協(xié)同小衛(wèi)星系統(tǒng)和服務(wù)

林來興

（北京控制工程研究所，北京 100190）

1 引言

現(xiàn)代小衛(wèi)星問世已經(jīng)近30年，在應(yīng)用方面，多顆小衛(wèi)星組成系統(tǒng)協(xié)同工作是其最大的特點(diǎn)，同時(shí)也是最有發(fā)展前途的，既能發(fā)揮小衛(wèi)星最大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又能克服當(dāng)前小衛(wèi)星存在的一些缺點(diǎn)。為此本文提出協(xié)同小衛(wèi)星系統(tǒng)和服務(wù)的概念，簡稱5S（Synergic Small Satellites Systems and Services）。

本文首先論述“協(xié)同小衛(wèi)星系統(tǒng)和服務(wù)”的概念和內(nèi)涵；其次討論5S主要內(nèi)容，特別是針對(duì)小衛(wèi)星星座和編隊(duì)飛行的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及其性能；最后研究它們?cè)诟鞣矫娴姆?wù)（應(yīng)用）。

2 S系列概念的由來與發(fā)展

S系列概念最早起源于20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的小衛(wèi)星（Small Satellite，2S），當(dāng)時(shí)由于世界冷戰(zhàn)和軍事需求，火箭運(yùn)載能力迅速提高，衛(wèi)星應(yīng)用也隨著擴(kuò)大。在原有技術(shù)基礎(chǔ)上，衛(wèi)星功能越來越復(fù)雜，總質(zhì)量越來越大（達(dá)到十幾噸），成本越來越高（十幾億美元），研制周期越來越長（十幾年）。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)、電子、信息技術(shù)得到迅速發(fā)展，技術(shù)水平不斷提高，而其產(chǎn)品尺寸越來越小，質(zhì)量越來越輕，成本越來越低，大大促進(jìn)空間技術(shù)的改革，從而帶動(dòng)小衛(wèi)星（2S）技術(shù)的興起。

20世紀(jì)80年中期國際上興起小衛(wèi)星熱。各國開始大力研制小衛(wèi)星系統(tǒng)，小衛(wèi)星各系統(tǒng)包括小衛(wèi)星有效載荷、平臺(tái)及小衛(wèi)星發(fā)射運(yùn)載工具，于是就出現(xiàn)小衛(wèi)星系統(tǒng)（Small Satellites Systems，3S）的概念。3S最典型事件就是1987年在美國猶他州大學(xué)召開的世界第一次小衛(wèi)星會(huì)議，后來該會(huì)議每年召開一次至今已連續(xù)不斷召開了27屆，且參加人數(shù)和提交論文數(shù)量逐年增加，可見這股小衛(wèi)星熱經(jīng)久不衰。經(jīng)過這幾年對(duì)小衛(wèi)星系統(tǒng)不斷研制，成功發(fā)射，并開始在許多領(lǐng)域得到良好應(yīng)用，小衛(wèi)星優(yōu)勢(shì)逐步顯露出來，其優(yōu)勢(shì)是質(zhì)量輕、成本低、研制周期短和技術(shù)性能能滿足應(yīng)用要求。

20世紀(jì)90年代中期又出現(xiàn)由小衛(wèi)星系統(tǒng)（3S）的概念升級(jí)為小衛(wèi)星系統(tǒng)與服務(wù)（Small Satellites Systems and Services，4S）的概念，它不僅強(qiáng)調(diào)重視小衛(wèi)星系統(tǒng)研制，而且大力開發(fā)小衛(wèi)星在各個(gè)領(lǐng)域的服務(wù)（應(yīng)用），特別是在對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域。4S最典型事件就是從1994年起，歐洲航天局（ESA）在歐洲舉辦4SSymposium 會(huì)議，每兩年一次，至今已經(jīng)召開了10次研討會(huì)。小衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)，特別是光學(xué)成像系統(tǒng)取得突破性的成就，20年來光學(xué)成像分辨率提升了3個(gè)數(shù)量級(jí)，空間分辨率可達(dá)0．5～0．7 m，小衛(wèi)星質(zhì)量為200～250kg，即使是微波雷達(dá)小衛(wèi)星其空間分辨率也達(dá)到1m 左右，質(zhì)量小于300kg。

雖然小衛(wèi)星系統(tǒng)具有上述一系列優(yōu)勢(shì)，而且也取得很好的應(yīng)用成果，但是仍然存在一些固有缺點(diǎn)。為此本文提出5S概念，采用多顆協(xié)同小衛(wèi)星組成系統(tǒng)與應(yīng)用，5S既能充分發(fā)揮小衛(wèi)星優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又能克服小衛(wèi)星存在的缺陷。

3 協(xié)同小衛(wèi)星系統(tǒng)和服務(wù)（5S）概念和內(nèi)涵

協(xié)同小衛(wèi)星系統(tǒng)的定義是：由多顆（2顆或2顆以上）小衛(wèi)星按一定要求分布在1種或多種軌道上，共同協(xié)作完成某項(xiàng)空間飛行任務(wù)（例如：觀測(cè)、通信、偵察、導(dǎo)航等），從而使空間飛行獲得更大的應(yīng)用價(jià)值。這一概念類似分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)和應(yīng)用，但是兩者也有區(qū)別：分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)僅指小衛(wèi)星的空間幾何分布，而協(xié)同小衛(wèi)星系統(tǒng)是從結(jié)構(gòu)功能來定義的。前者僅能說明多顆小衛(wèi)星處在分開狀態(tài)工作；后者不僅包括了分布式概念，而且各顆小衛(wèi)星相互協(xié)同配合一起工作，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)是協(xié)同合作。協(xié)同小衛(wèi)星系統(tǒng)有兩種型式：同構(gòu)和異構(gòu)。同構(gòu)是指在協(xié)同多顆小衛(wèi)星系統(tǒng)中，每顆小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與質(zhì)量基本相同，例如“銥星”和“全球星”通信衛(wèi)星星座；異構(gòu)是指組成系統(tǒng)的每顆小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與質(zhì)量均不相同，例如對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)上午星座、下午星座和美國研制的F6編隊(duì)飛行（現(xiàn)該項(xiàng)目已取消）。協(xié)同多顆小衛(wèi)星系統(tǒng)的主要內(nèi)涵如圖1所示。有關(guān)編隊(duì)飛行（Formation Flying）、星座（Constellation）和星群（Cluster），它們的定義與內(nèi)涵參閱文獻(xiàn)［1］。

圖1 協(xié)同小衛(wèi)星系統(tǒng)Fig．1 Synergic small satellites systems

小衛(wèi)星分類有三種：①小衛(wèi)星質(zhì)量在200～500kg（狹義），或者200～1000kg（廣義）；②微小衛(wèi)星質(zhì)量在幾十千克量級(jí)；③納型衛(wèi)星（由多個(gè)立方體星組成）重量幾千克。

根據(jù)協(xié)同小衛(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)（應(yīng)用）種類（星群、星座和編隊(duì)飛行）與小衛(wèi)星分類（小衛(wèi)星、微小衛(wèi)星和納型衛(wèi)星），當(dāng)前協(xié)同小衛(wèi)星系統(tǒng)適用范疇與概況如表1所示。

表1 協(xié)同小衛(wèi)星系統(tǒng)和服務(wù)（應(yīng)用）概況Table 1 Overview of synergic small satellites systems and services（application）

當(dāng)前與過去，星群大部分用于空間環(huán)境參數(shù)的觀測(cè)任務(wù)，因?yàn)樾l(wèi)星工作有一定壽命，在這段時(shí)間內(nèi)衛(wèi)星因軌道攝動(dòng)引起衛(wèi)星的位置變化不影響任務(wù)完成，例如ESA 的四顆星組成的星群（Cluster-1，2，3，4）用來觀測(cè)地磁場(chǎng)分布與變化。由于星群比較筒單，目前相對(duì)來說應(yīng)用范圍也較少，為此下面僅討論小衛(wèi)星星座和編隊(duì)飛行的特性以及它們?cè)诟黝I(lǐng)域中新的應(yīng)用。從表1可看出目前小衛(wèi)星在星座應(yīng)用方面技術(shù)是最成熟的，小衛(wèi)星編隊(duì)飛行目前還處在研究試驗(yàn)階段，為此下面將重點(diǎn)討論小衛(wèi)星星座技術(shù)。

4 小衛(wèi)星星座

4．1 概述

星座概念出現(xiàn)在空間應(yīng)用比較早，早在20世紀(jì)70年代美國發(fā)射了3顆“子午儀”導(dǎo)航衛(wèi)星星座，后來美國又建立了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GPS）。僅20世紀(jì)80、90年代全球建立的通信衛(wèi)星星座就有十幾個(gè)，目前現(xiàn)代導(dǎo)航衛(wèi)星星座建成和正在建設(shè)的就有4個(gè)。但是這些星座的衛(wèi)星質(zhì)量都較大，建成周期很長、投資費(fèi)用很高。小衛(wèi)星星座應(yīng)用廣泛，投資小，建成周期短。為此更加被世人所關(guān)注。有關(guān)星座分類、星座設(shè)計(jì)詳見文獻(xiàn)［1］，現(xiàn)將星座設(shè)計(jì)性能、星座位置控制等分述如下。

4．2 星座性能分析

由于星座應(yīng)用范圍很廣，它們的技術(shù)性能按不同用途簡述如下［2］：

1）衛(wèi)星通信星座

對(duì)于衛(wèi)星通信星座，有以下幾方面的性能：

（1）衛(wèi)星對(duì)地覆蓋范圍與時(shí)間；

（2）地球覆蓋統(tǒng)計(jì)（對(duì)一個(gè)特定的地點(diǎn)或區(qū)域最?。骄畲蟾采w可見度，以及對(duì)任何網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或全球覆蓋旳間隙）；

（3）數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)（DRS）的地面站和／或用戶的可見性等；

（4）多普勒效應(yīng)；

（5）仰角（網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或信息系統(tǒng)輪廓）；

（6）衛(wèi)星和用戶天線分析（視場(chǎng)，指向角和覆蓋角度，增益模式）和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（仰角和方位角隨時(shí)間變化的函數(shù)）；

（7）星間鏈路（ISL）設(shè)置，能見度演變和鏈路預(yù)算；

（8）鏈路的可用性和可靠性；

（9）鏈路預(yù)算分析和信號(hào)質(zhì)量；

（10）系統(tǒng)之間和系統(tǒng)內(nèi)部之間的干擾問題。

對(duì)一個(gè)具體衛(wèi)星通信星座來說，以上指標(biāo)無須均等對(duì)持，可以根據(jù)總體要求有所取舍。

2）對(duì)地觀測(cè)星座

最常見對(duì)地觀測(cè)星座的質(zhì)量因素：

（1）在任何區(qū)域或全球范圍內(nèi)的最大／最?。骄采w率（覆蓋百分比）和重訪時(shí)間；

（2）遙感器占空比（每軌道數(shù)據(jù)采集時(shí)間）；

（3）對(duì)各種遙感器和天線在區(qū)域、數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)（DRS）和地面站的可見度

（4）數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性／延遲（時(shí)間間隔是指從遙感器數(shù)據(jù)采集到用戶接口）；

（5）在任何地點(diǎn)或全球范圍內(nèi)最大／最?。骄捻憫?yīng)時(shí)間；

（6）照明條件（星食分析）和太陽幾何學(xué)（如某地太陽高度角）。

3）地面表面覆蓋分析

地面表面覆蓋性能是對(duì)地觀測(cè)星座的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，它與4個(gè)參數(shù)有關(guān)：覆蓋面積、衛(wèi)星軌道高度、衛(wèi)星數(shù)量和重訪時(shí)間。這個(gè)最佳技術(shù)指標(biāo)沒有唯一解，因?yàn)橄嚓P(guān)參數(shù)太多，只能有特解。圖2表示全球覆蓋在軌道高度固定條件下，重訪時(shí)間與衛(wèi)星數(shù)量的關(guān)系。在固定覆蓋區(qū)域前提下，要求一定重訪時(shí)間，衛(wèi)星軌道高度越高，衛(wèi)星數(shù)量越少，但是空間分辨率越低。圖2采用Walker星座設(shè)計(jì)方法，同時(shí)沿滾動(dòng)軸遙感器左右側(cè)擺45°，以擴(kuò)大覆蓋寬度［3］。

圖2 全球覆蓋在不同軌道高度時(shí)固定重訪時(shí)間與衛(wèi)星數(shù)量關(guān)系Fig．2 Correlation between the revisiting time and satellite number

4）遙感器覆蓋性能

星座性能與遙感器覆蓋性能有著非常密切的關(guān)系，一個(gè)良好的星座性能必須配置一個(gè)適合覆蓋性能的遙感器。舉例說明，某火災(zāi)監(jiān)視星座的監(jiān)視區(qū)域?yàn)楸本?5°～45°，西經(jīng)10°～東經(jīng)30°，覆蓋面積約為200萬平方千米，最大重訪時(shí)間不超過25 min。該火災(zāi)監(jiān)視星座需要由12顆小衛(wèi)星平分在3個(gè)軌道平面組成，軌道高度為700km 的圓軌道，軌道傾角為47．5°［4］。圖3表示火災(zāi)監(jiān)視器視場(chǎng)和覆蓋寬度。監(jiān)視器可以左右擺動(dòng)（如圖3所示），最大覆蓋寬度為2500km。

圖3 火災(zāi)監(jiān)視器視場(chǎng)和覆蓋寬度Fig．3 Field of view of fire monitors and coverage width

在上述條件下重訪時(shí)間與緯度關(guān)系如圖4 所示。從圖4得知：最大和平均重訪時(shí)間在北緯35°～43°滿足25min要求，而平均重訪時(shí)間可擴(kuò)展至北緯30°～50°。

圖4 重訪時(shí)間與緯度關(guān)系Fig．4 Relations between revisiting time and longitude

4．3 星座位置保持

4．3．1 星座位置保持概述

（1）目的：為了保持星座隊(duì)形結(jié)構(gòu)，以確保在其整個(gè)設(shè)計(jì)壽命標(biāo)稱的服務(wù)水平。

（2）范圍和方法：處理長期軌道偏差和相應(yīng)處理算法；選擇最佳機(jī)動(dòng)時(shí)間，約束條件為最大限度地減少軌道操作總數(shù)，最大限度地減少燃料消耗（減少所需速度增量ΔV），確保燃料預(yù)算在工作壽命期間滿足需要。

（3）支持分析能力：利用星座軌道動(dòng)力學(xué)模型和軟件，進(jìn)行長期星座軌道演化仿真實(shí)驗(yàn)，例如，找出軌道操作最佳次數(shù)；選擇軌道確定方法，例如多普勒，星載多普勒無線電定軌定位（DORIS），GPS，車載雷達(dá)等。

4．3．2 軌道攝動(dòng)分析

1）存在攝動(dòng)差則需要星座位置保持

低軌道星座：大氣阻力攝動(dòng)，地球偏平J2項(xiàng)攝動(dòng)，日月攝動(dòng)；中高軌道星座：地球偏平J2攝動(dòng)，太陽輻射壓力，日月攝動(dòng)（特別是衛(wèi)星軌道高度大于10 000km 時(shí)）；大橢圓軌道星座：地球偏平J2攝動(dòng)，日月攝動(dòng)和太陽輻射壓力，近地點(diǎn)周圍大氣阻力。

2）星座長期演變分析

最低軌道高度影響星座的壽命；軌道形狀偏差影響半長軸和偏心率；軌道空間構(gòu)型偏差影響軌道平面的節(jié)點(diǎn)分離、軌道傾角和近地點(diǎn)幅角。

4．3．3 星座位置保持要求和控制策略

1）位置保持要求

（1）低軌道星座：半長軸的維護(hù)，以抵消氣動(dòng)阻力的影響；地面跟蹤控制偏離度（半長軸和／或傾角校正）。

（2）中高軌道星座：半長軸／偏心率維護(hù)；若日月攝動(dòng)影響軌道平面間距變化，進(jìn)行必要控制。

（3）大橢圓軌道星座：控制半長軸，以保持地面軌跡；偏心率控制，以彌補(bǔ)近地點(diǎn)高度受大氣攝動(dòng)的影響；傾角控制（針對(duì)節(jié)點(diǎn)和近地點(diǎn)幅角的變化）。

2）星座位置保持策略

（1）絕對(duì)軌道控制：保持每顆衛(wèi)星在一個(gè)所要求的控制箱內(nèi)，這適用于星座每顆衛(wèi)星是獨(dú)立的。

（2）相對(duì)軌道控制：保證星座整體幾何形狀，而不是試圖維持每顆衛(wèi)星原先軌道位置。這適用于保持一顆衛(wèi)星軌跡對(duì)另一顆衛(wèi)星軌跡，從而確保星座服務(wù)性能。

（3）星座位置保持策略結(jié)果：①通過仿真和進(jìn)行優(yōu)化軌道機(jī)動(dòng)，保持在相應(yīng)的可接受的頻帶的變量；正確處理絕對(duì)和相對(duì)控制之間的矛盾；考慮機(jī)動(dòng)實(shí)施方面的限制：目標(biāo)是為使ΔV數(shù)值最小，避免發(fā)生黑窗口（航天器須重新定向）。②預(yù)算任務(wù)期間所需要軌道維持的燃料量（考慮衛(wèi)星質(zhì)量變化的影響）。

5 小衛(wèi)星編隊(duì)飛行

衛(wèi)星編隊(duì)飛行概念在理論研究方面出現(xiàn)時(shí)間比較早，但是真正具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的是在20世紀(jì)90年代后期。在這之前蘇聯(lián)于20世紀(jì)60年代曾經(jīng)利用聯(lián)盟號(hào)飛船（無人）進(jìn)行過多星編隊(duì)飛行，但是它們僅是表演飛行試驗(yàn)，不是現(xiàn)在所討論的衛(wèi)星編隊(duì)飛行。真正衛(wèi)星編隊(duì)飛行的目的是：提供極大測(cè)量基線，從而實(shí)現(xiàn)諸如星載干涉儀、全球遙感、同步目標(biāo)跟蹤觀測(cè)等；多顆衛(wèi)星同時(shí)觀測(cè)一個(gè)目標(biāo)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)干涉與合成，從而獲得極高觀測(cè)精度，以解決單顆衛(wèi)星無法獲得高程、地面低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)狀態(tài)觀測(cè)等問題。有關(guān)衛(wèi)星編隊(duì)飛行概念、編隊(duì)飛行分類、關(guān)鍵技術(shù)以及編隊(duì)飛行優(yōu)勢(shì)詳細(xì)在文獻(xiàn)［1，5］中論述。

編隊(duì)飛行出現(xiàn)至今已有十幾年歷史，大部分在地球軌道和兩個(gè)平衡點(diǎn)區(qū)域（地-日與地-月），因?yàn)槠胶恻c(diǎn)區(qū)域重力幾乎為零，編隊(duì)飛行隊(duì)形實(shí)現(xiàn)和保持需要燃料很少，平衡點(diǎn)區(qū)域編隊(duì)飛行用于宇宙探測(cè)，這當(dāng)然也是必要的。但是更有實(shí)用價(jià)值和迫切性的是地球軌道編隊(duì)飛行。進(jìn)入本世紀(jì)以來編隊(duì)飛行已成為空間技術(shù)熱點(diǎn)研究課題，目前世界上針對(duì)編隊(duì)飛行的國際學(xué)術(shù)大型會(huì)議就有兩個(gè)：一個(gè)為國際航天器編隊(duì)飛行任務(wù)和技術(shù)研討會(huì)（Internation Symposium on Formation Flying Missions and Technologies），每隔2～3年舉行一次，至今已連續(xù)舉行5 次；另一個(gè)為國際衛(wèi)星星座和編隊(duì)飛行（IWSCFF）會(huì)議，也是每隔2～3年舉行一次，至今已連續(xù)舉行7次。

雖然航天器編隊(duì)飛行在積極進(jìn)行，也取得一些成果。但是就目前研究進(jìn)展來看，大部分是動(dòng)力學(xué)理論研究和設(shè)計(jì)方案論證，另一小部分為最簡單的兩星串聯(lián)編隊(duì)飛行空間試驗(yàn)。地球軌道衛(wèi)星編隊(duì)飛行對(duì)軍用民用都具有很大的優(yōu)勢(shì)，例如，多顆微波雷達(dá)衛(wèi)星組成精確編隊(duì)飛行，具有提高地面分辨率、可測(cè)高程、監(jiān)視地面低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、擴(kuò)大覆蓋幅寬等四大優(yōu)點(diǎn)。本世紀(jì)初美國曾經(jīng)開展過一個(gè)宏偉計(jì)劃，稱為Techsat-21，但因技術(shù)難度大，相位同步與要求滿足干涉條件非常嚴(yán)格等原因，最后被迫取消。

對(duì)地球軌道衛(wèi)星編隊(duì)飛行，特別是近地軌道來說：由于低軌道地球扁平J2引起軌道擾動(dòng)，為了保證微波雷達(dá)相位同步，運(yùn)行一年每顆衛(wèi)星需要速度增量達(dá)100～1000m／s，這樣大的燃耗，即使再好的編隊(duì)飛行目前也無法在低軌道實(shí)現(xiàn)。只有多顆衛(wèi)星分布在不同軌道的編隊(duì)飛行，才可以獲得很高價(jià)值的觀測(cè)成果，在下面本文將提出一個(gè)編隊(duì)飛行全球三維定位系統(tǒng)方案，也就是電子偵察衛(wèi)星編隊(duì)飛行方案，它是由多顆小衛(wèi)星分布在不同軌道的編隊(duì)飛行。類似這樣研究項(xiàng)目是今后編隊(duì)飛行攻關(guān)的重點(diǎn)課題。

6 協(xié)同小衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用（服務(wù)）

本文提出幾種小衛(wèi)星系統(tǒng)方案和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以此作為協(xié)同小衛(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)應(yīng)用的示例。

6．1 編隊(duì)飛行全球三維定位系統(tǒng)

本文的三維定位系統(tǒng)基于反GPS 工作原理，GPS工作原理是地面目標(biāo)同時(shí)能接收到空間3～4顆衛(wèi)星發(fā)出的無線電信號(hào)，根據(jù)接收各顆衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)差，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，獲得地面目標(biāo)位置和速度。反GPS工作原理是空間編隊(duì)飛行的3～4顆衛(wèi)星能同時(shí)收到地面目標(biāo)發(fā)出的無線電信號(hào)，根據(jù)接收信號(hào)的時(shí)差與頻差，獲得地面目標(biāo)位置，這就是電子偵察衛(wèi)星的基本原理。美國發(fā)射過很多電子偵察衛(wèi)星，其中以“白云”電子偵察衛(wèi)星為例，定位系統(tǒng)由3顆衛(wèi)星組成，其中2顆前后分布在同一個(gè)軌道，第3顆在前2顆中間，但處在另一軌道，這3顆衛(wèi)星經(jīng)過赤道時(shí)形成一個(gè)等邊三角形，可以獲得地面雷達(dá)三維位置，但是過赤道后第3顆逐漸靠近另外2顆，甚至構(gòu)成一條直線，定位系統(tǒng)完全失去功能，因此“白云”電子偵察衛(wèi)星隨緯度提高則定位精度很快降低，在高緯度地區(qū)這種定位系統(tǒng)無法使用。（一般電子偵察衛(wèi)星系統(tǒng)定位精度為4～5km。）

本文提出一個(gè)可以連續(xù)偵察地面和海洋的電子偵察衛(wèi)星系統(tǒng)。由4顆小衛(wèi)星按三維編隊(duì)飛行軌跡布置，編隊(duì)飛行中心有1顆主星，圓周上按相隔120°均勻分布3顆輔星，如圖5所示［6］。

圖5 三維編隊(duì)飛行小衛(wèi)星組成電子偵察衛(wèi)星軌道構(gòu)形Fig．5 Orbital configuration of electronic reconnaissance satellites composed of small satellites 3Dformation flying

圖6所示為電子偵察衛(wèi)星系統(tǒng)工作原理，若采用編隊(duì)飛行方案，其主星軌道參數(shù)如下：長半軸α＝7378km（軌道高度1000km），傾角i＝63°，4 顆衛(wèi)星，可以獲得三維定位。

圖6 電子偵察衛(wèi)星系統(tǒng)工作原理Fig．6 Electronic reconnaissance satellite system working principle

電子偵察衛(wèi)星系統(tǒng)分別組成3個(gè)衛(wèi)星組。每組2顆衛(wèi)星（主星與任意一顆輔星），通過測(cè)定輻射源信號(hào)到達(dá)每組2顆衛(wèi)星的時(shí)間差，得到輻射源至該組2顆衛(wèi)星的距離差，利用這三組距離差分別建立3個(gè)以每組2顆衛(wèi)星所在位置為焦點(diǎn)的雙曲面，然后，根據(jù)這三個(gè)雙曲面和地球表面的交線得出地面雷達(dá)三維位置。

三維定位系統(tǒng)最少采用4顆衛(wèi)星，若衛(wèi)星數(shù)量增加，則三維定位精度提高。當(dāng)采用精確編隊(duì)飛行動(dòng)力學(xué)模型和定位方法時(shí)，進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真，可獲得下列結(jié)果：若采用時(shí)差和頻差混合定位方法，可獲得很高的定位精度。當(dāng)編隊(duì)飛行衛(wèi)星之間位置精度優(yōu)于1m 時(shí)，各星時(shí)間同步精度要求為10ns，頻差精度為1～2Hz，則全球的地面雷達(dá)三維定位精度估計(jì)優(yōu)于1km，星下點(diǎn)半徑為1000km 的區(qū)域三維定位精度為0．5km；當(dāng)星下點(diǎn)半徑為2000km 的區(qū)域時(shí)其三維定位精度為0．8km。具體三維定位精度分布如圖7所示。

圖7 三維定位精度分布Fig．7 Accuracy distribution of 3Dpositioning

若要實(shí)現(xiàn)全球電子偵察衛(wèi)星定位，本文建議把主星軌道改為極軌道。為了滿足全球三重覆蓋每天最少一次，采用多組編隊(duì)飛行，每組中心衛(wèi)星都在同一個(gè)軌道平面內(nèi)且各組均勻分布。由于每組編隊(duì)飛行都具有三重覆蓋，只要中心星構(gòu)成的編隊(duì)隊(duì)形所覆蓋范圍足夠?qū)拸V，就可滿足每天一次全球覆蓋（一天回歸軌道）。設(shè)Pc為軌道交點(diǎn)周期，由于地球自轉(zhuǎn)，兩條相鄰星下點(diǎn)軌跡與某一緯度的兩個(gè)交叉點(diǎn)之間距離為Pc×0．25L（L為在該緯度上轉(zhuǎn)過1°經(jīng)度的距離，地球每分鐘自轉(zhuǎn)的經(jīng)度為0．25°）。如果在一個(gè)軌道周期內(nèi)均勻布置N組編隊(duì)飛行衛(wèi)星，則每組編隊(duì)衛(wèi)星飛行的地面覆蓋為

當(dāng)N為5時(shí)，B大于等于500km（即采用5組編隊(duì)飛行衛(wèi)星，每組3～4顆衛(wèi)星，總共15～20顆衛(wèi)星，每組覆蓋地面寬度為500km），主衛(wèi)星星下點(diǎn)寬度±250km。一般來說1000km 軌道高度的電子偵察衛(wèi)星編隊(duì)飛行都能滿足上述地面覆蓋寬度要求。全球電子偵察衛(wèi)星星座運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8所示。有關(guān)電子偵察衛(wèi)星編隊(duì)飛行的更加詳細(xì)文獻(xiàn)參見文獻(xiàn)［6］。

圖8 全球電子偵察衛(wèi)星飛行軌跡Fig．8 Flight path of global electronic reconnaissance satellite

全球電子偵察衛(wèi)星飛行系統(tǒng)具有下列創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）對(duì)全球雷達(dá)位置可實(shí)現(xiàn)高精度定位，精度幾百米（包括高程），比現(xiàn)有定位精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)，例如美國“白云”電子偵察衛(wèi)星，定位精度3～4km；

（2）不受地理緯度限制，可實(shí)現(xiàn)全球三維定位；

（3）給出編隊(duì)飛行動(dòng)力學(xué)精確數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行完整數(shù)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，可得出較可靠的定位精度；

（4）本文為近地軌道多顆小衛(wèi)星編隊(duì)飛行的第一個(gè)應(yīng)用示例。

由于這種電子偵察衛(wèi)星編隊(duì)飛行只要求高的隊(duì)形測(cè)量精度，而對(duì)隊(duì)形位置保持精度較低，為此消除攝動(dòng)影響，保持隊(duì)形，運(yùn)行一年僅需要速度增量為100～120m／s，這些燃料消耗在實(shí)用工程中完全可以接受。

6．2 沿航向編隊(duì)飛行實(shí)現(xiàn)對(duì)地綜合觀測(cè)

這里采用沿航向編隊(duì)飛行，表示兩顆衛(wèi)星在不同軌道飛行，以不同時(shí)間（相隔時(shí)間為重訪時(shí)間）覆蓋同一個(gè)地區(qū)。也就是說，它們升交點(diǎn)赤經(jīng)不相同，與此相應(yīng)的發(fā)射時(shí)間也不同，這兩者時(shí)間差就是重訪時(shí)間。升交點(diǎn)赤經(jīng)之差是用來補(bǔ)償?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)引起星下點(diǎn)軌跡的變化，而其他軌道根數(shù)完全相同。

圖9用圖解方法表示沿航向編隊(duì)飛行的概念，圖9表示以不同時(shí)間的2顆衛(wèi)星通過升交點(diǎn)赤經(jīng)相差為ΔΩ＝tw，其中t為通過升交點(diǎn)時(shí)間差（也稱重訪時(shí)間），w為地球自轉(zhuǎn)角速度。

沿航向編隊(duì)飛行實(shí)現(xiàn)對(duì)地綜合觀測(cè)。軌道設(shè)計(jì)方案采用一天回歸軌道，對(duì)近地軌道來說，一天回歸只有兩個(gè)軌道高度：561km 圓軌道與888km 圓軌道。這里采用561km 低圓軌道，因?yàn)榉直媛瘦^高。有效載荷可采用全色或多光譜相機(jī)，土壤水分、植皮、地表溫度、海洋水色、海洋各種參數(shù)以及自然災(zāi)害等各種監(jiān)測(cè)儀器［7］。每顆小衛(wèi)星只裝1～2種有效載荷，以適應(yīng)小衛(wèi)星質(zhì)量與功耗許可范圍。編隊(duì)飛行構(gòu)建一條對(duì)地綜合觀測(cè)覆蓋地帶。一般覆蓋地帶寬度近百千米，若采用在滾動(dòng)軸左右側(cè)擺方式，覆蓋地帶寬度可達(dá)100～200km。

圖9 沿航向編隊(duì)飛行概念Fig．9 Concept of formation flying along the course

覆蓋地帶觀測(cè)方案：根據(jù)覆蓋我國區(qū)域須要選擇最合適的傾角。例如傾角60°～65°，升交點(diǎn)為東經(jīng)105°～110°。系統(tǒng)可由若干具有不同有效載荷的小衛(wèi)星組成。衛(wèi)星數(shù)量、種類、星間間隔等完全按飛行任務(wù)和總體設(shè)計(jì)要求來確定。運(yùn)載火箭發(fā)射方式有兩種：①多次發(fā)射方式，每次升交點(diǎn)赤經(jīng)相差根據(jù)公式ΔΩ＝tw計(jì)算，從而補(bǔ)償?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)效應(yīng)；②1次發(fā)射6～7種對(duì)地觀測(cè)監(jiān)測(cè)器，要求第3級(jí)火箭入軌后，每隔5～6min釋放一顆小衛(wèi)星，第3級(jí)火箭通過升交點(diǎn)為當(dāng)?shù)貢r(shí)間上午6～7時(shí)左右，釋放第7顆小衛(wèi)星的近地點(diǎn)幅角ω為0°（對(duì)我國南海進(jìn)行觀測(cè)），這樣連續(xù)釋放全部監(jiān)測(cè)器大約需要40min，由于采用一天回歸軌道，每天至少有幾次都會(huì)在白天觀測(cè)。圖10表示由7種任意不同的觀測(cè)監(jiān)測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)地綜合觀測(cè)，而且每種監(jiān)測(cè)器對(duì)地重訪時(shí)間為1天。圖10中1、2、3、…7代表7種對(duì)地綜合監(jiān)測(cè)器。這種設(shè)計(jì)方案可以滿足許多領(lǐng)域應(yīng)用的要求。當(dāng)采用第一種多次發(fā)射方式，每顆小衛(wèi)星間隔時(shí)間可以根據(jù)需要來選擇，然后計(jì)算升交點(diǎn)赤經(jīng)之差；若按第二種1次發(fā)射方式，第3級(jí)火箭向后釋放小衛(wèi)星，而且要求有一定分離速度，這樣發(fā)射完畢，7 顆小衛(wèi)星像一串糖葫蘆，因?yàn)榉蛛x速度不同且又有釋放間隔時(shí)間，所以不會(huì)發(fā)生碰撞。

圖10 表示由7種不同觀測(cè)監(jiān)測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)地綜合觀測(cè)（示意圖）Fig．10 Integrated earth observation implemented by seven different observation monitoring instruments

6．3 地球同步軌道衛(wèi)星編隊(duì)飛行

本方案在地球同步軌道分布4顆衛(wèi)星組成編隊(duì)飛行。具體作法如下：①讓衛(wèi)星軌道周期相等于地球自轉(zhuǎn)周期（23h56min4．1s）；②傾角非零，此時(shí)星下點(diǎn)軌跡為8 字形，傾角大小決定8 字形大小；③橢圓度非零，適當(dāng)選擇傾角和橢圓度，這4顆衛(wèi)星就構(gòu)成如圖11所示的編隊(duì)飛行，而且這4顆衛(wèi)星在一軌道周期內(nèi)繞基準(zhǔn)星（以紅色表示）兩圏。

當(dāng)4顆衛(wèi)星組成編隊(duì)飛行作為區(qū)域三維導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)，就是導(dǎo)航衛(wèi)星星座；當(dāng)對(duì)地觀測(cè)，4 顆衛(wèi)星同時(shí)對(duì)準(zhǔn)一個(gè)觀測(cè)目標(biāo)，則成為對(duì)地觀測(cè)編隊(duì)飛行。這說明本方案具有星座和編隊(duì)飛行兩種功能，完全取決于采用什么樣的衛(wèi)星和數(shù)據(jù)處理。這一特點(diǎn)至今世上還沒有找到第二個(gè)示例。

本文設(shè)計(jì)為區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，其特點(diǎn)是用最小數(shù)量衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)高精度三維區(qū)域?qū)Ш?，?duì)中國和四周區(qū)域可以連續(xù)24h高精度導(dǎo)航，一般導(dǎo)航星座至少需要十幾顆衛(wèi)星。采用4顆衛(wèi)星編隊(duì)飛行，即可實(shí)現(xiàn)覆蓋在本區(qū)域內(nèi)的任何用戶可以連續(xù)不斷同時(shí)接收到4顆導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)，由于編隊(duì)飛行的4顆衛(wèi)星可以長期保持一個(gè)基本不變的隊(duì)形，從而保證導(dǎo)航精度所必要的定位精度在10m 左右。這是至今為止在相同精度和相同覆蓋區(qū)條件下，采用衛(wèi)星數(shù)量最少的，也是投資經(jīng)費(fèi)最低的導(dǎo)航系統(tǒng)方案，詳細(xì)參閱文獻(xiàn)［8］。

圖11表示4顆小衛(wèi)星在地球同步軌道編隊(duì)飛行，當(dāng)中一顆（紅色）為備份衛(wèi)星。編隊(duì)隊(duì)形由于軌道攝動(dòng)變化如圖12所示，圖中表示編隊(duì)飛行半徑為10 000km 運(yùn)行一年的隊(duì)形變化。

經(jīng)過采用精確編隊(duì)隊(duì)形動(dòng)力學(xué)模型，獲得在確保導(dǎo)航定位條件下，每年要修正軌道速度增量ΔV為20～30m／s。

地球同步軌道對(duì)地觀測(cè)最大優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性，重訪時(shí)間為零，但是距離很遠(yuǎn)，單顆衛(wèi)星光學(xué)相機(jī)分辨率非常低，無實(shí)用價(jià)值。若要提高相機(jī)分辨率，則相機(jī)鏡頭重量劇增，以致實(shí)際工程無法實(shí)現(xiàn)。為此單顆衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)無法解決實(shí)時(shí)性，只能采用聯(lián)合多顆衛(wèi)星編隊(duì)飛行協(xié)同工作。

圖11 地球同步軌道分布4顆衛(wèi)星的編隊(duì)飛行Fig．11 Four satellite formation flying in geostationary orbit

圖12 衛(wèi)星編隊(duì)飛行軌道位置一年的變化歷程Fig．12 Orbital position change process of satellites formation flying in a year

在地球同步軌道4顆衛(wèi)星可以連續(xù)對(duì)準(zhǔn)同一個(gè)目標(biāo)觀測(cè)，然后對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行干涉與合成數(shù)據(jù)處理，從而獲得較高的空間分辨率和時(shí)間分辨率（重訪時(shí)間為零）。但是目前干涉合成數(shù)據(jù)處理，覆蓋面積不夠理想，只能完成小區(qū)域點(diǎn)對(duì)點(diǎn)變換的數(shù)據(jù)處理，獲得很小覆蓋面積，實(shí)際應(yīng)用須要進(jìn)行面對(duì)面變換，才能獲得所需要大的覆蓋面積。但是這一技術(shù)目前還存在較大困難，只待今后技術(shù)進(jìn)展，逐步解決。

6．4 對(duì)地觀測(cè)手機(jī)小衛(wèi)星星座

采用手機(jī)作為有效載荷，立方體納型衛(wèi)星為平臺(tái)，類似英國薩瑞大學(xué)空間研究中心（SSC）最近發(fā)射的STRaNT-1 納型手機(jī)衛(wèi)星［9］。這里著重討論手機(jī)小衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)星座，具體方案如下所述。

在智能手機(jī)攝像頭前加裝一個(gè)具有2°視場(chǎng)的光學(xué)小鏡頭，目前手機(jī)具有1300萬像素，拍照為來復(fù)式。在500km 軌道高度將產(chǎn)生18km×18km＝324km2覆蓋面積的一幅圖像，分辨率為5 m。分辨率＝覆蓋寬度／像素＝18 000 m／3500 ＝5 m（1300萬像素開平方結(jié)果約為3500）。

這顆納星還有兩個(gè)固定式太陽電池陣，每顆納星質(zhì)量為5～6kg，投資成本不到15萬美元。

以上述手機(jī)衛(wèi)星為基礎(chǔ)，可以組成多種對(duì)地觀測(cè)和通信衛(wèi)星星座，這里僅討論其中一種：把上述4顆手機(jī)衛(wèi)星橫向連接在一起（垂直于軌道平面），相當(dāng)推掃寬度為4×18＝72km。手機(jī)除了來復(fù)式拍照，還可以連拍，每幅為72km×18km≈1300km2，要求選擇拍照速度和衛(wèi)星對(duì)地運(yùn)動(dòng)相一致。這個(gè)應(yīng)用示例可以與2008年德國發(fā)射的“快眼”（Rapid Eye）小衛(wèi)星星座比較，該星座覆蓋寬度78km，光學(xué)分辨率為5m，衛(wèi)星重量為150kg。由5顆小衛(wèi)星組成星座，覆蓋全球時(shí)間為1天，星座經(jīng)濟(jì)投資約為7000萬美元。4顆手機(jī)衛(wèi)星為一組，相當(dāng)一顆“快眼”小衛(wèi)星，若加一些余量，大約6 組手機(jī)衛(wèi)星就可以1天時(shí)間覆蓋全球，也就是由24顆手機(jī)衛(wèi)星組成星座，相當(dāng)5顆小衛(wèi)星組成“快眼”星座，其經(jīng)濟(jì)投資僅為360萬美元，約是“快眼”小衛(wèi)星星座投資的1／20。24顆手機(jī)衛(wèi)星星座質(zhì)量約為“快眼”小衛(wèi)星星座1／6．5。當(dāng)然，這種比較僅就從光學(xué)對(duì)地觀測(cè)角度來分析，是不夠全面的，因?yàn)椤翱煅邸毙⌒l(wèi)星星座具備其他功能，例如多光譜成像等，但仍然可以說明手機(jī)衛(wèi)星星座的優(yōu)勢(shì)。另外手機(jī)衛(wèi)星還具有通信能力，若加裝一些設(shè)備如通信轉(zhuǎn)發(fā)器、改善收發(fā)機(jī)與天線的性能（當(dāng)然也須增加衛(wèi)星重量和功耗），則可以組成各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)通信手機(jī)衛(wèi)星星座。

總之，若能巧妙成功采用手機(jī)衛(wèi)星組成各種應(yīng)用星座［10］，則投資成本將會(huì)有數(shù)量級(jí)的降低，原因很簡單，手機(jī)衛(wèi)星的有效載荷和平臺(tái)都已是現(xiàn)有的成熟商品，在這之前人們已經(jīng)花費(fèi)了幾十至上百億美元作為研制開發(fā)費(fèi)用。

7 結(jié)束語

本文提出5S概念的主要目的：希望正在蓬勃發(fā)展的小衛(wèi)星、微小衛(wèi)星、微型衛(wèi)星、納型衛(wèi)星以及立方體星等，能積極開創(chuàng)研制協(xié)同小衛(wèi)星系統(tǒng)，以擴(kuò)大其在各個(gè)領(lǐng)域的新應(yīng)用。5S的發(fā)展前景將是十分美好的，這可由5S特點(diǎn)：投資成本小、研制周期短和實(shí)用效果好等優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)出來。

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