，對特定的任務(wù)（如空間攻防）來說，t05為零；～均為理想情況下的時(shí)間度量。

為了簡捷、直觀地驗(yàn)證天基快速響應(yīng)體系的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)為地面指揮控制系統(tǒng)提供友好的操作界面，有必要開發(fā)一套基于任務(wù)定制的虛擬視景仿真系統(tǒng)。雖然衛(wèi)星工具包（STK）在衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)和仿真方面得到了廣泛的應(yīng)用，但對天基快速響應(yīng)體系的虛擬視景仿真來說，缺乏必要的靈活性和自由度。綜合比較現(xiàn)有的用于虛擬視景仿真的軟件包，Vega Prime是一個(gè)更好的選擇，可以利用其與微軟開發(fā)庫（MFC）良好的用戶接口，定制虛擬視景仿真系統(tǒng)的交互界面，真正實(shí)現(xiàn)任務(wù)驅(qū)動的天基快速響應(yīng)體系虛擬演示驗(yàn)證系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

天基快速響應(yīng)體系是一項(xiàng)著眼于未來空間在軌服務(wù)、應(yīng)對突發(fā)事件和異常狀況需求的空間技術(shù)，作為傳統(tǒng)戰(zhàn)略級空間力量和常規(guī)快速響應(yīng)空間計(jì)劃的補(bǔ)充，具有明確的應(yīng)用需求和廣闊的應(yīng)用前景。它由航天器平臺、有效載荷、空間運(yùn)載器和地面基礎(chǔ)設(shè)施組成，有效載荷經(jīng)由航天器平臺在軌發(fā)射，并由空間運(yùn)載器攜帶完成在軌投送任務(wù)。天基快速響應(yīng)體系的作用過程保證了其發(fā)射的隱蔽性、入軌的安全性、響應(yīng)的快速性和任務(wù)覆蓋范圍的多樣性。本文在介紹天基快速響應(yīng)體系組成要素和作用過程的基礎(chǔ)上，明確了有效載荷的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、在軌發(fā)射和空間投送方式、最佳部署策略和效能評估方法等在內(nèi)的若干支撐天基快速響應(yīng)體系的關(guān)鍵技術(shù)。若對這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究并付諸工程實(shí)施，對建設(shè)基于在軌發(fā)射的天基快速響應(yīng)體系將具有重要的參考價(jià)值。

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